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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit einem schwingungsfähigen geraden Messrohr aus einem korrosionsbeständigen Metall, insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung, an welchem zur Umsetzung des Coriolis-Messprinzips mit dem Messrohr unmittelbar verbundene Anbauteile angebracht sind und mit welchem wenigstens ein parallel zum Messrohr verlaufendes Stabilisierungselement über unmittelbar mit dem Messrohr verbundene Anbauteile gekopppelt sind.
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Die hier interessierenden Coriolis-Massendurchflussmesser mit Geradrohrgeometrie sind strömungsoptimal und werden vornehmlich bei verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt, um Massendurchflüsse durch eine Rohrleitung zu messen. Zu diesem Zwecke erregt das Messgerät das von einem Fluid durchströmte Messrohr zu einer periodischen Schwingung an. An mindestens zwei Stellen am Messrohr wird der Einfluss der Fluidströmung auf das Schwingverhalten gemessen. Aus der Phasendifferenz der Messsignale an den Messstellen ist der Massendurchfluss ermittelbar.
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Die
DE 41 24 295 A1 zeigt ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit einem Stabilisierungselement, wobei das Stabilisierungselement über ein Anbauteil mit dem Messrohr verbunden ist und das Anbauteil unmittelbar mit dem Messrohr gekoppelt ist, und wobei das Anbauteil aus dem gleichen Material besteht wie das Messrohr.
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Die
WO 02/25224 A1 zeigt ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit einem Stabilisierungselement, wobei das Stabilisierungselement über ein Anbauteil mit dem Messrohr verbunden ist, wobei das Anbauteil entweder einstückig ausgeführt ist und dann aus demselben Material besteht wie das Messrohr, oder wobei das Anbauteil zweiteilig ausgeführt ist und ein erster Teil unmittelbar mit dem Messrohr verbunden ist und dieser erste Teil denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie das Messrohr.
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Aus der
DE 103 51 312 A1 ist ein gattungsgemäßes Coriolis-Massendurchflussmessgerät bekannt. Dieses besteht aus einem in gekoppelten Biege- und Torsionsmoden schwingenden geraden Messrohr, dessen Schwingverhalten sensortechnisch zwecks nachfolgender Signalauswertung erfasst wird. Mit dem geraden Messrohr ist ein bezüglich einer Rotationssymmetrieachse drehsymmetrisch ausgebildetes, in Torsionsschwingungen gleicher Frequenz aber entgegengesetzter Phasenlage zu den Torsionsschwingungsmoden des Messrohres versetzbares Anbauteil mechanisch verbunden. Das Anbauteil ist ein mehrteiliger Körper, der aus Hohlprofilschienen und Balancierelementen bestehen kann.
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Die Kraftwirkung des Fluides auf die Messrohrwandung aufgrund der Strömung ist verglichen mit anderen auftretenden Kräften sehr klein. Um den Messeffekt von Untergrund und Störungen unterscheiden zu können, bestehen hohe Anforderungen an Aufbau und Symmetrie des Messgeräts. Insbesondere aber ist das Messgerät schwingungstechnisch möglichst vollständig von seiner Umgebung - insbesondere der Rohrleitung - zu entkoppeln. Eine solche Entkopplung, welche auch als Balancierung bezeichnet wird, wird hier durch die Anbauteile erzielt.
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Aus der
EP 0 985 913 A1 geht ein weiteres Coriolis-Durchflussmessgerät hervor, welches mittels eines das Messrohr umschließenden Kompensationszylinders stabilisiert ist. Der Kompensationszylinder ist in einer axiale Relativbewegungen ausschließenden Weise mit dem Messrohr verbunden. Hierdurch werden Ausdehnungen oder Spannungen, die aufgrund des gerade ausgeführten Messrohres entstehen, kompensiert. Ansonsten würden diese Ausdehnungen oder Spannungen, welche bei Temperaturdifferenzen auftreten, die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Im Extremfall können derartig thermisch bedingte Spannungen sogar zu mechanischen Schäden, nämlich zu Spannungsrissen, am Messrohr führen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik auf dem Gebiet der Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit geradem Messrohr ist weiterhin bekannt, Messrohre aus einem korrosionsfesten Metall, vorzugsweise aus Titan oder Titanlegierungen, auszuführen. Titan und seine Legierungen kommen aufgrund ihrer Eigenschaften, nämlich relativ geringe Wärmeausdehnung und geringe Steifigkeit (E-Modul), für einen weiten Einsatztemperaturbereich in Frage. Titan ist darüber hinaus resistent gegenüber einer Vielzahl von korrosiven Medien.
