CN1720428A - 过程测量仪表 - Google Patents

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Abstract

过程测量仪表用于测量过程容器中容纳的或过程管道中流动的介质的物理过程量。其包括：变换器(10)，其具有提供测量信号(s1，s2)的传感器设置(60)；以及连接至变换器(10)的测量仪表电子装置(50)。传感器设置(60)包括对物理过程量特别是过程量的变化作出反应的传感器元件(17)，并且借助于传感器元件(17)提供受物理过程量影响的测量信号(s1)。传感器设置(60)还包括放置在变换器(10)中的至少一个温度传感器(40)，其本地记录变换器(10)中的温度(T1)并且借助于温度传感器(40)将代表变换器(10)中的温度(T1)的温度测量信号(θ1)提供给传感器设置(60)。测量仪表电子装置(50)使用测量信号(s1)和测量信号(s1)的校正值(K1)，生成代表瞬时物理量的测量值(X)。测量电子装置(50)考虑温度传感器(40)过去记录的温度值，根据温度测量信号(θ1)的时间分布确定校正值(K1)。通过根据本发明的过程测量仪表，即使在变换器(10)内部的温度分布的不稳定过渡范围中，特别是在仅使用很少的温度传感器的情况，在测量信号中由温度产生的误差也能够被很好地补偿。

Description

过程测量仪表
本发明涉及一种过程测量仪表，用于测量在过程容器中容纳的或者在过程管道中流动的至少一个物理过程量，特别是质量流量、密度、粘度、压力等。
在工业过程测量技术中，特别是关于化工自动化或其它工业过程，使用现场(即，靠近现场)安装的过程测量仪表，即所谓的现场测量仪表生成代表过程量的模拟或数字测量值。这种过程测量仪表的例子对于本领域技术人员是熟知的，在EP-A 984 248，EP-A 1 158 289，US-A 3,878,725，US-A 4,308,754，US-A 4,468,971，US-A 4,524,610，US-A 4,574,328，US-A 4,594,584，US-A 4,617,607，US-A 4,716,770，US-A 4,768,384，US-A 4,850,213，US-A 5,052,230，US-A 5,131,279，US-A 5,231,884，US-A 5,359,881，US-A 5,363,341，US-A 5,469,748，US-A 5,604,685，US-A 5,687,100，US-A 5,796,011，US-A 6,006,609，US-B 6,236,322，US-B 6,352,000，US-B 6,397,683，WO-A 88/02476，WO-A 88/02853，WO-A 95/16897，WO-A 00/36379，WO-A 00/14485，WO-A 01/02816，或WO-A 02/086426中有详细描述。
待测的各个过程量可以是例如在合适的过程容器，例如管道或罐中导入或存储的液体、粉末、蒸汽或气体过程介质的质量流量、密度、粘度、填充或极限水平、压力、温度等。
为了检测各个过程量，过程测量仪表包括合适的通常是物理-电的变换器，其安装在过程介质存储容器的壁中或者连接入过程介质引导管道并且尽可能精确地提供代表检测的过程量的至少一个测量信号，特别是电信号。变换器连接至合适的测量仪表电子装置，特别是用于处理或分析至少一个测量信号的电子装置。
经由耦合至测量仪表电子装置的数据传输系统，所述类型的过程测量仪表连接在一起并且/或者处理控制计算机，它们例如经由(4-20mA)电流回路和/或数字数据总线发送测量信号。对于数据传输系统，使用现场总线系统，特别是串行系统，例如PROFIBUS-PA、FOUNDATION FIELDBUS，以及相应的通信协议。利用过程控制计算机，传输的测量信号可以进一步被处理并例如在监视器上作为相应的测量结果而可视化，并且/或者被转换为用于控制过程控制元件(例如电磁阀、电动马达等)的控制信号。
为了容纳测量仪表电子装置，所述类型的过程测量仪表包括电子装置外壳，其例如在US-A 6,397,683或WO-A 00/36379中所公开的，可以位于远离现场测量仪表的位置并且与其通过绳索连接，或者如在EP-A 903 651或EP-A 1 008 836中所显示的，直接位于变换器或者位于容纳变换器的外壳。通常，正如例如EP-A 984 248、US-A 4,594,584，US-A 4,716,770，或US-B 6,352,000中所示，电子装置外壳也容纳变换器的一些机械部件，例如在机械作用下形变或振动的隔膜状、棒状、套筒状或管状体。
特别在EP-A 1 158 289，US-A 4,768,384，US-A 5,359,881，US-A 5,687,100，WO-A 88/02476，WO-A 95/16897，或WO-A 01/02816中，显示了用于测量过程管道中流动的介质的至少一个物理过程量，特别是质量流量、密度、粘度、压力等的过程测量仪表，其中每个变换器包括：
-用于引导介质，特别是流动介质的测量管；
