DE102004007889A1

DE102004007889A1 - Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät

Info

Publication number: DE102004007889A1
Application number: DE200410007889
Authority: DE
Inventors: Christian Matt; Alfred Dr. Wenger; Michael Fuchs; Wolfgang Dr. Drahm
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-01

Abstract

Der Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemesser umfaßt mindestens ein Meßrohr (11), das im Betrieb von einem zwei- oder mehrphasigen Medium durchströmt ist. Ein Trägermittel (12) des Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemessers ist an einem einlaßseitigen Ende und einem auslaßseitigen Ende des Meßrohrs (11) fixiert und spannt dieses somit schwingfähig ein. Im Betrieb wird das Meßrohr (11) mittels einer Erregeranordnung (13) in mechanische Schwingungen, insbesondere Biegeschwingungen, versetzt. Ferner umfaßt der Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemesser Mittel (141, 142) zum Erzeugen einlaßseitige und ausseitige Schwingungen des Meßrohrs (11) repräsentierenden Meßsignalen (x¶s1¶, x¶s2¶). Eine Auswerte-Elektronik (2) erzeugt einen von den Meßsignalen (x¶s1¶, x¶s2¶) abgeleiteten Zwischenwert (X'¶m¶), der einen vorläufig ermittelten Massedurchfluß repräsentiert sowie einen von den Meßsignalen (x¶s1¶, x¶s2¶), insbesondere von einem ebenfalls in der Auswerte-Elektronik (2) erzeugten, eine Dichte des Mediums repräsentierenden zweiten Meßwert (X¶p¶), abgeleiteten zweiten Zwischenwert (X¶2¶), der ein Maß für einen Anteil einer Phase des Mediums repräsentiert. Unter Verwendung des Zwischenwerts (X¶2¶) wird ein Korrekturwert (X¶K¶) für den ersten Zwischenwert (X'¶m¶) ermittelt, wobei der Korrekturwert (X¶K¶) mittels des Zwischenwerts (X2), aus einer Vielzahl von in einem Tabellenspeicher (56) abgespeicherten Vorgabewerten ausgewählt wird. Darüber hinaus erzeugt die Auswerte-Elektronik (2) einen ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemesser für ein in einer Rohrleitung strömendes, insb. zwei- oder mehrphasiges, Medium sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines einen Massedurchfluß repräsentierenden Meßwerts.
In der Prozeß-Meß- und Automatisierungstechnik werden für die Messung physikalischer Parameter eines in einer Rohrleitung strömenden Fluids, wie z. B. dem Massedurchfluß, der Dichte und/oder der Viskosität, oftmals solche Meßgeräte verwendet, die mittels eines in den Verlauf der fluidführenden Rohrleitung eingesetzten, im Betrieb vom Fluid durchströmten Meßaufnehmers vom Vibrationstyp und einer daran angeschlossenen Meß- und Betriebsschaltung, im Fluid Reaktionskräfte, wie z. B. mit dem Massedurchfluß korrespondierende Corioliskräfte, mit der Dichte korrespondierende Trägheitskräfte oder mit der Viskosität korrespondierende Reibungskräfte etc., bewirken und von diesen abgeleitet ein den jeweiligen Massedurchfluß, ein die jeweilige Viskosität und/oder ein die jeweilige Dichte des Fluids repräsentierendes Meßsignal erzeugen. Derartige Meßaufnehmer vom Vibrationstyp sind z. B. in der WO-A 03/076880, der WO-A 02/37063, der WO-A 01/33174, der WO-A 00/57141, der WO-A 99/39164, der WO-A 98/07009, der WO-A 95/16897, der WO-A 88/03261, der US 2003/0208325, der US-B 65 13 393, der US-B 65 05 519, der US-A 60 06 609, der US-A 58 69 770, der US-A 57 96 011, der US-A 56 02 346, der US-A 53 01 557, der US-A 52 59 250, der US-A 52 18 873, der US-A 50 69 074, der US-A 50 29 482, der US-A 48 76 898, der US-A 47 33 569, der US-A 46 60 421, der US-A 45 24 610, der US-A 44 91 025, der US-A 41 87 721, der EP-A 553 939, der EP-A 1 001 254 oder der EP-A 1 281 938 beschrieben.
Zum Führen des Fluids umfassen die Meßaufnehmer jeweils mindestens ein in einem, beispielsweise rohr- oder kastenförmigen, Tragrahmen gehaltertes Meßrohr mit einem gebogenen oder geraden Rohrsegment, das zum Erzeugen oben genannter Reaktionskräfte, angetrieben von einer elektro-mechanischen Erregeranordnung, im Betrieb vibrieren gelassen wird. Zum Erfassen, insb. einlassseitiger und auslaßseitiger, Vibrationen des Rohrsegments weisen die Meßaufnehmer ferner jeweils eine auf Bewegungen des Rohrsegments reagierende physikalisch-elektrische Sensoranordnung auf. Bei Coriolis-Massedurchflußmessern für ein in einer Rohrleitung strömendes Medium beruht die Messung des Massedurchflusses beispielsweise darauf, daß das Medium durch das in Rohrleitung eingefügte und im Betrieb schwingende Meßrohr strömen gelassen wird, wodurch das Medium Corioliskräfte erfährt. Diese wiederum bewirken, daß einlaßseitige und auslaßseitige Bereiche des Meßrohrs zueinander phasenverschoben schwingen. Die Größe dieser Phasenverschiebungen dient als ein Maß für den Massedurchfluß. Die Schwingungen des Meßrohrs werden daher mittels zweier entlang des Meßrohres voneinander beabstandeter Schwingungssensoren der vorgenannten Sensoranordnung erfaßt und in Schwingungsmeßsignale gewandelt, aus deren gegenseitiger Phasenverschiebung der Massedurchfluß abgleitet wird.
Bereits die eingangs referierte US-A 41 87 721 erwähnt, daß mit Coriolis-Massedurchflußmessern üblicherweise auch die momentane Dichte des strömenden Mediums meßbar ist, und zwar anhand einer Frequenz wenigstens eines der von der Sensoranordnung gelieferten Schwingungsmeßsignale. Überdies wird zumeist auch eine Temperatur des Fluids in geeigneter Weise direkt gemessen, beispielsweise mittels eines am Meßrohr angeordneten Temperatursensors. Es kann daher ohne weiteres vorausgesetzt werden, daß – selbst wenn nicht ausdrücklich beschrieben – mittels moderner Coriolis-Massendurchfluß-Meßgeräte jedenfalls auch Dichte und Temperatur des Mediums gemessen werden, zumal diese bei der Massendurchflußmessung ohnehin zur Kompensation von Meßfehlern infolge schwankender Fluiddichte stets heran zu ziehen sind, vgl. hierzu insb. die bereits erwähnten WO-A 02/37063, WO-A 99/39164, US-A 56 02 346 oder auch die WO-A 00/36379.
Bei der Verwendung von Meßaufnehmern der beschriebenen Art hat es sich jedoch gezeigt, daß bei inhomogenen Medien, insb. zwei- oder mehrphasigen Fluiden, die von den Schwingungen des Meßrohrs abgeleiteten Schwingungsmeßsignale, insb. auch die erwähnte Phasenverschiebung, trotz dem Viskosität und Dichte in den einzelnen Fluidphasen sowie auch der Massendurchfluß praktisch konstantgehalten und/oder entsprechend mitberücksichtigt werden, in erheblichem Maße Schwankungen unterliegen und so ggf. für die Messung des jeweiligen physikalischen Parameters ohne abhelfende Maßnahmen völlig unbrauchbar werden können. Solche inhomogenen Medien können beispielsweise Flüssigkeiten sein, in die, wie bei Dosier- oder Abfüllprozessen praktisch unvermeidbar, ein in der Rohrleitung vorhandenes Gas, insb. Luft, eingetragen ist oder aus denen ein gelöstes Fluid, z. B. Kohlendioxid, ausgast und zur Schaumbildung führt. Als ein weiteres Beispiel für solche inhomogenen Medien sei ferner noch Naß- oder Sattdampf genannt.
Bereits in der US-A 45 24 610 wird eine mögliche Ursache dieses Problems für den Betrieb von Vibrationstyp-Meßaufnehmern angedeutet, nämlich der Umstand, daß sich vom Fluid in das Meßrohr eingetragene Inhomogenitäten, wie z. B. Gasblasen, an dessen Innenwand anlagern und so das Schwingungsverhalten in erheblichem Maße beeinflussen können. Zur Umgehung des Problems wird weiters vorgeschlagen, den Meßaufnehmer so einzubauen, daß das gerade Meßrohr im wesentlichen senkrecht verläuft und somit ein Anlagern solcher störender, insb. gasförmiger, Inhomogenitäten verhindert wird. Hierbei handelt es sich jedoch um eine sehr spezielle und, insb. in der industriellen Prozeßmeßtechnik, nur sehr bedingt realisierbare Lösung. Zum einen müßte nämlich für diesen Fall die Rohrleitung, in die der Meßaufnehmer eingefügt werden soll, ggf. an diesen angepaßt werden und nicht umgekehrt, was dem Anwender wohl eher nicht zu vermitteln ist. Zum anderen kann es sich bei den Meßrohren, wie bereits erwähnt, auch um solche mit einer gekrümmten Rohrform handeln, so daß das Problem auch durch eine Anpassung der Einbaulage nicht gelöst werden kann. Es hat sich hierbei außerdem gezeigt, daß die vorgenannten Verfälschungen des Meßsignals auch bei Verwendung eines senkrecht eingebauten, geraden Meßrohrs nicht wesentlich verringert werden können. Außerdem lassen sich die im weiteren festgestellten Schwankungen des so erzeugten Meßsignals bei strömendem Fluid auf diese Weise ebenfalls nicht verhindern.
Ähnliche Ursachen sowie auch deren Auswirkungen auf die Meßgenauigkeit bei der Bestimmung des Massendurchflusses sind beispielsweise auch in der JP-A 10-281846, der WO-A 03/076880, der US-A 52 59 250, der US-A 50 29 482 oder der US-B 65 05 519 diskutiert worden. Während zur Verringerung der mit zwei- oder mehrphasigen Fluiden einhergehenden Meßfehler in der WO-A 03/076880 eine der eigentlichen Durchflußmessung vorausgehende Strömungs- bzw. Fluidkonditionierung vorgeschlagen ist, wird beispielsweise sowohl in der JP-A 10-281846 als auch in der US-B 65 05 519 jeweils eine Korrektur der auf den Schwingungsmeßsignalen beruhenden Durchflußmessung, insb. der Massendurchflußmessung, vorgeschlagen, beispielsweise unter Verwendung vorab trainierter, ggf. auch adaptiver Klassifikatoren für die Schwingungsmeßsignale. Die Klassifikatoren können beispielsweise als Kohonen-Karte oder Neuronales Netzwerk ausgelegt sein und die Korrektur entweder anhand einiger weniger im Betrieb gemessener Parametern, insb. dem Massedurchfluß und der Dichte, sowie weiteren davon abgeleiteten Merkmalen oder auch unter Verwendung eines eine oder mehrere Schwingungsperioden einschließenden Intervalls der Schwingungsmeßsignale vornehmen.
Die Verwendung eines solchen Klassifikators birgt beispielsweise den Vorteil, daß im Vergleich zu herkömmlichen Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemessern am Meßaufnehmer keine oder nur sehr geringfügige Änderungen vorgenommen werden müssen, sei es am mechanischen Aufbau, an der Erregeranordnung oder der diese steuernden Betriebsschaltung, die der speziellen Anwendung besonders angepaßt sind.
Allerdings besteht ein erheblicher Nachteil solcher Klassifikatoren u. a. darin, daß im Vergleich zu herkömmlichen Coriolis-Massedurchflußmessern erhebliche Änderungen im Bereich der Meßwerterzeugung vor allem hinsichtlich der verwendeten Analog-zu-Digital-Wandler und der Mikroprozessoren erforderlich sind. Wie nämlich auch in der US-B 65 05 519 beschrieben, ist für eine derartige Signalauswertung beispielsweise bei der Digitalisierung der Schwingungsmeßsignale, die eine Schwingungsfrequenz von etwa 80 Hz aufweisen können, eine Abtastrate von etwa 55 kHz oder mehr für eine ausreichende Genauigkeit erforderlich. Anders gesagt, die Schwingungsmeßsignale sind mit einem Abtastverhältnis von weit über 600 : 1 abzutasten. Überdies fällt auch die in der digitalen Meßschaltung gespeicherte und ausgeführte Firmware entsprechend komplex aus.
Ein weiterer Nachteil solcher Klassifikatoren ist auch darin zu sehen, daß sie auf die im Betrieb des Meßaufnehmers tatsächlich vorherrschenden Meßbedingungen, sei es die Einbausituation, das zu messende Fluid und dessen zumeist veränderlichen Eigenschaften oder andere die Meßgenauigkeit beeinflussende Faktoren, trainiert und entsprechend validiert werden müssen. Aufgrund der hohen Komplexität des Zusammenspiels aller dieser Faktoren kann das Training und dessen Validierung abschließend zumeist nur vor Ort und für jeden Meßaufnehmer indivduell erfolgen, was wiederum einen erheblichen Aufwand bei der Inbetriebnahme des Meßaufnehmers zur Folge hat. Im übrigen hat es sich auch gezeigt, daß derartige Klassifikations-Algorithmen, einerseits aufgrund der hohen Komplexität, andererseits infolgedessen, daß zumeist ein entsprechendes physikalisch-mathematisches Modells mit technisch relevanten oder nachvollziehbaren Parameter nicht explizit vorhanden ist, Klassifikatoren eine sehr geringe Transparenz aufweisen und somit oftmals schwer vermittelbar sind. Damit einhergehend können ohne weiteres erhebliche Vorbehalte beim Kunden auftreten, wobei solche Akzeptanzprobleme beim Kunden insb. dann auftreten können, wenn es sich beim verwendeten Klassifikator zu dem um einen selbst adaptierenden, beispielsweise ein Neuronales Netzwerk, handelt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen entsprechenden Coriolis-Massendurchflußmesser anzugeben, der auch bei inhomogenen, insb. mehrphasigen, Fluiden den Massendurchfluß genau mißt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechendes Verfahren für die Erzeugung des Meßergebnisses anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung in einem Coriolis-Massedurchflußmesser, insb. Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemesser, zum Messen eines Massedurchflusses eines zwei- oder mehrphasigen Mediums, das in einer Rohrleitung strömt, welcher Coriolis-Massedurchflußmesser umfaßt:

– mindestens ein in den Verlauf der Rohrleitung eingesetztes Meßrohr, das im Betrieb vom Medium durchströmt ist,
– ein Trägermittel, das an einem einlaßseitigen Ende und einem auslaßseitigen Ende des Meßrohrs fixiert ist und dieses somit schwingfähig einspannt,
– eine Erregeranordnung, die das Meßrohr im Betrieb in mechanische Schwingungen, insb. Biegeschwingungen, versetzt,
– Schwingungsensoren zum Erzeugen – eines einlaßseitige Schwingungen des Meßrohrs repräsentierenden ersten Schwingungsmeßsignals sowie – eines auslaßseitige Schwingungen des Meßrohrs repräsentierenden zweiten Schwingungsmeßsignals, sowie
– eine Meß- und Betriebs-Elektronik, die – einen die Erregeranordnung treibenden Erregerstrom und – einen Massedurchfluß-Meßwert liefert, der einen zu messenden Massedurchfluß repräsentiert,
– wobei die Meß- und Betriebs-Elektronik – einen von den Schwingungsmeßsignalen abgeleiteten, mit dem zu messenden Massedurchfluß korrespondierenden ersten Zwischenwert und einen Korrekturwert für den ersten Zwischenwert erzeugt, sowie – anhand des ersten Zwischenwerts und des Korrekturwerts den Massedurchfluß-Meßwert ermittelt,
– wobei die Meß- und Betriebs-Elektronik den Korrekturwert unter Verwendung wenigstens eines zweiten Zwischenwerts erzeugt, – der von wenigstens einem der Schwingungsmeßsignale und/oder vom Erregerestrom abgeleitet ist, und
– der ein Maß für einen Anteil einer Phase des Mediums repräsentiert,
– wobei die Meß- und Betriebs-Elektronik – einen Tabellenspeicher aufweist, in dem eine Vielzahl diskreter Vorgabewerte für den Korrekturwert digital abgespeichert ist, und – zur Ermittlung des Korrekturwert einen der Vorgabewerte verwendet, der unter Verwendung des zweiten Zwischenwerts aus dem Tabellenspeicher ausgelesen ist.

Ferner besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Erzeugen eines Massedurchfluß-Meßwerts, der einen Massedurchfluß eines in einer Rohrleitung strömenden Mediums repräsentiert, mittels eines Coriolis-Massedurchflußmessers, insb. Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemessers, welches Verfahren folgende Schritte umfaßt:

– Bewirken von Schwingungen, insb. Biegeschwingungen, eines vom Medium durchströmten Messrohrs des Coriolis-Massedurchflußmessers zum Erzeugen von Corioliskräften,
– Erfassen der Schwingungen des Meßrohrs und Erzeugen eines einlaßseitige Schwingungen repräsentierenden ersten Schwingungsmeßsignals und eines auslaßseitige Schwingungen repräsentierenden zweiten Schwingungsmeßsignals,
– Entwickeln eines mit dem Massedurchfluß korrespondierenden ersten Zwischenwertes unter Verwendung der beiden Schwingungsmeßsignale,
– Ermitteln eines zweiten Zwischenwerts,
– Erzeugen eines Korrekturwertes für den Zwischenwert mittels des zweiten Zwischenwerts, der ein Maß für einen Anteil einer Phase des Mediums repräsentiert, sowie
– Korrigieren des Zwischenwertes mittels des Korrekturwertes,
– wobei der Korrekturwert unter Verwendung des zweiten Zwischenwerts und unter Verwendung eines Tabellenspeichers, in dem eine Vielzahl diskreter Vorgabewerte für den Korrekturwert digital abgespeichert ist, dadurch ermittelt wird, daß der momentan zu verwendende Vorgabewert für den Korrekturwert anhand des zweiten Zwischenwerts identifiziert und aus dem Tabellenspeicher ausgelesen wird.