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Zur Umsetzung des Coriolis-Messprinzips sind am Titan-Messrohr weitere Anbauteile, wie Antriebs - und Balancierungselemente und Endplatten vorgesehen. Hinzu kommen Stabilisierungselemente, die zwischen den Endplatten angeordnet, mit den Endplatten verbunden und somit über die Endplatten mit dem Messrohr gekoppelt sind.
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Es ist prinzipiell denkbar, dass die Anbauteile und Stabilisierungselemente wie das Messrohr auch aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen. Zur Verwendung bei dem Stabilisierungselement ist Titan allerdings weniger geeignet und wird in der Praxis für diesen Zweck auch nicht eingesetzt, denn für diese Anwendung wird ein Material mit einer höheren Dichte und damit bei vergleichbarem Volumen mit einer höheren Masse benötigt. Daher bestehen bei gattungsgemäßen Coriolis-Massendurchflussgeräten die Anbauteile und die Stabilisierungselemente aus einem anderen Metall als das Messrohr.
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Die Anbauteile und die Stabilisierungselemente sind gewöhnlich aus Stahl gefertigt, der einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Titan-Messrohr, und sind über Verbindungstechniken, wie Hartlöten oder Schweißen, mit dem Messrohr verbunden. Dieselben Verbindungstechniken werden auch zur Verbindung der Stabilisierungselemente mit den Endplatten verwendet.
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Insbesondere das Hartlöten erfordert verschiedene Hartlötlegierungen, um eine qualitativ hochwertige Verbindung zwischen dem Titan des Messrohres und dem Metall der anderen Anbauteile zu realisieren.
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Bei dem während der Gerätefertigung erfolgenden Anbringen von parallel zum Messrohr verlaufenden Stabilisierungselementen zwischen den Endplatten, insbesondere durch Hartlöten oder Schweißen, erweist sich der unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient des Titan-Messrohres und der Stabilisierungselemente aus Stahl allerdings als nachteilig. Durch die unterschiedliche Ausdehnung beim Erhitzen auf Löttemperatur beziehungsweise Schweißtemperatur und Zusammenziehung bei Abkühlung werden Spannungen in die Konstruktion eingebracht, die zu Verbiegungen und Verwindungen während des Hartlötens oder Schweißens führen. Um dies weitestgehend zu verhindern werden üblicherweise mehrere Hartlöt- oder Schweißschritte in definierter Reihenfolge durchgeführt, was jedoch den Herstellungsaufwand entsprechend erhöht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Coriolis-Massendurchflussgerät der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen bei möglichst geringem Herstellungsaufwand möglich ist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Coriolis-Massendurchflussgerät des Oberbegriffs von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Stabilisierungselemente aus einem zweiten Werkstoff gefertigt sind, welcher einen dem Metall des Messrohres angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
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sind die mit dem Messrohr unmittelbar verbundenen Anbauteile aus einem dritten Werkstoff der einen größeren Wärmeausbildungskoeffizienten als das Metall des Messrohres besitzt.
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Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform sind wenigstens zwei Stabilisierungselemente vorhanden, die parallel zum Messrohr verlaufen und in axialer Richtung des Messrohres ausgedehnt und an mehreren Stellen über unmittelbar mit dem Messrohr verbundene Anbauteile an das Messrohr gekoppelt sind.
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In besonders vorteilhafter Weise sind dabei das wenigstens eine Stabilisierungselement oder die wenigstens zwei Stabilisierungselemente aus einem ferritischen Edelstahl gefertigt, und die Anbauteile sind aus einem austenitischen Edelstahl gefertigt.
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Austenitische Edelstähle weisen einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das für ein Messrohr gewöhnlich verwendeten Titan.
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Die Verwendung von austenitischem Edelstahl für die Anbauteile hat bei geschweißten oder hartgelöteten Verbindungen der Anbauteile mit dem Titanrohr den Vorteil, dass stoffschlüssige Verbindungsstellen nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur unter Kompressionsspannung stehen und deshalb weniger anfällig gegen Zugspannungen, hervorgerufen durch mechanische Schwingungsbeanspruchungen sind als Anbauteile aus Stahl mit ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Titan.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung äußert sich darin, dass die verschiedenen Anbauteile und die Stabilisierungselemente innerhalb eines einzigen Arbeitsschrittes miteinander und mit dem Messrohr verbunden beziehungsweise an das Messrohr gekoppelt werden können, vorzugsweise durch Hartlöten oder Schweißen, also stoffschlüssig. Ein Verziehen oder Verbiegen der Konstruktion ist durch die spezielle Materialwahl nicht mehr zu befürchten.