-激励组件，其与测量仪表电子装置电连接并且包括用于驱动测量管的特别为电动或电磁的摆动激励器；和
-提供测量信号的传感器设置，包括响应于物理过程量特别是过程量的改变的至少第一传感器和第二传感器元件，并且借助于传感器元件提供受物理过程量影响的至少第一测量信号和第二测量信号，
-其中测量仪表电子装置提供至少用于控制摆动激励器的激励信号，使得工作中的测量管至少被暂时振动，
-其中两个传感器元件对测量管的输入侧或输出侧振动作出反应；并且
-其中由传感器元件提供的测量信号代表振动的测量管受过程介质影响的机械振动。
于是，这种振动型过程测量仪表还包括测量管，其上设置有摆动激励器和传感器，还包括容纳变换器的变换器外壳的部件。
对于振动型过程测量仪表作为科里奥利质量流量计的情况，测量仪表电子装置确定由传感器元件提供的两个测量信号，这里是摆动信号，之间的相差，并且测量仪表电子装置在其输出端给出测量值信号，利用该信号确定与相差的时间分布相对应的质量流量测量值。
已知所述类型的过程测量仪表，特别是其各自的变换器，除了受到上面所述的主要的待测过程量之外，还受到其它，特别是不可受影响的物理量的影响，所述物理量特别是过程或介质温度。
特别是利用振动的测量管工作的过程测量仪表，例如科里奥利质量流量测量仪表、密度测量仪表和/或粘度测量仪表，测量管也可能由于热而引起变化膨胀，从而变换器除了对于主要测量量(例如，质量流量、密度和/或粘度)敏感之外，还对于变换器中的瞬时温度分布不期望的敏感。由于这种对于变换器的振动性能的虚假温度影响，产生变换器干扰。因此，如果不考虑这种干扰，那么测量仪表电子装置提供的测量值信号可能是错误的。
为了补偿干扰温度对于变换器提供的测量信号和/或测量仪表电子装置从中得到的测量值信号的影响，科里奥利质量流量计或科里奥利质量流量密度计通常包括至少一个温度传感器，例如用于测量测量管的温度或环境温度的传感器，参见US-A 5,359,881，US-A 5,687,100或WO-A 88/02476。
在这里显示的过程测量仪表中，为了补偿温度对于各个测量管的弹性模数的影响，利用安装在弯曲测量管上的温度传感器产生对应于被测介质的温度的温度测量电信号，这里的温度传感器例如是Pt100或Pt1000元件或热偶。然后这个温度测量信号在测量仪表电子装置中与恒定的非时变系数相乘，以得到矫正值，其考虑了测量的温度对于弹性模数的影响，并且因而包含在测量值信号(例如，质量流量信号和/或密度信号)的校正中。为了平滑温度测量信号或者改进其信噪比，可以使用合适的数字信号滤波器，例如WO-A 88/02476中所建议的。
除了这种具有弯曲测量管的振动过程测量仪表，本领域技术人员还已知有具有单一直测量管或具有两个测量管的振动过程测量仪表，特别地参见US-A 4,524,610，US-A 4,768,384，US-A 6,006,609，WO-A00/14485或WO-A 01/02816。在这种具有单一直测量管的过程测量仪表中，为了支持摆动激励器和传感器，在变换器中提供了固定至测量管的支持元件，特别是安装在变换器中以能够振动运动的元件。支持元件还用于将振动的测量管与所连接的管道进行振动隔离。它可以设计为与测量管同轴的管状补偿圆柱，或者箱状支持框架。
由于它们的特殊设计，具有直测量管的振动过程测量仪表响应的温度变化以及所述的弹性模数中的变化，和在测量管和支持元件中由温度引起的机械应力的改变，并且/或者变换器外壳还引起变换器对于主要过程量的敏感性变化。
这种热应力，特别是沿测量管的轴作用的应力，可能具有不同原因，这些原因可能单独发生或者组合发生。甚至即使测量管和支持元件或变换器外壳实际上温度相同，如果支持管和振动系统由具有不同热胀系数的不同材料制成，也可能发生热应力。如果测量管的温度与支持管的温度不同，这种温度对于测量结果的影响甚至更大。如果待测过程介质的温度与环境温度不同，特别是这种情况。在非常热或非常冷的过程介质的情况中，在支持元件或变换器外壳和测量管之间存在非常高的温度梯度。
在例如US-A 4,768,384，US-A 5,231,884或WO-A 01/02816中记载了补偿这种改变变换器对于主要过程量的敏感度的温度影响的方案。使用附着至变换器外壳的至少一个附加温度传感器，通过在测量仪表电子装置中形成考虑了测量温度对于变换器中的膨胀或应力分布的影响的另一校正因子并且在形成测量值信号时包含这个校正因子，测量外壳中的热应力或热膨胀对于测量值信号的影响得到补偿。为了形成这个校正因子，每一温度信号同时且无延迟地乘以恒定的系数，并且如果需要的话，乘以自身。
然而，在这种所述类型的过程测量仪表的操作期间，温度分布可能遭受不期望的变化，特别是因为流体温度通常不能保持恒定，从而在过程测量仪表内部，特别在变换器内部，温度分布重复发生动态过渡。另一方面，由于变换器的各个部件的不同的特定热导率或热容量，温度分布中的这些时间分布可能以不同速度传播到变换器的各个敏感度确定部件，使得即使利用两个或更多的温度传感器检测的温度曲线或温度梯度也可能遭受动态变化。
