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Title:
SENSOR FOR MEASURING THE MASS FLOW RATE OF A FLOWABLE MEDIUM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/219603
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a mass flow rate sensor (100) comprising a vibratable measuring pipeline bent in a pipeline plane, a vibration exciter (53) for exciting bending vibrations in a bending vibration operating mode, and two vibration sensors (51, 52) for detecting vibrations, a support system having a carrier plate (30) and an in-flow-side and an out-flow-side bearing element, and a sensor housing, wherein the support system has support system vibrating modes including elastic deformations of the carrier plate, wherein the measuring pipeline (10) is securely connected to the carrier plate (30) by means of the in-flow-side bearing element (20, 21) and by means of the out-flow-side bearing element, and same is limited by the bearing elements (21, 22), wherein the carrier plate has a number of spring bearings (31, 32, 33, 34) released by cuts in the carrier plate, via which the carrier plate is mounted on the sensor housing (40) with vibrational degrees of freedom, the natural frequencies of which are lower than an operating mode natural frequency of the bending vibration operating mode, wherein the operating mode natural frequency is lower than the natural frequency of the support system vibration modes, wherein, in the first estimation, a calibration factor (Calf) describes a proportion between a mass flow rate through the measuring pipeline and a phase difference between vibrations of the measuring pipeline vibrating in the bending vibration operating mode at the site of the two vibration sensors, wherein the vibration sensors are positioned such that, when rotating the sensor about an axis of rotation running perpendicular to the axis of symmetry of the two-fold rotational symmetry and perpendicular to a longitudinal axis of the sensor, a rotational speed dependence of the calibration factor (Calf) has a minimum, or exceeds the value of the minimum by no more than 20%, in particular by no more than 10%, and preferably by no more than 5% of said value.

Inventors:
HUBER, Christof (Eigerstraße 54, 3007 Bern, 3007, CH)
SCHWENTER, Benjamin (Lerchenstraße 7, 4147 Aesch, 4147, CH)
MUNDSCHIN, Dieter (Erzenbergstrasse 26, 4410 Liestal, 4410, CH)
SCHÜTZE, Christian (Habsburger Str. 34, 4055 Basel, 4055, CH)
Application Number:
EP2018/061859
Publication Date:
December 06, 2018
Filing Date:
May 08, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS+HAUSER FLOWTEC AG (Kägenstr. 7, 4153 Reinach, 4153, CH)
International Classes:
G01F1/84; G01F25/00
Domestic Patent References:
WO2015076676A12015-05-28
WO2015076676A12015-05-28
Foreign References:
EP0518124A11992-12-16
EP2199756A12010-06-23
DE3916285A11990-11-22
EP0518124A11992-12-16
DE102015122146A2015-12-17
DE102010030340A12011-01-05
Attorney, Agent or Firm:
ANDRES, Angelika (Colmarer Str. 6, Endress+Hauser AG+Co. KG, Weil am Rhein, 79576, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Vibronischer Messaufnehmer (100) zum Messen des Massendurchflusses eines strömungsfähigen Mediums, umfassend: einen Leitungseinlaufabschnitt (18); eine schwingfähige Messrohrleitung (10) zu Führen des Mediums, wobei die Messrohrleitung in ihrer Ruhelage in einer Rohrleitungsebene gebogen ist; einen Leitungsauslaufabschnitt (19); mindestens einen Schwingungserreger (53) zum Anregen von Biegeschwingungen der Messrohrleitung (10) in einer Biegeschwingungsnutzmode; mindestens zwei Schwingungssensoren zum Erfassen von Schwingungen der

Messrohrleitung; ein Tragsystem mit einer Trägerplatte (30), mindestens einem einlaufseitigen Lagerkörper (21 ) und mindestens einem auslaufseitigen Lagerkörper (22); und ein Messaufnehmergehäuse; wobei das Tragsystem Tragsystemschwingungsmoden aufweist die elastische Verformungen der Trägerplatte (30) umfassen; wobei die Messrohrleitung (10) mittels des einlaufseitigen Lagerkörpers (21 ) und mittels des auslaufseitigen Lagerkörpers (22) mit der Trägerplatte (30) fest verbunden und durch die

Lagerkörper begrenzt ist, wobei die Messrohrleitung (10) einlaufseitig an den Leitungseinlaufabschnitt (18) und auslaufseitig an den Leitungsauslaufabschnitt (19) anschließt und über letztere an eine Rohrleitung anschließbar ist, wobei der Leitungseinlaufabschnitt (18) und der Leitungsauslaufabschnitt (19) jeweils fest mit dem Messaufnehmergehäuse (40) verbunden sind;

wobei die Trägerplatte (30) eine Anzahl von insbesondere spiralförmigen Federlagern (31 , 32, 33, 34) aufweist, wobei ein Federlager jeweils durch mindestens einen Schnitt in der

Trägerplatte freigelegt ist, wobei die Trägerplatte über das oder die Federlager gegenüber dem Messaufnehmergehäuse federnd gelagert ist, so dass sie drei Translationsschwingungsfreiheitsgrade und drei Rotationsschwingungsfreiheitsgrade aufweist, wobei die Eigenfrequenzen von Schwingungen der Trägerplatte gegenüber dem

