DE102007028209A1

DE102007028209A1 - Verfahren zur Messung und/oder Überwachung eines Strömungsparameters und entsprechende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007028209A1
Application number: DE102007028209A
Authority: DE
Inventors: Matthias Roost
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-18
Also published as: WO2008152060A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung und/oder Überwachung mindestens eines Strömungsparameters eines Mediums, welches Medium ein Messrohr (1) durchströmt, wobei das Messrohr (1) zumindest temporär von mindestens einem Wandlerelement (2, 3), welches mit einem Anregungssignal beaufschlagt wird, zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei von mindestens einem Wandlerelement (4) die mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) empfangen werden und wobei von dem Wandlerelement (4) mindestens ein zu den mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) korrespondierendes Empfangssignal erzeugt wird. Die Erfindung beinhaltet, dass die Amplitude des Anregungssignals des Wandlerelements (2, 3) zeitlich variiert wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung und/oder Überwachung mindestens eines Strömungsparameters eines Mediums, welches Medium mindestens ein Messrohr durchströmt, wobei das Messrohr zumindest temporär von mindestens einem Wandlerelement, welches mit einem Anregungssignal beaufschlagt wird, zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei von mindestens einem Wandlerelement die mechanischen Schwingungen des Messrohres empfangen werden, und wobei von dem Wandlerelement mindestens ein zu den mechanischen Schwingungen des Messrohres korrespondierendes Empfangssignal erzeugt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Messung und/oder Überwachung mindestens eines Strömungsparameters eines Mediums, welches Medium mindestens ein Messrohr durchströmt, mit mindestens einem Wandlerelement, welches ausgehend von einem Anregungssignal das Messrohr zumindest temporär zu mechanischen Schwingungen anregt, und mit mindestens einem Wandlerelement, welches die mechanischen Schwingungen des Messrohres empfängt und ein zu den mechanischen Schwingungen des Messrohres korrespondierendes Empfangssignal erzeugt. Bei dem Strömungsparameter handelt es sich beispielsweise um die Durchflussgeschwindigkeit, den Durchfluss oder den Massendurchfluss des Mediums. Dabei ist das Medium beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Gas oder allgemein ein Fluid, welches in einer oder in mehreren Phasen vorliegt. Bei der Messvorrichtung handelt es sich beispielsweise um ein Einmessrohr- oder um ein Zweimessrohr-System.
Bekannt ist im Stand der Technik (z. B. DE 10 2005 034 749 A1 ) ein Coriolismessgerät, welches zwei Schwingungserreger und einen mittig dazu angeordneten Schwingungsempfänger aufweist. Durch Ablagerungs- oder Abrasionsprozesse oder durch außergewöhnliche Parameter des Mediums oder der auftretenden Prozesse kann es zu Veränderungen an den Schwingungserregern, bzw. am Schwingungsempfänger und somit zu einem Verlust an Messgenauigkeit kommen. Weiterhin können Asymmetrien bei der Schwingungserregung bzw. damit verbundene Messunsicherheiten bei der Schwingungsdetektion auftreten.
Das Dokument WO 2006/036139 A1 beschreibt ein Coriolismessgerät, welches zwei Schwingungserreger und zwei jeweils parallel dazu angebrachte Schwingungsempfänger aufweist. Um spezielle Schwingungsgrößen des Messrohres bestimmen zu können, werden die beiden Schwingungserreger alternierend betrieben. Entweder das eine oder das andere regt somit das Messrohr zu Schwingungen an. Die dabei auftretenden Schwingungen werden jeweils durch die Schwingungsempfänger aufgenommen.
Bekannt sind im Stand der Technik weiterhin Schwingungswandler, welche sowohl der Erregung von Schwingungen, als auch deren Detektion dienen ( DE 103 51 310 A1 ). Die zugehörige Elektronik zur Ansteuerung des Wandlers ist dabei auf eine spezielle Aufgabe, d. h. entweder auf Erregung oder Detektion hin ausgestaltet.
Die Verwendung von Wandlerelementen, die aus piezoelektrischem Material bestehen, ist beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten Anmeldung DE 10 2005 059 070 beschrieben.