在使用仅考虑瞬时温度值的静态算法确定测量信号的相应校正因子的过程测量仪表中，例如US-A 4,768,384或WO-A 01/02816中所示，这导致在温度分布的不稳定状态期间，尽管使用在不同位置检测但是被均匀加权的从不同温度得到的这种校正因子，在测量值信号中也会发生可观的不精确。研究已经显示，温度分布的这种非稳态过渡区域特别地导致变换器内部机械应力的改变，该区域会持续几分钟到几小时，并且在这个通常较长时间的温度分布不稳定状态期间，本地测量的温度对于测量信号的影响相互之间也发生改变。
在具有振动测量管的变换器中，减少测量信号中这种误差的一种可能是沿测量管和沿变换器外壳和/或沿为单个测量管提供的支持元件安装多个温度传感器。
这种解决方案的一个缺点是，随着使用的温度传感器的数目增加，制造成本也增加。除了温度传感器自身的成本之外，它们的安装和布线成本也增加。
然而，另外，温度传感器数目的增加会导致传感器设置的故障概率增加，特别是如果温度传感器固定至高频振动的部件，例如固定至测量管或作为防振器设计的支持元件。
因此本发明的一个目的是以这样的方式改进在开头提出的类型的过程测量仪表，使得即使在它们的各个变换器内部温度分布的不稳定过渡区域，也很大程度地补偿了测量信号中由温度引起的误差，并且需要尽可能少的温度传感器来尽可能精确地确定用于温度对于测量信号的影响的校正因子。
为了达到这个目的，本发明提供了一种过程测量仪表，用于测量过程容器中容纳的或过程管道中流动的介质的至少一个物理过程量，特别是质量流量、密度、粘度、压力等，该测量仪表包括：
-变换器
-该变换器具有提供测量信号的传感器设置
---该传感器设置包括响应于被测物理过程量，特别是过程量中的变化的第一传感器元件，并且借助于该第一传感器元件提供至少一个受物理过程量影响的第一测量信号，且
---该传感器设置还包括安装在变换器中的至少第一温度传感器，其本地检测变换器中的第一温度，并且
---该传感器设置利用至少一个温度传感器提供代表变换器中的第一温度的至少第一温度测量信号；和
-测量仪表电子装置，其使用至少第一测量信号以及对于至少第一测量信号的第一校正值，得到当前代表物理量的至少一个测量值，特别是质量流量测量值、密度测量值、粘度测量值或压力测量值，
-其中在工作期间，测量仪表电子装置考虑第一温度传感器过去检测的温度值，根据至少第一温度测量信号的时间变化确定第一校正值。
在本发明的第一优选实施例中，测量仪表电子装置在工作中在一段延时之后以第一校正值的改变对于第一温度测量信号中与第一温度变化相应的变化作出反应。
在本发明的第二优选实施例中，传感器设置包括安装在变换器中的至少第二温度传感器，其特别地与第一温度传感器间隔，用于本地检测变换器中的第二温度，并且传感器设置利用第二温度传感器提供代表第二温度的至少温度测量信号。
在本发明的第三优选实施例中，测量仪表电子装置还使用第二温度测量信号确定第一校正值。
在本发明的第四优选实施例中，测量仪表电子装置从至少第二温度测量信号的时间分布中确定第二校正值，并且还使用第二校正值得到测量值。
在本发明的第五优选实施例中，测量仪表电子装置包括滤波器级，用于得到至少第一校正值，其中第一温度测量信号被施加至滤波器级的第一信号输入端。
在本发明的第六优选实施例中，滤波器级包括第一A/D转换器，用于将第一温度测量信号转换为第一数字信号。
在本发明的第七优选实施例中，滤波器级包括用于第一数字信号的第一数字信号滤波器。
在本发明的第八优选实施例中，第一数字信号滤波器是递归滤波器。
在本发明的第九优选实施例中，第一数字信号滤波器是非递归滤波器。
在本发明的第十优选实施例中，第一数字信号滤波器将第一校正值提供给滤波器级的第一信号输出端。
在本发明的第十一优选实施例中，滤波器还用于得到第二校正值，在这种情况中，第二温度测量信号被施加至滤波器级的第二信号输入端，并且滤波器级包括第二A/D转换器，用于将第二温度测量信号转换至第二数字信号。
在本发明的第十二优选实施例中，滤波器级包括用于第二数字信号的第二数字信号滤波器。
在本发明的第十三优选实施例中，变换器包括至少一个测量管，用于引导特别是流动的介质。
在本发明的第十四优选实施例中，两个温度传感器中的至少一个安装在测量管上或者其附近。
在本发明的第十五优选实施例中，变换器包括至少部分围绕测量管的变换器外壳。
在本发明的第十六优选实施例中，两个温度传感器中的至少一个固定至变换器外壳或者至少位于其附近。
在本发明的第十七优选实施例中，变换器还包括特别为电动或电磁的摆动激励器，其电连接至测量仪表电子装置，用于驱动测量管，并且测量仪表电子装置提供用于控制摆动激励器的至少一个激励信号，使得在操作中，测量管至少间歇振动。
在本发明的第十八优选实施例中，第一传感器响应于测量管的振动，特别是入口侧或出口侧的振动，并且第一传感器提供的测量信号代表受过程介质影响的振动的测量管的机械振动。
在本发明的第十九优选实施例中，变换器包括固定至测量管的支持元件，其特别是可摆动地悬挂在变换器外壳内，用于支持摆动激励器，并且变换器还包括至少第一传感器元件。
在本发明的第二十优选实施例中，至少一个温度传感器固定至支持元件或位于至少其附近。
在本发明的第二十一优选实施例中，传感器设置包括至少第二传感器，其响应于待测物理过程量而提供至少第二测量信号，在这种情况中，测量仪表电子装置还使用第二测量信号得到测量值。
本发明的基本思想是，一方面基于瞬时内部温度分布确定变换器对于待测过程量的瞬时敏感度并且相应地补偿受其影响的测量信号；另一方面基于过去测量的温度而充分精确地估计变换器中的瞬时温度分布，特别是使用尽可能少的温度传感器。
除了温度测量的较低电路复杂度，本发明还具有这样的优点：由于现在在对提供的温度测量信号分析的过程中校正将可以影响温度传感器的各个位置，所以对于变换器内温度传感器的就位创建了更多的自由度。于是，温度传感器可以被最优地放置，特别是从组装和/或布线技术的角度来看。
例如在上述振动型过程测量仪表的情况中，还具有这样的优点：为了估计测量管和/或可选的支持元件的有效温度分布，温度传感器还可以已经固定至变换器的非振动部件，诸如变换器外壳。
在附图中：
图1是过程测量仪表的透视图；
图2以框图显示了适于图1的过程测量仪表的测量仪表电子装置，其与振动型变换器联结；
图3是适于图1的过程测量仪表的振动型变换器的实施例的第一透视图，其部分为截面；
图4是图2的变换器的第二透视图；
图5显示了图2的变换器的电机激励组件的实施例；
图6是适于图2的测量仪表电子装置的分析电路的框图；
图7示意性显示了图2的变换器内部的可能的温度变化的例子；和
图8是图6的分析电路的实施方式的框图。
在图1和2中，显示了过程测量仪表的一个实施例，例如科里奥利流量计、密度计和/或粘度计1，其包括优选地容纳在变换器外壳100内的振动型变换器10，以及电子装置外壳200，电子装置外壳200中容纳了与变换器10电连接的测量仪表电子装置50。
过程测量仪表1用于检测管道中流动的流体的过程量，例如质量流量、密度和/或粘度，并且用于将这个过程量映射为当前代表它的测量值信号；为了清楚，没有显示管道。
为了引导流体，变换器10包括测量管13，其在操作中优选地以弯曲模式这样振动，使得在其中流动的流体中产生具有足够强度的反作用力，例如科里奥利力、加速力和/或摩擦力，该反作用力依赖于过程量并且以可测量的方式，即可以使用传感器检测且可电分析的方式作用于变换器10。
图3和4显示了适于用作变换器10的振动型物理-电转换器组件。这种变换器组件的结构在例如US-A 6,006,609中有详细描述。
为了引导被测流体，变换器10包括至少一个测量管13，其具有可预定的在工作中可弹性形变的测量管内腔13A以及可预定的额定直径。测量管13具有入口端11和出口端12。
测量管内腔13A的弹性形变在这里意味着：为了在流体中产生描述流体的上述反作用力，在测量管13的弹性范围内，以可预定的方式循环地特别是周期地改变测量管内腔13A的三维形状和/或空间位置；参见例如US-A 4,801,897，US-A 5,648,616，US-A 5,796 011或US-A6,006,609。如果需要，正如例如EP-A 1 260 798所示，测量管可以弯曲。还有可能例如使用两个弯曲的或直的测量管代替单一测量管。适于用作变换器10的转换器组件的其它实施例在例如US-A 5,301,557，US-A 5,357,811，US-A 5,557,973，US-A 5,602,345，US-A 5,648,616或US-A 5,796,011中有所描述。
特别适于图3和4中的直测量管13的材料是例如钛合金。代替钛合金，也可以使用这种类型的特别是弯曲测量管常用的其它材料，例如不锈钢、钽或锆等。
测量管13以常见的方式在入口端和出口端与引导流体的管道相通，并且被能够摆动地夹持在支持框架14中，支持框架14是刚性的特别是弯曲且扭转刚性的并且被装入变换器外壳100。
支持框架14利用入口板213固定至入口端并且利用出口板223固定至出口端，两个板被测量管13的各个相应延伸件131、132穿透。支持框架14还具有第一侧板24和第二侧板34，它们分别被固定至入口板213和出口板223，以基本平行于测量管13且与测量管13相距地延伸，参见图3。于是，两个侧板24、34的相对的侧面也相互平行。
用作吸收测量管13的摆动的平衡质量的纵条25与测量管13相距地固定至侧板24、34。如图4所示，纵条25基本平行于测量管13的整个可摆动长度；这并不是必须的，如果需要，纵条25当然可以更短。
于是，具有两个侧板24、34、入口板213、出口板223和纵条25的支持框架14具有重力纵轴，该纵轴基本平行于连接入口端11和出口端12的测量管中心轴13B。
在图3和4中，以螺丝头显示，前面所述的侧板24、34到入口板213、到出口板223和到纵条25的固定可以利用螺丝完成；还有可能使用本领域技术人员熟悉的其它合适的紧固形式。
如果变换器10要可与管道松开地安装，那么第一法兰19和第二法兰20分别在入口端和出口端形成在测量管13上，参见图1；可以使用其它管道联结件，诸如图3中所示的所谓的三通(Triclamp)连接代替法兰19、20，以提供与管道的可松开连接。然而，如果需要，测量管13也可以通过焊接或铜焊而与管道直接连接。
为了产生上述的反作用力，在变换器10的工作期间，令由与测量管联结的电机激励组件16驱动的测量管13以可预定的摆动频率，特别是固有谐振频率以所谓的有效模式振动，从而测量管以可预定的方式弹性形变。正如前面所述，这个谐振频率还依赖于流体的瞬时密度。