Messgerätgehäuse aufgrund der Translationsschwingungsfreiheitsgrade und der Rotations- schwingungsfreiheitsgrades geringer sind als eine Nutzmodeeigenfrequenz des Biege- schwingungsnutzmodes, wobei die Nutzmodeeigenfrequenz geringer ist als die Eigenfrequenzen der

Tragsystemschwingungsmoden, wobei die wobei die Messrohrleitung im Wesentlichen eine zweizählige Rotationssymmetrie aufweist bezüglich einer Achse die senkrecht zur Rohrleitungsebene verläuft, wobei ein Kalibrierfaktor (Calf) in erster Näherung eine Proportionalität zwischen einem Massedurchfluss durch die Messrohrleitung und einer Phasendifferenz zwischen Schwingungen der im Biegeschwingungsnutzmode schwingenden Messrohrleitung am Ort der beiden

Schwingungssensoren beschreibt, wobei die Schwingungssensoren so positioniert sind, dass eine Drehzahlabhängigkeit des Kalibrierfaktors (Calf) bei Rotationen des Messaufnehmers um eine Rotationsachse die senkrecht zur Symmetrieachse der zweizähligen Rotationssymmetrie und senkrecht zu einer Längsachse des Messaufnehmers verläuft, ein Minimum aufweist bzw. den Wert des Minimum um nicht mehr als 20% insbesondere nicht mehr als 10% und bevorzugt nicht mehr als 5% von dessen Wert übersteigt.

2. Messaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei die Lagerkörper (21 , 22) so positioniert sind, dass die Nutzmodeeigenfrequenz einen Frequenzabstand zur nächsten Eigenfrequenz einer anderen Schwingungsmode der Messrohrleitung aufweist, der einen Frequenzabstandsgrenzwert nicht unterschreitet, wobei der Frequenzabstandsgrenzwert mindestens 2% insbesondere mindestens 4% und bevorzugt mindestens 8% der Nutzmodeeigenfrequenz beträgt.

3. Messaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei ein Kalibrierfaktor (Calf) in erster Näherung eine Proportionalität zwischen einem Massedurchfluss durch die Messrohrleitung und einer Phasendifferenz zwischen Schwingungen der im Biegeschwingungsnutzmode schwingenden Messrohrleitung am Ort der beiden Schwingungssensoren beschreibt, wobei eine Bewertungsfunktion die, proportional zum Frequenzabstand und umgekehrt proportional zur Nutzmodeeigenfrequenz und zum Kalibrierfaktors Calf ist, ein lokales oder absolutes Maximum aufweist, wobei die Lagerkörper so positioniert sind, das die Bewertungsfunktion den Wert des Maximums um nicht mehr als 8%, insbesondere nicht mehr als 4% und bevorzugt nicht mehr als 2% unterschreitet.

4. Massendurchflußmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nutzmode, eine F3-Biegeschwingungsmode ist.

5. Massendurchflußmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eigenfrequenzen von Schwingungen der Trägerplatte gegenüber dem Messgerätgehäuse aufgrund der Translationsschwingungsfreiheitsgrade und der Rotationsschwingungsfreiheitsgrade höchstens die Hälfte der Nutzmodeeigenfrequenz des Biegeschwingungsnutzmodes beträgt, und wobei die Tragsystem-Eigenfrequenz mindestens das Doppelte die Nutzmodeeigenfrequenz beträgt.

6. Messaufnehmer nach Anspruch 1 bis 5, wobei die Anzahl der Federlager 1 , 2, 3, oder 4 ist.

7. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messrohrleitung einen S-förmigen Verlauf aufweist, wobei in der Rohrleitungsebene eine Längsrichtung (z) existiert, zu welcher die Rohrleitungsachse an keinem Punkt einen Winkel von mehr als 85°, insbesondere nicht mehr als 83° aufweist.

8. Messaufnehmer nach Anspruch 7, wobei die Messrohrleitung (10) zwischen den beiden Lagerkörpern (21 , 22) zwei äußere gerade Abschnitte (1 1 , 12) und einen zentralen geraden Abschnitt (13) aufweist, die durch zwei kreisbogenförmige Abschnitte (15, 16) verbunden sind, wobei die beiden Lagerkörper (21 , 22) jeweils an den äußeren geraden Abschnitten angeordnet sind.

9. Messaufnehmer nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils eine Winkelhalbierend (w1 , w2) zwischen Rohrmittelachsen des zentralen geraden

Abschnitts (13) und eines der äußeren geraden Abschnitte (11 , 12) verläuft, wobei die

Schwingungssensoren jeweils zwischen einem Schnittpunkt einer der Winkelhalbierenden mit der Messohrleitung und einem Punkt auf dem äußeren geraden Abschnitt der Messrohrleitung, der einen Krümmungsradius des kreisförmigen Abschnitts, insbesondere einen halben Krümmngsradius, vorzugsweise einen viertel Krümmungsradius, vom Übergang des kreisförmigen Abschnitts zum äußeren geraden Abschnitt entfernt ist, an der Messrohrleitung montiert sind.

10. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leitungseinlaufabschnitt und der Leitungsauslaufabschnitt, bezüglich der Translationsschwin- gungsfreiheitsgrade und der Rotationsschwingungsfreiheitsgrade der Trägerplatte gegenüber dem Messaufnehmergehäuse ergänzend zu der Feder bzw. Federn zu einer jeweils freiheits- gradspezifischen Richtgröße beitragen, wobei ein Beitrag des Leitungseinlaufabschnitts von einem entsprechenden Beitrag des Leitungsauslaufabschnitts jeweils nicht mehr als 10%, und

insbesondere nicht mehr 5% des jeweils kleineren Beitrags abweicht.

1 1. Messaufnehmer nach Anspruch 10, wobei der gemeinsame Beitrag des Leitungseinlaufabschnitts und des Leitungsauslaufabschnitts zu den freiheitsgradspezifischen Richtgrößen nicht mehr als 40%, insbesondere nicht mehr als 20% und bevorzugt nicht mehr als 10% beträgt.

12. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leitungseinlaufabschnitt und der Leitungsauslaufabschnitt im Wesentlichen den gleichen Rohrquerschnitt aufweisen wie die Messrohrleitung, insbesondere das gleiche Rohrmaterial wie die Messrohrleitung, und bevorzugt einstückig mit der Messrohrleitung gefertigt sind.

13. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Eigenfrequenzen der Translationsschwingungsfreiheitsgrade und Rotationsschwingungsfreiheitsgrade der Trägerplatte nicht weniger als 70 Hz insbesondere nicht weniger als 100 Hz und/oder nicht mehr als 400 Hz betragen.

14. Messaufnehmer nach Anspruch 8 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei jeweils eine Winkelhalbierende (w1 , w2) zwischen einer Rohrmittelachse des zentralen geraden Abschnitts (13) und einer Rohrmittelachse eines der äußeren geraden Abschnitte (1 1 , 12) verläuft, wobei ein Koordinatensystem mit einer z-Achse in der Rohrleitungsebene gegeben ist, die senkrecht zu den Winkelhalbierenden (w1 , w2) verläuft, wobei die Achse der zweizähligen Rotationssymmetrie die x-Achse bildet, wobei eine durch die x-Achse und die z-Achse aufgespannte y-z-Ebene, die äußeren geraden Abschnitte beabstandet zu den Lagerkörpern schneidet.

15. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwingungserreger im Zentrum der zweizahligen Rotationssymmetrie angeordnet ist, und wobei der Schwingungserreger dazu eingerichtet ist Biegeschwingungen senkrecht zur Rohrleitungsebene anzuregen.

16. Messaufnehmer nach Anspruch 8, oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei, jeweils eine Winkelhalbierende (w1 , w2) zwischen einer Rohrmittelachse des zentralen geraden Abschnitts (13) und einer Rohrmittelachse eines der äußeren geraden Abschnitte (11 , 12) verläuft, wobei ein Koordinatensystem mit einer z-Achse in der Rohrleitungsebene gegeben ist, die senkrecht zu den Winkelhalbierenden (w1 , w2) verläuft, wobei Achse der zweizähligen Rotationssymmetrie die x-Achse bildet, wobei die y-Achse die parallel zu den Winkelhalbierenden durch den Schnittpunkt von x-Achse und z-Achse verläuft, wobei eine charakteristische Basisfläche der Messrohrleitung durch ein Rechteck definiert ist, dessen Seiten einerseits in z-Richtung durch jeweils einen

Schnittpunkt einer der Winkelhalbierenden mit der Rohrachse eines gebogenen Abschnitts und andererseits in y-Richtung durch jeweils einen Schnittpunkt eines der Lagerkörper mit der

Rohrachse der Messrohrleitung verlaufen, wobei das Verhältnis der Rechteckfläche zum

Innendurchmesser der Messrohrleitung nicht mehr als 8000, insbesondere nicht mehr als 6000, und bevorzugt nicht mehr als 5000 beträgt.

17. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der

Innendurchmesser der Messrohrleitung nicht mehr als 5 mm beträgt.

Description:
Messaufnehmer zum Messen des Massendurchflusses eines strömungsfähigen

Mediums

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messaufnehmer zum Messen eines Massedurchflusses mit einer einzigen schwingfähigen Messrohrleitung, wobei die Messrohrleitung in ihrer Ruhelage in einer Rohrleitungsebene gebogen ist, wobei die Messrohrleitung eine zweizählige Rotationssymmetrie aufweist bezüglich einer Achse, die senkrecht zur Rohrleitungsebene verläuft. Gattungsgemäße Messaufnehmer sind beispielsweise beschrieben in der Offenlegungsschrift DE 039 16 285 A1 , der Veröffentlichung EP 518 124°A1 sowie der noch unveröffentlichten

Patentanmeldung DE 10 2015 122 146.2. Messaufnehmer mit einem einzigen Messrohr sind insofern vorteilhaft, als sie keine Strömungsteiler enthalten. Anders als bei Messaufnehmern mit zwei Messrohren, die symmetrisch gegeneinander schwingen, ist es jedoch bei Messaufnehmern mit nur einem einzigen Messrohr schwieriger eine Wechselwirkung mit der Umgebung durch Auskoppeln von Schwingungsenergie einer Biegeschwingungsnutzmode bzw. durch Einkoppeln von störenden Schwingungen aus der Umgebung zu vermeiden. Die Offenlegungsschrift

DE 10 2010 030 340 A1 offenbart hierzu einen Messaufnehmer mit einem einzigen Messrohr, bei dem das Messrohr zwei parallel geführte Schleifen aufweist, die gegeneinander schwingen und sich insoweit gegenseitig balancieren. Für diesen Messaufnehmertyp ist jedoch aufgrund des Verlaufs der Messrohrleitung in Schleifen eine Entleerbarkeit des Messrohrs prinzipiell ausgeschlossen, während gattungsgemäße Messaufnehmer grundsätzlich entleerbar gestaltet sein können.

Als einen Beitrag, um eine Wechselwirkung mit der Umgebung durch Auskoppeln von Schwingungsenergie einer Biegeschwingungsnutzmode bzw. durch Einkoppeln von störenden Schwingungen aus der Umgebung zu vermeiden, beschreibt EP 518 124°A1 eine Frequenztrennung zwischen den Schwingungen der Messrohrleitung und Schwingungen anderer Komponenten des Messaufnehmers.

In Fertigungsanlagen können derartige Messaufnehmer auch in beschleunigten

Bezugssystemen eingesetzt werden, beispielsweise in Abfüllanlagen bzw. im Zusammenhang mit Robotern. Hierbei hat sich gezeigt, dass solche Beschleunigungen den Calibrierfaktor des

Messaufnehmers beeinflussen können und insoweit die Messung stören.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen möglichst kompakten und dabei störunempfindlichen Messaufnehmer bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Messaufnehmer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.

Der erfindungsgemäße Messaufnehmer zum Messen des Massendurchflusses eines strömungsfähigen Mediums umfasst: einen Leitungseinlaufabschnitt; eine einzige schwingfähige Messrohrleitung zu Führen des Mediums, wobei die Messrohrleitung in ihrer Ruhelage in einer Rohrleitungsebene gebogen ist; einen Leitungsauslaufabschnitt; mindestens einen Schwingungserreger zum Anregen von Biegeschwingungen der Messrohrleitung in einer Biegeschwingungsnutzmode; mindestens zwei Schwingungssensoren zum Erfassen von Schwingungen der

Messrohrleitung; ein Tragsystem mit einer Trägerplatte, mindestens einem einlaufseitigen Lagerkörper und mindestens einem auslaufseitigen Lagerkörper; und ein Messaufnehmergehäuse; wobei das Tragsystem Tragsystemschwingungsmoden aufweist, die elastische

Verformungen der Trägerplatte umfassen; wobei die Messrohrleitung mittels des einlaufseitigen Lagerkörpers und mittels des auslaufseitigen Lagerkörpers mit der Trägerplatte verbunden und durch die Lagerkörper begrenzt ist, wobei die Messrohrleitung einlaufseitig an den Leitungseinlaufabschnitt und auslaufseitig an den Leitungsauslaufabschnitt anschließt und über letztere an eine Rohrleitung anschließbar ist, wobei der Leitungseinlaufabschnitt und der Leitungsauslaufabschnitt jeweils fest mit dem

Messaufnehmergehäuse verbunden sind wobei die Trägerplatte eine Anzahl von insbesondere spiralförmigen Federlagern aufweist, wobei ein Federlager jeweils durch mindestens einen Schnitt in der Trägerplatte freigelegt ist, wobei die Trägerplatte über das oder die Federlager gegenüber dem Messaufnehmergehäuse federnd gelagert ist, so dass sie drei Translationsschwingungsfreiheitsgrade und drei Rotationsschwingungsfreiheitsgrade aufweist, wobei die Eigenfrequenzen von Schwingungen der Trägerplatte gegenüber dem Messgerätgehäuse aufgrund der Translationsschwingungsfreiheitsgrade und der Rotationsschwin- gungsfreiheitsgrades geringer sind als eine Nutzmodeeigenfrequenz der Biegeschwingungsnutzmode, wobei die Nutzmodeeigenfrequenz geringer ist als die Eigenfrequenzen von den Tragsystemschwingungsmoden, wobei die Messrohrleitung eine zweizählige Rotationssymmetrie aufweist bezüglich einer Symmetrieachse, die senkrecht zur Rohrleitungsebene verläuft, wobei die Schwingungssensoren so positioniert sind, dass eine Drehzahlabhängigkeit des Kalibrierfaktors Calf bei Rotationen des Messaufnehmers um eine Rotationsachse die senkrecht zur Symmetrieachse der zweizähligen Rotationssymmetrie und senkrecht zu einer Längsachse des Messaufnehmers verläuft, ein Minimum aufweist bzw. den Wert des Minimum um nicht mehr als 20% insbesondere nicht mehr als 10% und bevorzugt nicht mehr als 5% von dessen Wert übersteigt.

Es hat sich gezeigt dass Rotationen um diese Rotationsachse den größten Einfluss auf den Kalibrierfaktor haben. Eine Positionierung der Schwingungssensoren, die diesen Einfluss minimiert, trägt daher erheblich zur Leitungsfähigkeit des Messaufnehmers in beschleunigten Bezugssystemen bei.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Lagerkörper so positioniert, dass die

Nutzmodeeigenfrequenz einen Frequenzabstand zur nächsten Eigenfrequenz einer anderen Schwingungsmode der Messrohrleitung aufweist, der einen Frequenzabstandsgrenzwert nicht unterschreitet, wobei der Frequenzabstandsgrenzwert mindestens 2% insbesondere mindestens 4% und bevorzugt mindestens 8% der Nutzmodeeigenfrequenz beträgt.

Beim erfindungsgemäßen Messaufnehmer wird also neben der Frequenztrennung zwischen den Schwingungsmoden der Messrohrleitung einerseits und den Tragsystemschwingungsmoden bzw. Schwingungen der Trägerplatte gegenüber dem Messaufnehmergehäuse andererseits, durch Anordnung die Positionierung der Lagerkörper erreicht, dass störende Schwingnungsmoden der Messrohrleitung sich allenfalls vernachlässigbar auf die Biegeschwingungsnutzmode auswirken.

Wenngleich die Biegeschwingungsnutzmode bevorzugt eine Schwingungsmode ist bei der die Messrohrleitung senkrecht zur Rohrleitungsebene schwingt, sind bei der Ermittlung der Frequenzabstände auch sämtliche Schwingungsmoden der Messrohrleitung beachtlich, also neben solchen mit Schwingungen senkrecht zur Rohrleitungsebene, auch solche mit Schwingungen in der Rohrleitungsebene.

Geeignete Positionen der Lagerkörper können beispielsweise durch positionsabhängige Ermittlung der Eigenfrequenzen von Schwingungsmoden der Messrohrleitung mittels FEM- Simulation bestimmt werden.

Die insbesondere spiralförmigen Federlager entkoppeln mit geringem Aufwand sämtliche Schwingungsmoden zwischen Messaufnehmergehäuse und Trägerplatte im Frequenzbereich der Biegeschwingungsnutzmode und zwar unabhängig von der Schwingungsrichtung. Hierin ist ein erheblicher Vorteil gegenüber Kragträgerfedern gegeben, wie sie in WO 2015/076 676 A1 offenbart sind. Derartige Kragträgerfedern erlauben nämlich nur Auslenkungen senkrecht zur Ebene der Trägerplatte. Schwingungen in der Plattenebene können daher durch solche Kragträger nicht entkoppelt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung beschreibt ein Kalibrierfaktor (Calf) in erster Näherung eine Proportionalität zwischen einem Massedurchfluss durch die Messrohrleitung und einer Phasendifferenz zwischen Schwingungen der in der Biegeschwingungsnutzmode schwingenden Messrohrleitung am Ort der beiden Schwingungssensoren, wobei eine Bewertungsfunktion, die proportional zum Frequenzabstand und umgekehrt proportional zur Nutzmodeeigenfrequenz und zum Kalibrierfaktors Calf ist, ein lokales oder insbesondere absolutes Maximum aufweist, wobei die Lagerkörper so positioniert sind, das die Bewertungsfunktion den Wert des Maximums um nicht mehr als 8%, insbesondere nicht mehr als 4% und bevorzugt nicht mehr als 2% unterschreitet. Der von der Lagerkörperposition abhängige Kalibrierfaktor Calf kann beispielsweise FEM-Simulation ermittelt werden.

Diese Bewertungsfunktion ermöglicht eine balancierte Berücksichtigung von Robustheit gegen störende Schwingungen einerseits und großer Messempfindlichkeit andererseits beim Entwurf des Messaufnehmers. Dies ist gerade im Hinblick auf einen kompakten Sensorentwurf beachtlich zu dem weiter unten noch weitere Gesichtspunkte genannt sind.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Biegeschwingungsnutzmode, eine F3-Biege- schwingungsmode, in welcher die Messrohrleitung senkrecht zur Rohrleitungsebene schwingt. Bei dieser Schwingungsmode ist das Integral der Beschleunigung entlang der Messrohrleitung minimal. Insofern als die F3-Biegeschwingungsmode auch die zweizähligen Symmetrie der Messrohrleitung aufweist, verbleiben in Summe auch keine Drehmomente an den Lagerkörpern. Im Ergebnis können daher allenfalls vernachlässigbare Anteile der Vibrationsenergie über die Lagerblöcke dissipiert werden. Entsprechend ist die F3-Biegeschwingungsmode auch kaum über externe Vibrationen zu stören.

In einer Weiterbildung der Erfindung betragen die Eigenfrequenzen von Schwingungen der Trägerplatte gegenüber dem Messgerätgehäuse aufgrund der Translationsschwingungs- freiheitsgrade und der Rotationsschwingungsfreiheitsgrade höchstens die Hälfte der Nutzmodeeigenfrequenz des Biegeschwingungsnutzmodes, wobei die Tragsystem-Eigenfrequenz mindestens das Doppelte die Nutzmodeeigenfrequenz beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Anzahl der Federlager 1 , 2, 3, oder 4. Die Ausgestaltung mit vier Federlagern ist derzeit bevorzugt, da auf diese Weise eine der zweizähligen Rotationssymmetrie der Messrohrleitung entsprechende Lagerung der Trägerplatte einfach zu realisieren ist, indem die Federn entsprechend angeordnet werden. Grundsätzlich ist die auch mit nur zwei Federn möglich, jedoch wirken sich in diesem Fall Fertigungstoleranzen beim Freilegen der Federn in der Trägerplatte stärker aus.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Messrohrleitung einen S-förmigen Verlauf auf, wobei in der Rohrleitungsebene eine Längsrichtung (z) existiert, zu welcher die Rohrleitungsachse an keinem Punkt einen Winkel von mehr als 85°, insbesondere nicht mehr als 83° aufweist.

Insbesondere mit einer vertikalen Orientierung der Längsrichtung ist damit die Entleerbarkeit der Messrohrleitung gewährleistet.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Messrohrleitung zwischen den beiden Lagerkörpern zwei äußere gerade Abschnitte und einen zentralen geraden Abschnitt auf, die durch zwei (kreis-)bogenförmige Abschnitte verbunden sind, wobei die beiden Lagerkörper jeweils an den äußeren geraden Abschnitten angeordnet sind.

Durch den zentralen geraden Abschnitt verläuft die Achse der zweizähligen Rotationssymmetrie. An die äußeren geraden Abschnitte schließen der Leitungseinlaufabschnitt bzw. der Leitungsauslaufabschnitt an.

Durch die Anordnung der Lagerkörper an den äußeren geraden Abschnitten wird in Abweichung zu den Messaufnehmern nach dem Stand der Technik ein in Längsrichtung besonders kompakter Aufbau realisiert. Insofern als dies tendenziell zu einer erhöhten Steifigkeit der

Messrohrleitung bezüglich des dem Biegeschwingungsnutzmode überlagerten Coriolis-Mode führt, bewirkt dies zunächst einen höheren Kalibrierfaktor (Calf). Hier kommt jedoch die weiter oben genannte Bewertungsfunktion zum Tragen, mit welcher diese nachteilige Konsequenz der kompakten Bauweise zumindest teilweise ausgeglichen werden kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung verläuft jeweils eine Winkelhalbierende zwischen Rohrmittelachsen des zentralen geraden Abschnitt und eines der äußeren geraden Abschnitte, wobei die Schwingungssensoren jeweils zwischen einem Schnittpunkt einer der Winkelhalbierenden mit der Messohrleitung und einem Punkt auf dem äußeren geraden Abschnitt der Messrohrleitung, der einen Krümmungsradius des kreisförmigen Abschnitts, insbesondere einen halben

Krümmngsradius, vorzugsweise einen viertel Krümmungsradius, vom Übergang des kreisförmigen Abschnitts zum äußeren geraden Abschnitt entfernt ist, an der Messrohrleitung montiert sind, des kreisbogenförmigen Abschnitts vom Übergang des kreisbogenförmigen Abschnitts zum äußeren geraden Abschnitt entfernt ist, an der Messrohrleitung montiert sind.

Mit der Sensormontage auf dem äußeren geraden Abschnitt am Übergang zwischen dem gebogenen Abschnitt und dem äußeren geraden Abschnitt bzw. nahe daran, wird die Minimierung der Rotationsabhängigkeit des Kalibrierfaktors Calf erreicht. In einer Weiterbildung der Erfindung tragen der Leitungseinlaufabschnitt und der Leitungsauslaufabschnitt, bezüglich der Translationsschwingungsfreiheitsgrade und der Rotations- schwingungsfreiheitsgrade der Trägerplatte gegenüber dem Messaufnehmergehäuse ergänzend zu der Feder bzw. Federn zu einer jeweils freiheitsgradspezifischen Richtgröße bei, wobei ein Beitrag des Leitungseinlaufabschnitts von einem entsprechenden Beitrag des Leitungsauslaufabschnitts jeweils nicht mehr als 10%, und insbesondere nicht mehr 5% des jeweils kleineren Beitrags abweicht.

In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der gemeinsame Beitrag des Leitungseinlaufabschnitts und des Leitungsauslaufabschnitts zu keiner der freiheitsgradspezifischen Richtgrößen mehr als 40%, insbesondere nicht mehr als 20% und bevorzugt nicht mehr als 10%.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen der Leitungseinlaufabschnitt und der Leitungsauslaufabschnitt im Wesentlichen den gleichen Rohrquerschnitt auf wie die Mess, insbesondere das gleiche Rohrmaterial wie die Messrohrleitung und sind bevorzugt einstückig mit der Messrohrleitung gefertigt.

In einer Weiterbildung der Erfindung betragen die Eigenfrequenzen der Translations- schwingungsfreiheitsgrade und Rotationsschwingungsfreiheitsgrade der Trägerplatte nicht weniger als 70 Hz, insbesondere nicht weniger als 100 Hz, und/oder nicht mehr als 400 Hz. Hierdurch wird gewährleistet, dass typische störende Vibrationen von technischen Anlagen, die Trägerplatte nicht zum Schwingen anregen können.

In einer Weiterbildung der Erfindung verläuft jeweils eine Winkelhalbierende (w1 , w2) zwischen einer Rohrmittelachse des zentralen geraden Abschnitts und einer Rohrmittelachse eines der äußeren geraden Abschnitte, wobei ein Koordinatensystem mit einer z-Achse in der

Rohrleitungsebene gegeben ist, die senkrecht zu den Winkelhalbierenden (w1 , w2) verläuft, wobei die Achse der zweizähligen Rotationssymmetrie die x-Achse bildet, wobei eine durch die x-Achse und die z-Achse aufgespannte y-z-Ebene, die äußeren geraden Abschnitte beabstandet zu den Lagerkörpern schneidet.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Schwingungserreger im Zentrum der zweizähligen Rotationssymmetrie angeordnet, und wobei der Schwingungserreger dazu eingerichtet ist Biegeschwingungen senkrecht zur Rohrleitungsebene anzuregen.

