DE4423168A1 - Massendurchflußmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömen­ de Medium führenden Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis- Leitung anregenden Schwingungserzeuger, mit mindestens zwei auf Corio­ lis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassende Meßwertaufneh­ mern und mit einer den Schwingungserzeuger ansteuernden und die Meßsi­ gnale der Meßwertaufnehmer auswertenden Steuereinheit, wobei der Schwingungserzeuger die Coriolis-Leitung mit einer Anregungsleistung anregt und wobei in der Steuereinheit ein die Anregungsleistung an den Schwingungserzeuger liefernder Anregungsleistungsgenerator vorgesehen ist.

Massendurchflußmeßgeräte für strömende Medien, die nach dem Coriolis- Prinzip arbeiten, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt (vgl. die deutschen Offenlegungsschriften 26 29 833, 28 22 087, 28 33 037, 29 38 498, 30 07 361, 33 29 544, 34 43 234, 35 03 841, 35 05 166, 35 26 297, 37 07 777, 39 16 285, 40 16 207, 41 24 295, 41 43 361, 42 00 060, 43 27 052, 44 13 239, 44 17 332 und 44 17 516, die europäischen Offenlegungs­ schriften 00 83 144, 01 09 218, 01 19 638, 01 96 150, 02 10 308, 02 12 782, 02 32 679, 02 35 274, 02 43 468, 02 44 692, 02 71 605, 02 75 367 und 02 82 552, die französische Offenlegungsschrift 25 98 801 sowie die USA-Patentschriften 4,491,009, 4,628,744, 4,666,41, 4,803,867 und 4,962,678) und finden in zunehmendem Maße Verwendung.

Eine für alle bekannten Massendurchflußmeßgeräte gleichermaßen bedeu­ tende Größe ist die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Lei­ tung. Diese Amplitude geht zwar im Gegensatz zu der Frequenz der Anre­ gungsschwingung der Coriolis-Leitung nicht in erster Ordnung in das Me­ ßergebnis für den Massendurchfluß durch das Massendurchflußmeßgerät ein, sondern erst in höherer Ordnung, verursacht durch nichtlineare Effekte bei der Deformation der Coriolis-Leitung während der Anregungsschwin­ gung, dennoch sind gerade diese Effekte höherer Ordnung bei der heute geforderten Präzision einer relativen Meßgenauigkeit kleiner als 0,1% bei einem Massendurchflußwert von 10% bis 100% des Nenndurchflusses bei Massendurchflußmeßgeräten, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, von besonderer Bedeutung.

Die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Es sind dies zum einen die Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems in Form der Coriolis-Leitung, ihrer un­ mittelbaren Umgebung und des Inhalts der Coriolis-Leitung, also des strö­ menden Mediums, an sich, zum zweiten die der Coriolis-Leitung von dem Schwingungserzeuger zugeführte Anregungsleistung und schließlich die Ankopplung des schwingungsfähigen Systems an die äußere Umgebung, also an das um gebende Rohrleitungssystem. Von diesen Einflußfaktoren sind die ersten beiden relativ einfach zu beherrschen, da sie vorgegeben oder be­ kannt sind. Die Ankopplung des schwingungsfähigen Systems "Massen­ durchflußmeßgerät" an das umgebende Rohrleitungssystem ist zum einen im voraus nicht bekannt, zum anderen nahezu nicht vorgebbar. Für diese An­ kopplung maßgebliche Faktoren sind beispielsweise der Durchmesser und die Wandstärke der angrenzenden Rohrleitungen und auch der Abstand zwi­ schen der Verbindung des Massendurchflußmeßgerätes zu den angrenzenden Rohrleitung von den nächsten Unterstützungspunkten der angrenzenden Rohrleitungen. Je nach Ankopplung der Coriolis-Leitung des Massendurch­ flußmeßgerätes an die angrenzenden Rohrleitungen geht ein mehr oder weniger großer Teil der auf die Coriolis-Leitungen wirkenden Anregungs­ leistung für die Anregungsschwingung verloren und verschwindet im an­ grenzenden Rohrleitungssystem.

Um eine ausreichende Genauigkeit des Massendurchflußmeßgerätes zu ge­ währleisten, ist es notwendig, daß die Amplitude der Anregungsschwin­ gung der Coriolis-Leitung eine Mindestamplitude nicht unterschreitet, da sonst die Meßwertaufnehmer keine auswertbaren Signale mehr liefern. Damit diese Mindestamplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Lei­ tung in der überwiegenden Anzahl der Montagemöglichkeiten des Massen­ durchflußmeßgerätes in einem Rohrleitungssystem gewährleistet ist, wird bei bekannten Massendurchflußmeßgeräten während des Herstellungsver­ fahrens eine relativ große Anregungsleistung vorgegeben, so daß einer­ seits die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung bei op­ timalen Einbaubedingungen deutlich über der Mindestamplitude liegt, daß andererseits aber auch bei einer nicht optimalen Einbaulage des Massen­ durchflußmeßgerätes eine ausreichende Amplitude der Anregungsschwin­ gung der Coriolis-Leitung gewährleistet ist. Dabei tritt das Problem auf, daß man sich umso mehr Fehlerquellen höherer Ordnung ein handelt, je größer die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die bekannten Massen­ durchflußmeßgeräte so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Ampli­ tude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung gemessen an den Um­ gebungsfaktoren, stets einen möglichst optimalen Wert annimmt.

Das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät, bei dem die zuvor herge­ leitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsleistung des Anregungsleistungsgenerators während des Betriebes einstellbar ist. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist ge­ währleistet, daß unabhängig vom Produktionsprozeß des Massendurchfluß­ meßgerätes während des Betriebes des Massendurchflußmeßgerätes ein möglichst optimaler Wert für die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung manuell oder automatisch einstellbar ist. Beispielsweise kann somit bei einer optimalen Einbaulage des Massendurchflußmeßgerätes innerhalb eines Rohrleitungssystems gewährleistet werden, daß die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung tatsächlich nur der zum optimalen Betrieb der Meßwertaufnehmer notwendigen Mindestamplitude entspricht. Hierdurch ist gewährleistet, daß die bei einer zu hohen Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung auftretenden Meßfehler höherer Ordnung minimiert sind und somit die Genauigkeit bei der Bestimmung des Massendurchflusses deutlich erhöht ist.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungs­ gemäße Massendurchflußmeßgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeord­ neten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur den schematischen Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Massendurchflußmeßgerätes für strömende Medien, das nach dem Co­ riolis-Prinzip arbeitet, schematisch dargestellt. Dieses Massendurchfluß­ meßgerät weist auf eine das strömende Medium führende Coriolis-Leitung 1, einen die Coriolis-Leitung 1 anregenden Schwingungserzeuger 2, zwei auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassende Meß­ wertaufnehmer 3, 4 und eine den Schwingungserzeuger 2 ansteuernde und die Meßsignale der Meßwertaufnehmer 3, 4 auswertende Steuereinheit 5. Hierbei ist anzumerken, daß es denkbar ist, auf einen der Meßwertaufneh­ mer 3, 4 zu verzichten und statt der Signale dieses Meßwertaufnehmers 3, 4 die Signale des Schwingungserzeugers 2 der Steuereinheit 5 zur Auswer­ tung zu übermitteln. Bei dem erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßge­ rät regt der Schwingungserzeuger 2 die Coriolis-Leitung 1 mit einer Anre­ gungsleistung an, wobei in der Steuereinheit 5 ein die Anregungsleistung an den Schwingungserzeuger 2 liefernder Anregungsleistungsgenerator 6 vorgesehen ist. Wie bei den bekannten Massendurchflußmeßgeräten werden die Meßsignale der Meßwertaufnehmer 3, 4 einem Phasendifferenzdetektor 7 in der Steuereinheit 5 zugeführt, der die dem Massendurchfluß durch die Coriolis-Leitung 1 proportionale Phasendifferenz zwischen den Meßsigna­ len der Meßwertaufnehmer 3, 4 bestimmt.

Erfindungsgemäß ist das Massendurchflußmeßgerät dadurch gekennzeich­ net, daß die Anregungsleistung des Anregungsleistungsgenerators 6 wäh­ rend des Betriebes einstellbar ist.

Gemäß einer ersten, nicht dargestellen Alternative ist das erfindungsge­ mäße Massendurchflußmeßgerät dadurch ausgestaltet, daß die Anregungs­ leistung des Anregungsleistungsgenerators 6 über ein extern zugängliches Betätigungselement einstellbar ist. Hierdurch wird gewährleistet, daß eine Bedienungsperson anhand des extern zugänglichen Betätigungselementes die Anregungsleistung so lange erhöhen kann, bis das Massendurchflußmeß­ gerät reproduzierbare Werte liefert bzw. während eines Eichprozesses den entsprechenden Meßwert für einen vorgegebenen Massendurchfluß liefert. Somit ist gewährleistet, daß die Anregungsschwingung der Coriolis-Lei­ tung 1 keine unnötig hohe Amplitude aufweist.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung erfährt das in der Figur darge­ stellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massen­ durchflußmeßgerätes dadurch, daß in der Steuereinheit 5 ein die Amplitu­ de der Anregungsschwingung als Regelgröße auf einem Sollwert haltender Regler 8 vorgesehen ist und der Regler 8 die Anregungsleistung des Anre­ gungsleistungsgenerators 6 als Stellgröße des Regelkreises beeinflußt. Hierdurch wird unabhängig von allen möglichen Faktoren eine gleichblei­ bende Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung 1 gewähr­ leistet. Entspricht der Sollwert für die Amplitude der Anregungsschwin­ gung der Coriolis-Leitung 1 der optimal von den Meßwertaufnehmern 3, 4 auszuwertenden Mindestamplitude, so ist durch diese Maßnahme eine kon­ stant hohe Meßgenauigkeit für den Massendurchfluß gewährleistet.

Eine weitere Ausgestaltung erfährt das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes dadurch, daß dem Regler 8 der Mittelwert der Amplituden der Meßsignale als Istwert zuge­ führt wird. Dadurch daß dem Regler 8 der Mittelwert der Amplituden der Maßsignale als Istwert zugeführt wird, wird die Genauigkeit der Messung erhöht.

Alternativ zu der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des bevorzugten Ausführungsbeispiels erfolgt eine Weiterbildung dadurch, daß dem Regler 8 die Summe der Amplituden der Meßsignale als Istwert zugeführt wird. Hierbei wird im Vergleich zu der zuvor aufgezeigten Ausgestaltung eine Vereinfachung der erreicht, da die Amplituden der Meßsignale nicht unab­ hängig voneinander bestimmt und anschließend gemittelt werden müssen, sondern die Amplitude der summierten Meßsignale nur einmal bestimmt werden muß.

Die Amplitude mindestens eines Meßsignals kann alternativ unmittelbar aus dem Meßsignal selbst, d. h. durch Vergleiche der Meßsignale zu ver­ schiedenen Zeitpunkten, oder mittelbar aus einem zeitlichen Mittelwert des Meßsignals bestimmt werden, da das Meßsignal im wesentlichen einer Sinusfunktion entspricht. Die letzte Alternative zur Bestimmung der Am­ plitude des Meßsignals kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß in einem vorgegebenen Zeitintervall der Absolutwert eines jeden Meßsi­ gnals integriert wird. Die Bestimmung der Amplitude mindestens eines Meßsignals erfolgt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem in der Steuereinheit 5 vorgesehenen Amplitudendetektor 9.

Da im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Anregungsleistungsgenerator 6 die Anregungsleistung nicht kontinuierlich an den Schwingungserzeuger 2 liefern muß, ist das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät bevor­ zugt dadurch ausgestaltet, daß der Regler 8 den zeitlichen Mittelwert der vom Anregungsleistungsgenerator 6 gelieferten Anregungsleistung beein­ flußt.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung erfährt das in der Figur darge­ stellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massen­ durchflußmeßgerätes dadurch, daß der Anregungsleistungsgenerator 6 pulsbreitengesteuerte Leistungspulse an den Schwingungserzeuger 2 lie­ fert. Hierdurch ist eine besonders einfache Beeinflussung der Anregungs­ leistung gewährleistet.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgegemäßen Massendurchflußmeßge­ rätes dadurch, daß ein die Anregungsleistung als Maß für die Einbaugüte des Massendurchflußmeßgerätes anzeigendes Anzeigeelement 10 vorgese­ hen ist. Sowohl im Falle der manuellen Einstellung der Anregungsleistung des Anregungsleistungsgenerators 6 durch eine Bedienungsperson als auch im Falle einer Regelung der Amplitude der Anregungsschwingung ist die für den erwünschten hoch präzisen Betrieb des Massendurchflußmeßgerätes notwendige Anregungsleistung ein Maß für die Einbaugüte ist beispiels­ weise die Anregungsleistung relativ niedrig, so ist die Ankopplung des Massendurchflußmeßgerätes an das umgebende Rohrleitungssystem eben­ falls niedrig. Von besonderem Vorteil ist die Anzeige der für einen hoch­ präzisen Betrieb notwendigen Anregungsleistung deshalb, weil die Ankopp­ lung des Massendurchflußmeßgerätes an das umgebende Rohrleitungssy­ stem bei den bekannten Massendurchflußmeßgeräten nicht nur die Ampli­ tude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung 1 beeinflußt, sondern weil eine erhöhte Ankopplung ebenfalls für ein erhöhtes Einstreuen von in dem angrenzenden Rohrleitungssystem vorhandenen Schwingungen in das Massendurchflußmeßgerät verantwortlich ist, wobei diese Einstreuungen die Messungen der Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen der Meß­ wertaufnehmer 3, 4 erheblich beeinträchtigen können. Zeigt also das An­ zeigeelement 10 eine hohe Anregungsleistung an, so ist dies für die Bedie­ nungsperson ein Hinweis darauf, daß der Einbau zu optimieren ist, um eine mit den Spezifikationen des Massendurchflußmeßgerätes übereinstim­ mende Meßgenauigkeit zu erhalten. In dem in der Figur dargestellten bevor­ zugten Ausführungsbeispiel dient das Anzeigeelement 10 neben der Anzeige der Anregungsleistung ebenfalls zur Anzeige des Massendurchflusses, der sich aus der im Phasendifferenzdetektor 7 bestimmten Phasendifferenz ergibt. Selbstverständlich kann zur Anzeige der Anregungsleistung ein se­ parates Anzeigeelement vorgesehen sein.

Schließlich kann das in der Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes dadurch ver­ bessert werden, daß in der Steuereinheit 5 ein bei Überschreiten einer vor­ gegebenen maximalen Anregungsleistung ein Warnsignal über ein Warnan­ zeigeelement 11 ausgebender Schwellwertkomparator 12 vorgesehen ist. Über diesen Schwellwertkomparator 1 2 und das Warnanzeigeelement 11 wird der Bedienungsperson signalisiert, daß sich die Anregungsleistung in einem Bereich befindet, der darauf hindeutet, daß der Einbau des Massen­ durchflußmeßgerätes zu optimieren ist. Das Warnanzeigeelement 11 kann selbstverständlich alternativ im Anzeigeelement 10 integriert sein.

Claims (9)

1. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Corio­ lis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führen­ den Coriolis-Leitung (1), mit mindestens einem die Coriolis-Leitung (1) anregenden Schwingungserzeuger (2), mit mindestens zwei auf Coriolis- Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassende Meßwertaufnehmern (3, 4) und mit einer den Schwingungserzeuger (2) ansteuernden und die Meßsignale der Meßwertaufnehmer (3, 4) auswertenden Steuereinheit (5), wobei der Schwingungserzeuger (2) die Coriolis-Leitung (1) mit einer An­ regungsleistung anregt und wobei in der Steuereinheit (5) ein die Anre­ gungsleistung an den Schwingungserzeuger (2) liefernder Anregungslei­ stungsgenerator (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsleistung des Anregungsleistungsgenerators (6) während des Be­ triebes einstellbar ist.

2. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsleistung des Anregungsleistungsgenerators (6) über ein ex­ tern zugängliches Betätigungselement einstellbar ist.

3. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinheit (5) ein die Amplitude der Anregungsschwingung als Regelgröße auf einem Sollwert haltender Regler (8) vorgesehen ist und der Regler (8) die Anregungsleistung des Anregungsleistungsgenerators (6) als Stellgröße des Regelkreises beeinflußt.

4. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (8) der Mittelwert der Amplituden der Meßsignale als Istwert zugeführt wird.

5. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß daß dem Regler (8) die Summe der Amplituden der Meßsignale als Istwert zugeführt wird.

6. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (8) den zeitlichen Mittelwert der vom An­ regungsleistungsgenerator (6) gelieferten Anregungsleistung beeinflußt.

7. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungsleistungsgenerator (6) pulsbreitengesteuerte Leistungspulse an den Schwingungserzeuger (2) liefert.

8. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Anregungsleistung als Maß für die Einbaugüte des Massendurchflußmeßgerätes anzeigendes Anzeigeelement (10) vorge­ sehen ist.

9. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinheit (5) ein beim Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Anregungsleistung ein Warnsignal über ein Warnanzeigeelement (11) ausgebender Schwellwertkomparator (12) vorge­ sehen ist.