AT503444B1 - Adaptives verfahren zur verbesserung der funktionssicherheit bei kreuzkorrelations- durchflussmessgeräten - Google Patents

Description

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Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das die Funktionssicherheit von Kreuz-Korrelations-Durchflussmessgeräten erhöht und die Erfassung von an die Förderbedingungen angepassten Messdaten ermöglicht.

Der Einsatz dieses Verfahrens erstreckt sich auf die Förderung von ein- oder mehrphasigen gasförmigen, flüssigen und festen Medien in geschlossenen Rohrleitungen und offenen Kanälen.

Stand der Technik

Vorrichtungen und Verfahren zu Kreuz-Korrelations-Durchflussmessgeräten sind dem Stand der Technik in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Einen sehr guten Überblick über verwendete und verwendbare Methoden und Sensorprinzipien gibt das Buch „Cross-Correlation Flowmeters - Their Design and Application“, Beck und Plaskowsi, IOP Publishing, 1987.

Unter den in der Praxis verwendeten Sensorprinzipien für Kreuz-Korrelations-Durchflussmess-geräte sind vor allem Temperatur-, Kapazitäts- und Leitwertmessung, Streuung und Dämpfung von elektromagnetischen Wellen (z.B. Licht und γ-Strahlung) und akustischer Wellen, sowie Abschwächung radioaktiver Strahlung zu nennen.

Allen Kreuz-Korrelations-Durchflussmessgeräten gemeinsam ist die Verwendung von zwei Messebenen (stromauf und stromab) und die Berechnung der mathematischen Kreuzkorrelationsfunktion, um aus der „Laufzeit“ des Mediums von stromauf liegender Messebene zu stromab liegender Messebene die Geschwindigkeit des bewegten Mediums zu bestimmen. Das zu messende strömende Medium (bzw. die zu messenden strömenden Medien) muss (müssen) dabei Inhomogenitäten aufweisen, die mit geeigneten Sensorprinzipien in beiden Messebenen erfasst werden können, um der Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion zugeführt werden zu können.

Unterschiedliche Verfahren zur Ermittelung der Kreuzkorrelationsfunktion sind ebenfalls dem Stand der Technik bekannt (u.a. pseudo-Zufalls-Korrelator (z.B. „Random-Data Correlator Architecture for Flow Velocity Measurement Applications“, A. Fuchs, H. Zangl, G. Brasseur, E. M. Petriu, Proceedings of the 2004 International Workshop on Robot Sensing: Robotics in the Automotive Industry (ROSE’2004), Graz, Austria, May 24-25, 2004, ISBN: 0-7803-8296-X, pp. 14-19.) oder Kurzzeit Kreuzkorrelationsfunktion mit Digitalen Signal Prozessoren).

Detaillierte Beschreibung

Abgesehen von wenigen Ausnahmen, wie der korrelativen Geschwindigkeitsbestimmung durch direkte Spannungsinduktion geladener Partikel, besteht jede Sensorebene eines Kreuz-Korrelations-Durchflussmessgerätes aus (zumindest) einer sendenden und (zumindest) einer empfangenden Einheit. Die sendende Einheit bringt beispielsweise eine elektromagnetische oder akustische Welle in den Fluss des Mediums ein, die, entsprechend der Dichteverteilung des Mediums sowie der Verteilung möglicher Phasenübergänge bei Mehrphasen-Strömungen, gedämpft oder rückgestreut wird und deren Intensität an einer anderen Stelle der Messebene durch die empfangende Einheit ausgewertet wird. Selbiges Verfahren wird auch bei kapazitiven oder resistiven Sensoren angewendet: hier werden eine oder mehrere Elektroden mit einer Spannung oder einem Strom beaufschlagt und an einer Empfangselektrode die Kapazität bzw. der Leitwert bestimmt.

Unabhängig vom verwendeten Sensorprinzip werden Signale in beiden Messebenen (Εί und E2) erfasst und kreuzkorreliert. Damit wird jene Zeitverschiebung berechnet, welche die höchste 3 AT 503 444 B1

Signalähnlichkeit in sich birgt und somit die „Laufzeit“ einer Inhomogenität im Medium von der stromaufwärts gelegenen Messebene (Ei) zur stromabwärts gelegenen Messebene (E2) darstellt.

Soll der Fluss des Mediums räumlich um den Umfang einer Rohrleitung oder entlang der Berandung eines offenen Kanals bestimmt werden, sind mehrere entlang der Messebene verteilte Sendeeinheiten und Empfangseinheiten notwendig, die nacheinander (Time Division Multiple Access, TDMA) oder unter Verwendung unterschiedlicher Frequenzen (Frequency Division Multiple Access, FDMA) oder Codes (Code Division Multiple Access, CDMA) betrieben werden. Unter Ausnutzung der verschiedenen Sensitivitäten im Medium, die sich aufgrund der geometrischen Anordnung der Sende- und Empfangseinheiten ergeben, kann auf diese Weise auch eine Rekonstruktion der Geschwindigkeitsverteilung im Medium durchgeführt werden. Eine Bestimmung der „Laufzeit“ des Mediums von einer Messebenen zur nächsten kann nur erfolgen, wenn die Kreuzkorrelationsfunktion ein signifikantes, auswertbares Maximum liefert, d.h. wenn ein gutes Signal-Rauschverhältnis für die Kreuzkorrelationsfunktion besteht.

Die zeitliche Auflösung der Laufzeitmessung (und in weiterer Folge dann der Geschwindigkeitsmessung) wird durch die Anzahl der Messungen pro Sekunde (Messrate fs) und vom Abstand der beiden Messebenen untereinander bestimmt. Da in praktischen Applikationen davon auszugehen ist, dass der Sensorebenenabstand nicht verändert werden kann, ist die zeitliche Auflösung der Messung durch die Messrate fs alleine bestimmt.

Das Signal-Rauschverhältnis der Kreuzkorrelationsfunktion für Messsignale in der Durchflussmessung kann durch Erhöhung der Intensität der Sendeeinheit sowie durch eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Empfangseinheit erreicht werden. In praktischen Anwendungen sind die Sendeeinheiten untereinander baugleich und auch die Empfangseinheiten sind aus Kostengründen und Aufgrund guter Bauteilpaarung identisch aufgebaut. Im Betrieb können bei solchen Schaltungen weder die Intensität noch in Empfindlichkeit verändert werden, was ein Verfahren notwendig macht, die Qualität der Kreuzkorrelationsfunktion adaptiv auf die vorhandenen Förderbedingungen einzustellen. Die weitere detaillierte Beschreibung soll anhand der Figuren verdeutlicht werden:

Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine üblicherweise verwendete Messung der Materialgeschwindigkeit im Fluss eines Fördermediums mit Hilfe von Kreuzkorrelation. Der Sensor wird dabei mit der Intensität / und der Messrate fs betrieben. In einem Rechner wird die Kreuzkorrelationsfunktion der von der Empfangseinheit erfassten Sensorsignale berechnet und die ermittelte Materialgeschwindigkeit ausgegeben.

Das Problem, das sich hierfür in der Praxis ergibt, ist der mitunter rasche Wechsel zwischen Förderbedingungen (d.h. unterschiedliche Materialgeschwindigkeiten und Materialkonzentrationen bei Mehrphasen-Strömungen innerhalb eines Förderprozesses). Da sowohl die Intensität / der Sendeeinheit, als auch die Messrate fs, mit der Messungen an der Empfangseinheit durchgeführt werden, konstant bleiben, kann es bei veränderten Förderbedingungen zu schlechtem Signal-Rauschabstand in der Kreuzkorrelationsfunktion sowie zu einer schlechten Ausnutzung der Messrate kommen: Bei geringer, von den Sendeeinheiten ins Medium eingebrachten Intensität /, ergibt sich für schwache Inhomogenitäten (d.h. Inhomogenitäten im Fördermedium, die nur geringe Fluktuationen in den Signalen der Empfangseinheiten hervorrufen) ein schlechtes Signal-Rauschverhältnis der Kreuzkorrelationsfunktion. Ändert sich zudem die Fördergeschwindigkeit des Mediums, stehen bei konstanter Messrate fs unnötig viele Daten für die Korrelation zur Verfügung, was zu einer schlechten Ausnutzung der Rechenleistung im Signalprozessor oder PC führt.

Eine Erhöhung der ins Messvolumen eingebrachten Intensität der Sendeeinheiten kann am zweckmäßigsten dadurch erfolgen, dass bei TDMA ein Teil der Sendeeinheiten gleichzeitig bzw. bei FDMA ein Teil der Sendeeinheiten mit der gleichen Frequenz betrieben wird. Dadurch

Claims (3)

1. 4 AT 503 444 B1 verschlechtert sich zwar die räumliche Auflösung, die Intensitätserhöhung kann aber ohne jeglichen schaltungstechnischen Eingriff in die Sendeeinheiten erfolgen (d.h. keine unterschiedlichen Filtercharakteristiken usw.). Vorliegendes Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit des Fördermediums sieht daher einen Initialisierungszyklus vor, bei dem die vorherrschenden Förderparameter geschätzt werden und aufgrund dieser ermittelten Werte sowohl die Intensität als auch die Messrate geeignet für den Betrieb des Sensors gewählt werden, um ein optimales Signal-Rauschverhältnis der Kreuzkorrelationsfunktion zu erzielen. Figur 2 zeigt die erste Phase dieses dreiteiligen Verfahrens, das aus zwei Kalibrierschritten und einer Messphase besteht. Hierbei werden die Sendeeinheiten in den beiden Messebenen nur jeweils einzeln betrieben (d.h. kein Parallelbetrieb der Sendeeinheiten und daher minimale eingebrachte Intensität /min) und die Empfangseinheiten erfassen die auswertbaren Signale kurzzeitig mit der höchsten zur Verfügung stehenden Messrate fs,max. Mit Hilfe eines Rechners wird die Kurzzeit-Kreuzkorrelationsfunktion mit maximaler zeitlicher Auflösung berechnet und die Geschwindigkeit aus dem Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion sowie das Signal-Rauschverhältnis aus deren Varianz ermittelt. Das Signal-Rauschverhältnis der Kreuzkorrelationsfunktion ist dabei auch eine Funktion der eingebrachten Intensität. Die vorherrschende Fördergeschwindigkeit wird sowohl ausgegeben, als auch zusammen mit dem mit lmin erzielten Signal-Rauschverhältnis der Kreuzkorrelationsfunktion gespeichert. Figur 3 zeigt die zweite Phase des Verfahrens, bei der aus der ermittelten vorherrschenden Fördergeschwindigkeit v die optimale Messrate fs,opt der Empfangseinheiten berechnet wird. Diese optimale Messrate, d.h. der Kompromiss zwischen Auflösung und Rechenzeit, wird so gewählt, dass die Kreuzkorrelationsfunktion stets eine konstante Zeitverschiebung liefert und somit immer „angepasst viele“ Messdaten ermittelt, die zur Korrelation verwendet werden. Die Anzahl der parallel betriebenen Sendeeinheiten wird in dieser Phase schrittweise in aufeinanderfolgenden Messungen erhöht um die Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses der Kreuzkorrelationsfunktion zu analysieren. Durch die Parallelschaltung der Sendeeinheiten und der damit verbundenen Vergrößerung des Messvolumens kommt es zu einer räumlichen Mittelung. Für die folgende Messphase wird daher jene Intensität gewählt, bei der möglichst wenige Sendeeinheiten parallel betrieben werden und bei der trotzdem ein ausreichendes Signal-Rauschverhältnis der Kreuzkorrelationsfunktion ermittelt werden konnte. Figur 4 zeigt die Messphase des Verfahrens. Die Sendeeinheiten werden mit der in den ersten beiden Phasen des Verfahrens bestimmten Intensität /opt (d.h. geeignet den Förderbedingungen angepasste Anzahl an parallel betriebenen Sendeeinheiten) und die Empfangseinheiten mit der an die Fördergeschwindigkeit angepassten Messrate fs,opt betrieben. Um Änderungen der Förderbedingungen folgen zu können, werden für die andauernde Messung der Fördergeschwindigkeit die ersten beiden Phasen des Verfahrens in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt, um sowohl /opt und fSl0pt zu aktualisieren. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Verbesserung der Funktionssicherheit bei Kreuzkorrelations-Durchfluss-messgeräten, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Phase die Fördergeschwindigkeit des Mediums mit maximaler zeitlicher Auflösung bestimmt wird und in einer weiteren Phase die Messrate der Empfangseinheiten und/oder die Intensität der Sendeeinheiten in Abhängigkeit von der ermittelten Fördergeschwindigkeit des Mediums und des ermittelten Signal-Rauschverhältnisses der Kreuzkorrelationsfunktion gewählt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Intensität der 5 AT 503 444 B1 Sendeeinheiten durch einen parallelen Betrieb von mehreren Sendeeinheiten erzielt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Ablauf der Phasen wiederholt wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen