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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung und/oder Überwachung
mindestens eines Strömungsparameters eines Mediums, welches Medium
ein Messrohr durchströmt, wobei ausgehend von einem Anregungssignal
das Messrohr durch mindestens ein Wandlerelement zu mechanischen Schwingungen
angeregt wird, wobei durch mindestens ein Wandlerelement mechanische
Schwingungen des Messrohres als Empfangssignal empfangen werden,
und wobei ausgehend mindestens von dem Anregungssignal und dem Empfangssignal
der Strömungsparameter gemessen und/oder überwacht wird.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Messung
und/oder Überwachung mindestens eines Strömungsparameters
eines Mediums, welches Medium ein Messrohr durchströmt,
mit mindestens einem Wandlerelement, welches ausgehend von einem
Anregungssignal das Messrohr zu mechanischen Schwingungen anregt,
und mit mindestens einem Wandlerelement, welches mechanische Schwingungen
des Messrohres als Empfangssignal empfängt. Bei dem Strömungsparameter
handelt es sich beispielsweise um den Durchfluss oder den Massedurchfluss
des Mediums. Das Medium ist beispielsweise eine Flüssigkeit,
ein Gas oder allgemein ein Fluid.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, Strömungsparameter, wie
z. B. die Durchflussrate eines Mediums durch ein Messrohr unter
Ausnutzung des Coriolis-Effekts zu bestimmen. Hierfür wird
das Messrohr zu mechanischen Schwingungen angeregt. An einer zum
Anregungsort unterschiedlichen Stelle werden die Schwingungen des
Messrohres aufgenommen. Aus der Phasendifferenz zwischen dem Anregungs-
und dem Empfangssignal bzw. der damit verbundenen Laufzeit lässt
sich dann der Strömungsparameter ermitteln.
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Problematisch
ist, dass die Wandlerelemente, welche die Schwingungen erzeugen
und empfangen, meist selbst eine Phase erzeugen, welche sich zusätzlich
zu der Phase ergibt, welche aufgrund des Coriolis-Effekts auftritt.
Diese Phasen der einzelnen Wandlerelemente, welche sich somit als
Wandler-Nullpunkts-Phasen bezeichnen lassen, lassen sich prinzipiell
bei einer Kalibration bestimmen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass
es aufgrund der Alterung oder aufgrund von Temperatureffekten zu Änderungen
an diesen Phasen kommen kann, so dass der bei der Kalibration ermittelte
Wert mit der Zeit die Wandlerelemente nicht mehr richtig beschreibt.
Somit ist es vorteilhaft, wenn diese Wandler-Nullpunkts-Phasen direkt
während der Messung ermittelt werden. Insbesondere ist
dies für Wandlerelemente erforderlich, deren Bandbreite
entweder nicht hoch ist oder deren Phasen eine zeitliche oder durch
den Prozess bedingte Drift aufweisen. Diese Wandler-Nullpunkts-Phasen
sind somit beispielsweise von der Nullpunkts-Phase des mechanischen
Systems aufgrund von Asymmetrien zu unterscheiden. Die Kalibration
von Coriolis-Messgeräten wird beispielsweise beschrieben
in dem Dokument
WO 2006/036139
A1 .
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, vorzuschlagen, wie die Wandler-Nullpunkts-Phasen der
Wandlerelemente direkt messbar sind. Diese Aufgabe löst
die Erfindung mit einem Verfahren und mit einer entsprechenden Vorrichtung.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe gemäß des Verfahrens
dadurch, dass während einer ersten Messung durch ein erstes
Wandlerelement ausgehend von einem ersten Anregungssignal das Messrohr
zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, dass durch ein zweites,
ein drittes und ein viertes Wandlerelement die mechanischen Schwingungen
des Messrohres als Empfangssignale empfangen werden, wobei das zweite
Wandlerelement längs des Messrohres im Wesentlichen am
gleichen Ort wie das erste Wandlerelement angeordnet ist, und wobei das
dritte und das vierte Wandlerelement längs des Messrohres
im Wesentlichen am gleichen Ort, welcher sich von dem Ort unterscheidet,
an welchem das erste und das zweite Wandlerelement angeordnet sind,
angeordnet sind, dass während einer zweiten Messung durch
das vierte Wandlerelement ausgehend von einem zweiten Anregungssignal
das Messrohr zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, dass durch
das erste, das zweite und das dritte Wandlerelement die mechanischen
Schwingungen des Messrohres als Empfangssignale empfangen werden,
und dass ausgehend von dem ersten Anregungssignal, dem zweiten Anregungssignal
und den Empfangssignalen der Strömungsparameter ermittelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit
in einer ersten Messung das Messrohr von einem Wandlerelement zu
Schwingungen angeregt und die Schwingungen des Messrohres selbst
werden von drei Wandlerelementen aufgenommen. Ein empfangendes Wandlerelement
befindet sich dabei am gleichen Ort wie das anregende Wandlerelement
und die beiden anderen Wandlerelemente befinden sich längs
des Messrohres gemeinsam an einem anderen Ort. In einer zweiten
Messung findet die Schwingungserregung durch ein anderes Wandlerelement statt,
welches sich an dem anderen Ort als das Wandlerelement befindet,
welches bei der ersten Messung der Schwingungserzeugung gedient
hatte. In dieser zweiten Messung werden die Schwingungen des Messrohres
wieder von drei Wandlerelementen detektiert, wobei somit auch das
Wandlerelement, welches in der ersten Messung für die Erregung
der Schwingungen gesorgt hatte, nun für die Detektion der
Schwingungen dient. Umgekehrt hatte das Wandlerelement, welches
bei der zweiten Messung für die Erzeugung der Schwingungen
dient, bei der ersten Messung die Schwingungen des Messrohres detektiert.
Somit sind vier Wandlerelemente vorgesehen, von denen zwei der Schwingungserzeugung
und -detektion dienen und diese beiden Elemente auch abwechselnd
diese Aufgaben erfüllen. Die beiden anderen Elemente dienen
jeweils der Detektion der Schwingungen. Praktisch gesprochen wird
somit das Messrohr an jeweils unterschiedlichen Enden zu Schwingungen
angeregt und die Schwingungen werden jeweils an der gegenüberliegenden Seite
und auch an dem Ort der Schwingungserzeugung aufgenommen. Da überdies
auch die Anregungssignale zur Verfügung stehen, ergeben
sich für jede Messung vier Signale und somit in Summe acht Signale.
Aus diesen Signalen bzw. wie bei Coriolis-Messungen allgemein üblich
aus den Phasendifferenzen lassen sich Aussagen über die
Laufzeiten bzw. über die Phasen tätigen, welche
sich durch die einzelnen Wandlerelemente ergeben. Es werden also
entweder die Wandler-Nullpunkts-Phasen bestimmt und diese z. B.
für folgende Messungen verwendet oder die Wandler-Nullpunkts-Phasen
werden entsprechend für die Ermittlung des Strömungsparameters
herangezogen. Aus diesen beiden Messungen ergeben sich somit ausreichend
Aussagen über das Messsystem, um die die Bauteile kennzeichnenden
Größen zu bestimmen und somit den Strömungsparameter
genauer ermitteln zu können. Findet diese doppelte Messung überdies
im gesamten Messprozess statt, so stehen auch jeweils die aktuellen
Wandler-Nullpunkts-Phasen zur Verfügung.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass für die erste Messung die Phasendifferenz
zwischen dem ersten Anregungssignal und dem Empfangssignal des zweiten
Wandlerelements und die Phasendifferenz zwischen den Empfangssignalen
des dritten und des vierten Wandlerelements ermittelt werden, dass
für die zweite Messung die Phasendifferenz zwischen dem
zweiten Anregungssignal und dem Empfangssignal des dritten Wandlerelements
und die Phasendifferenz zwischen den Empfangssignalen des ersten
und des zweiten Wandlerelements ermittelt werden, und dass für
die erste und die zweite Messung die Phasendifferenzen zwischen
den Empfangssignalen des zweiten und des dritten Wandlerelements
bestimmt werden. Für die Bestimmung der Wandler-Nullpunkts-Phasen,
welche die als Empfänger dienenden Wandlerelemente erzeugen,
wird somit jeweils die Phasendifferenz zwischen den jeweils am gleichen
Ort befindlichen Wandlerelemente gebildet. Die Phasendifferenz zwischen
den an den unterschiedlichen Orten befindlichen Wandlerelementen
ist auch abhängig von dem Durchfluss bzw. allgemein dem Strömungsparameter
des Mediums durch das Messrohr, so dass umgekehrt aus dieser Phasendifferenz mit
den erfindungsgemäß ermittelten Wandler- Nullpunkts-Phasen
der Wandlerelemente der Strömungsparameter ermittelbar
ist.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass aus den ermittelten Phasendifferenzen für
die erste Messung und für die zweite Messung die Laufzeiten
der Wandlerelemente ermittelt werden, und dass aus mindestens einer Phasendifferenz
zwischen den Empfangssignalen des zweiten und des dritten Wandlerelements
in Verbindung mit den ermittelten Laufzeiten der Wandlerelemente
der Strömungsparameter ermittelt wird. Die Laufzeiten und
die Phasen stehen über die Schwingungsfrequenz miteinander
in Beziehung. Beide Größen sind also ausreichend
miteinander verwandt. In der Messtechnik, welche den Coriolis-Effekt
ausnutzt, wird jedoch häufiger mit der Laufzeit gerechnet.
Es lassen sich jedoch auch beide Größen gemischt
verrechnen.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die Phasendifferenzen zwischen den Empfangssignalen
des zweiten Wandlerelements und des dritten Wandlerelements, die sich
aus der ersten und der zweiten Messung ergeben, miteinander verglichen
werden. Aus der ersten und der zweiten Messung ergeben sich jeweils
auch die Phasendifferenzen zwischen den Signalen an den beiden verschiedenen
Orten längs des Messrohres, welche abhängig von
dem zu messenden Strömungsparameter und den Wandler-Nullpunkts-Phasen
sind. Geschehen die beiden Messungen hinreichend schnell hintereinander,
so ist zu erwarten, dass die beiden Phasendifferenzen jeweils den
gleichen Wert haben. Unterscheiden sich die beiden Werte, so kann
es entweder sein, dass sich der Strömungsparameter geändert
hat oder dass ein Fehler vorliegt, da es sehr unwahrscheinlich ist,
dass sich in so kurzer Zeit die Eigenschaften der Wandlerelemente
und damit deren Auswirkungen auf die Phasen geänderte haben.
Somit werden in dieser Ausgestaltung die beiden Phasendifferenzen
miteinander verglichen, um beispielsweise festzustellen, ob ein
Fehlerzustand im Messsystem vorliegt. Bei einer Abweichung oberhalb
eines entsprechend vorzugebenden Toleranzbereichs kann somit beispielsweise
ein Alarmsignal gegeben werden. Dieses Alarmsignal wird beispielsweise
entweder im Messgerät selbst verarbeitet, indem dort eine
gesonderte Messroutine auslöst wird, oder es wird nach
außen, d. h. beispielsweise zur übergeordneten
Leitwarte ausgegeben. Der Toleranzbereich ist dabei entsprechend
der Messgenauigkeit bzw. der Rechengenauigkeit vorzugeben.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass als Wandlerelemente piezo-elektrische Elemente
verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist vorteilhafterweise bei piezo-elektrischen Elementen als Wandlerelemente anzuwenden,
da deren Frequenz-Phase-Profil in den meisten Fällen selten
einen über einen gewissen Frequenzbereich im Wesentlichen
konstanten Verlauf aufweisen. Weiterhin kann sich dieses Profil
durch die Einwirkung von Temperatur stark ändern, so dass eine
ständige Bestimmung der Phase sehr vorteilhaft ist.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass als erstes Anregungssignal und als zweites Anregungssignal
im Wesentlichen das gleiche elektrische Signal, insbesondere eine
elektrische Wechselspannung, verwendet wird. In dieser Ausgestaltung
wird somit das gleiche Anregungssignal einmal auf das erste und
dann auf das vierte Wandlerelement gegeben.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe gemäß der Vorrichtung
dadurch, dass einlaufseitig des Messrohres ein erstes Wandlerelement
mit dem Messrohr kontaktiert ist, wobei durch das erste Wandlerelement
das Messrohr zu mechanischen Schwingungen anregbar ist und von dem
ersten Wandlerelement mechanische Schwingungen des Messrohres empfangbar
sind, dass längs des Messrohres im Wesentlichen am gleichen
Ort wie das erste Wandlerelement ein zweites Wandlerelement mit
dem Messrohr kontaktiert ist, wobei von dem zweiten Wandlerelement mechanische
Schwingungen des Messrohres empfangbar sind, dass auslaufseitig
des Messrohres ein viertes Wandlerelement mit dem Messrohr an einem Ort
kontaktiert ist, welcher sich von dem Ort, an welchem das erste
Wandlerelement und das zweite Wandlerelement angeordnet sind, unterscheidet,
wobei durch das vierte Wandlerelement das Messrohr zu mechanischen
Schwingungen anregbar ist und von dem vierten Wandlerelement mechanische Schwingungen
des Messrohres empfangbar sind, dass längs des Messrohres
im Wesentlichen am gleichen Ort wie das vierte Wandlerelement ein
drittes Wandlerelement mit dem Messrohr kontaktiert ist, wobei von
dem dritten Wandlerelement mechanische Schwingungen des Messrohres
empfangbar sind, und dass mindestens eine Steuereinheit vorgesehen ist,
welche abwechselnd das erste und das vierte Wandlerelement mit einem
Anregungssignal beaufschlagt und welche von dem ersten, dem zweiten, dem
dritten und dem vierten Wandlerelement Empfangssignale empfängt.
Das erfindungsgemäße Messgerät, bei welchem
es sich vorzugsweise um ein Coriolis-Messgerät handelt,
weist somit vier Wandlerelemente auf, wobei mindestens zwei Wandlerelemente
sowohl der Schwingungserregung, als auch der Schwingungsdetektion
dienen und wobei zwei Wandlerelemente zumindest dem Empfangen der
Schwingungen dienen. Weiterhin ist eine Steuereinheit vorgesehen,
welche abwechselnd die beiden zur Erregung der Schwingung vorgesehenen
Wandlerelemente mit einem Anregungssignal beaufschlagt. Da diese
beiden Wandlerelemente an unterschiedlichen Orten platziert sind,
wird somit das Messrohr auch alternierend an unterschiedlichen Orten
zu Schwingungen angeregt. Die Detektion der Schwingungen findet
dabei vorzugsweise jeweils an beiden Orten statt. In folgenden Ausgestaltungen wird
dargelegt, dass dieser Aufbau es erlaubt, dass jede Messung aus
zwei Teilmessungen besteht, wobei aus den Anregungssignalen und
der Vielzahl der Empfangssignale die Wandler-Nullpunkts-Phasen und
damit der Strömungsparameter sehr genau bestimmbar sind.
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Eine
Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass die Steuereinheit
derartig ausgestaltet ist, dass die Steuereinheit während
einer ersten Messung das erste Wandlerelement mit einem ersten Anregungssignal
beaufschlagt und von dem zweiten, dem dritten und dem vierten Wandlerelement
jeweils ein die mechanischen Schwingungen des Messrohres repräsentierendes
Empfangssignal empfängt, und dass die Steuereinheit derartig
ausgestaltet ist, dass die Steuereinheit während einer
zweiten Messung das vierte Wandlerelement mit einem zweiten Anregungssignals
beaufschlagt und von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Wandlerelement
jeweils ein die mechanischen Schwingungen des Messrohres repräsentierendes
Empfangssignal empfängt. Wie oben bereits zum erfindungsgemäßen
Verfahren ausgeführt und wie hier in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Umsetzung, regt die Steuereinheit über das erste und
das vierte Wandlerelement das Messrohr alternierend zu Schwingungen
an. Entsprechend werden von den anderen drei Wandlerelementen jeweils
Empfangssignale erzeugt, welche die mechanischen Schwingungen des
Messrohres repräsentieren. Die Auswertung der Signale,
d. h. der Empfangssignale und der Anregungssignale in Hinsicht auf
den Strömungsparameter erfolgt dabei entweder in der Steuereinheit
oder im Messgerät selbst oder in einer abgesetzten Auswerteeinheit.
Dabei können das erste und das zweite Anregungssignal auch
identisch und beispielsweise eine elektrische Wechselspannung sein.
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Eine
Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass es sich bei dem ersten,
dem zweiten, dem dritten und dem vierten Wandlerelement um piezoelektrische
Elemente handelt.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung eines Messrohres zur Bestimmung und/oder Überwachung eines
Strömungsparameters eines Mediums.
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In
der 1 ist stark schematisiert ein erfindungsgemäßes
Messgerät dargestellt. Das Medium durchströmt
dabei ein Messrohr 5, mit welchem die vier Wandlerelemente 1, 2, 3, 4 mechanisch
kontaktiert sind. Das Medium soll hierbei für die folgende Betrachtung
das Messrohr 5 von links nach rechts durchströmen,
d. h. das erste 1 und das zweite Wandlerelement 2 befinden
sich einlaufseitig und das dritte 3 und das vierte Wandlerelement 4 befinden sich
auslaufseitig des Messrohres 5. Dabei befinden sich das
erste 1 und das zweite Wandlerelement 2 bzw. das
dritte 3 und das vierte Wandlerelement 4 bezüglich
der Längsachse des Messrohres 5 jeweils paarweise
am gleichen Ort, d. h. jeweils zwei Wandlerelemente sind direkt
benachbart.
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Beim
Coriolis-Messprinzip wird das Messrohr 5 zu mechanischen
Schwingungen angeregt. Anschließend werden diese Schwingungen
abgegriffen. Die Phasendifferenz zwischen dem Anregungs- und dem
Empfangssignal ist dabei ein Maß für den Durchfluss
des Mediums. Die Phasendifferenz wird dabei üblicherweise über
die Schwingungsfrequenz in eine Laufzeit umgerechnet.
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Problematisch
ist, dass die Wandlerelemente 1, 2, 3, 4 selbst
einen Phasengang aufweisen, welcher sich, wenn es sich insbesondere
um piezoelektrische Elemente als Wandlerelemente handelt, auch mit
der Zeit oder mit den Prozessbedingungen wie der Temperatur ändern
kann. Dies bedeutet, dass die Wandlerelemente selbst eine veränderliche
Phase erzeugen, welche die Bestimmung der vom Medium abhängigen
Phasendifferenz beeinträchtigt. Für die genaue
Bestimmung des Strömungsparameters ist daher das Wissen über
diese Wandler-Nullpunkts-Phasen erforderlich.
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Um
die Laufzeiten der einzelnen Wandlerelemente zu bestimmen, wird
erfindungsgemäß das Messrohr 5 alternierend
an unterschiedlichen Orten zu Schwingungen angeregt und die Detektion
der Schwingungen erfolgt jeweils an beiden Orten, wobei insbesondere
auch die Anregungssignale für die Auswertung verwendet
werden. Im hier dargestellten Fall wird jeweils das gleiche Anregungssignal
abwechselnd auf das erste 1 und das vierte Wandlerelement 4 gegeben.
Hierfür ist schematisch die Steuereinheit 6 mit
einem Umschalter versehen. Die zu den Wandlerelementen 1, 4 gehenden
Anregungssignale bzw. von den Wandlerelementen 1, 2, 3, 4 stammenden
Empfangssignale werden ebenfalls der Steuereinheit 6 zugeführt
(hier nur durch die Pfeile angedeutet). Regt das erste Wandlerelement 1 das Messrohr 5 einlaufseitig
zu Schwingungen an, so werden die Schwingungen wiederum durch die
anderen drei Wandlerelemente 2, 3, 4 empfangen.
Während der folgenden zweiten Messung regt das vierte Wandlerelement 4 das
Messrohr 5 zu Schwingungen an und diese werden von den
anderen drei Wandlerelementen 1, 2, 3 empfangen.
Bei dem Anregungssignal und den Empfangssignalen handelt es sich
dabei im Allgemeinen um elektrische Wechselspannungen.
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Aus
diesen Signalen lassen sich Informationen über das Messsystem
gewinnen:
Seien die Laufzeiten der Wandlerelemente mit T1, T2,
T3 und T4 entsprechend ihrer Nummerierung bezeichnet. Die Phasen
der einzelnen Signale seien bezeichnet mit P1A, P1B, P2A, P2B, P3A,
P3B, P4A, P4B, wobei A für die erste und B für
die zweite Messung steht. Der Index 1, 2, 3 und 4 steht entsprechend
für das erste, zweite, dritte oder vierte Wandlerelement.
Die Phasen P1A bzw. P4B sind dabei die Phasen der Anregungssignale,
wobei die anderen Phasen sich aus den Empfangssignalen ergeben.
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Weiterhin
sei mit Δt die Laufzeit bezeichnet, welche sich aus den
Phasendifferenzen bestimmen lässt.
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Somit
ergibt sich beispielsweise folgendes Gleichungssystem: Δt(P2A – P1A) = T1 + T2 Δt(P3A – P4A) = T3 – T4 Δt(P2B – P1B) = T1 – T2 Δt(P3B – P4B) = T3 + T4
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Man
erkennt, dass die Phasendifferenzen der Signale der Wandlerelemente,
welche sich längs des Messrohres 5 jeweils am
gleichen Ort befinden, ein Maß für die Eigenschaften
der Wandlerelemente, d. h. insbesondere der Wandler-Nullpunkts-Phasen sind.
Insbesondere hat auf diese jeweiligen Phasendifferenzen das Medium
keinen Einfluss, so dass sich ein System mit vier Unbekannten und
vier Gleichungen ergibt, welches eindeutig lösbar ist.
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Die
Bestimmung des Strömungsparameters verwendet dahingegen
die Phasendifferenz zwischen den Signalen der Wandlerelemente, welche sich
längs des Messrohres 5 an unterschiedlichen Orten
befinden: Δt(P2A – P3A) = T2
+ TMA + T3 Δt(P3B – P2B)
= T2 + TMB + T3
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Dabei
sei TMA bzw. TMB jeweils die Laufzeit, welche sich bei der ersten
(TMA) bzw. bei der zweiten Messung (TMB) durch das Medium ergibt.
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Sind
diese beiden Laufzeiten innerhalb eines vorgebbaren Toleranzintervalls
identisch, so ist alles in Ordnung. Insbesondere sollten die beiden
Messungen so schnell hintereinander stattfinden, dass es nicht zu
einer wesentlichen Änderung des Strömungsparameters
kommen kann. Im Fall einer Abweichung hat sich entweder der Strömungsparameter
geändert oder es besteht möglicherweise ein Fehler
im Messsystem.
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- 1
- Erstes
Wandlerelement
- 2
- Zweites
Wandlerelement
- 3
- Drittes
Wandlerelement
- 4
- Viertes
Wandlerelement
- 5
- Messrohr
- 6
- Steuereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/036139
A1 [0003]