DD297704A5 - METHOD FOR DETERMINING THE REFERENCE VOLUME OF A FLUID BY MEANS OF DENSITY ASSESSMENT - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Bezugsvolumenstromes eines Fluids mittels einer Dichtemengenumwertung unter Verwendung eines Wirbelzaehlers nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstrasze. Aus dem Meszsignal des Wirbelzaehlers werden nach der Signalvorverarbeitung die Signalfrequenz und die Signalamplitude von ueberlagerten Stoerungen befreit und anschlieszend vom Durchfluszrechner ermittelt. Aus der so gewonnenen Signalfrequenz kann der Durchfluszrechner den Volumenstrom, die Dichte und den Bezugsvolumenstrom des Fluides berechnen. Erfindungsgemaesz wird der Bezugsvolumenstrom aus der mittels modifizierter Frequenzverhaeltnismessung ermittelten Frequenz sowie aus der durch modifizierte Diskrete Fouriertransformation bestimmten Amplitude des Meszsignales berechnet, wobei insbesondere die Amplitude aus dem der Frequenz entsprechenden Spektralkoeffizienten gewonnen wird. Fig. 1{Bezugsvolumen; Fluid; Dichtemengenumwertung; Wirbelzaehler; Tiefpaszfilter; Trigger; Halteglied; Analog-Digital-Umsetzer; Durchfluszrechner; Fouriertransformation}The invention relates to a method for determining the reference volume flow of a fluid by means of a density amount conversion using a vortex counter according to the principle of Karman vortex strands. After the signal preprocessing, the signal frequency and the signal amplitude of superimposed disturbances are freed from the measurement signal of the vertebral counter and subsequently determined by the flow computer. From the signal frequency obtained in this way, the flow computer can calculate the volume flow, the density and the reference volume flow of the fluid. According to the invention, the reference volumetric flow is calculated from the frequency determined by means of modified frequency ratio measurement and from the amplitude of the mesz signal determined by modified discrete Fourier transformation, the amplitude in particular being obtained from the spectral coefficient corresponding to the frequency. Fig. 1 {reference volume; fluid; density correction; Wirbelzaehler; Tiefpaszfilter; trigger; Holding member; Analog-to-digital converter; Durchfluszrechner; Fourier transformation}

Description

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Nützlichkeit der Erfindung besteht darin, den Rechenaufwand zu verringern sowie die Meßwertsicherheit zu erhohen, bei minimalem Aufwand zur Erfüllung der Meßaufgabe.The usefulness of the invention is to reduce the computational effort and to increase the measured value, with minimal effort to meet the measurement task.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Losungsfindung eines Verfahrens zur Dichtemengenumwertung von Fluiden unter Verwendung eines Wirbelzahlers nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstraße, wobei eine Trennung von Nutz- und Storanteil des Meßsignales auch fur Storanteile, die direkt am Nutzanteil liegen, zu ermöglichen ist. Aus dem Meßsignal des Wirbelzahlers werden nach der Signalvorverarbeitung die Signalfrequenz und die Signalamplitude von überlagerten Störungen befreit und anschließend vom Durchflußrechner ermittelt. Aus der so gewonnenen Signalfrequenz und Signalamplitude kann der Durchflußrechner den Volumenstrom und die Dichte des Fluids berechnen. Erfindungsgemäß wird das durch den Geber des Wirbelzahlers gewonnene analoge, verstärkte Signal einerseits mittels einer bekannten Auswerteelektronik zu einer von Störungen freie Impulsfolge und daraus die Frequenz fx nach der GleichungThe object of the invention is in the solution finding of a method for Dichtemengenumwertung of fluids using a Wirbelzahlers according to the principle of Karman vortex street, with a separation of useful and Storanteil of the measured signal for Storanteile, which are directly at the Nutzanteil to allow. From the measurement signal of the vortex payer, the signal frequency and the signal amplitude of superimposed interference are freed after the signal preprocessing and then determined by the flow computer. From the signal frequency and signal amplitude obtained in this way, the flow computer can calculate the volume flow and the density of the fluid. According to the invention, the analog, amplified signal obtained by the encoder of the Wirbelzahlers on the one hand by means of a known transmitter to a free impulse pulse sequence and from the frequency fx according to the equation

fx = Nx fo/No (4)fx = Nx fo / No (4)

