DE4226391A1 - Verfahren zur Erkennung und Korrektur einer Nullpunktdrift bei einem Coriolis-Massenstrommesser - Google Patents
Verfahren zur Erkennung und Korrektur einer Nullpunktdrift bei einem Coriolis-MassenstrommesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Korrektur einer Nullpunkt
drift bei einem Massenstrommesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten
Verfahrens.
Bei Massenstrommessern, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten (vgl. z. B. DE-OS
30 07 361, 30 46 793, 37 39 383, 39 16 285, 38 29 058), wird ein Meßrohr oder
werden mehrere Meßrohre, die in einem Gestell fest eingespannt sind, zu Biegeschwin
gungen oder kombinierten Biege- und Torsionsschwingungen angeregt. Wird ein
solches Meßrohrsystem von einem Fluid durchströmt, entstehen Corioliskräfte, die an
der Innenwand des bewegten Meßrohres senkrecht zur Strömungsrichtung angreifen.
Durch die Wirkung dieser Corioliskräfte entstehen zwischen einlaufseitigem und
auslaufseitigem Teil des Schwingungssystems Phasenverschiebungen, die ein Maß für
den Massenfluß darstellen.
Da dieses Schwingungssystem seine mechanischen Eigenschaften abhängig von den
jeweiligen Betriebsbedingungen, sowie abhängig von äußeren und inneren Störungen
verändert, können Phasenverschiebungen auftreten, die unabhängig von einem Massen
fluß durch das Meßrohrsystem sind und denjenigen Phasenverschiebungen, die auf
grund eines Maßeflusses entstehen, überlagert sind. Mögliche Ursachen für solche
Veränderungen sind u. a. der Temperaturgradient zwischen Meßrohrsystem und Gestell,
Unsymmetrien in den Einspannungen der Meßrohre, mechanische Kopplungen zwi
schen Meßaufnehmer und Umwelt, Materialalterungen und in besonderem Maße
unerwünschte mechanische Kopplungen zwischen den verschiedenen Freiheitsgraden
des schwingenden Meßrohrsystems.
Die in einem Gestell eingespannten Meßrohre eines Coriolis- Massenstrommessers
sind konstruktionsbedingt statisch überbestimmte Systeme. Zwischen zwei verbundenen
Teilstücken eines Systems besteht mindestens immer eine Verbindung in Form einer
Dämpfung. Diese Verbindung führt zu einem Energiefluß von einem Teilstück in das
andere Teilstück. Ändert sich nun die Dämpfung in der Einspannung der Meßrohre, so
ändert sich deren Schwingungsverhalten. Deswegen können Phasenverschiebungen auf
treten, die sich dem eigentlichen Meßeffekt, nämlich der Phasenverschiebung aufgrund
Massenfluß überlagern. Diese zusätzlichen Phasenverschiebungen führen zu einer Null
punktdrift des Massenstrommessers.
Das Meßrohrsystem wird in einem bestimmten Freiheitsgrad mit seiner Resonanz
frequenz zu Schwingungen angeregt. Konstruktionsbedingt können die anderen Frei
heitsgrade des Meßrohrsystems ähnliche Resonanzfrequenzen haben. Besteht nun eine
Kopplung zwischen den Freiheitsgraden, die sich ändern kann, so ist ebenfalls eine
deutliche Veränderung des Schwingungsverhaltens des Meßrohrsystems zu erkennen,
die zu einer Nullpunktdrift des Massenstrommessers führt. Üblicherweise wird die
Phasenverschiebung nur in einer Schwingungsebene gemessen. Insbesondere bei
Massenstrommessern mit geraden Meßrohren ist jedoch eine starke Kopplung zwischen
den beiden, aufeinander senkrecht stehenden Schwingungsebenen der Meßrohre
wirksam. Durch Kopplungen kann Schwingungsenergie zwischen den Freiheitsgraden
übertragen werden. Die Schwingungssysteme besitzen eine große Güte, was sich durch
eine große Phasensteilheit im Resonanzfall zeigt. Da nun die anderen Freiheitsgrade
gegenüber dem angeregten Freiheitsgrad in gewissem Maße verstimmt sein können,
was insbesondere bei einem geraden Meßrohr immer der Fall ist, schwingen die
anderen Freiheitsgrade mit einer Phasendifferenz bezüglich des angeregten Freiheits
grades. Durch die große Phasensteilheit im Resonanzfall entstehen beträchtliche
Phasenverschiebungen zwischen dem angeregten Freiheitsgrad und den anderen mit
schwingenden Freiheitsgraden, woraus Nullpunktdriften resultieren.
Deswegen ist es notwendig, solche Veränderungen im Schwingungssystem zu
erfassen, um darauf aufbauend Korrekturfaktoren für den Nullpunkt und damit für den
Massenfluß zu bestimmen.
Bei bekannten Massenstrommessern dieser Art wird versucht durch zusätzliche
Vorrichtungen das Meßrohrsystem von der Umgebung zu entkoppeln (OS 38 29 059,
36 32 851). Nachteil dieser Lösung ist der hohe konstruktive Aufwand und die nur
teilweise Beseitigung der Nullpunktdrift, da beispielsweise Unsymmetrien in den
Einspannungen als Ursache für eine Nullpunktdrift dennoch wirksam bleiben.
Bei einem anderen gleichfalls bekannten Massenstrommesser (vgl. DE-
OS 37 38 018) wird die Phasenverschiebung nicht nur mit zwei Schwingungsauf
nehmern erfaßt, sondern mit zusätzlichen Schwingungsaufnehmern, so daß die Phasen
verschiebungen an verschiedenen Positionen der Meßrohre oder des Meßrohres ausge
wertet werden können. Hieraus können Unsymmetrien in den Einspannungen abge
schätzt werden. Nachteil dieser Lösung ist die nur teilweise Beseitigung der Nullpunkt
drift, da zwar Unsymmetrien erfaßt werden, nicht aber Verkopplungen zwischen den
Freiheitsgraden.
Desweiteren sind Massenstrommesser bekannt, die aus der Temperaturdifferenz
zwischen Meßrohr und Gestell Korrekturfaktoren für den Massenstrom ermitteln
(OS 36 32 851). Nachteil ist auch hier die nur teilweise Beseitigung der Nullpunktdrift,
da Unsymmetrien durch einlauf- und auslaufseitig unterschiedliche Bedämpfung des
Massenstrommessers nicht erfaßt werden, und zudem die zwischen zwei Punkten
gemessene Temperaturdifferenz nur ein grobes Abbild der Temperaturverteilung im
Massenstrommesser darstellt und somit zu Ungenauigkeiten vor allem bei thermisch
nicht eingeschwungenen Zustand des Massenstrommessers führt.
Das von der Erfindung gemäß Patentansprüchen gelöste Problem besteht darin,
Veränderungen des Schwingungssystems zu erkennen und durch charakteristische
Kenngrößen möglichst vollständig zu beschreiben und zur Korrektur des Massenflusses
zu verwenden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung zeigt weiterhin einen Weg für die Anwendung
des Verfahrens in der Massendurchflußmeßtechnik nach dem Coriolis-Prinzip. Beson
ders vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der
Unteransprüche gekennzeichnet.
Mit dem gemäß Patentanspruch 1 beschriebenen Verfahren können Veränderungen
im Schwingungssystem eines Coriolis-Massenstrommessers ermittelt werden durch
Erfassung zusätzlicher charakteristischer, vom Schwingungssystem abhängiger Größen,
insbesondere:
- - den absoluten Amplituden der Schwingungsaufnehmer;
- - den Differenzen der absoluten Amplituden der Schwingungsaufnehmer;
- - den absoluten Gleichanteilen der Signale der Schwingungsaufnehmer; dies entspricht der Ruhelage des Schwingungssystems; diese Erfassung wird ermöglicht durch eine spezielle Sensorik gemäß den Patentansprüchen;
- - der Differenz der absoluten Gleichanteile der Schwingungsaufnehmer;
- - den absoluten Amplituden und Gleichanteilen von Schwingungen die in anderen Freiheitsgraden des überbestimmten Schwingungssystems auftreten können und deren Differenz;
- - die Phasenverschiebung der Signale von Sensoren, die Schwingungen in einem anderen Freiheitsgrad erfassen.
Die in der Meßebene gemessene Phasendifferenz setzt sich aus mehreren Kom
ponenten zusammen:
Phasegemessen = PhaseMeßeffekt + K0 + K1 *Amplitude1 + K2 *Amplitude2 + K3 *
Gleichanteil1 + K4 *Gleichanteil2 + K5 * . . . usw.
mit Ki = Konstante i = 0, 1, 2, 3, . . . , n; n = Anzahl der zur Korrektur berücksich tigen Größen;
PhaseMeßeffekt = bekannt;
mit Ki = Konstante i = 0, 1, 2, 3, . . . , n; n = Anzahl der zur Korrektur berücksich tigen Größen;
PhaseMeßeffekt = bekannt;
Die Gewichtungsfaktoren Ki werden nun auf folgende Weise bestimmt:
Während der Massenstrommesser extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist, werden gemäß Fig. 1 die Phasenverschiebung in der Meßebene (1) und die gemäß Patent anspruch 1 notwendigen zusätzlichen Größen erfaßt. Der Massendurchfluß muß dabei Null oder bekannt sein.
Während der Massenstrommesser extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist, werden gemäß Fig. 1 die Phasenverschiebung in der Meßebene (1) und die gemäß Patent anspruch 1 notwendigen zusätzlichen Größen erfaßt. Der Massendurchfluß muß dabei Null oder bekannt sein.
Extreme Umwelteinflüsse können z. B. folgende sein:
- - Temperaturschwankungen der Umgebungstemperatur
- - Temperaturschwankungen des Fluids im Meßrohrsystem
- - Einseitige Erwärmung der Meßrohraufhängung
- - Veränderung der Aufhängung des Meßaufnehmers
- - Veränderung der Gehäusemasse durch Anbringen eines Gewichts
- - Allg.: Einflüsse die beim Betrieb des Massendurchflußmessers auftreten können usw.
Nun kann man mittels eines geeigneten mathematischen Verfahrens und den aufgenom
menen Meßreihen die Korrekturparameter Ki bestimmen, insbesondere mit dem
mathematischen Verfahren der Ausgleichsrechnung.
Mittels den gefundenen Gewichtungsfaktoren kann man nun eine Korrektur gemäß
folgender Gleichung durchführen:
PhaseMeßeffekt = Phasegemessen-K0-K1 *Amplitude1-K2 *Amplitude2-K3 *
Gleichanteil1-K4 *Gleichanteil2-K5 * . . . usw.
Sind die Korrekturparameter gefunden, bleiben sie dauerhaft im Massenstrommesser
eingespeichert und dienen fortan zur Nullpunktkorrektur.
Vorteil des Verfahren gemäß Patentanspruch 1 in Verbindung mit der Ausgleichs
rechnung ist, daß die Notwendigkeit die quantitativen Zusammenhänge zwischen
möglichen Ursachen für eine Nullpunktdrift und deren Wirkung auf die Nullpunktdrift
nicht bekannt sein müssen. Vielmehr ergibt sich aus der Ausgleichsrechnung ein Satz
Korrekturfaktoren, ohne daß einzelne Kenngrößen getrennt erfaßt, separiert oder
konstant gehalten werden müssen.
Bei bislang bekannten Massestrommessern wurde die Ruhelage der Meßrohre nicht
berücksichtigt. Durch eine Veränderung dieser Ruhelage kann sich der Einfluß des
Aktors, der zur Schwingungserregung erforderlich ist, auf das Schwingungssystem
verändern, woraus ebenfalls Nullpunktdriften resultieren. Bei dem Verfahren nach
Anspruch 1 wird nun auch dieser Einfluß mitberücksichtigt.
Oftmals werden als Schwingungsaufnehmer in Coriolis-Massenstrommessern elek
trodynamische Sensoren verwendet. Diese Aufnehmer liefern nur Wechselsignale und
keinen Gleichanteil, der abhängig von der Ruhelage des Meßrohres ist. In solchen
Sensoren wird nur dann eine Spannung induziert, wenn sich das Magnetfeld in der
Spule ändert, was üblicherweise durch einen Dauermagneten, der in die Spule ein
taucht, erreicht wird.
Ein Gleichanteil, der abhängig von der Ruhelage des Meßrohres des Massenstrom
messers ist, kann folgendermaßen gemessen werden:
Benutzt man als Schwingungsaufnehmer fotoempfindliche Flächen, die von einem
Lichtstrahl je nach Position des Rohres, mehr oder weniger beleuchtet werden, so
bekommt man immer einen Gleichanteil, der von der Ruhelage des Rohres und von der
Intensität des Lichtsenders abhängig ist.
Um Ausführungsformen der Erfindung besser kenntlich zu machen, sind die
angefügten Zeichnungen nicht maßstabsgerecht. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf
Darstellung der Schwingungsanregung und der Schwingungsaufnehmer verzichtet.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
Folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Geradrohraufnehmer mit dem Meßrohr (4) den Einspannungen
(3) am Gestell, dem angeregten Freiheitsgrad (1) und dem dazu senkrechten Freiheits
grad (2).
Fig. 2 zeigt eine weitere Bauform eines gattungsgemäßen Massenstrommessers mit
dem U-förmig gebogenen Meßrohr (4) den Einspannungen (3) am Gestell, dem
angeregten Freiheitsgrad (1) und den zusätzlichen Freiheitsgraden zur Erkennung einer
Nullpunktdrift (2, 5, 6).
Fig. 3 zeigt eine weitere Bauform eines gattungsgemäßen Massenstrommessers mit
dem S-förmig gebogenen Meßrohr (4), den Einspannungen (3) am Gestell, dem
angeregten Freiheitsgrad (1) und den zusätzlichen Freiheitsgraden zur Erkennung einer
Nullpunktdrift (2, 4, 6).
Fig. 4 zeigt eine mögliche Bauform eines Schwingungsaufnehmers mittels fotoemp
findlicher Flächen. Eine Lichtquelle (3) strahlt Licht möglichst parallel auf das Meß
rohr (4). Die Schwingung wird mit den beiden fotoempfindlichen Flächen (1, 2)
aufgenommen.
Fig. 5 zeigt eine mögliche Bauform eines Schwingungsaufnehmers mit der Licht
quelle (3), dem Meßrohr (4) und nur einer fotoempfindlichen Fläche (1).
Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Schwingungsaufnehmers mit der
Lichtquelle (3), dem Meßrohr (4), den fotoempfindlichen Flächen (1, 2) und einer
Blende, durch die abhängig von der Meßrohrschwingung die beiden fotoempfindlichen
Flächen beleuchtet werden. Somit entstehen zwei Sinussignale, die um 180 Grad
phasenverschoben sind, und einen großen Gleichanteil besitzen. Bildet man die Diffe
renz der beiden Signale, so erhält man ein Sinussignal, das um Null schwingt, und nur
einen kleinen Gleichanteil besitzt. Durch das Differenzprinzip werden die Störungen
verringert.
Claims (11)
1. Verfahren zur Erkennung einer Nullpunktdrift eines Coriolis-Massenstrommessers
zur Korrektur der von Corioliskräften verursachten Phasenverschiebungen der Schwin
gungsbewegungen eines Durchflußmeßaufnehmers, dadurch gekennzeichnet, daß
durch Erfassung zusätzlicher charakteristischer, vom Schwingungssystem abhängiger
Größen Veränderungen des Schwingungsverhaltens des Meßrohrsystems eines gattungs
gemäßen Massenstrommessers erkannt und zur Korrektur des Meßwertes benutzt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche
charakteristische Größen die Amplituden der Signale der Schwingungsaufnehmer und
deren Differenz benutzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche
charakteristische Größen die Gleichanteile der Signale der Schwingungsaufnehmer und
deren Differenz benutzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche
charakteristische Größen die Amplituden und die Gleichanteile der Signale von Schwin
gungsaufnehmern, die Schwingungen in anderen Freiheitsgraden erfassen, benutzt
werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche
charakteristische Größen die Phasenverschiebung der Signale von Sensoren, die
Schwingungen in einem anderen Freiheitsgrad erfassen, benutzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche
charakteristische Größen die Phasenverschiebung der Signale von Sensoren, die
Schwingungen in unterschiedlichen Freiheitsgraden erfassen, benutzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur einer Null
punktdrift gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche die genannten Größen mittels
folgenden mathematischen Verknüpfungen kombiniert werden:
- - Differenzen der obengenannten Größen;
- - Potenzen der obengenannten Größen;
- - Produkte der obengenannten Größen.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtungsfaktoren
der Korrekturgrößen dem System erlernt werden, indem man es während des Kalibrier
vorgangs mit bekanntem Durchfluß extremen Bedingungen aussetzt, und mit den
hieraus gewonnenen Meßreihen die Gewichtungsfaktoren mittels eines geeigneten
mathematischen Verfahrens, insbesondere der Ausgleichsrechnung, bestimmt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine
fotoempfindliche Fläche je nach Lage des Meßrohres mehr oder weniger von einer
Lichtquelle beleuchtet wird und aus dem Gleichanteil dieses Sensorsignals Rückschlüsse
auf die Ruhelage des Meßrohres möglich sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei fotoempfindliche
Flächen abwechselnd, d. h. genau um 180 Grad phasenverschoben, mehr oder weniger
von einer Lichtquelle beleuchtet werden und durch Differenzbildung ein Signal mit nur
geringem Gleichanteil entsteht.
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