DE10131858A1

DE10131858A1 - Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis Massedurchflussmessers

Info

Publication number: DE10131858A1
Application number: DE2001131858
Authority: DE
Inventors: Christian Matt
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2001-06-30
Filing date: 2001-06-30
Publication date: 2003-01-23

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis-Massedurchflussmessers werden die Fourier-Komponenten und die zugehörigen Phasenverschiebungen zweier Sensorsignale bestimmt und die Phasenverschiebung dphi der beiden Sensorsignale bei der Anregungsfrequenz f durch Interpolation der Phasenverschiebungen bei mehreren Fourier-Komponenten ermittelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis Massedurchflussmessers.
Coriolis-Massedurchflussmesser werden vielfach in der Prozessautomatisierungstechnik zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Fluids in einem Rohrleitungsabschnitt eingesetzt. Hierbei wird ein Messrohr in dem das Fluid fließt in Schwingung versetzt. Durch das strömende Fluid wird die Schwingungsbewegung des Messrohrs beeinflußt. Die Schwingungsbewegung wird normalerweise mit Hilfe von zwei Schwingungssensoren erfaßt. Die Sensorsignale werden in einer Mess- und Betriebsschaltung ausgewertet. Sie weisen die gleiche Frequenz wie die Rohrschwingung des Messrohrs auf, sie sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Phasenverschiebung ist ein Maß für den Massedurchfluss des Fluids im Meßrohr. In der Mess- und Betriebsschaltung werden die Sensorsignale ausgewertet und ihre Phasenverschiebung bestimmt.
Messrohr und Fluid bilden zusammen ein schwingungsfähiges System. Das normalerweise auf seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Die Resonanzfrequenz hängt einerseits vom Material des Messrohrs und andererseits von der Dichte des Fluids ab. Es gibt auch Anwendungen, wo die Anregung nicht auf der Resonanzfrequenz erfolgt, sondern auf einer zur Resonanzfrequenz benachbarten Frequenz.
Neben dem Massedurchfluss können auch weitere Eigenschaften des strömenden Fluids wie z. B. seine Dichte bestimmt werden. Hierzu wird die Schwingungsfrequenz des Messrohrs ausgewertet.
In der US-A 4801897 ist eine Erreger-Teilschaltung beschrieben, die nach Art einer analogen Phase-Lock-Loop-Regelung aufgebaut ist. Die Erregerfrequenz stellt sich dabei auch bei veränderlicher Fluiddichte automatisch auf die Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Systems ein. Bekannten Mess-Schaltungen arbeiten entweder analog wie z. B. in der EP- A 698 783 bzw. der US-A 4895030 oder digital wie z. B. in der EP-A 702 212 bzw. der US A 54 29 002 beschrieben.
Aus der EP-A 698 783 ist eine Messschaltung beschrieben, die einen analogen Regelkreis aufweist, der die beiden Sensorsignale auf gleiche Amplitude regelt.
Aus der EP A 866 319 ist eine weiter Mess- und Betriebsschaltung bekannt. Bei dieser Schaltung werden die beiden Sensorsignale vor der Weiterverarbeitung verstärkt, wobei ein Verstärkungsfaktor eines Verstärkers variabel ist.
In einem Digitalprozessor werden die Summe und die Differenz der beiden Sensorsignale sowie eines der Sensorsignale ausgewertet.
Für die Genauigkeit der Messung ist es wesentlich, daß die beiden Sensorsignale nach ihrer Verstärkung gleiche Amplitude besitzen. Die hierfür benötigte Amplitudenregelung wertet die Summe und die Differenz der beiden Sensorsignale aus.
Aus der US-4 996 871 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis-Massedurchflussmessers bekannt, bei dem die beiden Sensorsignale einer digitalen Fourier-Transformation unterworfen werden und die Phasenwinkel der jeweiligen Fourier-Komponenten nahe der Anregungsfrequenz der Rohrschwingung bestimmt werden.
Nachteilig an diesem Verfahren ist es, daß aufgrund der diskreten Fourier- Transformation, die jeweiligen Fourier-Komponenten nicht exakt auf der Anregungsfrequenz bestimmt werden können, sondern nur in der Nähe der Anregungsfrequenz. Je größer die Frequenzintervalle der diskreten Fourier- Transformation sind, desto größer ist normalerweise die Abweichung zwischen der Frequenz an der die Fourier-Komponenten bestimmt werden und der tatsächlichen Anregungsfrequenz.
Diese Abweichung bewirkt einen Fehler in der Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Sensorsignalen und damit auch einen Fehler in der Bestimmung des Massedurchflusses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis Massedurchflussmessers vorzuschlagen, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist und das einfach sowie kostengünstig realisierbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, daß die Phasenverschiebung nicht nur mit Hilfe einer speziellen Fourier-Komponenete bestimmt wird, sondern bei mehreren Fourier-Komponenten zu Frequenzen, die zu der Anregungsrequenz benachbart sind.

