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Dokumentenidentifikation DE3883168T2 10.02.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0317340
Titel Verbesserungen bei Messaufnehmern mit einem einzigen schwingenden Rohr.
Anmelder Schlumberger Industries Ltd., Farnborough, Hampshire, GB
Erfinder Stansfeld, James Wolryche, Beech Near Alton Hampshire, GB;
Atkinson, David Ian Heaton, Farnham Surrey, GB
Vertreter Sparing, K., Dipl.-Ing.; Röhl, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Henseler, D., Dipl.-Min. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 40237 Düsseldorf
DE-Aktenzeichen 3883168
Vertragsstaaten AT, DE, FR, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 18.11.1988
EP-Aktenzeichen 883109159
EP-Offenlegungsdatum 24.05.1989
EP date of grant 11.08.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.02.1994
IPC-Hauptklasse G01N 9/00
IPC-Nebenklasse G01F 1/84   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf vibrierende Einrohrwandler, die typischerweise verwendet zum Messen von Masse, Dichte oder Durchsatz.

Wandler dieser Art sind sehr gut bekannt. Ein Beispiel ist in unserer Patentbeschreibung GB 2 062 865 beschrieben. Ein weiteres Beispiel ist beschrieben in unserer GB-A-2 192 714, veröffentlicht am 20.01.88. Solche Wandler verwenden die wohl bekannte Tatsache, daß ein fluid, das in einem an seinen beiden Enden geklemmten vibrierenden Rohr strömt, eine Phasendifferenz zwischen den Querauslenkungen des stromauf und stromab liegenden Endes des Rohres bewirkt. Der Durchsatz eines Fluids in einem solchen Rohr ist eine lineare Funktion des Verhältnisses A der Phasendifferenz zur Resonanzfrequenz des Rohres, wobei

A = φ/F

mit φ als der Phasendifferenz und F als Resonanzfrequenz des Rohres. Der Durchsatz M ist dann gegeben durch

M = a A + b

worin a und b Konstanten sind und unabhängig von dem Fluidtyp und der Strömungsrate.

Wandler dieser Bauart unterliegen Variationen hinsichtlich der Genauigkeit infolge äußerer Vibrationen und Stöße, wenn sie unter gefährlichen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Es wurden auch Probleme beobachtet, zurückzuführen darauf, daß das vibrierende Rohr eine akustische Resonanz zwischen dem Rohr und dem Instrumentengehäuse aufbaute. Ein anderes Problem ist die Tatsache, daß Vibrationsbäuche entstehen können an Punkten des Rohres, entfernt von den Mitteln für die Erfassung der Vibrationen und demgemäß Ungenauigkeiten bei der Phasendifferenzmessung bewirken.

Bekannte Maßnahmen (GB 2 062 865) für die Überwindung einiger dieser Probleme umfassen eine geringfügige Elliptizität des Rohres zur Definition des Vibrationsmodus; dies führt zu Herstellungsproblemen. Die Knoten werden typischerweise geklemmt mittels Knotenmassen, und in GB 2 062 865 werden diese Massen erstreckt in Richtung zueinander rings um das vibrierende Rohr und verbunden durch einen flexiblen Balgen zur Bildung einer abgedichteten Umhüllung, die evakuiert werden kann zum Verhindern der Kontamination der Komponenten durch Staub usw., was zu Ungenauigkeiten führen kann. Die Aufrechterhaltung eines evakuierten Einschlusses führt zu Problemen im Betrieb. Darüber hinaus haben die erstreckten Knotenmassen einen Schwerpunkt, der entfernt liegt vom Knotenpunkt der Befestigung an dem Rohr, und Stöße können zu leicht auf das Rohr übertragen werden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, befriedigendere Lösungen für die Probleme, die oben behandelt wurden, zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert, auf die nun Bezug genommen wird.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen

Fig. 1 ein Längsschnitt durch einen Wandler gemäß der Erfindung ist;

Fig. 2 eine Axialansicht einer Verbindung zwischen den beiden Knotenmassen in dieser Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Verbindungen zwischen den beiden Knotenmassen in dieser Ausführungsform der Erfindung ist; und

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform der Antriebsmittel für das Vibrierenlassen des Rohres illustriert.

Der in Figur 1 gezeigte Wandler ist gegen Beschädigung geschützt durch ein zylindrisches Gehäuse 2. Zentral in dem Gehäuse 2 ist ein generell zylindrisches Rohr 4 montiert, durch welches das zu messende Fluid strömt. Jedes Ende des Rohres 4 erstreckt sich durch eine Knotenmassen 6 und ist starr an dieser befestigt mittels zweier umlaufender Schweißnähte 8, eine auf jeder axialen Seite eines inneren ringförmigen Abschnitts 6a der Knotenmasse, die im Preßsitz auf dem Rohr 4 ist.

Die Enden des Rohres 4 sind mit zylindrischen Faltenbälgen 10 verbunden, welche die thermischen Expansionen des Rohres und der äußeren Leitungen aufnehmen und auch das Rohr gegen Rauschen und Vibration in den äußeren Leitungen schützen. Die Balgen sind verbunden mit Flanschstücken 12, welche die Enden des Gehäuses 2 abdichten und auch ein Mittel bilden zum Anschließen des Wandlers in einer Hauptleitung.

Die beiden Knotenmassen 6 haben bogenförmige erstreckte Abschnitte 14, die im wesentlichen längs des Rohres 4 verlaufen, vorzugsweise auf einander gebenüberliegenden Seiten des Rohres. Diese sind verschweißt mit dem inneren ringförmigen Abschnitt 6a, nachdem dieser an das Rohr geschweißt worden ist. Ein typischer Querschnitt durch einen dieser erstreckten Abschnitte 14 ist in Figur 2 sichtbar. Das Gewicht jeder Knotenmasse ist derart verteilt, daß ihr Schwerpunkt 16 auf der Achse des Rohres 4 liegt und axial zwischen den beiden Schweißnähten der Doppelschweißnaht 8, mittels der sie an dem Rohr 4 befestigt ist.

Zu diesem Zweck erfolgt für jeden Kragträgerfortsatz 14 ein Gewichtsausgleich durch einen Hülsenfortsatz 15, der sich nach hinten kragträgerartig von dem inneren ringförmigen Abschnitt 6a erstreckt. Dieser Fortsatz 15 ist verschweißt mit dem inneren ringförmigen Abschnitt, wenn dieser mit dem Rohr verschweißt worden ist. Dies stellt sicher, daß jegliche Bewegung des Instruments infolge Anlagevibrationen oder Stoß keine exzessiven Belastungen in das vibrierende Rohr überträgt, was bewirken würde, daß der Wandler ungenaue Ablesungen liefert.

Die Doppelschweißnaht 8, welche die Knotenmasse 6 an dem Rohr 4 befestigt, unterstützt den Schutz des Rohres 4 gegen Querstöße, indem die Tendenz der Knotenmasse herabgesetzt wird, zu verschwenken, wenn der Wandler Querstößen ausgesetzt wird. Die Tatsache, daß die Knotenmassen aus drei oder mehr Abschnitten bestehen, ermöglicht die relativ einfache Herstellung dieser Doppelschweißnaht, da der innere ringförmige Abschnitt 6a gut zugänglich ist, bevor die Kragträgerabschnitte 14 und 15 angeschwei ßt werden.

Das Ende jedes erstreckten Abschnitts 14 jeder Knotenmasse ist verbunden mit der gegenüberliegenden Knotenmasse durch eine Anordnung dünner metallischer Streifenverbindungen 18, wie in Figuren 2 und 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform werden vier Verbindungen 18 eingesetzt und so angeordnet, daß mindestens eine von ihnen stets unter Zug steht, wenn der Wandler Querstößen und Vibrationen unterworfen wird, d.h. die Verbindungsanordnung ist in Querrichtung starr. Die Verbindungen ermöglichen jedoch Axialbewegungen der Knotenmassen. Dieses Miteinanderverbinden der Knotenmassen erhöht erheblich deren träge Masse, was dazu beiträgt, die Enden des Rohres stationär zu halten, wenn das Rohr vibriert.

Um sicherzustellen, daß zumindest eine Verbindung 18 stets unter Zug steht, sind sie in zwei einander kreuzenden Paaren angeordnet, doch sind die Befestigungspunkte ihrer Enden quer derart versetzt, daß die Verbindungen einander nicht berühren, wo sie sich kreuzen. In der Anordnung nach Figuren 2 und 3 haben die Knotenmassen jeweils einen sich quer erstreckenden ersten bogenförmigen Abschnitt 6b, befestigt an dem inneren ringförmigen Abschnitt 6a, und einen zweiten bogenförmigen Abschnitt 6c, befestigt zwischen dem inneren ringförmigen Abschnitt und dem erstreckten Abschnitt 14 auf der gegenüberliegenden Seite des Rohres bezüglich des ersten bogenförmigen Abschnitts 6b. Der erstreckte Abschnitt 14 hat einen dritten bogenförmigen Abschnitt 14a an seinem freien Ende. Ein erstes Paar von Verbindungsbändern ist an ein Ende des ersten bogenförmigen Abschnitts 6b angeschweißt, und an dem anderen Ende ist jedes an gegenüberliegende Enden des dritten bogenförmigen Abschnitts 14a angeschweißt. Ein zweites Paar von Verbindungsbändern erstreckt sich vom Zentrum des dritten bogenförmigen Abschnitts 14a zu den gegenüberliegenden Enden des zweiten bogenförmigen Abschnitts 6c. Demgemäß sind die beiden Paare von Verbindungsbändern querversetzt und berühren einander nicht, wenn sie sich kreuzen, und unabhängig von der jeweiligen Relativbewegung der beiden Knotenmassen ist mindestens ein Verbindungsband immer unter Zugspannung.

Um sicherzustellen, daß ein Verbindungsband 18 immer unter Zug steht, ist ein Minimum von zwei erforderlich, doch ist die hier beschriebene Anordnung mit vier Verbindungsbändern starrer.

Auf den erstreckten Abschnitten 14 der beiden Knotenmassen sind die Vibrationsmittel 19 für den Antrieb des Rohres an einem zentralen Bauch und die Abtastmittel 20 an weiteren Bäuchen des Rohres montiert zum Erfassen der Vibrationen des Rohres. In der hier dargestellten Ausführungsform befinden sich die Vibrationsmittel und Abtastmittel in Paaren auf beiden Seiten des Rohres, wobei jeweils ein Element jedes Paares an jeder Knotenmasse befestigt ist.

Die Vibrations- und Erfassungsmittel für diese Ausführungsform sind in Figur 4 gezeigt. Sie umfassen einen Permanentmagneten 22 mit seiner Achse senkrecht zur Wandung des Rohres. Eine elektrische Spule 24 ist um den Magneten gewickelt. Der Magnet hat einen kleinen Luftspalt 26 von etwa 0,1 mm zwischen sich und dem Rohr, das aus einem magnetischen Material besteht. Eine Wechselspannung wird an die Spule angelegt, die ein magnetisches Wechselfeld in dem Luftspalt 26 erzeugt, das die Vibration des magnetischen Rohres mit der Frequenz der Wechselspannung bewirkt. Mit einem Antriebsmittel auf jeder Seite des Rohres, wie dies der Fall ist bei der hier vorgestellten Ausführungsform, werden die Polaritäten der beiden Spulen umgekehrt, so daß beide das Rohr in derselben Richtung zum selben Zeitpunkt antreiben.

Dieselbe Anordnung kann für die Abtastmittel benutzt werden. Die natürliche Resonanzvibration des magnetischen Rohres im Luftspalt 26 erzeugt eine Wechselspannung in der Spule 24. Die Frequenz dieser Wechselspannung ist gleich der Vibrationsfrequenz des Rohres. Die Vibrationen halten sich selbst aufrecht, nachdem sie durch eine kleine Störung gestartet worden sind. Sie werden aufrechterhalten durch eine positive Rückkopplungsschleife zwischen den Erfassungsspulen und der Antriebsspule. Wenn der Wandler verwendet wird, um die Dichte zu messen, ist nur ein Satz von Erfassungsspulen erforderlich, um die Vibrationsfrequenz zu messen.

Die Vibrationsmittel und Erfassungsmittel werden gesteuert durch einen Steuerschaltkreis 29, der sich in einem Außengehäuse 31 befindet. Dieses hat einen Leistungseingangs/Signalausgangsanschluß 32. Für Durchsatzmessungen erfaßt der Steuerschaltkreis die Phasendifferenz zwischen den beiden Erfassungsmittelstellen an dem Rohr in einer Weise ähnlich wie dies in GB-A-2 192 714 beschrieben ist.

In der hier gezeigten Ausführungsform ist das Vibrationsmittel in gleichem Abstand von den beiden Knotenmassen montiert, und die beiden Erfassungsmittel sind symmetrisch bezüglich des Vibrationsmittels positioniert.

Das Vibrationsmittel 19 befindet sich an einem Bauch halbwegs zwischen den beiden Knotenmassen. In dieser Ausführungsform gibt es zwei weitere Bäuche zwischen jeder Knotenmasse 6 und dem Vibrationsmittel 19.

Nahe jedem Vibrationsmittel und jedem Erfassungsmittel ist Material abgetragen zum Erzeugen einer lokal abgeflachten Oberfläche 28. Diese flachen Oberflächen, welche die Steifheit an dieser Stelle verringern, stellen einen Vibrationsmodus sicher mit diesen Stellen als Bäuchen. Diese Abflachungen 28 verbessern auch das Verhalten des Vibrationsmittels und der Abtastmittel, da der Spalt 26 zwischen den flachen Endes jedes Magnetpolstücks und dem Rohr nun parallel ist.

Andere Diskontinuitäten könnten an dem Rohr an diesen Stellen vorgesehen werden um sicherzustellen, daß sie zu Schwingungsbäuchen werden, und dies kann die Zufügung anstelle des Abtrags von Material umfassen.

Ebenfalls befestigt an den erstreckten Abschnitten 14 der Knotenmassen sind akustische Dämpfer 30. Diese Dämpfer 30 befinden sich zwischen dem Rohr und den Knotenmassen, berühren jedoch das Rohr nicht. Der Zweck dieser Dämpfer ist es, jegliche akustische Resonanz innerhalb des Wandlergehäuses zu verhindern, ohne daß das Rohr von Gas evakuiert werden muß. Diese Resonanz würde die Vibration des Rohres beeinflussen und Ungenauigkeiten in die Messungen einführen. Die Dämpfer bestehen typischerweise aus Schaumkunststoffmaterial oder einem wabenartigen Compositematerial. Dieser Typ von Material hat gute akustische Absorptionseigenschaften wegen der Hohlräume in seiner Struktur.

Die oben beschriebenen Verbesserungen sollen bei jedem Typ von vibrierendem Rohrwandler anwendbar sein. Die Verbesserungen führen zu einem Wandler, der viel weniger empfindlich gegenüber äußeren Stößen und Vibrationen ist, dessen Resonanzmodus besser definiert ist, und der keinen Ungenauigkeiten infolge innerer akustischer Resonanz unterliegt.

Der hier beschriebene Wandler ist eine Ausführungsform der Erfindung, und Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise brauchen die erstreckten Abschnitte der Knotenmassen nicht bogenförmig zu sein und könnten durchaus irgend einen Querschnitt aufweisen. Ein rechteckiger Querschnitt wäre vorteilhaft für die Verbesserung von deren Steife. Wenn mit dem Dichtewandler unserer GB 2 062 865 eingesetzt, können sie elliptisch sein für die Verwendung mit einem elliptischen Rohr. Die Verbindungen zwischen den Knotenmassen könnten eine größere Anzahl von Verbindungsbändern zwecks zusätzlicher Versteifung haben.


Anspruch[de]

1. Ein vibrierender Einrohrwandler, umfassend ein gerades Rohr (4), durch das ein zu messendes Fluid strömt, erste und zweite Knotenmassen (6), befestigt an zugeordneten Enden des Rohres, Mittel (19) für das Vibrieren des Rohres, und mindestens ein Mittel (20) für das Erfassen der Vibrationen des Rohres, wobei jede Knotenmasse (6) einen ersten erstreckten Abschnitt (14) aufweist, der sich längs des Rohres (4) in Richtung der anderen Knotenmasse (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Knotenmasse einen zweiten sich entgegengesetzt erstreckenden Abschnitt (15) aufweist als Gegengewicht des ersten erstreckten Abschnitts (14) und zum Bringen des Schwerpunktes nahe dem Befestigungspunkt der Masse (6) an dem Rohr (4).

2. Ein Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste erstreckte Abschnitt (14) sich im wesentlichen über die Länge des Rohres (4) erstreckt, wobei die beiden ersten erstreckten Abschnitte (14) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Rohres (4) sind, und jeder erste erstreckte Abschnitt (14) durch ein Verbindungssystem (18) mit der jeweils gegenüberliegenden anderen Knotenmasse (6) nahe dem Befestigungspunkt dieser gegenüberliegenden anderen Knotenmasse an dem Rohr (4) verbunden ist.

3. Ein Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Knotenmasse (6) einen ringförmigen Abschnitt (6a) im Festsitz auf dem Rohr (4) aufweist, starr mit dem Rohr auf beiden axialen Seiten des ringförmigen Abschnitts verbunden.

4. Ein Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungssystem (18) zwischen jedem ersten erstreckten Abschnitt und der jeweils gegenüberliegenden anderen Knotenmasse (6) im wesentlichen starr ist quer zur Rohrachse und mindestens teilweise in Axialrichtung des Rohres flexibel.

5. Ein Wandler nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungssystem (18) zwischen jedem ersten erstrecken Abschnitt und der jeweils gegenüberliegenden anderen Knotenmasse mindestens zwei dünne metallische Streifen umfaßt, die sich in Richtungen derart erstrecken, daß mindestens ein Streifen stets unter Zug ist.

6. Ein Wandler nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4) innerhalb der ersten erstreckten Abschnitte (14) der Knotenmassen (6) eingeschlossen ist, was einen Ringspalt zwischen den ersten erstreckten Abschnitten (14) und dem Rohr (4) erzeugt, und durch mindestens einen akustischen Dämpfer (30) innerhalb des Spalts.

7. Ein Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Dämpfer (30) an den Innenseiten der erstreckten Abschnitte (14) befestigt sind.

8. Ein Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4) mit einer Diskontinuität (28) an zumindest einem gewünschten Bauch auf dem Rohr versehen ist.

9. Ein Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Material von dem Rohr (4) an dem oder jedem Bauch (28) abgetragen ist derart, daß eine flache Oberfläche auf dem Rohrumfang erzeugt wird.

10. Ein Wandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Material von mindestens drei gewünschten Bäuchen (28) auf dem Rohr (4) abgetragen ist, und das Vibrationsmittel (19) und ein erstes und ein zweites Erfassungsmittel (20) nahe den entsprechenden Bäuchen positioniert sind.

11. Ein Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Vibrations- oder Erfassungsmittel (19, 20) eine elektromagnetische Einrichtung (22, 24) umfaßt mit einem flachen Polstück, das in geringem Abstand parallel zu der entsprechenden flachen Oberfläche (28) auf dem Rohr angeordnet ist.







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