DE2833037C2

DE2833037C2 - Vorrichtung zur Massedurchflußmessung eines fließfähigen Mediums durch Auswertung von Verdrehungen einer zumindest abschnittsweise gekrümmten, durchgehenden Leitung durch Coriolis-Kräfte

Info

Publication number: DE2833037C2
Application number: DE2833037A
Authority: DE
Inventors: James Everett Boulder Col. Smith
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1977-07-25
Filing date: 1978-07-25
Publication date: 1987-01-15
Also published as: SE447161C; IL55212A; SG29384G; NL7807846A; GB2001759B; IL55212A0; JPS5452570A; JPS6034683B2; AU3831578A; ZA784189B; GB2001759A; FR2399007B1; AU512637B2; IT1106095B; SE7808094L; CA1210611B; FR2399007A1; CH641277A5; MX145013A; NL187033B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Massedurchflußmessung eines fließfähigen Mediums durch Auswertung von Verdrehungen einer zumindest abschnittsweise gekrümmten durchgehenden Leitung durch Coriolis-Kräfte des fließfähigen Mediums nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft auch eine alternative Vorrichtung zur Massedurchflußmessung eines fließfähigen Mediums durch Auswertung von auf eine zumindest abschnittsweise gekrümmte, durchgehende Leitung ausgeübten Kräften, in der Coriolis- Kräfte des fließfähigen Mediums auftreten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Mit derartigen bekannten Massedurchflußmessern mit einem Gehäuse, in dem die Enden der gekrümmten Rohrleitung nachgiebig mit dem Gehäuse verbunden sind, wurde bereits versucht, Masse-Durchflüsse fließfähiger Medien durch Auswertung von Auswirkungen der Coriolis-Kräfte zu bestimmen (DE-OS 14 98 446).
Im einzelnen sind in einer Ausführungsform des bekannten Massedurchflußmessers an Enden der gekrümmten Leitung Ringe befestigt, deren Außenflächen in Durchgänge des Gehäuses passen. Die Ringe sollen so biegsam sein, daß ihre Verformung infolge einer Transversalbewegung der gekrümmten Leitung keine wesentlichen Rückstellkräfte erzeugt. Auch sollen sie Drehungen der Leitungsenden um deren horizontale Achse keine großen Gegenkräfte entgegensetzen. Dazu bestehen die Ringe aus Weichgummi oder vergleichbaren Stoffen. Die gekrümmte Leitung ist an Federn aufgehängt, welche eine Transversalbewegung in Schwingungsrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung zulassen. Die Enden der gekrümmten Leitung sind somit in dem Gehäuse begrenzt beweglich angebracht. - Außerdem besteht eine weitere Verbindung zwischen dem Mittelteil der gekrümmten Leitung und dem Gehäuse, und zwar über eine mit dem Mittelteil verbundene Büchse, die in einem Block in dem Gehäuse schwenkbar gelagert ist, so daß der Büchse eine Schwingbewegung mitgeteilt werden kann. Die gekrümmte Leitung ist also gegenüber dem Gehäuse nicht frei tragend. - Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, daß infolge der Schwingbewegung des strömenden Mediums ein Kräftepaar durch die gekrümmte Leitung auf die Lager einwirkt, so daß sich die Federn verbiegen, deren Biegung mit Dehnungsmeßstreifen gemessen werden kann. Da die Arbeitsweise dieses bekannten Massedurchflußmessers nicht von den dynamischen Eigenschaften der gekrümmten Leitung, insbesondere, ob und wie Resonanzfrequenzen der gekrümmten Leitung bei Anregung durch den Antrieb und Auslenkung durch Coriolis-Kräfte aufeinander abzustimmen sind, abhängt, ist nichts darüber offenbart.
In einer Variante dieser bekannten Ausführungsform ersetzen Lager die obengenannten Ringe aus Weichgummi, und piezoelektrische Sensoren an diesen Lagern ersetzen die erwähnten Dehnungsmeßstreifen.
In einer anderen Ausführungsform des bekannten Massedurchflußmessers wurde wegen der nachgiebigen Kupplungen an den Enden des gekrümmten Rohrs ein Luftdruckgeber vorgesehen, um Nullpunktwanderungen und Empfindlichkeitsschwankungen möglichst zu vermeiden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des bekannten Massedurchflußmessers besteht die gekrümmte Leitung aus nachgiebigem Material, während bewegliche Druckmesser an den Leitungsenden entfallen. Auch diese gekrümmte Leitung aus nachgiebigem Material ist an drei Punkten innerhalb des Gehäuses gelagert und damit nicht frei tragend.
Bei einer wiederum anderen Ausführungsform des bekannten Massedurchflußmessers ist ein mittlerer U-förmig gekrümmter Abschnitt der Leitung über leicht verformbare Balgen mit feststehenden Ein- und Auslaßstutzen verbunden. Der U-förmig gebogene Abschnitt stützt sich außerdem über einen Arm auf dem Gehäuseboden ab. - Diese Ausführungsform weist also eine durch die druckempfindlichen Balgen unterbrochene gekrümmte Leitung auf. Diese Leitung ist somit auch nicht mit ihren offenen Enden in dem Gehäuse fest angebracht und bildet schließlich aus diesem Grund und wegen der zusätzlichen Abstützung in ihrer Mitte keinen freitragenden Ausleger.
Keine dieser Ausführungsformen des bekannten Massedurchflußmessers ist praktisch zur Massedurchflußmessung gewerblich angewendet worden, vermutlich, da sie nicht genügend genau waren und schwierig zu warten waren. Es ist beispielsweise bekannt, daß die Coriolis-Effekte im Verhältnis zu anderen Kräften sehr gering sind, die in solchen bekannten komplizierten Massedurchflußmessern auftreten können, z. B. Luftwiderständen, Trägheitskräften sowie Kräften, die durch Inhomogenitäten des Fluids, dessen Durchfluß zu messen ist, hervorgerufen werden. Speziell Wartungsprobleme der nachgiebigen Kupplungen, die Notwendigkeit einer häufigen Nacheichung jeder Meßeinrichtung, deren Funktion von Kupplungen oder nachgiebigen Abschnitten abhängt, stellen schwerwiegende Hemmnisse für einen dauernden gewerblichen Einsatz dar.
Zum Stand der Technik gehört ferner eine Meßvorrichtung zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften eines fließfähigen Mediums, speziell dessen Dichte oder Wichte, in der das Medium durch eine U-förmig gekrümmte, durchgehende Leitung geleitet wird, die mit ihren offenen Enden in einer Halterung fest angebracht ist (US-PS 34 49 940). Mit der U-förmig gekrümmten Leitung ist ein Rahmen gekoppelt, an dem Federstäbe angebracht sind, um die U-förmig gekrümmte Leitung von dem Einfluß der Umgebung zu isolieren und sicherzustellen, daß ihre Arbeitsweise nicht von Änderungen ihrer eigenen natürlichen Resonanzfrequenz infolge von Temperaturauswirkungen des Fluids abhängt, sondern statt dessen im wesentlichen nur von der Resonanzfrequenz der Federstäbe bestimmt ist. Die U-förmig gekrümmte Leitung und die Federstäbe werden durch eine Antriebsvorrichtung um eine Schwingungsachse in Schwingungen versetzt, und nur die Amplitude der Schwingungen der Leitung um diese Schwingungsachse wird zur Bestimmung der Stoffeigenschaften, insbesondere der Dichte des Mediums, erfaßt und ausgewertet. - Diese Meßvorrichtung ist nicht zur Bestimmung des Massedurchflusses durch Auswertung von Drehungen der U-förmig gekrümmten Leitung um eine zu der ersten Schwingungsachse unterschiedliche zweite Auslenkachse durch Coriolis-Kräfte vorgesehen. Deswegen ist auch nichts über die Dimensionierung der Resonanzfrequenz um die erste Schwingungsachse in Bezug auf eine Resonanzfrequenz des U-förmig gebogenen Rohrs um eine zweite Auslenkachse offenbart.