Problematisch sind Asymmetrien im Messaufbau, welche zusätzliche Phasen im Messsignal verursachen und die somit auch die Bestimmung des Strömungsparameters beeinflussen.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Messung des Strömungsparameters dahingehend zu verbessern, dass Asymmetrien des Messaufbaus bei der Messung berücksichtigt werden.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren dadurch gelöst, dass die Amplitude des Anregungssignals des Wandlerelements zeitlich variiert wird. Die Amplitude des Anregungssignals ist somit nicht zeitlich konstant, sondern sie wird variiert, d. h. die Leistung, mit welcher das Messrohr durch das Wandlerelement zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, ist zeitlich variabel. Somit ist auch die Amplitude der erzeugten Schwingungen jeweils zeitabhängig. Diese Variation der Amplitude erlaubt es, Asymmetrien zu erkennen, zu quantifizieren und diese entsprechend bei der Auswertung der Empfangssignale, d. h. bei der Bestimmung des Strömungsparameters zu berücksichtigen. In einer weiteren Ausgestaltung wird auch die Empfangseigenschaft der die Schwingungen empfangenden Wandlerelemente zeitlich variiert. In dieser Ausgestaltung wird beispielsweise die Verstärkungsfunktion für den Empfang passend variiert, so dass eine Übersteuerung der Empfangseinheit vermieden wird. Beispielsweise wird bei einer Erhöhung des Anregungssignals die Verstärkung der Empfangseinheit passend zurückgefahren.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Amplitude des Anregungssignals des Wandlerelements zeitlich kontinuierlich variiert wird. In dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich die Amplitude kontinuierlich ändert, d. h. es sind keine harten Übergänge vorgesehen, sondern die Variation der Amplitude ist kontinuierlich und gleichmäßig.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass das Messrohr zumindest temporär von mindestens zwei Wandlerelementen, welche jeweils mit einem Anregungssignal beaufschlagt werden, zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente zeitlich variiert werden. In dieser Ausgestaltung sind zwei Wandlerelemente vorgesehen, deren beide Anregungssignale zeitlich variiert werden. Werden an den beiden Orten der Wandlerelemente die jeweiligen Empfangssignale gemessen, so lassen sich daraus die Asymmetrien berechnen. Die daraus erhaltenen Werte dienen anschließend der genaueren Bestimmung des Strömungsparameters. Die beiden Wandlerelemente befinden sich vorzugsweise längs einer imaginären Längsachse des Messrohres an unterschiedlichen Orten.
In dieser Ausgestaltung wird somit das Messrohr überlagert an zwei Punkten kontinuierlich zu einer Schwingung im Grundmode angeregt. Dabei wird die Anregungsleistung pendelnd auf die beiden Wandlerelemente bzw. die damit verbundenen Orte des Messrohrs verteilt. Diese ortsmodulierte Anregung generiert eine kontinuierliche Messwert-Nullpunkt-Variation, welche sich aus den unterschiedlichen Resonanz-Eigenschaften bei Anregung an verschiedenen Punkten am Messrohr mit verschiedenen Wandlerelementen ergibt. Der Ausdruck Nullpunkt bezieht sich dabei auf die Phasen, welche sich durch die Bestandteile des Messgerätes selbst im Empfangssignal ergeben und welche ggf. bedingt durch Ablagerungen oder Abrasion oder durch Prozessbedingungen wie z. B. der Temperatur einer Drift unterliegen. Die kontinuierliche Auswertung der relativen Bewegung der Messrohre an den beiden Wandlerpositionen im Frequenzband der Anregungs-(Orts-)Modulation erlaubt die Bestimmung des Nullpunktes des mechanischen Systems und zusätzlich des Systems der Wandlerelemente. Somit können also Asymmetrien passend berücksichtigt werden. Der Messwert für den Strömungsparameter wird unabhängig durch Auswertung der relativen Bewegung des Messrohrs an den beiden Positionen der Wandlerelemente im Frequenzbereich der mechanischen Resonanz des Messsystems ermittelt und mit dem Nullpunkt des mechanischen Systems und des Wandlersystems korrigiert.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente zeitlich kontinuierlich variiert werden. Auch bei zwei Wandlerelementen wird somit ein diskreter und harter Übergang zwischen den Anregungen vermieden.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente mit einer von einer vorgebbaren Modulationsfrequenz abhängigen Funktion variiert werden. Beide Wandlerelemente werden somit mit Anregungssignalen beaufschlagt, die mit einer von einer vorgebbaren Modulationsfrequenz abhängigen mathematischen Funktion moduliert sind. Daher sind die Variationen der beiden Anregungssignale miteinander direkt verbunden, so dass also die Variation der einen Amplitude mit einer entsprechenden Variation der anderen Amplitude einhergeht.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente mit einer von der vorgebbaren Modulationsfrequenz abhängigen Sinus-Funktion variiert werden.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente derartig variiert werden, dass die Summe der Amplituden zeitlich im Wesentlichen konstant ist. In dieser Ausgestaltung ist somit vorgesehen, dass in dem Fall, dass die eine Amplitude mit der Zeit kleiner wird, die Amplitude des anderen Anregungssignals entsprechend größer wird. Mit anderen Worten: Die volle Leistung der Schwingungserregung pendelt zwischen den beiden Wandlerelementen hin und her.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Modulationsfrequenz der Funktion, mit welcher die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente variiert werden, derartig vorgeben wird, dass die Modulationsfrequenz kleiner als die Frequenz der mechanischen Schwingungen des Messrohres ist. In einer Ausgestaltung wird das Messrohr zur Grundschwingung angeregt, so dass die Modulationsfrequenz unterhalb der Grundfrequenz des Messrohres liegt.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Modulationsfrequenz der Funktion, mit welcher die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente variiert werden, derartig vorgeben wird, dass die Modulationsfrequenz größer ist als das Frequenzband, innerhalb dessen der Strömungsparameter variiert. Je nach Medium bzw. je nach Prozess, welchem das Medium unterworfen ist, kann es zu Veränderungen im Bereich des Strömungsparameters kommen. D. h. auch der Strömungsparameter kann zeitlichen Variationen unterworfen sein. In dieser Ausgestaltung wird auf diese Fluktuation Rücksicht genommen, indem die Modulationsfrequenz höher als die Bandbreite dieser Frequenz liegt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Vorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche die Amplitude des Anregungssignals der Wandlerelemente zeitlich variiert. Das erfindungsgemäße Messgerät ist somit derartig ausgestaltet, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche die Amplitude des Anregungssignals des Wandlerelements zeitlich variiert, d. h. die Leistung, mit welcher das Messrohr durch das Wandlerelement zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, ist nicht zeitlich konstant, sondern ändert sich über der Zeit.
Die oben getätigten Ausführungen über das erfindungsgemäße Verfahren gelten entsprechend auch hier für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. umgekehrt beziehen sich die Aussagen über die Messvorrichtung entsprechend auch auf das Verfahren.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass zwei Wandlerelemente vorgesehen sind, welche sowohl ausgehend von jeweils einem Anregungssignal das Messrohr zumindest temporär zu mechanischen Schwingungen anregen, als auch die mechanischen Schwingungen des Messrohres empfangen und jeweils ein zu den mechanischen Schwingungen des Messrohres korrespondierendes Empfangssignal erzeugen. In dieser Ausgestaltung sind zwei Wandlerelemente vorgesehen, welche sowohl der Erzeugung der Schwingungen als auch deren Detektion dienen.