In einer Weiterbildung der Erfindung verläuft jeweils eine Winkelhalbierende zwischen einer Rohrmittelachse des zentralen geraden Abschnitts und einer Rohrmittelachse eines der äußeren geraden Abschnitte, wobei ein Koordinatensystem mit einer z-Achse in der Rohrleitungsebene gegeben ist, die senkrecht zu den Winkelhalbierenden verläuft, wobei Achse der zweizähligen Rotationssymmetrie die x-Achse bildet, wobei die y-Achse die parallel zu den Winkelhalbierenden durch den Schnittpunkt von x-Achse und z-Achse verläuft, wobei eine charakteristische Basisfläche der Messrohrleitung durch ein Rechteck definiert ist, dessen Seiten einerseits in z-Richtung durch jeweils einen Schnittpunkt einer der Winkelhalbierenden mit der Rohrachse eines gebogenen Abschnitts und andererseits in y-Richtung durch jeweils einen Schnittpunkt eines der Lagerkörper mit der Rohrachse der Messrohrleitung verlaufen, wobei das Verhältnis der Rechteckfläche zum Innendurchmesser der Messrohrleitung nicht mehr als 8000, insbesondere nicht mehr als 6000, und bevorzugt nicht mehr als 5000 beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Innendurchmesser der Messrohrleitung nicht mehr als 5 mm.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 a: Eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Messaufnehmers;

Fig. 1 b: Eine räumliche darstellung eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;

Fig. 2a: Ein Diagramm zur Abhängigkeit des Kalibrierfaktors von der Drehzahl, in

Abhängigkeit von der Sensorposition;

Fig. 2b: Ein Diagramm zu Aspekten einer Bewertungsfunktion zur Positionierung von Lagerkörpern;

Fig 3: Eine Detailansicht eines Federlagers eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers; und

Flg. 4: Eine Detailansicht eines Ein- bzw. Auslaufabschnitts eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers.

Der Messaufnehmer 100 umfasst eine Messrohrleitung 10 mit einem ersten geraden äußeren Abschnitt 11 einem zweiten geraden äußeren Abschnitt 12 und einen zentralen geraden Abschnitt 13 sowie einen ersten gebogenen Abschnitt 15 und einen zweiten gebogenen Abschnitt 16. Die beiden geraden äußeren Abschnitte 15, 16 sind jeweils mittels eines der gebogenen Abschnitte 15, 16 mit dem zentralen geraden Abschnitt 13 verbunden. Die Messrohrleitung 10 ist durch zwei Lagerkörper 21 , 22 begrenzt, und mit letzteren an einer biegesteifen Trägeplatte 30 befestigt. Die Messrohrleitung 10 verläuft im Wesentlichen in einer zur Trägerplatte 30 parallelen Rohrleitungsebene. Die Messrohrleitung weist eine zweizählige Rotationssymmetrie um eine Symmetrieachse auf, die senkrecht zur Rohrleitungsebene durch einen Punkt C2 in der Mitte des zentralen Rohrleitungsabschnitts verläuft. Die Messrohrleitung hat einen Innendurchmesser von beispielsweise 5 mm oder weniger. Es ist aus einem Metall, insbesondere Edelstahl oder Titan gefertigt. Die metallische Trägerplatte 30 weist eine Stärke von beispielsweise 5 mm auf. Die Trägerplatte 30 weist vier spiralförmige Federlager 31 , 32, 32, 33, 34 auf, die insbesondere mittels eines Lasers freigeschnitten sind, und die zueinander ebenfalls die zweizählige Rotationssymmetrie bezüglich der Symmetrieachse durch den Punkt C2 aufweisen. Mit hier nicht dargestellten

Lagerbolzen, die im Zentrum der Federlager fixiert sind, ist Die Trägerplatte 30 an einer

Gehäuseplatte 40 eines Messaufnehmergehäuses verankert.

Ein Federlager 32 ist detaillierter in Fig. 3 dargestellt. Die effektive Steifigkeit des Federlagers 32 ergibt sich aus der Länge des spiralförmigen Einschnitts 321 sowie seiner Breite im Verhältnis zur Breite des verbleibenden Materials der Trägerplatte 30. Im Zentrum weist das Federlager 32 eine Bohrung 322 zur Aufnahme eines Lagerbolzens auf.

Durch die Federlager 31 , 32, 33, 34 weist die Trägerplatte 30 drei Translationsschwingungs- freiheitsgrade und drei Rotationsschwingungsfreiheitsgrade auf, deren Eigenfrequenzen mindestens 70 Hz betragen, um Resonanzschwingungen mit häufig in Prozessanlagen vorkommenden

Vibrationen von bis zu 50 Hz zu vermeiden. Um die durch die Federlager 31 , 32, 33, 34 erreichte weiche Aufhängung der Trägerplatte nicht zu beeinträchtigen, ist die Messrohrleitung über einen hinreichend weichen Leitungseinlaufabschnitt 18 und einen hinreichend weichen

Leitungsauslaufabschnitt 19 an eine Rohrleitung anschließbar. Das Gehäuse weist einen erstes und zweites Gehäuselager 41 , 42 auf, die fest mit der Gehäuseplatte 40 verbunden sind, und an denen der Leitungseinlaufabschnitt 18 und der Leitungsauslaufabschnitt 19 fixiert sind, um eine

Übertragung von Schwingungen der Rohrleitung auf die Messrohrleitung über den Leitungseinlaufabschnitt 18 und den Leitungsauslaufabschnitt 19 zu unterdrücken. Die Translationsund Rotationsschwingungsfreiheitsgrade der Trägerplatte 20 haben jeweils Eigenfrequenzen f, die proportional sind zur Wurzel aus einem Quotienten aus einer Richtgröße k, und einem Trägheitsterm rrii, also f α (ki/rrii) 1 2 . Der Leitungseinlaufabschnitt 18 und der Leitungsauslaufabschnitt tragen in Summe nicht mehr als 10% zur jeweiligen Richtgröße k, bei. In Fig.1 sind der der

Leitungseinlaufabschnitt 18 und der Leitungsauslaufabschnitt 19 im Wesentlichen schematisch dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Gestaltung eines Leitungsauslaufabschnitts 119, bei dem durch zusätzliche Rohrlänge und Bögen die Steifigkeit und damit der Beitrag zu den jeweiligen

Richtgrößen reduziert ist. Der Leitungseinlaufabschnitt ist entsprechend symmetrisch dazu gestaltet.