In einer älteren, nicht vorveröffentlichten Anmeldung (DE-OS 28 22 087) wurde eine Vorrichtung zur Massedurchflußmessung durch Auswertung von Drehungen einer im wesentlichen in einer Ebene verlaufenden ersten Rohrschleife vorgeschlagen, die einseitig mit ihren offenen Enden in der Halterung eingespannt ist und von dem fließfähigen Medium durchströmt wird. In einer dazu parallelen Ebene verläuft eine zweite Rohrschleife, deren offene Enden neben den offenen Enden der ersten Rohrschleife eingespannt sind. Die beiden Rohrschleifen sind so in Reihe geschaltet, daß sie von dem Massedurchfluß gleichsinnig durchflossen werden. Ein Schwingungserzeuger greift an den den Einspannstellen gegenüberliegenden Rohrabschnitten beider Rohrschleifen an und regt diese zu Schwingungen gegeneinander an. Beide Rohrschleifen wirken als schwingungsfähige Glieder in der Art einer Stimmgabel zusammen. Hinsichtlich der dynamischen Eigenschaften jeder Rohrschleife ist bevorzugt die Eigenfrequenz der Torsionsschwingungen der Rohrschleife annähernd gleich der Eigenfrequenz der Schwingungen senkrecht zu der Ebene der Rohrschleife. - Diese Maßnahmen zielen auf eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Meßvorrichtung ab, d. h. eine Erhöhung der Auslenkung um die zweite Auslenkachse. Jedoch schwingen damit die Rohrschleifen so in Resonanz, daß die Torsionsauslenkungen nicht nur maßgeblich auf die Coriolis-Kräfte zurückgehen, welche durch das strömende Medium in den Rohrschleifen erzeugt werden, sondern erheblich durch störende Kräfte mitbestimmt werden, die größer als der Coriolis-Effekt sind und zur Verstärkung der Auslenkung beitragen. Deswegen kann keine genaue Bestimmung des Massedurchflusses erfolgen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gewerblich einsetzbare Vorrichtung zur genauen Massedurchflußmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 2 zu schaffen, bei der die naturgemäß geringen Auswirkungen der Coriolis-Kräfte bei der Messung nicht durch die Coriolis-Kräfte überlagernde nennenswerte Störkräfte verfälscht werden.
Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung der Vorrichtung zur Massedurchflußmessung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 2 angegebenen Merkmalen gelöst, nach denen die gekrümmte, durchgehende Leitung selbst im wesentlichen als Feder wirkt und der Coriolis-Kraft im wesentlichen die Federkraft der Leitung entgegenwirkt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 1 gelingt es, im wesentlichen nur die Coriolis-Kräfte ohne erheblichen Einfluß von Störkräften zu erfassen, indem die gekrümmte Leitung keine durch Druck verformbare Verbindungsstellen aufweist und durch die Coriolis-Kräfte elastisch verformbar ist und mit ihren offenen Enden in der Halterung fest angebracht ist, dergestalt, daß sie mit ihrer Mitte frei schwingen kann oder, mit anderen Worten, in der Art eines Auslegers wirkt. Die elastische Verformung des freitragenden Auslegers infolge der Coriolis-Kräfte wirkt sich in dessen Auslenkung um die Schwenkachse aus. Es entfallen damit störende Einflüsse von Lagerstellen erhöhter Elastizität, insbesondere druckempfindliche selbständige Kupplungselemente bzw. Schwenkvorrichtungen. Von besonderer Bedeutung ist, daß die Auswirkung der Coriolis-Kräfte auf die gekrümmte Leitung dynamisch von den Auswirkungen, die im übrigen auf die Anregung von Schwingungen durch die Antriebsvorrichtung zurückgehen, entkoppelt ist: Hierzu ist die gekrümmte Leitung dergestalt geformt und unter der Einwirkung im wesentlichen der Coriolis-Kräfte um die zweite Auslenkachse elastisch verformbar, daß ihre Resonanzfrequenz um die erste Schwingungsachse, um die die Anregung durch die Antriebsvorrichtung erfolgt, und ihre Resonanzfrequenz um die zweite Auslenkachse unterschiedlich sind.
Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz um die erste Schwingachse, um die die gekrümmte Leitung durch die Antriebsvorrichtung ausgelenkt wird, niedriger als die Resonanzfrequenz um die zweite Auslenkachse, um die die gekrümmte Leitung infolge der Coriolis-Kräfte schwingt.
Die Coriolis-Kräfte, welche durch das durch die schwingende gekrümmte Leitung strömende Fluid erzeugt werden, bewirken, daß die gekrümmte Leitung verdreht um eine zweite Auslenkachse ausgelenkt wird, die symmetrisch zwischen den beiden Schenkeln der gekrümmten Leitung liegt und die erste Schwingungsachse halbierend schneidet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dabei durch eine unkomplizierte Bauweise aus.
Damit Scherkräfte an der Halterung die Vorrichtung nicht beeinträchtigen, indem sie versuchen, die gekrümmte Leitung nach deren Anbringungsstellen an der Halterung abzuscheren, sind Maßnahmen nach Anspruch 4 oder 5 vorgesehen.
Die Kompensation der Scherkräfte erfolgt vorzugsweise durch die in Anspruch 4 angegebene Maßnahme, daß ein weiteres schwingungsfähiges Element so zu der gekrümmten, durchgehenden Leitung hinzugefügt ist, daß es mit dieser Leitung eine Stimmgabel bildet. Das weitere schwingungsfähige Element hat eine Eigenfrequenz, die im wesentlichen gleich derjenigen der gekrümmten Leitung ist, und besteht vorzugsweise aus einem Federarm, auf dem ein Teil der Antriebsvorrichtung angeordnet ist. Die gekrümmte Leitung und das weitere schwingungsfähige Element oszillieren in entgegengesetzter Phase ähnlich wie die Zinken einer Stimmgabel, und wie bei einer Stimmgabel erfolgen in der Halterung keine Vibrationen.
Die in Anspruch 5 angegebene Maßnahme, um die schädlichen Auswirkungen der Scherkräfte an den festen Anbringungsstellen der gekrümmten Leitung zu beseitigen, hat sich in einigen Fällen als allein ausreichend erwiesen.
Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird die elastische Verformung der gekrümmten Leitung durch Meß-Sensoren und ein Zeitmeßglied nach Anspruch 10 gemessen.
Das mit den Ausgangssignalen der Meß-Sensoren beaufschlagte Zeitmeßglied mißt die Zeitverschiebung oder Nacheilung zwischen den Durchgängen zweier verschiedener Stellen der gekrümmten Leitung durch eine vorgegebene Schwingungslage als Ergebnis der Verformung der Leitung durch die Coriolis- Kräfte. Bei dieser Anordnung braucht die Frequenz und/oder die Amplitude der Schwingung der Leitung nicht konstant gehalten zu werden.
Die geschilderten erfindungsgemäßen Maßnahmen können auch vorteilhaft bei einer Vorrichtung zur Massedurchflußmessung eines fließfähigen Mediums nach Anspruch 2 vorgesehen werden, bei der statt der Drehungen bzw. Auslenkungen einer gekrümmten Leitung, in der Coriolis-Kräfte des fließfähigen Mediums auftreten, die Kräfte, die die Leitung um eine Auslenkachse zu drehen versuchen, durch Gegenkräfte kompensiert werden.
