DE102023111816A1

DE102023111816A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts und Wirbeldurchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102023111816A1
Application number: DE102023111816.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Förster
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2023-05-05
Filing date: 2023-05-05
Publication date: 2024-11-07

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Verfahren (7) zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts (1)wobei das Wirbeldurchflussmessgerät (1) ein Messrohr (2) zum Führen eines strömenden Mediums,einen Störkörper (3), wobei der Störkörper (3) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich im Betrieb Wirbel von dem Störkörper mit einer Wirbelfrequenz ablösen,wenigstens zwei Elektroden (4), die im Strömungsschatten des Störkörpers (3) derart angeordnet sind, dass sie die durch die Wirbel im Medium erzeugte lokale Druckschwankung als Elektrodensignal erfassen,und weiterhin eine Steuer- und Auswerteeinheit (6) aufweist,dadurch gekennzeichnet,dass in der Steuer- und Auswerteeinheit (6) ein Zusammenhang zwischen der Wirbelfrequenz der durch den Störkörper (3) angeregten Wirbel und der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums hinterlegt ist,dass die Steuer- und Auswerteeinheit (6) die folgenden Verfahrensschritte ausführt:- Erfassen des Elektrodensignals (8),- Bestimmung des Frequenzspektrums des Elektrodensignals (9),- Bestimmung der Wirbelfrequenz des Wirbelpeaks aus dem Frequenzspektrum (11) und- Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit (12) des strömenden Mediums aus der Wirbelfrequenz.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts, wobei das Wirbeldurchflussmessgerät ein Messrohr zum Führen eines strömenden Mediums, einen Störkörper, wobei der Störkörper derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich im Betrieb Wirbel von dem Störkörper mit einer Wirbelfrequenz ablösen, wenigstens zwei Elektroden, die im Strömungsschatten des Störkörpers derart angeordnet sind, dass sie die durch die Wirbel im Medium erzeugten lokalen Druckschwankungen als Elektrodensignal erfassen, und weiterhin eine Steuer- und Auswerteeinheit aufweist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Wirbeldurchflussmessgerät mit einem Messrohr zum Führen eines strömenden Mediums, mit einem Störkörper, wobei der Störkörper derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich im Betrieb Wirbel von dem Störkörper mit einer Wirbelfrequenz ablösen, mit wenigstens zwei Elektroden, die im Strömungsschatten des Störkörpers derart angeordnet sind, dass sie im Betrieb die durch die Wirbel im Medium erzeugten lokalen Druckschwankungen als Elektrodensignal erfassen, und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit.
Wirbeldurchflussmessgeräte zur Messung des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden Mediums sind aus dem Stand der Technik gut bekannt. Üblicherweise ist in dem Messrohr ein mechanischer Störkörper angeordnet, der von dem Medium umströmt wird, sodass sich Wirbel an dem Störkörper mit einer Wirbelfrequenz ablösen. Die Wirbel werden mit Hilfe eines Paddels, das in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper in den Strömungsquerschnitt hineinragt, erfasst. Im Detail lenken die Wirbel das Paddel aus, wobei die Auslenkung optisch, interferometrisch oder mittels eines Piezokristalls gemessen wird. Aus der so gemessenen Wirbelfrequenz kann die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums bestimmt werden.
Insbesondere die Bestimmung der Auslenkung des Paddels mittels Piezokristallen hat den Nachteil, dass diese Kristalle eine hohe Temperaturempfindlichkeit aufweisen. Entweder müssen die Kristalle also vor einem zu hohen Wärmeeintrag geschützt werden oder das entsprechende Messgerät eignet sich nicht zur Messung von heißen Medien. Temperaturstabile Piezo-Kristall-Materialien weisen dagegen den Nachteil auf, dass sie einen deutlich geringeren Piezo-Effekt aufweisen, was ein schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zur Folge hat.
Aus dem Stand der Technik WO 85/01795 ist es bekannt, zur Erfassung der Wirbelfrequenz hinter einem Störkörper Elektroden in der Messrohrwand anzuordnen, wobei das Elektrodensignal zunächst mit einem Komparator mit Hysterese in ein Rechtecksignal umgewandelt wird und wobei anschließend ein Zähler die Anzahl an Rechteckpulsen zählt und daraus die Frequenz des Elektrodensignals und insofern die Frequenz der Wirbel schlussfolgert.
