-
Die
Erfindung betrifft eine Messeinrichtung vom Vibrationstyp, mit einer
Erregeranordnung, die eine zeitabhängige Kraft F (ω, ψF) auf ein von einem Medium durchströmbares
Messrohr ausübt und dadurch das Messrohr in Schwingungen
versetzt.
-
Bei
einer gattungsgemäßen Messeinrichtung vom Vibrationstyp
kann eine Erregeranordnung vorhanden sein, die eine zeitabhängige
Kraft F (ω, ψF) mit mindestens
einer sinusoidalen, beispielsweise harmonischen, oder auch nicht
sinusoidalen, also anharmonischen, Komponente mit einstellbarer
Anregungsfrequenz ω auf ein von einem Medium durchströmbares
Messrohr ausübt und dadurch das Messrohr in Schwingungen
versetzt, sowie weiterhin ein erster und ein zweiter Messwertaufnehmer,
die an unterschiedlichen Stellen am Messrohr angebracht sind und
ein erstes bzw. ein zweites Messsignal S1 (ω, ψS1) bzw. S2 (ω, ψS2) ausgeben, sowie weiterhin eine Auswerteeinheit,
die eine erste Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten
Messsignal bestimmt und daraus eine Messgröße
des Mediums ermittelt, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung
vom Vibrationstyp, bei der von einer Erregeranordnung eine zeitabhängige,
periodische Kraft F (ω, ψF)
auf ein von einem Medium durchströmbares Messrohr ausgeübt und
dadurch das Messrohr in Schwingungen versetzt wird, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 9.
-
Gattungsgemäße
Messeinrichtungen vom Vibrationstyp werden auch als Coriolis-Durchflussmessaufnehmer
bezeichnet. Mit ihnen kann der Durchfluss eines das Messrohr durchströmenden
fluiden Mediums gemessen werden. Es können auch, entweder
in Ergänzung zum Durchfluss oder allein, andere Parameter
des Mediums gemessen werden, wie beispielsweise die Viskosität
oder die Dichte des Mediums.
-
Ein
Coriolis-Durchflussmessaufnehmer hat eine Frequenzcharakteristik
mit einer stark ausgeprägten Resonanzfrequenz ω0 bzw. f0 (bekanntermaßen
ist der Zusammenhang zwischen ω0 und
f0 gegeben durch die Beziehung ω0 = 2Π × f0)
bei der balancierten Mode. Die Ermittlung der Messgröße
erfolgt vorteilhafterweise bei Anregung mit dieser Resonanzfrequenz,
da die Amplituden der gemessenen Signale bei der Resonanzfrequenz
maximal sind.
-
Die
Resonanzfrequenz f0 verschiebt sich aber
im realen Betrieb des Coriolis-Durchflussmessaufnehmers aufgrund äußerer
und innerer Einflüsse, in erster Linie mit der Dichte ρ des
Mediums innerhalb des Messrohrs. Weiter kann sich die Resonanzfrequenz
f0 auch als Funktion der Temperatur und
anderer Umgebungsbedingungen verändern.
-
Daher
haben Coriolis-Durchflussmessaufnehmer eine Steuer- und Auswerteelektronik,
deren Ziel es ist, das System immer bei der Resonanzfrequenz f0 anzuregen.
-
In
einer Applikation, wie sie beispielsweise in der
DE 10 2007 059 804 gezeigt ist,
wird die Anregung durch eine Torsion in der Mitte des Messrohrohres
bewirkt.
-
Symmetrisch
zur Anregung (strömungsauf- und abwärts) befinden
sich Sensoren (S1 und S2),
die die Auslenkungen des Messrohres registrieren und so die Anregungsfrequenz
f aufnehmen und mit denen die Phasenverschiebung dieser Punkte zur
Anregung gemessen werden. Die Bedingung für die Resonanz
des Systems ist erreicht, sobald der Strom durch den Aktor IAktor und die mittlere Phasenverschiebung
der Sensorsignale in Phase liegen. Der Strom durch den Aktor ist
bei den als Aktor oft verwendeten Tauchankergebern ein Maß für
die Kraft der Anregung.
-
Die
eigentliche Messgrösse des Coriolis-Durchflussmessaufnehmers
ist die Phasenverschiebung f zwischen den Sensorsignalen S1 und S2 (strömungsauf-
und abwärts zur Anregung) bei der Anregung bei der Resonanzfrequenz
f0. Dieses Signal entspricht dem Massendurchflusses
(m') des Coriolis-Durchflussmessaufnehmers.
-
Wenn
eine andere Messgröße, beispielsweise die Viskosität
des Messmediums, erfasst werden soll, wird unter Umständen
nur ein Sensor benötigt. Es wird dann beispielsweise die
Dämpfung des Sensorsignals gemessen und daraus die Viskosität
ermittelt, oder es könnte auch die Änderung der
Phasenlage des einen Sensorsignals bezogen auf die Anregende Kraft
gemessen werden, und daraus dann die Viskosität oder auch
die Dichte ermittelt werden.
-
Allen
Messverfahren ist jedoch heute gemeinsam, dass man möglichst
bei der Resonanzfrequenz messen möchte.
-
Um
die Resonanzfrequenz bei einer Änderung im System nachzuführen,
steuert ein Regelkreis bei bekannten Coriolis-Durchflussmessaufnehmern die
Anregungsfrequenz so lange, bis die Resonanzbedingung erfüllt
ist, d. h., bis der Mittelwert der Phasen der Sensorsignale in Phase
mit dem Strom der Anregung ist. Bei einem Viskositätsmessgerät
mit nur einem Sensor würde entsprechend die Frequenz so lange
gesteuert, bis die Phase des einen Sensorsignals in Phase mit dem
Strom der Anregung ist. Dazu muss die Frequenz variiert werden,
bis die Phasen der Signale die Bedingung erfüllen.
-
Dieser
Vorgang benötigt aber aufgrund innerer mechanischer Ausgleichs-
oder Relaxationsprozesse eine gewisse Zeit. Wenn eine neue Frequenz angelegt
wird, so schwingt das Gerät noch eine Zeit lang mit der
der alten Frequenz zugehörigen Phase, und es dauert eine
gewisse Zeit, bis dieser „verschobene Anteil” der
mechanischen Schwingung durch Dämpfung verschwunden ist.
Bis man die der neuen Frequenz zugehörige neue Phase zuverlässig
messen kann, muss man also etwas warten, und zwar um so länger,
je besser die Güte des Systems ist. Die Geschwindigkeit,
mit der die Eigenfrequenz nachgeführt werden kann, ist
also durch die mechanische Relaxation des Systems begrenzt.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße
Messeinrichtung vom Vibrationstyp anzugeben, bei der die Nachführung der
Resonanzfrequenz beschleunigt ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb
einer Messeinrichtung vom Vibrationstyp anzugeben, durch das ein
schnelles Nachführen der Resonanzfrequenz gewährleistet
ist.
-
Die
Aufgabe wird hinsichtlich der Messeinrichtung erfindungsgemäß gelöst
durch eine gattungsgemäße Messeinrichtung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich des
Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren
gemäß Anspruch 9.
-
Erfindungsgemäß also
umfasst die Messeinrichtung einen Phasenkomparator, der eine Phasenverschiebung Δψ zwischen
der Kraft F und einem Sensorsignal oder dem Mittelwert aus wenigstens
einem ersten und zweiten Sensorsignal S1 (ω, ψS1) bzw. S2 (ω, ψS2) bestimmt, sowie einen Frequenzgenerator,
der die Anregungsfrequenz ω und/oder die Phase ψF der Kraft F in Abhängigkeit von
der Phasenverschiebung Δψ einstellt. Vorteilhafterweise
sind die Anregungsfrequenz ω und/oder die Phase ψF der Kraft F so gesteuert, dass die Frequenz
des Systems der Eigenfrequenz entspricht und die Phasendifferenz
zwischen dem Sensorsignal oder dem Mittelwert aus dem wenigstens
ersten und zweiten Sensorsignal und der Kraft F zu Null wird.
-
Als
Sensorsignal eignet sich dazu insbesondere eine verallgemeinerte
Geschwindigkeit. Damit ist folgendes gemeint. Übliche Sensoren,
die bei gattungsgemäßen Messeinrichtungen vom
Vibrationstyp verwendet werden, messen ein verallgemeinertes Wegsignal,
nämlich beispielsweise die Auslenkung der Rohrwand. Im
Resonanzfall ist dieses verallgemeinerte Wegsignal, die Auslenkung,
maximal. Die Phasenverschiebung zwischen der anregenden Kraft und
dem verallgemeinerten Wegsignal beträgt im Resonanzfall –90°.
Wird nun als Sensorsignal anstatt des verallgemeinerten Wegsignals
ein verallgemeinertes Geschwindigkeitssignal genommen, also beispielsweise
die Ableitung der Auslenkung nach der Zeit, so ist der Resonanzfall
dadurch gekennzeichnet, dass dann die Phasenverschiebung zwischen
der anregenden Kraft und dem verallgemeinerten Geschwindigkeitssignal
zu Null wird.
-
Wie
oben bereits erwähnt, wird für die Messung des
Massendurchflusses in der Regel ein erster und ein zweiter Sensor
benötigt. Für die Messung von Dichte oder Viskosität
reicht ein Sensor aus. Dieser eine Sensor könnte einer
der beiden zur Durchflussmessung verwendeten Sensoren sein. Es könnte
allerdings auch ein separater Sensor sein. Ein Gerät, mit
dem sowohl Massendurchfluss, als auch Dichte und/oder Viskosität
gemessen werden, könnte dann also drei oder auch mehr Sensoren
aufweisen. Die erfindungsgemäße und weiter unten
genauer an dem lediglich als exemplarisch zu betrachtenden Beispiel
des Mittelwertes von zwei Sensoren beschriebene Regelung von Frequenz
und/oder Phase der Kraftanregung kann in Abhängigkeit von
nur einem Sensorsignal oder des Mittelwertes aus zwei oder drei
oder mehreren Sensorsignalen erfolgen.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltungsform umfasst die Messeinrichtung
also wenigstens einen ersten und einen zweiten Messwertaufnehmer,
die das erste bzw. zweite Messsignal S1 (ω, ψS1) bzw. S2 (ω, ψS2) ausgeben, und eine Auswerteeinheit, die
die Phasen zumindest eines Teils der Messsignale bestimmt.
-
In
einer weiterhin sehr vorteilhaften Ausführungsform ermittelt
die Auswerteeinheit dabei eine erste Phasenverschiebung f zwischen
dem ersten und zweiten Messsignal S1 (ω, ψS1) bzw. S2 (ω, ψS2) und bestimmt daraus eine Messgröße
des Mediums, beispielsweise den Massendurchfluss.
-
Bei
einem erfindungsgemäß zu verwendenden Frequenzgenerator
kann sowohl die Frequenz, die Amplitude und auch die Phase eingestellt
werden.
-
Damit
das System in der Resonanzfrequenz angeregt werden kann, wird die
Phasenverschiebung zwischen dem Anregungsstrom der Erregeranordnung,
die im Folgenden auch kurz Aktor genannt wird, und welcher ein Maß für
die Kraft ist, die der Aktor auf das Messrohr ausübt, und
dem Mittelwert der Signale der Sensoren gemessen.
-
Mit
diesem Messresultat kann direkt der Frequenzgenerator programmiert
werden und somit kann die Nachführung des Systems deutlich
schneller geschehen als mit einer Regelung nur über die Frequenz,
wie sie bisher im Stand der Technik bekannt ist.
-
Beim
Einstellen der neuen Frequenz kann nämlich gleichzeitig
die neue Phase des Anregungssignals eingestellt werden, so dass
die vorhandene verallgemeinerte Geschwindigkeit und die Anregung in
Phase sind. Daher muss man nicht warten, bis außer Phase
schwingende mechanische Oszillatoren ausgedämpft sind und
damit die mechanische Relaxation des Systems ausgeklungen ist.
-
Eine
abgewandelte Betriebsweise ist auch dahingehend möglich,
dass nur die Phase der anregenden Kraft eingestellt wird. Da der
Resonanzfall dadurch gekennzeichnet ist, dass die Phasenverschiebung
zwischen der Kraft und der verallgemeinerten Geschwindigkeit zu
Null wird, kann auch über eine reine Phaseneinstellung
die Resonanzbedingung sehr schnell erreicht werden.
-
Eine
erfindungsgemäße Messeinrichtung kann auch so
gestaltet sein, dass das Messsystem gezielt neben der Resonanzfrequenz
betrieben wird. Die Einstellung von Frequenz und/oder Phase der anregenden
Kraft erfolgt dann wie oben beschrieben, nur dass die Bedingung
lautet „stelle einen definierten, vorgebbaren Abstand zur
Resonanzfrequenz und/oder eine definierte, vorgebbare, von Null
verschiedene Phase ein”.
-
Der
Phasensprung kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform
dadurch realisiert werden, dass für einen Durchgang (ein
Sampling) des Oszillators ein Wert angelegt wird, der der Summe der
aktuellen Phasenlage und des zu generierenden Phasensprunges entspricht.
-
Der
Funktionsgenerator kann gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ein rückgekoppeltes System
sein, in etwa vergleichbar mit einem Infinite Impulse Response Filter
(IIR), das bei einer vorgegebenen Frequenz schwingt. Zusätzlich
kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
die Amplitude des Oszillators auf einem konstanten Wert gehalten
werden, indem die Summe der Quadrate des SIN- und COS-Ausgangs des
Frequenzgenerators so kontrolliert wird, dass dieser Wert immer
bei 1 liegt.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und
weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Anhand
der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, wird die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verbesserungen der Erfindung sowie weitere Vorteile näher erläutert
und beschrieben.
-
Es
zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Messeinrichtung 10. Diese umfasst ein Messrohr 1 und
eine Elektronikeinheit 9.
-
In
dem Messrohr 1 kann von einem Messrohreingang 1E zu
einem Messrohrausgang 1A in Richtung des Pfeiles P ein
fluides Medium strömen. Das Messrohr 1 verfügt
eingangs- und ausgangsseitig noch über weitere Anbauteile,
insbesondere über Flansche, mit denen es in ein Rohrleitungssystem
einer Prozessanlage eingebaut werden kann, beispielsweise in ein
Rohrleitungssystem einer chemischen Anlage oder einer Lebensmittelfabrik.
Zusätzlich können an dem Messrohr 1 auch
weitere Anbauteile, wie beispielsweise Balanzierungselemente oder
Teile eines Gehäuses angebracht sein. Alle diese Zusatzteile
sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
-
Etwa
in der Mitte des Messrohres 1 befindet sich eine Erregeranordnung 2,
auch als Aktor 2 bezeichnet. Diese regt das Messrohr 1 zu
mechanischen Schwingungen an. Oft wird die Erregeranordnung 2 durch
eine Tauchspule realisiert. Dann ist der Strom durch die Tauchspule
I(t) ein Maß für die Kraft, die der Aktor 2 auf
das Messrohr 1 ausübt. Der Aktor 2 kann
so auf das Messrohr 1 einwirken, dass eine Anregung des
Messrohres 1 zu Biegeschwingungen erfolgt, oder zu Torsionsschwingungen,
oder, ggf. im Zusammenwirken mit speziellen weiteren, hier nicht dargestellten,
Anbauteilen, zu kombinierten Biege- und Torsionsschwingungen. Die
Anregung erfolgt mit einer Anregungsfrequenz ω. Die Anregungsfrequenz ω wird
dem Aktor von einem Frequenzgenerator 7 vorgegeben, der
Teil der Elektronikeinheit 9 ist. Der Frequenzgenerator 7 wird
weiter unten noch näher besprochen. Das Stromsignal I(t)
des Aktors 2 hat eine gegenüber der Anregung verschobene
Phase ψI: I(t) = I(ω, ψI).
-
Symmetrisch
zu der Erregeranordnung 2 befindet sich strömungsaufωärts
ein erster Messwertaufnehmer 3 und strömungsabwärts
ein zweiter Messwertaufnehmer 4. Die Messwertaufnehmer 3, 4 werden
hier auch als Sensoren 3, 4 bezeichnet. Die Sensoren 3, 4 registrieren
die Auslenkungen des Messrohres 1 und die zeitliche Ableitung
der Auslenkung, also die Geschwindigkeit. Das Signal des Sensors 3 ist
hier mit S2 (ω, ψS2) bezeichnet. Es hat die Anregungsfrequenz ω,
ist aber gegenüber dem Anregungssignal um die Phase ψS2 phasenverschoben. Das Signal des Sensors 2 ist
hier mit S1 (ω, ψS1) bezeichnet. Es hat die Anregungsfrequenz ω,
ist aber gegenüber dem Anregungssignal um die Phase ψS1 phasenverschoben. Beide Sensorsignale
werden einer Auswerteeinheit 5, die Teil der Elektronikeinheit 9 ist,
zugeführt. In der Auswerteeinheit 5 wird eine
erste Phasenverschiebung φ = ψS2 – ψS1 gebildet. Diese ist die eigentliche Messgröße
des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes, sie entspricht
dem Massendurchfluss m' des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes.
In einer Anzeigeeinheit 8 wird aus der ersten Phasenverschiebung
der Massendurchfluss ermittelt und angezeigt bzw. über
eine (hier nicht dargestellte) Datenschnittstelle zur weiteren Verarbeitung
an ein Messwerterfassungs- oder Regelungssystem weitergegeben.
-
In
der Auswerteeinheit 5 wird darüber hinaus ein
Mittelwert der Phasen ψS2 und ψS1 der Sensoren 3, 4 gebildet.
In der Figur ist er beispielhaft angegeben als arithmetischer Mittelwert ψ = ½ (ψS2 + ψS1). Es
könnten aber auch andere Arten der Mittelwertbestimmung
zum Einsatz kommen, z. B. ein quadratischer Mittelwert.
-
Der
Mittelwert der Phasen ψS2 und ψS1 der Sensoren 3, 4 wird
einem Phasenkomparator 6 zugeführt. In dem Phasenkomparator 6 wird
die Differenz gebildet aus dem Mittelwert der Phasen ψS2 und ψS1 der
Sensoren 3, 4 und der Phase ψI des Stromsignals des Aktors 2.
-
Die
so gewonnene zweite Phasenverschiebung Δψ = ψ – ψI ist null, wenn die Frequenz ω,
mit der der Aktor 2 das Messrohr 1 anregt, der
Eigenfrequenz wo des mechanischen Systems entspricht.
-
Die
zweite Phasenverschiebung Δψ = ψ – ψI wird dem oben bereits erwähnten
Frequenzgenerator 7 zugeführt. Bei diesem kann
sowohl die Frequenz, die Amplitude und auch die Phase eingestellt
werden.
-
Der
Einstellvorgang läuft folgendermaßen ab. Zunächst
wird während der Zeitdauer eines Integrationsintervalls
T0 die zweite Phasenverschiebung Δψ = ψ – ψI ermittelt. Der Frequenzgenerator 7 bestimmt
eine neue Frequenz ω des Anregungssignals I(t) jetzt so,
dass die neue Phase des Anregungssignals um den Wert Δψ gegenüber
der ursprünglichen Phase verringert ist. Man kann auch
sagen, der Frequenzgenerator 7 bestimmt eine neue Frequenz ω des
Anregungssignals I(t) so, dass die neue Phase der Summe der aktuellen
Phasenlage und des zu generierenden Phasensprungs Δψ entspricht.
-
Die
so bestimmte neue Frequenz ω wird dem Anregungssignal nun
aufgeprägt, und während einer zweiten Zeitdauer
T1 wird wieder die zweite Phasenverschiebung Δψ = ψ – ψI ermittelt. Sollte sie noch nicht zu null
geworden sein, so wird der vorherige Schritt wiederholt.
-
Auf
diese Weise gelangt man mit sehr wenigen Iterationsschritten zu
einer Anregungsfrequenz, bei der das mechanische System in seiner
Eigenfrequenz wo schwingt. Denn beim Einstellen der neuen Frequenz
wird gleichzeitig die neue Phase so eingestellt, dass die zweite
Phasenverschiebung Δψ verschwindet und damit die
Frequenz ω, mit der der Aktor 2 das Messrohr 1 anregt,
der Eigenfrequenz wo des mechanischen Systems entspricht.
-
Der
Funktionsgenerator ist ein rückgekoppeltes System, in etwa
vergleichbar mit einem Infinite Impulse Response Filter (IIR), das
bei einer vorgegebenen Frequenz schwingt. Er hat dazu einen SIN- und
einen COS-Ausgang. Die Amplitude des Oszillators wird auf einem
konstanten Wert gehalten, indem die Summe der Quadrate des SIN-
und COS-Ausgangs des Frequenzgenerators 7 so kontrolliert
wird, dass dieser Wert immer bei 1 liegt.
-
- 1
- Messrohr
- 1E
- Messrohreingang
- 1A
- Messrohrausgang
- 2
- Erregeranordnung,
Aktor
- 3
- Sensor,
Messwertaufnehmer
- 4
- Sensor,
Messwertaufnehmer
- 5
- Auswerteeinheit
mit Mittelwertbildner
- 6
- Phasenkomparator
- 7
- Frequenzgenerator
- 8
- Anzeigeeinheit
- 9
- Elektronikeinheit
- 10
- Messeinrichtung
- P
- Strömungsrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-