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Die Verwendung von ferritischem Edelstahl für die Stabilisierungselemente verhindert eine Verformung des Messrohres durch die ansonsten unterschiedliche Ausdehnung eines Messrohres aus Titan und der parallel laufenden Stabilisierungselementen.
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Die Verwendung von austenitischem Edelstahl für die Anbauteile, welche unmittelbar mit dem Messrohr verbunden werden, hat den Vorteil, dass stoffschlüssige Verbindungsstellen nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur unter Kompressionsspannung stehen und deshalb weniger anfällig gegen Zugsspannungen, hervorgerufen durch mechanische Schwingungsbeanspruchungen, sind als Anbauteile aus Stahl mit einem ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Titan oder Titanlegierungen.
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Die erfindungsgemäße Lösung schließt außer den speziell angegebenen ferritischen und austenitischen Edelstählen für die definierten Bauteile im Rahmen der Äquivalenz natürlich auch andere Stahl- oder Verbundwerkstoffe mit ein, welche dem Fachmann mit vergleichbaren Eigenschaften bekannt sind.
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Als zu dem austenitischen Stahl äquivalenter Austauschwerkstoff kommt etwa ein Duplex-Stahl in Betracht. Als zu dem ferritischen Stahl äquivalenter Austauschwerkstoff kommt etwa ein unlegierter oder ein niedrig legierter Stahl in Betracht.
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Die beschriebenen Bauteile des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts sind vorzugsweise - bis auf das Messrohr - aus Edelstahl hergestellt, um eine für das Messgerät geforderte Korrosionsbeständigkeit gegen äußere Einflüsse zu erzielen. Zentral wird für definierte Bauteile austenitischer oder ferritscher Edelstahl verwendet. Der am häufigsten verwendete austenitische Edelstahl ist die Legierung X5CrNi18-10, welcher als nicht rostender Stahl häufig für medizinische Gerätschaften oder dergleichen verwendet wird.
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Austenitische Edelstähle sind üblicherweise nickelhaltig und nicht magnetisch und besitzen einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (ca. 16 - 17 × 10-6 bei Raumtemperatur).
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Ferritische Edelstähle besitzen eine höhere Festigkeit als austenitische Stähle und werden daher meist für Werkzeuge und dergleichen verwendet. Neben Chrom ist oft auch Vanadium und Molybdän enthalten. Ferritische Edelstähle sind im Gegensatz zu austenitischen Edelstählen magnetisch. Der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt üblicherweise bei Raumtemperatur im Bereich von 10 - 11 × 10-6, und ist somit angepasst an den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Titan und dessen Legierungen. Von angepasst kann gesprochen werden, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Stabilisierungselementes nicht mehr als 20% von demjenigen des Messrohres aus Titan abweicht.Typische ferritische Edelstähle sind X30Cr13 oder X45CrMoV15.
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Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäße Coriolis-Massendurchflussgerät die Stabilisierungselemente gegenüberliegend beidseitig des Messrohres angeordnet und weisen einen vorzugsweise kreisringförmigen Querschnitt auf. Dadurch wird den Stabilisierungsrohren eine hohe mechanische Stabilität bei minimaler Eigenmasse verliehen. Sie können allerdings in weiterhin vorteilhafter Weise auch einen rechteckigen, quadratischen oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Stabilisierungselemente aus Hohlmaterial bestehen. Dadurch wird weiter Gewicht eingespart bei gleichbleibend hoher Festigkeit.
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Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme können die Stabilisierungsrohre endseitig über je eine Endplatte miteinander und mit dem Messrohr verbunden sein, um eine starre Konstruktion zu erzeugen. Die Endplatten bestehen als Anbauteile ebenfalls vorzugsweise aus einem austenitischem Edelstahl, um insbesondere die zuverlässige stoffschlüssige Verbindung mit dem aus Titan bestehendem Messrohr sicherzustellen.
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Als Anbauteil kommt insbesondere auch ein Trägerteil zur Anbringung mindestens eines elektrischen Bauteils, vorzugsweise einer Erregerspule zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen für das Messrohr, in Frage. Das Trägerteil besteht als Anbauteil ebenfalls aus einem austenitischem Edelstahl oder einem Äquivalent hiervon, um die vorstehend im Zusammenhang mit der Endplatte geschilderten Vorteile zu erzielen.