Weitere Merkmale einer solchen auf dem Kraft-Kompensationsprinzip beruhenden Vorrichtung zur Messung der Coriolis- Kräfte sind in Anspruch 12 angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung mit 14 Figuren erläutert. Es zeigt
Fig. 1 perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Massedurchflußmessung;
Fig. 2 Endansicht gemäß Fig. 1 mit Darstellung der Oszillation ohne Durchfluß der Leitung;
Fig. 3 Endansicht gemäß Fig. 1 mit Darstellung der Oszillation am Mittelpunkt bei Durchfluß durch die Leitung in Aufwärtsrichtung;
Fig. 4 Darstellung gemäß Fig. 3 bei Oszillation in Abwärtsrichtung;
Fig. 5 Blockdiagramm des Antriebsschaltkreises der Vorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 6 Logikdiagramm der Auswertungsschaltung der Vorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 7 Zeitdiagramm von Ausgangssignalen der Vorrichtung bei nicht durchflossener Leitung;
Fig. 8 Darstellung gemäß Fig. 7 bei von links nach rechts durchflossener Leitung;
Fig. 9 Darstellung gemäß Fig. 1 einer abgewandelten Ausführungsform;
Fig. 10 Schaltungsanordnung des Antriebs- und Auswertungsteiles der Vorrichtung gemäß Fig. 9 ohne Darstellung des die Ablenkung oder Verformung abtastenden Teils;
Fig. 11 Schaltungsanordnung des die Ablenkung zur Erzeugung des Signals B in Fig. 10 abtastenden Teils;
Fig. 12 eine andere Schaltungsanordnung anstelle derjenigen der Fig. 11;
Fig. 13 eine weitere Schaltungsanordnung anstelle derjenigen der Fig. 11; und
Fig. 14 eine Schaltungsanordnung des Synchron-Demodulators in Fig. 10, 12 und 13.
Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Massedurchflußmessung 10, die eine ortsfeste Halterung 12 mit einer an ihr befestigten U-förmigen Leitung 14, die als freitragender vorstehender Ausleger ausgebildet ist, aufweist. Die U-förmige Leitung 14 besteht aus einem federnden rohrförmigen Material, beispielsweise aus Beryllium, Kupfer, vergütetem Aluminium, Stahl, Kunststoff. Die U-förmige Leitung 14 kann Schenkel besitzen, die konvergieren, divergieren oder auch schräg zueinander verlaufen. Die Leitung 14 zeigt keine Unterbrechungen. Die Leitung 14 besitzt eine Einlaßöffnung 15 und eine Auslaßöffnung 16, die miteinander durch den Eintrittschenkel 18, den Mittelschenkel 19 und den Austrittschenkel 20 verbunden sind. Die Schenkel 18 und 20 liegen einander parallel, und der Mittelschenkel 19 ist senkrecht zu beiden gerichtet. Andere Formen der zumindest abschnittsweise gekrümmten Leitung sind ebenfalls brauchbar, beispielsweise solche, bei denen die Leitung die Form einer kontinuierlichen oder einer teilweisen Kurve aufweist.
Die Form der U-förmigen Leitung 14 ist in physikalischer Hinsicht nicht kritisch, jedoch sind die Frequenzcharakteristika von Bedeutung. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, die eine Verformung zuläßt, ist es wichtig, daß die Resonanzfrequenz um die Achse W-W unterschiedlich ist gegenüber derjenigen um die Achse O-O, und vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz um die Achse W-W die kleinere.
Ein Federarm 22 ist an den Schenkeln 18, 20 befestigt und trägt eine Erregerspule 24 und eine Antrieb-Sensorspule 23 an seinem den Mittelschenkel 19 zugewandten Ende. Ein Magnet 25, der in die Erregerspule 24 und die Antrieb- Sensorspule 23 eingreift, ist an dem Mittelschenkel 19 befestigt. Der Antriebsschaltkreis 27, der später im einzelnen erläutert wird, dient der Erzeugung einer verstärkten Kraft in Abhängigkeit von dem Signal der Antrieb-Sensorspule 23, um die U-förmige Leitung 14 mit ihrer Eigenfrequenz um die Achse W-W in oszillierende Schwingungen zu versetzen. Obgleich die U-förmige Leitung 14 als freitragender Ausleger an der Halterung 12 aufgenommen ist, läßt sich aufgrund der Tatsache, daß sie mit der Resonanzfrequenz schwingt, eine ausreichende Schwingungsamplitude um die Achse W-W erreichen. Die Leitung 14 schwingt im wesentlichen um die Achse W-W an der Eintritts- und Austrittsöffnung 15, 16.
An den Schnittpunkten des Mittelschenkels 19 und der Schenkel 18, 20 sind ein erster Meß-Sensor 43 und ein zweiter Meß-Sensor 44 angeordnet. Die Meß-Sensoren 43, 44 sind optische Sensoren; sie geben signifikante Ausgangssignale ab, wenn zu ihnen benachbarte Stellen der Leitung 14 durch eine Bezugsebene am Mittelpunkt der Oszillation hindurchgehen. Eine Auswertungsschaltungsanordnung 33, die später beschrieben wird, ist vorgesehen, um den Massedurchfluß als Funktion der Zeitverschiebungen der durch die Meß-Sensoren 44 und 43 erzeugten Ausgangssignale zu bestimmen und anzuzeigen.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung 10 wird anhand der Fig. 2, 3 und 4 näher erläutert, die in vereinfachter Weise das Grundprinzip der Erfindung aufzeigen. Wenn die Leitung 14 in Schwingung versetzt wird, ohne von dem fließfähigen Medium durchflossen zu sein, biegen sich der Einlaßschenkel 18 und der Auslaßschenkel 16 um die Achse W-W ohne Torsion. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, hält der Mittelschenkel 19 eine konstante Winkellage zur Achse O-O während der Oszillation ein. Wenn die Leitung 14 jedoch durchflossen ist, erzeugt das fließfähige Medium durch den Eintrittsschenkel 18 eine erste Coriolis-Kraft senkrecht zur Fließrichtung und senkrecht zur Achse W-W, während der Durchfluß in dem Austrittschenkel 20 eine zweite Coriolis-Kraft erzeugt, die wiederum senkrecht zur radialen Richtung des Durchflusses, jedoch entgegengesetzt zur ersten Coriolis-Kraft ist, da der Durchfluß in entgegengesetzter Richtung erfolgt. Wenn gemäß Fig. 3 der Mittelschenkel durch den Mittelpunkt der oszillierenden Schwingung hindurchgeht, bilden die in dem Eintrittschenkel 18 und dem Austrittschenkel 19 erzeugten Coriolis-Kräfte ein Kräftepaar an der U-förmigen Leitung 14, wobei der Mittelschenkel 19 im Winkel um die Achse O-O gedreht wird. Diese Verformung ist sowohl eine Biegeverformung als auch eine Torsionsverformung in dem Eintrittschenkel 18 und dem Austrittschenkel 20. Zufolge der Wahl der Frequenz und der Gestalt der U-förmigen Leitung 14 ist praktisch die gesamte Gegenkraft zu dem Coriolis-Kräftepaar eine elastische Federverformung, wodurch eine komplizierte Messung der durch die Geschwindigkeit hervorgerufenen Kräfte und der Trägheitskräfte überflüssig ist.
Bei einer konstanten Frequenz und Amplitude bildet die Messung der Winkelauslenkung des Mittelschenkels 19 um die Achse O-O am nominalen Mittelpunkt der Oszillation eine genaue Anzeige des Massedurchflusses.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, daß die Messung der Auslenkung des Mittelschenkels 19 relativ zur nicht ausgelenkten Mittelebene um die Achse O-O mittels der Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, wenn der vordere Schenkel, d. h. der Einlaßschenkel 18, durch die Mittelpunktebene und der hintere, d. h. der Auslaßschenkel 20, durch die Mittelpunktebene schwenken, die Aufrechterhaltung einer konstanten Frequenz und Amplitude überflüssig macht, wenn eine Subtraktion der so gebildeten Zeitdifferenzen für die Aufwärtsbewegung der Leitung gemäß Fig. 3 und die Abwärtsbewegung gemäß Fig. 4 durchgeführt wird. Durch Antrieb der U-förmigen Leitung 14 mit ihrer Resonanzfrequenz können Messungen vorgenommen werden in einer später im einzelnen beschriebenen Weise, ohne daß eine gleichzeitige Regelung der Amplitude vorzusehen ist. Wenn Messungen nur in einer Richtung, d. h. in Aufwärtsrichtung gemäß Fig. 3, gemacht werden, ist es nötig, eine genaue Winkelausrichtung des Mittelschenkels 19 zu der Mittelpunktebene aufrecht zu erhalten. Auch diese Forderung kann vermieden werden durch Subtraktion der Zeitmessungen in Aufwärtsrichtung gemäß Fig. 3 und in Abwärtsrichtung gemäß Fig. 4.