在所示的实施例中，正如这种弯曲摆动型转换器组件所常见的，振动的测量管13从静态静止位置空间偏转，特别是横向偏转；对于其中一个或多个弯曲测量管围绕虚拟连接入口端和出口端的相应纵轴执行悬臂摆动的转换器组件或者对于其中一个或多个直测量管仅围绕它们的测量管纵轴执行平面弯曲摆动的转换器组件，同样是这样的。在其它情况中，例如在上面提到的WO-A 95/16897中所述，作为变换器10使用径向摆动型转换器组件并且振动的测量管的横截面以常见的方式对称形变，其中测量管纵轴离开了其静态静止位置。
激励组件16用于通过转换由测量仪表电子装置50提供的激励电能Pexc而产生对于测量管13的激励力Fexc。当以固有谐振频率激励测量管13时，激励能量Pexc实际上仅用于补偿在振动系统中由于机械和流体摩擦而损失的能量成分。为了达到尽可能高的效率，优选地这样尽可能精确地调节激励能量Pexc，使得测量管13的摆动基本上保持在期望的有效模式，例如基本谐振频率的模式。
为了将激励力Fexc传递到测量管13，如图5所示，激励组件16具有刚性的电磁和/或电动驱动的杠杆组件15，该杠杆组件15具有悬臂154和轭163，悬臂154牢固地固定至测量管13。轭163牢固地固定至悬臂154远离测量管13的一端，使得它位于测量管13之上并且横着测量管13延伸。
悬臂154可以是例如金属板，其在孔中接收测量管13。对于杠杆组件15的其它合适的实施例，参见上述US-A 6,006,609。杠杆组件15是T形并且大约在入口端11和出口端12中间作用于测量管13，参见图5，使得在操作中，测量管13将在其中点经受其最大的横向偏转。
为了驱动杠杆组件15，如图5所示，激励组件16包括第一激励线圈26和相关联的第一永磁体电枢27，以及第二激励线圈和相关联的第二永磁体电枢37。优选地串联连接的两个激励线圈26和36在轭163之下，在测量管13的两侧上固定至支持框架14，特别是可松开地固定，以在操作中分别与它们相关的电枢27或37交替作用。如果需要，两个激励线圈26、36当然可以并联连接。
如图3和5所示，两个电枢27、37以这样的间距固定至轭163，使得在变换器10的操作期间，电枢27将被激励线圈26的磁场基本穿透，而电枢37将被激励线圈36的磁场基本穿透，从而两个电枢将由于相应的电动和/或电磁力的作用而移动。
由激励线圈26、36的磁场产生的电枢27、37的运动被轭163和悬臂154传递至测量管13。这样构造电枢27、37的这些运动，使得轭163在侧板24的方向和侧板34的方向上交替偏离其静止位置。杠杆组件15的相应的旋转轴与上面提到的测量管中心轴13B平行，并且例如穿过悬臂154。
用作激励组件16的支持元件的支持框架14还包括用于支持激励线圈26、36和磁力制动器组件217(下面将对其进行说明)的各个部件的支架29。支架29优选地可送开地与侧壁24、34相连。
在变换器10的实施例中，在入口端11和出口端12牢固地夹持的振动测量管13的横向偏转同时引起其测量管内腔13A的弹性形变；这个弹性形变基本上在测量管13的整个长度上延伸。
另外，在测量管13中由于经由杠杆组件15作用的转矩，与横向偏转同时至少在截面上引起围绕测量管中心轴13B的扭转，从而测量管13以混合的弯曲摆动-扭转模式摆动，这个模式用作有效模式。测量管13的扭转可以是这样的：悬臂154的远离测量管13的一端的横向偏转的方向与测量管13的横向偏转的方向或者相同，或者相反。于是，测量管13可以执行对应于前一情况的第一弯曲摆动-扭转模式的扭转摆动，或者对应于后一情况的第二弯曲摆动-扭转模式的扭转摆动。在根据实施例的变换器10中，第二弯曲摆动-扭转模式的固有基本谐振频率，例如900Hz，大约是第一弯曲摆动-扭转模式的二倍。
对于测量管13仅以第二弯曲摆动-扭转模式执行摆动的情况，激励组件16包含基于涡流原理的磁力制动器组件217，其用于稳定上述旋转轴的位置。利用磁力制动器组件217，可以保证测量管13总是以第二弯曲摆动-扭转模式摆动，从而任何对于测量管13的外部扰动影响都不会导致到另一弯曲摆动-扭转模式，特别是第一弯曲摆动-扭转模式的自发改变。这种磁力制动器组件的细节在US-A 6,006,609中有所描述。
在这一点，应当注意，在以这种方式根据第二弯曲摆动-扭转模式偏转的测量管13中，测量管中心轴13B轻微形变，从而在摆动期间，这个轴展现轻微弯曲的表面，而不是平面。另外，位于这个表面中且由测量管中心轴的中点描述的路径曲线具有测量管中心轴所描述的所有路径曲线中的最小曲率。
为了振动测量管13，为激励组件16提供相同的振荡电流iexc，其特别地具有可调的振幅和可调的频率fexc，从而在工作中，这个电流通过激励线圈26、36，并且以相应的方式产生移动电枢27、37所必需的磁场。如图2中示意性显示的，激励电流iexc由测量仪表电子装置50中提供的工作电路50A提供，并且可以是例如谐波交流电流。在这里所示的实施例中，激励电流iexc的频率fexc优选地这样选择或自我调节，使得横向摆动的测量管13尽可能仅以第二弯曲摆动-扭转模式摆动。
为了检测测量管13的形变，变换器10具有传感器设置60，如图2和3所示，其借助于响应于测量管13的振动的至少第一传感器元件17而生成代表它的第一特别是模拟测量信号s1。传感器17可以例如由永磁体电枢形成，该电枢固定至测量管13并且与支持框架14支持的传感器线圈相互作用。
特别适合于传感器17的传感器类型是基于电动原理检测测量管的偏转速度的那些传感器。也可以使用加速度测量电动或位移测量电阻或光学传感器。还可以使用本领域人员熟悉且适用于检测这种振动的其它传感器，例如用于检测传感器13的旋转的传感器。
传感器设置60还包括第二传感器元件18，其特别地与第一传感器元件17相同，该第二传感器元件18提供代表测量管13的振动的第二测量信号s2。在这个实施例中，两个传感器元件17、18在变换器10中沿测量管13相距给定距离放置，特别是距离测量管13的中点相同的距离，使得传感器设置60本地检测测量管13的入口侧和出口侧的振动，并且提供相应的测量信号s1或s2。
如图2所示，通常各自具有与测量管13的瞬时摆动频率相应的信号频率的第一和可能的第二测量信号s1、s2被送给测量仪表电子装置50中优选为数字的分析电路50B，其用于特别是数字地确定当前代表待测过程量(这里是质量流量、密度、粘度、压力)的测量值X，并将这个测量值转换为在分析电路的输出端可提供的相应的测量值信号。
在本发明的优选实施例中，使用测量仪表电子装置50中提供的微计算机实现分析电路50B，该微计算机被以相应的方式编程，以从传感器设置60提供的测量信号确定测量值X。可以使用例如现有的微处理器或现有的信号处理器实现微计算机。
尽管所示的变换器可以基于测量信号s1、s2中的一个信号确定密度或粘度，但是对于要检测质量流量的情况，以本领域技术人员熟悉的方式使用两个测量信号s1、s2，从而例如以信号时域中的实数或信号频域中的复数形式确定依赖于质量流量的相差。
过程测量仪表还具有这样的装置，使得可以补偿温度对于所使用的测量信号s1和/或s2的影响，并且从而在较宽的温度范围并且甚至在变换器内部的温度分布改变期间，提供测量值信号的高精确度。
为此，传感器设置60还包括第一温度传感器40，用于检测变换器中第一测量位置处的第一温度T1并且生成与这个检测温度T1相应的第一温度测量电信号θ1，其特别是连续信号。温度传感器40优选地这样位于变换器中，使得至少在变换器内部稳定温度分布时，这个提供的温度测量信号θ1被尽可能好地以过程介质的温度校正；在这一点，应当注意，温度测量信号θ1尽管优选地代表绝对测量的第一温度，但是如果需要，也可以例如代表相对于恒定参考温度测量的温差。
在本发明的优选实施例中，温度传感器40这样放置在变换器中，使得它基本测量测量管13的温度并且提供与这个测量温度相应的第一温度测量电信号θ1。温度传感器40可以例如直接安装在测量管13上，但是那样它将持续经受管的机械摆动，这将导致有关疲劳强度的温度。于是，在所示的实施例中，温度传感器40优选地安装在测量管13的摆动相对较弱的延伸件131、132之一上，这里安装在出口侧。
在本发明的另一优选实施例中，为了提高测量精度，传感器设置60包括第二温度传感器41，其这样放置在变换器10中，以检测远离第一测量位置的第二测量位置的第二温度T2。为此温度传感器41优选地安装在变换器外壳100的壁内侧上，使得它检测变换器外壳100的温度作为第二温度T2。温度传感器41也可以例如固定至支持框架14。
应当注意，仅考虑测量信号的温度补偿，对于温度传感器40、41在变换器内部的设置几乎无需考虑任何限制，从而放置至少一个温度传感器40有许多可能性并且可以提供任何其它温度传感器。使用的温度传感器可以是本领域技术人员熟悉的温度传感器，特别是在现有变换器中使用的设备。优选地，由金属，例如Pt 100或Pt 1000或者半导体材料制成的热敏电阻可以用于以上应用。如果需要，除了温度传感器40、41，在补偿温度对于至少一个测量信号的影响时可以考虑其它测量仪表中提供的其它温差传感器，例如在电子装置外壳附近。
如图2或6所示，由温度传感器40、41生成并从传感器设置60输出的可测的温度测量信号θ1、θ1同样施加于分析电路50B，并且因而可以进一步处理，特别是用于补偿测量信号s1、s2。
在本发明的优选实施例中，如图6中示意性示出的，测量信号s1首先被利用分析电流50B中提供的测量级MS改变为非温度补偿的或未校正的中间测量值X’。然后利用分析电路50B，使用传感器设置60提供的至少一个温度测量信号θ1校正这个中间测量值X’，并将其转换为测量值X。然而，优选地，至少也由传感器设置60提供的温度测量信号θ2同样用于中间测量值X’的校正。
为了校正中间测量值X’，在分析电路50B的相应校正级KS内部确定至少第一模拟或数字校正值K1，其用于从至少一个测量信号s1得到的未校正的中间测量值X’。这样确定的校正值K1可以在校正级KS中进一步以简单的方式，根据以下的简单函数，乘以未校正的测量值X’：
X＝K1X’                                     (1)
通过考虑温度测量信号θ1，但是优选地考虑由传感器设置60提供的至少两个温度测量信号θ1、θ2，形成由校正级KS形成的校正值K1，正如图6所示。
在这之前，根据本发明，至少用于确定至少一个校正值K1的温度测量信号θ1被转换为温度估计信号θ1’。温度估计信号θ1’的生成用于尽可能好地估计并映射由温度测量信号θ1的时间分布影响的瞬时温度分布，其中不仅考虑温度测量信号θ1的瞬时信号值，例如在上述US-A 4,768,384，US-A 5,687,100，WO-A 88/02476或WO-A01/02816中所描述的，而且考虑来自过去的信号值。于是，温度传感器40以前对于温度T1检测的温度值也被考虑。在图7中示意性描述了在时间段t2-t1的过渡范围期间，温度T1、T2的可能的变化的例子。如果需要，除了温度估计信号θ1’，在测量值X的形成中当然也考虑温度测量信号θ1的瞬时信号值。
在本发明的另一优选实施例中，利用测量仪表电子装置50，基于以下数学关系生成温度估计信号θ1’：
θ1’＝G10+G11*θ1..，                       (2)
其中
G10是可变或恒定系数，特别是与测量温度无关的系数；
G11是信号滤波器的加权函数，传感器设置提供的温度测量信号θ1利用它而叠加。
现在可以使用简单的特别是线性的数学关系，从温度估计信号θ1’计算校正值K1，数学关系如下：
K1＝1+k11*θ1’                              (3)
其中
K11是第一系数，其体现了以温度估计信号θ1’估计的有效温度和校正值K1之间的关系，并且其基于实际上考虑了敏感度影响的第一参数，例如沿测量管13作用的变化的机械应力。
如果需要，对于确定温度估计信号θ1’，也可以考虑G12*θ1 2形式的幅度自调制的温度测量信号θ1或者G13*θ1θ2形式的以温度测量信号θ2进行了幅度调制的温度测量信号θ1。
根据本发明的进一步发展，为了确定校正值K1，之前至少温度测量信号θ2也被例如基于以下数学关系转换为相应的第二温度估计信号θ2’：
θ2’＝G20+G21*θ2..，                       (4)
忽律任何高阶项，等式(3)中表达的校正值K1的计算法则仅依赖于温度测量信号θ1，可以修改如下：
K1＝1+k11θ1’+k12θ2’，                    (5)
从而校正值K1现在也依赖于温度测量信号θ2。类似于等式(3)，在等式(5)中引入的第二系数k12是代表温度估计信号θ2’和校正值K1之间的关系的系数，这个系数也基于实际上被考虑的第一参数。
使用等式(5)，等式(1)中的用于测量值X的计算法则可以修改如下：
X＝(1+k11θ1’+k12θ2’)X’                  (6)
在本发明的优选实施例中，特别是对于瞬时温度分布同时作用在影响变换器敏感度的多个参数的情况，除了校正值K1以外还确定第二校正值K2，用于未校正的中间测量值X’。
在这里显示的变换器中，瞬时温度分布例如影响测量管13的弹性模数以及甚至以另一方式影响变换器10内，特别是测量管13内的机械应力的瞬时分布。相应地，这个瞬时温度分布还以不同的方式影响测量管13的摆动特性，例如关于测量管13的固有谐振频率或关于有效模式和科里奥利模式的振幅之间的比率。
考虑这一点，校正级中测量值X的确定优选地基于以下数学关系，它是等式(1)的扩展：
X＝K1K2X’                                   (7)
测量信号s1到中间测量值X’的转换以及后者与优选为数字的校正值K1或校正值K1、K2的结合具有以下优点：对于这种从中间测量值X’和校正值K1、K2确定测量值X的方式，在所述类型的现有过程测量仪表中迄今使用的测量和分析方法中不需要特别大的变化。
基于等式(1)、(3)、(5)、(6)和/或(7)，现在可以容易地考虑其它影响敏感度的参数而校正中间测量值X’。例如，考虑影响变换器的敏感度的第二参数，可以以简单的方式获得测量值X：
X＝(1+k11θ1’+k12θ2’)(1+k21θ1’)X’      (8)
其中
K21是第三系数，其代表估计的温度估计信号θ1’和校正值K1之间的关系，其中第三系数基于实际上考虑了例如变化的弹性模数的第二参数。
等式(6)和等式(8)之间的系数比较显示，校正值K2可以例如从下式计算：
K2＝1+k21θ1’                               (9)
为了生成至少一个温度估计信号θ1’，根据本发明另一优选实施例的测量仪表电子装置包括在校正级KS前连接的滤波器级FS，用于滤波传感器设置60提供的温度测量信号，滤波器级FS包括用于温度测量信号θ1的至少第一信号滤波器SF1，参见图6。对于校正电路还使用第二温度估计信号θ2’的优选情况，在滤波器级FS中还提供用于温度测量信号θ2的至少第二信号滤波器SF2。
这样设计并相互匹配滤波器级FS的信号滤波器SF1、SF2，特别是这样调整它们的滤波器阶数和滤波器参数，使得对于这样定义的各个加权函数G11、G21以及在其上叠加的各个温度测量信号θ1、θ2，变换器10内的影响测量信号s1和可能的第二测量信号s2的瞬时温度分布被尽可能精确地复制或模拟，不仅考虑各个温度信号θ1或θ2的瞬时信号值，而且考虑相应温度信号θ1、θ2的过去的信号值。另外，信号滤波器SF1、SF2被这样设计，特别是关于它们的信号放大系数和信号延迟，使得至少精确地估计的瞬时温度对于敏感度的影响也被以补偿的方式得到考虑。
