DE102004056370A1

DE102004056370A1 - Mess- und Betriebsschaltung für Coriolismassedurchflussaufnehmer

Info

Publication number: DE102004056370A1
Application number: DE102004056370A
Authority: DE
Inventors: Christian Matt
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-05-24
Also published as: WO2006056560A2; WO2006056560A3; US20090211373A1; EP1819988A2; US7854176B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis-Massedurchflussmessers wird eine Schwingung eines Messrohrs mit der Frequenz f erzeugt und die resultierende Schwingungsbewegung an zwei unterschiedlichen Mess-Stellen mit zwei Schwingungssensoren erfasst. Die analogen Sensorsignale X17, X18 der beiden Schwingungssensoren werden in digitale Sensorsignale S1 und S2 umgewandelt und in einem digitalen Signalprozessor DSP weiterverarbeitet. Im Signalprozessor DSP wird aus den beiden Sensorsignalen S1 und S2 das Summensignal SIGMA und das Differenzsignal DELTA gebildet. Anschließend erfolgt eine Drehung des Summensignals um 90 DEG . In einem weiteren Verfahrensschritt wird das verschobene Summensignal mit dem Differenzsignal DELTA multipliziert. Nach der Bestimmung der Amplitude des Summensignals SIGMA wird der Massedurchfluss gemäß der Formel DOLLAR F1 bestimmt. Für das Verfahren ist es nicht notwendig, dass die beiden Sensorsignale S1, S2 gleiche Amplituden besitzen. Eine Regelung auf gleiche Amplitude der analogen Signale X17, X18 kann deshalb entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis-Massedurchflussmessers.
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 normalerweise auf seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Die Resonanzfrequenz hängt unter anderem vom Material und den Abmessungen des Messrohrs ab. Die Resonanzfrequenz hängt weiterhin auch von der Dichte des im Messrohr strömenden Fluids ab.
Bei bestimmten Anwendungen wird das Messrohr nicht auf der Resonanzfrequenz, sondern auf einer benachbarten Frequenz angeregt.
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 Sensorsignale weisen die gleiche Frequenz wie die Schwingungsbewegung des Messrohrs auf. Strömt das Fluid durch das Messrohr, so sind die beiden Sensorsignale gegeneinander phasenverschoben. Die Phasenverschiebung ist ein Maß für den Massedurchfluss 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 Frequenzauswertung der Schwingungsbewegung des Messrohrs notwendig.
Verschiedene Typen von Coriolis-Massedurchflussmessern werden von der Firma Endress+Hauser Flowtec AG hergestellt und vertrieben.

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.

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.

Aus der EP 698783 ist eine Messschaltung für einen Coriolis-Massedurchflussmesser bekannt, die einen analogen Regelkreis aufweist, der die beiden Sensorsignale auf gleiche Amplitude regelt. Diese Amplitudenregelung ist von entscheidender Bedeutung für die Messgenauigkeit des Coriolis-Massedurchflussmesser.

Aus der EP 866319 ist eine weitere Mess- und Betriebsschaltung für einen Coriolis-Massedurchflussmesser bekannt. Bei dieser Schaltung werden die beiden Sensorsignale 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.

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 Übersteuerung 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.

Insbesondere bei Gasanwendungen treten relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids auf. Typische Werte sind 50–100 m/s. Diese hohen Strömungsgeschwindigkeiten bedingen einen relativ hohen Schaltpegel im Messrohr, der erhebliche Störsignale verursachen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses 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 Sensorsignale erfordert.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die beiden analogen Sensorsignale unmittelbar nach der Vorverstärkung in digitale Signale zu wandeln und die weitere Auswertung der Messsignale ausschließlich digital durchzuführen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 Messaufnehmer eines Coriolis-Massedurchflussmessers in schematischer Darstellung;
2 Blockschaltbild einer Mess-und Betriebsschaltung eines Coriolis-Massedurchflussmessers;
3 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens
4 Zeigerdiagramm für zwei Sensorsignale eines Coriolis-Massedurchflussmessers.
In 1 ist ein Messaufnehmer 1 für einen Coriolis-Massedurchflußmesser in schematischer Darstellung gezeigt. Der Messaufnehmer 1 ist in einer nicht dargestellten Rohrleitung angeordnet in der ein Fluid F strömt, dessen Massedurchfluss eine der interessierenden Größen ist. Die Verbindung mit der Rohrleitung erfolgt über die beiden Flansche 2, 3.
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.
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 ).
Die Flansche 2, 3 und die Endplatten sind an oder in einem Trägerrohr 15 befestigt.
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.
Die Spule 162 ist am Tragrohr 15 und der Permanentmagnet 161 am Messrohr 4 fixiert.
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.
In der Zeichenebene treten auch die Corioliskräfte auf, die bewirken, dass nicht mehr alle Punkte entlang des Messrohrs 4 in Phase schwingen.
Die Schwingungsbewegung des Messrohrs 4 wird mit Hilfe zweier Schwingungssensoren 17 bzw. 18, die etwa symmetrisch zum Schwingungserreger 16, ebenfalls am Tragrohr 15 angeordnet sind, aufgenommen. Bei den Schwingungssensoren 17 bzw. 18 kann es sich z. B. um elektromagnetische Wandler handeln, die ähnlich der Anordnung Permanentmagnet-Spule des Schwingungserregers 16 aufgebaut sind.
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 S1 bzw. S2 abgegriffen wird.
Ein Coriolis-Massedurchflussmesser besteht in der Regel aus einem Messaufnehmer und einer zugehörigen Mess- und Betriebsschaltung.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer solchen zum Messaufnehmer 1 gehörenden Mess- und Betriebsschaltung, die unter anderem die Auswertung der beiden Sensorsignale durchführt und die Schwingungsanregung des Messrohrs 4 steuert.
Die beiden Sensorsignale X17 und X18, die von den Schwingungssensoren 17 bzw. 18 aufgenommen werden, werden in zwei Vorverstärkern V1 und V2 verstärkt und jeweils in einem Analog-/Digitalwandler AW1 bzw. AW2 in digitale Sensorsignale S1, S2 umgewandelt und einem digitalen Signalprozessor DSP zugeführt. Der digitale Signalprozessor DSP liefert an einem ersten Ausgang A1 den gemessenen Wert des Massedurchflusses ṁ. Ein weiterer Ausgang A2 liefert ein Signal, das den Erregerstrom I_err für die Schwingungsanregung des Messrohrs steuert.
3 zeigt in schematischer Darstellung die einzelnen Verfahrensschritte, die zur Bestimmung des Massedurchflusses ṁ im digitalen Signalprozessor DSP durchgeführt werden.
Die beiden digitalen Sensorsignale S1, S2 werden auf Kanal CH1 bzw. CH2 mit Hilfe je eines Anti-Aliasingfilters BP1 bandbegrenzt und einem Summierglied Σ und dem Differenzierglied Δ zugeführt.
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 Verzögerungsglied 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.
Durch Filterung mit einem Lowpassfilter LP4 wird das Produkt von dem Summensignal |Σ| und der vom Massedurchfluss hervorgerufene Komponente |Im(Δ)| des Differenzsignales gewonnen.
Im nächsten Verfahrensschritt wird der Massedurchfluss ṁ gemäß der Formel ṁ ~ |Im(Δ)|/(|Σ| * f) bestimmt. Die Frequenz der Messrohrschwingung ist mit f bezeichnet.
Der Messwert ṁ kann in einer nicht näher dargestellten Auswerteschaltung weiterverarbeitet oder in einem ebenfalls nicht dargestellten Display angezeigt werden. Auch eine Weiterleitung des Messwerts ṁ an eine übergeordnete Einheit (Steuerung, Leitsystem) ist denkbar.
In 4 ist anhand eines üblichen Zeigerdiagramms die Beziehung zwischen den beiden Sensorsignalen S1 und S2 dargestellt. Die beiden Sensorsignale S1 und S2 sind als Vektoren dargestellt und weisen aufgrund der ungleichen Amplituden der Sensorsignale unterschiedliche Beträge auf. Im Zeigerdiagramm ist die Phasenverschiebung zwischen den Sensorsignalen S1, S2, die durch den Corioliseffekt verursacht wird, deutlich sichtbar.
Mit Σ ist das Summensignal und mit Δ das Differenzsignal der beiden Sensorsignalen S1 und S2 bezeichnet.
Eingezeichnet ist auch der Fall, wenn beide Sensorsignale die gleiche Amplitude aufweisen (S2 und S1').
Mit Σ' ist das Summensignal und mit Δ' das Differenzsignal der beiden Sensorsignalen S1' und S2 bezeichnet.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist der Betrag des Summensignals |Σ'| zum Betrag des Summensignals |Σ| proportional. Außerdem ist der Betrag der auf das Summensignal Σ senkrecht stehenden Komponente des Differenzsignals
|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 S1 und S2, d. h. ihre ungleichen Amplituden, schlägt sich im Messergebnis, dem Massedurchfluss ṁ nur in einem Proportionalitätsfaktor nieder. Solange sich die Asymetrien nicht ändert, ändert sich auch dieser Proportionalitätsfaktor nicht. Ein konstanter Proportionalitätsfaktor kann aber im Kalibrierfaktor für den Coriolis-Massedurchflussmesser berücksichtigt werden. Jeder Coriolis-Massedurchflussmesser muss kalibriert werden, um einen genauen Messwert ausgeben zu können.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis-Massedurchflussmessers mit folgenden Verfahrensschritten: Erzeugung einer Schwingung eines Messrohrs mit der Frequenz f, Erfassen der Schwingungsbewegung des Messrohrs an zwei unterschiedlichen Mess-Stellen mit zwei Schwingungssensoren, Umwandlung der analogen Sensorsignale X17, X18 der beiden Schwingungssensoren in digitale Sensorsignale S1 und S2, wobei die beiden Sensorsignale S1, S2 nicht notwendigerweise gleiche Amplituden haben und keine Regelung auf gleiche Amplitude erfolgt Bildung des Summensignals Σ und des Differenzsignals Δ aus den beiden Sensorsignalen S1 und S2 Drehung des Summensignals um 90° Multiplikation des verschobenen Summensignals mit dem Differenzsignal Δ Bestimmung der Amplitude des Summensignals Σ Bestimmung des Massedurchflusses ṁ ~ |Im(Δ)|/(|Σ| f).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des Summensignals Σ mit Hilfe eines Hilbert-Transformators erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensorsignale S1 und S2 in einem Bandpassfilter BP1 und BP2 vor ihrer Weiterverarbeitung gefiltert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensorsignale X17, X18 vor der Digitalisierung vorverstärkt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.