Nach einer ersten Ausgestaltung des Coriolis-Massedurchflußmesser der Erfindung

– liefert die Auswerte-Elektronik einen vom ersten und/oder vom zweiten Schwingungsmeßsignal abgeleiteten, eine Dichte des Mediums repräsentierenden Dichte-Meßwert und
– bestimmt die Auswerte-Elektronik den Korrekturwert unter Verwendung des Dichte-Meßwerts.

Nach einer zweiten Ausgestaltung des Coriolis-Massedurchflußmesser der Erfindung ermittelt die Auswerte-Elektronik anhand des des zweiten Zwischenwerts eine Speicheradresse für einen im Tabellenspeicher abgespeicherten, als momentaner Korrekturwert dienenden Vorgabewert.
Nach einer dritten Ausgestaltung des Coriolis-Massedurchflußmesser der Erfindung ist der zweite Zwischenwert anhand einer zumindest für ein vorgegebenes Zeitintervall ermittelte Streuung einer Amplitude des Erregerstroms, einer Amplitude der Schwingungsmeßsignale, einer Schwingungsfrequenz der Schwingungsmeßsignale, einer gemessenen Dichte und/oder des ersten Zwischenwerts ermittelt ist.
Nach einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung umfasst dieses folgende weiteren Schritte:

– Entwickeln eines eine Dichte des Mediums repräsentierenden zweiten Meßwerts anhand der Meßsignale und
– Entwickeln eines Korrekturwertes unter Verwendung des zweiten Meßwerts.

Nach einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung umfasst dieses folgende weiteren Schritte:

– Fließenlassen eines Erregerestroms durch eine mit dem Messrohr mechanisch gekoppelte elektro-mechanische Erregeranordnung zum Bewirken von Schwingungen des Meßrohrs, und
– Ermitteln eines zweiten Zwischenwerts unter Berücksichtigung des Erregerestroms.

