CN102652253A - 用于运行科里奥利质量流量计的方法以及科里奥利质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行科里奥利质量流量计（1）的方法以及一种科里奥利质量流量计，该科里奥利质量流量计具有：至少一个由介质流过的测量管（2，3），该测量管被激励以进行振动；至少两个在测量管的纵向方向上彼此间隔的振动传感器（24，25），用于分别产生振动信号（5，6）；以及评估装置（26）。为了检测测量管中的沉积，首先使用第一指示变量（I1），其基于测量管的振动的阻尼。如果基于第一指示变量确定了提高的阻尼，则进一步使用第二指示变量（I2），其基于振动信号的频谱中的谐波的表现。其优点在于，即能够实现可靠的沉积的检测，并且因此实现关于过程技术设备中的测量仪和管路的状态的说明。

Description

用于运行科里奥利质量流量计的方法以及科里奥利质量流量计

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于运行科里奥利质量流量计的方法，以及一种根据权利要求7的前序部分所述的科里奥利质量流量计。

背景技术

在过程自动化中，经常需要测量介质通过管路的流速。对此，已知的是例如电磁感应流量计、超声波流量计或者浮子流量计，同样地，还已知了涡流计数器或者差压测量变换器，它们与测量管内的预置光圈（Druckblende）共同作用。这些测量仪直接提供流速的测量值，或者在考虑到测量管几何形状的情况下，提供流量体积的测量值。只有科里奥利质量流量计允许直接测量质量流量。

科里奥利质量流量计通常具有一个唯一的测量管或者多个（例如一对）测量管，介质流动通过该一个唯一的或者多个测量管，还应确定介质的质量流量。其中，已知测量管的不同布置方式和几何形状。存在有例如具有一个唯一的直测量管的科里奥利质量流量计，以及具有两个弯曲的、相对平行延伸的测量管的科里奥利质量流量计。为了实现质量平衡，第二种成对的相同设计的测量管通过定位在中间区域的励磁布置被激励以实现物质平衡，以这样进行振动，即它们相对振动，也就是说，两个测量管的振动以180°角相对彼此相移。其中，由两个测量管形成的系统的重心的位置基本保持恒定，并且尽可能地补偿出现的力。这有积极的影响，即振动的系统基本上本身不向外产生影响。在励磁布置前后，安装有振动传感器，在其输出信号之间能够在流动时作为测量信号评估相位差。相位差由流动时控制的科里奥利力并且由此通过质量流量造成。介质的密度影响振动系统的谐振频率。由此，除了质量流量之外还能确定流动介质的密度。

由WO 2009/089839A1公开了一种科里奥利质量流量计，通过该科里奥利质量流量计，能够更清楚地识别多相流的意外状态，并因此能够实现仪器的更可靠的运行。因此能够获得关于多相流的信息，如两相流，特别是识别此类多相流的出现以及说明多相流的表现。两相流的例子就是液体中的气泡，该气泡可以是例如通过阀或泵中的空穴作用或者由于管路系统的不密封性造成的空气抽吸而引起的。此外，两相流的例子是固体与液体的混合，例如由于结晶作用或者由于介质流过的管路系统中的沉积突然分离造成。另一例子是：不能溶解的液体的混合物，即例如可能由于更换流动通过管路系统的介质而造成的乳状液。

由DE 10 2006 017 676 B3已知了一种用于运行科里奥利质量流量计的方法，其中测得多个用于检测多相流的指示变量。例如，为了确定基于两相流动内的摩擦损失的指示变量，用振动信号的有效值除测量管的振动激励所需的驱动功率。为了确定另一指示变量，对由振动传感器测得的信号的频谱进行分析。在科里奥利质量流量计的运行过程中测得的频谱与之前确定的标称频谱的偏差被用于计算另一用于检测多相流的指示变量。

在过程自动化的多种应用中输送介质，而随着时间推移，介质会在管路的内侧并且同样在流量计的内部形成沉积或者附着。随着沉积越来越多，科里奥利质量流量计的测量精度也会变低。如果沉积甚至导致测量管的部分堵塞，就必须提高管路以及测量仪中为了维持理想的流速所需的压力。该效果在食品工业和饮料工业的领域中尤其关键，这是因为通过质量提高的压力能对所生产的产品的质量产生消极影响。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种用于运行科里奥利质量流量计的方法，以及一种新的科里奥利质量流量计，通过其能够识别测量管中的沉积的意外状态并且因此能实现仪器的更可靠的运行。

为了实现该目的，上面所述类型的用于运行科里奥利质量流量计的新方法具有权利要求1的特征部分中说明的特征。在从属权利要求中说明了有利的改进方案，在权利要求7中说明了一种新的科里奥利质量流量计。

本发明基于该认识，即测量管中的沉积提高振动系统的阻尼。然而，该效果类似于已知的两相流内的摩擦损失的提高。通过例如第一振动信号的均方根值与驱动功率之间的比例，能够得到第一指示变量，该第一指示变量能够看作与阻尼成比例。此外，沉积通常不会理想地均匀分布在管道内壁上。由于管道内不平均的质量分布，产生谐波，而能够通过振动信号的频谱分析对谐波的表现进行评估。因此，根据频率范围内的评估能够确定，沉积是否形成所确定的阻尼提高的原因。

因此本发明的优点在于，即通过本发明实现了关于科里奥利质量流量计的测量管内的沉积存在的可靠的说明。因此，可以实现对现场用仪表的以及其中安装有科里奥利质量流量计作为现场用仪表的过程技术设备的所谓的Condition Monitoring，即状态监控。除了识别可能的测量误差之外，其还为设备的运营商提供关于其设备状态的很有价值的提示。

另一优点在于：诊断基于传统科里奥利质量流量计的评估电子装置中已经存在的信号。为了测得指示变量，也就还是总归只会使用质量流量计内已经存在的信号。因此，在有利的方式下，该仪器不需要通过另外的硬件或者另外的传感器或者执行器进行扩展。由此，实现本发明所需的花费会相应的低。只有传统仪器的评估装置的软件必须扩展另外的算法，以识别沉积。然而，能够简单地将其保持并且其只需要现有计算效率中很小的一部分。另外，通常预设有控制回路，用于控制科里奥利质量流量计中的振动系统，有利地，没有必要干扰该控制回路。

此外，能够尽可能地不取决于介质压力、质量流量或者温度，进行沉积的识别。另外，有利的是诊断相对于带有较高粘度的介质的坚固度。

因为沉积的形成过程相对缓慢，所以在预定的时间间隔内循环地进行检测方法就已足够。

识别沉积时的操作步骤能够被看作为两个阶段的方法。在第一阶段中，在振动阻尼的基础上使用第一指示变量。如果阻尼过高，则推断为故障。在这种情况下，使用第二阶段，以确定故障的类型。只有在第二阶段中，才会在谐波的表现的基础上，对第二指示变量进行评估；而对谐波的表现的检查借助于频率分析进行。如果相对于背景噪声，明显表现出至少一个谐波，则存在沉积，否则可能有其它类型的干扰。这一两个阶段的方法流程的优点是节省计算效率。在正常情况，即无故障的情况下，就必须只测定第一指示变量。这能够通过例如简单的有效值计算以及根据测得的有效值计算商数实现。只有当基于提高的阻尼识别到故障时，才必须另外进行频率分析，以确定故障类型。

原则上，能够以多种方式测得基于测量管的振动的阻尼的第一指示变量的值。例如，可能通过脉冲激励测量管以进行振动，并且评估振动的衰减。然而，为此可能需要用于脉冲激励的装置，而普通科里奥利质量流量计中没有这种装置。

为了激励振动系统，必须在正常的测量运行中，在提高的阻尼的情况下，就已经有较大的驱动功率。因此，在有利的方式下，能够对测量管的振动激励所需的驱动功率进行评估，以确定第一指示变量。驱动功率是一个相对来说能够简单确定的物理变量，这是因为例如在使用磁性驱动装置时，所应用的电流强度作为已知的变量存在，并且仅仅必须执行简单的运算步骤以确定驱动功率。能够通过例如RMS（均方根（Root Mean Square））的值还原出驱动功率，而该值也经常称为均方根值或者有效值。当然可以对此可替换地使用另一用于驱动信号的变量的数值。

因为驱动功率通常由控制回路进行控制，所以，驱动功率的替换方式是：对从控制回路得出的所谓的“驱动增益（Driver Gain）”进行评估，以用于确定第一指示变量。

因为在驱动功率相同时，通过振动振幅的降低，表现出提高了的阻尼，所以能够以有利的方式，为了确定第一指示变量而评估第一或者第二振动信号的均方根值，或者通过对这些信号进行运算（Verknüpfen）而形成的信号的均方根值。这些信号总归在科里奥利质量流量计中测得，并且对此无需任何附加传感器。

如果为了确定第一指示变量，评估根据振动信号的均方根值与驱动功率得出的商，则这优点在于，即该商尽可能不取决于流量，并且基于沉积的振动系统的阻尼越大，该商就越小。通过简单地与预定的阈值进行对比，能够将故障情况与无故障的情况区别开来。

在基于第一指示变量确定了故障的情况下，评估频谱中的谐波的表现，以更精确地确定故障原因，即检测沉积。以有利的方式能够评估背景噪声的频率分量相对于至少一个谐波的水平的相对水平，以确定基于该表现的第二指示变量。其中，能够通过将评估窗口（Auswertefenster）中的测得的频率分量标准化至谐波的频率分量的值，并紧接着测得评估窗口中的其标准值低于能够预设的阈值的频率分量的数量，从而以特别简单的方式判断谐波的表现。此类操作步骤的特征在于特别低的计算花费。要确定第二指示变量，作为两个相邻谐波之间的频率分量的约10至100个支撑值的计算就已经足够。该操作步骤能够应用于多个谐波，而谐波的数量优选地不超过10。频谱还能由此进行流畅的、分段的标准化。接下来，对这样获得的标准化的频谱进行评估，例如通过对低于预定阈值的频率分量的数量进行计数来实现。如果该数量大于另一预定的阈值，则能够推断出，即测量管内的沉积导致了提高的阻尼。与之相反，如果该数量低，则存在其它故障原因，例如多相流。

附图说明

接下来，根据其中显示有本发明的实施例的附图，进一步阐述本发明及其实施方式以及优点。

图中示出：

图1科里奥利质量流量计的原理示意图，以及

图2方法的流程图。

具体实施方式

根据图1的科里奥利质量流量计1按照科里奥利原理进行工作。第一测量管2和第二测量管3基本上相互平行地布置。它们通常通过弯折由一个零件制成。测量管的走向基本上是U形的。对应于箭头13，可流动的介质流入质量流量计1，并从而流入测量管2和3的两个入流段，而入流段位于图中不可见的入流分路器之后；对应于箭头15，其再次从出流段以及位于其后的同样在图中不可见的出流分路器中涌出。法兰14和16与入流分路器或者说出流分路器固定连接，用于将质量流量计1固定在该图中未显示的管路中。通过加固框架4，测量管2和3的几何形状尽可能地保持恒定，以便即便改变其中安装有质量流量计1的管路系统，例如由于温度波动，也最多引起低的零点移动。在图1中象征性显示的励磁布置23可以由例如固定在测量管2上的电磁线圈和安装到测量管3上的磁体构成，其中磁体没入电磁线圈中，而该励磁布置用于产生两个测量管2和3的彼此相反的振动，其基本频率相应于测量管2和3的基本上为U形的中间部段的固有频率。传感器24以及传感器25的结构可以对应于励磁布置23的结构，而这两个传感器用于感应科里奥利力和/或基于科里奥利力的、测量管2和3的振动，其中该振动基于流过的介质的质量产生。评估装置26评估通过两个传感器24和25产生的、在振动信号5和6之间的相移，以计算流量的测量值。该评估装置26同时用于操控励磁布置23。

与示出的实施例不同，测量管2和3当然也可以具有其它几何形状，例如V形或者Ω形设计的中间部段，或者可以选择励磁布置和传感器的不同数量和布置。可替换地，科里奥利质量流量计可具有其它数量的测量管，例如一个测量管或者多于两个的测量管。

在校准、投入运行时或者在其它运行时刻，例如根据经验确定不同的基准值或阈值，并将其保存到存储器27中，而不同的基准值或阈值在运行科里奥利质量流量计1的新方法中，用于检测测量管2和/或3中的沉积。借助于该阈值，在科里奥利质量流量计1的运行过程中，评估装置26测得关于沉积的存在的诊断说明。质量流量的测量值以及诊断说明被输出到显示器28上，或者通过图1中未显示的现场总线传输到上一级的控制站。如果基于现有的沉积确定了故障状态，则能够通过控制站采取合适的措施来进行进一步的操作，例如提出对于保养人员的要求。

接下来，根据在图2中显示的流程图，进一步阐述用于运行科里奥利质量流量计的新方法，通过该新方法现在能够检测测量管内的沉积。在示出的实施例中，该方法基于励磁电流IE的评估以及基于始动电压UP的评估，其中为了激励测量管以进行振动，对励磁布置（图1中的参考标号23）施加励磁电流；并作为传感器（例如图1中的参考标号24）上的振动信号（例如图1中的参考标号5），感应该始动电压。对于应用仅仅一个振动信号的替换方式是：自然也可以将两个振动信号或者通过对这些信号进行运算形成的信号计入评估。因为励磁电流IE和始动电压UP的评估借助于微处理器实现，所以，原始模拟存在的信号首先通过模拟数字转换器30或31转化成相应的数字值。这不代表相对于传统科里奥利质量流量计的附加花费，这是因为为了测得质量流量并且为了振动调节，这些传统科里奥利质量流量计通常使用微处理器，并且因此需要以数字显示的信号。在该方法的第一阶段中，根据步骤S01中的励磁电流IE，计算对于产生振动所需的驱动功率，并且根据步骤S02中的始动电压UP，计算所接收的振动信号的均方根值。在步骤S03中根据均方根值和驱动功率形成商；在步骤S04中将该商与第一预定的阈值A相比较。计算得出的商代表第一指示变量I1，其基于测量管的振动的阻尼。该商也就不取决于流量，而且基于沉积的振动系统的阻尼越大，该商就越小。如果计算得出的商位于阈值之上，即步骤S04中的询问产生说明I1>A，那么，该方法以步骤S05结束，在其中产生诊断说明，即基于第一指示变量I1没有确定提高的阻尼，并且因此不存在故障。否则，即如果在步骤S04中的询问产生结果I1<A，则确定提高的阻尼，并开始方法的第二阶段，在第二阶段中继续使用第二指示变量I2，用于检测沉积，而第二指示变量基于频谱中的谐波的表现。第二阶段是必需的，这是因为在存在其它干扰或者过程条件时，例如在多相流或者在存在空穴作用的情况下，阻尼也可上升。现在，能够将这些情况与沉积的情况区别开来。如果沿着管道的沉积不平均，则能够基于不平均的质量分布，识别明显的谐波表现。因此，能够在观察频谱时对这些表现进行评估，以检测沉积。对此，方法的第二阶段以步骤S06开始，其中，例如借助于FFT（快速傅里叶变换（Fast-Fourier-Transformation）），计算带有例如1024个支撑值的始动电压UP的频谱。这样选择观察的频率范围，即包括振动系统的基本振动的谐振频率并且优选包括5至10个谐波。根据计算得出的频谱，在步骤S07中首先进行流畅的分段标准化，以判断谐波的表现。其中，选择实现标准化的相应部段的宽度，使其稍微大于相邻谐波的基本上已知的间距，例如该宽度是该间距的1.5倍。以此确保：在每个部段中，都感应至少一个谐波的频率分量。“流畅”的标准化理解为一种标准化，其中，为了计算标准化的频率分量，要移动带有分别要考虑到的频率分量的部段（如在“流畅”的平均值形成时）。在进行流畅的分段标准化后，频谱中的谐波最大具有水平1，并且谐波的频率分量和其相邻环境中的频率分量之间的相应的比例保持不变。在接下来的步骤S08中，通过测得其标准化的频率分量位于第二预定阈B以下的频谱的支撑点的数量，对标准化的频谱进行评估，其中，阈B被设置为例如数值0.04。在步骤S09中，将该数量与第三预定的阈值C相比较，并因此用作第二指示变量I2，而该第二指示变量基于频谱中的谐波的表现。如果测得的数量大于预定的（例如设置为数值101的）第三阈值C，即如果比较结果是I2>C，则存在指示沉积的存在的第二指示变量I2，并且在步骤S10中显示故障状态，即检测到测量管中的沉积。否则，即在结果I2<C时，确定了第二指示变量I2没有指示沉积的存在，并且在步骤S11中显示，即不存在沉积，而是在质量流量测量中存在其他干扰。

用于运行科里奥利质量流量计的新方法经过一系列的实验验证，其中，除了无故障的状态之外，还进行了利用石灰、蜡和胶粘剂作为沉积材料的测量。

在此显示出：其在检测沉积时提供了很好的结果，特别是当沉积不平均地沿着管道分布，并且达到可检测的最小数值时。因此，新的科里奥利质量流量计能够为设备运营商提供关于其过程技术设备的以及装入其中的测量仪和管路的状态的重要信息。

Claims (7)

1.一种用于运行科里奥利质量流量计（1）的方法，所述科里奥利质量流量计具有：至少一个由介质流过的测量管（2，3），所述测量管被激励以进行振动；至少两个在所述测量管的纵向方向上彼此间隔的振动传感器（24，25），用于产生第一振动信号（5）和第二振动信号（6），其特征在于，为了检测所述测量管中的沉积，首先使用基于所述测量管的振动的阻尼的第一指示变量（I1），并且如果基于所述第一指示变量确定了提高的阻尼，则进一步使用基于振动信号的频谱中的至少一个谐波的表现的第二指示变量（I2）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定所述第一指示变量（I1），对所述测量管（2，3）的振动激励所需的驱动功率进行评估。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了确定所述第一指示变量（I1），对所述第一或者所述第二振动信号（5，6）的均方根值或者通过对所述信号进行运算而形成的信号的均方根值进行评估。

4.根据权利要求2和3所述的方法，其特征在于，为了确定所述第一指示变量（I1），对所述均方根值与所述驱动功率的商进行评估。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述第二指示变量（I2），对所述频谱中的背景噪声的频率分量相对于所述至少一个谐波的水平的相对水平进行评估。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，为了评估所述背景噪声的所述相对水平，将评估窗口中的所述频率分量标准化至所述至少一个谐波的所述频率分量的值，并且测得所述评估窗口中的所述频率分量的数量，其中所述频率分量的标准化的值位于能预定的阈值之下。

7.一种科里奥利质量流量计，具有：至少一个由介质流过的测量管（2，3），所述测量管被激励以进行振动；至少两个在所述测量管的纵向方向上彼此间隔的振动传感器（24，25），用于产生第一振动信号（5）和第二振动信号（6）；以及评估装置（26），其特征在于，所述评估装置这样设计，为了检测所述测量管中的沉积，首先评估基于所述测量管的振动的阻尼的第一指示变量（I1），并且所述评估装置进一步设计为，如果基于所述第一指示变量确定了提高的阻尼，则对基于振动信号的频谱中的谐波的表现的第二指示变量（I2）进行评估。

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