(fo- normierte Frequenz, No normierte Impulszahl) berechnet, andererseits wird das Meßsignal digitalisiert und zur Berechnung der Amplitude dem Durchflußrechner übergeben. Aus den diskreten Abtastwerten des Meßsignales wird mittels Diskreter Fouriertransformation die Amplitude berechnet, wobei nur der Spektralkoeffizient, der der der zuvor ermittelten Frequenz fx entspricht, berücksichtigt wirdOn the other hand, the measurement signal is digitized and transferred to the flow computer to calculate the amplitude. From the discrete samples of the measurement signal, the amplitude is calculated by means of discrete Fourier transformation, whereby only the spectral coefficient which corresponds to that of the previously determined frequency fx is taken into account

2/N (5)2 / N (5)

(6)(6)

\/( N-1 /2nfxk^² /n^I , / 2nfxk\V \ / ( N-1 / 2nfxk ^ ² / n ^ I, / 2nfxk \ V

= У Σ xk) cosl IJ +1 Σ x(к)-sin 1 Il= У Σ xk) cosl IJ +1 Σ x (к) -sin 1 Il

V \ ι,£-_η V fa // \ !.Го V fa //V \ ι, £ - _η V fa // \! .Go V fa //

ι = fx N/fa (7)ι = fx N / fa (7)

/N (8)/ N (8)

Ü - AmplitudeÜ - amplitude

F(i) - i-terSpektralkoeffizientF (i) - i-th spectral coefficient

N - Anzahl der AbtastwerteN - number of samples

fa - Abtastfrequenzfa - sampling frequency

x(k) - k-ter Abtastwertx (k) - k-th sample

Fur die Dichte des Fluids giltFor the density of the fluid applies

ρ = U/Kb fx (9)ρ = U / Kb fx (9)

(Kb - Proportionalitatsfaktor)(Kb - proportionality factor)

In den Proportionalitatsfaktor gehen eine Reihe von Großen ein, wie die Strouhalzahl, der Ubertragungsfaktor des Sensors, die Geometrie von Storkorper und Rohrleitung, Ubertragungsfaktoren der elektronischen Bauelemente, ein. Somit kann der Bezugsvolumenstrom Vb mittels Dichtemengenumwertung nach der GleichungThe proportionality factor includes a number of variables, such as the Strouhal number, the transmission factor of the sensor, the geometry of Storkorper and piping, transfer factors of the electronic components. Thus, the reference volume flow Vb by means of density conversion by the equation

Vb = p,/p_bVl (10)Vb = p, / p _b Vl (10)

mit V1 =fx Kf (11)with V1 = fx Kf (11)

(p Bezugsdichte, V1 Betriebsvolumenstrom) berechnet werden. Das Bezugsvolumen Vb laßt sich nun letztlich durch Integration des Bezugsvolumenstromes Vb über die Zeit ermitteln.(p reference density, V1 operating flow rate) are calculated. The reference volume Vb can now finally be determined by integration of the reference volumetric flow Vb over time.