In Abwärtsrichtung der Schwingung der Leitung gemäß Fig. 4 ist die Richtung des Coriolis-Kräftepaars umkehrt gegenüber Fig. 3 und ebenso, wie in Fig. 4 gezeigt ist, die Richtung der Auslenkung als Ergebnis dieses Kräftepaares umkehrt.
Zusammenfassend ist allgemein festzustellen, daß die U- förmige Leitung 14, die vorgeschriebene Frequenzcharakteristika besitzt, obwohl sie nur allgemeine Charakteristika der Form aufweist, lediglich um die Achse W-W in Schwingungen versetzt wird. Der Fluß durch die U-förmige Leitung 14 verursacht deren federnde Verformung, die zu einer meßbaren Winkelbewegung des Mittelschenkels 19 um die Achse O-O führt in einer ersten Winkelrichtung während einer Schwingungsrichtung und anschließend in entgegengesetzter Richtung während der anderen Schwingungsrichtung. Wenn auch bei Regelung der Amplitude der Durchfluß durch unmittelbare Messung der Deformation bestimmt werden kann, so besteht eine bevorzugte Methode ohne dieses Erfordernis darin, jeweils die Zeitdifferenz zwischen dem Moment zu bestimmen, in dem der vordere und der hintere Rand des Mittelschenkels 19 sich durch die Mittelpunktebene bewegt, und diese Zeitdifferenzen für Aufwärts- und Abwärtsbewegung zu subtrahieren.
Dadurch werden auch Unregelmäßigkeiten aus dem Meßergebnis eliminiert, die von einer fehlerhaften Ausrichtung der U-förmigen Leitung 14 relativ zur Mittelpunktebene herrühren.
Der elektronische Teil der Vorrichtung wird näher erläutert anhand der Fig. 5 bis 8:
Der Antriebsschaltkreis 27 erfaßt die durch Bewegung des Magneten 25 in der Antrieb-Sensorspule 23 erzeugten Signale. Ein Detektor 39 vergleicht die durch die Antrieb-Sensorspule 23 erzeugte Spannung mit einer Referenzspannung 37. Der Ausgangspegel des Verstärkers 41, der die Erregerspule 25 speist, ist daher eine Funktion der Geschwindigkeit des Magneten innerhalb der Antrieb-Sensorspule 23. Auf diese Weise kann die Amplitude der Schwingung der U-förmigen Leitung 14 auf einfache Weise geregelt werden.
Die Schaltung gemäß Fig. 5 ergibt eine zusätzliche Information. Das Ausgangssignal des Verstärkers 41 ist ein sinusförmiges Signal entsprechend der Resonanzfrequenz der U-förmigen Leitung 14. Da die Resonanzfrequenz bestimmt ist durch die Federkonstante und die Masse des schwingenden Systems, und da die Federkonstante konstant ist und die Masse sich nur in Abhängigkeit von der Dichte des die Leitung durchfließenden Mediums ändert, ist jede Änderung der Frequenz eine Funktion der Dichteänderung des durch die Leitung fließenden Mediums. Durch Auswertung der Frequenz kann somit die Dichte des durch die Leitung fließenden Mediums bestimmt werden.
Der Aufbau und die Arbeitsweise der Schaltung 33 wird anhand der Fig. 6 und der Zeitdiagramme in Fig. 7 und 8 erläutert. Die Auswertungsschaltungsanordnung 33 ist mit Meß-Sensoren 43 und 44 verbunden, die Ausgangssignale erzeugen, wenn die Fahnen 45 und 46, die an dem Mittelschenkel 19 befestigt sind, den entsprechenden, benachbart zur Mittelebene A-A der Oszillation der Leitung 14 liegenden Meß-Sensor passieren. Der Meß-Sensor 43 ist mit Umkehrverstärkern 47 und 48 verbunden, während der Meß-Sensor 44 in gleicher Weise mit Umkehrverstärkern 49 und 50 verbunden ist. Die Ausgangsleitung 52 des Umkehrverstärkers 50 bildet als Folge der doppelten Umkehrung ein positives Signal an einer Setzseite eines Flip-Flops 54. Eine Ausgangsleitung 56 eines Umkehrverstärkers 48 bildet ebenfalls ein positives Signal an einer Rücksetzseite eines Flip-Flops 54. Das Flip-Flop 54 wird gesetzt bei Abgabe eines positiven Ausgangssignals von dem Meß-Sensor 44 und wird zurückgesetzt bei der folgenden Abgabe eines positiven Ausgangssignals von dem Meß-Sensor 43.
In ähnlicher Weise führt eine Leitung 58 das umgekehrte Ausgangssignal des Meß-Sensors 43 über den Umkehrverstärker 47 an eine Setzseite eines Flip-Flops 60, während eine Leitung 62 das Ausgangssignal des Umkehrverstärkers 49 auf eine Rücksetzseite des Flip-Flops 60 gibt. Das Flip-Flop 60 wird also gesetzt bei einem negtiven Ausgangssignal des Meß-Sensors 43 und rückgesetzt bei einem anschließenden negativen Ausgangssignal des Meß-Sensors 44. Der Ausgang des Flip-Flops 54 ist über eine Leitung 63 mit einem UND-Tor 64 verbunden. Das UND-Tor 64 und ein UND-Tor 66 sind beide mit dem Ausgang eines Oszillators 67 verbunden. Bei einem Ausgangssignal des Flip-Flops 54 wird das Signal des Oszillators 67 durch das UND-Tor 64 auf eine Leitung 68 und damit auf einen Rückwärtszähleingang eines Vorwärts/ Rückwärtszählers 70 gegeben. Bei einem Ausgangssignal des Flip-Flops 60 wird das Ausgangssignal des Oszillators 67 durch das UND-Tor 66 auf die Leitung 69 und auf den Vorwärtszähleingang des Zählers 70 gegeben.
Im Betrieb erzeugt die Schaltung 33 ein Rückwärtszählsignal mit der Frequenz des Oszillators 67, um den Zähler 70 während der Zeitperiode aufzuzählen, während der der Meß- Sensor 44 aktiviert ist vor der Aktivierung des Meß-Sensors 43 während der Abwärtsbewegung der U-förmigen Leitung 14. Ein Vorwärtszählsignal wird auf den Zähler 70 für eine Zeitperiode gegeben, während der der Meß-Sensor 43 aktiviert ist vor der Aktivierung des Meß-Sensors 44 während der Aufwärtsbewegung der U-förmigen Leitung 14.
In Fig. 7 sind Signalformen der Schaltung 33 für die Bedingung dargestellt, daß die U-förmige Leitung ohne Durchfluß des Mediums schwingt, bei der aber die Fahnen 45 und 46 nicht genau zu der Ebene A-A statisch ausgerichtet sind. Wie sich aus dem Zeitdiagramm gemäß Fig. 7 ergibt, schaltet der Meß-Sensor 44 zunächst vorzeitig zu der durch die senkrechten Linien des Aufwärtshubes dargestellten idealen Zeit beim Aufwärtshub und schaltet verspätet beim Abwärtshub als Ergebnis der fehlerhaften Ausrichtung der Fahne 46. Andererseits schaltet der Sensor 43 verspätet beim Aufwärtshub und schaltet negativ verfrüht beim Abwärtshub. Wenn jedoch die Ausgangssignale der Flip-Flops 54 und 60 analysiert werden und wenn berücksichtigt wird, daß diese Flip-Flops entweder Rückwärtszähl- oder Vorwärtszählsignale auf den Zähler 70 geben, zeigt sich, daß das Flip-Flop 54, das auf die vordere Flanke der Ausgangssignale der Meß- Sensoren 43 und 44 einwirkt, ein Ausgangssignal beim Aufwärtshub erzeugt, während angesichts der unveränderten Orientierung der Fahnen 45 und 46 das Flip-Flop 60 ein ähnliches Ausgangssignal beim Abwärtshub erzeugt. Dementsprechend wird über einen kompletten Zyklus der Zähler 70 zunächst rückwärts gezählt mit einer begrenzten Zahl von Impulsen durch den Ausgang des Flip-Flops 54 über das Tor 64, und dann in gleicher Weise vorwärts gezählt durch den Ausgang des Flip-Flops 60 über das Tor 66. Die resultierende Zählung des Zählers 70 zeigt somit Null, was für die nichtdurchflossene Leitung bezeichnend ist.
Bei durchflossener Leitung wird entsprechend Fig. 8 der Meß-Sensor 43 früher aktiviert als in Fig. 7 als Ergebnis der Auslenkung des Mittelschenkels 19 durch das Coriolis- Kräftepaar. Der Meß-Sensor 44 wird aus dem gleichen Grunde später aktiviert. Beim Aufwärtshub wird also das Flip-Flop 54 während einer längeren Periode aktiviert als unter der Bedingung gemäß Fig. 7, da die fehlerhafte Ausrichtung der Fahnen 45, 46 zu der Auslenkung des Mittelschenkels 19 durch das Coriolis-Kräftepaar bei der Aufwärtsbewegung addiert wird. Andererseits wird bei Abwärtsbewegung, d. h. bei Erzeugung der hinteren Flanke der Ausgangssignale der Meß-Sensoren 43, 44 das Coriolis-Kräftepaar umgekehrt, so daß der Meß-Sensor 43 früher und der Meß-Sensor 44 später entaktiviert wird. Damit wird das Flip-Flop 60 für eine geringere Zeitperiode aktiviert. Wie sich aus dem Verhältnis der Aktivierungszeiten der beiden Flip-Flops ergibt, ist die Rückwärtszählperiode des Zählers 70 wesentlich länger als die Vorwärtzählperiode aufgrund der Aktivierung des Flip-Flops 60. Die sich ergebende größere Zählung auf der Rückwärtszählseite des Zählers 70 ergibt eine genaue Anzeige des Durchflusses über eine Schwingungsperiode. Der Zählerstand in dem Zähler 70 nach einer gegebenen Zahl von Oszillationen ist direkt proportional dem Massedurchfluß in der U-förmigen Leitung 14 während dieser Zeitperiode. Die Zahl der Schwingungen kann beispielsweise durch Zählung der Zahlen der Aktivierungen beispielsweise des Flip-Flops 54 an dem Rückwärtszähler 71 bestimmt werden, der mit dem Ausgang des Flip-Flops 54 durch die Leitung 72 verbunden ist. Beim Auftreten von N Ausgangssignalen durch das Flip-Flop 54 wird der Rückwärtszähler 71 aktiviert, der wiederum das Logik-Folgeglied 74 aktiviert. Das Logik- Folgeglied 74 ist mit dem Oszillator 67 verbunden, und mit der Frequenz des Oszillators 67 verriegelt es zuerst einen Decoder-Treiber 77 über die Leitung 78 und setzt dann den Vorwärts/Rückwärtszähler 70 über die Leitung 75 zurück. Bis das Logik-Folgeglied 74 wieder nach N Ausgangssignalen durch das Flip-Flop 54 aktiviert wird, zeigt das Display 80 die akkumulierte Zählung des Zählers 70 am Zeitpunkt der Abfrage an, und zeigt entsprechend den Massedurchfluß für die Zeitdauer N Schwingungen.
Der totale Massedurchfluß für eine gewählte Rücksetzperiode wird auf ähnliche Weise dadurch bestimmt, daß der Ausgang des Zählers 70 auf den Digital-Integrator 82 gegeben wird, der mit einem Quarzoszillator 84 verbunden ist. So werden die Zählungen des Zählers 70 über der Zeit durch die fixierte, feste Frequenz des Oszillators 84 integriert und das Intergral dem Verriegelungs-Decoder-Treiber 85 vermittelt, der wiederum mit dem Display 87 verbunden ist, um eine Anzeige des totalen Massedurchflusses für die Periode von der letzten Aktivierung des Rückstellers 88, d. h. eines mit dem Digital-Integrator 82 verbundenen Schalters, zu erzeugen.
Der Dichtefaktor kann unabhängig von den Messungen des Massedurchflusses durch Aktivierung des Flip-Flops 90 mit der Taktfrequenz des Ausganges des Flip-Flops 54 über die Leitung 92 bestimmt werden. Der Ausgang des Flip-Flops 90 liegt an einem UND-Tor 94, das bei Aktivierung des Flip Flops 90 bewirkt, daß die Zählung des Oszillators 84 auf den Zähler-Verriegelungs-Treiber geleitet wird. Mit der Zeitinformation in Form von Zählungen von dem Oszillator 84, und mit der Schwingungsperiode von dem Flip-Flop 90 ist die Zählung in dem Zähler-Verriegelungs-Treiber eine Funktion der Dichte des Mediums in der U-förmigen Leitung 14. Dementsprechend zeigt das Display 98 den Dichtefaktor. Da der Dichtefaktor keine lineare Funktion der Schwingungsperiode der U-förmigen Leitung 14 ist, muß die Ablesung des Display 98 weiter ausgewertet werden, entweder mittels einer Tabelle oder durch einen Mikroprozessor zur Anzeige der Dichte oder des spezifischen Gewichtes.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß der Strömungsmesser 10 einen augenblicklichen Massendurchfluß, einen kumulierten Massendurchfluß über eine gegebene Periode, eine Dichteinformation für das Medium und gegebenenfalls einen volumetrischen Durchfluß durch Teilung des Massendurchflusses durch die Dichte angeben kann. Dies wird, wie Versuche gezeigt haben, mit Genauigkeiten von 0,1 oder 0,2% durchgeführt. So ist beispielsweise eine genaue Messung eines Gasdurchflusses bei sehr geringen Geschwindigkeiten in genauer Weise möglich. Es besteht keine Notwendigkeit, die Amplitude oder die Frequenz der Vorrichtung 10 zu regeln.
Eine abgewandelte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zur Massedurchflußmessung ist in Fig. 9 gezeigt, die in mancher Hinsicht ähnlich ist der Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 100 besitzt eine Halterung 102 und eine U-förmige Leitung 104, die an der Halterung 102 befestigt ist und sich frei von Schwenkvorrichtungen von ihr weg erstreckt. Die U-förmige Leitung 104 besitzt einen Einlaß 105 und einen Auslaß 106, die miteinander verbunden sind über einen Einlaßschenkel 108 und einen Auslaßschenkel 109. Die Schenkel 108 und 109 können um die Punkte 112 und 114 längs der Achse W&min;-W&min; geschwenkt werden, um die Leitung 104 um die Achse W&min;-W&min; in Schwingung zu versetzen.
Dies kann beispielsweise erleichtert werden durch eine Verringerung der Wandstärke der Leitung 104 an den Schwenkpunkten 112 und 114; es kann aber auch eine Leitung 104 mit unveränderter Wandstärke benutzt werden. Der Mittelschenkel 116 verbindet den Einlaßschenkel 108 und den Auslaßschenkel 109, so daß sich eine U-förmige Leitung 104 ergibt.
