DE4413239C2 - Verfahren zur Auswertung der Meßsignale eines Massendurchflußmeßgeräts - Google Patents
Verfahren zur Auswertung der Meßsignale eines MassendurchflußmeßgerätsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung der Meßsignale eines Massen
durchflußmeßgeräts für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet
und mindestens eine das strömende Medium führende - gerade oder gekrümmte - Co
riolis-Leitung, mindestens einen auf die Coriolis-Leitung mit einer Anregungsfre
quenz einwirkenden Schwingungserzeuger und mindestens einen auf Coriolis-Kräf
ten beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer aufweist, bei
welchem dadurch, daß der Resonanzbereich der Coriolis-Schwingungen die Anre
gungsfrequenz beinhaltet, eine Überhöhung der Coriolis-Schwingungen erreicht
wird.
Bei Massendurchflußmeßgeräten für strömende Medien, die nach dem Coriolis-Prin
zip arbeiten, wird die das strömende Medium führende Coriolis-Leitung durch den
auf sie - mit einer bestimmten Anregungsfrequenz - einwirkenden Schwingungser
zeuger in Schwingungen versetzt, wobei in der Regel die Anregungsfrequenz einer
Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung entspricht, normalerweise der ersten Eigenfre
quenz; die Coriolis-Leitung schwingt also zunächst im Anregungs-Mode. Durch
strömt das Medium die schwingende Coriolis-Leitung, so entsteht eine durch den Co
riolis-Effekt verursachte Coriolis-Kraft, die - mit der Anregungsfrequenz - auf die Co
riolis-Leitung wirkt. Die Coriolis-Leitung ist im allgemeinen konstruktiv so gestaltet,
daß von den Schwingungen im Anregungs-Mode unabhängige Coriolis-Schwingun
gen angeregt werden; die Coriolis-Leitung schwingt also zusätzlich im Coriolis-Mo
de. Die Coriolis-Leitung hat im allgemeinen für den Coriolis-Mode eine Eigenfre
quenz, die von der Eigenfrequenz für den Anregungs-Mode erheblich verschieden
ist. Da die Coriolis-Schwingungen aufgrund der sehr geringen Coriolis-Kraft nur eine
minimale Amplitude haben, wird die Coriolis-Leitung - durch verschiedene Maßnah
men - so ausgeführt, daß dadurch, daß der Resonanzbereich der Coriolis-Schwingun
gen die Anregungsfrequenz beinhaltet, eine Überhöhung der Coriolis-Schwingungen
erreicht wird. Diese Überhöhung stellt praktisch eine "physikalische Verstärkung" der
Coriolis-Schwingungen dar und verbessert das Signal/Rausch-Verhältnis erheblich.
Ein wesentliches Problem der geschilderten Konstruktion und Betriebsweise eines
nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräts besteht darin, daß
die zuvor erläuterte Überhöhung der Coriolis-Schwingungen von verschiedenen Pa
rametern abhängig ist. Beispielsweise führt eine Änderung der Dichte des strömenden
Mediums zu einer Änderung der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Anregungs-
Mode und in der Regel auch zu einer Änderung der Eigenfrequenz der Coriolis-Lei
tung im Coriolis-Mode. Als Folge davon ist in der Regel die Überhöhung der Corio
lis-Schwingungen dichteabhängig.
Eine Möglichkeit, die zuvor erläuterte Dichteabhängigkeit der Überhöhung der Co
riolis-Schwingungen zu eliminieren, besteht darin, die Anregungsfrequenz für die
Schwingungen der Coriolis-Leitung im Anregungs-Mode so zu wählen, daß diese ei
ner Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Anregungs-Mode entspricht. Durch diese
Maßnahme wird das Verhältnis der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-
Mode zu der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Anregungs-Mode dichteunab
hängig konstant gehalten. Dies gilt jedoch nur dann, wenn die die Eigenfrequenzen
bestimmenden Parameter der Coriolis-Leitung über deren Länge konstant sind; bei
den die Eigenfrequenzen der Coriolis-Leitungen bestimmenden Parametern handelt
es sich im wesentlichen um die Masse, um die Materialeigenschaften des Materials der
Coriolis-Leitung, um die Querschnittsform der Coriolis-Leitung und um die Dämp
fung.
Die zuvor aufgezeigte Voraussetzung, unter der das Verhältnis der Eigenfrequenz der
Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode zu der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im An
regungs-Mode dichteunabhängig konstant gehalten werden kann, liegt in der Praxis
in der Regel nicht vor, weil an der Coriolis-Leitung - räumlich konzentriert - Massen
angeordnet sind, nämlich der Schwingungserzeuger (oder ein Teil des Schwingungs
erzeugers) und ein Teil des Meßwertaufnehmers (bzw. Teile der Meßwertaufnehmer,
wenn, wie üblich zwei Meßwertaufnehmer vorgesehen sind).
