Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis-
Massedurchflussmessers
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis-Massedurchflussmessers.
[0002] Coriolis-Massedurchflussmesser werden vielfach in der Prozessmesstechnik zur Bestimmung des Massendurchflusses eines Fluids in einem Rohrleitungsabschnitt eingesetzt. Das Coriolis-Messprinzip basiert darauf, das zu untersuchende Fluid durch ein schwingendes Messrohr fließen zu lassen und die Schwingungsbewegung des Messrohrs auszuwerten. Bei den Coriolis-Massedurchflussmessern sind deshalb am Messrohr ein Schwingungserreger und zwei Schwingungssensoren angeordnet. Das Messrohr mit dem Fluid bilden zusammen ein schwingungsfähiges System, das nor¬ malerweise auf seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Die Resonanzfrequenz hängt unter anderem vom Material und den Abmessungen des Messrohrs ab. Die Reso¬ nanzfrequenz hängt weiterhin auch von der Dichte des im Messrohr strömenden Fluids ab.
[0003] Bei bestimmten Anwendungen wird das Messrohr nicht auf der Resonanzfrequenz, sondern auf einer benachbarten Frequenz angeregt.
[0004] Die beiden Schwingungssensoren erfassen die Schwingungsbewegung des
Messrohrs an zwei in Strömungsrichtung beabstandeten Stellen und wandeln die Schwingungsbewegungen des Messrohrs in Sensorsignale um. Die beiden Sen¬ sorsignale weisen die gleiche Frequenz wie die Schwingungsbewegung des Messrohrs auf. Strömt das Fluid durch das Messrohr, so sind die beiden Sensorsignale ge¬ geneinander phasenverschoben. Die Phasenverschiebung ist ein Maß für den Masse- durchfluss des Fluids durch diesen Rohrleitungsabschnitt. Die Sensorsignale werden in einer Mess-/Teilschaltung ausgewertet, um den Wert des Massedurchflusses zu bestimmen. Dieser Messwert kann in einer Anzeigeeinheit am Coriolis- Massedurchflussmessers dargestellt werden. In der Regel sind Sensoren, wie Coriolis- Massedurchflussmesser, die in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden, mit übergeordneten Einheiten, wie zum Beispiel Steuerungen oder Leitsysteme, etc. verbunden. Neben dem Massedurchfluss können auch weitere Eigenschaften des Fluids, wie zum Beispiel die Dichte bestimmt werden. Hierzu ist eine Frequenz¬ auswertung der Schwingungsbewegung des Messrohrs notwendig.
[0005] Verschiedene Typen von Coriolis-Massedurchflussmessern werden von der Firma Endress+Hauser Flowtec AG hergestellt und vertrieben.
[0006] In der US 4,801,897 ist eine Erreger-/Teilschaltung für einen Coriolis-
Massedurchflussmesser beschrieben, die nach Art einer analogen Phaselog- Loop-Regelung aufgebaut ist. Die Erregerfrequenz für das Messrohr stellt sich dabei auch bei veränderlicher Fluiddichte automatisch auf die Resonanzfrequenz des Messrohrs ein.
[0007] Die bekannten Messschaltungen arbeiten entweder analog oder digital. In den Druckschriften EP 698783, US 4,895,030, EP 702212 bzw. US 4,529,002 sind derartige Messschaltungen näher beschrieben.
[0008] Aus der EP 698783 ist eine Messschaltung für einen Coriolis-Mas- sedurchflussmesser bekannt, die einen analogen Regelkreis aufweist, der die beiden Sensorsignale auf gleiche Amplitude regelt. Diese Amplitudenregelung ist von ent¬ scheidender Bedeutung für die Messgenauigkeit des Coriolis-Massedurchflussmesser.
[0009] Aus der EP 866319 ist eine weitere Mess- und Betriebsschaltung für einen Coriolis- Massedurchflussmesser bekannt. Bei dieser Schaltung werden die beiden Sen¬ sorsignale vor deren Weiterverarbeitung verstärkt, wobei der Verstärkungsfaktor eines Verstärkers variabel ist. In einem digitalen Signalprozessor werden die Summe und die Differenz der beiden Sensorsignale sowie eines der Sensorsignale ausgewertet. Auch hier ist für die Genauigkeit der Messung wesentlich, dass die beiden Sensorsignale nach ihrer Verstärkung die gleiche Amplitude besitzen.
[0010] Die für die analoge Verstärkung der Sensorsignale eingesetzten Verstärker und
Vorverstärker müssen eine ausreichende Bandbreite besitzen, um Verfälschungen der Sensorsignale zu vermeiden. Aufgrund von Störsignalen kann es jedoch zu einer Über¬ steuerung der Verstärker kommen. Solche Übersteuerungen wirken sich negativ auf die Genauigkeit des Messwerts aus. Je höher die Genauigkeitsanforderungen an den Coriolis-Massedurchflussmesser sind, desto aufwendiger müssen die analogen Verstärker ausgebildet sein, was sich auch in ihrem Preis widerspiegelt.
[0011] Insbesondere bei Gasanwendungen treten relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids auf. Typische Werte sind 50-100 m/s. Diese hohen Strömungsgeschwin¬ digkeiten bedingen einen relativ hohen Schaltpegel im Messrohr, der erhebliche Störsignale verursachen kann.
[0012] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Bestimmung des Masse¬ durchflusses eines Coriolis-Massedurchflussmessers anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere geringe Anforderungen an die Analogverstärker stellt und das keine aufwendige Symmetrieregelung der beiden Sen¬ sorsignale erfordert.
[0013] Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
[0014] Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0015] Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die beiden analogen Sen-
sorsignale unmittelbar nach der Vorverstärkung in digitale Signale zu wandeln und die weitere Auswertung der Messsignale ausschließlich digital durchzuführen.
[0016] Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiels näher erläutert.
[0017] Es zeigen:
[0018] Fig. 1 Messaufnehmer eines Coriolis-Massedurchflussmessers in schematischer Darstellung;
[0019] Fig. 2 Blockschaltbild einer Mess-und Betriebsschaltung eines Coriolis- Massedurchflussmessers ;
[0020] Fig. 3 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens
[0021] Fig. 4 Zeigerdiagramm für zwei Sensorsignale eines Coriolis-Mas- sedurchflussmessers.
[0022] In Fig. 1 ist ein Messaufnehmer 1 für einen Coriolis-Massedurchflußmesser in sche¬ matischer Darstellung gezeigt. Der Messaufnehmer 1 ist in einer nicht dargestellten Rohrleitung angeordnet in der ein Fluid F strömt, dessen Massedurchfluss eine der in¬ teressierenden Größen ist. Die Verbindung mit der Rohrleitung erfolgt über die beiden Flansche 2,3.
[0023] Der Messaufnehmer 1 weist ein einziges gerades Messrohr 4 auf, das einlassseitig über eine Endplatte 13 am Flansch 2 und auslassseitig über eine Endplatte 14 am Flansch 3 fixiert ist.
[0024] Die erfindungsgemäße Mess- und Betriebsschaltung ist nicht auf diesen speziellen Messaufnehmer 1 mit einem einzigen geraden Messrohr beschränkt. Sie kann in Verbindung mit den verschiedenen bekannten Messaufnehmern eingesetzt werden. Zu erwähnen sind z.B. Messaufnehmer mit einem Messrohr mit Auslegermasse, wie z.B. in der EP 97 81 0559 beschrieben, Messaufnehmer mit einem gebogenen Messrohr (EP 96 10 9242) sowie Messaufnehmer mit zwei parallelen geraden oder gebogenen Messrohren (US 4793191 bzw. US 41 27 028).
[0025] Die Flansche 2, 3 und die Endplatten sind an oder in einem Trägerrohr 15 befestigt.
[0026] Zur Erzeugung der Messrohrschwingung ist in der Mitte zwischen den beiden Endplatten 13, 14 am Messrohr 4 ein Schwingungserreger 16 angeordnet. Bei dem Schwingungserreger 16 kann es sich z.B. um einen elektromagnetischen Antrieb bestehend aus einem Permanentmagnet 161 und einer Spule 162 handeln.
[0027] Die Spule 162 ist am Tragrohr 15 und der Permanentmagnet 161 am Messrohr 4 fixiert.
[0028]
[0029] Über den in der Spule 162 fließenden Strom lässt sich die Amplitude und die
Frequenz der Biegeschwingung des Messrohrs 4, die in der Zeichenebene verläuft, steuern.
[0030] In der Zeichenebene treten auch die Corioliskräfte auf, die bewirken, dass nicht mehr alle Punkte entlang des Messrohrs 4 in Phase schwingen.
[0031] Die Schwingungsbewegung des Messrohrs 4 wird mit Hilfe zweier Schwin¬ gungssensoren 17 bzw. 18, die etwa symmetrisch zum Schwingungserreger 16, ebenfalls am Tragrohr 15 angeordnet sind, aufgenommen. Bei den Schwin¬ gungssensoren 17 bzw. 18 kann es sich z. B. um elektromagnetische Wandler handeln, die ähnlich der Anordnung Permanentmagnet- Spule des Schwingungserregers 16 aufgebaut sind.
[0032] Die beiden Permanentmagnet 171, 181 sind am Messrohr 4 und die beiden Spulen 172, 182 am Tragrohr 15 fixiert. Die Bewegung des Messrohrs 4 bewirkt über die Magnete 171, 181 eine Induktionsspannung in der jeweiligen Spule 172, 182, die als analoges Sensorsignal Sl bzw. S2 abgegriffen wird.
[0033] Ein Coriolis-Massedurchflussmesser besteht in der Regel aus einem Mes¬ saufnehmer und einer zugehörigen Mess- und Betriebsschaltung.
[0034] Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer solchen zum Messaufnehmer 1 gehörenden Mess- und Betriebsschaltung, die unter anderem die Auswertung der beiden Sen¬ sorsignale durchführt und die Schwingungsanregung des Messrohrs 4 steuert.
[0035] Die beiden Sensorsignale X17 und X18, die von den Schwingungssensoren 17 bzw. 18 aufgenommen werden, werden in zwei Vorverstärkern Vl und V2 verstärkt und jeweils in einem Analog-/Digitalwandler AWl bzw. AW2 in digitale Sensorsignale Sl, S2 umgewandelt und einem digitalen Signalprozessor DSP zugeführt. Der digitale Si¬ gnalprozessor DSP liefert an einem ersten Ausgang Al den gemessenen Wert des Mas¬ sedurchflusses m . Ein weiterer Ausgang A2 liefert ein Signal, das den Erregerstrom I für die Schwin- err gungsanregung des Messrohrs steuert.
[0036] Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung die einzelnen Verfahrensschritte, die zur Bestimmung des Massedurchflusses rh im digitalen Signalprozessor DSP durchgeführt werden.
[0037] Die beiden digitalen Sensorsignale Sl, S2 werden auf Kanal CHI bzw. CH2 mit Hilfe je eines Anti-Aliasingfilters BPl bandbegrenzt und einem Summierglied Σ und dem Differenzierglied Δ zugeführt.
[0038] Vom Summensignal Σ, das nach dem Summierglied Σ vorliegt, wird einerseits die Amplitude | Σ | in einer Stufe AΣ gebildet. Das Summensignal Σ wird andererseits in einem Hilbertglied H einer Hilberttransformation unterworfen und mit dem in einem Verzögerungsglied D verzögerten Differenzsignal Δ multipliziert. Das Verzöge¬ rungsglied D ist notwendig, da bei einer digitalen zeitdiskreten Signalverarbeitung eine
Hilbertransformator eine Verzögerung verursacht. Dies ist einfach an der z- Darstellung, die das Verhalten des Hilbertransformators beschreibt, ersichtlich.
[0039] Durch Filterung mit einem Lowpassfilter LP4 wird das Produkt von dem Sum¬ mensignal I Σ I und der vom Massedurchfluss hervorgerufene Komponente | Im(Δ) des Differenzsignales gewonnen.
[0040] Im nächsten Verfahrens schritt wird der Massedurchfluss m gemäß der Formel m
Im(Δ) I /( I Σ I * f) bestimmt. Die Frequenz der Messrohrschwingung ist mit f bezeichnet.
[0041] Der Mess wert rh kann in einer nicht näher dargestellten Auswerteschaltung weiterverarbeitet oder in einem ebenfalls nicht dargestellten Display angezeigt werden. Auch eine Weiterleitung des Messwerts m an eine übergeordnete Einheit (Steuerung, Leitsystem) ist denkbar.
[0042] In Fig. 4 ist anhand eines üblichen Zeigerdiagramms die Beziehung zwischen den beiden Sensorsignalen Sl und S2 dargestellt. Die beiden Sensorsignale Sl und S2 sind als Vektoren dargestellt und weisen aufgrund der ungleichen Amplituden der Sen¬ sorsignale unterschiedliche Beträge auf. Im Zeigerdiagramm ist die Phasenver¬ schiebung zwischen den Sensorsignalen Sl, S2, die durch den Corioliseffekt verursacht wird, deutlich sichtbar.
[0043] Mit Σ ist das Summensignal und mit Δ das Differenzsignal der beiden Sen¬ sorsignalen S 1 und S2 bezeichnet.
[0044] Eingezeichnet ist auch der Fall, wenn beide Sensorsignale die gleiche Amplitude aufweisen (S2 und Sl')-
[0045] Mit Σ' ist das Summensignal und mit Δ' das Differenzsignal der beiden Sen¬ sorsignalen S 1 ' und S2 bezeichnet.
[0046] Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist der Betrag des Summensignals
[0047] I Σ ' I zum Betrag des Summensignals | Σ | proportional. Außerdem ist der Betrag der auf das Summensignal Σ senkrecht stehenden Komponente des Differenzsignals
[0048] I Im(Δ) | zum Betrag des Differenzsignale | Δ' | proportional. Mit Re (Δ) ist die in Phase- Komponente des Differenzsignals Δ mit dem Summensignal Σ bezeichnet. Durch Drehung des Summensignals Σ um 90° und einer skalaren Multiplikation mit dem Differenzsignal Δ erhält man gerade diesen Anteil | Im(Δ') | multipliziert mit dem Betrag | Σ | des Summensignals.
Die Asymetrie der Signale S 1 und S2, d. h. ihre ungleichen Amplituden, schlägt sich im Messergebnis, dem Massedurchfluss m nur in einem Proportionalitätsfaktor nieder. Solange sich die Asymetrien nicht ändert, ändert sich auch dieser Proportionalitätsfaktor nicht. Ein konstanter Proportionali¬ tätsfaktor kann aber im Kalibrierfaktor für den Coriolis-Massedurchflussmesser be¬ rücksichtigt werden. Jeder Coriolis-Massedurchflussmesser muss kalibriert werden, um einen genauen Messwert ausgeben zu können.