DE19882239B3

DE19882239B3 - Wirbel-Durchflußmesser mit Signalverarbeitung

Info

Publication number: DE19882239B3
Application number: DE19882239.1T
Authority: DE
Inventors: Lowell A. Kleven; Robert C. Hedtke; David Wiklund
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: GB9921315D0; DE19882239T1; GB2337331A8; JP2001519910A; GB2337331B; US6658945B1; GB2337331A; US6170338B1; US6651512B1; CN1136437C; WO1998043051A3; CN1251652A; JP4472790B2; US6412353B1; US6484590B1; WO1998043051A2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Durchflussmessers zum Messen eines Massendurchflusses eines Fluids mit den Schritten: Erzeugen von Wirbeln im Fluid; Überwachen (105) einer Frequenz und einer Amplitude, die mit den Wirbeln in Beziehung stehen; Berechnen (109) der Durchflussrate mindestens aus der überwachten Frequenz; Bereitstellen (107) eines ersten Dichtewertes als Funktion mindestens der überwachten Amplitude; Überwachen (102) mindestens einer Temperatur des Fluids; Überwachen (102) eines Drucks des Fluids; Bereitstellen (106) eines zweiten Dichtewertes als Funktion mindestens der überwachten Temperatur und des überwachten Drucks; und Vergleichen des ersten Dichtewertes mit dem zweiten Dichtewert zum Berechnen (110) eines Kalibrierungsfaktors; Korrigieren der berechneten Durchflussrate und Bestimmen des Massendurchflusses.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Durchflußmesser, z. B. Wirbelablösungsmeßgeräte oder Wirbelmeßgeräte, die auf eine Fluidströmung ansprechen.
Durchflußmesser erfassen den Durchfluß von Flüssigkeiten oder Gasen in Leitungen und erzeugen ein den Durchfluß oder die Durchflußrate anzeigendes Signal. Unter bestimmten Umständen wird durch das Vorhandensein eines Hindernisses, das alternativ als Ablösungsbock, stumpfer Körper bzw. Störkörper oder Wirbelgenerator bekannt ist, in einer Strömungsleitung periodisch Wirbel in der Strömung erzeugt. Die Frequenz dieser Wirbel ist der Strömungsgeschwindigkeit im Durchflußmesser direkt proportional. Die sich ablösenden Wirbel erzeugen mit der Wirbelablösungsfrequenz einen alternierenden Differenzdruck über den Störkörper. Diese Druckdifferenz wird durch Piezokristalle oder andere Differenzdruckvorrichtungen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Größe der Druckdifferenz oder des elektrischen Signals ist proportional zu ρV², wobei ρ die Fluiddichte und V die Fluidgeschwindigkeit bezeichnen. Wenn das Verhältnis des Rohrdurchmessers zur Größe des Störkörpers konstant gehalten wird, ist die Signalgröße proportional zu ρD²F², wobei D den Innendurchmesser des Meßgerätrohrs und F die Wirbelablösungsfrequenz bezeichnen. Der Wirbel-Durchflußmesser erzeugt Impulse mit einer der Durchflußrate proportionalen Frequenz. In einem Wirbelmeßgerät wird das Fluid, dessen Durchflußrate gemessen werden soll, durch Wirbelblätter oder -flügel gezwungen, eine Wirbelkomponente anzunehmen, wobei die Anordnung derart ist, daß die Wirbelbewegung in eine Präzessionsbewegung umgewandelt wird, um Fluidimpulse zu erzeugen, die erfaßt werden, um ein Signal zu erhalten, dessen Frequenz einer Durchflußrate proportional ist. Vergl. US-Patente Nr. 3616693 und 3719080 , in denen Beispiele von Wirbelmeßgeräten dargestellt sind und auf die hierin durch Verweis Bezug genommen wird. Der hierin verwendete Ausdruck ”Wirbel-Durchflußmesser” soll sowohl Wirbelablösungsmeßgeräte als auch Wirbelmeßgeräte einschließen.
Ein Wirbel-Durchflußmesser ist ein Meßwertgeber oder Transmitter, der typischerweise im Bereich einer industriellen Proßeßsteuerungsanlage angeordnet wird, wo der Leistungsverbrauch berücksichtigt werden muß. Durch einen Wirbel-Durchflußmesser kann ein den Durchfluß oder die Durchflußrate darstellendes Stromausgangssignal bereitgestellt werden, wobei die Größe des Stroms zwischen 4 und 20 mA einer Stromschleife oder 20 mA-Schnittstelle variiert. Außerdem ist es wünschenswert, daß der Wirbel-Durchflußmesser durch die Stromschleife vollständig mit Strom versorgt wird, so daß keine zusätzlichen Stromquellen erforderlich sind. Daher sollte der Transmitter des Wirbel-Durchflußmessers bei einem Strom von weniger als 4 mA betreibbar sein, damit der Transmitter mit dieser industriellen Prozeßsteuerungskommunikationsnorm kompatibel ist.
Es ist bekannt, einen Mikroprozessor in einem Wirbel-Durchflußmesser einzufügen. Der Mikroprozessor empfängt digitale Darstellungen des Ausgangssignals vom Wirbelsensor und berechnet gewünschte Ausgangsgrößen basierend auf Parametern der digitalen Darstellung. Beispielsweise kann ein Wirbel-Durchflußmesser den Massendurchsatz oder -durchfluß durch das Rohr oder die Leitung berechnen. Außerdem ist es wünschenswert, den berechneten Massendurchfluß etwa zehnmal pro Sekunde bereitzustellen. Für jede neue Berechnung des Massendurchsatzes muß der Mikroprozessor viele mathematische Schritte ausführen, wobei für jeden mathematischen Schritt mehrere Taktzyklen erforderlich sind, wodurch die Rate oder Frequenz begrenzt wird, mit der die berechneten Massendurchsatzwerte bereitgestellt werden können. Obwohl es wünschenswert wäre, einen leistungsstärkeren Mikroprozessor zu verwenden, der weitere Berechnungen ausführen könnte, um die Genauigkeit zu verbessern, würde der Mikroprozessor eine höhere Leistung benötigen, als von der vorstehend beschriebenen 4~20 mA-Industrienorm verfügbar ist.
Die EP 666 468 A2 betrifft einen Sensor, der in einem Wirbelmesser eingesetzt werden kann und der in der Lage ist, verschiedene physikalische Charakteristika einer allgemeinen Quelle in einem einmaligen Durchfluss zu messen. Ein Störungsbalken in dem Wirbelmesser erzeugt dabei alternierende Wirbel. Der Sensor, der in Fluidverbindung mit dem Wirbelmesser steht, umfasst ein oder mehrere Druck und Temperatur messende Diaphragmen, die Piezo-Widerstandselemente aufweisen, die in einer Wheatstone-Brückenanordnung angeordnet sind. Der Sensor erzeugt dabei elektrische Signale, die der Flussgeschwindigkeit, dem Fluiddruck und der Temperatur entsprechen. Diese Signale werden an ein Prozessorelement übertragen, das weitere Flussparameter berechnet.
Die DD 287 995 A5 betrifft einen Wirbelzähler mit Temperatursensor, der, als Betriebsmessgerät ausgeführt, zur Volumenstromerfassung gasförmiger und flüssiger Medien seinen Einsatz findet. Der DD 287 995 A5 liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelzähler mit Temperatursensoren zu schaffen, der wartungsarm und zuverlässig sowie mit hoher Genauigkeit arbeitend, zur Erfassung von Stoffströmen hoher bzw. niedriger Temperatur einsetzbar ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einer inneren Ausnehmung des Wirbelprofilkörpers in der Nähe seiner Anströmseite oder günstigerweise direkt in der Wirbelabtastplatte selbst ein Temperatursensor zur Korrektursignalgewinnung für die Eliminierung temperaturbedingter geometrischer Effekte am Messwertgeber mit Auswirkung auf die Messgenauigkeit des Wirbelzählers angeordnet ist.
Die US 5,429,001 beschreibt einen Messwertgeber für einen Wirbeldurchfluss, der eine Filterschaltung zum Empfangen eines verrauschten Eingangssignals aufweist, das einen Durchfluss darstellt und das eine Grundfrequenz hat, die sich mit der Änderung des Durchflusses ändert. Der Filter filtert das Eingangssignal, wobei eine von einer Gruppe von Hochpass- und Niederpass-Filtereigenschaften genutzt wird, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen. Die Amplitude des gefilterten Signals ist proportional zu der Dichte des Fluids. Die Schaltung berechnet den Massendurchfluss des Fluids auf Basis der Amplitude und der Grundfrequenz des Filterausgangssignals. Die Schaltung umfasst eine Gleichrichterschaltung, eine Summierschaltung, eine Periodenzählschaltung und einen Mikroprozessor.
Die US 4,010,645 beschreibt ein System zum Messen eines Massendurchflusses eines Fluidstromes, wobei Gas mit einem Liquid vermengt ist. Das System stellt getrennte Massendurchflussraten für das Gas und das Liquid bereit. Das System umfasst einen Massendurchflussmesser des Wirbeltypes bereit, wobei der Massendurchflussmesser ein Ströhmungsrohr, durch das der Strom geleitet wird, aufweist, und das ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz den Volumenfluss darstellt und dessen Amplitude den Massendurchfluss darstellt.
Trotzdem besteht ein anhaltender Bedarf für einen Wirbel-Durchflußmesser mit verbesserter Genauigkeit. Dabei sollten weder Einschränkungen hinsichtlich der Aktualisierungsrate gemacht werden, noch sollte der Leistungsbedarf die von der Stromschleife verfügbare Leistung überschreiten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 14 definiert. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Nachstehend werden verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben oder beispielhafte Aspekte beschrieben, die für das Verständnis der Erfindung hilfreich sind.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Berechnen eines eine Durchflußrate eines strömenden Fluids darstellenden Ausgangswertes weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Wirbelgenerators, der Wirbel im Fluid erzeugt; Bereitstellen einer ersten Beziehung zwischen dem Fluiddurchfluß und einem ersten Satz von Fluidparametern; Bereitstellen einer zweiten Beziehung zwischen dem Fluiddurchfluß und einem zweiten Satz von Fluidparametern; Überwachen des ersten und des zweiten Satzes von Fluidparametern; Berechnen eines ersten Durchflußwertes aus dem ersten Satz der überwachten Fluidparameter und der ersten Beziehung; Anpassen der zweiten Beziehung basierend auf dem ersten Durchflußwert; und Berechnen des Ausgangswertes aus dem zweiten Satz der überwachten Fluidparameter und der angepaßten zweiten Beziehung.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Berechnen eines einen Massendurchsatz eines strömenden Fluids darstellenden Ausgangswertes weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Wirbelgenerators, der Wirbel im Fluid erzeugt, eines Wirbelsensors, der mindestens ein Merkmal der Wirbel mißt, eines Temperatursensors, der eine Temperatur des Fluids mißt, und eines Drucksensors zum Messen eines Drucks des Fluids; Berechnen eines ersten Durchflußwertes aus den vom Temperatursensor und vom Drucksensor erhaltenen Werten; Berechnen eines zweiten Durchflußwertes aus den vom Wirbelsensor erhaltenen Werten; Berechnen eines Kalibrierungsfaktors als Funktion des ersten Durchflußwertes und des zweiten Durchflußwertes; und Berechnen eines Massendurchsatzausgangswertes als Funktion des Kalibrierungsfaktors und der vom Wirbelsensor erhaltenen Werte.
Durch einen beispielhaften Wirbel-Durchflußmesser wird ein eine Durchflußrate eines Fluids darstellender Ausgangswert bereitgestellt. Der Wirbel-Durchflußmesser weist einen im Fluid positionierbaren Wirbelgenerator und einen Wirbelsensor auf, durch den ein Wirbelsignal als Funktion der erzeugten Wirbel bereitgestellt wird. Eine Filterschaltung ist mit dem Wirbelsensor verbunden, um das Wirbelsignal zu empfangen und ein den Fluiddurchfluß darstellendes Filterausgangssignal bereitzustellen. Ein Temperatursensor erfaßt eine Temperatur des Fluids und erzeugt einen Temperaturwert. Ein Prozessor ist mit der Filterschaltung und mit dem Temperatursensor betrieblich gekoppelt, um das Filterausgangssignal bzw. den Temperaturwert zu empfangen. Der Prozessor berechnet einen Kalibirierungsfaktor als Funktion des Filterausgangssignals und des Temperaturwertes und berechnet den Ausgangswert als Funktion des Kalibirierungsfaktors.
Ein erfindungsgemäßer Wirbel-Durchflußmesser stellt einen Massendurchfluß eines Fluids bereit. Der Wirbel-Durchflußmesser weist einen im Fluid positionierbaren Wirbelgenerator und einen Wirbelsensor auf, der ein Wirbelsignal als Funktion erzeugter Wirbel bereitstellt. Eine Schaltung ist mit dem Wirbelsensor gekoppelt, um das Wirbelsignal zu empfangen, und erzeugt ein eine Durchflußrate anzeigendes Ausgangssignal. Ein Temperatursensor erfaßt eine Temperatur des Fluids und erzeugt einen Temperaturwert. Ein Drucksensor erfaßt einen Druck des Fluids und erzeugt einen Druckwert. Ein Prozessor ist mit der Schaltung, dem Temperatursensor und dem Drucksensor betrieblich gekoppelt, um das Ausgangssignal, den Temperaturwert und den Druckwert zu empfangen.
Der Prozessor stellt einen ersten Dichtewert als Funktion einer Amplitude des Ausgangssignals und einen zweiten Dichtewert als Funktion mindestens des erzeugten Temperaturwertes und Druckwertes, den ersten Dichtewert mit dem zweiten Dichtewert vergleicht und daraus einen Kalibrierungsfaktor berechnet, das die Durchflussrate darstellende Ausgangssignal korrigiert und den Massendurchfluss bestimmt.
Ein beispielhafter Wirbel-Durchflußmesser weist ein Strömungsrohr mit einem Wirbelgenerator und einem darin angeordneten Stromlinienkörper auf. Ein Wirbelsensor erfaßt durch den Wirbelgenerator erzeugte Wirbel, während ein am Stromlinienkörper angeordneter Temperatursensor eine Temperatur eines durch das Strömungsrohr strömenden oder transportierten Fluids mißt. Eine Schaltung ist mit dem Wirbelsensor und mit dem Temperatursensor verbunden, um einen den Fluiddurchfluß anzeigenden Ausgangswert zu erzeugen.
Ein beispielhafter Durchflußmesser, der einen Massendurchfluß eines Fluids mißt, weist einen Volumendurchflußsensor auf, der ein Volumenausgangssignal erzeugt, das als Funktion eines Volumendurchflusses des Fluids variiert, und einen im Fluid angeordneten Stromlinienkörper. Ein Temperatursensor ist am Stromlinienkörper angeordnet und erzeugt einen Temperaturausgangssignal. Eine Schaltung empfängt das Volumenausgangssignal und das Temperaturausgangssignal und erzeugt als Funktion dieser Signale einen den Massendurchfluß des Fluids darstellenden Durchflußmesserausgangswert.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Durchflußmessers zum Messen einer Durchflußrate eines Fluids weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Störkörpers, der Wirbel im Fluid erzeugt; Überwachen einer Frequenz und einer Amplitude, die mit den Wirbeln in Beziehung stehen; Berechnen einer Durchflußrate mindestens aus der Frequenz; und Erzeugen eines Alarmsignals, wenn die Amplitude einen Amplitudenschwellenwert überschreitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Durchflußmessers zum Messen eines Massendurchflusses eines Fluids weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen von Wirbeln im Fluid; Überwachen einer Frequenz und einer Amplitude, die mit den Wirbeln in Beziehung stehen; Berechnen der Durchflußrate mindestens aus der überwachten Frequenz; Bereitstellen eines ersten Dichtewertes als Funktion mindestens der überwachten Amplitude; Überwachen mindestens einer Temperatur des Fluids; Überwachen eines Drucks des Fluids; Bereitstellen eines zweiten Dichtewertes als Funktion mindestens der überwachten Temperatur und des Drucks; und Vergleichen des ersten Dichtewertes mit dem zweiten Dichtewert zum Berechnen eines Kalibrierungsfaktors; Korrigieren der berechneten Durchflußrate und Bestimmen des Massendurchflußes.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines Durchflußmessers zum Messen der Durchflußrate eines Gases weist die Schritte auf: Erzeugen von Wirbeln im Fluid; Überwachen einer mit den Wirbeln in Beziehung stehenden Frequenz; Berechnen der Durchflußrate mindestens aus der überwachten Frequenz; Überwachen mindestens einer Temperatur und eines Drucks des Gases; Berechnen eines die Kondensation des Gases anzeigenden Wertes als Funktion mindestens der überwachten Temperatur und des überwachten Drucks; und Bereitstellen eines Alarmsignals als Funktion des Wertes.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines Durchflußmessers in einem definierten Bereich weist auf: Bereitstellen eines Strömungsrohrs zum Transportieren eines Fluids; Bereitstellen eines Volumendurchflußsensors im Strömungsrohr, der ein Volumenausgangssignal erzeugt; Bereitstellen eines ersten Sensors im Strömungsrohr, der einen ersten Parameter mißt, der aus einer Parametergruppe ausgewählt wird, die aus einer Temperatur und einem Druck des Fluids besteht; Berechnen einer Durchflußrate des Fluids mindestens aus dem Volumenausgangssignal; und Erzeugen eines Alarmsignals, wenn das erste Sensorausgangssignal außerhalb eines ersten vorgegebenen Bereichs liegt.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines Durchflußmessers zum Messen einer Durchflußrate eines Fluids weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Strömungsrohrs zum Transportieren eines Fluids; Erzeugen von Wirbeln im Fluid; Überwachen einer mit den Wirbeln in Beziehung stehenden Frequenz; Berechnen der Durchflußrate mindestens aus der überwachten Frequenz; und Überwachen einer beginnenden Kavitation oder Blasenbildung im Fluid.
Ein beispielhafter Durchflußmesser, der einen einen Massendurchfluß eines Fluids anzeigenden Durchflußmesserausgangswert als Funktion einer gemessenen Fluidtemperatur oder eines gemessenen Fluiddrucks bereitstellt, weist ein Strömungsrohr und einen im Strömungsrohr angeordneten Volumendurchflußsensor auf, der ein als Funktion eines Volumendurchflusses des Fluids variierendes Volumenausgangssignal erzeugt. Ein Temperatur- oder Drucksensor ist an einer ersten Position im Strömungsrohr angeordnet, um einen Parameter des Fluids an der ersten Position zu messen. Eine Durchflußmesserschaltung empfängt den Parameterwert vom Sensor und erzeugt den Durchflußmesserausgangswert als Funktion dieses Parameterwertes. Die Durchflußmesserschaltung ist außerdem so konfiguriert, daß sie den Parameterwert korrigiert, wodurch ein angepaßter Wert erhalten wird, der den Parameter des Fluids an einer zweiten Position darstellt, wobei der angepaßte Temperaturwert durch die Durchflußmesserschaltung verwendet wird, um den Durchflußmesserausgangswert zu berechnen.
Ein beispielhafter Durchflußmesser, der einen einen Massendurchfluß eines Fluids anzeigendes Durchflußmesserausgangswert als Funktion einer gemessenen Fluidtemperatur und eines gemessenen Fluiddrucks bereitstellt, weist ein Strömungsrohr und einen im Strömungsrohr angeordneten Volumendurchflußsensor auf, der ein als Funktion eines Volumendurchflusses des Fluids variierendes Volumenausgangssignal erzeugt. Ein Temperatursensor ist an einer ersten Temperaturposition im Strömungsrohr angeordnet, um eine Temperatur des Fluids an der ersten Temperaturposition zu messen. Ein Drucksensor ist an einer ersten Druckposition im Strömungsrohr angeordnet, um einen Druck des Fluids an der ersten Druckposition zu messen. Eine Durchflußmesserschaltung empfängt einen Temperaturwert vom Temperatursensor und einen Druckwert vom Drucksensor und erzeugt den Durchflußmesserausgangswert als Funktion dieser Werte. Die Durchflußmesserschaltung ist außerdem so konfiguriert, daß sie den Temperaturwert korrigiert, um einen angepaßten Temperaturwert zu erhalten, der eine Temperatur des Fluids an einer zweiten Temperaturposition darstellt, und den Druckwert korrigiert, um einen angepaßten Druckwert zu erhalten, der einen Druck des Fluids an einer zweiten Druckposition darstellt, wobei der angepaßte Temperaturwert und der angepaßte Druckwert durch die Durchflußmesserschaltung verwendet werden, um den Durchflußmesserausgangswert zu erzeugen.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines Durchflußmessers, der eine Durchflußrate eines Fluids mißt, weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Strömungsrohrs zum Transportieren eines Fluids; Erzeugen von Wirbeln im Fluid durch einen Störkörper; Überwachen einer mit den Wirbeln in Beziehung stehenden Frequenz; Überwachen eines Parameters; Berechnen eines Kalibrierungsfaktors aus dem Parameter; und Berechnen der Durchflußrate mindestens aus der überwachten Frequenz und dem Kalibrierungsfaktor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Wirbel-Durchflußmessers;
1A zeigt ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbel-Durchflußmessers;
2 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der Arbeits- oder Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wirbel-Durchflußmessers;
3A und 3B zeigen Kurven des Kompressibilitätsfaktors als Funktion des Drucks bei verschiedenen Temperaturen für zwei Fluida;
4 zeigt eine Seitenansicht des Wirbel-Durchflußmessers, wobei Abschnitte entfernt sind;
5 zeigt eine Querschnittansicht des Wirbel-Durchflußmessers entlang den Linien 5-5 von 4;
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 4;
7 zeigt eine Querschnittansicht entlang den Linien 7-7 in 6;
8 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Wirbel-Durchflußmessers, wobei Abschnitte entfernt sind; und
9 zeigt eine Querschnittansicht des Wirbel-Durchflußmessers entlang den Linien 9-9 in 8.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbel-Durchflußmessers 10. Der Wirbel-Durchflußmesser 10 weist allgemein eine Wirbelsensoreinheit 11 auf, die geeignete mechanische und elektrische Elemente zum Erfassen von Wirbeln 15 in einem durch eine Leitung bzw. durch ein Rohr 16 strömenden Fluid 14 aufweist. Der Wirbelsensor 11 ist mit einer elektronischen Schaltung 12 betrieblich verbunden. Die elektronische Schaltung 12 erzeugt sowohl einen einen Durchfluß anzeigenden 4~20-mA-Strom auf einer Stromschleife 17 als auch ein Rechteckwellen-Ausgangssignal F_out mit einer dem Fluiddurchfluß proportionalen Frequenz.
Der Wirbel-Durchflußmesser 10 weist ein Wirbel-Durchflußmessergehäuse 22 mit einem darin angeordneten Störkörper 24 auf. Wenn das Fluid 14 am Störkörper 24 vorbeiströmt, werden sich ablösende Wirbel 15 mit einer die Durchflußrate anzeigenden Frequenz erzeugt. Ein vorzugsweise am Störkörper 24 angeordneter Meßaufnehmer oder Meßumformer 26 der Wirbelsensoreinheit 11 erfaßt eine mit den sich ablösenden Wirbeln 15 in Beziehung stehende Druckdifferenz. Der Wirbelsensor 26 kann beispielsweise einen piezoelektrischen Sensor aufweisen. Der Sensor 26 weist Kenngrößen oder -linien auf, die näherungsweise durch eine Spannungsquelle E_s und einen Reihen- oder Serienkondensator C_s darstellbar sind. Die Größe des Ausgangssignals vom piezoelektrischen Sensor 26 ist der Druckdifferenz proportional, die zu ρV² proportional ist, wobei ρ die Fluiddichte und V die Geschwindigkeit des Fluids 14 darstellen, und außerdem proportional zu ρD²F², wobei D den Innendurchmesser des Meßgerätgehäuses 22 und F die Ablösungsfrequenz der Wirbel 15 darstellen.
Der Ausgang des Meßumformers 26 ist mit einem Verstärker 28 verbunden, der einen Kondensator C_F und einen Widerstand R_F aufweist. Der Verstärker 28 erzeugt ein analoges Ausgangssignal auf einer Leitung 30. Das Signal auf der Leitung 30 wird einer Eingangsschaltung 60 zugeführt, die ein Antialiasing-Filter 62 und einen Analog/Digital-(Sigma-Delta-)Wandler 64 aufweist. Das Antialiasing-Filter 62 filtert das Signal von der Leitung 30, um unerwünschtes Hochfrequenzrauschen zu entfernen und führt eine Antialiasing-Filterfunktion aus.
Der Analog/Digital-Wandler 64 tastet das Signal vom Filter 62 mit einer Frequenz von etwa 307,2 kHz ab und gibt einen Ein-Bit-Datenstrom mit einer Frequenz von 307,2 kHz aus, der die Amplitude und die Frequenz der Wirbel 15 anzeigt. Im Datenstrom sind ”kein Wort”-Grenzen vorhanden. Die relative Anzahl von Einsen und Nullen, die manchmal als Bitdichte bezeichnet wird, stellt das Signal auf der Leitung 30 dar. Der Analog/Digital-Wandler 64, der vorzugsweise durch eine anwendungsspezifische integrierte CMOS-Schaltung implementiert wird, um die Leistungsaufnahme, die Kosten und die Größe zu minimieren, ist besonders geeignet, um Analogsignale im Bereich von 1 bis 10 kHz zu digitalisieren, was ein typischer Frequenzbereich für Wirbel-Durchflußmesser ist. Der digitale Datenstrom wird über eine elektrische Trenn- oder Entkopplungsbarriere 66 übertragen, die für Sensoren erforderlich ist, die geerdet sind oder einen Verluststrom zur Erde aufweisen. Solche Sensoren werden typischerweise in Wirbel-Durchflußmessern verwendet, um Kosten zu reduzieren und Verbindungen zu vereinfachen. Durch den Ein-Bit-Datenstrom kann ein kostengünstiger, kompakter Transformator oder Kondensator in der Trenn- oder Entkopplungsbarriere 66 verwendet werden. Andere Trenn- oder Entkopplungseinrichtungen sind ebenfalls geeignet, z. B. optische, piezoelektrisch/akustische und magnetostriktive Trenn- oder Entkopplungseinrichtungen.
Der Ein-Bit-Datenstrom wird über die Trenn- oder Entkopplungsbarriere 66 einem digitalen Tracking-Filter 68 zugeführt. Das Tracking-Filter 68 minimiert das im Analog/Digital-Wandler 64 vorhandene Frequenzquantisierungsrauschen und wandelt außerdem die Amplituden- und das Frequenz-Wirbelsensorsignal auf der Leitung 30 in ein einen Massendurchfluß darstellendes Durchflußmesserausgangssignal um. Das digitale Filter 68 empfängt ein mit der Durchflußrate in Beziehung stehendes rausch-kontaminiertes Eingangssignal mit einer in Antwort auf die Durchflußrate variierenden Grundfrequenz. Das digitale Filter 68 filtert das Eingangssignal mit vorgegebenen Hochpaß (HP) und Tiefpaß (TP)-filtercharakteristika, um ein einen Durchfluß darstellendes, gefiltertes Signal zu erzeugen. Die Frequenzcharakteristik des HP-Filters wird aus einer Familie vorausgewählter HP-Filter mit verschiedenen Eckfrequenzen ausgewählt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden mehrere HP-Filter verwendet. Ein Mikroprozessor 70 wählt geeignete Eckfrequenzen des digitalen Filters 68 aus, oder es wird eine geeignete Steuerung im digitalen Filter 68 bereitgestellt, um die Eckfrequenzen auszuwählen. Das digitale Filter 68 erzeugt ein mit der Amplitude des Signals auf der Leitung 30 in Beziehung stehendes Signal, das der Dichte ρ_V des Fluids grob proportional ist. Das Signal ρ_V wird verwendet, um den Massendurchsatz M zu berechnen. Das ρ_V-Signal ist gegenüber einem anderen Signal ρ_V bevorzugt, das ebenfalls vom digitalen Filter 68 verfügbar ist, weil das digitale Filter 68 vom ρ_V-Signal mehr Rauschen entfernt hat. Im US-Patent Nr. 5429001 , auf das hierin durch Verweis Bezug genommen wird, wird die Operation des digitalen Filters 68 zum Bereitstellen des ρ_V-Signals ausführlich beschrieben. In der mitanhängigen Patentanmeldung mit dem Titel ”RAPID TRANSFER FUNCTION DETERMINATION FOR A TRACKING FILTER”, die am gleichen Datum wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, und auf die ebenfalls hierin durch Verweis Bezug genommen wird, wird ein alternatives digitales Tracking-Filter beschrieben. Im von einem dieser digitalen Tracking-Filter erhaltenen ρ_V-Signal kann jedoch ein Fehler von etwa 5% im Vergleich zur tatsächlichen Fluiddichte vorhanden sein. Dieser Fehler kann auf den Störkörper 24 ausgeübten Fluideffekten zugeordnet werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch den Wirbel-Durchflußmesser 10 die Genauigkeit des die Durchflußrate, typischerweise eines Massendurchflusses M, anzeigenden Ausgangswertes durch Überwachen zusätzlicher Parameter des in der Leitung 16 strömenden Fluids 16 und unter Verwendung der zusätzlichen Parameter zum Berechnen des die Durchflußrate anzeigenden gewünschten Ausgangswertes verbessert. In der dargestellten Ausführungsform werden die Temperatur und der Druck des in der Leitung 16 strömenden Fluids 14 gemessen und dem Mikroprozessor 70 als Eingangssignal 80 zugeführt. Die Temperatur wird durch einen geeigneten Temperatursensor 82 gemessen, z. B. durch eine RTD-Vorrichtung (Widerstandstemperaturvorrichtung) oder ein Thermoelement, das die Temperatur des Fluids 14, vorzugsweise strömungsabwärts vom Störkörper 24, erfaßt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Temperatursensor 82 in einem Stromlinienkörper 84 angeordnet, z. B. in einem Flügelprofilelement, um eine robuste Struktur zu erhalten und den Druckabfall entlang der Leitung 16 zu minimieren. Ein geeigneter Drucksensor 86 erfaßt den Leitungsdruck des Fluids in der Leitung 16. Der Temperatursensor 82 und der Drucksensor 86 erzeugen Ausgangssignale für geeignete Analog/Digital-Wandler 64 (wobei gegebenenfalls eine Filterfunktion vorgesehen sein kann). Die Digital/Analog-Wandler 64 übertragen entsprechende Digitalsignale über die Trenn- oder Entkopplungsbarriere 66 an einen Decodierer 88, der das Signal 80 dem Mikroprozessor 70 zuführt. In der dargestellten Ausführungsform ist sowohl der Temperatursensor 82 als auch der Drucksensor 86 strömungsabwärts vom Störkörper 24 angeordnet, um eine Störung der Erzeugung von Wirbeln 15 zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatursensor 84 in einem etwa dem sechsfachen Innendurchmesser des Meßgerätgehäuses 22 entsprechenden Abstand vom Störkörper 24 angeordnet, während der Drucksensor in einem etwa dem vierfachen Innendurchmesser des Meßgerätgehäuses 22 entsprechenden Abstand vom Störkörper 24 angeordnet ist. An diesen Positionen weisen die vom Temperatursensor 82 und vom Drucksensor 86 erhaltenen Ausgangswerte vernachlässigbare Fehler auf und können zum Berechnen der Fluiddichte ρ_V verwendet werden.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der Gesamtoperation des Wirbel-Durchflußmessers 10. Das Ablaufdiagramm beginnt bei Schritt 100. Von Schritt 100 ausgehend kann der Programmablauf als Verarbeitung entlang parallelen Pfaden 101 und 103 betrachtet werden. In der Praxis führt der Wirbel-Durchflußmesser 10 Arbeitsschritte im Pfad 101 und aufeinanderfolgende Iterationen über den Pfad 101 aus, bevor eine Einzeliteration über den Pfad 103 abgeschlossen wird. Insbesondere wird der Mikroprozessor 70 Arbeitsschritte im Pfad 103 im ”Hintergrund” ausführen, wobei diese Schritte, oder Teile davon, abgeschlossen werden, wenn die Zeit während oder beim Abschluß der Arbeitsschritte von Pfad 101 verfügbar ist. Wie nachstehend beschrieben wird, wird durch die Arbeitsschritte des Pfades 101 als Ergebnis der den Durchfluß, hierin den Massendurchsatz M des Fluids 14 in der Leitung 16, anzeigende, gewünschte Ausgangswert bereitgestellt. Während eines Normalbetriebs des Wirbel-Durchflußmessers 10 wird die Genauigkeit des berechneten Massendurchsatzes M durch Korrigieren der Temperatur und des Drucks des Fluids 14 durch die Arbeitsschritte in Pfad 103 verbessert.
Nachstehend wird zunächst Pfad 101 betrachtet, in dem der Wirbel-Durchflußmesser in Schritt 105 zunächst die Frequenz- und Amplitudendaten vom Wirbelsensor 11 erhält und diese Daten dem digitalen Tracking-Filter 68 zuführt, wie vorstehend beschrieben wurde. Das digitale Tracking-Filter 68 erzeugt dann in Schritt 107 die Dichte ρ_V, die den Durchfluß des Fluids 14 in der Leitung 16 anzeigt. Die in Schritt 107 ausgeführten Berechnungen weisen das Anwenden einer gespeicherten Skalierungskonstanten β auf, um Differenzen in der Empfindlichkeit des Wirbelsensors 11 und in der Elektronik 12 zu berücksichtigen, die für eine vorgegebene Leitungsgröße von Element zu Element, z. B. um ±30% des Nennwertes, variieren können. Der Wert β wird vorzugsweise so eingestellt, daß ρ_V im wesentlichen dem vom nachstehend beschriebenen Schritt 110 erhaltenen Wert ρ_G oder ρ_L entspricht (d. h. C hat ungefähr den Wert eins). Der Dichtewert ρ_V wird dann durch den Mikroprozessor 70 gemäß bekannten Gleichungen verwendet, um den Massendurchfluß M in Schritt 109 (auf ähnliche Weise wie im US-Patent Nr. 5429001 beschrieben) zu berechnen. Bei dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbel-Durchflußmessers 10 wird der Dichtewert ρ_V jedoch mit einem Kalibrierungsfaktor C korrigiert, der in den Arbeitsschritten des Pfads 103 berechnet wird. Weil der Kalibrierungsfaktor C von mindestens einem Wert der Dichte ρ_V abhängen kann, und weil der Kalibrierungsfaktor C möglicherweise nicht für die erste Iteration entlang des Pfades 101 berechnet wurde, kann der Kalibrierungsfaktor C anfangs auf eins gesetzt werden.
Nachstehend wird nun auf Pfad 102 Bezug genommen, in dem der Mikroprozessor 70 in Schritt 102 Fluidparameter liest, z. B. den Temperatur- und den Druckwert von der Leitung 80, und einen Wert ρ_V erhält, der in Schritt 107 berechnet wurde und zeitlich dem Temperatur- und dem Druckwert entspricht. An diesem Punkt wird der Programmablauf in Abhängigkeit davon, ob das Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit ist, oder ob wenige oder irgendwelche Eigenschaften des Fluids bekannt sind, zu Unterpfaden 103A, 103B oder 103C verzweigen.
Wenn das Fluid ein Gas ist, schreitet der Programmablauf entlang Pfad 103A fort. In Schritt 104 berechnet der Mikroprozessor 70 einen Kompressibilitätsfaktor Z des in der Leitung 16 strömenden Fluids. Es existieren zahlreiche Standards zum Berechnen von Kompressibilitätsfaktoren, die durch zahlreiche Organisationen, z. B. American Gas Association, veröffentlicht wurden. Die 3A und 3B zeigen die Änderung des Kompressibilitätsfaktors als Funktion des Drucks bei verschiedenen Temperaturen für Gase mit verschiedenen Bestandteilen. Der Mikroprozessor 70 berechnet vorzugsweise den Kompressibilitätsfaktor unter Verwendung von einem bestimmten Fluid zugeordneten, gespeicherten Koeffizienten. Weil für jeden von mehreren zu betrachtenden Fluida ein Koeffizientensatz erforderlich ist, und weil die Größe des Kompressibilitätsfaktors wesentlich variiert, ist es bevorzugt, Polynome der Form:
zu verwenden, wobei A_ij eine in einem Speicher (EEPROM) 81 gespeicherte, durch Kurvenanpassung erhaltene Konstante, T die absolute Prozeßtemperatur und P den absoluten Druck bezeichnen, und wobei i und j vorzugsweise ganze Zahlen zwischen 0 und 9 annehmen, die von der zum Berechnen des Kompressibilitätsfaktors erforderlichen Genauigkeit abhängen. Ein Polynom mit 63 Termen (i = 0 bis 8, j = 0 bis 6) ist für die meisten Anwendungen ausreichend. Durch Polynome dieser Form und mit dieser Anzahl von Termen wird der Rechenaufwand im Vergleich zu direkten Berechnungsverfahren reduziert, wodurch die Zeit zwischen Aktualisierungen des Kalibrierungsfaktors C und die Betriebsspannungs- oder -leistungsanforderungen des Wirbel-Durchflußmessers 10 reduziert werden. Außerdem ist für eine solche Technik kein großer Speicher zum Speichern einer großen Anzahl von Hilfskonstanten erforderlich, was ebenfalls zur Leistungseinsparung beiträgt.
Nachdem der Kompressibilitätsfaktor in Schritt 104 berechnet wurde, wird dieser Wert in Schritt 106 zum Berechnen eines Dichtewertes ρ_G gemäß dem idealen Gasgesetz verwendet.
Wenn das Fluid 14 eine Flüssigkeit ist, schreitet der Programmablauf nach Schritt 102 entlang des Pfades 103B fort. Der Pfad 103B weist einen Schritt 108 auf, in dem die Dichte ρ_L für die Flüssigkeit berechnet wird. Der Mikroprozessor 70 berechnet ρ_L vorzugsweise unter Verwendung gespeicherter Polynome der Form:
wobei B_ij eine im Speicher 81 gespeicherte, durch Kurvenanpassung erhaltene Konstante, T die absolute Prozeßtemperatur und P den absoluten Druck bezeichnen, und wobei k und l geeignete ganze Zahlen zwischen 0 und 9 annehmen können, die von der gewünschten Genauigkeit abhängen. Gegebenenfalls kann, weil Flüssigkeiten im wesentlichen inkompressibel sind, der Term P^K weggelassen werden.
In Schritt 110 wird ein Kalibrierungsfaktor C als Funktion von ρ_G oder ρ_L und ρ_V berechnet. Der Kalibrierungsfaktor C kann ein einfaches Verhältnis sein, das aus diesen Werten erhalten wird, oder alternativ ein laufender Mittelwert oder ein zeitlich gewichteter Mittelwert.
Der Unterpfad 103C stellt die Berechnung eines Kalibrierungsfaktors C dar, wobei, falls überhaupt, nur wenig über die Fluideigenschaften des durch die Leitung 16 strömenden Fluids bekannt ist. Allgemein kann der Kalibrierungsfaktor dargestellt werden durch: C = C_ref + ΔC (3) wobei C_ref einen Mittelwert des Kalibrierungsfaktors und ΔC einen kleinen Wert bezeichnen, der als Funktion der verfügbaren Parameter berechnet wird, z. B. als Funktion des Drucks vom Drucksensor 86, der durch den Temperatursensor 82 gemessenen Temperatur, des in Schritt 107 berechneten Wertes ρ_V oder anderer bekannter Parameter des Fluids, z. B. der dynamischen Viskosität. Beispielsweise kann der Mikroprozessor 70 einen Kalibrierungsfaktor für Änderungen des Ausgangswertes oder der Steifigkeit oder der Elastizität der Wirbelsensoreinheit 11 als Funktion des Drucks und der Temperatur berechnen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Mikroprozessor 70 eine Reynoldszahl unter Verwendung des Wertes ρ_V _' der Geschwindigkeit V des strömenden Fluids (die aus der Ablösungsfrequenz berechnet wird), des Durchmessers des Meßgeräts und der dynamischen Viskosität μ berechnen, die eine Funktion der Temperatur und des Fluidtyps ist. Obwohl für die Berechnung der Reynoldszahl die dynamische Viskosität des Fluids bekannt sein muß, kann eine Näherung verwendet werden. Die dynamische Viskosität kann einfach eine Konstante sein (wobei jegliche Temperatureffekte ignoriert sind), oder kann auch eine Funktion der Temperatur sein, in der Form:
die vom Umfang der Kenntnis der Fluideigenschaften abhängt, wobei D_n eine durch Kurvenanpassung erhaltene Konstante bezeichnet, T die absolute Prozeßtemperatur ist und n einen geeigneten ganzzahligen Wert annehmen kann, der in Abhängigkeit von der Genauigkeit variiert. Wenn die Reynoldszahl bekannt ist, kann der Mikroprozessor 70 den ”K-Faktor” und/oder einen Koeffizienten des auf den Störkörper 24 ausgeübten Drucks korrigieren, der die Druckdifferenz (ΔP = C_PρV²) bestimmt. Gegebenenfalls berechnet der Mikroprozessor 70 den Kalibrierungsfaktor C unter Verwendung gespeicherter Polynome der Form:
wobei C_rs eine im Speicher 81 gespeicherte, durch Kurvenanpassung erhaltene Konstante, ΔT die Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und einer Referenztemperatur und ΔP die Differenz zwischen dem aktuellen Druck und einem Referenzdruck bezeichnen, und wobei r und s geeignete ganzzahlige Werte annehmen können, die von der gewünschten Genauigkeit abhängen. Gegebenenfalls können die Werte für ρ_V, μ, die Machzahl oder andere bekannte Kenngrößen oder gemessene Fluidparameter ebenfalls in dieser Gleichung enthalten sein.
Wenn der Kalibrierungsfaktor C einmal berechnet wurde, wird er in Schritt 109 für nachfolgende Iterationen des Pfades 101 verwendet, bis während aufeinanderfolgender Iterationen wieder ein neuer Kalibrierungsfaktor im Hintergrund berechnet wird. Der Mikroprozessor 70 führt den letzten Ausgangswert einem Digital/Analog-Wandler 83 zu, um den digitalen Wert in einen den Durchfluß darstellenden 4~20-mA-Strom umzuwandeln. Eine digitale Kommunikationsschaltung 85 kann ebenfalls den letzten Ausgangswert empfangen, um ihn unter Verwendung bekannter Formate auf der Stromschleife 17 zu übertragen. Gegebenenfalls kann auch ein Generator 87 den letzten Ausgangswert des Massendurchflusses empfangen und über eine Entkopplungseinrichtung 89 ein Frequenzausgangssignal F_out von einer Impulsschaltung 95 bereitstellen. Ansonsten kann der Generator 87 ein den Volumendurchfluß anzeigendes Signal 79 vom digitalen Tracking-Filter 68 empfangen. Der Mikroprozessor 70 führt dem Generator 87 geeignete Skalierungskonstanten zu, wenn F_out einen Volumendurchfluß anzeigt. Durch eine Sichtanzeige 73 wird eine Benutzerschnittstelle für den Wirbel-Durchflußmesser 10 bereitgestellt.
Auf diese Weise kann der einzelne Mikroprozessor 70 für alle Verarbeitungen verwendet werden, wodurch die durch den Wirbel-Durchflußmesser 10 aufgenommene Leistung minimiert wird, so daß er durch die Stromschleife 17 vollständig versorgt werden kann. Obwohl für die Schritte in Pfad 103 zusätzliche Verarbeitungszeit erforderlich ist, können diese Berechnungen durch den Mikroprozessor 70 ausgeführt werden, während noch immer die gewünschte Aktualisierungsrate für den Massendurchsatzwert M bereitgestellt wird. Dies wäre nicht möglich, wenn der Mikroprozessor den Massendurchsatzwert M nur aus dem Dichtewert ρ_L oder ρ_G berechnen müßte. Unter diesen Umständen müßte entweder die Aktualisierungsrate des Mikroprozessors 70 reduziert werden, um die Leistungsaufnahme innerhalb der durch die Stromschleife 17 verfügbaren Leistungsgrenzen zu halten, oder es müßte zusätzliche Leistung bereitgestellt werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Aktualisierungsrate aufrechterhalten, ohne daß die verfügbare Leistung überschritten wird, weil Schritte in Pfad 103 mit einer Rate ausgeführt werden, die kleiner ist als die Aktualisierungsrate des Massendurchsatzwertes M.
1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform mit zwei Mikroprozessoren 70A und 70B. Der Mikroprozessor 70A berechnet den Massendurchsatz M gemäß dem Ablaufdiagramm von 2, wie vorstehend beschrieben. Der Mikroprozessor 70B kommuniziert über einen Datenbus 71 mit dem Mikroprozessor 70A. Der Mikroprozessor 70B steuert den Generator 87 und die Sichtanzeige 73 und kommuniziert über die Stromschleife 17 und über den Digital/Analog-Wandler 83 und die digitale Kommunikationsschaltung 85 mit einer entfernten Stelle (nicht dargestellt). 1A zeigt eine Ausführungsform, in der mehrere Mikroprozessoren 70A und 70B verwendet werden, um Betriebsprogrammteile auszuführen. Ausführungsformen mit mehr als zwei Mikroprozessoren, oder in denen die Betriebsprogrammteile anders delegiert sind, sind ebenfalls im Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Berechnen zusätzlicher Korrekturen oder das Bereitstellen von Alarmsignalen für den Volumendurchfluß und den Massendurchsatz sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase unter Verwendung des gemessenen Druck- und/oder der gemessenen Temperaturwertes auf. Beispielsweise kann eine Temperaturkompensation für die durch thermische Ausdehnung des Meßgerätgehäuses 22 verursachte Änderung des ”K-Faktors” (Verhältnis von Wirbelablösungsfrequenz zum Volumendurchfluß) bereitgestellt werden. Beispielsweise beträgt, wenn das Meßgerätgehäuse 22 aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, die aufgrunf der thermischen Ausdehnung erforderliche Temperaturkompensation für den K-Faktor etwa 0,3%/100°F. Der Durchflußmesser 10 würde sowohl den nominellen K-Faktor als auch einen Korrekturfaktor speichern, der auf dem thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten und der gemessenen Temperatur basiert. Der Mikroprozessor 70 würde dann sowohl den nominellen K-Faktor als auch den Korrekturfaktor verwenden, um den Ausgangsdurchflußwert zu berechnen.
Eine andere Korrektur weist das Berechnen von Druck- und Temperaturänderungen in der Viskosität des Fluids 14 auf, um eine Reynoldszahlkorrektur für den K-Faktor zu bestimmen. Diese Korrektur ist insbesondere für Flüssigkeiten mit höherer Viskosität geeignet, die mit geringen Durchflußraten in engen Leitungen strömen. Daher würden sowohl eine nominelle Reynoldszahl als auch ein Korrekturfaktor (der auf der Temperatur, dem Druck und der Fluidart basiert) gespeichert und durch den Durchflußmesser 10 verwendet.
In einer noch anderen Ausführungsform wird ein Alarmsignal bereitgestellt, wenn im Wirbelsensor 11 eine beginnende Kavitation oder Blasenbildung auftritt. Eine beginnende Kavitation oder Blasenbildung tritt auf, wenn der Druck des Fluids 14 etwa dem Dampfdruck des Fluids entspricht oder kleiner als dieser ist. Die folgende Gleichung stellt den minimalen zulässigen Leitungsdruck P_L an einer fünf Durchmesser vom Meßgerät 22 entfernten Position dar: P_L = AΔP + BP_VAP (6) wobei ΔP den Druckabfall über den Störkörper 24 zwischen dem strömungsaufwärtsseitigen und dem strömungsabwärtsseitigen Druck bezeichnet (ΔP = C_XρV², wobei C_X eine Proportionalitätskonstante ist), A eine mit einem lokalisierten minimalen Druckpunkt auf dem Störkörper 24 in Beziehung stehende Konstante und P_VAP den in Form einer Gleichung oder Tabelle im Speicher 81 gespeicherten Dampfdruck des Fluids 14 und B eine Konstante bezeichnen, die einen Schwellenwert in der Nähe des Dampfdrucks anzeigt. Beispielsweise kann die Konstante A einen Wert von etwa 2,9 aufweisen (an einer fünf Durchmesser vom Durchflußmesser entfernten Position), während die Konstante B einen Wert von etwa 1,3 aufweisen kann. Die Konstanten A und B können in Abhängigkeit von der tatsächlichen Druckmeßposition variieren. Vorzugsweise führt der Mikroprozessor 70 diese Berechnung aus, wenn das Amplitudensignal vom Wirbelsensor 11 unter Erwartungswerte abfällt. Wenn der Mikroprozessor 70 berechnet, daß der Leitungsdruck des Fluids 14 den Dampfdruck erreicht, kann ein Kavitation oder Blasenbildung anzeigendes Alarmsignal über die Leitung 17 ausgegeben oder auf der Sichtanzeige 73 dargestellt werden. Ansonsten kann ein einen Fehler im Wirbel-Durchflußmesser 10 anzeigendes Signal bereitgestellt werden.
In einer anderen Ausführungsform verwendet der Mikroprozessor 70 die gemessenen Druck- und Temperaturdaten, um zu berechnen, ob in den durch den Wirbel-Durchflußmesser strömenden Gasen Kondensation auftritt. In diesem Fall kann der Mikroprozessor 70 ein Alarmsignal bereitstellen, der einen Betrieb im Gaskondensationsbereich anzeigt.
In einer Ausführungsform für eine Dampfanwendung berechnet der Mikroprozessor 70 die Dampfqualität durch Vergleichen des von den gemessenen Druck- und Temperaturdaten erhaltenen Dichtewertes ρ_G mit dem von Amplitudenmessungen erhaltenen Dichtewert ρ_V. Der Mikroprozessor 70 führt der entfernten Stelle über die Stromschleife 17 ein die Dampfqualität anzeigendes Signal zu.
In einer noch anderen Ausführungsform berechnet der Mikroprozessor 70 den auf den Störkörper 24 ausgeübten dynamischen Druck aus der Dichte ρ_L oder ρ_G und der Fluiddurchflußrate, oder ein solcher Amplitudenwert kann aus dem Ausgangssignal des Sensors 11 abgeleitet werden. Wenn der dynamische Druck einen vorgegebenen Wert überschreitet, der von einem zulässigen Maximalwert abhängig ist, jenseits dem Ermüdungserscheinungen und/oder strukturelle Beschädigungen am Störkörper 24 oder am Sensor 11 auftreten können, kann der Mikroprozessor ein Alarmsignal auf der Leitung 17 bereitstellen.
In einer anderen Ausführungsform vergleicht der Mikroprozessor 70 die Werte von ρ_V mit ρ_L oder ρ_G und erzeugt ein Alarmsignal, wenn eine Differenz zwischen diesen Werten einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, um eine Störung oder Beeinträchtigung des Sensors 11 oder der Elektronik 12 anzuzeigen. Außerdem kann der Mikroprozessor 70 die vom Temperatursensor 82 und vom Drucksensor 86 erhaltenen Signale überwachen, um zu bestimmen, ob die Signale außerhalb nutzbarer Bereiche liegen. Wenn eines dieser Signale außerhalb des nutzbaren Bereichs liegt, kann der Mikroprozessor die Berechnung des Kalibrierungsfaktors unterbrechen, weil die erhaltenen Werte fehlerhaft sein können. In diesem Fall kann der Mikroprozessor 70 ein Alarmsignal bereitstellen, das anzeigt, daß der Massendurchsatz nur über den Pfad 101 berechnet wird, in dem der Kalibrierungsfaktor C auf einen Standardwert gesetzt ist, z. B. auf eins oder den letzten nutzbaren Wert. Ähnlicherweise kann der Mikroprozessor 70 das ρ_V-Signal vom digitalen Filter 68 überwachen und den Massendurchsatz basierend nur auf den Werten von ρ_G oder ρ_L berechnen, wenn das Signal von ρ_V fehlerhaft erscheint. Der Mikroprozessor 70 kann ein anderes Alarmsignal bereitstellen, wenn nur die Werte ρ_G und ρ_L verwendet werden.
Für jeden der vorstehend erwähnten Rechenvorgänge wäre zusätzliche Verarbeitungszeit für den Mikroprozessor 70 erforderlich und die Rechenvorgänge könnten aufgrund des Mehrprogrammbetriebs des Mikroprozessors 70 nur mit einer geringeren Aktualisierungsrate für die berechneten Korrekturen und/oder Alarmsignale ausgeführt werden. Im allgemeinen sind diese Korrekturen klein, und für die Korrekturen wäre eine Aktualisierung mit einer Rate von höchstens 10 bis 20 Sekunden erforderlich. Gegebenenfalls kann eine Funktion für eine Multiplikation mit einer ganzen Zahl in der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung bereitgestellt werden, um diese Berechnungen zu unterstützen, insbesondere, wenn die Aktualisierungsraten der Korekturberechnungen 20 bis 30 Sekunden überschreiten. Außerdem können mit der Funktion für eine Multiplikation mit einer ganzen Zahl in der anwendungsspezifischen Schaltung die Druck- und Temperaturwerte hinsichtlich Linearität und der Kompensation von Nullpunktverschiebungen und Temperaturverschiebungen korrigiert werden.
In einer anderen Ausführungsform können Daten vom Temperatursensor 82 und vom Drucksensor 86 verwendet werden, um einen neuen Wirbelsensor 11 zu kalibrieren, wenn der Wirbelsensor 11 ersetzt werden muß. Insbesondere vergleicht, wenn der Wirbelsensor 11 ersetzt wird, der Mikroprozessor 70 den Wert von ρ_V mit dem Wert von ρ_G oder ρ_L und gleicht die Skalierungskonstante β im Speicher 81, die ρ_G oder ρ_L mit ρ_V gleichsetzt, so ab, daß C im wesentlichen gleich eins bleibt. Der Mikroprozessor 70 hat dann den neuen Wirbelsensor 11 kalibriert und die Verarbeitung wird dann gemäß 2 fortgesetzt.
In einer in den 4–7 dargestellten alternativen Ausführungsform sind der Temperatursensor 82 und der Drucksensor 86 zwischen Verbindungsflanschen 22A und 22B am Meßgerätgehäuse montiert. Der Temperatursensor 82 ist im Stromlinienkörper 84 angeordnet, der strömungsabwärts vom Störkörper 24 angeordnet ist. Der Stromlinienkörper 84 ist auch in den 6–7 dargestellt und weist eine Innenvertiefung 102 zum Aufnehmen des Temperatursensors, z. B. eines darin angeordneten n-dotierten Thermoelements auf. Der Stromlinienkörper 84 ist am Meßgerätgehäuse 22 montiert und erstreckt sich durch eine Vertiefung 103. Gemäß 4 verbindet eine Signalleitung 104 den Temperatursensor 82 mit der in einem Transmittergehäuse 106 angeordneten Elektronik 12
Bei dieser Ausführungsform hält ein Stütz- oder Halterohr 108 das Transmittergehäuse 106 auf dem Meßgerätgehäuse 22. Der Drucksensor 86 ist in einem Verbindungsmodul 111 zwischen dem Halterohr 108 und dem Transmittergehäuse 106 angeordnet. Dem Drucksensor 86 wird ein Fluiddruck über einen Durchlaß oder Kanal 110A zugeführt, der mindestens eine zum Fluid 14 offene Öffnung 112 zwischen den Flanschen 22A und 22B aufweist. In der dargestellten Ausführungsform sind die öffnungen 112 im Stromlinienkörper 84 angeordnet. Der Durchlaß oder Kanal 110A weist eine innere Öffnung oder Bohrung 113 und ein Rohr 115 auf. Vorzugsweise weist das Rohr 115 eine Schleife 115A für eine Kondensationsfalle auf. Ein Ventil 117 ist im Durchlaß 110A angeordnet, um zu ermöglichen, daß der Drucksensor 86 ausgewechselt werden kann.
In einer in den 8 und 9 dargestellten, noch anderen Ausführungsform sind der Temperatursensor 82 und der Drucksensor 86 zwischen Verbindungsflanschen 22A und 22B am Meßgerätgehäuse 22 montiert. Der Temperatursensor 82 ist in einem stromungsabwärts vom Störkörper 24 angeordneten Stromlinienkörper 184 angeordnet. Der Stromlinienkörper 184 ist auch in 5 dargestellt und weist eine Innenvertiefung 186 zum Aufnehmen des Temperatursensors 82, z. B. eines darin angeordneten n-dotierten Thermoelements, auf. Gemäß 8 verbindet eine Signalleitung 188 den Temperatursensor 82 mit der in einem Transmittergehäuse 190 angeordneten Elektronik 12.
Bei dieser Ausführungsform hält ein Stütz- oder Halterohr 192 das Transmittergehäuse 190 auf dem Meßgerätgehäuse 22. Der Drucksensor 86 ist im Transmittergehäuse 190 angeordnet. Dem Drucksensor 86 wird ein Fluiddruck über einen Durchlaß oder Kanal 194 zugeführt, der eine sich durch das Meßgerätgehäuse 22 erstreckende und zum Fluid 14 offene Öffnung 196 zwischen den Flanschen 22A und 22B aufweist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Drucköffnung 196 in der Nähe des Störkörper 24 angeordnet, in der dargestellten Ausführungsform strömungsaufwärts davon.
Der Position der Öffnungen 112 und des Temperatursensors 82 in den 4–7, der Öffnung 196 und des Temperatursensors in den 8 und 9 und anderen geeigneten Positionen im Meßgerätgehäuse 22 zum Bestimmen der Temperatur- und Druckdaten des Fluids, können Korrekturen bezüglich des dynamischen Druckgefälles oder Staudrucks (proportional zu ρV²) und eines Temperaturrückgewinnfaktors zugeordnet sein:
wobei C_s die spezifische Wärme oder Wärmekapazität bei konstantem Druck und r einen Rückgewinnfaktor bezeichnen. Der Mikroprozessor 70 verwendet den gemessenen Druck und die gemessene Temperatur im Meßgerätgehäuse 22, die gemessene Dichte ρ_V und die berechnete Dichte ρ_G oder ρ_L in geeigneten thermodynamischen, Energie- und Impulsgleichungen, um den Meßpositionen zugeordnete Fehler zu korrigieren. Beispielsweise steht der Druck vor dem Störkörper 24 mit dem Druck in einem dem vierfachen Durchmesser entsprechenden Abstand strömungsabwärts vom Störkörper 24 gemäß folgender Gleichung in Beziehung: P – P_4D = C_PρV² (8) wobei P den Druck vor dem Störkörper 24, 24d den Druck in einem dem vierfachen Durchmesser entsprechenden Abstand strömungsabwärts vom Störkörper 24, C_P einen Druckverlustkoeffizienten, der mit der Reynoldszahl variiert, ρ die Fluiddichte und V die Fluidgeschwindigkeit bezeichnen. Durch Meßpositionen zwischen den Halteflanschen 22A können bessere mechanische Anordnungen für das Meßgerätgehäuse 22, eine geringere Empfindlichkeit für Positionsfehler, geringere Leitungsfehler für den Temperatursensor, eine reduzierte Wechselwirkung oder Interferenz mit der Wirbelablösungsfrequenz und eine reduzierte Blockierung oder Verstopfung der Drucköffnungen erhalten werden. Auf diese Weise kann der Wirbel-Durchflußmesser 10 in der Fabrik vollständig zusammengebaut werden, wodurch die Gesamtgröße und die Gesamtkosten des Durchflußmessers 10 reduziert werden und die Installation einfacher ist, weil keine zusätzlichen Durchdringungspunkte in der Rohrleitung erforderlich sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Durchflussmessers zum Messen eines Massendurchflusses eines Fluids mit den Schritten: Erzeugen von Wirbeln im Fluid; Überwachen (105) einer Frequenz und einer Amplitude, die mit den Wirbeln in Beziehung stehen; Berechnen (109) der Durchflussrate mindestens aus der überwachten Frequenz; Bereitstellen (107) eines ersten Dichtewertes als Funktion mindestens der überwachten Amplitude; Überwachen (102) mindestens einer Temperatur des Fluids; Überwachen (102) eines Drucks des Fluids; Bereitstellen (106) eines zweiten Dichtewertes als Funktion mindestens der überwachten Temperatur und des überwachten Drucks; und Vergleichen des ersten Dichtewertes mit dem zweiten Dichtewert zum Berechnen (110) eines Kalibrierungsfaktors; Korrigieren der berechneten Durchflussrate und Bestimmen des Massendurchflusses.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bereitstellung des ersten Dichtewerts (107) mit einer ersten Abtastrate wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bereitstellung (106) des zweiten Dichtewerts mit einer zweiten Abtastrate wiederholt wird, die kleiner ist als die erste Abtastrate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Korrigieren der Durchflussrate als Funktion mindestens einer vorangehenden Durchflussrate erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Funktion der mindestens einen vorangehenden Durchflussrate einen laufenden Mittelwert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Funktion der mindestens einen vorangehenden Durchflussrate einen zeitlich gewichteten Mittelwert aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt des Erzeugens eines Alarmsignals, wenn die Amplitude einen Amplitudenschwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid ein Dampf ist, und wobei der Vergleichsschritt das Bereitstellen eines die Dampfqualität anzeigenden Signals aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid ein Gas ist und das Verfahren die Schritte aufweist: Berechnen eines eine Kondensation des Gases anzeigenden Wertes als Funktion mindestens der überwachten Temperatur und des überwachten Drucks; und Bereitstellen eines Alarmsignals als Funktion des Wertes.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt des Bereitstellens eines Alarmsignals, wenn die überwachte Temperatur oder der überwachte Druck außerhalb eines gewählten Bereichs liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt des Überwachens einer beginnenden Kavitation im Fluid durch Vergleichen des Fluiddrucks mit einem Dampfdruck.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kalibrierungsfaktor die thermische Ausdehnung des Strömungsrohrs des Durchflussmessers berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kalibrierungsfaktor die Elastizität des die Wirbel erzeugenden Störkörpers berücksichtigt.
Wirbel-Durchflussmesser zum Bereitstellen eines Massendurchflusses eines Fluids, wobei der Durchflussmesser aufweist: einen im Fluid positionierbaren Wirbelgenerator; einen Wirbelsensor (10) zum Erzeugen eines Wirbelsignals als Funktion erzeugter Wirbel; eine mit dem Wirbelsensor verbundene Schaltung (68) zum Empfangen des Wirbelsignals und zum Erzeugen eines eine Durchflussrate darstellenden Ausgangssignals; einen Temperatursensor (82) zum Erfassen einer Temperatur des Fluids und zum Erzeugen eines Temperaturwertes; einen Drucksensor (86) zum Erfassen eines Drucks des Fluids und zum Erzeugen eines Druckwertes; und einen mit der Schaltung (68), dem Temperatursensor (82) und dem Drucksensor (86) betrieblich verbundenen Prozessor (70, 70A) zum Empfangen des Ausgangssignals, des Temperaturwertes und des Druckwertes, wobei der Prozessor (70, 70A) einen ersten Dichtewert als Funktion einer Amplitude des Ausgangssignals und einen zweiten Dichtewert als Funktion mindestens des erzeugten Temperaturwertes und Druckwertes bereitstellt, den ersten Dichtewert mit dem zweiten Dichtewert vergleicht und daraus einen Kalibrierungsfaktor berechnet, das die Durchflussrate darstellende Ausgangssignal korrigiert und den Massendurchfluss bestimmt.
Wirbel-Durchflussmesser nach Anspruch 14, wobei die Schaltung eine Filterschaltung (68) aufweist.
Wirbel-Durchflussmesser nach Anspruch 15, wobei der Prozessor (70, 70A) das die Durchflussrate darstellende Ausgangssignal mit einer ausgewählten Aktualisierungsrate berechnet, und wobei der Prozessor (70, 70A) den Kalibrierungsfaktor mit einer zweiten Rate berechnet, die kleiner ist als die ausgewählte Aktualisierungsrate.
Wirbel-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Kalibrierungsfaktor eine Funktion der Kompressibilität des Fluids ist und der Prozessor außerdem die Kompressibilität (Z) gemäß einer Gleichung der allgemeinen Form:
berechnet, wobei A_ij eine durch Kurvenanpassung erhaltene Konstante, T die Fluidtemperatur und P den Druck bezeichnen, und wobei i und j ganze Zahlen annehmen.
Wirbel-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 14 bis 17 mit einem Strömungsrohr, in dem der Wirbelgenerator und ein Stromlinienkörper angeordnet sind, wobei der Temperatursensor am Stromlinienkörper angeordnet ist.
Wirbel-Durchflussmesser nach Anspruch 18, wobei der Drucksensor mit einer im Strömungsrohr ausgebildeten Drucköffnung gekoppelt ist, und wobei die Schaltung einen Korrekturfaktor als Funktion der Position der Drucköffnung berechnet.
Wirbel-Durchflussmesser nach Anspruch 18, wobei der Drucksensor mit einer im Stromlinienkörper ausgebildeten Drucköffnung gekoppelt ist.
Wirbel-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der Stromlinienkörper strömungsabwärts vom Wirbelgenerator angeordnet ist.
Wirbel-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei der Stromlinienkörper ein Flügelprofil aufweist.
Wirbel-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der Temperatursensor an einer ersten Temperaturposition im Strömungsrohr angeordnet ist, der Drucksensor an einer ersten Druckposition im Strömungsrohr angeordnet ist, und wobei die Schaltung außerdem dazu geeignet ist, den Temperaturwert zu korrigieren, um einen angepassten Temperaturwert zu erhalten, der eine Temperatur des Fluids an einer zweiten Temperaturposition darstellt, und den Druckwert zu korrigieren, um einen angepassten Druckwert zu erhalten, der einen Druck des Fluids an einer zweiten Druckposition darstellt, wobei der angepasste Temperaturwert und der angepasste Druckwert durch die Schaltung verwendet werden, um den Massendurchfluss zu berechnen.