Wie weiter in Fign. 1 a und 1 b dargestellt, weist der Messaufnehmer 100 zum Erfassen der Schwingungen der Messrohrleitung einen ersten elektrodynamischen Schwingungssensor 51 und einen zweiten elektrodynamischen Schwingungssensor 52 auf. Zur Ermittlung der optimalen Sensorposition wurde die Drehzahlabhängigkeit des Kalibrierfaktors Calf bei Rotationen um die in Fig. 1 a dargestellte y-Achse für verschiedene Schwingungssensorpositionen betrachtet, die in Fig 1 b mit a bis f gekennzeichnet sind. Die Betrachtung erfolgte mit numerischer Simulation. Die Ergebnisse dazu sind in Fig. 2a dargestellt. Demnach ergab sich bei der Positin d am Übergang zwischen dem gebogenen Abschnitt zum äußeren Geraden Abschnitt eine minimale Abhängigkeit, also ein Optimum. An diesem Übergang unmittelbar angrenzend sind die Schwingungssensoren 51 , 52 sind hier jeweils auf einem der beiden geraden äußeren Abschnitte 1 1 , 12 angeordnet. Die mit der Messrohrleitung schwingenden Teile der Schwingungssensoren weisen zudem eine

Hauptträgheitsachse auf die mit der Rohrleitungsachse am Ort ihrer Montage fluchtet.

Zum Anregen von Biegeschwingungen weist der Messaufnehmer einen elektrodynamischen Erreger 53 auf, der im Zentrum C2 der zweizähligen Rotationssymmetrie angeordnet ist und in Richtung der Symmetrieachse wirkt.

Das Zentrum C2 ist Ursprung eines Koordinatensystems zur Beschreibung weiterer Gesichtspunkte der Erfindung. Die Messrohrleitung liegt in einer y-z-Ebene, wobei die y-Achse parallel zu Winkelhalbierenden w1 , w2 verläuft, die jeweils zwischen einer Rohrachse der geraden äußeren Abschnitte 11 , 12 und der Rohrachse des zentralen geraden Abschnitts 13 verlaufen. Die z-Achse verläuft senkrecht zur y-Achse in der Rohrleitungsebene und definiert eine Längsachse des Messaufnehmers 100. Wenn diese Längsachse senkrecht angeordnet ist, ist der Messaufnehmer optimal entleerbar. Die Neigung der geraden Abschnitte ist dann gleich dem halben Winkel zwischen zwischen einer Rohrachse der geraden äußeren Abschnitte 1 1 , 12 und der Rohrachse des zentralen geraden Abschnitts 13. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt diese Neigung 7°.

Zur Positionierung der Lagerkörper 21 , 22 wird nun auf Fig. 2b verwiesen, welche eine Bewertungsfunktion und deren Komponenten darstellt. Zum Aufstellen der Bewertungsfunktion werden zunächst die Eigenfrequenzen von Schwingungsmoden der Messrohrleitung für verschiedene Lagerkörperpositionen mittels numerischer Simulation ermittelt. Das Ergebnis ist hier für den Biegeschwingungsnutzmode F3 und die hinsichtlich der Eigenfrequenzen benachbarten

Biegeschwingungsmoden F3-1 und F3+1 dargestellt. Weiterhin wird ein Kalibrirfaktor Calf := (dm/dt)/d(p für die verschiedene Lagerkörperpositionen mittels numerischer Simulation ermittelt, weicher den Zusammenhang zwischen einer Massedurchflussrate und einer durchflussabhängigen Phasendifferenz zwischen den Sensorsignalen der Schwingungssensoren beschreibt. Die

Bewertungsfunktion wird dann als Quotient aus dem minimalen Frequenzabstand zwischen der Biegeschwingungsnutzmode zu einer benachbarten Schwingungsmode und dem Kalibrierfaktor Calf berechnet. Eine Optimalposition der Lagerkörper, bei der die Bewertungsfunktion ein Maximum aufweist, ist dient zur Orientierung für die tatsächliche Positionierung des Lagerkörpers. Es kann von der Optimalposition abgewichen werden, wenn dadurch der Wert der Bewertungsfunktion um nicht mehr als 2% unterschritten wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Position der

Lagerkörper 21 , 22 mittels der Bewertungsfunktion so festgelegt, dass die z-Achse der Messrohrleitung die äußeren geraden Abschnitte 1 1 , 12 der Messrohrleitung beabstandet zu den Lagerkörpern 21 , 22 schneidet. Im Ergebnis wurde ein störunempfindlicher Messaufnehmer mit einer kompakt geführten Messrohrleitung realisiert, der auch durch beschleunigte Bezugssysteme nicht zu stören ist.