Ausgehend von dem dargelegten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts und ein Wirbeldurchflussmessgerät anzugeben, das gleichzeitig eine hohe Temperaturstabilität und eine hohe Messgenauigkeit aufweist.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die zuvor dargelegte Aufgabe durch ein eingangs beschriebenes Verfahren zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts dadurch gelöst, dass in der Steuer- und Auswerteeinheit ein Zusammenhang zwischen der Wirbelfrequenz der durch den Störkörper angeregten Wirbel und der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums hinterlegt ist, und
dass die Steuer- und Auswerteeinheit die folgenden Verfahrensschritte ausführt:

- Erfassen des Elektrodensignals,
- Bestimmung des Frequenzspektrums des Elektrodensignals,
- Bestimmung der Wirbelfrequenz des Wirbelpeaks aus dem Frequenzspektrum und
- Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums aus der Wirbelfrequenz.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch die Bestimmung des Frequenzspektrums des Elektrodensignals die Wirbelfrequenz der sich im Medium ausbreitenden Wirbel besonders genau bestimmt werden kann. Insbesondere kann die Wirbelfrequenz von anderen Frequenzanteilen, die beispielsweise auf Störungen in der Messumgebung zurückzuführen sind, unterschieden werden. In der Folge weist das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders hohe Messgenauigkeit auf. Gleichzeitig kann durch die Verwendung von Elektroden zur Erfassung der Wirbelfrequenz eine hohe Temperaturstabilität gewährleistet werden. Insgesamt liefert das beschriebene Verfahren damit auch bei anspruchsvollen Messbedingungen besonders genaue Werte der Strömungsgeschwindigkeit und damit des Volumendurchflusses eines strömenden Mediums.
Grundsätzlich basiert die Messung der Wirbelfrequenz mit Elektroden auf dem Effekt, dass die mit den Wirbeln verbundenen lokalen Druckschwankungen eine Änderung der Elektrochemie des Übergangs zu den Elektroden verursachen, die dann als Elektrodensignal erfasst werden kann. Da die Frequenz der lokalen Druckschwankungen mit der Wirbelfrequenz korreliert, ist aus dem Elektrodensignal die Wirbelfrequenz bestimmbar.
Wenn es heißt, dass die Elektroden im Strömungsschatten des Störkörpers angeordnet sind, so ist damit gemeint, dass die Elektroden in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper oder im Auslaufbereich des Störkörpers am Störkörper angeordnet sind.
Sind die Elektroden in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper angeordnet, so sind sie vorzugsweise an der inneren Messrohrwand angeordnet.
Im Hinblick auf die weitere Ausgestaltung und Anordnung der Elektroden wird auf die nachfolgende Beschreibung des Wirbeldurchflussmessgeräts Bezug genommen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Frequenzspektrum des Elektrodensignals mittels einer Fourier-Transformation bestimmt. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass die spektrale Darstellung einzelner Frequenzanteile des Elektrodensignals und damit die Selektion der gewünschten Wirbelfrequenz besonders leicht möglich ist. Es ist insbesondere möglich, die Wirbelfrequenz von anderen Frequenzanteilen, beispielsweise Störfrequenzen zu unterscheiden. In der Folge kann die Wirbelfrequenz und damit die Strömungsgeschwindigkeit besonders leicht und besonders genau bestimmt werden. Die Messgenauigkeit dieses Verfahrens ist also besonders hoch.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Frequenz von einem weiteren, von dem Wirbelpeak abweichenden, Störpeak des Frequenzspektrums bestimmt, wobei mittels der Frequenz und/oder der Form dieses Störpeaks eine Störung im Medium detektiert wird.
In Abhängigkeit von der Frequenz und/oder der Form des Störpeaks kann einerseits das Vorhandensein einer Störung und andererseits auch die Art der Störung bestimmt werden.
Beispielsweise wird bei der Bestimmung des Störpeaks der Störpeak dadurch von dem Wirbelpeak unterschieden, dass der Störpeak bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten die gleiche Frequenz aufweist, wohingegen der Wirbelpeak bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten verschiedene Wirbelfrequenzen aufweist. Alternativ kann der Störpeak auch anhand der Form und/oder der Amplitude von dem Wirbelpeak differenziert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Störung einer Pumpenstörung zugeordnet, wenn der Störpeak schmalbandig und diskret ausgebildet ist, und vorzugsweise harmonische Vielfache dieses Peaks vorliegen.
Die Störung wird einer Kavitation zugeordnet, wenn eine breitbandige ungleichmäßige Erhöhung des niederfrequenten Bereichs vorhanden ist.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung wird aus dem Frequenzspektrum ein Parameter zur Bestimmung einer Zwei-Phasen-Strömung abgeleitet und mit einem in der Steuer- und Auswerteeinheit hinterlegten Grenzwert verglichen. Überschreitet der Parameter einen hinterlegten oberen Grenzwert oder unterschreitet der Parameter einen hinterlegten unteren Grenzwert, wird dem Medium eine Zwei-Phasen-Strömung, also ein Medium umfassend eine leitende und eine nichtleitende Phase zugeordnet. Ein diesbezüglich relevanter Parameter ist beispielsweise die Fläche unter den Frequenzdaten in einem Auswertefenster oder die Form der Frequenzdaten in einem, vorzugsweise niederfrequenten Auswertefenster. Dabei ist im Vergleich die Fläche unter den Frequenzdaten einer Zwei-Phasen-Strömung innerhalb eines festen Auswertefensters größer als die Fläche einer Ein-Phasen-Strömung. Weist die Basislinie der Frequenzdaten in dem relevanten, vorzugsweise niederfrequenten, Auswertefenster die Form einer Polynomfunktion zweiter Ordnung mit nach unten geöffneter Parabel auf, wird dem Medium eine Zwei-Phasen-Strömung zugeordnet. In diesem Fall ist der Parameter der Koeffizient des quadratischen Terms der Polynomfunktion. Ist dieser kleiner Null, so liegt eine Zwei-Phasen-Strömung vor.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung wird die Form des Wirbelpeaks erfasst und der zeitliche Verlauf der Form des Wirbelpeaks wird erfasst, wobei eine Änderung der Form des Wirbelpeaks einem Verschleiß des Störkörpers zugeordnet wird. Dabei liegt eine Änderung der Form des Wirbelpeaks vor, wenn die Amplitude einen vorgegebenen Toleranzbereich überschreitet oder unterschreitet und/oder wenn die Fläche unterhalb des Wirbelpeaks einen vorgegebenen Toleranzbereich überschreitet oder unterschreitet und/oder wenn wenigstens eine Peakflanke einen vorgegebenen Toleranzbereich der Steigung überschreitet oder unterschreitet.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Verfahrens beaufschlagt die Steuer- und Auswerteeinheit die Elektroden mit wenigstens einer Wechselspannung und misst den durch das Medium zwischen den Elektroden fließenden Strom. Aus den gemessen Werten wird die Impedanz des Mediums bestimmt. Aus der Impedanz wiederum kann die elektrische Leitfähigkeit und/oder die elektrische Permittivität des Mediums bestimmt werden. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass neben der Strömungsgeschwindigkeit weitere Information über das Medium bereitgestellt werden kann.
Besonders bevorzugt weicht die Frequenz der an die Elektroden angelegten Wechselspannung derart von der Wirbelfrequenz ab, dass die Frequenz der Wechselspannung im Frequenzspektrum des Elektrodensignals den Wirbelpeak nicht überlagert. So kann sichergestellt werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit weiterhin besonders genau bestimmt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die gemessene Impedanz des Mediums oder ein aus der Impedanz abgeleiteter Parameter mit einem in der Steuer- und Auswerteeinheit hinterlegten Grenzwert verglichen. Dabei wird ein leeres Messrohr dadurch erkannt, dass der gemessene Wert der Impedanz oder der aus der Impedanz abgeleitete Parameter einen oberen Grenzwert überschreitet oder einen unteren Grenzwert unterschreitet. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass im Betrieb ein leeres Messrohr von einem Messrohr, in dem das Medium langsam strömt, unterschieden werden kann.