Im Gegensatz zu der Vorrichtung 10 kann die Leitung 104 vorzugsweise einen niedrigeren Widerstand bei Biegung um die Achse der Coriolis-Kraft besitzen als um die Schwingungs- Achse W&min;-W&min;, da die Coriolis-Kraft-Ablenkung auf Null geht. An dem Mittelschenkel 116 durch Träger 119 befestigte Magnete 118 wirken mit einer Erregerspule 120 zusammen, um die U-förmige Leitung 104 in oszillierende Schwingungen zu versetzen. Vorzugsweise ist die Erregerspule 120 auf einer freitragenden Blattfeder 122 aufgenommen, die benachbart zur Achse W&min;-W&min; befestigt ist und eine Eigenfrequenz besitzt, die praktisch gleich ist derjenigen der U-förmigen mit dem fließfähigen Medium gefüllten Leitung 104. Die Anordnung des Magneten 118 und der Erregerspule 120 kann auch umgekehrt werden auf der Leitung 104 und der Blattfeder 122. Auf die Blattfeder 122 kann auch vollkommen verzichtet werden, wenn die Halterung 102 eine sehr große Masse bildet im Vergleich zur Masse der U-förmigen Leitung 104 und des sie durchfließenden Mediums.
In den meisten Fällen ist jedoch vorzuziehen, die U-förmige Leitung 104 und die Blattfeder 122 bei gleicher Frequenz, jedoch um 180° phasenverschoben, schwingen zu lassen, um die Kräfte der Vorrichtung 100 im Gleichgewicht zu halten und eine Vibration der Halterung 102 zu vermeiden.
Der Mittelschenkel 16 trägt die von ihm herabhängenden Magnete 125, 126. Der Magnet 125 greift in eine Sensorspule 128 auf der Halterung 102 ein, während der Magnet 126 in ähnlicher Weise in eine Spule 129 auf der Halterung 102 eingreift. Der Magnet 125 erstreckt sich in die Erregerspule 131, die konzentrisch mit der Sensorspule 128 liegt, während der Magnet 126 in die Erregerspule 132 eingreift, die konzentrisch zur Sensorspule 129 liegt. Auslenk-Sensoren 133 und 134 sind in Fig. 9 in einfacher Darstellung, in den Fig. 11 bis 13 jedoch im einzelnen gezeigt; sie sind benachbart zur Verbindungsstelle der Einlaßschenkel 108 und 109 mit dem Mittelschenkel 116 angeordnet.
Die Fig. 10 zeigt Einzelheiten der Schaltung, die in Fig. 9 nicht gezeigt sind. Die Sensorspulen 128 und 129 sind in Serie derart verbunden, daß die Bewegung der Magneten 125 und 126 in die Sensorspulen 128 und 129 ein sinusartiges Signal A erzeugt mit einer der Geschwindigkeit der U- förmigen Leitung 104 proportionalen Amplitude.
Dieses Signal, dessen Größe proportional ist der Geschwindigkeit der Bewegung der Magneten 125 und 126 und eine Funktion der Schwingungsamplitude der Leitung 104 ist, wird über einen Wechselstrom-Verstärker 135 auf eine Diode 136 gegeben, die nur den positiven Teil des sinusförmigen Signales auf den Kondensator 137 leitet. Der Eingang von der Diode 136 und dem Kondensator 137 zu einem Differenzverstärker 138 ist bestimmt durch die Größe des sinusförmigen Signals. Der Differenzverstärker 138 vergleicht diesen Eingang mit einer Bezugsspannung VR ₁. Wenn die Spannung des Kondensators 137 die Bezugsspannung überschreitet, gibt der Differenzverstärker 138 ein verstärktes Signal ab. Das Ausgangssignal vom Wechselstrom-Verstärker 135, das ein sinusförmiges Signal in Phase mit der Schwingung der Leitung 104 ist und dessen Größe durch ein von dem Differenzverstärker 138 ausgehendes Signal bestimmt ist, erregt eine Erregerspule 120, um die gewünschte oszillierende Bewegung der Leitung 104 aufrecht zu erhalten. Das Signal A wird auch in eine Brücke aus Widerständen 140, 141, 142 und aus einem Fotowiderstand 143 gespeist. Ein Widerstand 144 liegt in einer Rückkopplungsschleife zwischen den Widerständen 140 und 142, und der Ausgang von der Verbindungsstelle der Widerstände 140, 142 und 144 ist beispielsweise verbunden mit dem Minuseingang des Differenzverstärkers 145. Eine variable Lichtquelle 147 ist über den Widerstand 148 an den Ausgang eines Servoverstärkers 150 angeschlossen, an dem ein Servokompensator 152 eine Rückkopplungsschleife bildet. Das Signal B, das als Wechselstrom- Signal proportional zu der kleinen, nicht den Wert Null betragenden Verformung der U-förmigen Leitung 104 ist, die erzeugt wird, wie später anhand der Fig. 11, 12 und 13 beschrieben wird, wird über den Widerstand 153 in einen Eingang des Servoverstärkers 150 eingespeist. Das Ausgangssignal des Servoverstärkers 150 wird über den Servokompensator mit der Spannung VR ₂ verglichen und über einen Widerstand in die Lichtquelle 147 gespeist. Als Funktion der Größe des Signals B in Bezug auf VR ₂ an dem Servoverstärker 150 wird die Intensität der Lichtquelle 147 geregelt. Beispielsweise wird der Widerstand des Fotowiderstandes 143 bei Erhöhung der Intensität der Lichtquelle 147 reduziert, wodurch sich die Spannung zwischen den negativen und positiven Eingängen des Differenzverstärkers 145 entsprechend verändert. Der Ausgang des Differenzverstärkers 145 ist dadurch um 180° außer Phase zu dem Signal A. Wenn das Signal B wächst, wird die Lichtquelle 147 gedämpft und der Widerstand des Fotowiderstandes 143 erhöht, wodurch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 145 in Phase mit dem Signal A verstärkt wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers 145 ist mit den Erregerspulen 131 und 132 verbunden, die in Serie gegensinnig verbunden sind. Ein durch die Erregerspulen 131 und 132 fließender Strom erzeugt, wie Fig. 9 zeigt, ein Drehmoment zum Anziehen des Magneten 125 und zum Abstoßen des Magneten 126, die beide mit dem Mittelschenkel 116 verbunden sind. Dieses Drehmoment über den Mittelschenkel 116 hebt die Auslenkung des Mittelschenkels 116 aufgrund der Coriolis- Kräfte auf, die beim Fluß durch die Leitung 104 erzeugt werden.
Widerstände 155, 156 oder 157 sind über einen Schalter 159 mit den Erregerspulen 131 und 132 verbindbar, um eine wahlweise Belastung zu erzielen und ein größeres oder kleineres Drehmoment an dem Mittelschenkel 116 einzustellen. Der Ausgang der in Serie verbundenen Erregerspulen 131 und 132 ist mit einem Eingang eines Synchron-Demodulators 162 verbunden, der anhand der Fig. 14 noch näher beschrieben wird.
Der Ausgang des Synchron-Demodulators 162 gibt ein Gleichstrom-Signal proportional dem Massedurchfluß ab, das angezeigt oder weiter verarbeitet werden kann.