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Beidseits des Trägerteils können vorzugsweise weitere Verbindungselemente für elektrische Bauteile direkt am Messrohr aufgebracht sein. Diese Verbindungselemente dienen der Anbringung von vorzugsweise Schwingungssensoren zur Erfassung der Schwingantwort des fluiddurchflossenen Messrohres, welche nachfolgend signaltechnisch zur Ermittlung des Massedurchflusses weiter verarbeitet wird.
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Als weiteres Anbauteil kann das erfindungsgemäße Coriolis-Massendurchflussgerät auch mindestens ein Balancierelement, welches an dem Messrohr zwischen einem Stabilisierungselement und dem Messrohr angebracht ist, aufweisen. Balancierelemente dienen zur Einstellung des Schwingverhaltens und sind vorzugsweise im Bereich zwischen den Endplatten an dem Messrohr befestigt, um die ihnen zugewiesene Funktion zu erfüllen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt.
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Die Figur zeigt eine schematische Seitenansicht eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts mit einem schwingungsfähigen geraden Messrohr.
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Gemäß der Figur wird die Längsachse des Durchflussmessgeräts durch ein Messrohr 1 bestimmt, welches hier aus Titan besteht, so dass dieses gegenüber aggressiven Messmedien korrosionsbeständig ist.
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Das Messrohr 1 ist von weiteren Anbauteilen zur Umsetzung des Coriolis-Messprinzips umgeben, welche mit dem Messrohr 1 fest verbunden sind. Hierzu zählen in erster Linie die Balancierungselemente 6, die Verbindungselemente 5a, 5b, ein Trägerteil 4 sowie die Endplatten 3a und 3b. Den Bereich des Messrohres zwischen den beiden Endplatten kann man auch als Messstrecke bezeichnen.
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Beidseitig des Messrohrs 1 und parallel zu diesem sind zwischen den Endplatten 3a und 3b die Stabilisierungselemente 2a und 2b angebracht. Diese sind an den endseitigen Endplatten 3a und 3b befestigt und dadurch mit dem Messrohr 1 gekoppelt.
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Das als Anbauteil vorgesehene Trägerteil 4 geht ebenfalls stoffschlüssig - per Hartlöten - eine feste Verbindung zu dem Messrohr 1 ein. Es dient als Trägerteil zur Anbringung eines - nicht weiter dargestellten - elektrischen oder elektromechanischen Bauteils, in diesem Fall einer Anregeranordnung, mit der das Messrohr in Schwingungen versetzt wird.
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Beidseits des Trägerteils 4 sind weitere Verbindungselemente 5a und 5b direkt am Messrohr 1 vorgesehen, ebenfalls für - nicht weiter dargestellte - elektrische Bauteile. In diesem Fall handelt es sich bei den elektrischen Bauteilen um Schwingungssensoren, mit denen die Schwingungen des Messrohres messtechnisch erfasst werden.
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Ferner ist an dem Messrohr 1 mindestens ein Balancierelement 6 angeordnet. Die Balancierelemente 6 dienen der Einstellung des Schwingverhaltens des Durchflussmessgeräts. Es sind in der hier gezeigten Ausführungsform vier Balncierungselemente angebracht, wobei jeweils zwei Balancierungselemente in Längserstreckung des Messrohres zwischen jeder Endplatte 3a und 3b und dem Trägerteil 4 platziert sind.
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Um störende mechanische Spannungen bei der Fertigung zwischen den vorstehend beschriebenen fest miteinander verbundenen Bauteilen zu unterbinden, ist vorgesehen, die Stabilisierungsrohre 2a und 2b aus einem ferritischen Edelstahl zu fertigen, wogegen die übrigen Anbauteile aus einem austenitischen Edelstahl gefertigt sind.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, für die anspruchsgemäß definierten speziellen Bauteile äquivalente Materialien mit ähnlichen Eigenschaften zu wählen, welche dem Fachmann aufgrund seines Fachwissens bekannt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messrohr
- 2a
- Stabilisierungselement
- 2b
- Stabilisierungselement
- 3a
- Endplatte
- 3b
- Endplatte
- 4
- Trägerteil
- 5a
- Verbindungselement
- 5b
- Verbindungselement
- 6
- Balancierelement