DE102006054007A1 - Verfahren zum Betrieb eines Coriolis-Durchflussmessgerätes, sowie ein Coriolis-Durchflussmessgerät selbst - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Coriolis-Durchflussmessgerätes sowie ein Coriolis-Durchflussmessgerät selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6. Um hierbei zu erreichen, dass temperaturinduzierte Spannungen oder Materialeigenschaftsänderungen am gesamten Gerät berücksichtigbar werden, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass an mindestens einer Stelle des Coriolis-Durchflussmessrohres oder -messgerätes ein Temperaturfühler platziert ist, über den die lokale Temperatur gemessen und nachfolgend ein Temperaturverteilungsfeld aus einem Temperaturverteilungstheorem berechnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Coriolis-Duchflussmessgerätes, sowie ein Coriolis-Duchflussmessgerät selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5.
• Der Massendurchfluß q und die Massendichte rho eines Mediums lassen sich mittels eines Coriolis-Durchflußmessgerätes bestimmen. Dabei wird (mindestens) ein vom Medium durchströmtes Rohr zu Schwingungen in (mindestens) einer Eigenmode mit der Eigenfrequenz f angeregt und die zeitliche Phasenverschiebung dt der Schwingungsauslenkung zwischen zwei symmetrischen Punkten des durchströmten Rohres gemessen. Der Massendurchfluß q läßt sich dann aus der Phasenverschiebung dt mittels q = K(dt – d0)berechnen, und die Dichte rho des Mediums ergibt sich aus der Frequenz f durch rho = rho0 + W/(f2).
• Die Nullpunktphase d0, der Dichteoffset rho0 und insbesondere auch die sogenannte Flußmeterkonstante K und der Dichtevariationsparameter W sind nun aber nicht unabhängig von den im allgemeinen unterschiedlichen Temperaturen der einzelnen Bauteile bzw. räumlichen Segmente des Coriolis Messgerätes.
• Aus der WO 04053428 ist Verfahren und eine Einrichtung bekannt, die die Berücksichtigung von in der Vergangenheit erfaßter Temperaturwerte vornimmt, also eine Art Temperaturhistorie aufzeichnet.
• Dies nimmt aber nur einen Teilaspekt auf, nämlich der Überwachung ob sich aus einer Temperaturverschiebung lokal ggfs eine Messwertbeeinflussung ergibt.
• Somit ist die Erfassung und Ableitung von Temperaturabhängigkeiten in diesem Fall nur unzureichend, ggfs also verfälschend.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, dass temperaturinduzierte Spannungen oder Materialeigenschaftsänderungen am gesamten Gerät berücksichtigbar werden.
• Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
• Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruches 5 gelöst.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass an mindestens einer Stelle des Coriolis Durchflussmessrohres oder -messgerätes ein Temperaturfühler platziert ist, über den die lokale Temperatur gemessen und nachfolgend ein Temperaturverteilungsfeld aus einem Temperaturverteilungstheorem berechnet wird. Das so ermittelte Temperaturverteilungsfeld ermittelt sodann rein temperaturbedingte lokale Auslenkungen oder Dillatationen, die vom Messwert subtrahiert werden, so dass lediglich der durchflussbedingte Messwert temperaturstörungsbereinigt vorliegt.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltunge wird mit folgendem formalen Zusammenhang ermittelt das Temperaturverteilungsfeld durch elektronische Berechnung einer analytischen oder numerischen Lösen der partiellen Differentialgleichungen der Wärmeausbreitung im Gerät, indem die zu lösende Wärmeleitungsgleichung für die Temperaturverteilung
  T(x, y, z; t)
• Zugrundegelegt wird zu c ∂ / ∂tT = ∂ / ∂xk ∂ / ∂xT + ∂ / ∂yk ∂ / ∂yT + ∂ / ∂zk ∂ / ∂zT, wobei die Volumenwärmekapazität c(x, y, z) und die Wärmeleitfähigkeit k(x, y, z) dann eine dem Gerät entsprechende Ortsabhängigkeit aufweist. Dies in einer weiteren Ausgestaltung unter der Randbedingung für die Temperaturverteilung T(x^2 + y^2 = r, 0 < z < l) = TM(t).
• D.h. das Rohr mit dem Radius r und der Länge l besitzt überall die zeitabhängige Mediumstemperatur.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird zusätzlich zur Temperaturmessung bzw zur Temperaturfeldverteilung auch die Zeiten T mitberücksichtigt.
• Durch Zeitkorrelation sind Konvektion, Wärmeleitung etc zu bestimmen. Dadurch ist das Temperaturverteilungsfeld auch erst vollständig beschrieben.
• Das heißt, daß beispielsweise aufgrund von temperaturinduzierten Spannungen oder Materialeigenschaftsänderungen jeder einzelne dieser Parameter ein Funktional der räumlichen Temperaturverteilung im Messgerät d0 = F1[T(x, y, z)], rho0 = F2[T(x, y, z)], K = F3[T(x, y, z)] und W = F4[T(x, y, z)] ist. Das Problem besteht also in der Querempfinlichkeit der Fluß- und der Dichtemessungen bezüglich der räumlichen Temperaturverteilung T(x, y, z) bzw. nach geeigneter Diskretisierung bezüglich einer entsprechenden Menge von Temperaturwerten [T1, T2, ..., Tn]. Diese Querempfindlichkeit läßt sich zwar mittels einer Messung der Temperaturen T1, T2, ..., Tn und bei Kenntis der funktionalen Abhängigkeit der Parameter d0 = f(T1, T2, ...., Tn), rh0 = f(T1, T2, ...., Tn), usw. herausrechnen, erfordert aber eine entsprechend unfangreiche Temperaturmesung.
• Hinsichtlich der Einrichtung ist mindestens ein Temperatursensor am Messgerät bzw. am Messrohr vorgesehen. Auf die Wärmeverteilung wird dann in der oben beschriebenen Weise geschlossen.
• Hierzu sind auch eine entsprechende elektronische Rechenmittel vorgesehen.
• Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
• 1 zeigt schematisch das Zusammenwirken aller Komponenten der erfindungsgemäßen Einrichtung. Im Bereich des Messrohres 1 ist ein Temperaturfühler 2 angeordnet. Der dort gemessene Wert wird in elektronische Mittel 3 eingelesen, hier als Temperaturfeldbestimmungseinheit bezeichnet. Darin wird nach dem angegebenen Theorem aus dem nur an einem Punkt gemessenen Temperaturwert ein Temperaturfeld, d.h. die Verteilung der Temperatur entlang des gesamten Messrohres berechnet. Diese ermittelten Verteilungsdaten gehen dann bei der Auswertung innerhalb der Auswerteeinheit 4 mit ein. Auf diese Weise werden Korrekturen anhand dieser ermittelten Temperaturwerte in der dargestellten Weise vorgenommen. Der so temperaturkorrigierte Durchflusswert wird sodann auf der Anzeige wiedergegeben.
• Zur Ermittung der Temperaturverteilung werden folgende theoretischen Ansätze innerhalb der Einheit 3 vorgenommen.
• Es werden an nur wenigen Stellen (im Extremfall an nur einer) im Gerät oder im Medium oder in der Geräteumgebung Temperatumessungen und/oder Wärmestrommessungen durchgeführt. Aus der Kenntnis dieser Messwerte zu einem Zeitpunkt t_m und der Kenntnis (oder einer geeigneten Annahme) über die räumliche Temperaturverteilung T(x, y, z) oder über einen Satz [T1, T2, ..., Tn] von in verschiedenen Segmenten des Gerätes herrschenden Temperaturen zum Zeitpunkt t_m wird mittels eines geeigneten mathematischen Modells die räumliche Temperaturverteilung T(x, y, z) oder der Satz [T1, T2, ..., Tn] von in verschiedenen Segmenten des Gerätes herrschenden Temperaturen zu einem Zeitpunkt t_m + 1 berechnet. Ebenso können aus dem mathematischen Modell bei Bedarf auch die Wäremeenergiedichten [w1, w2, ....wn] oder Wärmeströme [J1, J2, ..., Jn] an beliebigen Positionen im Gerät berechnet werden. Damit ist es möglich, die Querempfindlichkeit irgendeines Paramters P der Fluß- oder Dichteberechnung (z.B. K oder rho0) nicht nur bezüglich gemessener Temperaturen oder Wärmeströme sondern auch bezüglich zusätzlicher berechneter Temperaturwerte, Wärmeenergiedichten oder auch Wärmeströme herauszurechnen.
• Das mathematische Modell bzw. der zugehörige Algorithmus ist dadurch gekennzeichnet, daß es bzw. er aus den Messwerten [TM1, ..., TMi, JM1, ..., JMi](t_m) und den Werten [T1, ..., Tn, w1, ....wn, J2, ..., Jn](t_m) die Werte [T1, ..., Tn, w1, ....wn, J2, ..., Jn](t_m + 1) berechnet.
• Das mathematische Modell bzw. der Algorithmus kann beispielsweise bestehen aus:
• 1. dem analytischen oder numerischen Lösen der partiellen Differentialgleichungen, die die Wärmeausbreitung im Gerät durch z.B. Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlungstransport beschreiben. Die zu lösende Wärmeleitungsgleichung für die Temperaturverteilung T(x, y, z; t) im Gerät würde z.B. c ∂ / ∂tT = ∂ / ∂xk ∂ / ∂xT + ∂ / ∂yk ∂ / ∂yT + ∂ / ∂zk ∂ / ∂zT lauten, wobei die Volumenwärmekapazität c(x, y, z) und die Wärmeleitfähigkeit k(x, y, z) dann eine dem Gerät entsprechende Ortsabhängigkeit aufweisen würden. Eine Randbedingung für die Temperaturverteilung könnte dann beispielsweise T(x^2 + y^2 = r, 0 < z < l) = T_M(t) lauten. D.h. das Rohr mit dem Radius r und der Länge l besitzt überall die zeitabhängige Mediumstemperatur T_M(t).
• 2. dem analytischen oder numerischen Lösen der gewöhnlichen Differentialgleichungen, die die über ein thermisches Netzwerk modellierte Wärmeausbreitung im Gerät beschreiben.
• 3. einer wie auch immer (empirisch, mittels eines physikalischen Modells, mittels eines neuronalen Netzwerkes, statistisch, ...) gewonnen Berechnungsvorschrift (d.h. einer Funktion) B{...} mit [T1, ..., Tn, w1, ....wn, J2, ..., Jn](t_m + 1)= B{[T1, ..., Tn, w1, ....wn, J2, ..., Jn](t_m); [TM1, ..., TMi, JM1, ..., JMi](t_m)}.
• Bei der Berechnung des Massendurchflusses bzw. der Massendichte zu einem Zeitpunkt t können dann schlielich die Querempfindlichkeiten bezüglich einer geeigneten Teilmenge der gemessenen und berechneten Temperaturen, Wärmeströme, etc. {[TM1, ..., TMi, JM1, ..., JMi](t); [T1, ..., Tn, w1, ....wn, J2, ..., Jn](t)} zum Zeitpunkt t berücksichtigt werden. Beispiele:
• 1) Flußmeterkonstante K = f_K(TM, TM2, JM7, T1, T2, w8) und f_K(...) ist eine geeignete mathematische Funktion.
• 2) Massendurchfluß Q = f_Q(dt, TM1, TM2, T1) und f_Q(...) ist eine geeignete mathematische Funktion der gemessenen Phasenverschiebung dt und den gemessenen bzw. berechneten Temperaturen.
• Dabei kann eine Ausführung bestehen aus einer Modellierung als thermisches Netzwerk, bestehend aus den drei Komponenten Rohr, Endplatte und Rahmen mit den jeweiligen Temperaturen T_Tube, T_Plate und T_Housing: Gemessen werden nur die Temperaturen T_T und T_H, während die Temperatur der Endplatte T_P berechnet wird.
• Dazu wird angenommen, daß der Strom J₁ der Wärmeenergie vom Rohr in die Endplatte proportional zur Temperaturdifferenz J1 = (TT – TP)/R1 und entsprechend der Strom J₂ der Wärmeenergie von der Endplatte in das Gehäuse proportional zur Temperaturdifferenz J2 = (TP – TH)/R2 ist. Da die Temperatur der Endplatte T_P proportional zu der in der Platte gespeicherten Wärmeenergie TP = WP/Cist und deren zeitliche Änderung (ẋ := dx/dt)wiederum durch die Summe der Wärmezuflüsse und Abflüsse WP = J1 – J2 gegeben ist, folgt daraus schließlich die Differentialgleichung Ṫ = –TP/τ + TT/CR1 + TH/CR2 für die Temperatur der Platte, mit der characteristischen Zeit τ = C/(1/R1 + 1/R2).
• Aus den Temperaturmesswerten T_T(t) und T_H(t) läßt sich mit Hilfe obiger Differentialgleichung bei bekannten (zum Beispiel experimentell bestimmten) Werten der Konstanten R₁, R₂ und C die Temperatur T_P(t) berechnen.
• Dazu nimmt man an, daß zu irgendeinem Anfangszeitpunkt t = 0 die Temperatur T_P(0) gleich der Temperatur der stationären Lösung TP(0) = τ(TT(0)/CR1 + TH(0)/CR2)ist, und berechnet dann immer im Voraus den jeweils zeitlich nachfolgenden Temperaturwert der Platte zum Zeitpunkt t₊ = t + Δt nach der Berechnungsvorschrift TP(t + Δt) = TP(t) – [TP(t)/τ + TT(t)/CR1 + TH(t)/CR2)]Δt.
• Mit den damit bekannten Temperaturen T_T(t), T_P(t) und T_H(t) ergibt sich schließlich die Flußmeterkonstante zu irgendeinem Zeitpunkt t als K(t) = K0 + KTTT(t) + KPTP(t) + KHTH(t),wobei die Konstanten K₀, K_T, K_P, K_H experimentell bestimmt worden sind und im laufenden Betrieb des Flußmeters nur die Temperaturen T_T(t) und T_H(t) gemessen werden.
• Dabei ist anzumerken, dass die vorgestellte Lösung der "Temperaturberechnung statt Temperaturmessung" und anschließende Kompensation bezüglich der Temperaturverteilung bzw. mehrerer räumlich verteilter Temperaturwerte läßt sich im Prinzip auf beliebige Messgeräte erweitern.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb eines Coriolis-Duchflussmessgerätes, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stelle des Coriolis Durchflussmessrohres oder -messgerätes ein Temperaturfühler platziert ist, über den die lokale Temperatur gemessen und nachfolgend ein Temperaturverteilungsfeld aus einem Temperaturverteilungstheorem berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit folgendem formalen Zusammenhang das Temperaturverteilungsfeld durch elektronische Berechnung einer analytischen oder numerischen Lösen der partiellen Differentialgleichungen der Wärmeausbreitung im Gerät ermittelt wird, indem die zu lösende Wärmeleitungsgleichung für die Temperaturverteilung T(x, y, z; t) zugrundegelegt wird zu c∂∂t T = ∂∂x k∂∂x T + ∂∂y k∂∂y T + ∂∂z k∂∂z T,wobei die Volumenwärmekapazität c(x, y, z) und die Wärmeleitfähigkeit k(x, y, z) dann eine dem Gerät entsprechende Ortsabhängigkeit aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung unter den Randbedingungen dass folgendes gilt, T(x^2 + y^2 = r, 0 < z < l) = TM(t),und dass das Rohr mit dem Radius r und der Länge l überall auf der zeitabhängigen Mediumstemperatur ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Temperaturmessung bzw zur Temperaturfeldverteilung auch die Zeiten T mitberücksichtigt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Temperaturfelddaten Korrekturdaten ermittelt werden, aus denen eine Amplitudenkorrektur erfolgt, derart, dass lediglich die relevanten temperatureffektbereinigten Amplitudenwerte zur Bestimmung des Durchflusses herangezogen werden.
6. Coriolis-Duchflussmessgerät mit mindestens einem Durchflussmessrohr und einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stelle des Coriolis Durchflussmessrohres oder -messgerätes ein Temperaturfühler (2) platziert ist, über den die lokale Temperatur messbar und nachfolgend mit elektronischen Mitteln (3) ein Temperaturverteilungsfeld aus einem Temperaturverteilungstheorem berechenbar ist, welches mit der Auswerteeinheit korrespondiert.
7. Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennezichnet, dass die Temperaturfeldbestimmungseinheit (3) baulich in die Auswerteeinheit integriert ist.