Die genaue Frequenzanalyse des Elektrodensignals ermöglicht also in vorteilhafter Weise die Überlagerung verschiedener Messprinzipien, die in der spektralen Darstellung des Elektrodensignals wieder voneinander unterschieden werden können.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs dargelegte Aufgabe durch ein eingangs beschriebenes Wirbeldurchflussmessgerät dadurch gelöst, dass die Steuer- und Auswerteeinheit im Betrieb eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchführt.
Hinsichtlich der beschriebenen Ausgestaltungen und Vorteile der einzelnen Verfahren wird auf die obigen Ausführungen Bezug genommen.
Erfindungsgemäß sind die Elektroden im Strömungsschatten des Störkörpers angeordnet. D.h. die Elektroden sind in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper oder im Auslaufbereich des Störkörpers am Störkörper angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektroden in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper an der inneren Messrohrwand angeordnet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektroden diametral am Messrohr angeordnet. Dabei ist es weiterhin besonders bevorzugt, wenn die Verbindungsachse der Elektroden senkrecht zur Längsachse des Störkörpers ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausgestaltung können die durch die Wirbel verursachten Druckschwankungen besonders gut erfasst werden.
Üblicherweise ist der Störkörper vertikal im Messrohr orientiert. Gemäß der besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektroden derart in dem Messrohr angeordnet, dass ihrer Verbindungsachse horizontal orientiert ist.
Eine alternative Orientierung der Verbindungsachse der Elektroden, beispielsweise derart, dass die Verbindungsachse in axialer Draufsicht auf den Messrohrquerschnitt mit der Längsachse des Störkörpers einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließt, ist ebenfalls denkbar.
Besonders bevorzugt sind die Elektroden in Strömungsrichtung des strömenden Mediums hinter dem Störkörper angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Elektroden am Störkörper, und zwar im Auslaufbereich des Störkörpers, angeordnet. Insbesondere bei großen Durchmessern des Messrohrs, beispielsweise bei einem Durchmesser DN50, ist diese Anordnung vorteilhaft, da die Druckschwankungen, die vom Wirbelkörper ausgehen, mit zunehmendem Durchmesser schwächer an der Rohrwand zu spüren sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Elektroden derart an dem Messrohr angeordnet, dass sie im Bereich der maximalen Druckschwankung der Wirbel liegen. Der Bereich der maximalen Druckschwankung der Wirbel und insofern die Anordnung der Elektroden ist dabei abhängig von der Geschwindigkeit des strömenden Mediums. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten sind die Elektroden nah am Störkörper angeordnet. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten weisen die Elektroden in Richtung der Längsachse des Messrohrs einen größeren Abstand zum Störkörper auf.
Zudem können auch mehr als zwei Elektroden vorhanden sein. Beispielsweise können an der Messrohrinnenwand auch drei oder vier Elektroden angeordnet sein. Beispielsweise können in Strömungsrichtung hinter den zwei Elektroden, die eine erste Messebene realisieren, zwei weitere Elektroden an der Messrohrwand angeordnet sein, wobei die zwei weiteren Elektroden eine zweite Messebene realisieren. Vorzugsweise sind die zwei weiteren Elektroden derart diametral an dem Messrohr angeordnet, dass die Verbindungsachse der zwei weiteren Elektroden in Draufsicht auf den Messrohrquerschnitt einen Winkel zwischen 0° und ±30° mit der Verbindungsachse der ersten beiden Elektroden einschließt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Winkel zwischen den beiden Verbindungsachsen ca. ± 20 oder ± 15° oder ± 30°. Gemäß dieser Ausgestaltung wird im Betrieb die an den ersten beiden Elektroden gemessene Spannung mit der an den weiteren zwei Elektroden gemessene Spannung verglichen.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass auch ein Drall in dem strömenden Medium erfasst werden kann. Entspricht das gemessene Signal des ersten Elektrodenpaars ungefähr dem Signal des weiteren Elektrodenpaars, liegt kein Drall vor. Weicht das Signal des ersten Elektrodenpaars von dem Signal des zweiten Elektrodenpaars unter Berücksichtigung eines Toleranzbereiches ab, liegt ein Drall in dem strömenden Medium vor.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Störkörper als mechanischer Störkörper, beispielsweise als zylinderförmiger Störkörper, ausgebildet, wobei der mechanische Störkörper in dem Messrohr angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Grundfläche des zylinderförmigen Störkörpers als Vieleck, insbesondere als Dreieck ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Störkörper als Strömungsteiler in wenigstens zwei Rohre ausgebildet, wobei die Rohre in Strömungsrichtung vor dem Messrohr angeordnet sind. Besonders bevorzugt werden die Rohre vor dem Messrohr wieder zusammengeführt.
Besonders bevorzugt ist der Störkörper als Strömungsteiler in wenigstens zwei Coriolis-Messrohre eines Coriolis-Massedurchflussmessgeräts ausgebildet, wobei der Störkörper in Strömungsrichtung vor dem Messrohr des Wirbeldurchflussmessgeräts angeordnet ist. Auch die Strömungsteilung in zwei Coriolis-Messrohre eines Coriolis-Massedurchflussmessgeräts erzeugt die für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlichen Wirbel im Medium, über deren Frequenz die Geschwindigkeit des strömenden Mediums bestimmt werden kann. Sind die wenigstens zwei Elektroden in Strömungsrichtung hinter den Coriolis-Messrohren angeordnet, so kann mit diesen miteinander verbundenen Messgeräten sowohl mit dem Coriolis-Massedurchflussmessgerät der Massedurchfluss des strömenden Mediums bestimmt werden als auch der Volumendurchfluss mittels des Wirbeldurchflussmessgeräts bestimmt werden.
Insbesondere kann also ein beim Coriolis-Massedurchflussmessgerät angeregter Nebeneffekt, nämlich die Erzeugung von Wirbeln im Medium, in vorteilhafter Weise zur Realisierung eines weiteren Messprinzips genutzt werden.
Weiterhin kann die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums mit dem Coriolis-Massedurchflussmessgerät und mit dem Wirbeldurchflussmessgerät bestimmt werden. Die so bestimmten Werte der Strömungsgeschwindigkeiten können entweder miteinander verglichen werden, wobei bei Abweichung der Werte unter Berücksichtigung eines Toleranzbereichs auf eine Störung des Wirbeldurchflussmessgeräts oder des Coriolis-Massedurchflussmessgeräts geschlossen werden kann. Alternativ können die Werte der Strömungsgeschwindigkeiten auch miteinander gemittelt werden und der gemittelte Wert der Strömungsgeschwindigkeit wird als aktuelle Strömungsgeschwindigkeit ausgegeben.
Besonders bevorzugt kann mittels der Bestimmung des Massedurchflusses und des Volumendurchflusses die Dichte des Mediums bestimmt werden. Diese Kombination der beiden Messprinzipien hat also den Vorteil, dass besonders viele Informationen über das strömende Medium bereitgestellt werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht das Messrohr zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material. Grundsätzlich können folgende Materialien verwendet werden: Hochleistungsthermoplaste wie z. B. Polyetherketone (PEK) oder Polyetheretherketon (PEEK), Hochleistungspolymere wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE) oder auch Keramiken. Alternativ weist das Messrohr im Bereich der Elektroden eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Auf diese Weise kann ein Kurzschluss zwischen den Elektroden vermieden werden.
Gemäß einer Ausgestaltung sind das Messrohr und der Störkörper einstückig, insbesondere aus Keramik, ausgebildet. Beispielsweise kann die Kombination aus Messrohr und Störkörper mittels eines generativen Verfahrens gefertigt sein.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Wirbeldurchflussmessgerät auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zusammen mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 ein Ausführungsbeispiel eines Wirbeldurchflussmessgeräts,
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 ein Ausführungsbeispiel einer Darstellung des Frequenzspektrums des Elektrodensignals
6 eine Aufteilung der in 5 überlagerten Spektren in Einzelspektren,
7 einen Zusammenhang einer gemessenen Wirbelfrequenz und der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums und
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wirbeldurchflussmessgeräts.

1 zeigt ein Wirbeldurchflussmessgerät 1 mit einem Messrohr 2 zum Führen eines strömenden Mediums, mit einen Störkörper 3 und mit zwei diametral angeordneten Elektroden 4.
Der Störkörper 3 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass er im Betrieb Wirbel in dem strömenden Medium erzeugt. Im Detail ist der Störkörper 3 als zylinderförmiger, mechanischer Störkörper 5 im Inneren des Messrohrs 2 angeordnet, wobei der Störkörper 3 eine Längsachse aufweist.
Die Elektroden 4 sind in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper 3 derart an dem Messrohr 2 angeordnet, dass sie die durch den Störkörper 3 angeregten Wirbel im Medium erfassen. Dabei sind die Elektroden 4 diametral derart an dem Messrohr 2 angeordnet, dass die Verbindungsachse senkrecht zu der Längsachse des Störkörpers 3 orientiert ist. Das Messrohr 2 ist aus einem elektrisch isolierendem Material ausgebildet, sodass im Betrieb kein Kurzschluss über das Messrohr erfolgen kann.
Zudem weisen die Elektroden 4 in Richtung der Längsachse des Messrohrs einen Abstand zu dem Störkörper 3 auf, der derart dimensioniert ist, dass die Elektroden 4 im Bereich der maximalen Druckschwanken der Wirbel angeordnet sind.
Darüber hinaus weist das Wirbeldurchflussmessgerät 1 eine Steuer- und Auswerteeinheit 6 auf, in der ein Zusammenhang zwischen der Wirbelfrequenz der durch den Störkörper 3 angeregten Wirbel und der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums hinterlegt ist.
Im Betrieb ist das Wirbeldurchflussmessgerät 1 also dazu ausgebildet, basierend auf der Änderung der Elektrochemie am Elektrodenübergang die Wirbel als Elektrodensignal zu erfassen und basierend auf der Frequenzanalyse des Elektrodensignals die Wirbelfrequenz und aus der Wirbelfrequenz mittels des hinterlegten Zusammenhangs die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen.
Damit weist das Wirbeldurchflussmessgerät 1 den Vorteil auf, dass durch die Bestimmung der einzelnen Frequenzanteile des Elektrodensignals und damit der genauen Bestimmung der Wirbelfrequenz die Strömungsgeschwindigkeit besonders genau bestimmt werden kann. Darüber hinaus kann das Wirbeldurchflussmessgerät 1 auch in hohen Temperaturbereichen eingesetzt werden.
2 zeigt ein Verfahren 7 zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts 1, wobei das Wirbeldurchflussmessgerät 1 wie in 1 dargestellt ausgebildet ist.
In einem ersten Verfahrensschritt wird das Elektrodensignal erfasst 8.
Anschließend bestimmt 9 die Steuer- und Auswerteeinheit das Frequenzspektrum des Elektrodensignals mittels einer Fouriertransformation 10. Neben der Wirbelfrequenz können so auch andere Frequenzen, beispielsweise Störfrequenzen identifiziert werden.
In einem nächsten Schritt wird aus dem Frequenzspektrum die Wirbelfrequenz des Wirbelpeaks bestimmt 11.
Aus der Wirbelfrequenz wird anschließend die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums bestimmt 12.
Damit weist das Verfahren 7 den Vorteil auf, dass die Wirbelfrequenz und damit die Strömungsgeschwindigkeit auch unter anspruchsvollen Prozessbedingungen, wie beispielsweise heißen Medien, besonders genau bestimmt werden kann.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens 7 zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts 1, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit 6 zusätzlich eine Wechselspannung an die Elektroden 4 anlegt. Neben der Bestimmung der Wirbelfrequenz wird auch der über das Medium übertragene Strom gemessen 20 und die sich daraus ergebende Impedanz 21 bestimmt. Aus der Impedanz wiederum lässt sich die elektrische Leitfähigkeit bestimmen 22.
Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass neben der Strömungsgeschwindigkeit dem Anwender weitere Informationen über das strömende Medium zur Verfügung gestellt werden können.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts 1, wobei das Wirbeldurchflussmessgerät gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
Nach der Bestimmung des Frequenzspektrums des Elektrodensignals wird neben der Bestimmung 11 des Wirbelpeaks 13 das Frequenzspektrum auch im Hinblick auf das Vorhandensein weiterer Peaks analysiert 23. Ist wenigstens ein weiterer Störpeak vorhanden, wird diesem Störpeak basierend auf der Form und/oder der Frequenz des Störpeaks eine Ursache zugeordnet 24.
Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass auch Störungen in der Messumgebung detektiert und dem Anwender mitgeteilt werden können.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Darstellung des Frequenzspektrums des Elektrodensignals, wobei eine Mehrzahl an Frequenzspektren bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten dargestellt ist. Die Darstellung zeigt, dass die Wirbelpeaks 13 bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten voneinander abweichen, während die Störpeaks 14 dadurch identifizierbar sind, dass sie auch bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten die gleiche Frequenz aufweisen.
Somit kann der jeweilige Wirbelpeak 13 besonders einfach aus dem Frequenzspektrum extrahiert werden und die Strömungsgeschwindigkeit besonders genau bestimmt werden.
6 zeigt die in 5 sich überlagernden Spektren in separaten Darstellungen. Im Einzelnen ist das Spektrum von einem Volumendurchfluss von 1,0 1/s, von einem Volumendurchfluss von 1,1 1/s, von einem Volumendurchfluss von 1,3 1/s und von einem Volumendurchfluss von 1,41/s dargestellt. Auch die Einzeldarstellung zeigen, dass die Störpeaks 14 jeweils die gleiche Frequenz aufweisen, während die Wirbelpeaks 13 bei unterschiedlichen Durchflussgeschwindigkeiten unterschiedliche Frequenzen aufweisen.
7 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs der Wirbelfrequenz und des Volumendurchflusses. Die Darstellung zeigt einen linearen Zusammenhang zwischen Volumendurchfluss und Wirbelfrequenz.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wirbeldurchflussmessgeräts 1. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Störkörper 3 nicht als im Messrohr 2 angeordneter mechanischer Störkörper ausgebildet, sondern als Strömungsteiler 15 in zwei Coriolis-Messrohre eines Coriolis-Massedurchflussmessgeräts 16.
Auch diese Anordnung bewirkt eine Störung der Strömung, die durch nachgeschaltete Elektroden 4 erfassbar ist. Darüber hinaus weist das Coriolis-Massedurchflussmessgerät 16 Schwingungserzeuger 17 zur Anregung der Coriolis-Messrohre, Schwingungsaufnehmer und eine Steuer- und Auswerteeinheit 19 auf.
Die Kombination eines Coriolis-Massedurchflussmessgeräts 16 und eines Wirbeldurchflussmessgeräts 1 weist den Vorteil auf, dass sowohl der Massedurchfluss als auch der Volumendurchfluss des Mediums bestimmt werden kann.
So kann beispielsweise auch mittels des Coriolis-Massedurchflussmessgeräts 16 die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden und diese dann mit der mittels des Wirbeldurchflussmessgeräts bestimmten Strömungsgeschwindigkeit verglichen werden. Weichen die beiden Werte der Strömungsgeschwindigkeit voneinander ab, so ist dies ein Hinweis auf eine Fehlfunktion entweder des Coriolis-Massedurchflussmessgeräts oder des Wirbeldurchflussmessgeräts.
Bezugszeichen

1: Wirbeldruchflussmessgerät
2: Messrohr
3: Störkörper
4: Elektrode
5: mechanischer Störkörper
6: Steuer- und Auswerteeinheit
7: Verfahren zum Betreiben eines Wirbeldruchflussmessgeräts
8: Erfassen des Elektrodensignals
9: Bestimmung des Frequenzspektrums des Elektrodensignals
10: Fourier-Transformation
11: Bestimmung der Wirbelfrequenz des Wirbelpeaks
12: Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
13: Wirbelpeak
14: Störpeak
15: Strömungsteiler
16: Coriolis-Massedurchflussmessgerät
17: Schwingungserzeuger
18: Schwingungsaufnehmer
19: Steuer- und Auswerteeinheit
20: Messung des Stroms
21: Bestimmung der Impedanz
22: Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit
23: Untersuchung des Frequenzspektrums im Hinblick auf weitere Peaks
24: Bestimmung der Ursache eines Störpeaks.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 8501795 [0005]

Claims

Verfahren (7) zum Betreiben eines Wirbeldurchflussmessgeräts (1) wobei das Wirbeldurchflussmessgerät (1) ein Messrohr (2) zum Führen eines strömenden Mediums, einen Störkörper (3), wobei der Störkörper (3) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich im Betrieb Wirbel von dem Störkörper mit einer Wirbelfrequenz ablösen, wenigstens zwei Elektroden (4), die im Strömungsschatten des Störkörpers (3) derart angeordnet sind, dass sie die durch die Wirbel im Medium erzeugten lokalen Druckschwankungen als Elektrodensignal erfassen, und weiterhin eine Steuer- und Auswerteeinheit (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuer- und Auswerteeinheit (6) ein Zusammenhang zwischen der Wirbelfrequenz der durch den Störkörper (3) angeregten Wirbel und der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums hinterlegt ist, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (6) die folgenden Verfahrensschritte ausführt: - Erfassen des Elektrodensignals (8), - Bestimmung des Frequenzspektrums des Elektrodensignals (9), - Bestimmung der Wirbelfrequenz des Wirbelpeaks aus dem Frequenzspektrum (11) und - Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit (12) des strömenden Mediums aus der Wirbelfrequenz.
Verfahren (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzspektrum des Elektrodensignals mittels einer Fourier-Transformation (10) bestimmt wird.
Verfahren (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz von einem weiteren, von dem Wirbelpeak abweichenden Störpeak des Frequenzspektrums bestimmt wird (23), und dass mittels der Frequenz und/oder der Form dieses Störpeaks eine Störung im Medium detektiert wird.
Verfahren (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Störung einer Pumpenstörung zugeordnet wird, wenn der Störpeak schmalbandig und diskret ausgebildet ist und vorzugsweise harmonische Vielfache dieses Peaks vorliegen und/oder dass die Störung einer Kavitation zugeordnet wird, wenn eine breitbandige ungleichmäßige Erhöhung des niederfrequenten Bereichs vorhanden ist.
Verfahren (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Wirbelpeaks erfasst wird und dass der zeitliche Verlauf der Form des Wirbelpeaks erfasst wird, wobei eine Änderung der Form des Wirbelpeaks einem Verschleiß des Störkörpers zugeordnet wird.
Verfahren (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit die Elektroden mit wenigstens einer Wechselspannung beaufschlagt und dass der durch das Medium zwischen den Elektroden fließende Strom gemessen wird (20), dass die Impedanz des Mediums bestimmt wird (21) und dass aus der Impedanz die elektrische Leitfähigkeit (22) und/oder die elektrische Permittivität des Mediums bestimmt wird.
Verfahren (7) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der an die Elektroden angelegten Wechselspannung derart von der Wirbelfrequenz abweicht, dass die Wechselspannung im Frequenzspektrum des Elektrodensignals den Wirbelpeak nicht oder nicht wesentlich überlagert.
Verfahren (7) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Impedanz des Mediums oder ein aus der Impedanz abgeleiteter Parameter mit einem in der Steuer- und Auswerteeinheit hinterlegten Grenzwert verglichen wird und dass ein leeres Messrohr erkannt wird, wenn der gemessene Wert der Impedanz oder der aus der Impedanz abgeleitete Parameter einen oberen Grenzwert überschreitet oder einen unteren Grenzwert unterschreitet.
Wirbeldurchflussmessgerät (1) mit einem Messrohr (2) zum Führen eines strömenden Mediums, mit einem Störkörper (3), wobei der Störkörper (3) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich im Betrieb Wirbel von dem Störkörper mit einer Wirbelfrequenz ablösen, mit wenigstens zwei Elektroden (4), die im Strömungsschatten des Störkörpers (3) derart angeordnet sind, dass sie die durch die Wirbel im Medium erzeugten lokalen Druckschwankungen als Elektrodensignal erfassen, und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (6) im Betrieb ein Verfahren (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführt.
Wirbeldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4) in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper (3) an der inneren Messrohrwand angeordnet sind.
Wirbeldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (3) als mechanischer Störkörper (5), beispielsweise als zylinderförmiger Störkörper, ausgebildet ist, wobei der mechanische Störkörper (15) in dem Messrohr (2) angeordnet ist.
Wirbeldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (3) als Strömungsteiler (15) in wenigstens zwei Coriolis-Messrohre eines Coriolis-Massedurchflussmessgeräts (16) ausgebildet ist, wobei der Störkörper (3) in Strömungsrichtung vor dem Messrohr (2) des Wirbeldurchflussmessgeräts (1) angeordnet ist.
Wirbeldurchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (2) zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
Wirbeldurchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (2) im Bereich der Elektroden (4) eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist.