DE19840904A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Dichte eines fließenden Fluids - Google Patents

Abstract

Zur verbesserten Bestimmung der Dichte eines einen Rohrabschnitt durchfließenden Fluids sieht die Erfindung vor, daß zur Bestimmung der in die Bestimmung der Dichte eingehenden Gesamtmasse eines durchflossenen Rohrabschnitts auch die Amplituden zweier aufeinander folgender gedämpfter Schwingungen desselben nach Beendigung einer Schwingungsanregung gemessen und in die Bestimmung der Dichte zusätzlich eingeht, wobei diese insbesondere bestimmt wird durch DOLLAR F1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines durch einen schwingenden Rohrabschnitt fließenden Fluids aufgrund bekannter Masse und Innenvolu­ men des Rohrabschnitts, der Bestimmung der Federkonstante des das Fluid enthaltenen Rohrabschnitts und Bestimmung der Gesamtmasse durch Messung der Resonanzfrequenz des durchflossenen Rohrabschnitts. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines durch einen Meßrohrabschnitt fließenden Fluids, mit einem Schwingungserreger und mindestens einem Schwin­ gungssensor sowie Einrichtungen zur Bestimmung der Feh­ lerkonstante des fluidenthaltenen Rohrabschnitts und der Gesamtmasse unter Bestimmung der Rohrfrequenz des durch­ flossenen Rohrabschnitts zur Bestimmung der Dichte bei bekannter Masse und bekanntem Innenvolumen des Rohrab­ schnitts.

In der verfahrenstechnischen Industrie ist die Messung der Dichte von den Rohrleitungen strömenden Medien von Bedeutung. Zur Dichtemessung können verschiedene Meßver­ fahren eingesetzt werden. Weit verbreitet sind Meßgeräte, die auf der Messung der Eigenresonanz schwingender, von dem zu messenden Medium durchströmter Meßrohre beruhen. Zu dieser Klasse gehören nicht nur Dichtemeßgeräte, sondern auch Tauchmeßgeräte nach dem Coriolisprinzip. Letzere beruhen darauf, daß durch ein quer zur Durchfluß­ richtung des Fluids schwingendes Rohr auf das Fluid Querbeschleunigungskräfte ausgeübt werden, denen das Flui eine Trägheitskraft entgegensetzt, die ein Zurückbleiben bzw. Vorlaufen der Schwingungen stromauf- bzw. stromab des Schwingungserregers verursacht, die gemessen werden können.

Die Dichte der Flüssigkeiten, welche die Schwingungen der Meßrohre stark dämpfen, kann heute nur mit relativ gerin­ ger Meßgenauigkeit gemessen werden.

Die Dichtemessung erfolgt bei bekannten Rohrkenndaten, wie insbesondere der Masse des schwingenden Rohrab­ schnitts und seines Innenvolumens sowie der Schwingung der Federkonstante des das Fluid enthaltenen Rohrab­ schnitts aufgrund der Bestimmung der Gesamtmasse des fluiddurchflossenen Rohrabschnitts unter Messung der Resonanzfrequenz gemäß

m = 1/(2f)² D (Gl. 1)

wobei m die Gesamtmasse des schwingenden Systems, D die Federkonstante und f die Resonanzfrequenz ist. Hierbei wird die Reibungskonstante des schwingenden Systems, die bei der erzwungenen Schwingung eines derartigen Systems zu berücksichtigen ist, vernachlässigt. Ist diese aber, insbesondere im Verhältnis zur Masse nicht vernachlässig­ bar, entsteht ein erheblicher Meßfehler. Es kann nicht erkannt werden, ob eine gemessene Frequenzänderung von einer Änderung der Dämpfung des Fluids oder seiner Dichte herrührt. Es wurden beispielsweise Meßfehler von 1,5% des Meßwertes festgestellt, die als erheblich angesehen werden.

Der Einfluß der Dämpfung bestimmt sich aus K²/2mD, so daß zur Reduzierung des Einflusses die Federkonstante und/oder Morse des schwingenden Systems zu vergrößern wären. Diese Möglichkeit stößt aber an Grenzen, die durch konstruktive, fertigungstechnische und werkstofftech­ nische Vorgaben bedingt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeid­ ung der vorgenannten Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen die Reibungskonstante zur Bestimmung der Dichte eines fließenden Fluids nicht vernachlässigt, sondern mit berücksichtigt wird.

Erfindungsgemäß wir die genannte Aufgabe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zusätzlich die Amplitu­ den zweier aufeinander folgender (gedämpfter) Schwingun­ gen nach Beendigung einer Schwingungsanregung gemessen werden und ebenfalls in die Bestimmung der Dichte einge­ hen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe vor, daß eine Einrichtung zur Unterbrechung der Schwingungserregung und Einrichtung zur Bestimmung zweier aufeinander folgender Amplituden der gedämpften Schwingungen bei Unterbrechung der Schwin­ gungserregung und Berücksichtigung der gemessenen Ampli­ tudenwerte bei der Bestimmung der Dichte vorgesehen sind. Vorzugsweise werden aufeinanderfolgende Amplituden gemessen.

Die Erfindung sieht also zur Berücksichtigung der Reinigungs­ konstante anstatt der Vernachlässigung derselben vor, daß die Schwingungsamplituden zweier aufeinander folgen­ der Schwingungen, deren Verhältnis durch die Reibungskon­ stante bestimmt ist, gemessen und in die Bestimmung in der Gesamtmasse und letztendlich der Dichte des durch einen Rohrabschnitt fließenden Fluids eingehen bzw. hierbei berücksichtigt werden.

In konkreter Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, daß die Dichte des schwingenden Systems bestimmt wird durch

bzw. vorrichtungsmäßig, daß die Einrichtung zur Bestim­ mung der Gesamtmasse des schwingenden Systems derart ausgestaltet ist, daß die Gesamtmasse, ebenfalls durch vorstehende Maßgabe bestimmt wird. Während bisher von permanenter Erregung der Schwingung bei der Resonanzfrequenz ausgegangen wurde, hat die Erfindung erkannt, daß bei Abschalten der Erregung aufgrund der sich unter Einfluß der Reibungskonstanten bei einer solchen gedämpf­ ten Schwingung Schwingungsamplitude die Reibungskonstante in der Bestimmung der schwingenden Gesamtmasse des Sys­ tems und letztendlich der Dichte des durchfließenden Fluids berücksichtigt werden kann, da bei einer gedämpf­ ten Schwingung die Amplitude von Periode zu Periode um den Faktor

abnimmt, so daß das Quadrat der Reibungskonstante sich ergibt zu

Hieraus ergibt sich die schwingende Gesamtmasse gemäß der obigen Gl. 2.

Erfindungsgemäß muß daher der Einfluß der Dämpfungskon­ stante und damit des dämpfenden Fluids die Meßgenauigkeit nicht mehr vernachlässigt werden, sondern wird bei der Bestimmung der Dichte vollauf berücksichtigt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und damit auch mit einem solchen durchzuführenden Verfahren wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung und damit eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens.

In einer Rohrleitung 1, die von einem Fluid mit einer beliebigen Strömungsrichtung 2 durchströmt ist, ist zur Messung der Dichte an einem Meßrohr oder einem Rohrab­ schnitt 5 ein Meßwertaufnehmer, der allgemein mit 3 bezeichnet ist, angebaut, der mit einem Meßwertumformer 4 verbunden ist. Die Erfindung wird anhand eines gemäß des Strömungspfeils 2 durchströmten geraden Meßrohrabschnitts 5 beschrieben. Stattdessen können auch bogen-, omega- oder sonstig gestaltene Meßrohrverläufe gewählt werden.

Der Meßwertaufnehmer 3 weist einen mit dem Rohrabschnitt 5 verbundenen Grundkörper 6 und ein Schwingungs-Erreger­ system 7 auf. Hierzu gehört ein an dem Rohrabschnitt 5 angebrachter Dauermagnet 7a und eine mit dem Grundkörper verbundene Spule 7b. Der Meßwertaufnehmer 3 weist weiter­ hin Sensoren, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei elektrodynamische Sensoren 8 und 9 auf, durch die das eingangs erwähnte Vorlaufen bzw. Nachlaufen der Schwing­ ungen des schwingenden Rohrabschnitts 5 und damit Corio­ lis-Messungen durchgeführt werden können. Reine Dichtem­ eßgeräte benötigen nur einen Sensor, der ebenfalls ein elektrodynamischer Sensor sein kann.

Die elektromagnetischen Sensoren 8 und 9 weisen jeweils einen mit dem Meßrohr verbundenen Dauermagneten 8a, 9a und eine an dem Grundkörper angebrachte Spule 8b, 9b auf.

Der Meßwertumformer 4 beinhaltet zunächst eine Einricht­ ung zur Schwingungsanregung A. Weiterhin ist eine Elek­ tronikeinheit B zur Verstärkung, Filterung und Addierung der durch die Schwingung in den Sensoren 8 und 9 indu­ zierten von diesen der Elektronikeinheit B zugeführten Spannungen vorgesehen. Schließlich weist der Meßwertum­ former 4 erfindungsgemäß eine Verarbeitungseinrichtung C auf.

Die Baugruppe A liefert einen sinusförmigen Strom für das Erregersystem zur Erzeugung der erwünschten Biegeschwing­ ungen des Rohrabschnitts 5. Basiert auf der in einem der Sensoren, hier dem Sensor 8 induzierten Spannung, regelt die Einrichtung zur Schwingungserregung A den Erreger­ strom derart, daß während der Erregung eine Schwingung mit praktisch konstanter Amplitude erzeugt wird.

Die Verarbeitungseinheit C unterbricht den Erregerstrom der Einrichtung zur Schwingungserregung A über den Schal­ ter 11 bestimmte Zeiten. Die von der Elektronikeinheit B in der beschriebenen Weise vorverarbeitete elektrische Spannung wird der Verarbeitungseinheit C zur Weiterverar­ beitung zugeführt. Diese tastet den analogen Spannungs­ verlauf, gegebenenfalls mittels eines Analog-Digital- Wandlers ab. Sie bestimmt weiterhin die Dichte des Fluids unter Bestimmung der Gesamtmasse in der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Weise, insbesondere unter Verarbeitung gemäß der Gleichung 2 und aufgrund der so erhaltenen Gesamtmasse in ansonsten bekannter Weise.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines durch einen schwingenden Rohrabschnitt fließenden Fluids aufgrund bekannter Masse und Innenvolumen des Rohr­ abschnitts, der Bestimmung der Federkonstante des das Fluid enthaltenen Rohrabschnitts und Bestimmung der Gesamtmasse durch Messung der Resonanzfrequenz des durchflossenen Rohrabschnitts, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich mindestens zwei Amplituden der gedämpften Schwingungen nach Beendigung einer Schwingungsanregung gemessen werden und in die Bestimmung der Dichte eingehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des schwingenden Systems bestimmt wird durch

3. Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines durch einen Meßrohrabschnitt (5) fließenden Fluids, mit einem Schwingungserreger (7, 7a, 7b) und mindestens einem Schwingungssensor (8, 8a, 8b; 9, 9a, 9b) sowie Einrichtungen zur Bestimmung der Fehlerkonstante des fluidenthaltenen Rohrabschnitts und der Gesamtmasse unter Bestimmung der Resonanzfrequenz des durchflos­ senen Rohrabschnitts (5) zur Bestimmung der Dichte bei bekannter Masse und bekanntem Innenvolumen des Rohrabschnitts (5), dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (C) zur Unterbrechung der Schwingungser­ regung und Einrichtung (B) zur Bestimmung mindestens zwei Amplituden (zwei der gedämpften Schwingungen) bei Unterbrechung der Schwingungserregung und Ber­ ücksichtigung der gemessenen Amplitudenwerte bei der Bestimmung der Dichte vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Gesamtmasse des schwingenden Systems derart ausgestaltet ist, daß die Dichte bestimmt wird durch