Nach einer dritten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung repräsentiert der zweite Zwischenwert wenigstens eine für ein vorgegebenes Zeitintervall ermittelte Streuung eines für das in der Rohrleitung strömende Mediums ermittelten Messwerts, insb. eines gemessenen Massedurchflusses, einer gemessenen Dichte oder einer gemessenen Viskosität, und/oder eine für ein vorgegebenes Zeitintervall ermittelte Streuung eines Betriebsparameters des Coriolis-Massedurchflußmessers, insb. einer Amplitude der Schwingungsmeßsignale oder einer Schwingungsfrequenz der Schwingungsmeßsignale.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Korrekturwert für die Korrektur des im wesentlichen auf herkömmliche Weise bestimmten, den Massendurchfluß vorläufig repräsentierenden ersten Zwischenwerts, einerseits vorab vergleichsweise einfach aber sehr genau ermittelt werden kann.
Andereseits kann der Korrekturwert sehr rasch an sich ändernde Bedingungen im zu messenden Medium, insb. sich änderende Konzentrationsverhältnisse, angepasst werden, da zu dessen Ermittlung nur sehr wenig Rechenoperation erforderlich sind. Daher müssen beim erfindungsgemäßen Coriolis-Massendurchflußmesser im Vergleich zu einem herkömmlichen Coriolis-Massendurchflußmesser lediglich bei der üblicherweise digitalen Auswerte-Elektronik geringfügige, im wesentlichen auf die Firmware beschränkte Änderungen vorgenommen werden, während sowohl beim Meßaufnehmer wie auch bei der Erzeugung und Vorverarbeitung der Schwingungsmeßsignale keine oder nur eher geringfügige Änderungen erforderlich sind. So können beispielsweise auch die Schwingungsmeßsignale nach wie vor mit einem üblichen Abtastverhältnis von weit unter 100 : 1, insb. von etwa 10 : 1, abgetastet werden.
Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen; wenn es die Übersichtlichkeit erfordert, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet.
1 zeigt ein der Erzeugung eines Massendurchfluß-Meßwerts dienendes Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät perspektivisch in einer Seitenansicht,
2 zeigt schematisch nach der Art eines Blockschaltbildes eine bevorzugte Ausgestaltung einer für das Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät von 1 geeigneten Meßgerät-Elektronik,
3 zeigt teilweise geschnitten ein Ausführungsbeispiel eines für das Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät von 1 geeigneten Meßaufnehmers vom Vibrations-Typ perspektivisch in einer ersten Seitenansicht,
4 zeigt den Meßaufnehmer von 3 perspektivisch in einer zweiten Seitenansicht und
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektro-mechanischen Erregeranordnung für den Meßaufnehmer von 3.
In 1 ist perspektivisch ein Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät 1 dargestellt, das dazu dient, einen Massendurchfluß m eines in einer Rohrleitung strömenden, zwei- oder mehrphasigen Mediums zu erfassen und in einen diesen Massendurchfluß momentan repräsentierenden Massendurchfluß-Messwert X_m abzubilden; die Rohrleitung ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt. Medium kann praktisch jeder strömungsfähige Stoff sein, beispielsweise Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe, in dem zusätzlich zu einem Haupt- oder Trägermedium Inhomogenitäten, also nicht gelöst Anteile eines weiteren Mediums mit einer zum Trägermedium abweichenden Konsistenz, eingetragen sind, beispielsweise in der Flüssigkeit mitgeführte Feststoffpartikel und/oder in Flüssigkeit eingeperlte Gasblasen. Zum Messen des Massendurchflusses umfasst das Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät 1 einen Messaufnehmer 10 vom Vibrationstyp sowie eine, wie in 2 gezeigt, mit dem Messaufnehmer 10 elektrisch verbundene Messgerät-Elektronik 50. Zur Unterbringung der Messgerät-Elektronik 50 ist ferner ein von außen Messaufnehmer 10 angebrachtes Elektronikgehäuse 200 vorgesehen.
Zum Erfassen des Massendurchflusses m werden mittels des im Betrieb von der Messgerät-Elektronik 50 zu Vibrationen angeregten Messaufnehmers 10 im hindurchströmenden Fluid Corioliskräfte erzeugt, die vom Massendurchfluß m abhängig sind und die auf den Messaufnehmer 10 messbar, also sensorisch erfassbar und elektronisch auswertbar, zurückwirken. Neben der Erzeugung Massendurchfluß-Messwert X_m dient das Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät ferner dazu, eine Dichte ρ des strömenden Mediums zu messen und einen die Dichte ρ momentan repräsentierenden Dichte-Messwert X_ρ zu ermitteln.
Vorzugsweise ist die Messgerät-Elektronik 50 ferner so ausgelegt, daß sie im Betrieb des Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät 1 mit einer diesem übergeordneten Messwertverarbeitungseinheit, beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), einem Personalcomputer und/oder einer Workstation, via Datenübertragungssystem, beipielsweise einem Feldbussystem, Meß- und/oder andere Betriebsdaten austauschen kann. Des weiteren ist die Messgerät-Elektronik 50 so ausgelegt, dass sie von einer externen Energieversorgung, beispeilsweise auch über das vorgenannte Feldbussystem, gespeist werden kann. Für den Fall, daß das Vibrations-Meßgerät für eine Ankopplung an einen Feldbus vorgesehen ist, weist die, insb. programmierbare, Meßgerät-Elektronik 50 eine entsprechende Kommunikations-Schnittstelle für eine Datenkommunikation auf, z. B. zum Senden der Meßdaten an eine übergeordnete speicherprogrammierbare Steuerung oder ein übergeordnetes Prozeßleitsystem, auf.
In den 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer als Messaufnehmer 10 dienenden physikalisch-elektrischen Wandleranordnung vom Vibrations-Typ gezeigt. Der Aufbau und die Funktionsweise einer derartigen Wandleranordnung ist dem Fachmann an und für sich bekannt und z. B. auch in der US-A 60 06 609 ausführlich beschrieben.
Zum Führen des zu messenden Fluids umfasst der Messaufnehmer 10 wenigstens ein ein Einlassende 11 und ein Auslassende 12 aufweisendes Messrohr 13 von vorgebbarem, im Betrieb elastisch verformbarem Messrohrlumen 13A und von vorgebbarer Nennweite. Elastisches Verformen des Messrohrlumens 13A bedeutet hier, dass zum Erzeugen von fluidinternen und somit das Fluid beschreibenden Corioliskräften eine Raumform und/oder eine Raumlage des Messrohrlumens 13A innerhalb eines Elastizitätsbereiches des Messrohrs 13 in vorgebbarer Weise zyklisch, insb. periodisch, verändert wird, vgl. z. B. die US-A 48 01 897, die US-A 56 48 616, die US-A 57 96 011 und/oder die US-A 60 06 609. Es sei an dieser Stelle ferner ausdrücklich darauf verwiesen, dass, obwohl der Meßaufnehmer im Ausführungsbeispiel lediglich ein einziges, gerades Meßrohr umfaßt, zur Realisierung der Erfindung anstelle eines solchen Messaufnehmers vom Vibrationstyp praktisch jeder der im Stand der Technik beschriebenen Corioils-Massendurchfluß-Messaufnehmer verwendet werden kann, insb. ein solcher vom Biegeschwingungstyp mit ausschließlich oder zumindest anteilig in einem Biegeschwingungsmode vibrierendem, gebogenem oder geradem Messrohr. Im besonderen eigenen sich beispielweise Meßaufnehmer vom Vibrationstyp mit zwei parallel vom zu messenden Medium durchflossenen, gebogenen Meßrohren, wie sie beispielsweise auch in der EP-A 1 154 243, der US-A 53 01 557, der US-A 57 96 011, der US-B 65 05 519 oder der WO-A 02/37063 ausführlich beschrieben sind. Weitere geeignete Ausführungsformen für solche als Messaufnehmer 10 dienende Wandleranordnungen sind z. B. der WO-A 02/099363, der WO-A 02/086426, der WO-A 95/16 897, der US-A 56 02 345, der US-A 55 57 973 oder der US-A 53 57 811 entnehmbar. Als Material für das verwendete Messrohr 13 sind z. B. Titanlegierungen besonders geeignet. Anstelle von Titanlegierungen können aber auch andere für derartige, insb. auch für gebogene, Messrohre üblicherweise verwendete Materialien, wie z. B. rostfreier Stahl, Tantal oder Zirconium etc. eingesetzt werden.
Das Messrohr 13, das in der üblichen Weise einlass-seitig und auslass-seitig mit der das Fluid zu- bzw. abführenden Rohrleitung kommuniziert, ist in einen starren, insb. biege- und verwindungssteifen, Tragrahmen 14 schwingfähig eingespannt. Anstelle des hier gezeigten kastenförmigen Tragrahmens 14 können selbstverständlich auch andere geeignete Trägermittel, wie z. B. parallel oder koaxial zum Meßrohr verlaufende Rohre, verwendete werden.
Der Tragrahmen 14 ist am Messrohr 13 einlass-seitig mittels einer Einlassplatte 213 und ausslass-seitig mittels einer Auslassplatte 223 fixiert, wobei letztere beide jeweils von entsprechenden Verlängerungsstücken des Messrohrs 13 durchstoßen sind. Ferner weist der Tragrahmen 14 eine erste Seitenplatte 24 und eine zweite Seitenplatte 34 auf, welche beiden Seitenplatten 24, 34 jeweils derart an der Einlassplatte 213 und an der Auslassplatte 223 fixiert sind, dass sie praktisch parallel zum Messrohr 13 verlaufen und von diesem sowie voneinander beabstandet angeordnet sind, vgl. 3. Somit sind einander zugewandte Seitenflächen der beiden Seitenplatten 24, 34 ebenfalls parallel zueinander. Ein Längsstab 25 ist an den Seitenplatten 24, 34, vom Messrohr 13 beabstandet, fixiert, der als Schwingungen des Messrohrs 13 tilgende Auswuchtmasse dient. Der Längstab 25 erstreckt sich, wie in 4 dargestellt ist, praktisch parallel zur gesamten schwingfähigen Länge des Messrohrs 13; dies ist jedoch nicht zwingend, der Längstab 25 kann selbstverständlich, falls erforderlich, auch kürzer ausgeführt sein. Der Tragrahmen 14 mit den beiden Seitenplatten 24, 34, der Einlassplatte 213, der Auslassplatte 223 und dem Längsstab 25 hat somit eine Längsschwerelinie, die praktisch parallel zu einer das Einlassende 11 und das Auslassende 12 virtuell verbindenden Messrohr-Mittelachse 13B verläuft.