Vorteilhafterweise sind die Wandlerelemente in den Wurzeln des Messrohrs bzw. der Messrohre angebracht. Die Anbringung in den Wurzeln des Messrohres ist insbesondere für die Ausgestaltung vorteilhaft, in welcher die Wandlerelemente aus piezo-elektrischen Elementen bestehen. In einer anderen Ausgestaltung ist zumindest ein Wandlerelement an dem Punkt der höchsten Auslenkung der Coriolis-Schwingungsmode des Messrohres angebracht. Dies gilt insbesondere für elektrodynamische Wandlerelemente. In einer Ausgestaltung sind genau nur zwei Wandlerelemente vorgesehen. Dabei erlaubt es die Erfindung, die Nullpunkteigenschaften, welche ein Messsystem mit zwei Anregungspunkten wegen beschränkter Symmetrie besitzt, messtechnisch zu erfassen und in der Berechnung des Strömungsparameters, z. B. des Massenfluss-Messwertes zu berücksichtigen.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass es sich bei den zwei Wandlerelementen um piezoelektrische Elemente handelt.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Steuereinheit die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente zeitlich variiert. In dieser Ausgestaltung werden die Amplituden der beiden Anregungssignale der beiden Wandlerelemente zeitlich variiert, d. h. die Schwingungen, welche die beiden Wandlerelemente erzeugen, werden mit einer Modulation der Amplituden überlagert. Ausgehend von dem Verhalten des Systems auf die Modulation der Amplituden lassen sich dann Asymmetrien erkennen und entsprechend bei der Bestimmung des Strömungsparameters berücksichtigen.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Steuereinheit die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente zeitlich mit einer von einer Modulationsfrequenz abhängigen Funktion variiert.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines Coriolis-Messgerätes in einer ersten Variante,
2: eine schematische Darstellung eines Coriolis-Messgerätes in einer zweiten Variante, und
3: eine nicht-maßstabsgerechte Darstellung der relevanten Frequenzen beim erfindungsgemäßen Verfahren.
In der 1 ist ein Messrohr 1 dargestellt, durch welches hier beispielsweise für die Verdeutlichung von links nach rechts das – hier nicht dargestellte – Medium strömt oder fließt. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, um ein Gas, um ein Pulver, um ein Gemisch oder allgemein um ein fließfähiges Fluid. Eingangsseitig des Messrohres 1 befindet sich das erste Wandlerelement 2, welches dafür dient, das Messrohr 1 zu mechanischen Schwingungen anzuregen. Der Schwingungserzeugung dient auslaufseitig das zweite Wandlerelement 3. Mittig zwischen diesen beiden Wandlerelementen 2, 3 ist ein weiteres Wandlerelement 4 angeordnet, über welches die mechanischen Schwingungen des Messrohres 1 empfangen werden. Die Lokalisierung des Empfangswandlerelements 4 ist hier nur beispielhaft. In der hier dargestellten Ausgestaltung ist nur ein Messrohr 1, welches vom Medium durchströmt wird, dargestellt. Die Erfindung lässt sich jedoch auch auf ein System mit zwei Messrohren anwenden.
Die Steuereinheit 5 beaufschlagt die beiden Anrege-Wandlerelemente 2, 3 jeweils mit einem Anregungssignal, wobei es sich beispielsweise um einen elektrischen Wechselstrom handelt. Es findet mit einem eingeprägten Strom die Anregung statt und die sich einstellende Spannung wird dann gemessen. Eine Phasen-Übereinstimmung von Strom und Spannung bedeutet, dass das Messsystem in Resonanz schwingt. Die Frequenz des Anregungssignals entspricht dabei vorzugsweise der Frequenz der Grundschwingungen des Messrohres 1. Die Amplitude des Anregungssignals bestimmt die Schwingungsamplitude, zu welcher das Messrohr 1 durch das entsprechende Wandlerelement 2, 3 angeregt wird.
Das hier dargestellte dritte Wandlerelement 4 empfängt die mechanischen Schwingungen des Messrohres 1 und erzeugt daraus ein Empfangssignal, bei welchem es sich üblicherweise ebenfalls um eine elektrische Wechselspannung handelt. Aus der Phasendifferenz zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal lässt sich dann der Strömungsparameter, z. B. der Durchfluss oder der Massendurchfluss des Mediums bestimmen.
Erfindungsgemäß wird das Messrohr 1 einmal einlaufseitig und dann auslaufseitig zu Schwingungen angeregt. Es werden somit asymmetrisch Schwingungen erzeugt. Insbesondere werden die Amplituden der Anregungssignale kontinuierlich verändert, so dass ein abruptes Verhalten der Schwingungserregung vermieden wird. In einer Ausgestaltung wird die Amplitude jedes Anregungssignals mit einer Sinus-Funktion moduliert. Weiterhin sind dabei die beiden Anregungssignale derartig miteinander gekoppelt, dass eine abnehmende Amplitude bei einem Anregungssignal mit einer entsprechend zunehmenden Amplitude des anderen Anregungssignals verbunden ist. Die Summe der Amplituden der beiden Anregungssignale ist somit zeitlich jeweils konstant.
Die Ausgestaltung mit zwei Anregungs-Wandlerelementen und einem Empfangs-Wandlerelement ist dabei nur beispielhaft. Es können auch mehr Wandlerelemente mit unterschiedlichem Anbringungsort vorgesehen sein.
Die Bestimmung der Gruppenlaufzeit der Wandlerelemente sei noch einmal bezüglich des Wandler-Nullpunkts und bezüglich der Ausgestaltung mit nur zwei Positionen der Wandlerelemente relativ zu einer imaginären Längsachse des mindestens einen Messrohres mit anderen Worten beschrieben: Die Wandlerelemente 2, 3 selbst, sowie deren mechanische Ankopplung an das Messrohr 1 können im Allgemeinen für die beiden Positionen, an denen sie sich befinden, nicht identisch realisiert werden. Diese somit bestehende Ankopplungsasymmetrie ist ebenso, wie die Messrohrsymmetrie selbst der Temperatur ausgesetzt und durch driftende mechanische Kräfte beeinflusst. Zur exakten Bestimmung der Messrohrasymmetrie müssen daher die Nullpunkt-Eigenschaften der Wandlerelemente jeweils separat bestimmt werden. D. h. es muss ermittelt werden, welche Phasen somit unabhängig vom Einfluss des Strömungsparameters gegeben sind, da nur somit sicher bestimmt werden kann, welche Phase der Strömungsparameter in Verbindung mit dem Coriolis-Effekt erzeugt.
Es wird also die Asymmetrie ausgemessen. Dies bedeutet konkret, dass die Gruppenlaufzeit der Wandlerelemente ausgemessen werden muss. Eine solche Ausmessung kann dabei prinzipiell außerhalb des normalen Messbetriebes oder während des Messbetriebes erfolgen. Dazu wird an einer der beiden Positionen der beiden Wandlerelemente 2, 3 ein hier nicht dargestelltes zusätzliches Wandlerelement in möglichst symmetrischer Anordnung zum bereits vorhandenen Wandlerelement angebracht. Das bereits vorhandene Wandlerelement 2 bzw. 3 dient zur Einkopplung der Anregungsenergie gemäß dem beschriebenen Orts-moduliertem Verfahren. Das zusätzliche – hier nicht dargestellte, sich aber am gleichen Ort wie das Wandlerelement 2 bzw. 3 befindliche – Wandlerelement erlaubt die Messung der relativen Gruppenlaufzeit gegenüber dem bereits vorhandenen Wandlerelement. Es wird dazu die Gruppenlaufzeit zwischen den Sensorsignalen der beiden Wandlerelemente, welche sich jeweils am gleichen Ort befinden, ausgemessen, und dies jeweils für beide Positionen.
Bei pendelnder Anregung zwischen den beiden Positionen zeigt die relative Gruppenlaufzeit zwischen zwei Wandlern an der gleichen Position die Überlagerung der Laufzeit des einen Wandlers mit einer modulierten Laufzeit des jeweils anderen Wandler am gleichen Ort.
Der Betrag der Modulation der überlagerten Wandler-Gruppenlaufzeiten lässt sich durch Demodulation bestimmen und entspricht der aktuellen Laufzeit des anregenden Wandlerelements an der jeweiligen Position.
Die Wandler-Gruppenlaufzeit pro Position, d. h. der jeweilige Wandlerelement-Nullpunkt kann verwendet werden, um die exakte, mechanisch relative Bewegung zwischen den beiden Positionen der Wandlerelemente längs des Messrohrs 1 zu bestimmen. Daraus wiederum kann direkt der Strömungsparameter, beispielsweise der Massenfluss bestimmt werden.
Die Schwingungen an einer Position i des Wandlerelements längs der imaginären Längsachse des Messrohres lassen sich im Resonanzfall mit folgender Formel beschreiben: S_i = A_i·sin(2πf_Gt + φ_i(f_mod, t))
Dabei ist S_i die Schwingungsamplitude an der Wandlerposition i zur Zeit t, A, das Amplitudenmaximum an der Wandlerposition i, f_G die mechanische Eigenfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz des Messsystems und φ_i(f_mod, t) ein zusätzlicher Phasenwinkel an der Wandlerposition i verursacht durch mechanische Asymmetrie und Anregungsorts-Modulation mit f_mod. In dem Fall, dass die Wandlerelemente an zwei Orten längs der Längsachse positioniert sind, ergeben sich somit zwei Gleichungen für i = 1 und i = 2.
Aus diesen beiden Gleichungen lässt sich die Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Orten ermitteln. Sie ergibt sich nach Demodulation der beiden Signale S₁ und S₂ mit f_G, d. h. nach Frequenztranslation bzw. Faltung mit f_G, Phasendifferenzbildung und Umrechnung in Laufzeit zu: T12 = Tflow + Tmod sin(2πfmodt)
Dabei ist T₁₂ die Laufzeitdifferenz zwischen den Wandlerpositionen zur Zeit t nach der Demodulation, T_flow die Laufzeitdifferenz, verursacht durch den Massenfluss des Mediums durch das Messrohr und T_mod die Laufzeitdifferenz, resultierend aus der Anregung an den beiden unterschiedlichen Orten 1 und 2. Wobei die letztere Laufzeit sich durch mechanische Randbedingungen verändern kann. Weiterhin ist f_mod die Pendelfrequenz für die Ortsmodulation der Anregung.
Nach einer Filterung der f_mod -Anteile mit einem einfachen Tiefpass mit der
Bedingung: Δf_s < f_c < f_mod, wobei f_c die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters ist ergibt sich: T₁₂ = T_flow.
In der 2 ist eine zweite Variante des Messsystems dargestellt. Insbesondere sind nur zwei Wandlerelemente 2, 3 vorgesehen, welche sowohl der Schwingungserzeugung, als auch dem Empfangen der Schwingungen dienen. D. h. die Anregungs- und Empfangs-Wandlerelemente der 1 sind jeweils zu einem Wandlerelement zusammengefallen. Somit ist diese Variante vorteilhafter als die der 1, da hier nur zwei Wandlerelemente Verwendung finden. Dadurch ergeben sich ein Kostenvorteil, eine einfachere Mechanik und eine bessere mechanische Symmetrie. In einer Ausgestaltung wird bei elektrodynamischen Wandlerelementen über einen Strom die Anregungskraft auf das Messrohr eingeprägt und über die gemessene Spannung wird die Auslenkung – im elektrodynamischen Fall die Auslenkungsgeschwindigkeit – gemessen. In einer weiteren Ausgestaltung werden unter Benutzung von piezoelektrischen Wandlern vier Wandlerelemente verwendet, wobei jeweils zwei Wandlerelemente relativ zu einer Längsachse des Messrohres an der gleichen Stelle lokalisiert sind, um die Laufzeitdifferenzen der Wandlerelemente auszugleichen.
Die elektro-mechanischen Wandlerelemente sind an zwei verschiedenen Positionen am Messrohr, z. B. speziell in den Wurzeln des Messrohrs, angebracht. In einer alternativen Ausgestaltung erfolgen das Einbringen der Erreger-Leistung und das Messen der Messrohrbewegung mit zwei verschiedenen Wandlerelementen an derselben Position am Messrohr, wobei das eine Element die Anregungsfunktion und das andere die Empfangsfunktion übernimmt. Hier in der 2 ist dargestellt, dass jeweils ein einziges Wandlerelement jeweils beide Funktionen übernimmt. Hier – wie in der Ausgestaltung der 1 – kann das elektro-mechanische Wandlerelement ein elektro-dynamisches Spulensystem oder eine piezoelektrisches Element sein.
Die Steuereinheit 5 steht auch hier für eine Messschaltung mit zwei Anschlüssen zur Ausgabe von zwei unabhängig steuerbaren Strompegeln zur unabhängigen Anregung an den zwei Positionen der Wandlerelemente 2, 3 am Messrohr 1, sowie zwei oder vier Spannungs-Eingängen zur unabhängigen Erfassung der Messrohrbewegung an den zwei Positionen am Messrohr 1.
Das Messrohr 1 als Ganzes wird dabei durch die Wandlerelemente 2, 3 bzw. durch die Steuereinheit 5 kontinuierlich angeregt, so dass die Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) des mechanischen Systems im Grundmode aufrechterhalten bleibt.
Auch bei der hier gezeigten Ausgestaltung wird wie bei der Variante der 1 eine Nullpunkts-Modulation vorgenommen:
Die Anregungsleistung an den beiden Wandlerelementen 2, 3 am Messrohr 1 wird mit einer vorgebbaren Modulationsfrequenz f_mod zwischen Null und der aktuell notwendigen Erregerleistung moduliert. Dabei findet die Modulation derartig statt, dass die Summe der beiden Erregerleistungen an beiden Wandlerelementen 2, 3 nicht moduliert ist und der aktuell notwendigen Erregerleistung entspricht, d. h. die Summe der beiden Amplituden ist konstant.
Der Messwert für den Strömungsparameter wird dabei unter Ausnutzung des Coriolis-Effekts aus der relativen Bewegung zwischen den beiden Positionen der beiden Wandlerelemente 2, 3 bestimmt. Dabei handelt es sich konkret um die Differenz der Eigenvektor-Phasenlagen.
Eine bezüglich der Anregungsmodulation mechanische und elektrische Asymmetrie des Wandlersystems, z. B. durch Drift, Temperatur, etc., äußert sich in der Modulation des Messwertes des Strömungsparameters mit der Modulationsfrequenz f_mod der Anregung.
Die Modulation liegt darin begründet, dass bei Asymmetrie zwischen den Positionen der beiden Wandlerelemente 2, 3 unterschiedliche Eigenvektor-Phasenlagen und Amplituden gemessen werden. Diese „Nullpunkt"-Modulation ist somit ein Maß für die Asymmetrie des Systems der Wandlerelemente und der Messrohr-Mechanik. Die Asymmetrie lässt sich dabei durch Demodulation mit der Modulationsfrequenz der Amplituden der Anregungssignale ausmessen bzw. ausrechnen. Ausgehend von dieser gemessenen Nullpunkt-Information lässt sich dann der Messwert für den Strömungsparameter bezüglich der Wandler-System-Asymmetrie korrigieren.
In der 3 ist nicht maßstabsgerecht und rein schematisch das Verhältnis der auftretenden Frequenzen dargestellt. Die beiden Anregungssignale, mit welchen das erste 2 und das zweite Anregungs-Wandlerelement 3 beaufschlagt werden, um das Messrohr 1 in der Grundmode zu mechanischen Schwingungen anzuregen, haben in dieser Ausgestaltung die gleiche Frequenz, welche der Grundfrequenz des Messrohrs 1 entspricht: fG. Die Frequenz, mit welcher die Amplituden der Anregungssignale moduliert werden: fmod ist kleiner als die Grundfrequenz fG. Gleichzeitig ist die Modulationsfrequenz fmod höher als die Frequenzbandbreite Δfs, innerhalb der der Strömungsparameter variieren kann. Der unterste Wert des Frequenzbandbreite Δfs liegt dabei bei 0 Hz, d. h. der Strömungsparameter ist konstant.
Erfindungsgemäß werden somit keine diskrete Anregungs-Zustände erzeugt, sondern es findet, um Diskontinuität der Anregung bzw. Transienten beim Übergang von einem zum anderen Anregungszustand zu vermeiden, ein kontinuierlicher bzw. sinusförmiger Übergang der örtlichen Anregung statt.
Da beispielsweise ein sinusförmiger Wechsel zwischen den Anregungsorten stattfindet, kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt durch Demodulation mit der Modulations- oder Pendelfrequenz (= Nullpunkt-Modulationsfrequenz), d. h. z. B. nach jedem Sample die Amplitude und sogar die Phasenlage des mechanischen Nullpunktes bestimmt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist somit die Coriolis-Phasendifferenz, welche proportional zum Massenfluss ist, überlagert mit der Nullpunkt-Modulationsfrequenz. Diese kann aus dem Messwert gefiltert werden. Die separierte Nullpunkt-Verschiebungs-Amplitude ist ein Maß für die Starrheit des mechanischen Systems und kann für weitere Kompensations- und Überwachungszwecke (z. B. für Dichte, Viskosität, Abrasion, etc.) als unabhängiger Messwert genutzt werden.

1: Messrohr
2: Erstes Anregungs-Wandlerelement
3: Zweites Anregungs-Wandlerelement
4: Empfangs-Wandlerelement
5: Steuereinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005034749 A1 [0002]
- WO 2006/036139 A1 [0003]
- DE 10351310 A1 [0004]
- DE 102005059070 [0005]

Claims

Verfahren zur Messung und/oder Überwachung mindestens eines Strömungsparameters eines Mediums, welches Medium mindestens ein Messrohr (1) durchströmt, wobei das Messrohr (1) zumindest temporär von mindestens einem Wandlerelement (2, 3), welches mit einem Anregungssignal beaufschlagt wird, zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei von mindestens einem Wandlerelement (4) die mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) empfangen werden, und wobei von dem Wandlerelement (4) mindestens ein zu den mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) korrespondierendes Empfangssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Anregungssignals des Wandlerelements (2, 3) zeitlich variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Anregungssignals des Wandlerelements (2, 3) zeitlich kontinuierlich variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) zumindest temporär von mindestens zwei Wandlerelementen (2, 3), welche jeweils mit einem Anregungssignal beaufschlagt werden, zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) zeitlich variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) zeitlich kontinuierlich variiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) mit einer von einer vorgebbaren Modulationsfrequenz (fmod) abhängigen Funktion variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) mit einer von der vorgebbaren Modulationsfrequenz (fmod) abhängigen Sinus-Funktion variiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) derartig variiert werden, dass die Summe der Amplituden zeitlich im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz (fmod) der Funktion, mit welcher die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) variiert werden, derartig vorgeben wird, dass die Modulationsfrequenz (fmod) kleiner als die Frequenz (fG) der mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz (fmod) der Funktion, mit welcher die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) variiert werden, derartig vorgeben wird, dass die Modulationsfrequenz (fmod) größer ist als das Frequenzband (Δfs), innerhalb dessen der Strömungsparameter variiert.
Vorrichtung zur Messung und/oder Überwachung mindestens eines Strömungsparameters eines Mediums, welches Medium mindestens ein Messrohr (1) durchströmt, mit mindestens einem Wandlerelement (2, 3), welches ausgehend von einem Anregungssignal das Messrohr (1) zumindest temporär zu mechanischen Schwingungen anregt, und mit mindestens einem Wandlerelement (4), welches die mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) empfängt und ein zu den mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) korrespondierendes Empfangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Steuereinheit (5) vorgesehen ist, welche die Amplitude des Anregungssignals des Wandlerelements (2, 3) zeitlich variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wandlerelemente (2, 3) vorgesehen sind, welche sowohl ausgehend von jeweils einem Anregungssignal das Messrohr (1) zumindest temporär zu mechanischen Schwingungen anregen, als auch die mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) empfangen und jeweils ein zu den mechanischen Schwingungen des Messrohres (1) korrespondierendes Empfangssignal erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zwei Wandlerelementen (2, 3) um piezoelektrische Elemente handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) zeitlich variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Amplituden der jeweiligen Anregungssignale der zwei Wandlerelemente (2, 3) zeitlich mit einer von einer Modulationsfrequenz (fmod) abhängigen Funktion variiert.