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WO2010091700A1 - Verfahren zum betreiben eines coriolis-massendurchflussmessgeräts sowie coriolis-massendurchflussmessgerät - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines coriolis-massendurchflussmessgeräts sowie coriolis-massendurchflussmessgerät Download PDF

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Publication number
WO2010091700A1
WO2010091700A1 PCT/EP2009/001030 EP2009001030W WO2010091700A1 WO 2010091700 A1 WO2010091700 A1 WO 2010091700A1 EP 2009001030 W EP2009001030 W EP 2009001030W WO 2010091700 A1 WO2010091700 A1 WO 2010091700A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
indicator
coriolis mass
determined
mass flowmeter
vibration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/001030
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Bierweiler
Wolfgang Ens
Henning Lenz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to PCT/EP2009/001030 priority Critical patent/WO2010091700A1/de
Publication of WO2010091700A1 publication Critical patent/WO2010091700A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/78—Direct mass flowmeters
    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G01F1/8436—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/845—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits
    • G01F1/8468—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits
    • G01F1/8472—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits having curved measuring conduits, i.e. whereby the measuring conduits' curved center line lies within a plane
    • G01F1/8477—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits having curved measuring conduits, i.e. whereby the measuring conduits' curved center line lies within a plane with multiple measuring conduits

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a Coriolis mass flow meter and a Coriolis mass flow meter according to the preamble of the independent claims.
  • the measurement of the flow through process pipes of a plant is a necessary measure, for example, in process automation, which is why there are a variety of known measuring methods.
  • Known measuring methods include Coriolis, magnetic-inductive, ultrasound, eddy current meters,
  • a Coriolis mass flow meter can determine not only the mass flow but also the density of the medium flowing through it. Therefore, a gas content in a liquid flowing through, for example, by comparing the specific density with a
  • WO 2006/130415 A and WO 2006/127527 A describe methods for detecting and counting gas bubbles by means of additional excitation of other frequencies and comparison of the response with a reference spectrum. This makes it possible to determine both the mass flow rate and the density of the liquids and the gas.
  • a problem with this approach is that it requires the use of a suitable excitation source, which is why the hardware of a conventional Coriolis mass flowmeter would be different.
  • this approach is only applicable to certain gas bubble distributions in the liquid.
  • Cavitation is the formation of cavities in liquids by pressure fluctuations.
  • a process tube to which the Coriolis mass flowmeter is flanged, can be set in vibration.
  • Cavitation directly in front of the Coriolis mass flowmeter leads to erroneous measured values, since the liquid in the measuring tubes of the measuring instrument then also carries cavities with it.
  • pumps, valves, transducers, etc. can be damaged or even destroyed by cavitation.
  • cavitation can occur, which can lead to damage of the measuring device. For this reason, in manuals to Coriolis mass flow meters in the
  • the Coriolis mass flowmeter according to the preamble of the independent claims can detect in a liquid mitge designedte gas components (two-phase flow) and thus a process disturbance by a first indicator is determined as described above.
  • the frequency spectrum is calculated from the difference signal of the vibration pickup, for example by means of an FFT of 64 support points at a sampling rate of 20 kHz for a Coriolis mass flowmeter with a fundamental frequency of 650 Hz.
  • the first indicator then corresponds to the quotient of the weighted sum of the Upper frequencies and the fundamental frequency. It is advantageous that such a phase information is clearly taken into account in the spectral analysis. This contains important information because the flow and the media density between the two vibration sensors change due to the multiphase flow, in particular due to the gas components entrained in the fluid.
  • At least one further indicator is now determined when a predetermined threshold value for the first indicator is exceeded.
  • the threshold for the first indicator is between 1.5 and 2.5, preferably about 2, wherein the determination of the threshold for the first indicator also depends on the size of the Coriolis mass flowmeter.
  • the classification allows the detection of cavitation.
  • the location of the source of cavitation can be determined.
  • the type and location of the process disturbance can be determined by the classification. This allows condition monitoring of the process. Based on this, it can also be determined whether erroneous measurements are available, so that additional Let a condition monitoring of the field device is possible. Basically, the more indicators that are included in the classification, the more reliable it is to determine cavitation and the location of the source of cavitation.
  • the classification according to the present invention preferably distinguishes between the following classes:
  • the at least one further indicator is determined from the vibration signals, that is, the raw signals of the at least two vibration sensors.
  • further indicators for example, a phase angle, an amplitude value or amplitude estimated value, correlation coefficients of the two vibration sensors (eg 128 data points at a sampling rate of 20 kHz) and a difference of the vibration signal amplitudes of the at least two vibration sensors come into question.
  • the at least one further indicator can also be obtained, for example, from an actuator current or an excitation frequency for the excitation arrangement or an amplification factor of the regulation.
  • values derived from the here mentioned and other suitable indicators can be formed, such as their standard deviation, which are then included as further indicators in the classification.
  • the at least one further indicator is calculated periodically and a predetermined number of values are stored for each further indicator.
  • the further indicators are calculated every 0.02 seconds and the last ten values of each indicator are stored in a memory of the evaluation device. Then the standard deviation for an indicator can be determined from its last ten values.
  • the classification of the process disturbance takes place on the basis of a plurality of threshold values for each indicator. That is, each indicator that is determined is compared to multiple thresholds for that indicator.
  • threshold values can be derived from measured data or empirical values. It is also the case that the more threshold values are set for each indicator, the better it is possible to differentiate between process disturbances, so that a process disturbance can be reliably assigned to one of the above-listed classes.
  • the classification of the process disturbance is based on minimum and maximum envelopes for each indicator. That is, a minimum and a maximum envelope are provided for each indicator instead of discrete thresholds.
  • a minimum and a maximum envelope are provided for each indicator instead of discrete thresholds.
  • each indicator lies within a certain range of the minimum and maximum envelopes provided for this purpose. Depending on this area, which is also referred to below as the residence area, it is possible to draw conclusions about the process status.
  • the envelopes do not necessarily have to be monotone or linear. Rather, the envelopes may be, for example, piecewise linear envelopes, nth order polynomials, spins, neural networks, exponential or logarithmic envelopes.
  • the envelopes can be modeled in a manner known per se from a set of standard deviations for the respective indicator. For this purpose, standard deviations are preferably determined once for each indicator. From a subset of minimum values then the minimum curve and from a subset of maximum values the maximum curve by inverting a respective one
  • Envelope calculated. Furthermore, from the reversal of the envelope for each indicator, one or (in the case of non-monotonic envelopes) can specify several common areas. Based on the residence areas of the indicators, the process status can then be determined and thus a classification made. In order to determine the process disturbance even at low gas contents in the liquid, the residence areas of the indicators are preferably superimposed (superposition).
  • a particular advantage of the present invention is that the hardware of the Coriolis mass flowmeter does not have to be extended to determine further indicators.
  • the other indicators are derived from the raw signals from the vibration sensors or from other signals from the measuring device, so that only existing (sensor) signals are used and evaluated.
  • the process state can be identified and classified on the basis of the further features (eg entrained gas components, occurrence of cavitation, etc.), no additional sensors or actuators are required and the control circuit of the measuring device does not need to be changed.
  • Another advantage of the present invention is that a diagnostic statement about the process state and the field device is provided. Because from a certain gas content, the field device is out of specification. That is, the flow reading is no longer reliable and should no longer be considered valid process information.
  • cavitation can set the measuring tubes and / or the process tube in vibration, which likewise leads to erroneous measured values.
  • the Coriolis mass flowmeter according to the present invention can provide information on the occurrence of undesirable cavitation including the location of occurrence, thus providing the starting point for process optimization, such as, e.g. by increasing a backpressure.
  • Figure 1 shows a Coriolis mass flow meter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a pipeline of a plant to which the Coriolis mass flowmeter according to FIG. 1 is flanged;
  • FIG. 3 shows an embodiment of a classifier according to the present invention
  • FIG. 4 shows a flow chart for a method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a Coriolis mass flowmeter according to an embodiment of the present invention.
  • the Coriolis mass flowmeter 1 according to FIG. 1 operates on the Coriolis principle.
  • a first measuring tube 2 and a second measuring tube 3 are arranged substantially parallel to one another. They are usually made from one piece by bending.
  • the course of the measuring tubes is essentially U-shaped.
  • a flowable medium flows according to an arrow 4 in the mass flow meter 1 and thus in the two located behind a not visible in the figure inlet splitter inlet sections of the measuring tubes 2 and 3 and corresponding to an arrow 5 from the outlet sections and the behind, also in the figure invisible discharge splitter off again.
  • a stiffening frame 7 By a stiffening frame 7, the geometry of the measuring tubes 2 and 3 is kept substantially constant, so that even changes in the piping system in which the mass flowmeter 1 is installed, for example, due to temperature fluctuations, possibly lead to a low zero offset.
  • Vibration sensors 9 are used to detect the Coriolis forces and / or based on the Coriolis forces oscillations of the measuring tubes 2 and 3, which arise due to the mass of the medium flowing through.
  • the vibration signals 10, which are generated by the two vibration sensors 9, are emitted by an Value device 11 evaluated.
  • the evaluation device 11 comprises a digital signal processor 12, in which the evaluation of signals according to the invention is implemented in the measuring device. Results of the evaluation, which will be described in detail below, are output on a display 13 and / or transmitted via an output, not shown in the figure, eg fieldbus, to a higher-level control station. Furthermore, a warning signal with information about a state of the process and / or the field device can be output via the display 13 or the output.
  • the evaluation device 11 also controls the exciter arrangement 8.
  • the measuring tubes 2 and 3 may of course have other geometries, such as a V-shaped or a ⁇ -shaped center section, or it may be a different number and arrangement of exciter arrangements and vibration pickups are selected.
  • the Coriolis mass flowmeter may alternatively have a different number of measuring tubes, for example a measuring tube or more than two measuring tubes.
  • an evaluation performed in the evaluation device 11 includes determining a first indicator and determining whether the first indicator exceeds a predetermined threshold. If this is the case, the evaluation device 11 determines at least one further indicator in order to classify the process disturbance determined on the basis of the first indicator, taking into account the at least two specific indicators. That is, in the evaluation device 11, a classifier is implemented, which will be described with reference to Figure 3.
  • FIG. 2 shows a pipeline (process line) 14 of a plant to which the Coriolis mass flowmeter 1 is connected. measure of Figure 1 is flanged. Furthermore, FIG. 2 shows classes of process disturbances which can be determined on the basis of the Coriolis mass flowmeter according to the present invention. The classification primarily focuses on whether cavitation is present. In this regard, a distinction is made according to whether cavitation occurs far in front of the device, directly in front of the device, in the device or directly after the device. In addition, the classification may include whether gas bubbles are carried in the liquid or not.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a classifier according to the present invention.
  • This classifier classifies a process disorder based on multiple thresholds for each indicator used in the classification.
  • an indicator with characteristic is designated, SD stands for standard deviation and stands for pickup for vibration pickup.
  • the classifier of FIG. 3 can also be called a decision matrix, which is used for an allocation of process disturbances.
  • the decision matrix comprises only one correlation coefficient of the two oscillators for each class of process disturbances, an interval with an upper and a lower limit.
  • the decision matrix of Figure 3 shows discrete thresholds, which for the sake of simplicity are not represented as absolute values but as "X".
  • a "-" in the decision matrix means that all thresholds are undercut. To refine the classification, several thresholds are provided for each indicator.
  • X does not mean that only Threshold 1 but not Threshold 2 is exceeded, but that Threshold 1 is definitely is exceeded. The same applies to the other thresholds XX, XXX and XXXX.
  • the indicators provided in the decision matrix are determined each time, with the indicators provided in the decision matrix of FIG. 3 not being exhaustive, but also other indicators being included in the classification.
  • the more indicators that are included in the classification of a process disturbance the more precisely it is possible to differentiate between classes of process disturbances.
  • the amplitude estimate does not allow a reliable statement about a process fault class.
  • the standard deviation of the amplitude of the vibration signal of the first vibration sensor (SD (amplitude pickup I)) in the flow direction makes it very easy to see whether cavitation is present directly in front of the device and no gas is carried in the liquid. Because in this case the threshold 4 (XXXX) is crossed the only time.
  • FIG. 4 shows a flow chart for a method according to an embodiment of the present invention.
  • a first indicator is determined by determining a difference signal of the vibration signals of the vibration sensors (see FIG. 1) and its frequency spectrum.
  • the first indicator corresponds to a quotient of a weighted sum of upper frequencies and a fundamental frequency of the frequency spectrum.
  • the first indicator provides information about whether a process malfunction exists or not.

Landscapes

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  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts (1) sowie ein Coriolis- Massendurchflussmessgerät (1) gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Ein erster Indikator wird bestimmt, indem ein Differenzsignal der Schwingungssignale (10) der Schwingungsaufnehmer (9) des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts und das Frequenzspektrum des Differenzsignals ermittelt werden. Dabei entspricht der erste Indikator einem Quotienten aus einer gewichteten Summe von Oberfrequenzen und einer Grundfrequenz des Frequenzspektrums. Ferner wird bestimmt, ob der erste Indikator einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet oder nicht. Falls der erste Indikator den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, dann wird mindestens ein weiterer Indikator bestimmt. Anhand der mindestens zwei bestimmten Indikatoren wird dann die mittels des ersten Indikators erkannte Prozessstörung klassifiziert.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Massendurchfluss- messgeräts sowie Coriolis-Massendurchflussmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts sowie ein Coriolis- Massendurchflussmessgerät gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche .
Die Messung des Durchflusses durch Prozessrohre einer Anlage ist beispielsweise in der Prozessautomatisierung eine erforderliche Maßnahme, weshalb es eine Vielzahl bekannter Messverfahren gibt. Zu den bekannten Messverfahren zählen Corio- lis, magnetisch-induktiv, Ultraschall, Wirbelstromzähler,
Druckblende, etc. Mit diesen Messverfahren lassen sich eine Strömungsgeschwindigkeit und teilweise auch das Durchflussvolumen messen. Dabei liefert nur ein Coriolis-Massendurch- flussmessgerät eine direkte Messung des Massendurchflusses. Allerdings liefert das Coriolis-Massendurchflussmessgerät bei der Messung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten im Allgemeinen fehlerhafte Messwerte, wenn Gasanteile (engl. Gas- Void-Fraction) mitgefördert werden.
Daher existieren mehrere Vorschläge zum Erkennen mitgeförderter Gasanteile in Flüssigkeiten. Ein Coriolis-Massendurch- flussmessgerät kann neben dem Massendurchfluss auch die Dichte des durchströmenden Mediums bestimmen. Daher lässt sich ein Gasanteil in einer durchströmenden Flüssigkeit beispiels- weise durch Vergleichen der bestimmten Dichte mit einer
Grenzdichte ermitteln. Problematisch an diesem Ansatz ist jedoch, dass die Dichte des Mediums von unterschiedlichen Faktoren wie z.B. der Temperatur abhängt, weshalb dieses Verfahren keine zuverlässigen Ergebnisse liefert.
In dem Artikel "Neue Parameter zur Analyse der Störungen eines Coriolis-Massemessers", Technisches Messen, 74, 2007, S. 577-588, J. Goeke und M. Stock, werden verschiedene Kennzahlen zur Erkennung von Gasanteilen in einer Flüssigkeit vorgestellt, deren Durchfluss gemessen werden soll. Bei der Amplitudenkennzahl wird das diskrete Spektrum des Sensorsig- nals eines der beiden Sensoren gebildet und ein Nutzsignal und ein Rauschanteil identifiziert. Die Amplitudenkennzahl ist dann definiert als die Differenz der aufsummierten Nutzfrequenzen und der aufsummierten Rauschfrequenzen. Allerdings unterliegt das Verhältnis von Nutzsignal zu Rauschanteil starken zeitlichen Schwankungen. Zudem erfordert dieses Verfahren einen hohen Rechen- und Speicheraufwand, der bei der Auslegung einer Auswerteeinrichtung berücksichtigt werden muss .
Die WO 2006/130415 A und die WO 2006/127527 A beschreiben Methoden zum Erkennen und Zahlen von Gasblasen mittels zusatzlicher Erregung anderer Frequenzen und Vergleich der Antwort mit einem Referenzspektrum. Dadurch ist sowohl die Ermittlung des Massendurchflusses als auch der Dichte der Flüssigkeiten und des Gases möglich. Ein Problem bei diesem Ansatz ist jedoch, dass er den Einsatz einer geeigneten Anregungsquelle erfordert, weshalb die Hardware eines herkömmlichen Coriolis- Massendurchflussmessgerats zu andern wäre. Des Weiteren ist dieser Ansatz nur bei bestimmten Gasblasenverteilungen in der Flüssigkeit anwendbar.
Ferner gibt es Vorschlage zur Kompensation von Auswirkungen mitgefuhrter Gasanteile auf eine Messgenauigkeit des Corio- lis-Massendurchflussmessgerats . Beispielsweise beschreibt die US2005284237 ein Verfahren zur Korrektur eines Fehlers einer Massendurchflussmessung . Ein neuronales Netz, das die Temperatur, die Dampfung und den Dichteabfall als Eingangsparameter hat, korrigiert den Fehler des Massendurchflusses. Allerdings wird dadurch nur eine teilweise Kompensation erreicht. Ferner erfordert dieses Verfahren einigen Rechen- und Speicheraufwand, der bei der Auslegung einer Auswerteeinrichtung berücksichtigt werden muss. Somit ist ein herkömmliches Coriolis-Massendurchflussmess- gerat zwar in der Lage, in Flüssigkeiten mitgeforderte Gasanteile zu erkennen und eine Auswirkung der Gasanteile auf die Messgenauigkeit zumindest teilweise zu kompensieren. Aller- dings ist ein herkömmliches Coriolis-Massendurchflussmess- gerat nicht in der Lage, Kavitation zu erkennen und den Ort des Auftretens zu bestimmen. Als Kavitation wird die Bildung von Hohlräumen in Flüssigkeiten durch Druckschwankungen bezeichnet. Dadurch kann ein Prozessrohr, an welches das Corio- lis-Massendurchflussmessgerat angeflanscht ist, in Schwingung versetzt werden. Kavitation direkt vor dem Coriolis-Massendurchflussmessgerat fuhrt zu fehlerhaften Messwerten, da die Flüssigkeit in den Messrohren des Messgerats dann ebenfalls Hohlräume mit sich fuhrt. Ferner können Pumpen, Ventile, Messumformer, etc. durch Kavitation beschädigt oder gar zerstört werden. Außerdem kann bei niedrigem Prozessdruck an der Ausflussseite des Messabschnitts im Coriolis-Massendurch- flussmessgerat Kavitation entstehen, welche zu einer Beschädigung des Messgerats fuhren kann. Aus diesem Grund wird in Handbuchern zu Coriolis-Massendurchflussmessgeraten in den
Rubriken Einbauhinweise oder Systemdruck üblicherweise darauf hingewiesen, dass keine Kavitation auftreten darf, da diese die Messrohrschwingung und somit eine Messgenauigkeit beeinflussen kann (siehe z.B. Endress+Hauser, Proline Promass 80/83 F, M, Technische Information, TI053D/06/de/ll .05, Seiten 15 und 20) .
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Coriolis-Massendurchflussmessgerat zu befähigen, auf einfache und zuverlässige Art und Weise Kavitation zu erkennen und den Ort des Auftretens zu ermitteln.
Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelost. Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung sind in den abhangigen Patentansprüchen angegeben. Das Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche kann in einer Flüssigkeit mitgeförderte Gasanteile (Zweiphasenfluss) und somit eine Prozessstörung erkennen, indem wie eingangs beschrieben ein erster Indikator ermittelt wird. Dazu wird aus dem Differenzsignal der Schwingungsaufnehmer das Frequenzspektrum berechnet, beispielsweise mittels einer FFT aus 64 Stützungspunkten bei einer Abtastrate von 20 kHz für ein Coriolis-Massendurch- flussmessgerät mit einer Grundfrequenz von 650 Hz. Der erste Indikator entspricht dann dem Quotienten aus der gewichteten Summe der Oberfrequenzen und der Grundfrequenz. Vorteilhaft dabei ist, dass so eine Phaseninformation bei der spektralen Analyse deutliche Berücksichtigung findet. Diese enthält wichtige Informationen, da sich die Strömung und die Medien- dichte zwischen den beiden Schwingungsaufnehmern aufgrund der Mehrphasenströmung ändern, insbesondere aufgrund der in der Flüssigkeit mitgeführten Gasanteile.
Erfindungsgemäß wird nun mindestens ein weiterer Indikator ermittelt, wenn ein vorbestimmter Schwellwert für den ersten Indikator überschritten wird. Vorzugsweise liegt der Schwellwert für den ersten Indikator zwischen 1,5 und 2,5, vorzugsweise bei ca. 2, wobei die Festlegung des Schwellwerts für den ersten Indikator auch von der Baugröße des Coriolis- Massendurchflussmessgeräts abhängt.
Anhand dieser mindestens zwei bestimmten Indikatoren lässt sich dann die erkannte Prozessstörung klassifizieren. Vorzugsweise werden alle bestimmten Indikatoren, also auch der erste Indikator, zur Diskriminierung der Ursache der Prozessstörung eingesetzt, um so den genauen Prozesszustand zu diagnostizieren. Insbesondere ermöglicht die Klassifizierung das Erkennen von Kavitation. Ferner kann der Ort der Kavitationsquelle festgestellt werden. Mit anderen Worten kann mitteis der Klassifizierung die Art und der Ort der Prozessstörung festgestellt werden. Dies ermöglicht eine Zustandsüberwachung des Prozesses. Darauf aufbauend kann außerdem festgestellt werden, ob fehlerhafte Messungen vorliegen, so dass zusätz- lieh eine Zustandsüberwachung des Feldgeräts möglich ist. Grundsätzlich gilt, dass je mehr Indikatoren mit in die Klassifizierung einfließen, desto zuverlässiger lassen sich Kavitation und der Ort der Kavitationsquelle ermitteln.
Bei der Klassifizierung gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise zwischen folgenden Klassen unterschieden:
- keine Prozessstörung - mitgeführtes Gas ohne Kavitation
- Kavitation weit vor dem Gerät ohne mitgeführtem Gas
- Kavitation weit vor dem Gerät mit mitgeführtem Gas
- Kavitation direkt vor dem Gerät ohne mitgeführtem Gas
- Kavitation direkt vor dem Gerät mit mitgeführtem Gas - Kavitation im Gerät ohne mitgeführtem Gas
- Kavitation im Gerät mit mitgeführtem Gas
- Kavitation direkt nach dem Gerät ohne mitgeführtem Gas
- Kavitation direkt nach dem Gerät mit mitgeführtem Gas
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der mindestens eine weitere Indikator aus den Schwingungssignalen, das heißt den Rohsignalen der mindestens zwei Schwingungsaufnehmer, ermittelt. Diesbezüglich kommen als weitere Indikatoren beispielsweise ein Phasenwinkel, ein Amplitudenwert bzw. Ampli- tudenschätzwert , Korrelationskoeffizienten der beiden Schwingungsaufnehmer (z.B. 128 Datenpunkte bei einer Abtastrate von 20 kHz) und eine Differenz der Schwingungssignalamplituden der mindestens zwei Schwingungsaufnehmer in Frage. Der mindestens eine weitere Indikator kann aber beispielsweise auch aus einem Aktorstrom oder einer Anregungsfrequenz für die Erregeranordnung oder einem Verstärkungsfaktor der Regelung gewonnen werden. Ferner können aus den hier genannten und anderen geeigneten Indikatoren abgeleitete Werte gebildet werden, wie z.B. deren Standardabweichung, welche dann als weitere Indikatoren mit in die Klassifizierung einfließen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der mindestens eine weitere Indikator periodisch berechnet und wird eine vorbestimmte Anzahl von Werten für jeden weiteren Indikator gespeichert. Beispielsweise werden die weiteren In- dikatoren alle 0,02 Sekunden berechnet und jeweils die letzten zehn Werte jedes Indikators in einem Speicher der Auswerteeinrichtung abgelegt. Dann kann die Standardabweichung für einen Indikator aus seinen letzten zehn Werten ermittelt werden .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Klassifizieren der Prozessstörung anhand von mehreren Schwellwerten für jeden Indikator. Das heißt, jeder Indikator, der bestimmt wird, wird mit mehreren Schwellwerten für diesen Indikator verglichen. Versuche haben ergeben, dass anhand mehrerer Schwellwerte gut zwischen den jeweiligen Prozessstörungen unterschieden werden kann, insbesondere wenn entweder kein Gas in der Flüssigkeit mitgeführt wird oder ein Gasvolumenanteil (Gas-Void-Fraction) von mehr als 1,5 % vor- handen ist. Insbesondere kann, wenn Kavitation vorhanden ist, diese Kavitation durch die Klassifizierung auch lokalisiert werden (vor, im oder direkt nach dem Coriolis-Massendurch- flussmessgerät ) . Die jeweiligen Indikatorschwellwerte können aus Messdaten abgeleitet werden oder Erfahrungswerte sein. Ferner gilt, dass je mehr Schwellwerte für jeden Indikator festgelegt werden, desto besser kann zwischen Prozessstörungen differenziert werden, so dass eine Prozessstörung zuverlässig einer der oben aufgelisteten Klassen zugeordnet werden kann.
Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Klassifizieren der Prozessstörung anhand von minimalen und maximalen Hüllkurven für jeden Indikator. Das heißt, für jeden Indikator sind dann anstelle diskreter Schwellwerte eine minimale und eine maximale Hüllkurve vorgesehen. Zwar erfordert diese Variante einen höheren Rechen- und Speicheraufwand als die Variante mit den mehreren Schwellwerten pro Indikator, jedoch lässt sich so die starre Unterscheidung zwischen den diskreten Schwellwerten etwas flexibler gestalten und besser an die tatsächlichen Gegebenheiten anpassen. Gemäß dieser alternativen Ausführungsform liegt jeder Indikator in einem bestimmten Bereich der dafür vorgesehenen minimalen und maximalen Hüllkurven. Abhängig von diesem Bereich, der nachfolgend auch als Aufenthaltsbereich bezeichnet wird, kann auf den Prozesszustand geschlossen werden.
Dabei müssen die Hüllkurven nicht unbedingt monoton oder linear sein. Vielmehr können die Hüllkurven beispielsweise auch stückweise lineare Hüllkurven, Polynome n-ter Ordnung, SpIi- nes, neuronale Netze, exponentielle oder logarithmische Hüllkurven sein. Insbesondere können die Hüllkurven in an sich bekannter Form aus einer Menge von Standardabweichungen für den jeweiligen Indikator modelliert werden. Bevorzugt werden hierzu einmalig Standardabweichungen für jeden Indikatoren ermittelt. Aus einer Untermenge von minimalen Werten wird dann die Minimalkurve und aus einer Untermenge von maximalen Werten die Maximalkurve durch Invertierung einer jeweiligen
Hüllkurve berechnet. Ferner lassen sich aus der Umkehrung der Hüllkurve für jeden Indikator ein oder (im Falle nicht monotoner Hüllkurven) mehrere Aufenthaltsbereiche angeben. Anhand der Aufenthaltsbereiche der Indikatoren kann dann der Pro- zesszustand ermittelt und somit eine Klassifizierung vorgenommen werden. Um die Prozessstörung auch bei niedrigen Gasanteilen in der Flüssigkeit zu ermitteln, werden die Aufenthaltsbereiche der Indikatoren vorzugsweise überlagert (Super- position) .
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass zur Bestimmung weiterer Indikatoren die Hardware des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts nicht erweitert werden muss. Denn einerseits werden die weiteren Indikatoren aus den Rohsignalen der Schwingungsaufnehmer oder aus anderen Signalen des Messgeräts abgeleitet, so dass nur vorhandene (Sensor-) Signale genutzt und ausgewertet werden. Andererseits lassen sich die Bestimmung, ob ein Schwellwert für den ersten Indikator überschritten ist, die Bestimmung weiterer Indikatoren und eine Klassifizierung der Prozessstörung als Software in einen bereits vorhandenen Prozessor der Auswerteeinrichtung implementieren. Da ferner der Prozesszustand anhand der weiteren Merkmale identifiziert und klassifiziert (z.B. mitgeführte Gasanteile, Auftreten von Kavitation, etc.) werden kann, ist keine zusätzliche Sensorik oder Aktorik erforderlich und muss der Regelkreis des Messgeräts nicht geändert werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine Diagnoseaussage über den Prozesszustand und das Feldgerät geliefert wird. Denn ab einem bestimmten Gasanteil ist das Feldgerät außerhalb der Spezifikation. Das heißt, der Durchflussmesswert ist nicht mehr zuverlässig und sollte nicht mehr als gültige Prozessinformation betrachtet werden. Außerdem kann wie eingangs beschrieben Kavitation die Messrohre und/oder das Prozessrohr in Schwingung versetzen, was ebenfalls zu fehlerhaften Messwerten führt. Das Coriolis- Massendurchflussmessgerät gemäß der vorliegenden Erfindung kann über das Auftreten unerwünschter Kavitation einschließlich des Orts des Auftretens informieren und liefert so den Ansatzpunkt für eine Prozessoptimierung, wie z.B. durch eine Erhöhung eines Gegendrucks.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 zeigt eine Rohrleitung einer Anlage, an welche das Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß der Figur 1 angeflanscht ist;
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Klassifikators gemäß der vorliegenden Erfindung; und Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 gemäß Figur 1 arbeitet nach dem Coriolisprinzip. Ein erstes Messrohr 2 und ein zweites Messrohr 3 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Sie werden üblicherweise aus einem Stück durch Biegen angefertigt. Der Verlauf der Messrohre ist im Wesentlichen U-förmig. Ein fließfähiges Medium strömt entsprechend einem Pfeil 4 in das Massendurchflussmessgerät 1 und damit in die beiden hinter einem in der Figur nicht sichtbaren Einlaufsplitter befindlichen Einlaufabschnitte der Messrohre 2 und 3 ein und entsprechend einem Pfeil 5 aus den Auslaufabschnitten und dem dahinter befindlichen, ebenfalls in der Figur nicht sichtbaren Auslaufsplitter wieder aus. Flansche 6, die mit dem Einlaufsplitter bzw. dem Auslaufsplitter fest verbunden sind, dienen zur Befestigung des Massendurchflussmessgeräts 1 in einer in der Figur nicht dargestellten Rohrleitung. Durch einen Versteifungsrahmen 7 wird die Geometrie der Messrohre 2 und 3 weitgehend konstant gehalten, so dass auch Veränderungen des Rohrleitungssystems, in welchem das Massendurchflussmessgerät 1 eingebaut ist, beispielsweise aufgrund von Tempe- raturschwankungen, allenfalls zu einer geringen Nullpunktverschiebung führen. Eine in Figur 1 schematisch dargestellte Erregeranordnung 8, die beispielsweise aus einer am Messrohr 2 befestigten Magnetspule und einem am Messrohr 3 angebrachten Magneten, der in die Magnetspule eintaucht, bestehen kann, dient zur Erzeugung einander entgegengesetzter Schwingungen der beiden Messrohre 2 und 3, deren Frequenz der Eigenfrequenz des im Wesentlichen U-förmigen Mittenabschnitts der Messrohre 2 und 3 entspricht. Schwingungsaufnehmer 9 dienen zur Erfassung der Corioliskräfte und/oder der auf den Corioliskräften beruhenden Schwingungen der Messrohre 2 und 3, die aufgrund der Masse des durchströmenden Mediums entstehen. Die Schwingungssignale 10, welche durch die beiden Schwingungsaufnehmer 9 erzeugt werden, werden von einer Aus- Werteeinrichtung 11 ausgewertet. Zur Auswertung umfasst die Auswerteeinrichtung 11 einen digitalen Signalprozessor 12, in welchem die erfindungsgemäße Auswertung von Signalen im Messgerät implementiert ist. Ergebnisse der Auswertung, welche nachfolgend im Detail beschrieben wird, werden auf einer Anzeige 13 ausgegeben und/oder über einen in der Figur nicht dargestellten Ausgang, z.B. Feldbus, an eine übergeordnete Leitstation übertragen. Ferner kann über die Anzeige 13 oder den Ausgang ein Warnsignal mit Information über einen Zustand des Prozesses und/oder des Feldgeräts ausgegeben werden. Neben der Auswertung der Schwingungssignale 10 und möglicherweise weiterer Signale im Messgerät übernimmt die Auswerteeinrichtung 11 auch die Ansteuerung der Erregeranordnung 8.
Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können die Messrohre 2 und 3 selbstverständlich andere Geometrien aufweisen, beispielsweise einen V-förmig oder einen Ω-förmig ausgebildeten Mittenabschnitt, oder es kann eine abweichende Anzahl und Anordnung von Erregeranordnungen und Schwingungs- aufnehmern gewählt werden. Das Coriolis-Massendurchflussmess- gerät kann alternativ eine andere Anzahl von Messrohren, beispielsweise ein Messrohr oder mehr als zwei Messrohre, besitzen .
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Auswertung, welche in der Auswerteeinrichtung 11 durchgeführt wird, das Bestimmen eines ersten Indikators und ein Bestimmen, ob der erste Indikator einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Falls dies der Fall ist, bestimmt die Auswerteeinrich- tung 11 mindestens einen weiteren Indikator, um die anhand des ersten Indikators ermittelte Prozessstörung unter Berücksichtigung der mindestens zwei bestimmten Indikatoren zu klassifizieren. Das heißt, in die Auswerteeinrichtung 11 ist ein Klassifikator implementiert, welcher in Bezug auf Figur 3 beschrieben wird.
Figur 2 zeigt eine Rohrleitung (Prozessleitung) 14 einer Anlage, an welche das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 ge- maß der Figur 1 angeflanscht ist. Ferner zeigt Figur 2 Klassen von Prozessstörungen, welche anhand des Coriolis-Massen- durchflussmessgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelt werden können. Dabei wird bei der Klassifizierung primär darauf geachtet, ob Kavitation vorhanden ist. Diesbezüglich wird danach unterschieden, ob Kavitation weit vor dem Gerät, direkt vor dem Gerät, im Gerät oder direkt nach dem Gerät auftritt. Darüber hinaus kann in die Klassifizierung mit einfließen, ob in der Flüssigkeit Gasblasen mitgefördert werden oder nicht.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Klassifikators gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser Klassifikator klassifiziert eine Prozessstörung anhand mehrerer Schwellwerte für jeden in die Klassifizierung einfließenden Indikator. In der Figur 3 wird ein Indikator mit Merkmal bezeichnet, steht SD für Standardabweichung und steht Pickup für Schwingungsaufnehmer. Der Klassifikator der Figur 3 kann auch als Entscheidungsmatrix bezeichnet werden, welche für eine Zuordnung von Prozessstörungen genutzt wird.
Wie in Figur 3 gezeigt umfasst die Entscheidungsmatrix nur für einen Korrelationskoeffizienten der beiden Schwingungsaufnehmer für jede Klasse von Prozessstörungen ein Intervall mit einer oberen und einer unteren Grenze. Beispielhafte Werte für die Intervallgrenzen sind: Sl = 0,5; S2 = 0,9; S3 = 0,97; S4 = 0,995; S5 = 0,9995; S6 = 0,99995; S7 = 1. In Bezug auf alle anderen Merkmale zeigt die Entscheidungsmatrix der Figur 3 diskrete Schwellwerte, welche der Einfachheit halber nicht als absolute Werte sondern mit "X" dargestellt sind. Ein "-" in der Entscheidungsmatrix bedeutet, dass alle Schwellwerte unterschritten sind. Um die Klassifizierung zu verfeinern, sind für jeden Indikator mehrere Schwellwerte vorgesehen. So bedeutet X = Schwellwert 1 überschritten, XX = Schwellwert 2 überschritten, XXX = Schwellwert 3 überschritten und XXXX = Schwellwert 4 überschritten. Allerdings bedeutet X nicht, dass nur Schwellwert 1 aber nicht Schwellwert 2 überschritten ist, sondern, dass Schwellwert 1 auf jeden Fall überschritten ist. Gleiches gilt auch für die weiteren Schwellwerte XX, XXX und XXXX.
Um eine möglichst präzise Klassifizierung vornehmen zu kön- nen, werden jedes Mal alle in der Entscheidungsmatrix vorgesehenen Indikatoren bestimmt, wobei die in der Entscheidungsmatrix der Figur 3 vorgesehenen Indikatoren nicht abschließend sind sondern auch noch weitere Indikatoren in die Klassifizierung mit einfließen können. Grundsätzlich gilt, dass je mehr Indikatoren in die Klassifizierung einer Prozessstörung einfließen desto genauer kann zwischen Klassen von Prozessstörungen differenziert werden. Denn nicht alle Indikatoren helfen immer eine präzise Aussage über die Art der Prozessstörung zu treffen. So kann beispielsweise der Figur 3 entnommen werden, dass der Amplitudenschätzwert keine zuverlässige Aussage über eine Prozessstörungsklasse zulässt. Anhand des Amplitudenschätzwerts kann lediglich festgestellt werden, ob Gasblasen in der Flüssigkeit mitgefördert werden. Es lässt sich jedoch nicht feststellen, ob und wo Kavitation vorhanden ist. Dagegen lässt sich anhand der Standardabweichung der Amplitude des Schwingungssignals des in Flussrichtung ersten Schwingungsaufnehmers (SD (Amplitude Pickup I)) sehr gut erkennen, ob Kavitation direkt vor dem Gerät vorhanden ist und kein Gas in der Flüssigkeit mitgeführt wird. Denn in diesem Fall wird der Schwellwert 4 (XXXX) das einzige Mal überschritten .
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem ers- ten Schritt Sl wird ein erster Indikator bestimmt, indem ein Differenzsignal der Schwingungssignale der Schwingungsaufnehmer (siehe Figur 1) und dessen Frequenzspektrum ermittelt werden. Dabei entspricht der erste Indikator einem Quotienten aus einer gewichteten Summe von Oberfrequenzen und einer Grundfrequenz des Frequenzspektrums. Insbesondere gibt der erste Indikator Aufschluss darüber, ob eine Prozessstörung vorhanden ist oder nicht. In einem zweiten Schritt S2 wird bestimmt, ob der erste Indikator einen vorbestimmten Schwell- wert überschreitet oder nicht. Falls der Schwellwert nicht überschritten wird, stoppt das Verfahren hier. Falls allerdings der erste Indikator den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, dann wird in einem dritten Schritt S3 mindestens ein weiterer Indikator bestimmt. Anhand der mindestens zwei bestimmten Indikatoren wird dann in einem vierten Schritt S4 die mittels des ersten Indikators erkannte Prozessstörung klassifiziert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Massendurch- flussmessgeräts (1) mit mindestens einem Messrohr (2, 3), welches von einem Medium durchströmt wird, mindestens einer Erregeranordnung (8), welche im mittleren Bereich des mindestens einen Messrohrs (2, 3) angeordnet ist und dieses zu Schwingungen anregt, mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (9), welche in Längsrichtung des mindestens einen Messrohrs (2, 3) vor und hinter der mindestens einen Erregeranordnung
(8) angeordnet sind, und einer Auswerteeinrichtung (11), welche die mindestens eine Erregeranordnung (8) ansteuert, Schwingungssignale (10) von den mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (9) empfängt und einen ersten Indikator für eine Prozessstörung bestimmt, wobei ein Differenzsignal der
Schwingungssignale (10) der Schwingungsaufnehmer (9) und dessen Frequenzspektrum ermittelt werden und der Indikator einem Quotienten aus einer gewichteten Summe von Oberfrequenzen und einer Grundfrequenz des Frequenzspektrums entspricht, gekennzeichnet durch, wenn ein vorbestimmter Schwellwert für den ersten Indikator überschritten wird,
Bestimmen mindestens eines weiteren Indikators und Klassifizieren der Prozessstörung mittels der mindestens zwei bestimmten Indikatoren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die weiteren Indikatoren aus den Schwingungssignalen (10) ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die weiteren Indikatoren aus einem Aktorstrom oder einer Anregungsfrequenz für die Erregeranordnung (8) ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weiteren Indikatoren periodisch berechnet werden und eine vorbestimmte Anzahl von Werten für jeden weiteren Indikator gespeichert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Klassifizieren der Prozessstörung anhand von mehreren Schwellwerten für jeden Indikator erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Klassifizieren der Prozessstörung anhand von minimalen und maximalen Hüllkurven für jeden Indikator erfolgt.
7. Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1), umfassend: mindestens ein Messrohr (2, 3) , welches von einem Medium durchströmt wird, mindestens eine Erregeranordnung (8), welche im mittleren Bereich des mindestens einen Messrohrs (2, 3) angeordnet ist und dieses zu Schwingungen anregt, mindestens zwei Schwingungsaufnehmer (9), welche in
Längsrichtung des mindestens einen Messrohrs (2, 3) vor und hinter der mindestens einen Erregeranordnung (8) angeordnet sind, und eine Auswerteeinrichtung (11) die eingerichtet ist, um die mindestens eine Erregeranordnung (8) anzusteuern, Schwingungssignale (10) von den mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (9) zu empfangen und einen ersten Indikator für eine Prozessstörung zu bestimmen, wobei ein Differenzsignal der Schwingungssignale (10) der Schwingungsaufnehmer (9) und des- sen Frequenzspektrum ermittelt werden und der Indikator einem Quotienten aus einer gewichteten Summe von Oberfrequenzen und einer Grundfrequenz des Frequenzspektrums entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn ein vorbestimmter Schwellwert für den ersten Indi- kator überschritten wird, die Auswerteeinrichtung (11) ferner eingerichtet ist, um mindestens einen weiteren Indikator zu bestimmen und die Prozessstörung mittels der mindestens zwei bestimmten Indikato-
8. Anlage mit mindestens einer Rohrleitung (14), an welche mindestens ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 7 angeflanscht ist.
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