Im Stand der Technik hat man das zuvor aufgezeigte Problem bereits dadurch zu lö
sen versucht (vgl. die EP-B-0 286 670), daß die Massenwerte und die Anbrin
gungsstellen aller zusätzlich an der Coriolis-Leitung vorhandenen Massen so ge
wählt werden, daß das Verhältnis der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-
Mode zu der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Anregungs-Mode bei sich än
dernder Dichte des strömenden Mediums im wesentlichen konstant ist. Einerseits ist
diese Maßnahme nur in einem begrenzten Dichtebereich erfolgreich. Andererseits
wird die Überhöhung der Coriolis-Schwingungen auch durch Änderungen in der
Rückstellkraft der Coriolis-Leitung - etwa durch Temperatureinflüsse - und durch Än
derungen in der Dämpfung der Coriolis-Leitung - etwa durch Änderungen der Vis
kosität des strömenden Mediums - beeinflußt.
Da die Amplitude der Coriolis-Schwingungen bei den in Rede stehenden, nach dem
Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräten ein direktes Maß für den
Massenfluß darstellt, sind die geschilderten Veränderungen der Überhöhung der Co
riolis-Schwingungen nicht von einem unterschiedlichen Massendurchfluß zu unter
scheiden. Eine Veränderung der Überhöhung der Coriolis-Schwingungen führt folg
lich zu einem - unter Umständen erheblichen - Fehler bei der Massendurchflußmes
sung.
Aus der US-A-5,027,662 ist bekannt, die Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im
Coriolis-Mode für ein Fehlerkorrekturverfahren zu verwenden. Für das dort beschrie
bene Verfahren wird jedoch vorausgesetzt, daß die Eigenfrequenz der Coriolis-Lei
tung im Coriolis-Mode entweder schon bekannt ist oder anhand anderer Parameter,
wie z. B. der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Anregungs-Mode, berechnet
wird. Dieses Verfahren führt jedoch aufgrund der bei der Berechnung der Eigenfre
quenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode erforderlichen Näherungen immer noch
zu nicht zu vernachlässigenden Fehlern bei der Bestimmung des Massendurchflusses.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Auswertung der
Meßsignale eines Massendurchflußmeßgerätes für strömende Medien, das nach dem
Coriolis-Prinzip arbeitet, so auszugestalten und weiterzubilden, daß Veränderungen in
der Überhöhung der Coriolis-Schwingungen nicht zu einem Fehler bei der Massen
durchflußmessung führen.
Die zuvor im einzelnen hergeleitete und dargelegte Aufgabe ist nun erfindungsgemäß
zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Anregungsfrequenz gemessen
wird, daß die Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode gemessen wird,
indem der Schwingungserzeuger nicht nur eine Schwingung mit der Anregungsfre
quenz erzeugt, sondern der Schwingung mit der Anregungsfrequenz eine Schwin
gung überlagert, deren Frequenz im Bereich der jeweils zu ermittelnden Eigenfre
quenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode liegt und deren Amplitude wesentlich
geringer ist als die Amplitude der Schwingung mit der Anregungsfrequenz, daß das
der überlagerten Schwingung des Schwingungserzeugers entsprechende Meßsignal
des Meßwertaufnehmers bzw. der Meßwertaufnehmer zur Rückkopplung und zur
frequenzabhängigen Maximierung des rückgekoppelten Meßsignals dient, wobei die
Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode der Frequenz der überlagerten
Schwingung entspricht, bei der das rückgekoppelte Meßsignal maximal ist, daß aus
der gemessenen Anregungsfrequenz und der gemessenen Eigenfrequenz der Corio
lis-Leitung im Coriolis-Mode die Überhöhung der Coriolis-Schwingungen ermittelt
wird und daß eine Veränderung der Überhöhung der Coriolis-Schwingungen auf
grund einer Veränderung der Anregungsfrequenz und/oder des Resonanzbereichs
der Coriolis-Schwingungen rechnerisch kompensiert wird.
Eingangs ist bereits ausgeführt worden, daß Massendurchflußmeßgeräte der in Rede
stehenden Art in der Regel so betrieben werden, daß die Anregungsfrequenz einer
Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung entspricht, normalerweise der ersten Eigenfre
quenz.
Durch die unmittelbare Messung der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-
Mode werden die Ungenauigkeiten, die von einer Berechnung der Eigenfrequenz
der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode herrühren, vermieden, so daß die Überhöhung
der Coriolis-Schwingungen mit größerer Genauigkeit bestimmt werden kann.
Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf den dem Pa
tentanspruch 1 nachgeordneten Patentanspruch 2, andererseits auf die folgende, an
hand einer Zeichnung gegebene Erläuterung. In der Zeichnung zeigt die einzige Fi
gur die Abhängigkeit der Überhöhung der Coriolis-Schwingungen von der Eigenfre
quenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode.
Erfindungsgemäß geht es um ein Verfahren zur Auswertung der Meßsignale eines
nicht dargestellten Massendurchflußmeßgeräts für strömende Medien, das nach dem
Coriolis-Prinzip arbeitet und mindestens eine das strömende Medium führende - gera
de oder gekrümmte - Coriolis-Leitung, mindestens einen auf die Coriolis-Leitung mit
einer Anregungsfrequenz einwirkenden Schwingungserzeuger und mindestens einen
auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufneh
mer, vorzugsweise zwei Meßwertaufnehmer, aufweist. Bei diesem Verfahren wird eine
Überhöhung der Coriolis-Schwingungen dadurch erreicht, daß der Resonanzbereich
der Coriolis-Schwingungen die Anregungsfrequenz beinhaltet.
In der Figur sind die Verhältnisse der maßgeblichen Eigenfrequenzen der nicht ge
zeigten Coriolis-Leitung dargestellt, nämlich die Eigenfrequenz fa für den Anre
gungs-Mode und die Eigenfrequenz fc für den Coriolis-Mode. Die Überhöhung β er
gibt sich aus der Resonanzkurve der Coriolis-Schwingung; es handelt sich um den
Wert, den die Resonanzkurve der Coriolis-Schwingung bei der Eigenfrequenz fa der
Coriolis-Leitung = Anregungsfrequenz hat.
Erfindungsgemäß wird eine Veränderung der Überhöhung β der Coriolis-Schwin
gungen aufgrund einer Veränderung der Anregungsfrequenz und/oder des Reso
nanzbereichs der Coriolis-Schwingungen rechnerisch kompensiert, indem die Anre
gungsfrequenz gemessen wird und die Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Corio
lis-Mode gemessen wird, wobei die Messung der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung
im Coriolis-Mode derart erfolgt, daß der Schwingungserzeuger nicht nur eine
Schwingung mit der Anregungsfrequenz erzeugt, daß vielmehr der Schwingung mit
der Anregungsfrequenz eine Schwingung überlagert wird, deren Frequenz im Be
reich der jeweils zu ermittelnden Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung liegt und deren
Amplitude wesentlich geringer ist als die Amplitude der Schwingung mit der Anre
gungsfrequenz. Das der überlagerten Schwingung des Schwingungserzeugers ent
sprechende Meßsignal des Meßwertaufnehmers bzw. der Meßwertaufnehmer dient
anschließend zur Rückkopplung und zur frequenzabhängigen Maximierung des
rückgekoppelten Meßsignals. Dem Maximum des rückgekoppelten Meßsignals ent
spricht somit die Frequenz der überlagerten Schwingung der gesuchten Eigenfre
quenz der Coriolis-Leitung.
Die Überhöhung β wird nunmehr über die bekannte gemessene fa im Anregungs-
Mode und die gemessene Eigenfrequenz fc im Coriolis-Mode rechnerisch ermittelt,
und zwar gemäß der folgenden Gleichung
Die Überhöhung geht wie folgt in die Messung ein:
mit Φ = Phasendifferenz.
Durch die direkte Messung der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode
kann die in der Figur - mit +Δfc und -Δfc - angedeutete Ungenauigkeit der Berech
nung der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode und damit die in der
Figur ebenfalls - mit +Δβ und -Δβ - angedeutete Ungenauigkeit bei der Überhöhung
β vermieden werden.
Claims (2)
1. Verfahren zur Auswertung der Meßsignale eines Massendurchflußmeßgeräts für
strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet und mindestens eine das
strömende Medium führende - gerade oder gekrümmte - Coriolis-Leitung, mindestens
einen auf die Coriolis-Leitung mit einer Anregungsfrequenz einwirkenden Schwin
gungserzeuger und mindestens einen auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-
Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer aufweist, bei welchem dadurch, daß
der Resonanzbereich der Coriolis-Schwingungen die Anregungsfrequenz beinhaltet,
eine Überhöhung der Coriolis-Schwingungen erreicht wird, dadurch gekennzeich
net, daß die Anregungsfrequenz gemessen wird, daß die Eigenfrequenz der Coriolis-
Leitung im Coriolis-Mode gemessen wird, indem der Schwingungserzeuger nicht nur
eine Schwingung mit der Anregungsfrequenz erzeugt, sondern der Schwingung mit
der Anregungsfrequenz eine Schwingung überlagert, deren Frequenz im Bereich der
jeweils zu ermittelnden Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode liegt
und deren Amplitude wesentlich geringer ist als die Amplitude der Schwingung mit
der Anregungsfrequenz, daß das der überlagerten Schwingung des Schwingungser
zeugers entsprechende Meßsignal des Meßwertaufnehmers bzw. der Meßwertauf
nehmer zur Rückkopplung und zur frequenzabhängigen Maximierung des rückge
koppelten Meßsignals dient, wobei die Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Corio
lis-Mode der Frequenz der überlagerten Schwingung entspricht, bei der das rückge
koppelte Meßsignal maximal ist, daß aus der gemessenen Anregungsfrequenz und der
gemessenen Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Coriolis-Mode die Überhöhung
der Coriolis-Schwingungen ermittelt wird und daß eine Veränderung der Überhö
hung der Coriolis-Schwingungen aufgrund einer Veränderung der Anregungsfre
quenz und/oder des Resonanzbereichs der Coriolis-Schwingungen rechnerisch kom
pensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsfrequenz
der Eigenfrequenz der Coriolis-Leitung im Anregungs-Mode entspricht.
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