CH641277A5 - Verfahren und vorrichtung zur durchflussmessung in einem rohr durch bestimmung der corioliskraefte. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Durchflussmenge durch Messung der Corioliskräfte, die durch den Materialfluss durch ein sich bewegendes Rohr erzeugt werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bisher waren Strömungsmesser des Typs, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, als gyroskopische Strömungsmesser oder Coriolis-Strömungsmesser bekannt. Im wesentlichen beziehen sich beide Typen der Strömungsmesser auf das gleiche Prinzip. Vereinfacht betrachtet, beruhen die Corioliskräfte auf der radialen Bewegung von Massen von einem ersten Punkt auf einen rotierenden Körper zu einem zweiten Punkt. Aus dieser Bewegung ergibt sich, dass die periphere Geschwindigkeit der Masse sich ändert, d.h. die Masse wird beschleunigt. Die Beschleunigung der Masse erzeugt eine Kraft, die in der Rotationsebene und rechtwinklig zur momentanen Radialbewegung ist. Derartige Kräfte sind für den Druck in Gyroskopen verantwortlich. Bekannte Einrichtungen zum Messen der Massenströmung auf diese

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Weise umfassen druckempfindliche Dehnungsausgleicher oder andere derartige mechanisch verschwenkbare Einrichtungen.

Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, bei denen die Corioliskräfte verwendet werden, um die Massenströmung zu messen. So z.B. offenbaren die US-Patentschriften Nrn. 2865201 und 3312512 gyroskopische Strömungsmesser, die eine komplette Schleife haben, die kontinuierlich gedreht oder geschwungen wird.

Andere Strömungsmesser verwenden im wesentlichen die gleichen Kräfte, aber verhindern die Strömungsumkehr, indem sie eine Schleife mit weniger als 180° verwenden, wie dies im US-Patent Nr. 3 485 098 beschrieben ist. In beiden Fällen handelt es sich bei den Vorrichtungen um sogenannte alternierende Typen, d.h. das Rohr wird um eine Achse in Schwingung versetzt und das durch das Rohr strömende Fluid strömt zuerst vom Rotationszentrum weg und dann zum Rotationszentrum hin und erzeugt somit Corioliskräfte in Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch die Schleife.

Da aber ein Mittel zur Erzeugung der Corioliskräfte vorhanden ist, erzeugen alle bekannten Vorrichtungen die gleichen Kräfte, weisen aber verschiedene spezifische Einrichtungen zum Messen derartiger Kräfte auf. Obwohl das Konzept einfach und unkompliziert ist, blieben praktische Ergebnisse in der genauen Strömungsmessung aus.

Beim Roth-Strömungsmesser werden z.B. Wandler oder eine gyroskopische Kupplung als Anzeigeeinrichtung verwendet. Die gyroskopische Kupplung ist bei Roth als sehr kompliziert beschrieben und die Wandler werden als sehr flexible Rohre, etwa wie Bälge, beschrieben. Das letztgenannte Roth-Patent ist primär auf die Anordnung solcher flexibler Bälge gerichtet.

Eine andere klassische Lösung zum Messen der der Massenströmung proportionalen Kraft beruht erstens auf dem Antreiben oder in Schwingungversetzen eines Rohres mittels einer Drehbewegung um eine Achse und dann auf der Messung der zusätzlichen Energie, die erforderlich ist, um ein solches Rohr, das von einem Fluid durchströmt wird, anzutreiben. Die Corioliskräfte sind sehr klein im Vergleich zu den Antriebskräften, und demzufolge ist es sehr schwierig, solche geringen Kräfte im Zusammenhang mit der grossen Antriebskraft genau zu messen.

In der Spalte 7, Zeilen 1-23 des US-Patentes Nr. 3485098 ist eine andere Messvorrichtung beschrieben. In dieser Vorrichtung sind von der Antriebsvorrichtung unabhängige Geschwindigkeitsfühler angeordnet, um die Geschwindigkeit der Bewegung des Rohres zu messen, die durch die Corioliskräfte verursachte Verformung des Rohres bewirkt wird. Während durch derartige Messungen lohnende Informationen erhalten werden können, benötigen die Geschwindigkeitsfühler eine Messung einer zeitlich begrenzten Geschwindigkeit, die den sehr grossen Rohrschwingungs-Geschwindig-keiten überlagert ist. Somit muss eine Bestimmung der gyroskopischen Kräfte zusammen mit den Geschwindigkeitsmessungen unter begrenzten und speziellen Konditionen erfolgen, wie nachfolgend beschrieben wird. Die mathematische Analyse bestätigt, dass die Geschwindigkeitsmessungen die besten Randergebnisse ergeben.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen der Durchflussmenge der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine sehr genaue Messung mit einer einfachen und billigen Ausführung möglich ist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erreicht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet.

Die Befestigung des U-Rohres an seinen freien Schenkelenden am Halter, so dass das andere Ende vom Halter absteht, ist von Vorteil, weil im Fall, bei dem die Verformung gemessen wird, eine solche Befestigung bei der die von den Corioliskräften herrührenden Verformung im wesentlichen komplett ausserhalb der elastischen Verformung im Rohr liegt und frei ist von mechanischen Schwenkungen ausser der Biegung des Rohres.

Um nicht die Genauigkeit des Strömungsmessers durch Messung einer der entgegengesetzten Kräfte zu gefährden, wird die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung so spezifisch ausgebildet, dass die Kräfte, die durch die zwei nicht gemessenen entgegengesetzten Kräfte, d.h. wenn Geschwindigkeitswiderstand und die Massenbeschleunigung erzeugt werden, verringert werden. Dies hat besonders Erfolg, wo sich derartige Kräfte kumulieren, und zwar zu weniger als 0,2% der Drehfederkraft. Durch die Befestigung des Rohres sind Bälge und andere derartige Einrichtungen, welche den Unterschieden im Druck zwischen dem Rohr und dem Umgebungsdruck entgegenwirken, nicht mehr erforderlich. Die Schwenkung wird frei von auf Druck ansprechenden separaten Schwenkeinrichtungen durchgeführt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Fluiddurchfhissmessers, Fig. 2 eine Seitenansicht des Durchflussmessers gemäss Fig. 1, die die Schwingung am Mittelpunkt darstellt, wenn kein Durchfluss erfolgt,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Durchflussmessers gemäss Fig. 1, die die Schwingung am Mittelpunkt in Aufwärtsrichtung beim Durchfluss zeigt,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Durchflussmessers gemäss Fig. 1, die die Schwingung am Mittelpunkt in Abwärtsrichtung beim Durchfluss zeigt,

Fig. 5 ein Blockschema der Steuerschaltung des Durchflussmessers von Fig. 1,

Fig. 6 ein Blockschema des Anzeigeschaltkreises des Durchflussmessers von Fig. 1,

Fig. 7 ein Diagramm der Anzeigesignale des Durchflussmessers von Fig. 1, wenn kein Durchfluss vorhanden ist,

Fig. 8 ein Diagramm der Anzeigesignale des Durchflussmessers von Fig. 1, wenn ein Durchfluss durch das Rohr vorhanden ist,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Durchflussmessers, Fig. 10 ein Schaltschema des Steuerschaltkreises und des Anzeigeschaltkreises des Durchflussmessers von Fig. 9 ausser dem Schaltkreis für die Verformungsabtastung,

Fig. 11 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels der Verformungsabtastungsanordnung, die geeignet ist, das mit B in Fig. 10 bezeichnete Signal zu erzeugen,

Fig. 12 ein anderes Schaltschema für einen Zweck, der identisch dem von Fig. 11 ist,

Fig. 13 ein anderes Schaltschema für einen Zweck, der gleich jenem von Fig. 11 ist, und

Fig. 14 ein Schaltschema des Synchrondemodulators von Fig. 10,12 und 13.

In allen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Fig. 1 zeigt einen Durchflussmesser 10,- der einen feststehenden Halter 12 mit einem U-förmig ausgebildeten Rohr 14 aufweist, das frei schwebend am Halter montiert ist. Das U-Rohr ist mit Vorteil aus einem rohrähnlichen Material mit einer Elastizität, wie sie normalerweise bei solchen Materialien wie Beryllium, Kupfer, geglühtem Aluminium, Stahl, Kunststoff usw. vorgefunden wird.

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Obwohl das U-Rohr 14 als U-förmig beschrieben wird, kann es Schenkel haben, welche konvergieren, divergieren oder abgeschrägt sind. Ein kontinuierlicher Bogen ist möglich. Das U-Rohr 14 enthält einen Einlass 15 und einen Aus-lass 16, die über einen Einlassschenkel 18, einen Stegschenkel 19 und einen Auslassschenkel 20 miteinander verbunden sind. Der Einlassschenkel 18 und der Auslassschenkel 20 sind parallel zueinander, und der Stegschenkel 19 ist senkrecht zu beiden angeordnet. Wie vorstehend erwähnt, gefährden wesentliche Abweichungen von der idealen Ausführung, z.B. 5° Konvergenz oder Divergenz die Resultate nicht. Wirksame Ergebnisse können mit groben Abweichungen in der Grösse von 30 oder 40° erhalten werden. Da aber im betreffenden Ausführungsbeispiel nur wenig zu erreichen ist, ist es von Vorteil, die beiden Schenkel 18, 20 im wesentlichen parallel zueinander anzuordnen. Das Rohr 14 kann in Form eines Teilbogens, falls es zweckdienlich ist, sein.

Die physikalische Ausbildung des U-Rohres 14 ist jedoch nicht kritisch, obwohl die Schwingungseigenschaften wichtig sind. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1, welches die Verformung erlaubt, ist es entscheidend, dass die Resonanzfrequenz rund um die Achse W-W unterschiedlich zu der um die Achse 0-0 ist und dass die Resonanzfrequenz um die Achse W-W die kleinste Resonanzfrequenz ist.

An den Schenkel 18 und 20 ist ein Federhebel 22 befestigt, der eine Antriebsspule 24 und eine Fühlerspule 23 an dem Ende, das neben dem Stegschenkel 19 liegt, trägt. Ein Magnet 25, der in der Antriebsspule 24 und der Sensorspule 23 sitzt, wird durch den Stegschenkel 19 gehalten. Eine Steuerschaltung 27, die im einzelnen weiter unten näher erläutert wird, erzeugt eine verstärkte Kraft in Abhängigkeit der Fühlerspule, um das U-Rohr 14 bei seiner Eigenfrequenz rund um die Achse W-W in Schwingung zu versetzen. Obwohl das U-Rohr 14 freischwebend am Halter 12 montiert ist, erhält man durch die Schwingung mit Resonanzfrequenz eine Amplitude in der Biegeschwingung um die Achse W-W. Das U-Rohr 14 schwenkt im wesentlichen um die Achse W-W beim Einlass 15 und beim Auslass 16.

An den Schnittpunkten von Stegschenkel 19 und Einlassschenkel 18 bzw. Auslassschenkel 20 sind ein erster Fühler 43 und ein zweiter Fühler 44 angeordnet. Die Fühler 43 und 44, die mit Vorteil optische Fühler sind, werden betätigt, wenn das U-Rohr 14 eine nominale Bezugsebene durchläuft, die etwa im Mittelpunkt der Schwingung liegt. Ein Anzeigeschaltkreis 33, der nachstehend beschrieben wird, ist vorgesehen, um die Durchflussmessungen in Funktion des Zeitdifferentials des Signals, das durch die Fühler 44,43 erzeugt wird, anzuzeigen. Die Funktion des Durchflussmessers wird besser verstanden, wenn man die Fig. 2,3 und 4 betrachtet, welche vereinfachterweise das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung illustrieren. Wird das Rohr 14 in Schwingung versetzt, ohne dass es von einem Fluid durchflössen wird, so werden das Einlassstück 18 und das Auslassstück 20 um die Achse W-W gebogen, und zwar in Form einer reiner Biegung, d.h. ohne Torsion. Wie in Fig. 2 dargestellt, behält demzufolge der Stegschenkel 19 eine konstante Winkelposition um die Achse 0-0 über die vollständige Schwingung bei. Setzt jedoch der Durchfluss ein, erzeugt das radial von der Achse W-W durch das Einlassstück 18 fliessende Fluid eine erste Corioliskraft, die rechtwinklig zur Durchflussrichtung und rechtwinklig zur Achse W-W ist, während der Durchfluss im Auslassstück 20 eine zweite Corioliskaft erzeugt, die wieder rechtwinklig zu der radialen Flussrichtung, aber entgegengesetzt zur ersten Corioliskraft ist, weil der Durchfluss entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, der Stegschenkel 19 durch den Mittelpunkt der Schwingung läuft, überlagern im Einlassstück 18 und Auslassstück 20 erzeugte Corioliskräfte ein Kräftepaar auf das U-Rohr. Dadurch rotiert der Stegschenkel 19 winkelförmig um die Achse 0-0. Diese Verformung ist sowohl eine Biegeverformung als auch eine Torsionsverformung im wesentlichen im Einlassstück 18 und Auslassstück 20. Die Folge der Frequenzwahl und der Ausbildung des U-Rohres 14 ist, dass im wesentlichen die gesamte restriktive Kraft auf das Corioliskräftepaar dem Wesen nach eine elastische Federverformung, ist. Dadurch wird die Messung der die Geschwindigkeitshemmung verursachenden Kraft und der entgegengesetzten Trägheitskraft umgangen. Bei einer im wesentlichen konstanten Frequenz und Amplitude ergibt die Messung der winkelförmigen Verformung des Stegschenkels 19 um die Achse 0-0 an dem nominalen Mittelpunkt der Schwingung eine genaue Anzeige des Massenflusses. Dies ergibt eine wesentliche Verbesserung.gegenüber dem Stand der Technik. Die Bestimmung der Stegschenkelverformung bezüglich der nominalen unverformten Mittelpunktebene um die Achse 0-0 in Werten des Zeitunterschiedes zwischen dem Zeitpunkt des voreilenden Schenkels, d.h. des Einlassschenkels 18 im Fall von Fig. 3, durchläuft die Mittelpunktebene und der nacheilende Schenkel, d.h. der Auslassschenkel 20 im Fall von Fig. 3, durchläuft diese Ebene, vermeidet die Aufrechterhaltung von konstanter Amplitude und Frequenz, da Änderungen in der Amplitude von kompensierenden Änderungen in der Geschwindigkeit des Stegschenkels 19 begleitet werden. Nur durch das Antreiben des U-Rohres 14 mit seiner Eigenfrequenz können demzufolge die Zeitmessungen ohne Berücksichtigung der gleichzeitigen Amplitudenregulierung vorgenommen werden, wie dies noch später ausführlich beschrieben wird. Falls jedoch die Messungen aber in einer Richtung, d.h. in der Aufwärtsrichtung in Fig. 3, durchgeführt werden, wird es erforderlich sein, eine genaue winkelmässige Ausrichtung des Stegschenkels 19 bezüglich der nominalen Mittelpunktsebene aufrechtzuerhalten. Die Forderung kann sogar durch subtrahieren der Zeitmessungen in der Ausfwärtsrichtung (Fig. 3) und der Abwärtsrichtung (Fig. 4) vermieden werden. Wie der Fachmann leicht feststellen kann, bewirkt die Bewegung in der Abwärtsrichtung (Fig. 4) die Umkehr in der Richtung des Corioliskräftepaares und demzufolge, wie in Fig. 4 gezeigt, die Umkehr in der Verformungsrichtung aufgrund des Corioliskräftepaares.

Ein U-Rohr mit bestimmten Frequenzeigenschaften, die nur auf die mechanische Ausbildung beruhen, wird nur um die Achse W-W in Schwingung versetzt. Ein Fluss durch das U-Rohr 14 bewirkt eine federnde Verformung im U-Rohr 14, die aus der winkelförmigen Bewegung des Stegschenkels 19 um die Achse 0-0 anfangs in einer ersten Richtung während einer Phase der Schwingung und dann in der entgegengesetzten Richtung während der anderen Schwingungsphase resultiert. Obwohl durch Amplitudensteuerung die Durchflussmessungen durch die direkte Verformungsmessung, d.h.

durch Abtastbelichtung des Stegschenkels am Schwingungsmittelpunkt mit z.B. einer analogen Skala, die neben den Endabschnitten befestigt ist, und einem Zeiger, der vom Stegschenkel 19 gehalten ist, gemessen werden kann, beruht ein bevorzugtes Messverfahren auf der Bestimmung des Zeitunterschiedes zwischen dem Moment, wo die voreilende und die nacheilende Kante des Stegschenkels 19 die Mittelpunktebene durchläuft. Dadurch wird die Steuerung der Amplitude überflüssig. Ferner werden durch die Messung der durch die nach aufwärts gerichtete Schwingung und die nach abwärts gerichtete Schwingung bewirkten Verformungen Unregelmässigkeiten, die sich aus der schlechten Ausrichtung des U-Rohres 14 bezüglich der Mittelpunktebene ergeben, aus den Messresultaten ausgeschieden.

. Wie in Fig. 5 dargestellt, bildet die Steuerschaltung 27 eine einfache Einrichtung zum Abtasten des durch die Bewegung des Magneten 25 in der Fühlerspule 23 erzeugten Si5

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gnals. Ein Detektor 39 vergleicht die durch die Fühlerspule 23 erzeugte Spannung mit einer Bezugspannung 37.

Daraus ergibt sich, dass die Verstärkung des Antriebsspulenverstärkers 41 eine Funktion der Geschwindigkeit vom Magneten 25 in der Fühlerspule 23 ist. Die Amplitude der Schwingung des U-Rohres 14 ist somit einfach steuerbar. Da das U-Rohr 14 und der Federhebel 22 mit ihren Resonanzfrequenzen schwingen, ist eine Frequenzsteuerung nicht erforderlich.

Aus der Schaltung von Fig. 5 sind ferner zusätzliche Informationen erhältlich. Das Ausgangssignal des Antriebsspulenverstärkers 41 ist bei der Resonanzfrequenz des U-Rohres 14 ein sinusförmiges Signal. Dass Resonanzfrequenz durch die Federkonstante und die Masse des Schwingungssystems bestimmt wird und die Federkonstante feststeht und die Masse nur dann ändert, wenn sich die Dichte des durch-fliessenden Fluids ändert, ist es ersichtlich, dass jede Änderung in der Frequenz eine Funktion der Dichteänderung des durch das Rohr strömenden Fluids ist. Da die Periode der Schwingung bestimmt werden kann, ist es somit eine einfache Sache die Frequenz eines festeingestellten Oszillators während einer Periode zu zählen, um einen Dichtefaktor zu bestimmen. Der Dichtefaktor kann z.B. durch eine Aufzeichnung, in der der Zeitraum nicht eine lineare Dichtefunktion, sondern nur eine bestimmbare Funktion davon ist, in die Fluiddichte umgewandelt werden. Sollte eine direkte Anzeige erwünscht sein, kann ein Mikroprozessor einfach programmiert werden, um den Dichtefaktor direkt in die Fluiddichte umzuwandeln.

Die Funktion des Anzeigeschaltkreises wird im folgenden mit Bezug auf die Schaltung, die in Fig. 6 dargestellt ist und das zugehörige Diagramm der Fig. 7 und 8 beschrieben. Der Anzeigeschaltkreis 33 ist an den Sensor 43 und 44 angeschlossen. Die Fühler 43 und 44 erzeugen Signale, wenn Marken 45 und 46, die am Stegschenkel 19 befestigt sind, den entsprechenden Fühler in der Mittelpunktebene A-A passieren. Der Fühler 43 ist über den Inverter 47 an den Inverter 48 angeschlossen, während der Fühler 44 über den Inverter 49 an den Inverter 50 angeschlossen ist. Auf der Leitung 52 liegt aufgrund der doppelten Inversion ein positives Signal, das der Setzklemme eines Flip-Flop 54 zugeführt wird. Auf der Leitung 56 liegt ebenfalls ein positives Signal, das der Rückstellklemme des Flip-Flop 54 zugeführt wird. Der Flip-Flop 54 wird demzufolge aufgrund der Ausgabe eines positiven Signals vom Fühler 44 gesetzt und aufgrund der nachfolgenden Ausgabe eines positiven Signals aus dem Fühler 43 zurückgestellt. Über eine Leitung 48 wird das invertierte Signal aus dem Inverter 47 an die Setzklemme eines Flip-Flop 60 geführt, während über eine Leitung 62 das Ausgangssignal aus dem Inverter 49 der Rückstellklemme eines Flip-Flop 60 zugeführt wird. Somit wird der Flip-Flop 60 aufgrund der Ausgabe eines negativen Signals aus dem Fühler 43 gesetzt und aufgrund der nachfolgenden Ausgabe eines negativen Signals aus dem Fühler 44 zurückgestellt. Der Ausgang des Flip-Flop 54 ist über eine Leitung 63 an ein UND-Gatter 64 angeschlossen. Die UND-Gatter 64 und 66 sind beide an den Ausgang eines Oszillators 67 angeschlossen. Demzufolge wird wegen des Ausgangssignals aus dem Flip-Flop 54 das Signal vom Oszillator 67 durch das UND-Gatter 64 an eine Leitung 68 abgegeben und erreicht somit'die abwärtszählende Seite eines Auf/Ab-Zählers 70. Wegen der Ausgabe eines Signals aus dem Flip-Flop 60 wird das Ausgangssignal vom Oszillator 67 über das UND-Gatter 66 an die Leitung 69 abgegeben, die an die aufsteigend zählende Seite des Auf/Ab-Zählers 70 angeschlossen ist. Im Betrieb gibt somit der Anzeigeschaltkreis 33 ein abzählendes Signal mit der Oszillatorfrequenz an den Auf/Ab-Zähler 70 ab, und zwar für den Zeitraum, während dem der Fühler 44 vor der Betätigung des Fühlers 43

während der Abwärtsbewegung des U-Rohres 14 betätigt wird. Ein aufwärtszählendes Signal wird dem Auf/Ab-Zähler 70 während dem Zeitraum zugeführt, indem der Fühler 43 vor der Betätigung des Fühlers 44 während der Aufwärtsbewegung des Ü-Rohres 14 betätigt wird.

In der Fig. 7 sind Wellenformen dargestellt, welche den Zustand zeigen, in welchem das U-Rohr 14 in Schwingung wird, ohne dass es durchflössen ist, aber in welcher die Marken 44 und 46 nicht genau mit der Ebene A-A fluchten. Somit schalten, wie das im Diagramm dargestellt ist, die Fühler 44 anfangs früher bezüglich der Idealzeit, die durch die vertikalen Linien am Aufwärtshub dargestellt und schalten später beim Abwärtshub aufgrund der schlechten Ausrichtung der Marke 46. Andererseits schaltet der Fühler 43 später im Aufwärtshub und schaltet früher im Abwärtshub. Wenn jedoch die Ausgangssignale aus den Flip-Flops 54 und 56 untersucht werden und weiter berücksichtigt werden, dann geben diese Flip-Flops entweder abzählende oder aufwärtszählende Signale an den Auf/Ab-Zähler 70 ab, ist es ersichtlich, dass der beim Aufstrich aus den Fühlern 43 und 44 in Betrieb befindliche Flip-Flop 54 ein Ausgangssignal während des Aufwärtshubes erzeugt, während im Hinblick der unveränderten Ausrichtung der Marken 45,46, der Flip-Flop 60 ein ähnliches Ausgangssignal während des Abwärtshubes erzeugt. Demzufolge wird über einen kompletten Zyklus der Auf/Ab-Zähler durch das Ausgangssignal vom Flip-Flop 54 über das Gatter 64 erstens um eine endliche Zahl abwärtsgezählt und dann um einen gleichen Betrag durch das Ausgangssignal aus dem Flip-Flop über das Gatter 66 aufwärtsgezählt. Der sich daraus ergebende Zählstand im Auf/Ab-Zähler 70 ist demzufolge Null, was die.Tatsache darstellt, dass Einfluss vorhanden ist.

Andererseits ist bei Durchfluss, wie in Fig. 8 gezeigt, der Fühler 43 früher als in Fig. 7 betätigt, und zwar aufgrund der Verformung des Stegschenkels 19 durch das Corioliskräfte-paar, das sich aus dem Fluiddurchfluss ergibt, wie vorstehend beschrieben. Der Fühler 44 wird aus dem gleichen Grund später betätigt. Somit wird während des Aufwärtshubes der Flip-Flop 54 für eine wesentlich längere Zeit als bei dem in Fig. 7 dargestellten Zustand betätigt, da der Fehlausgleich der Marken 45 und 46 zu der Verformung des Stegschenkels 19 auf die durch das Corioliskräftepaar in der Aufwärtsbewegung bewirkt wird, addiert wird. Andererseits wird wegen der Abwärtsbewegung, d.h. der Erzeugung des Abstriches des Signals aus den Fühlern 43 und 44, das Corioliskräftepaar umgekehrt und bewirkt somit, dass der Fühler 43 früher und der Fühler 44 später abgeschaltet wird. Der Flip-Flop 60 ist somit für einen verringerten Zeitraum betätigt. Aus den relativen Betätigungszeiten der zwei Flip-Flop ist ersichtlich, dass die Abzählperiode vom Auf/Ab-Zähler 70 wesentlich länger als die Aufzählperiode ist, die sich aus der Betätigung des Flip-Flop 60 ergibt. Der sich ergebende erhöhte Zählstand in der Abzählseite des Auf/Ab-Zählers 70 ist eine genaue Anzeige des Durchflusses über eine Schwingungsperiode. Der Zählstand im Auf/Ab-Zähler 70 nach einer gegebenen Anzahl von Schwingungen ist direkt proportional zum Fluss im U-Rohr 14 während diesem Zeitraum. Die Schwingungszahl kann z.B. durch Zählung der Anzahl Betätigungen des Flip-Flop 54 am Abzähler 71, der durch die Leitung 72 an den Ausgang des Flip-Flop 54 angeschlossen ist, bestimmt werden. Somit wird wegen des Erscheinens von «N»-Ausgangs-signalen aus dem Flip-Flop 54 der Abzähler 71 betätigt und anschliessend die Folgesteuerung 74 betätigt. Die Folgesteuerung 74 ist an den Oszillator 67 angeschlossen und sperrt mit der Frequenz vom Oszillator 67 erstens einen Sperrdekodierer 77 über die Leitung 78 und stellt dann den Aufwärtszähler 70 über die Leitung 75 zurück. Bis die Folgesteuerung 74 wieder nach einem «N»-Ausgang aus dem Flip-Flop 54 betätigt wird, zeigt somit die Anzeige 80 den akkumulierten Zählstand

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vom Auf/Ab-Zähler 70 bei der Abfragezeit an, und demzufolge zeigt sie die Durchflussgeschwindigkeit für den Zeitraum von «N»-Schwingungen an.

Der totale Durchfluss für eine ausgewählte Rückstellperiode ergibt sich dadurch, dass der Ausgang aus dem Auf-Ab-Zähler einen Digitalzähler 82, der auch an einen Quarzoszillator 84 angeschlossen ist, zugeführt wird. Somit werden die Zählstände aus dem Auf/Ab-Zähler 70 bezüglich der Zeit intergriert. D.h. die feststehende stabile Frequenz vom Oszillator 84 und das Integral, das dem Dekodierer 85 zugeführt wird, welcher dann an die Anzeige angeschlossen ist, um den gesamten Durchfluss während dem Zeitraum von der letzten Betätigung des Rückstellers 88, z.B. ein Schalter, der an den Digitalzähler angeschlossen, anzuzeigen.

Wie vorstehend beschrieben, kann der Dichtefaktor auch unabhängig von der Durchflussmessung durch Betätigung des Flip-Flop 90 mit einer Taktfrequenz des Ausgangs vom Flip-Flop 54 über die Leitung 92 bestimmt werden. Das Ausgangssignal des Flip-Flop 90 wird einem UND-Gatter 94 zugeleitet, welches auf Betätigung vom Flip-Flop 90, den Zählstand vom Quarzoszillator 84 an eine Zählersperrschaltung 96 abgibt. Mit der vorhandenen Zeitinformation in Werten der Zählerstände vom Quarzoszillator 84 und mit der Angabe der Schwingungsperiode aus dem Flip-Flop 90 ist der Zählstand in der Zählersperrschaltung somit eine Funktion der Dichte des Fluids im U-Rohr 14, und somit ist die Anzeige auf der Anzeigevorrichtung 98 der vorstehend beschriebene Dichtefaktor. Da der Dichtefaktor nicht eine lineare Funktion der Schwingungsperiode des U-Rohres 14 ist, muss die Anzeige auf der Anzeigevorrichtung 98 weiterbehandelt werden, und zwar entweder manuell durch ein Schaubild oder durch einen Mikroprozessor.

Zusammenfassend wird festgestellt, dass mit der beschriebenen Durchflussmessvorrichtung 10, wenn erwünscht, die augenblickliche Durchflussgeschwindigkeit, die über eine gegebene Periode kumulierter Durchflussgeschwindigkeit, die Dichte, bezogen auf das Fluid, und die Durchflussmenge, z.B. durch Dividieren der Durchflussgeschwindigkeit durch die Dichte, bestimmt werden kann. Dies wird gemäss Tests mit einer Genauigkeit von 0,1 oder 0,2% erreicht und misst z.B. den Gasstrom bei ganz geringen Durchflussgeschwindigkeiten mit sehr guter Genauigkeit. Eine Regulierung der Amplitude der Frequenz des Durchflussmessers 10 ist nicht erforderlich, wenn man z.B. den Zeitraum zwischen dem Ausgang des einen Fühlers bis zum Ausgang des anderen Fühlers misst.

In Fig. 9 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Der Strömungsmesser 100 enthält einen Halter 102 und ein U-förmig ausgebildetes Rohr 104, das fest und frei schwenkbar befestigt ist. Das U-förmig ausgebildete Rohr 104 weist einen Einlass 105 und einen Aus-lass 106 auf, die mit dem Einlassschenkel 108 und Auslassschenkel 109 in Verbindung stehen. Die Schenkel 108 und 109 sind so angeordnet, dass sie an Punkten 112 und 114 entlang einer Achse W'-W' schwenkbar sind, um das U-förmig ausgebildete Rohr 104 um die Achse W'-W' in Schwingung zu versetzen. Dies kann durch eine Verdünnung in der Wand des U-förmigen Rohres 104 an den Schwenkpunkten 112 und 114 erleichtert werden. Derartige Schwenkpunkte sind aber kontinuierliche Bereiche des U-förmigen Rohres 104 und können unveränderte Rohre sein. Die Schenkel 108 und 109 sind durch einen Stegschenkel 116 verbunden, so dass ein vollständiges U-förmig ausgebildetes Rohr 104 entsteht.

Im Gegensatz zum Strömungsmesser 10 in Fig. 1 kann das U-förmig ausgebildete Rohr 104 mit Vorteil einen geringeren Biegewiderstand um die Corioliskraft-Verformungsachse und dann um die Schwingungsachse W'-W' haben, da die Corio-liskraftverformung auf Null gebracht wird. Am Steg 116 sind

Halter 119 befestigt, die Magnete 118 halten, welche mit einer Antriebsspule 120 zusammenwirken, um das U-förmige Rohr 104 in Schwingung zu versetzen. Mit Vorteil ist die Antriebsspule 120 an einer freitragenden Blattfeder 122 angeordnet, die schwenkbar neben der Achse W'-W' befestigt ist und eine Eigenfrequenz hat, die im wesentlichen gleich zu der des U-förmig ausgebildeten Rohres 104 mit dem in Betracht kommenden Fluid ist. Selbstverständlich kann die Befestigung des Magneten und der Antriebsspule vertauscht werden, z.B. zwischen Rohr 104 und Blattfeder 122. Die Blattfeder 122 kann auch vollständig weggelassen werden, wenn der Halter 102 eine beträchtliche Masse im Vergleich zur Masse des Rohres 104 und des durch dieses fliessenden Fluids ist. In den meisten Fällen wird es jedoch bevorzugt, das U-förmig ausgebildete Rohr 104 und die Blattfeder mit einer gemeinsamen Frequenzphase um 180° phasenverschoben in Schwingung zu versetzen, um die Kräfte innerhalb des Strömungsmessers 100 auszugleichen und eine Vibration der Grundplatte zu vermeiden.

Der Steg 116 trägt Magnete 125 und 126, die sich nach unten erstrecken. Der Magnet 125 ist innerhalb einer Fühlerspule 128 angeordnet, welche an dem Halter befestigt ist, während der Magnet 126 innerhalb einer Fühlerspule 129, die auch auf dem Halter 102 montiert ist, angeordnet ist. Der Magnet 125 ragt in eine Antriebsspule 121, die symmetrisch zur Fühlerspule -128 angeordnet ist, während der Magnet 126 in eine Antriebsspule 132 hineinragt, die ebenfalls symmetrisch zu der Fühlerspule 129 angeordnet ist. Auslenkungsabtastein-richtungen 133 und 134, die in einer einfachen Form in Fig. 9 dargestellt, aber ausführlich in den Fig. 11 bis 13 dargestellt sind, sind neben den Schnittpunkten der Schenkel 108 und 109 und dem Steg 116 angeordnet.

Die Fühlerspulen 128 und 129 sind derart in Serie geschaltet, dass durch die Bewegung der Magnete 125 und 126 in die Fühlerspulen 128 und 129 hinein ein sinusförmiges Signal A mit einer Amplitude, die proportional zur Geschwindigkeit des U-förmig ausgebildeten Rohres 104 ist, erzeugt wird. Dieses Signal, dessen Wert proportional zur Geschwindigkeit der Magnete 125 und 126 ist und demzufolge eine Funktion der Schwingungsamplitude des U-förmig ausgebildeten Rohres 104 ist, wird einem Wechselspannungsverstärker 135 und einer Diode 136 zugeleitet, welche nur den positiven Teil des sinusförmigen Signals durchlässt, um einen Kondensator 137 aufzuladen. Demzufolge ist das von der Diode 136 und dem Kondensator 137 stammende Eingangssignal zu einem Differentialverstärker 138 durch den Wert des sinusförmigen Signals bestimmt. Der Differentialverstärker 138 vergleicht dieses Eingangssignal mit einer Bezugsspannung VRi. Falls die Kondensatorspannung die Bezugsspannung VRi übersteigt, gibt der Verstärker 138 ein stärkeres Signal ab. Das Ausgangssignal aus dem Wechselspannungsverstärker 135, welches selbstverständlich ein sinusförmiges Signal in Phase mit der Schwingung des U-förmig ausgebildeten Rohres 104 ist und einen Wert hat, der durch die Verstärkersteuerung durch den Differential Verstärker 138 bestimmt ist, trägt die Spule 120, um die gewünschte Schwingung am U-förmig ausgebildeten Rohr 104 aufrechtzuerhalten. Das Signal A wird auch an eine Brücke, die aus Widerständen 140, 141 und 142 und einem Photo widerstand 143 gebildet ist, angelegt. Ein Widerstand 144 ist in eine Rückführungsschleife zwischen den Widerständen 140 und 142 eingeschaltet. Die Widerstände 140,142 und 144 sind z.B. an den positiven Eingang des Differentialverstärkers 145 angeschlossen. Eine variable Lichtquelle 147, etwa eine LED 147, ist über einen Widerstand 148 an einen Ausgang eines Servo Verstärkers 150 angeschlossen. Ein Servovergleicher 152 ist ein bekanntes Hilfsmittel in Servosystemen, wie dies in Feedback Control Systems, Analysis and Synthesis, von D'Azo und Hopuis, ver5

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öffentlicht durch McGraw Hill, 1966 beschrieben ist. Dieser Servovergleicher 152 bildet die Rückführungsschleife zwischen einem Eingang des Servoverstärkers 150 und einem Ausgang des Servoverstärkers 150. Ein Signal B, welches ein Gleichspannungssignal ist, das proportional zu der kleinen unausgeglichenen Verformung des U-förmig ausgebildeten Rohres 104 ist und wie nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 11, 12 und 13 erzeugt wird, wird über einen Widerstand 153 an einen Eingang des Servoverstärkers angelegt. Das Ausgangssignal des Servoverstärkers 150 wird mit einer Bezugsspannung VR2 verglichen und über den Widerstand 148 der LED 147 zugeführt. Die Lichtstärke des LED 147 wird durch den Wert des Signals B gesteuert. Der Widerstandswert des Photowiderstandes 143 nimmt bei steigender Lichtstärke der LED 147 ab und dadurch wird das an den positiven Eingang des Differentialverstärkers 145 anliegende Signal bezüglich jenem über die Widerstände 140 und 142 am negativen Eingang des Differentialverstärkers 145 anliegenden Signals verringert. Der Ausgang des Differentialverstärkers 145 ist somit bezüglich des Signals A um 180° phasenverschoben, da das Signal am positiven Eingang verringert wird, während das Signal am negativen Eingang seinen Wert behält. Zusammengefasst wird das Signal verringert, wird die LED 147 dunkel und der Photowiderstand erhöht seinen Widerstandswert. Dies bewirkt, dass das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 145, das in Phase mit dem Signal A ist, erhöht wird. Der Ausgang des Differentialverstärkers 145 ist an die Antriebsspulen 131 und 132 angeschlossen, welche, wie vorstehend beschrieben, am Halter 102 montiert und in Serie geschaltet und phasenverschoben sind. Der Strom durch die Antriebsspulen 131 und 132 erzeugt durch Anziehen des Magneten 125 und Abstossen des Magneten 126, die beide an den Steg 116 befestigt sind, ein Drehmoment. Dieses Drehmoment über den Steg 116 gleicht die Verformung des Steges 116, die von den durch den Durchfluss durch das U-förmige Rohr 104 erzeugten Corioliskräften herrührt, aus.

Die Widerstände 155, 156 oder 157 sind mittels eines Schalters 159 an die Antriebsspulen 131 und 132 anschliess-bar. Diese bilden eine auswählbare Last, um den Skalenfaktor einzustellen und um ein grösseres und kleines Drehmoment auf den Steg 116 aufzubringen. Das Ausgangssignal aus den in Serie geschalteten Antriebsspulen 131 und 132 wird als ein Eingangssignal an einen Eingang eines synchronen Demodulators 162 angelegt, der mit Bezug auf Fig. 14 ausführlich beschrieben wird. Das Ausgangssignal des synchronen Demodulators 162 ist ein Gleichspannungssignal, das proportional zur Durchflussgeschwindigkeit ist und demzufolge ein Mass der Durchflussgeschwindigkeit bildet. Ein Gleichspannungsvoltmeter (nicht dargestellt) kann an den Ausgang des synchronen Demodulators 162 angeschlossen werden, um eine visuelle Ablesung der Durchflussgeschwindigkeit durch das U-förmige Rohr 104 zu erzeugen. Das Gleichstromsignal kann aber auch direkt in einer Steuerschleife zu anderen Anlageelementen verwendet werden.

Wie in Fig. 11 dargestellt, können die Auslenkfühler 133 und 134 z.B. eine linke Marke 164 und eine rechte Marke 165 aufweisen, die vom Rohr 104 absteht. An der Grundplatte 102 ist eine feststehende linke Marke 166 und eine feststehende rechte Marke 167 befestigt. Wenn der Steg 116 schwingt, unterbrechen demzufolge die Marken 164 und 165 den Lichtstrahl aus der Lichtquelle 169 und 170 zu den Photosensoren 181 bzw. 182. Der Punkt, bei welchem die Marken 164 und 166 bzw. 165 und 167 den Lichtstrahl unterbrechen, liegt etwa beim Schwingungsmittelpunkt des Steges 116. Ein Satz von Marken kann aber mit Bezug auf den Schwingungsknoten etwa versetzt vom anderen Platz sein. Es wird festgestellt,

dass bei der winkelförmigen Verformung des Steges 116 bezüglich dem Halter 102, die auf die durch den Durchfluss durch das Rohr 104 erzeugten Corioliskräfte beruht, eine Änderung im Zeitverzug zwischen der Überdeckung der Marken 164 und 166 bzw. der Marken 165 und 167 auftritt. Der Zeitunterschied und das Vorzeichen hängen, bei einem festeingestellten Schwingungsbereich des Steges 116, von den erzeugten Corioliskräften unter Richtung der Schwingung ab. Der Photowiderstand 181 ist direkt an die Rückstellklemme des Flip-Flop 185 angeschlossen und über einen Inverter 188 an die Rückstellklemme des Flip-Flop 186 angeschlossen. Der Photowiderstand 182 ist direkt an die Setzseite des Flip-Flop 185 und über einen Inverter 189 an die Setzklemme des Flip-Flop 186 angeschlossen. Den Rückstelleingängen der Flip-Flop 185 und 186 sind Differentierkondensatoren 191 und 192 vorgeschaltet. Den Setzklemmen der Flip-Flop 185 und 186 sind Differentierkondensatoren 193 und 194 vorgeschaltet. Schieben sich die Marken 164 und 166 übereinander, wird somit durch den Photo widerstand 181 ein positives Signal erzeugt, welches den Flip-Flop 185 zurückstellt. Schieben sich die Marken 165 und 167 übereinander, so wird durch den Photowiderstand 182 ebenfalls ein positives Signal erzeugt, um den Flip-Flop 185 zu setzen. Demzufolge ist der Flip-Flop 185 im Zeitraum, wenn die Marken übereinander-liegen, betätigt. Beim Auseinanderziehen der Marken 164 und 166 bzw. 165 und 167 werden von den Photowiderständen 181 und 182 ein Abstrich oder ein negatives Signal erzeugt, welches über die Inverter 188 und 189 den Flip-Flop 186 betätigt. Demzufolge ist der Flip-Flop im Zeitraum, wenn die Marken auseinanderliegen, betätigt. Die Ausgangssignale aus den Flip-Flop 185 und 186 werden über Widerstände 195 bzw. 196 an die Eingänge eines Differentialzählers 198 angelegt. Über den Integrator ist vom positiven Eingang zum Ausgang desselben ein Kondenser 200 geschaltet. Zwischen dem negativen Eingang des Integrators und der Erde ist ein Kondensator 201 geschaltet.

Das Ausgangssignal B aus dem Integrator 198 hängt somit von den Zeiträumen, während denen die Flip-Flop 185 und 186 betätigt sind, ab. In dem Fall, wo der Steg 116 lediglich schwingt, und zwar ohne Verformung, wird der Zeitunterschied zwischen dem Übereinanderschieben und dem Auseinanderziehen der Marken im wesentlichen konstant sein und die Eingangssignale zum Integrator 198 im wesentlichen identisch sein, so dass kein Signal B erzeugt wird. Werden andererseits Corioliskräfte erzeugt, so wird der Steg im Uhrzeigersinn auf einen Stoss der Schwingungen hin und im Gegenuhrzeigersinn auf den anderen Stoss hin verformt. Somit erfolgt das Übereinanderschieben der Marken an der einen Seite auf einen Stoss hin früher und an der anderen Seite später, während die anderen Marken auf den ersten Stoss hin später und auf den anderen Stoss hin früher sind. Die Flip-Flop 185 und 186 werden deshalb nicht über die gleiche Zeit betätigt und der Integrator 198 wird ein geeignetes Gleichspannungssignal B mit einem positiven oder negativen Vorzeichen, das von der Phase von der Verformung des Schenkels bezüglich des Aufoder Ab-Stosses abhängt, erzeugt.

In Fig. 12 ist eine andere Anordnung dargestellt, um das gleiche Resultat zu erzielen. Neben den Schnittpunkten des Schenkels 108 und des Steges 116 bzw. dem Schenkel 109 bzw. dem Steg 116 sind Dehnungsmessstreifen 204 und 205 angeordnet. Die Dehnungsmessstreifen 204 und 205, die als veränderliche Widerstrände betrachtet werden können, sind mit den Widerständen 207 und 208 zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet, die an einen Wechselspannungsdiffe-rentialverstärker 210 angeschlossen ist. Im Falle einer reinen Schwingung des U-förmig ausgebildeten Rohres 104 ändert sich der Widerstandswert der Dehnungsmessstreifen 204 und 205 gleichermassen, wodurch im wesentlichen identische Eingangssignale an den Verstärker 210 angelegt werden. Im Falle einer Verformung, die durch die Corioliskräfte verursacht

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wird, wird der Widerstandswert des einen Dehnungsmessstreifens 204 und 205 erhöht, während der andere verringert wird, wodurch unterschiedliche Eingangssignale an den Verstärker 210 anliegen. Der Verstärker 210 gibt ein Ausgangssignal in Form eines Wechselspannungssignales ab, das im Wert und im Vorzeichen proportional zu der unterschiedlichen auf die Dehnungsmessstreifen 204 und 205 einwirkenden Beanspruchung ist.

Das Ausgangssignal aus dem Verstärker 210 wird einem synchronen Demodulator 211 zugeführt, der in Verbindung mit dem Signal A ein Gleichspannungssignal abgibt, das im Wert und im Vorzeichen proportional zur Verformung des eiförmig ausgebildeten Rohres 104 ist, was auf die einwirkenden Corioliskräfte zurückzuführen ist. Der synchrone Demodulator 211 ist ähnlich dem vorstehend beschriebenen synchronen Demodulator 162 und wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 14 näher erläutert.

In Fig. 13 ist eine ähnliche Anordnung zur Erzeugung des Signals B dargestellt. In diesem Fall ist jedoch ein Schwenkglied 215 in der Mitte am Steg 116 befestigt und trägt einen als Trägheitsmasse wirkenden Stab 217, der frei um das Schwenkglied 215 drehbar ist und sich im Gleichgewicht befindet. Zwischen dem Stab 217 und dem Stab 116 sind Kristalle 219 und 220 angeordnet. Falls der Steg 116 einer einfachen Schwingung unterliegt, folgt der Stab 217 somit lediglich der Schwingung, ohne dazu zu neigen, sich um das Schwenkglied 215 zu drehen. Im Falle einer Verformung des U-förmig ausgebildeten Rohres 104 neigt der Schenkel jedoch dazu, sich bezüglich des Stabes 217 zu drehen. Dadurch werden Kräfte in entgegengesetzten Richtungen auf die Kristalle

219 und 220 aufgebracht, und somit wegen des piezoelektrischen Effektes werden Signale von den Kristallen 219 und

220 abgegeben. Die Ausgangssignale aus den Kristallen 219 und 220 werden an einen Wechselspannungsdifferentialver-stärker 222 abgegeben. Der Wechselspannungsdifferentialver-stärker 222 ist einem synchronen Demodulator 224 nachgeschaltet, um in Verbindung mit dem Signal A ein Gleichspannungssignal B mit einem Wert und einem Vorzeichen, die proportional zur Verformung des U-förmig ausgebildeten Rohres 104 sind, zu erzeugen. Es wird daraufhingewiesen, dass eine Spannungsquelle und Dehnungsmessstreifen anstelle der Kristalle 219 und 220 verwendet werden können.

Mit Bezug auf Fig. 14 werden die Demodulatoren 162, 211 und 224 im einzelnen beschrieben. Wie dargestellt, wird das Eingangssignal in Form eines Wechselspannungssignals auf einer Leitung 225 einer Primärwicklung 227 eines Transformators zugeführt. Die gemeinsam geerdeten Sekundärwicklungen 228 sind, wie durch die Polarität gekennzeichnet, entgegengesetzt gewickelt. Somit sind die an den gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung 228 abgegebenen Ausgangssignale um 180° phasenverschoben. In den Ausgängen der Sekundärwicklungen 228 sind Schaltelemente in Form von Feldeffekttransistoren 230 und 231 eingeschaltet. Ein Komparator 233, an den das Signal A anliegt, gibt positive oder negative Signale abhängig von dem Verhältnis des Signals A zur Referenzspannung VR3 ab. Das Ausgangssignal des Komparators 233 ist somit ein Rechtecksignal mit positi641 277

ven oder negativen Vorzeichen und ist an einen Inverter 235 angelegt, der das Signal invertiert. Ein Teil des Rechtecksignals macht den Transistor 230 leitend und sperrt den Transistor 231, und der andere Teil macht den Transistor 231 leitend und der sperrt den Transistor 230. Demzufolge wird ein Teil des Eingangssignals 225, das in Phase mit dem Signal A ist, einem RC-Schaltkreis 237, der von einem Widerstand 238 und einem Kondensator 239 gebildet ist, zugeführt. Dieser RC-Schaltkreis 237 gibt ein Gleichspannungssignal, welches dem quadratischen Mittelwert des Eingangssignals zum Filter 237 proportional ist, ab. Dieses Gleichspannungsausgangssignal bildet die Anzeige, wie vorstehend beschrieben, d.h. ein Gleichspannungssignal, das proportional zum Durchfluss durch das U-förmig ausgebildete Rohr 104 ist.

Der vorstehend beschriebene Durchflussmesser 100 verwendet Ablenkungsfühler 133 und 134, um den Wert und das Vorzeichen einer geringen trägen Auslenkung des U-förmig ausgebildeten Rohres 104, die auf die Wirkung von Corioliskräften zurückzuführen ist, abzutasten und um ein Gleichspannungssignal mit einem Vorzeichen und einem Wert, der proportional zu dieser Auslenkung ist, zu erzeugen. Das Gleichspannungssignal, Signal B, ist im Wesen ein Rückführsignal, welches die Ausgleichskraft, die durch die Antriebsspulen 131 und 132 erzeugt wird, reguliert, um eine Gegenkraft zu erzeugen und somit eine merkliche Verformung ausserhalb der eingangs abgetasteten Verformung zu unterbinden. Die Fühlerspulen 128 und 129 geben auch ein Signal A ab, und zwar ein Signal, das in Phase mit den Corioliskräften ist, um somit eine genaue Steuerung der Antriebsspulen 131 und 132, eine genaue Synchronisation des Ausgangssignals des Wechselspannungsverstärkers 135, um das U-förmig ausgebildete Rohr 104 in Schwingung zu versetzen, und eine genaue Démodulation des synchronen Signals der Antriebsspule 131 und 132, um ein Gleichstromausgangssignal, das proportional zur Durchflussmenge ist, zu erzeugen.

Obwohl die zwei bevorzugten Vorrichtungen zur Messung der Corioliskräfte vorstehend im einzelnen beschrieben sind, z.B. die Ermöglichung der elastischen Auslenkung des Rohres und der Messung der Auslenkung oder das Ausgleichen der Kräfte, um die Auslenkung auszuschliessen und die Messung der Ausgleichskräfte, gibt es noch andere, weniger geeignete Mittel. Bei Anwendung eines festmontierten U-förmig ausgebildeten Rohres, das im wesentlichen frei von druckempfindlichen Verbindungsstellen oder Schwenkeinrichtungen ist,

kann das Rohr leicht in Schwingung versetzt bzw. ausgelenkt werden, und somit kann der Durchfluss über einen grossen Bereich bestimmt werden. Das U-Rohr ist aus Eckstücken und Rohrstücken zusammengesetzt, die miteinander weich-oder hartverlötet oder verschweisst sind. Diese weich- oder hartverlöteten oder geschweissten Verbindungsstellen sind nicht empfindlich auf den Druck des durchfliessenden Materials.

Demgegenüber sind jene Verbindungsstellen mittels Gummimanschetten oder Bälgen druckempfindlich. Durch solche Verbindungsstellen wird die Eigenschaft des U-Rohres beeinflusst, so dass eine genaue Messung der Corioliskraft aufgrund der Messung der Auslenkung nicht möglich ist.

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zur Messung der Durchflussmenge durch Messung der Corioliskräfte, die durch den Materialfluss durch ein sich bewegendes Rohr erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Material durch ein von druckempfindlichen Verbindungsstellen freies U-förmiges Rohr fliesst, das an seinen freien Schenkelenden an einem Halter (12) starr befestigt ist, dass das U-Rohr um eine Schwingungsachse (W-W, W'-W'), die durch das Einlass- und Auslassende geht, in Schwingung versetzt wird, dass infolge des durch das schwingende U-Rohr fliessenden Materials Corioliskräfte erzeugt werden, und dass die Corioliskräfte, die dazu neigen, das U-Rohr um eine Biegeachse (0-0), die rechtwinklig zur Schwingungsachse des U-Rohres und in der Ebene des U-Rohres liegt, zu verformen, gemessen werden, wobei das U-Rohr bezüglich der Schwingungs- und Biegeachse (W-W, 0-0) unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweist, und wobei der Wert der Corioliskräfte von der durch das U-Rohr fliessenden Materialmenge abhängig ist.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Halter (12,102), ein U-förmiges Rohr (14,104), das frei von druckempfindlichen Verbindungsstellen ist und das an seinen freien Schenkelenden am Halter befestigt ist und mit seinem anderen Ende vom Halter absteht, derart, dass das U-Rohr bezüglich der Schwingungsachse (W-W; W'-W'), die durch die Verbindungsstellen der freien Schenkelenden mit dem Halter verläuft, und bezüglich der Biegeachse (0-0) schwingen kann, welche Biegeachse (0-0) die Symmetrieachse des U-Rohres ist und quer zur Schwingungsachse verläuft, wobei das U-Rohr bezüglich der Schwingungs- und Biegeachse unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweist, durch eine Erregungsvorrichtung (23,24,25; 118, 120,122), um das U-Rohr (14,104) um die Schwingungsachse (W-W; W'-W') in Schwingung zu versetzen, und durch Fühler (43,44; 128,129), um den Wert der Corioliskräfte zu messen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Corioliskräfte durch Bestimmung der Zeitverzögerung zwischen dem Durchlauf des einen Schenkels des U-Rohres durch eine Ebene, die im wesentlichen durch den Schwingungsmittelpunkt geht, und dem Durchlauf des anderen Schenkels des U-Rohres durch diese Ebene gemessen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Corioliskräfte, die das U-Rohr (104) um die Biegeachse verformen, durch Messung der winkelförmigen Auslenkung des U-Rohres um die Biegeachse bestimmt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das U-Rohr und das darin befindliche Material mit seiner Resonanzfrequenz und mit konstanter Amplitude in Schwingung versetzt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkungswinkel durch Messung der Zeitdifferenz zwischen dem Durchlauf eines Teiles des U-Rohres durch eine Ebene im Mittelpunkt der Oszillation, welche Ebene die Schwingungsachse (W'-W) enthält, und dem Durchlauf eines symmetrisch gegenüberliegenden zweiten Teils des U-Rohres durch diese Ebene bestimmt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Corioliskräfte durch Abtasten der begin-nendenVerformung des U-Rohres um die Biegeachse gemessen wird, dass eine Kraft, die der Corioliskraft entgegenwirkt, in Abhängigkeit von der abgetasteten beginnenden Verformung erzeugt wird, um die Verformung auf eine Anfangsverformung zu begrenzen, und dass der Wert der Gegenkraft zur Bestimmung der Durchflussmenge gemessen wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federhebel mit einer Resonanzfrequenz, die identisch mit derjenigen des U-Rohres ist, neben den freien Schenkelenden am U-Rohr angeordnet wird und phasenverschoben zum U-Rohr schwingt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr und der Federhebel durch Erzeugung einer Kraft zwischen einem Magneten (25), der am Rohr (14) oder am Federhebel (22) befestigt ist, und einer Antriebsspule (24), die am Federhebel (22) oder am Rohr (14) befestigt ist, in Schwingung versetzt werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beginnende Verformung durch Messung der Zeitdifferenz zwischen dem Durchlauf eines Teiles des U-Rohres durch eine Ebene, die den Mittelpunkt der Schwingung enthält, und dem Durchlauf eines symmetrisch gegenüberliegenden Teiles des U-Rohres durch diese Ebene abgetastet wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung durch Dehnungsmessstreifen, die am U-Rohr an symmetrisch bezüglich der Biegeachse befindlichen Stellen befestigt sind, abgetastet wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des Rohres durch Quarze, die zwischen dem Rohr und einem eine Trägheitskraft erzeugenden Stab, der schwenkbar am Rohr auf der Biegeachse befestigt ist, abgetastet wird, wobei die Quarze symmetrisch bezüglich der Biegeachse des Rohres angeordnet sind.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der Schwingung des U-Rohres (14,104) um die Schwingungsachse (W-W; W'-W') kleiner ist als die Resonanzfrequenz der Schwingung des U-Rohres um die Biegeachse (0-0).

    M.Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungsvorrichtung (23,24,25) einen Magneten (25), der am U-Rohr (14) oder an einem feststehenden Aufbau neben dem U-Rohr montiert ist, eine Fühlerspule (23) und eine Antriebsspule (24), die am feststehenden Aufbau oder am Rohr (14) montiert sind, und eine Stromquelle (27) aufweist, um in Abhängigkeit eines durch die Bewegung des Magneten (25) bezüglich der Fühlerspule (23) bestimmten Signals der Antriebsspule (24) einen elektrischen Strom zuzuführen.
14. 15. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federhebel (22) vorgesehen ist, dessen Resonanzfrequenz gleich der des U-Rohres (14) ist.
15. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass am Federhebel (22) oder U-Rohr (14) eine Fühlerspule (23) und eine Antriebsspule (24) angeordnet sind, und dass ein Magnet (25), der neben der Fühlerspule (23) und der Antriebsspule (24) angeordnet ist, am Federhebel oder U-Rohr gehalten ist, wobei der Magnet (25), die Fühlerspule (23) und die Antriebsspule (24) in Verbindung mit einem Verstärker (41) und Scheitelwertdetektor (39) den Antrieb bilden, um das U-Rohr (14) und den Federhebel (22) zueinander phasenverschoben um die Schwingungsachse (W-W) in Schwingung zu versetzen.
16. 17. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Fühler (43,44) neben dem U-Rohr (14) am symmetrisch bezüglich der Biegeachse (0-0) liegenden und in der Mittenebene des U-Rohres (14) liegenden Stellen angeordnet sind, wobei jeder Fühler (43,44) dazu bestimmt ist, ein Signal abzugeben, wenn der benachbarte Abschnitt des U-Rohres die Schwingungsmittenebene passiert, und dass ferner ein Zeitglied (33) zur Messung der Zeitverzögerung zwischen den durch die Fühler (43,44) abgegebenen Signalen vorgesehen ist, um die/Durchflussmenge als eine direkt proportionale Funktion der Zeitverzögerung zu bestimmen.
17. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich-

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    net, dass das Zeitglied (33) dazu bestimmt ist, die Zeitverzögerung während der Schwingung des U-Rohres in der einen Richtung von der Zeitverzögerung der Schwingung des U-Rohres in der anderen Richtung zu subtrahieren.
18. 19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des ersten und zweiten Fühlers (43, 44) jeweils elektrisch mit einem in Serie geschalteten Inverterpaar (47, 48 und 49, 50) verbunden ist, dass die Ausgänge der ersten Inverter (47,48) jeweils an die Setz- und Rückstelleingänge eines ersten Flip-Flop (60) und die Ausgänge des zweiten Inverters (49, 50) jeweils an die Setz- und Rückstelleingänge eines zweiten Flip-Flop (54) angeschlossen sind, dass der Ausgang des ersten Flip-Flop (60) an den Eingang eines ersten Gatters (66) und der Ausgang des zweiten Flip-Flop (54) an den Eingang eines zweiten Gatters (64) angeschlossen ist, dass die anderen Eingänge des ersten und zweiten Gatters jeweils an einen Oszillator (67) angeschlossen sind, und dass der Ausgang des ersten Gatters (66) an einen Takteingang eines Auf/Ab-Zählers (70) und der Ausgang des zweiten Gatters an den anderen Eingang des Auf/Ab-Zählers (70) angeschlossen ist, wobei der Auf/Ab-Zähler (70) in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz der Aktivierung des ersten und zweiten Fühlers (43,44) aktiviert wird, und wobei die Zählung in aufsteigender Folge bei der Schwingung des U-Rohres in der einen Richtung und die Zählung in der absteigenden Folge bei der Schwingung des U-Rohres in der entgegengesetzten Richtung erfolgt.
19. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigeeinrichtung (80) zur Übertragung der Ausgangssignale des Auf/Ab-Zählers (70) an ein Anzeigeregister (80), welche Übertragung beim Auftreten einer Anzahl von Schwingungen des U-Rohres als Anzeige der D.urchfluss-menge durch dieses durchgeführt wird, und ein Signalgenerator (74) zur Rückstellung des Auf/Ab-Zählers (70) nach der Übertragung des Ausgangssignals des Zählers an das Anzeigeregister vorgesehen ist.
20. 21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Auf/Ab-Zählers (70) an einen Digitalzähler (82) angeschlossen ist, dass der Digitalzähler (82) ausgebildet ist, um eine Zeitbasis aus einem mit fester Frequenz schwingenden Oszillator abzuleiten, und dass der Ausgang des Digitalzählers (82) an eine Anzeigeeinrichtung (87) zur Anzeige der gesamten Durchflussmenge angeschlossen ist.
21. 22. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzzähler (96) zur Messung der Schwingungen des U-Rohres (14) und zur Anzeige der Schwingungsperiode als Funktion der Dichte des durch das U-Rohr strömenden Fluides vorgesehen ist.
22. 23. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler eine Abtastvorrichtung aufweist, um die Winkelablenkung des U-Rohres (14) als ein Ergebnis der elastischen Verformung des U-Rohres (14) um die Biegeachse (0-0) zu messen, wodurch die Durchflussmenge des Materials durch den Wert der Auslenkung des U-Rohres um die Biegeachse (0-0) bestimmbar ist.
23. 24. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungsvorrichtung (23,24,25) ferner einen Detektor (39) aufweist, um den Scheitelwert des durch die Fühlerspule (23) in Abhängigkeit der Relativbewegung zwischen Fühlerspule (23) und Magnet (25) erzeugten Signals festzustellen und um einen Strom an die Antriebsspule abzugeben, derart, dass eine vorausgewählte Schwingungsamplitude aufrechterhalten wird.
24. 25. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungsvorrichtung (118, 120) ausgebildet ist, um das U-Rohr (104) mit konstanter Frequenz und Amplitude in Schwingung zu versetzen, und dass Fühler (133, 134)

    vorgesehen sind, um die Verformung des U-Rohres (104) um die Biegeachse (0'-0') abzutasten, weiter gekennzeichnet durch eine ein Drehmoment erzeugende Einrichtung (125, 131, 128, und 126,132, 129), die auf die Fühler (133,134) anspricht, um eine Gegenkraft zur Begrenzung der Verformung zu erzeugen, und durch eine Messeinrichtung, um die Gegenkraft zu bestimmen, wobei die Durchflussmenge des Materials durch den Wert der Gegenkraft bestimmt ist (Fig.
25. 9).
26. 26. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Fühler zum Abtasten der Verformung des U-Rohres (104) um die Biegeachse Auslenkfühler (133,134) sind, die jeweils neben den Schenkeln des U-Rohres (104) am Schwingungsmittelpunkt rund um die Schwingungsachse (W'-W') angeordnet sind.
27. 27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Fühler (133,134) jeweils ein Markenpaar (164, 166; 165,167) enthalten, von denen jeweils eine Marke (166, 167) fest montiert und die andere (164, 165) an einem Schenkel des U-Rohres (104) derart befestigt ist, dass sie die feststehende Marke (166,167) etwa im Mittelpunkt der Schwingung überlappt, dass eine Lichtquelle (169, 170) an einer Seite der Marken angeordnet ist, und dass ein lichtempfindlicher Detektor (181, 182) an der anderen Seite der Marken angeordnet ist, wobei die Bewegung durch Abdecken der Lichtquelle durch die Marken abgetastet werden kann (Fig. 11).
28. 28. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor zum Abtasten der Verformung des U-Rohres um die Biegeachse ein Paar Dehnungsmessstreifen (204, 205) aufweist, die jeweils am U-Rohr (104) neben jedem Schnittpunkt der Schenkel mit dem Steg (116) des U-Rohres angeordnet sind, und dass die Dehnungsmessstreifen (204, 205) Teil einer Brückenschaltung sind, deren Ausgangssignal proportional zur Verformung des U-Rohres um die Biegeachse ist (Fig. 12).
29. 29. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler zum Abtasten der Verformung des U-Rohres (104) um die Biegeachse einen eine Trägheitskraft erzeugenden Stab (217) aufweist, der symmetrisch und schwenkbar um den Mittelpunkt des Steges (116) des U-Rohres befestigt ist und ein Paar von Kraftfühlern (219,220) aufweist, die jeweils an einem Ende des Stabes (217) befestigt sind und neben dem Steg,(l 16) des U-Rohres (104) liegen (Fig. 13).