Gemäß Fig. 11 bestehen die Auslenk-Sensoren 133 und 134 in mäßFig. 9 aus einer linken und rechten, von der Leitung 104 herabragenden Fahne 164, 165. An der Halterung 102 sind eine linke Fahne 166 und eine rechte Fahne 167 befestigt. Wenn der Mittelschenkel 116 schwingt, unterbrechen die Fahnen 164 und 165 den von den Lichtquellen 169, 170 kommenden Lichtstrahl, so daß dieser Fotosensoren 181, 182 nicht erreicht. Der Punkt, an dem die Fahnen 164, 166 und 165, 167 den Lichtstrahl unterbrechen, liegt vorzugsweise in Höhe des Mittelpunkts der Schwingung des Mittelschenkels 116, jedoch können die Fahnen einer Seite etwas gegenüber denen der anderen Seite versetzt sein. Bei einer Winkelauslenkung des Mittelschenkels 116 gegenüber der Halterung 102 als Ergebnis der durch den Fluß des Mediums in der U-förmigen Leitung 104 erzeugten Coriolis-Kräfte ergibt sich ein Wechsel im Zeitablauf zwischen der Abdeckung des Lichtstrahls durch die Fahnen 164, 165 und 166, 167. Die Zeitdifferenz und der Richtungssinn hängen bei einer konstanten Schwingungsgeschwindigkeit des Mittelschenkels 116 von den erzeugten Coriolis-Kräften und von der Schwingungsrichtung ab. Der Fotosensor 181 ist mit den Rücksetzseiten der Flip-Flops 185, 186 verbunden, wobei vor dem Flip-Flop 186 ein Umkehrverstärker 188 angeordnet ist. Differenzierende Kondensatoren 191, 192 liegen jeweils an einem Rücksetz- Eingang. In ähnlicher Weise ist der Fotosensor 182 mit der Setzseite des Flip-Flops 185 und über den Umkehrverstärker 189 mit der Setzseite des Flip-Flops 186 über die differenzierenden Kondensatoren 193, 194 verbunden. Wenn die Fahnen 164 und 166 schließen, wird ein positives Signal durch den Fotosensor 181 erzeugt, das die Rücksetzseite des Flip-Flops 185 aktiviert, und wenn die Fahnen 165 und 167 schließen, wird ein ähnliches positives Signal durch den Fotosensor 182 zur Aktivierung der Setzseite des Flip-Flops 185 erzeugt. Das Flip-Flop 185 wird für die Zeitdauer zwischen dem Schließen der beiderseitigen Fahnenanordnungen aktiviert. Andererseits wird beim Öffnen der Fahnen 164, 166 und 165, 167 eine abfallende Flanke oder ein negatives Signal von den Fotosensoren 181, 182 erzeugt, das das Flip-Flop 186 über die Umkehrverstärker 189 aktiviert. Das Flip-Flop 186 wird aktiviert für die Zeitdauer zwischen der Öffnung der beiderseitigen Fahnenanordnungen. Die Ausgänge der Flip-Flops 185, 186 liegen über den Widerständen 195 und 196 an den Eingängen des Differenzintegrators 198 an. Ein integrierender Kondensator 200 ist dem Widerstand 195 zugeordnet, während der integrierende Kondensator 201 dem Widerstand 196 zugeordnet ist.
Das Ausgangssignal B des Differenzintegrators 198 hängt von den Perioden der Aktivierung der Flip-Flops 185, 186 ab. Wenn der Mittelschenkel 116 lediglich ohne Auslenkung schwingt, sind die Zeitdifferenzen zwischen der Öffnung und der Schließung der Fahnen konstant und die Eingangssignale am Differenzintegrator 198 einander gleich, so daß kein Signal B erzeugt wird. Wenn Coriolis-Kräfte erzeugt werden, wird der Mittelschenkel 116 bei einem Hub im Uhrzeigersinn und beim anderen Hub entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn ausgelenkt, so daß das Schließen der Fahnen auf der einen Seite vor dem einen Hub und nach dem anderen Hub erfolgt, während die andere Seite der Fahnen bei dem ersten Hub verspätet und bei dem nächsten Hub verfrüht schließt. Die Aktivierung der Flip-Flops 185 und 186 erfolgt somit nicht für gleichlange Zeiten, und der Differenzintegrator wird ein entsprechendes Gleichstromsignal B im Plus- oder Minussinn abgeben, in Abhängigkeit von der Phase der Auslenkung des Mittelschenkels 116 relativ zum Auf- und Abwärtshub.
Eine andere Ausführungsform zu dem gleichen Zweck ist in Fig. 12 gezeigt. Benachbart zu dem Schnittpunkt des Einlaßschenkels 108 und des Mittelschenkels 116 und des Auslaßschenkels 109 und des Mittelschenkels 116 ist die Leitung 104 mit von der Auslenkung abhängigen federnden Regelwiderständen belastet. Die Regelwiderstände 204, 205 sind mit den Widerständen 207 und 208 als Brücke geschaltet, die an einer Spannungsquelle anliegt und mit dem Wechselstrom-Differenzverstärker 210 verbunden ist. Bei einfacher Schwingungsbewegung der U-förmigen Leitung 104 ändern sich die Regelwiderstände 204, 205 gleichmäßig und geben identische Eingangssignale auf den Verstärker 210. Bei einer Auslenkung aufgrund der Coriolis-Kräfte erhöht sich der Widerstandswert der Regelwiderstände 204, 205, während sich der andere verringert, so daß verschiedene Eingangssignale auf den Verstärker 210 gegeben werden und ein Ausgangssignal in Form eines Wechselstromsignals entsteht, das in Größe und Richtung den unterschiedlichen Widerstandswerten der Regelwiderstände 204, 205 proportional ist.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 210 wird auf einen Synchrondemodulator 211 geleitet, der in Verbindung mit dem Signal A ein Gleichstromausgangssignal erzeugt, das in Größe und Richtung der Auslenkung der U-förmigen Leitung 104 aufgrund der Coriolis-Kräfte proportional ist. Der Synchrondemodulator 211 ist ähnlich dem vorher beschriebenen Synchrondemodulator 162, der anhand der Fig. 14 beschrieben wird.
Eine ähnliche Anordnung zur Erzeugung des Signals B ist in Fig. 13 gezeigt. Hier ist jedoch ein schwenkbares Glied 215 zentrisch an dem Mittelschenkel 116 befestigt und trägt einen Schleppbalken 217, der auf dem Glied 215 frei drehbar im Gleichgewicht aufgenommen ist. Piezo-Kristalle 219, 220 sind zwischen dem Schleppbalken 217 und dem Mittelschenkel 116 angeordnet. Wenn der Mittelschenkel 116 einer einfachen oszillierenden Bewegung unterliegt, folgt die Schleppstange 217 dieser Bewegung, ohne Drehung um das Glied 215. Wenn jedoch die Leitung 104 als Folge auftretender Coriolis-Kräfte verformt wird, dreht sich der Mittelschenkel 116 relativ zu dem Schleppbalken 217, wodurch Kräfte in entgegengesetzter Richtung auf die Kristalle 219, 220 einwirken, die aufgrund des piezoelektrischen Effekts Signale abgeben. Die Ausgänge der Kristalle 219, 220 sind mit dem Wechselstrom-Differenzverstärker 222 verbunden, der seinerseits mit dem Synchrondemodulator 224 verbunden ist, um in Verbindung mit dem Signal A ein Gleichstromsignal B zu erzeugen, dessen Größe und Richtung proportional ist der Auslenkung der U-förmigen Leitung 104. Anstelle der Kristalle 219, 220 können Regelwiderstände 204, 205 gemäß Fig. 12 verwendet werden.
Der Synchrondemodulator 162 in Fig. 10, der den Synchrondemodulatoren 211, 224 ähnlich ist, wird anhand der Fig. 14 beschrieben. Das Eingangssignal in Form eines Wechselstromsignals wird über die Leitung 225 auf die Primärwindung 227 eines Transformators gegeben. Der Ausgang der beiden entgegengesetzten Enden von Sekundärwicklungen 228 ist um 180° phasenverschoben. Schalter in Form von FET-Transistoren 230, 231 liegen in den Ausgängen der Sekundärwicklungen 228. Ein mit dem Signal A verbundener Komparator 233 erzeugt positive oder negative Ausgangssignale in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Signals A zu einer Bezugsspannung VR ₃. Das Ausgangssignal des Komparators 233 ist ein positives oder negatives Rechtecksignal und wird auf den das Signal umkehrenden Umkehrverstärker 235 gegeben. Der eine Teil des Rechtecksignals schaltet den FET- Transistor 230 ein, während der andere Transistor 231 ausgeschaltet wird, und der andere Teil des Signals schaltet den Transistor 231 ein und den Transistor 230 aus. Der Teil des Eingangsignals der Leitung 225, der in Phase mit dem Signal A liegt, wird in den aus dem Widerstand 238 und dem Kondensator 239 gebildeten RC-Kreis 237 gespeist, der ein Gleichstromsignal abgibt, das proportional ist dem Effektivwert des Eingangsignals an dem RC-Kreis 237. Dieses Gleichstromsignal kann angezeigt oder weiter verarbeitet werden.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung 100 verwendet Auslenk- Sensoren 133, 134 zur Ermittlung der Größe und der Richtung kleiner anfänglicher Auslenkungen der U-förmigen Leitung 104 aufgrund der Coriolis-Kräfte und erzeugt ein Gleichstromsignal, das in seinem Richtungssinn und seiner Größe dieser Auslenkung proportional ist. Das Gleichstromsignal B ist ein Rückkopplungssignal, das das von den Erregerspulen 131 und 132 erzeugte Moment bzw. eine Gegenkraft bestimmt, die erhebliche über die anfängliche Auslenkung hinausgehende Kräfte verhindert. Die Sensorspulen 128 und 129, die die Frequenz der Schwingung der U-förmigen Leitung 104 durch den oben beschriebenen Antriebskreis aufrechterhalten, erzeugen ein Signal A, das in Phase mit den Coriolis-Kräften ist und eine genaue Steuerung der Erregerspulen 131, 132, die Synchronisation des Ausgangssignals des Wechselstrom- Verstärkers 135 zum Antrieb der U-förmigen Leitung 104, und eine genaue Demodulation des synchronen Signals der Erregerspulen 131 und 132 zur Erzeugung eines Gleichstromausgangs proportional zur Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet.

Claims

1. Vorrichtung zur Massedurchflußmessung eines fließfähigen Mediums durch Auswertung von Verdrehungen einer zumindest abschnittsweise gekrümmten, durchgehenden Leitung durch Coriolis-Kräfte des fließfähigen Mediums, welches die Leitung durchströmt, mit einer die Leitung relativ zu einer Haltung, an der die Leitung angebracht ist, um eine erste Schwingungsachse in Schwingungen versetzenden Antriebsvorrichtung und mit einer Meß-Sensor-Vorrichtung, welche die Drehungen durch die die Leitung um eine zu der ersten Schwingungsachse unterschiedliche zweite Auslenkachse verdrehenden Kräfte erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung im wesentlichen der Coriolis-Kräfte die gekrümmte, durchgehende Leitung (14) keine durch Druck verformbare Verbindungsstellen aufweist, durch die Coriolis-Kräfte elastisch verformbar ist und mit ihren offenen Enden in der Halterung (12) fest angebracht ist, dergestalt, daß sie als freitragender Ausleger von der Halterung vorsteht und eine Resonanzfrequenz um die erste Schwingungsachse (W-W) hat, die von ihrer Resonanzfrequenz um ihre zweite Auslenkachse (O-O) unterschiedlich ist.

2. Vorrichtung zur Massedurchflußmessung eines fließfähigen Mediums durch Auswertung von auf eine zumindest abschnittsweise gekrümmte, durchgehende Leitung ausgeübten Kräften, in der Coriolis-Kräfte des fließfähigen Mediums auftreten, welches die Leitung durchströmt, mit einer die Leitung relativ zu einer Halterung, an der die Leitung angebracht ist, um eine erste Schwingungsachse in Schwingungen versetzenden Antriebsvorrichtung und mit einer Meß-Sensor-Vorrichtung, welche die Kräfte, die die Leitung um eine zu der ersten Schwingungsachse unterschiedliche zweite Auslenkachse zu drehen versuchen, mißt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung im wesentlichen der Coriolis-Kräfte die gekrümmte, durchgehende Leitung (14) keine durch Druck verformbare Verbindungsstellen aufweist, durch die Coriolis-Kräfte elastisch verformbar ist und mit ihren offenen Enden in der Halterung (12) fest angebracht ist, dergestalt, daß sie als freitragender Ausleger von der Halterung vorsteht und eine Resonanzfrequenz um die erste Schwingungsachse (W-W) hat, die von ihrer Resonanzfrequenz um ihre zweite Auslenkachse (O-O) unterschiedlich ist.

3. Vorrichtung zur Massedurchflußmessung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz um die erste Schwingungsachse (W-W) niedriger als die Resonanzfrequenz um die zweite Auslenkachse (O-O) ist.

4. Vorrichtung zur Massedurchflußmessung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres schwingungsfähiges Element vorgesehen ist, welches geeignet ist, in der Art einer Stimmgabel zu der gekrümmten, durchgehenden Leitung (14) zu schwingen.

5. Vorrichtung zur Massedurchflußmessung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der gekrümmten, durchgehenden Leitung (14) mit dem in ihr enthaltenen Medium sehr klein gegenüber derjenigen der Halterung (12) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die gekrümmte Leitung (14) in oszillierende Schwingungen versetzende Antriebsvorrichtung einen auf der gekrümmten Leitung ( 14) oder dem weiteren schwingungsfähigen Element befestigten Magneten (25) sowie benachbart zum Magneten eine Antrieb-Sensorspule (23) und eine Erregerspule (24) aufweist, die an dem weiteren schwingungsfähigen Element oder der gekrümmten Leitung (14) angebracht sind, und daß die Antriebsvorrichtung eine die Erregerspule speisende Stromquelle umfaßt, die durch ein von der Antrieb-Sensorspule (23) abgegebenes Signal steuerbar ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere schwingungsfähige Element aus einem an der ersten Schwingungsachse (W-W) der gekrümmten Leitung (14) befestigten Federarm (22) besteht.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 6, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Antriebsvorrichtung, daß die gekrümmte Leitung (14) und das weitere schwingungsfähige Element mit konstanter Frequenz und Amplitude um die erste Schwingungsachse schwingen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung einen mit dem durch die Antrieb-Sensorspule (23) erzeugten Signal gespeisten Spitzenwertdetektor mit einem Verstärker umfaßt, der in die Erregerspule (24) einen solchen Strom speist, daß eine vorgewählte Schwingungsamplitude der gekrümmten Leitung nach dem Rückkopplungsprinzip aufrechterhalten wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Meß-Sensor (43) und ein zweiter gleicher Meß-Sensor (44) benachbart zur gekrümmten Leitung ( 14) und symmetrisch zur Auslenkachse (O-O) angeordnet sind, daß jeder Meß-Sensor (43, 44) zur Abgabe eines Ausgangssignals eingerichtet ist, wenn die gekrümmte Leitung (14) eine vorgegebene Schwingungslage passiert, und daß ein mit den Ausgangssignalen der Meß-Sensoren (43, 44) beaufschlagtes Zeitmeßglied (54, 60, 64, 66, 70) vorgesehen ist, welches eine dem Massedurchfluß proportionale Zeitverschiebung zwischen den Ausgangssignalen mißt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitmeßglied ( 54, 60, 64, 66, 70) die für eine der beiden Schwingungsrichtungen gemessenen Zeitverschiebungen von den in der anderen Schwingungsrichtung gemessenen Zeitverschiebungen subtrahiert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Coriolis-Kräfte nach dem Kompensationsprinzip die Meß-Sensor-Vorrichtung aus einem Auslenk-Detektor (Auslenkungssensoren 133, 134) zur Ermittlung der Auslenkung der gekrümmten Leitung aufgrund der elastischen Verformung durch die Coriolis- Kräfte um die mittig zwischen den Seitenschenkeln der Leitung liegende Auslenk-Achse (O-O), aus einem durch den Auslenk-Detektor gesteuerten Schaltkreis, der Ströme in Erregerspulen (131, 132) speist, welche so angeordnet sind, daß sie einer Auslenkung der Leitung um die Auslenkachse mit einer Gegenkraft entgegenwirken, und aus einer die Gegenkraft mittels der Ströme messenden Meßvorrichtung besteht.