In den 3 und 4 ist durch die Köpfe der gezeichneten Schrauben angedeutet, dass das erwähnte Fixieren der Seitenplatten 24, 34 an der Einlassplatte 213, an der Auslassplatte 223 und am Längsstab 25 durch Verschrauben erfolgen kann; es können aber auch andere geeignete und dem Fachmann geläufige Befestigungsarten angewendet werden.
Für den Fall, dass der Messaufnehmer 10 lösbar mit der Rohrleitung zu montieren ist, ist dem Messrohr 13 einlass-seitig ein erster Flansch 19 und auslass-seitig ein zweiter Flansch 20 angeformt, vgl. 1; anstelle der Flansche 19, 20 können aber z. B. auch andere Rohrleitungs-Verbindungsstücke zur lösbaren Verbindung mit der Rohrleitung angeformt sein, wie z. B. die in 3 angedeuteten sogenannten Triclamp-Anschlüsse. Falls erforderlich kann das Messrohr 13 aber auch direkt mit der Rohrleitung, z. B. mittels Schweissen oder Hartlötung etc. verbunden werden bzw. sein
Zum Erzeugen der erwähnten Corioliskräfte wird das Messrohr 13 im Betrieb des Messaufnehmers 10, angetrieben von einer mit dem Messrohr gekoppelten elektro-mechanischen Erregeranordnung 16, bei einer vorgebbaren Schwingfrequenz, insb. einer natürlichen Resonanzfrequenz, im sogenannten Nutzmode vibrieren gelassen und somit in vorgebbarer Weise elastisch verformt, wobei die natürlichen Resonanzfrequenz auch von einer Dichte des Fluids abhängig ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das vibrierende Messrohr 13, wie bei solchen Wandleranordnungen vom Biegeschwingungs-Typ üblich, aus einer statischen Ruhelage räumlich, insb. lateral, ausgelenkt. Gleiches gilt praktisch auch für solche Wandleranordnungen, bei denen ein oder mehrere gebogene Messrohre Auslegerschwingungen um eine entsprechende, das jeweilige Einlass- und Auslassende imaginär verbindende Längsachse ausführen, oder auch für solche Wandleranordnungen, bei denen ein oder mehere gerade Messrohre lediglich Biegeschwingungen in einer einzigen Schwinungungsebene ausführen.
Die Erregeranordnung 16 dient dazu, unter Umsetzung einer von der Messgerät-Elektronik 50 eingespeisten elektrischen Erregerleistung P_exc eine auf das Messrohr 13 einwirkende Erregerkraft F_exc zu erzeugen. Die Erregerleistung P_exc dient praktisch lediglich zur Kompensation des über mechanische und fluidinterne Reibung dem Schwingungssystem entzogenen Leistungsanteils. Zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades ist die Erregerleistung P_exc möglichst genau so eingestellt, dass praktisch die Schwingungen des Messrohrs 13 im Nutzmode, z. B. die einer Grund-Resonanzfrequenz, aufrecht erhalten werden.
Zum Zwecke des Übertragens der Erregerkraft F_exc auf das Messrohr 13 weist die Erregeranordnung 16, wie in 5 dargestellt ist, eine starre, elektromagnetisch und/oder elektrodynamisch angetriebene Hebelanordnung 15 mit einem am Messrohr 13 biegefest fixierten Ausleger 154 und mit einem Joch 163 auf. Das Joch 163 ist an einem vom Messrohr 13 beabstandeten Ende des Auslegers 154 ebenfalls biegefest fixiert, und zwar so, dass es oberhalb des Messrohrs 13 und quer zu ihm angeordnet ist. Als Ausleger 154 kann z. B. eine metallische Scheibe dienen, die das Messrohr 13 in einer Bohrung aufnimmt. Für weitere geeignete Ausführungen der Hebelanordnung 15 sei an dieser Stelle auf die bereits erwähnte US-A 60 06 609 verwiesen. Die Hebelanordnung 15 ist T-förmig und so angeordnet, vgl. 5, dass sie etwa in der Mitte zwischen Einlass- und Auslassende 11, 12 auf das Messrohr 13 einwirkt, wodurch dieses im Betrieb mittig seine größte laterale Auslenkung erfährt.
Zum Antreiben der Hebelanordnung 15 umfasst die Erregeranordnung 16 gemäß 5 eine erste Erregerspule 26 und einen zugehörigen ersten dauermagnetischen Anker 27 sowie eine zweite Erregerspule 36 und einen zugehörigen zweiten dauermagnetischen Anker 37. Die beiden, elektrisch bevorzugt in Reihe geschalteten, Erregerspulen 26, 36 sind beiderseits des Messrohrs 13 unterhalb des Jochs 163 am Tragrahmen 14, insb. lösbar, so fixiert, dass sie mit ihrem jeweils zugehörigen Anker 27 bzw. 37 im Betrieb in Wechselwirkung stehen. Die beiden Erregerspulen 26, 36, können, falls erforderlich, selbstverständlich auch einander parallelgeschaltet sein. Wie in 3 und 5 dargestellt ist, sind die beiden Anker 27, 37 derart voneinander beabstandet am Joch 163 fixiert, dass im Betrieb des Messaufnehmers 10 der Anker 27 praktisch von einem Magnetfeld der Erregerspule 26 und der Anker 37 praktisch von einem Magnetfeld der Erregerspule 36 durchsetzt und aufgrund entsprechender elektrodynamischer und/oder elektromagnetischer Kraftwirkungen bewegt wird. Die mittels der Magnetfelder der Erregerspulen 26, 36 erzeugten Bewegungen der Anker 27, 37 werden vom Joch 163 und vom Ausleger 154 auf das Messrohr 13 übertragen. Diese Bewegungen der Anker 27, 37 sind so ausgebildet, dass das Joch 163 alternierend in Richtung der Seitenplatte 24 oder in Richtung der Seitenplatte 34 aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Eine entsprechende, zur bereits erwähnten Messrohr-Mittelachse 13B parallele Drehachse der Hebelanordnung 15 kann z. B. durch den Ausleger 154 verlaufen.
Der Tragrahmen 14 umfasst ferner eine mit den Seitenplatten 24, 34, insb. lösbar, verbundene Halterung 29 für die elektromechanische Erregeranordnung 16, insb. zum Haltern der Erregerspulen 26, 36 und ggf. einzelner Komponenten einer weiter unten genannten Magnetbremsanordnung 217.
Schließlich weist der Meßaufnehmer 1 ein Meßrohr und Tragrahmen umgebendes Meßaufnehmer-Gehäuse 100 auf, das diese vor schädlichen Umgebungseinflüssen schützt. Das Meßaufnehmer-Gehäuse 100 ist mit einem halsartigen Übergangsstück versehen, an dem das die Meßgeräte-Elektronik 50 einhausende Elektronik-Gehäuse 200 fixiert ist, vgl. 1.
Beim Messaufnehmer 10 des Ausführungsbeispiels bewirken die lateralen Auslenkungen des am Einlassende 11 und am Auslassende 12 fest eingespannten, vibrierenden Messrohrs 13 gleichzeitig eine elastische Verformung seines Messrohrlumens 13A, die praktisch über die gesamte Länge des Messrohrs 13 ausgebildet ist. Ferner wird im Messrohr 13 aufgrund eines über die Hebelanordnung 15 auf dieses wirkenden Drehmoments gleichzeitig zu den lateralen Auslenkungen zumindest abschnittsweise eine Verdrehung um die Messrohr-Mittelachse 13B erzwungen, so dass das Messrohr 13 praktisch in einem als Nutzmode dienenden gemischten Biegeschwingungs-Torsionsmode schwingt. Die Verdrehung des Messrohrs 13 kann dabei so ausgebildet sein, dass eine laterale Auslenkung des vom Messrohr 13 beabstandeten Ende des Auslegers 154 entweder gleich- oder entgegen-gerichtet zur lateralen Auslenkung des Messrohrs 13 ist. Das Messrohr 13 kann also Torsionsschwingungen in einem dem gleich-gerichteten Fall entsprechenden ersten Biegeschwingungs-Torsionsmode oder in einem dem entgegen-gerichtet Fall entsprechenden zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode ausführen. Dann ist beim Messaufnehmer 10 gemäss dem Ausführungsbeispiel die natürliche Grund-Resonanzfrequenz des zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmodes von z. B. 900 Hz annährend doppelt so hoch wie die des ersten Biegeschwingungs-Torsionsmodes.
Für den Fall, dass das Messrohr 13 betriebsmäßig Schwingungen lediglich im zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode ausführen soll, ist eine auf dem Wirbelstromprinzip beruhende Magnetbremsanordnung 217 in die Erregeranordnung 16 integriert, die dazu dient, die Lage der erwähnten Drehachse zu stabilisieren. Mittels der Magnetbremsanordnung 217 kann somit sichergestellt werden, dass das Messrohr 13 stets im zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode schwingt und somit allfällige äußere Störeinflüsse auf das Messrohr 13 nicht zu einem spontanen Wechsel in einen anderen, insb. nicht in den ersten, Biegeschwingungs-Torsionsmode führen. Einzelheiten einer solchen Magnetbremsanordnung sind in der US-A 60 06 609 ausführlich beschrieben.
Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, dass bei dem auf diese Weise gemäß dem zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode ausgelenkten Messrohr 13 die gedachte Messrohr-Mittelachse 13B geringfügig deformiert wird und somit bei den Schwingungen keine Ebene sondern eine schwach gewölbte Fläche aufspannt. Ferner weist eine in dieser Fläche liegende, vom Mittelpunkt der Messrohr-Mittelachse beschriebene Bahnkurve die kleinste Krümmung alter von der Messrohr-Mittelachse beschriebenen Bahnkurven auf.
Zum Detektieren der Verformungen des Messrohrs 13 umfasst der Messaufnehmer 10 ferner eine Sensoranordnung 60, die mittels wenigstens eines auf Vibrationen des Messrohrs 13 reagierenden ersten Sensors 17 ein diese repräsentierendes erstes, insb. analoges, Schwingungsmeß-Signal s1 erzeugt. Der Sensor 17 kann z. B. mittels eines dauermagnetischen Ankers gebildet sein, der am Messrohr 13 fixiert ist und mit einer vom Tragrahmen 14 gehalterten Sensorspule in Wechselwirkung steht. Als Sensor 17 sind besonders solche geeignet, die, basierend auf dem elektrodynamischen Prinzip, eine Geschwindigkeit der Auslenkungen des Messrohrs 13 erfassen. Es können aber auch beschleunigungsmessende elektrodynamische oder aber auch wegmessende resistive oder optische Sensoren verwendet werden. Selbstverständlich können auch andere dem Fachmann bekannte und für die Detektion solcher Vibrationen geeignete Sensoren verwendet werden. Die Sensoranordnung 60 umfasst ferner einen, insb. zum ersten Sensor 17 identischen, zweiten Sensor 18, mittels dem sie ein ebenfalls Vibrationen des Messrohrs 13 repräsentierdendes zweites Schwingungsmeß-Signal s2 liefert. Die beiden Sensoren 17, 18 sind bei dieser Ausgestaltung entlang des Messrohrs 13 voneinander beabstandet, insb. in einem gleichen Abstand von der Mitte des Messrohrs 13, so im Messaufnehmer 10 angeordnet, dass mittels der Sensoranordnung 60 sowohl einlass-seitige als auch auslassseitige Vibrationen des Messrohrs 13 örtlich erfasst und in die entsprechenden Schwingungsmeß-Signale s1 bzw. s2 abgebildet werden. Das erste und ggf. das zweite Schwingungsmeß-Signal s1 bzw. s2, die üblicherweise jeweils eine einer momentanen Schwingfrequenz des Messrohrs 13 entsprechende Signalfrequenz aufweisen, sind, wie in 2 gezeigt, der Messgerät-Elektronik 50 zugeführt.
Zum Vibrierenlassen des Messrohrs 13 wird die Erregeranordnung 16 mittels eines gleichfalls oszillierenden Erregerstroms i_exc von einstellbarer Amplitude und von einstellbarer Erregerfrequenz f_exc derart gespeist, dass die Erregerspulen 26, 36 im Betrieb von diesem durchflossen sind und in entsprechender Weise die zum Bewegen der Anker 27, 37 erforderlichen Magnetfelder erzeugt werden. Der Erregerstrom i_exc kann z. B. sinusförmig oder rechteckförmig sein. Die Erregerfrequenz f_exc des Erregerstroms i_exc ist beim im Ausführungsbeispiel gezeigten Meßaufnehmer vorzugsweise so gewählt und eingestellt, daß das lateral schwingende Messrohr 13 möglichst ausschließlich im zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode schwingt.
Zum Erzeugen und Einstellen des Erregerstroms i_exc umfaßt die Meßgerät-Elektronik 50 eine entsprechende Treiberschaltung 53, die von einem die einzustellende Erregerfrequenz f_exc repräsentierenden Frequenzstellsignal y_FM und von einem die einzustellende Amplitude des Erregerstroms i_exc repräsentierenden Amplitudenstellsignal y_AM gesteuert ist. Die Treiberschaltung kann z. B. mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators und eines nachgeschalteten Spannungs-zu-Stromwandler realisiert sein; anstelle eines analogen Oszillators kann aber z. B. auch ein numerisch gesteuerter digitaler Oszillator zum Einstellen des Erregerstroms i_exc verwendet werden.
Zum Erzeugen des Amplitudenstellsignals y_AM kann z. B. eine in die Meßgerät-Elektronik 50 integrierte Amplitudenregelschaltung 51 dienen, die anhand der momentanen Amplitude wenigstens eines der beiden Sensorsignale s₁, s₂ sowie anhand eines entsprechenden konstanten oder variablen Amplitudenreferenzwerts W₁ das Amplitudenstellsignal y_AM aktualisiert; ggf. kann auch eine momentane Amplitude des Erregerstroms i_exc zur Generierung des Amplitudenstellsignals y_AM hinzugezogen werden. Derartige Amplitudenregelschaltungen sind dem Fachmann ebenfalls bekannt. Als ein Beispiel für eine solche Amplitudenregelschaltung sei nochmals auf Coriolis- Massedurchflußmesser der Serie "PROMASS I" verwiesen. Deren Amplitudenregelschaltung ist bevorzugt so ausgeführt, daß die lateralen Schwingungen des Meßrohrs 13 auf eine konstante, also auch von der Dichte, ρ, unabhängige, Amplitude geregelt werden.
Des weiteren kann das Frequenzstellsignal y_FM von einer entsprechenden Frequenzregelschaltung 52 geliefert werden, die dieses z. B. anhand wenigstens des Sensorsignals s₁ sowie anhand einer als ein entsprechender Frequenzreferenzwert W₂ dienenden, frequenz-repräsentativen Gleichspannung aktualisiert.
Bevorzugt ist die Frequenzregelschaltung 52 und die Treiberschaltung 53 zu einer Phasen-Regelschleife zusammengeschaltet, die in der dem Fachmann bekannten Weise dazu verwendet wird, anhand einer Phasendifferenz, gemessen zwischen wenigstens einem der Sensorsignale s₁, s₂ und dem einzustellenden bzw. dem gemessenen Erregerstrom i_exc, das Frequenzstellsignal y_FM ständig auf eine momentane Resonanzfrequenz des Meßrohrs 13 abzugleichen. Der Aufbau und die Verwendung solcher Phasenregel-Schleifen zum Betreiben von Meßrohren auf einer ihrer mechanischen Resonanzfrequenzen ist z. B. in der US-A 48 01 897 ausführlich beschrieben. Selbstverständlich können auch andere, dem Fachmann bekannte Frequenzregelschaltungen verwendet werden, wie z. B. auch in der US-A 45 24 610 oder der US-A 48 01 897 beschrieben sind. Ferner sei hinsichtlich einer Verwendung solcher Frequenzregelschaltungen für Meßaufnehmer der beschriebenen Art auf die bereits erwähnte Serie "PROMASS I" verwiesen. Weitere als Treiberschaltung geeignete Schaltungen können beispielsweise auch der US-A 58 69 770 oder auch der US-A 65 05 519 entnommen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Amplitudenregelschaltung 51 und die Frequenzregelschaltung 52 mittels eines in der Meßgerät-Elektronik 50 vorgesehenen digitalen Signalprozessors DSP und mittels in diesen entsprechend implementierter und darin ablaufender Programm-Codes realisiert. Die Programm-Codes können z. B. in einem nichtflüchtigen Speicher EEPROM eines den Signalprozessor steuernden und/oder überwachenden Mikrocomputers 55 persistent oder aber auch permanent gespeichert sein und beim Starten des Signalprozessors DSP in einen, z. B. im Signalprozessors DSP integrierten, flüchtigen Datenspeicher RAM der Meßgerät-Elektronik 50 geladen werden. Für derartige Anwendungen geeignete Signalprozessoren sind z. B. solche vom Typ TMS320VC33, wie sie von der Firma Texas Instruments Inc. am Markt angeboten werden.
Es versteht sich praktisch von selbst, daß zumindest das Sensorsignal s₁ und ggf. auch das Sensorsignal s₂ für eine Verarbeitung im Signalprozessor DSP mittels entsprechender Analog-zu-digital-Wandler A/D in entsprechende Digitalsignale umzuwandeln sind, vgl. hierzu insb. die EP-A 866 319. Falls erforderlich, sind vom Signalprozessor ausgegebene Stellsignale, wie z. B. das Amplitudenstellsignal y_AM oder das Frequenzstellsignal y_FM, ggf. in entsprechender Weise digital-zu-analog zu wandeln.
Wie in 2 dargestellt, sind die Schwingunsmeßsignale x_s1, x_s2 ferner einer Meßschaltung 21 der Meßgerät-Elektronik zugeführt. Als Meßschaltung 21 können hierfür herkömmliche, insb. digitale, Meßschaltungen dienen, die den Massendurchfluß anhand der Schwingungsmeßsignale x_s1, x_s2 ermitteln, vgl. hierzu insb. die eingangs erwähnte WO-A 02/37063, WO-A 99/39164, die US-A 56 48 616, die US-A 50 69 074. Selbstverständlich können auch andere dem Fachmann bekannte, für Coriolis-Massedurchfluß-Meßgeräte geeignete Meßschaltungen verwendet werden, die Phasen- und/oder Zeitdifferenzen zwischen den Schwingunsmeßsignalen x_s1, x_s2 messen und entsprechend auswerten. In vorteilhafter Weise kann die Meßschaltung 21 ebenfalls mittels des Signalprozessor DSP realisiert sein.
Die zumindest anteilig als Durchflussrechner ausgebildete Meßschaltung 21 dient dazu, in der dem Fachmann an und für sich bekannten Weise anhand einer Phasendifferenz, die zwischen den beiden, ggf. vorab geeignet konditionierten, Schwingungsmeßsignalen x_s1, x_s2 detektiert ist, einen mit dem zu messenden Massenduchfluß korrespondierenden Meßwert zu ermitteln. Wie bereits eingangs erwähnt, können Inhomogenitäten im strömenden Medium, beispielsweise in Flüssigkeiten mitgeführte Gasblasen und/oder Feststoffpartikeln, dazu führen, daß dieser in herkömmlicher Weise unter Annahme eines homogenen Mediums ermittelte Meßwert noch nicht ausreichend genau mit dem tatsächlichen Massendurchfluß übereinstimmt, d. h. er muß dementsprechend korrigiert werden; dieser vorab bestimmte, vorläufig den Massendurchfluß repräsentierende oder zumindest mit diesem korrespondierende Messwert, der im einfachsten Fall die zwischen Schwingungsmeßsignalen x_s1, x_s2 bestehende und detektierte Phasendifferenz sein kann, wird daher im folgenden als ein erster Zwischenwert X'_m bezeichnet. Aus diesem erster Zwischenwert X'_m wiederum wird mittels der Auswerte-Elektronik 21 schließlich der den Massedurchfluß ausreichend genau repräsentierende Massendurchfluß-Meßwert X_m abgleitet.
Bereits im Stand der Technik ist hierzu diskutiert worden, daß sich solche Inhomogenitäten, bedingt durch das Meßprinzip, vornehmlich in einer Änderung der vom strömenden Medium gemessenen Dichte niederschlagen. Weiterführende Untersuchungen seitens der Erfinder führten dabei allerdings zu der überraschenden Erkenntnis, daß die Korrektur des Zwischenwerts X'_m, entgegen den Ausführungen im Stand der Technik, einerseits unter Verwendung weniger, sehr einfach zu bestimmender Korrekturfaktoren vorgenommen werden kann, die ohne weiteres von den mittels Coriolis- Massedurchflußmessern als Messwert ermittelter Strömungsparametern, insb. der gemessenen Dichte und/oder dem – hier vorläufig – gemessenen Massendurchfluß, und/oder von den im Betrieb von Coriolis-Massedurchflußmessern üblicherweise direkt gemessenen Betriebsparameter, insb. den gemessenen Schwingungsamplituden, Schwingungsfrequenzen und/oder dem Erregerstrom, selbst abgleitet werden können. Andererseits kann die Korrektur unter Verwendung des vorab bestimmten Dichte-Meßwerts X_ρ, und des vorab bestimmten Zwischenwerts X'_m mit einem Rechenaufwand durchgeführt werden, der im Vergleich zu den eingangs erwähnten eher komplexen Rechenverfahren sehr gering ausfällt.
Zum genauen Messen des Massendurchflusses wird mittels der Auswerte-Elektronik 2 vom Zwischenwert X'_m ein entsprechender Korrekturwert X_K abgeleitetet und der Massedurchfluß-Meswert X_m unter Anwendung des Korrekturwerts X_K auf den Zwischenwert X'_m, insb. digital, berechnet. Beispielsweise kann die Korrektur des praktisch auf herkömmliche Weise ermittelten Zwischenwerts X'_m basierend auf der Funktionsgleichung Xm = (1 + XK)·X'm (1)erfolgen.
Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung des momentan geeigneten Korrekturwerts X_K im Betrieb ein zweiter Zwischenwert X₂ ermittelt, der ein Maß für einen, insb. prozentualen oder realtiven, Anteil einer Phase, beispielsweise einer Gasphase oder einer Flüssigphase, des Mediums, repräsentiert und/oder eine Abweichung des zu messenden Fluids von der idealen Homogenität bzw. einen Grad der Inhomogenität repräsentiert. Der Korrekturwert X_K wird also von einer im Betrieb gemessenen oder an das Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät übermittelten Konzentration der Inhomogenitäten abgleitet.
Erfindungsgemäß ermittelt die Auswerte-Elektronik den Korrekturwert X_K, ausgehend vom Zwischenwert X₂, dadurch praktisch direkt, dass in der Auswerte-Elektronik eine eindeutige Beziehung zwischen dem aktuellen Zwischenwert X₂ und dem dazu passenden Korrekturwerts X_K abgebildet, insb. einprogrammiert, ist. Hierzu weist die Auswerte-Elektronik 2 ferner einen Tabellenspeicher 56 auf, in dem eine Vielzahl vorab, beispielsweise bei der Kalibrierung des Coriolis-Masseduchfluß-Meßgeräts, ermittelter digitaler Korrekturwerte X_K,i abgelegt ist. Auf diese Korrekturwerte X_K,i wird von der Messschaltung über eine mittels des momentan gültigen zweiten Zwischenwert X₂ abgeleitete Speicheradresse direkt zugegriffen. Als Tabellenspeicher 56 kann beispielsweise ein programmierbarer Festwertspeicher, also ein FPGA (field programmable gate array), ein EPROM oder ein EEPROM, dienen. Der Korrekturwert X_K kann hierbei z. B. dadurch in einfacher Weise ermittelt werden, daß der momentan ermittelte Zwischenwert X₂ mit entsprechenden im Tabellenspeicher eingetragenen Vorgabewerten für den Zwischenwert X₂ verglichen und daraufhin derjenige Korrekturwert X_K,i ausgelesen, also von der Auswerte-Elektronik 2 für die weitere Berechnung verwendet wird, der mit dem dem Zwischenwert X₂ am nähesten kommenden Vorgabewert korrespondiert. Die Verwendung eines solchen Tabellenspeicher für die Ermittlung des Korrekturwerts X_K hat u. a. den Vorteil, daß der Korrekturwert X_K nach der Berechnung des Zwischenwerts X₂ zur Laufzeit sehr rasch zur Verfügung steht.
Neben der Ermittlung des Korrekturwerts X_K kann der Zwischenwert X₂ desweiteren in vorteilhafter Weise ferner z. B. auch dazu verwendet werden, den Grad der Inhomogenität des Fluids oder davon abgeleitet Meßwerte, wie z. B. einen prozentualen Luftgehalt im Fluid oder einen Volumen- Mengen- oder Massenanteil von im Fluid mitgeführten Feststoff-Partikeln, z. B. vor Ort oder in einer entfernten Leitwarte visuell wahrnehmbar, zu signalisieren.
Unter Auswertung einer Anzahl von zeitlichen Amplitudenverläufen der Schwingungsmeßsignale sowie des Erregerstroms i_exc, die während an verschiedenen, in vorbestimmter Weise gestörten Flüssigkeiten durchgeführten Messungen aufgenommenen wurden, hat sich ferner gezeigt, daß sowohl der Erregerstrom i_exc als auch die Schwingungsmeßsignale x_s1, x_s2 zum einen, trotz im wesentlichen gleichbleibender Bedingungen, also z. B. bei stationär strömender Flüssigkeit mit konstanter Dichte und Viskosität und mit einem weitgehend konstant gehaltenen Anteil an mitgeführten Luftblasen, über die Zeit in erheblichem Maße schwanken kann. Zum anderen aber wurde auch festgestellt, daß der in praktisch nicht vorherbestimmbarer Weise schwankende Erregerstrom i_exc bzw. die Schwingungsmeßsignale x_s1, x_s2, insb. deren Amplituden, jeweils eine empirische Standardabweichung bzw. eine empirische Streuung s_p aufweisen können, die sehr stark mit dem Grad der Inhomogenität korreliert sind. Dementsprechend wird der Zwischenwert X₂ gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung als Funktion der Streuungen s_p der für die konkrete Anwendung gewählten Strömungs- und/oder Betriebsparameter ermittelt, d. h. es soll gelten X2 = f(sp) (2)
Dabei kann der Zwischenwert X₂ sowohl anhand der Streuung eines einzigen Strömungs- und/oder Betriebsparameters, beispielsweise des Erregerstroms, als auch anhand einer Kombination mehrerer Strömungs- und/oder Betriebsparameter ermittelt werden.
Die Berechnung der jeweiligen Streuung s_p zum Zwecke der Ermittlung des Zwischenwerts X₂ kann im Betrieb des Coriolis-Massedurchfluß-Meßgeräts 1 anhand eines Samplings AF von m Messwerten a_i des gewählten Strömungsparameters, beispielsweise des Zwischenwerts X_K oder des Dichte-Meßwerts X_ρ, oder des gewählten Betriebsparameters, beispielsweise des Erregerstroms i_exc oder einem der Schwingungsmesssignale x_s1, x_s2 oder dergleichen, gemäß der bekannten Funktion:
erfolgen, wobei ā dem für das Sampling AF geschätzten Mittelwert entspricht. Die einzelnen Messwerte a_i können hierzu z. B. im flüchtigen Datenspeicher RAM digital abgelegt sein. Falls erforderlich, kann das der Ermittlung der Streuung s_p dienende Sampling AF z. B. auch eine in entsprechender Weise abgespeicherte Abtastfolge eines Amplitudenverlaufs eines analog gemessenen Betriebsparameters, beispielsweise ein Abschnitt einer digitalisierten Hüllkurve des Erregerstroms i_exc oder eines der Schwingungsmesssignale x_s1, x_s2 sein.
Untersuchungen haben gezeigt, daß für eine hinreichend genaue Schätzung der Streuung s Samplings AF von nur relativ geringer Mächtigkeit, m, z. B. von jeweils etwa 100 bis 1000 Messwerten a_i, erforderlich sind, wobei die einzelnen Messwerte auch nur innerhalb eines sehr schmalen Abtastfenster oder Zeitintervalls von etwa 1 bis 2 Sekunden abgetastet sein müssen. Dementsprechend wäre auch eine relativ niederige Abtastfrequenz in der Größenordnung von wenigen Kilohertz, z. B. etwa 1 bis 5 kHz ausreichend.
Es hat sich ferner gezeigt, daß sich der Zwischenwert X_K für zahlreiche Anwendungen als Lösung einfacher, insb. linearer oder quadratischer, Funktionen mit dem Zwischenwert als Argument ermitteln lässt, so dass zur Ermittlung der abzuspeichernden Vorgabwerte für den Zwischenwert X_K einige wenige naß kalibrierte Meßpunkte ausreichen, um den Tabellenspeicher durch einfache Interpolations- und/oder Extrapolationsverfahren, z. B. unter Anwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, praktisch ohne weitere Kalibriermessungen mit den restlichen Vorgabewerten auffüllen zu können. Für einige Anwendungen hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Vorgabewerte für den Zwischenwert X_K als Lösung einer Arcustangens-Funktion oder einer Sigmodal-Funktion zu berechen. Zur Reduzierung des Kalibrieraufwands kann die Ermittlung der Vorgabwerte für den Zwischenwert X_K in vorteilhafter Weise im Rahmen einer Typkalibrierung durchgeführt werden, bei der wenige tatsächlich gemessene und ggf. auch berechnete Vorgabewerte für typgleiche Coriolis-Massedurchfluß-Meßgerät übernommen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mittels der Auswerte-Elektronik anhand des Dichte-Meßwerts X_ρ und anhand eines vorab bestimmten oder zeitnah gemessenen Referenzdichte-Wert K_ρ, der beispielsweise als konstanter Wert bei der Inbetriebnahme des Coriolis-Massedurchflußmesser abgespeichert oder im Betrieb von extern an den Coriolis-Massedurchflußmesser übermittelt werden kann, eine Abweichung Δρ der Dichte ρ des Mediums von einer vorgegebenen Referenzdichte bestimmt. Zur Erzeugung des Korrekturwerts X_K wird die so ermittelte Abweichung Δρ mit dem zweiten Zwischenwert X₂ basierend auf der Funktionsgleichung XK = Δρ·X2 (4)verrechnet.
Der Referenzdichte-Wert K_ρ kann in Kenntnis des zu messenden Fluids manuell, beispielsweise vor Ort oder von einer entfernten Leitwarte aus, eingegeben oder von einem externen Dichtemsser an die Meßgerät-Elektronik, beispielsweise via Feldbus, gesendet werden.
Er kann aber auch direkt mittels der Auswerte-Elektronik 21 für das Fluid vorab ermittelt werden, beispielsweise dann, wenn das Fluid einphasig oder zumindest weitgehend homogen ist. Dementsprechend wird daher nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Referenzdichte-Wert K_ρ unter Verwendung eines ebenfalls in der Meßgerät-Elektronik gespeicherten Dichte-Meßwerts X_ρ,0 ermittelt, wobei der gespeicherte Dichte-Meßwerts X_ρ,0 eine Dichte des Mediums repräsentiert, die bei homogenen Medium oder bei als homogen angenommen Medium gemessen worden ist. Nach einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der als Referenzdichte-Wert K_ρ abgespeicherte Dichte-Meßwerts X_ρ,0 zur nachträglichen Korrektur eines zuvor bei inhomogenem Medium ermittelten Zwischenwert X'_m verwendet. Diese Ausgestaltung der Erfindung kann in besonders vorteilhafter Weise z. B. bei einem Dosier- oder Abfüllprozeß eingesetzt werden, bei dem einerseits innerhalb einer Charge in kurzer zeitlicher Abfolge in erheblichem Maße voneinander verschiedene Strömungsbedingungen im Meßrohr herrschen, insb. auch bei nicht vollständig befülltem Meßrohr, und bei dem aber andererseits vornehmlich der über eine gesamte Charge totalisierten Massendurchfluß, letztlich aber die Gesamtmasse des tatsächlich abgefüllten Mediums von Interesse ist.
Die vorgenannten, dem Erzeugen des Massendurchfluß-Meßwertes X_m dienenden Funktionen, symbolisiert durch die Gl. (1) bis (4), können zumindest teilweise in einer Auswerte-Stufe 54 der Meßgerät-Elektronik 50 implementiert sein. Die Auswerte-Stufe 54 kann in vorteilhafter Weise z. B. ebenfalls mittels des Signalprozessors DSP oder z. B. auch mittels des oben erwähnten Mikrocomputers 55 realisiert sein. Das Erstellen und Implementieren von entsprechenden Algorithmen, die mit den vorbeschriebenen Gleichungen korrespondierenden oder die die Funktionsweise der Amplitudenregelschaltung 51 bzw. der Frequenzregelschaltung 52 nachbilden, sowie deren Übersetzung in solchen Signalprozessoren ausführbaren Programm-Codes ist dem Fachmann an und für sich geläufig und bedarf daher keiner detailierteren Erläuterung. Selbstverständlich können vorgenannte Gleichungen auch ohne weiteres ganz oder teilweise mittels entsprechender diskret aufgebauter, analoger und/oder digitaler Rechenschaltungen in der Meßgerät-Elektronik 50 dargestellt werden.

Claims

Coriolis-Massedurchflußmesser, insb. Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemesser, zum Messen eines Massedurchflusses eines zwei- oder mehrphasigen Mediums, das in einer Rohrleitung strömt, welcher Coriolis-Massedurchflußmesser umfaßt: – mindestens ein in den Verlauf der Rohrleitung eingesetztes Meßrohr (11), das im Betrieb vom Medium durchströmt ist, – ein Trägermittel (12), das an einem einlaßseitigen Ende und einem auslaßseitigen Ende des Meßrohrs (11) fixiert ist und dieses somit schwingfähig einspannt, – eine Erregeranordnung (13), die das Meßrohr (11) im Betrieb in mechanische Schwingungen, insb. Biegeschwingungen, versetzt, – Schwingungsensoren (141, 142) zum Erzeugen – eines einlaßseitige Schwingungen des Meßrohrs (11) repräsentierenden ersten Schwingungsmeßsignals (x_s1) sowie – eines auslaßseitige Schwingungen des Meßrohrs (11) repräsentierenden zweiten Schwingungsmeßsignals (x_s2), sowie – eine Meß- und Betriebs-Elektronik (2), die – einen die Erregeranordnung (13) treibenden Erregerstrom (i_exc) und – einen Massedurchfluß-Meßwert (X_m) liefert, der einen zu messenden Massedurchfluß repräsentiert, – wobei die Meß- und Betriebs-Elektronik (2) – einen von den Schwingungsmeßsignalen (x_s1, x_s2) abgeleiteten, mit dem zu messenden Massedurchfluß korrespondierenden ersten Zwischenwert (X'_m) und einen Korrekturwert (X_K) für den ersten Zwischenwert (X'_m) erzeugt, sowie – anhand des ersten Zwischenwerts (X'_m) und des Korrekturwerts (X_K) den Massedurchfluß-Meßwert (X_m) ermittelt, – wobei die Meß- und Betriebs-Elektronik (2) den Korrekturwert (X_K) unter Verwendung wenigstens eines zweiten Zwischenwerts (X₂) erzeugt, – der von wenigstens einem der Schwingungsmeßsignale (x_s1, x_s2) und/oder vom Erregerestrom (i_exc) abgeleitet ist, und – der ein Maß für einen Anteil einer Phase des Mediums repräsentiert, – wobei die Meß- und Betriebs-Elektronik (2) – einen Tabellenspeicher (56) aufweist, in dem eine Vielzahl diskreter Vorgabewerte für den Korrekturwert (X_K) digital abgespeichert ist, und – zur Ermittlung des Korrekturwert (X_K) einen der Vorgabewerte verwendet, der unter Verwendung des zweiten Zwischenwerts (X₂) aus dem Tabellenspeicher (56) ausgelesen ist.
Coriolis-Massedurchflußmesser nach Anspruch 1, – bei dem die Auswerte-Elektronik (2) einen vom ersten und/oder vom zweiten Schwingungsmeßsignal (x_s1, x_s2) abgeleiteten, eine Dichte des Mediums repräsentierenden Dichte-Meßwert (X_ρ) liefert und – bei dem die Auswerte-Elektronik (2) den Korrekturwert (X_K) unter Verwendung des Dichte-Meßwerts (X_ρ) bestimmt.
Coriolis-Massedurchflußmesser nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Auswerte-Elektronik (2) mittels des zweiten Zwischenwerts (X₂) eine Speicheradresse für einen als momentaner Korrekturwert (X_K) dienenden Vorgabewert im Tabellenspeicher ermittelt.
Coriolis-Massedurchflußmesser nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zweite Zwischenwert (X₂) anhand einer zumindest für ein vorgegebenes Zeitintervall ermittelte Streuung einer Amplitude des Erregerstroms (i_exc), einer Amplitude der Schwingungsmeßsignale (x_s1, x_s2), einer Schwingungsfrequenz der Schwingungsmeßsignale (x_s1, x_s2), einer gemessenen Dichte und/oder des ersten Zwischenwerts (X'_m) ermittelt ist.
Coriolis-Massedurchflußmesser nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Auswerte-Elektronik (2) den Massedurchfluß-Meßwert (X_m) basierend auf der Funktionsgleichung Xm = (1 + XK)·X*m ermittelt.
Verfahren zum Erzeugen eines Massedurchfluß-Meßwerts (X_m), der einen Massedurchfluß eines in einer Rohrleitung strömenden Mediums repräsentiert, mittels eines Coriolis-Massedurchflußmessers, insb. Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemessers, welches Verfahren folgende Schritte umfaßt: – Bewirken von Schwingungen, insb. Biegeschwingungen, eines vom Medium durchströmten Meßrohrs (11) des Coriolis-Massedurchflußmessers zum Erzeugen von Corioliskräften, – Erfassen der Schwingungen des Meßrohrs (11) und Erzeugen eines einlaßseitige Schwingungen repräsentierenden ersten Schwingungsmeßsignals (x_s1) und eines auslaßseitige Schwingungen repräsentierenden zweiten Schwingungsmeßsignals (x_s2), – Entwickeln eines mit dem Massedurchfluß korrespondierenden ersten Zwischenwertes (X'_m) unter Verwendung der beiden Schwingungsmeßsignale (x_s1, x_s2), – Ermitteln eines zweiten Zwischenwerts (X₂), – Erzeugen eines Korrekturwertes (X_K) für den Zwischenwert (X'_m) mittels des zweiten Zwischenwerts (X₂), der ein Maß für einen Anteil einer Phase des Mediums repräsentiert, sowie – Korrigieren des Zwischenwertes (X'_m) mittels des Korrekturwertes (X_K), – wobei der Korrekturwert (X_K) unter Verwendung des zweiten Zwischenwerts (X₂) und unter Verwendung eines Tabellenspeichers, in dem eine Vielzahl diskreter Vorgabewerte für den Korrekturwert (X_K) digital abgespeichert ist, dadurch ermittelt wird, daß der momentan zu verwendende Vorgabewert für den Korrekturwert (X_K) anhand des zweiten Zwischenwerts (X₂) identifiziert und aus dem Tabellenspeicher ausgelesen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 das folgende weiteren Schritte umfaßt: – Entwickeln eines eine Dichte des Mediums repräsentierenden zweiten Meßwerts (X_ρ) anhand der Meßsignale (x_s1, x_s2) und – Entwickeln eines Korrekturwertes (X_K) unter Verwendung des zweiten Meßwerts (X_ρ).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, das folgende weiteren Schritte umfaßt: – Fließenlassen eines Erregerestroms (i_exc) durch eine mit dem Messrohr (11) mechanisch gekoppelte elektro-mechanische Erregeranordnung (13) zum Bewirken von Schwingungen des Meßrohrs (11), und – Ermitteln eines zweiten Zwischenwerts (X₂) unter Berücksichtigung des Erregerestroms (i_exc).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der zweite Zwischenwert (X₂) wenigstens eine für ein vorgegebenes Zeitintervall ermittelte Streuung eines für das in der Rohrleitung strömende Mediums ermittelten Messwerts, insb. eines gemessenen Massedurchflusses, einer gemessenen Dichte oder einer gemessenen Viskosität, und/oder eine für ein vorgegebenes Zeitintervall ermittelte Streuung eines Betriebsparameters des Coriolis-Massedurchflußmessers, insb. einer Amplitude der Schwingungsmeßsignale (x_s1, x_s2) oder einer Schwingungsfrequenz der Schwingungsmeßsignale (x_s1, x_s2), repräsentiert.