Gemäß Anspruch 1 werden zwei Fourier-Komponenten bestimmt und die Phasenverschiebung bei der Anregungsfrequenz durch lineare Interpolation gewonnen.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß Anspruch 2 werden mehrer Fourier-Komponenten bestimmt und die Phasenverschiebung bei der Anregungsfrequenz über einen Polynom-Fit ermittelt. Dadurch kann der Fehler bei der Bestimmung des Massedurchflusses weiter verringert werden.

In vorteilhafter Weise werden die digitalisierten Sensorsignale gemäß Anspruch 3 vor der eigentlichen Signalauswertung mit Hilfe eines Bandpasses gefiltert um Aliasingeffekte zu minimieren.

Anstatt eines Bandpasses ist auch ein Tiefpassfilter denkbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 Messaufnehmer eines Coriolis-Massedurchflußmessers in schematischer Darstellung,
Fig. 2 Blockschaltbild einer Mess- und Betriebsschaltung für einen Coriolis- Massedurchflußmessers
Fig. 3 Diagramm der Phasenverschiebung über der Frequenz
In Fig. 1 ist ein Messaufnehmer 1 für einen Coriolis-Massedurchflußmesser in schematischer Darstellung gezeigt. Der Messaufnehmer 1 ist in einer nicht dargestellten Rohrleitung angeordnet in der ein Fluid F strömt, dessen Massedurchfluss eine der interessierenden Grössen ist. Die Verbindung mit der Rohrleitung erfolgt über die beiden Flansche 2, 3.
Der Messaufnehmer 1 weist ein einziges gerades Messrohr 4 auf, das einlaßseitig über eine Endplatte 13 am Flansch 2 und auslaßseitig über eine Endplatte 14 am Flansch 3 fixiert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf diesen speziellen Messaufnehmer 1 mit einem einzigen geraden Messrohr beschränkt. Es kann auch in Verbindung mit weiteren bekannten Messaufnehmern eingesetzt werden. Zu erwähnen sind z. B. Messaufnehmer mit einem Messrohr mit Auslegermasse, wie z. B. in der EP 97 81 0559 beschrieben, Messaufnehmer mit einem gebogenen Messrohr (EP 96 10 9242) sowie Messaufnehmer mit zwei parallelen geraden oder gebogenen Messrohren (US 4793191 bzw. US 41 27 028).
Die Flansche 2, 3 und die Endplatten sind an oder in einem Trägerrohr 15 befestigt.
Zur Erzeugung der Messrohrschwingung ist in der Mitte zwischen den beiden Endplatten 13, 14 am Messrohr 4 ein Schwingungserreger 16 angeordnet. Bei dem Schwingungserreger 16 kann es sich z. B. um einen elektromagnetischen Antrieb bestehend aus einem Permanentmagnet 161 und einer Spule 162 handeln.
Die Spule 162 ist am Tragrohr 15 und der Permanentmagnet 161 am Messrohr 4 fixiert.
Über den in der Spule 162 fließenden Strom läßt sich die Amplitude und die Frequenz der Biegeschwingung des Messrohrs 4, die in der Zeichenebene verläuft, steuern.
In der Zeichenebene treten auch die Corioliskräfte auf, die bewirken, daß nicht mehr alle Punkte entlang des Messrohrs 4 in Phase schwingen. Die Schwingungsbewegung des Messrohrs 4 wird mit Hilfe zweier Schwingungssensoren 17 bzw. 18, die etwa symmetrisch zum Schwingungserrereger 16, ebenfalls am Tragrohr 15 angeordnet sind, aufgenommen. Bei den Schwingungssensoren 17 bzw. 18 kann es sich z. B. um elektromagnetische Wandler handeln, die ähnlich der Anordnung Permanentmagnet-Spule des Schwingungserregers 16 aufgebaut sind.
Die beiden Permanentmagnet 171, 181 sind am Messrohr 4 und die beiden Spulen 172, 182 am Tragrohr 15 fixiert. Die Bewegung des Messrohrs 4 bewirkt über die Magnete 171, 181 eine Induktionsspannung in der jeweiligen Spule 172, 182, die als analoges Sensorsignal X17 bzw. X18 abgegriffen wird.
Fig. 2 zeigt die Mess- und Betriebsschaltung als Blockschaltbild.
Die Schwingungssensoren 17, 18 sind jeweils mit zwei Verstärkern V1, V2 verbunden, denen jeweils ein analog-digital Wandler A/D1, A/D2 nachgeschaltet ist. Die beiden Wandler A/D1 bzw. A/D2 sind jeweils mit je einem Eingang eines digitalen Signalprozessors DSP verbunden.
Ein Ausgang A3 des digitalen Signalprozessors DSP ist über einen D/A- Wandler D/A3 mit einem U/I-Wandler U/I3 verbunden. Der U/I-Wandler U/I3 liefert das Erregersignal für den Schwingungserreger 16.
Nachfolgend ist die Signalverarbeitung der beiden Sensorsignale X17, X18 näher erläutert.
Die beiden Sensorsignale X17, X18 werden in den Verstärkern V1 bzw. V2 verstärkt und in den analog/digital Wandern A/D1 bzw. A/D2 in digitale Sensorsignale S1 bzw. S2 umgewandelt.
Die digitalen Sensorsignale S1 bzw. S2 werden im digitalen Signalprozessor DSP weiter verarbeitet.
Zuerst werden die beiden Signale S1, S2 mit einem identischen Bandpassfilter BP gefiltert. Durch die Filterung werden Frequenzen diskriminiert, die bei der weiteren Signalverarbeitung Aliasingeffekte verursachen können. Der Bandpassfilter kann auch als Tiefpassfilter ausgeführt sein.
Für die Bestimmung der Phasenverschiebung dφ der beiden Sensorsignale S1, S2 werden jeweils N Signalwerte im zeitlichen Abstand, der Abtastzeit Ta, abgespeichert.
Aus der Anregungsfrequenz f und der Abtastzeit Ta werden diejenigen Frequenzen fi ausgewählt, für die die Fourier-Komponenten bestimmt werden. Im einfachsten Fall sind dies gerade die oberhalb und unterhalb der Anregungsfrequenz f gelegenen Stützstellen f1, f2 im Frequenzspektrum.
Die entsprechenden Fourier-Komponenten zu den zwei Frequenzen f1, f2 werden bestimmt und ausgewertet.
Die Frequenz f liegt somit im Intervall zwischen f1 und f2. Der Frequenzabstand zwischen f1 und f2 entspricht der Auflösung der diskreten Fourier-Transformation.
Aus den Fourier-Komponenten der beiden Signale S1 und S2 für die Frequenz f1 wird eine erste Phasenverschiebung dφ1 der beiden Signale zueinander bestimmt.
Aus den Fourier-Komponenten der beiden Signale S1 und S2 für die Frequenz f2 wird eine zweite Phasenverschiebung dφ2 der beiden Signale zueinander bestimmt.
Da die beiden Frequenzen f1, f2 unterschiedlich zur Anregungsfrequenz f sind, stimmen die Phasenverschiebungen dφ1 bzw. dφ2 nicht mit der gesuchten Phasenverschiebung dφ bei der Anregungsfrequenz f überein. Zur Bestimmung der Phasenverschiebung dφ wird zwischen den beiden Werten dφ1 und dφ2 linear interpoliert.
Dies ist im Diagramm nach Fig. 3 dargestellt. Der interpolierte Wert dφ bei der Frequenz f entspricht sehr genau dem exakten Wert der Phasenverschiebung. Aus der Phasenverschiebung dφ läßt sich in einfacher Weise der Massedurchfluss m bestimmen.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung werden nicht nur die Fourier-Komponenten für zwei Frequenzen sondern, für mehrere Frequenzen fi bestimmt und die entsprechende Phasenverschiebung dφi ermittelt. Durch einen Polynom-Fit durch die ermittelten Werte dφi kann die gesuchte Phasenverschiebung dφ gewonnen werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis- Massedurchflussmessers mit folgenden Verfahrensschritten Erzeugung einer Schwingungsbewegung eines Messrohrs mit der Frequenz f
Erfassen der Schwingungsbewegung des Messrohrs an zwei unterschiedlichen Messstellen mit zwei Schwingungssensoren Umwandlung der Sensorsignale der beiden Sensoren in digitale Sensorsignale S1 und S2
Bestimmung der Fourier-Komponenten der Sensorsignale S1, S2 bei zwei Frequenzen f1, f2 jeweils oberhalb und unterhalb der Anregungsfrequenz f Bestimmung der Phasenverschiebung der beiden Fourier-Komponenten dφ1 und dφ2
Berechnung der Phasenverschiebung der beiden Sensorsignale dφ bei der Anregungsfrequen f durch Interpolation der beiden Phasenverschiebungen dφ1 und dφ2.

2. Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis- Massedurchflussmessers mit folgenden Verfahrensschritten Erzeugung einer Schwingungsbewegung eines Messrohrs mit der Frequenz f
Erfassen der Schwingungsbewegung des Messrohrs an zwei unterschiedlichen Messstellen mit zwei Sensoren Umwandlung der Sensorsignale der beiden Sensoren in digitale Sensorsignale S1 und S2
Bestimmung mehrere Fourier-Komponenten der beiden Sensorsignale S1, S2 und deren Phasenverschiebungen dφi und Berechnung der Phasenverschiebung der beiden Sensorsignale dφ bei der Anregungsfrequen f durch einen Polynom-Fit durch die Phasenverschiebungen dφi.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale S1 und S2 vor der Verarbeitung gefiltert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das der Filter ein Bandpassfilter ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Filter ein Tiefpassfilter ist.