Ausfuhrungsbeispielexemplary

Figur 1 zeigt eine Anordnung zur Ausfuhrung des Verfahrens. Figur 2 zeigt das Prinzip des Wirbelzahlers. Gemäß Fig. 2 werden bei vorhandenem Durchfluß im Geberrohr 7 am Storkorper 8 des Wirbelzahlers Wirbel 11 abgelost, die hinter dem Storkorper 8 zu Schwankungen der kinetischen Energie des Fluids fuhren und Ursache fur die Auslenkung der Federplatte 9mit Piezoabtastsystem lOsind. Das vom Piezoabtastsystem 10 abgegebene analoge elektrische Signal u(t)istein Abbild fur die Druckschwankungen hinter dem Storkorper 8. Gemäß Fig. 1 wird das Signal U(t) auf einen Vorverstärker mit Tiefpaß 1 gefuhrt und anschließend getrennt weiterverarbeitet. Das Signal u (t) wird zum einen mit frequenzabhängig gesteuertem Hoch- und Tiefpaßfilter 2 sowie mit einem Trigger 3 verbunden. Als Ausgangssignal steht zur programmtechnischen Weiterverarbeitung im Durchflußrechner 6 nach Gleichung (4) eine Impulsfolge Nx (fx) zur Verfügung.FIG. 1 shows an arrangement for carrying out the method. FIG. 2 shows the principle of the vortex payer. According to FIG. 2, vortexes 11 are removed when there is a flow in the sender tube 7 on the storkorper 8 of the vortex payer, which leads to fluctuations in the kinetic energy of the fluid behind the storkorper 8 and cause the deflection of the spring plate 9 with piezo scanning system 10. The analogue electric signal u (t) emitted by the piezoelectric scanning system 10 is an image of the pressure fluctuations behind the stator body 8. As shown in FIG. 1, the signal U (t) is fed to a pre-amplifier with low-pass filter 1 and subsequently processed separately. The signal u (t) is connected to a frequency-dependent controlled high and low pass filter 2 and a trigger 3 on the one hand. The output signal for program-related further processing in Durchflußrechner 6 according to equation (4) is a pulse train Nx (fx) available.

Außerdem wird das Signal u (t) auf ein Halteglied 4 geführt, anschließend durch einen Analog-Digital-Umsetzer 5 digitalisiert und dem Durchflußrechner 6 zugeführt. Im Durchflußrechner 6 wird aus den digitalisierten Werten von u(t) die Amplitude Ü(fx) der Grundschwingung (Nutzanteil) nach Gleichung (5) berechnet. Nach Gleichung (9) kann nun die Dichte des Fluids aus der Frequenz und der Amplitude des von überlagerten Störungen befreiten Meßsignales bestimmt werdenIn addition, the signal u (t) is fed to a holding member 4, then digitized by an analog-to-digital converter 5 and the Durchflußrechner 6 fed. In the flow computer 6, from the digitized values of u (t), the amplitude U (fx) of the fundamental (useful component) is calculated according to equation (5). According to equation (9), the density of the fluid can now be determined from the frequency and the amplitude of the measurement signal freed from superimposed disturbances

Zur Bestimmung des Bezugsvolumenstromes nach Gleichung (10) ist die Bezugsdichte als Konstante im Durchflußrechner 6 abgelegt. Der benötigte Betriebsvolumenstrom V1 wurde nach Gleichung (11) bestimmt. Durch Integration des Bezugsvolumenstromes Vb über die Zeit erhält man das Bezugsvolumen Vb. To determine the reference volume flow according to equation (10), the reference density is stored as a constant in the flow computer 6. The required operating volume flow V1 was determined according to equation (11). By integrating the reference volumetric flow Vb over time, the reference volume Vb is obtained.

Claims (2)

Verfahren zur Bestimmung des Bezugsvolumens eines Fluids mittels Dichtemengenumwertung unter Verwendung eines Wirbelzählers nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstraße, einem Vorverstärker mit Tiefpaßfilter, steuerbaren Hoch- und Tiefpaßfiltern, einem Trigger, einem Halteglied, einem Analog-Digital-Wandler und einem Durchflußrechner, gekennzeichnet dadurch, daß erstens das aus dem Sensor des Wirbelzählers gewonnene analoge Signal u(t) in Abhängigkeit der Frequenz mittels des steuerbaren Tief- und Hochpaßfilters (2) gefiltert, daß das so gewonnene Signal mit dem Trigger (3) in eine von Störungen freie Impulsfolge Nx gewandelt und daß aus dieser mittels modifizierter Frequenzverhältnismessung im Durchflußrechner (6) die Frequenz fx und der Betriebsvolumenstrom V1 berechnet wird, daß zweitens das analoge Signal u(t) mittels Haltegliedes (4), Analog-Digital-Umsetzer (5) und Durchflußrechner (6) digitalisiert, im Durchflußrechner (6) durch modifizierte diskrete Fouriertransformation der Betrag des Spektralkoeffizienten | F(i) | der der zuvor berechneten Frequenz entspricht, ermittelt sowie daraus die von überlagerten Störungen befreite Amplitude U berechnet, daß drittens die Betriebsdichte paus der Amplitude U und dem Quadrat der Frequenz gewonnen wird und letztendlich aus der Betriebsdichte p, der Bezugsdichte ρ und der Betriebsvolumenstrom V der Bezugsvolumenstrom Vb bzw. das Bezugsvolumen im Durchflußrechner (6) bestimmt wird.Method for determining the reference volume of a fluid by means of density conversion using a Karman vortex street vortex counter, a preamplifier with low-pass filter, controllable high and low pass filters, a trigger, a holding element, an analog-to-digital converter and a flow computer, characterized in that that, firstly, the analogue signal u (t) obtained from the sensor of the vortex meter is filtered as a function of the frequency by means of the controllable low and high pass filter (2) in such a way that the signal thus obtained is converted by the trigger (3) into a pulse train Nx free of disturbances and that from this by means of modified frequency ratio measurement in Durchflußrechner (6) the frequency fx and the operating volume V1 is calculated that secondly the analog signal u (t) by means of holding member (4), analog-to-digital converter (5) and Durchflußrechner (6) digitized in Durchflußrechner (6) by modified discrete Fourierr ansformation the magnitude of the spectral coefficient | F (i) | calculated from the previously calculated frequency, and calculated therefrom freed from superimposed interference amplitude U calculated that third, the operating density paus the amplitude U and the square of the frequency is recovered and ultimately from the operating density p, the reference density ρ and the operating volume flow V of the reference volume flow Vb or the reference volume in Durchflußrechner (6) is determined. HierzuFor this 2 Seiten Zeichnungen2 pages drawings Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Bezugsvolumenstromes eines Fluids mittels Dichtemengenumwertung unter Verwendung eines Wirbelzahlers nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstraße. Das Verfahren ist fur die Bilanzierung von gasformigen und flussigen Rohstoffen sowie Energieträgern besonders geeignet und kann bei der Realisierung von Meßaufgaben mit geringeren Genauigkeitsanforderungen Verwendung finden.The invention relates to a method for determining the reference volume flow of a fluid by means of density conversion using a Wirbelzahlers according to the principle of Karman vortex street. The method is particularly suitable for the balancing of gaseous and liquid raw materials and energy carriers and can be used in the realization of measuring tasks with lower accuracy requirements. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Es ist aus der Literatur allgemein bekannt, daß bei der Anwendung von Wirbelfrequenzdurchflußmessern neben der mittleren Stromungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstromes in einer Rohrleitung über die Ablosefrequenz an einem Storkorper nach der Beziehung f ~ с bei geeigneter Auswahl und Anordnung von Meßumformern bzw. Fühlern auch ein elektrisches Signal ermittelt werden kann, welches die Schwankungen der kinetischen Energie des Fluids nach Ablösung von Wirbeln an einem Storkorper proportional abbildet.It is well known from the literature that when using vortex frequency flow meters in addition to the average flow velocity or the volume flow in a pipeline via the Ablosefrequenz on a Storkorper the relationship f ~ с with a suitable selection and arrangement of transducers or sensors and an electric Signal can be determined, which reflects the fluctuations of the kinetic energy of the fluid after detachment of vortices on a Storkorper proportionally. In dem so gewonnenen elektrischen Signal laßt sich neben der Signalfrequenz auch die Signalamphtude U auswerten, welche proportional der Dichte des Fluids und dem Quadrat der mittleren Stromungsgeschwindigkeit ist. Es gilt:In the electrical signal thus obtained can be in addition to the signal frequency and the Signalamphtude U evaluate, which is proportional to the density of the fluid and the square of the average flow velocity. The following applies: U~p-c (1)U ~ p-c (1) ρ ~ Ο/Γ² (2)ρ ~ Ο / Γ ² (2) Eine Losung, in der beide Effekte ausgenutzt werden und über eine geeignete Schaltungsanordnung der Massestrom eines Fluids bestimmt werden kann, wird in der US Patentschrift 3885432 beschrieben Das den Druckschwankungen proportionale elektrische Signal wird in dieser Losung unter Verwendung eines Druckmeßumformers gewonnen. In dem DD-WP 256367 wird der Effektivwert des Meßsignales mittels einer elektronischen Schaltung ermittelt. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß Störungen des Meßsignales unzureichend eliminiert werden. Aus der Literatur ist allgemein bekannt, daß zur Ermittlung der Amplitude eines Signales die Diskrete Fouriertransformation Anwendung findet. In der Rechentechnik hat sich insbesondere die schnelle Fouriertransformation (FFT) durchgesetzt. Mit der FFT kann somit die Frequenz und die Amplitude eines Spektralanteiles, insbesondere der Grundschwingung des Meßsignales, ermittelt werden Auf diese Weise können Stör- und Nutzanteil des Meßsignales getrennt werden. Em Verfahren zur dynamischen und dichteunabhangigen Bestimmung des Massestromes von Fluiden wird in EP 0046965 vorgeschlagen. Das Verfahren ist durch einen einzigen Storkorper gekennzeichnet, an dem sowohl die Wirbelablosefrequenz als auch der Staudruck gemessen werden Aus beiden Großen wird über die BeziehungA solution in which both effects are exploited and the mass flow of a fluid can be determined by suitable circuitry is described in US Pat. No. 3,885,432. The electrical signal proportional to the pressure fluctuations is obtained in this solution using a pressure transducer. In DD-WP 256367 the RMS value of the measuring signal is determined by means of an electronic circuit. Disadvantage of this method is that disturbances of the measuring signal are insufficiently eliminated. It is generally known from the literature that discrete Fourier transformation is used to determine the amplitude of a signal. In computing, the fast Fourier transformation (FFT) has prevailed in particular. The frequency and the amplitude of a spectral component, in particular the fundamental of the measurement signal, can thus be determined with the FFT. In this way, the interference and useful components of the measurement signal can be separated. A method for the dynamic and density-independent determination of the mass flow of fluids is proposed in EP 0046965. The method is characterized by a single Storkorper, at which both the Wirbelablosefrequenz and the dynamic pressure are measured from both Great is about the relationship m = 20/2 ρ · V²) A/V (3)m = 20/2 ρ * V ² ) A / V (3) der Massestrom bestimmt. In der DE-AS 1498271 ist eine weitere Anordnung zur Messung des Massestromes ohne bewegte Teile dargestellt. Den Losungen von US PS-3885432 und DE-AS 1498271 ist gemeinsam, daß die Ausgabe der Dichte nicht möglich ist. Den beiden Losungen sowie der in EP 0046965 beschriebenen ist außerdem gemeinsam, daß ein volkswirtschaftlich sehr relevantes Problem, die Bestimmung des Bezugsvolumens, mit diesen Verfahren bzw. Anordnungen nicht gelost wird Weitere Anordnungen zur unabhängigen Messung de> Durchflusses bzw. der Dichte zwecks Bestimmung der Masse bzw des Massestromes eines Fluids sind in den Schriften DE-PS 2948961, DE-PS 2935891, DE-OS 3218940 und DD-WP 222121 zu finden Die zuletzt genannten Losungen stehen stellvertretend für eine Vielzahl ahnlicher Losungen, bei denen zwei unabhängige Messungen (Durchfluß und Dichte) notwendig sind. Auf diese Losungen soll deshalb nicht eingegangen werden.the mass flow determined. In DE-AS 1498271 a further arrangement for measuring the mass flow is shown without moving parts. The solutions of US PS-3885432 and DE-AS 1498271 have in common that the output of the density is not possible. The two solutions as well as those described in EP 0046965 also have in common that an economically very relevant problem, the determination of the reference volume, with these methods or arrangements is not solved Further arrangements for the independent measurement of the flow or the density for the purpose of determining the mass or the mass flow of a fluid can be found in the specifications DE-PS 2948961, DE-PS 2935891, DE-OS 3218940 and DD-WP 222121 The latter solutions are representative of a variety of similar solutions in which two independent measurements (flow and Density) are necessary. Therefore, these solutions should not be discussed.