优选地，信号滤波器SF1的加权函数G11被这样选择，使得响应于温度信号θ1中的变化，例如增高，温度估计信号θ1’的值将在明显的延迟之后与温度信号θ1的瞬时信号值成比例。然后测量仪表电子装置50B以相应的方式，响应于第一温度测量信号θ1中的第一温度对应变化，在相应的时间延迟之后在第一校正值k1中有变化。为此，例如加权函数G11除了具有成比例放大的成分之外，还具有随时间积分的至少一个一阶或高阶成分。因此，信号滤波器SF1可以是例如低通滤波器。
适用于各个变换器类型的滤波器阶数最好可以在过程测量仪表的设计和发展期间使用测量仪表的原型确定。这可以通过实验完成或者使用计算机辅助数字计算(例如使用有限元方法的算法)完成。基于特别为经验确定的滤波器阶数，实际上适于各个过程测量仪表的滤波器参数可以例如通过测量仪表特定的或测量仪表类型特定的标定方法，特别是结合数字确定滤波器参数的计算算法而确定，并且通过例如最小方差或概括的方法而将它们优化。
根据本发明的另一优选实施例，传感器设置60提供的第一温度信号θ1在被分析电路处理之前，在校正值K1的计算之前被第一A/D转换器AD1时间离散地采样并转换为第一数字信号θ1D如图7和9示意性示出的。类似地，如图8示意性示出的，优选地类似地使用的第二温度信号θ2被第二A/D转换器AD2转换为第二数字信号θ2D。
在这个发展的优选实施例中，对于温度测量信号θ1的信号滤波器是数字信号滤波器SF1D，其实现用于计算温度估计信号θ1’的以下数字算法：
θ 1 , t ′ = Σ k = 0 M a k · θ 1 , t - k · Δt - Σ k = 1 N b k · θ 1 , t - k · Δt ′ - - - ( 10 )
其中至少两个，但是优选为M个可能的系数ak非零。类似地，第二数字信号滤波器SF2D可以用于温度测量信号θ2，参见图8。
在等式(10)给出的一般计算法则中，如果N个可能的系数bk中至少一个非零，那么这样实现的数字信号滤波器SF1D将是具有至少理论上无限脉冲响应的递归滤波器；否则，数字信号滤波器SF1D将是具有有限脉冲响应的非递归滤波器。
对于温度测量信号θ1、θ2被数字化的上述情况，即，如果它们被以采样顺序的形式使用，并且如果使用具有合适容量的微处理器，特别是信号处理器，那么滤波器级FS实际上可以由上述微计算机和相应的软件完全实现，该软件中也包括用于数字信号滤波器的计算算法。另外，校正值K1和测量值X都具有优点地通过微计算机执行合适的计算机程序而确定。
根据本发明的公开，本领域熟练技术人员将非常容易地设计合适的数字或混合模拟数字分析电路，特别是合适的滤波器级，其使用有效的温度测量信号θ1、θ2和对于过程量的相应的比较方法，以这样的方式处理测量信号S1或多个测量信号，使得未校正的测量值X’与至少一个校正值K1结合，导致测量值X具有足够的精度。

Claims (21)

1.过程测量仪表，用于测量过程容器中容纳的或过程管道中流动的介质的至少一个物理过程量，特别是质量流量、密度、粘度、压力等，该测量仪表包括：
-变换器(10)
--该变换器具有提供测量信号(s1，s2)的传感器设置(60)，
---该传感器设置包括主要对物理过程量，特别是过程量的变化作出反应的第一传感器元件(17)，并且借助于该第一传感器元件(17)提供受物理过程量影响的至少一个第一测量信号(s1)，且
---该传感器设置还包括放置在变换器(10)中的至少一个第一温度传感器(40)，其本地检测变换器(10)中的第一温度T1，并且
---该传感器设置利用至少一个温度传感器(40)提供代表变换器(10)中的第一温度T1的至少一个第一温度测量信号(θ1)；和
-测量仪表电子装置(50)，其使用至少第一测量信号(s1)以及对于至少第一测量信号(s1)的第一校正值(K1)，生成代表当前物理量的至少一个测量值(X)，特别是质量流量测量值、密度测量值、粘度测量值或压力测量值，
-其中在工作期间，测量仪表电子装置(50)考虑第一温度传感器(40)过去检测的温度值，根据至少第一温度测量信号(θ1)的时间分布确定第一校正值(K1)。
2.根据权利要求1所述的过程测量仪表，其中测量仪表电子装置在工作中在一段延时之后以第一校正值(K1)的改变对于第一温度测量信号(θ1)中与第一温度变化相应的变化作出反应。
3.根据权利要求1或2所述的过程测量仪表，
-其中传感器设置(60)包括放置在变换器(10)中且特别地与第一温度传感器(40)间隔的至少一个第二温度传感器(41)，其本地检测变换器(10)中的第二温度T2，并且
-其中传感器设置(60)利用第二温度传感器(41)提供代表第二温度T2的至少一个第二温度测量信号(θ2)。
4.根据权利要求3所述的过程测量仪表，其中测量仪表电子装置(50)还使用第二温度测量信号(θ2)确定第一校正值(K1)。
5.根据权利要求3或4所述的过程测量仪表，
-其中测量仪表电子装置(50)根据至少第二温度测量信号(θ2)的时间分布确定第二校正值(K2)，并且
-其中测量仪表电子装置(50)还使用第二校正值(K2)生成测量值(X)。
6.根据前述任一权利要求所述的过程测量仪表，其中测量仪表电子装置(50)包括用于生成至少第一校正值(K1)的滤波器级(FS)，其中第一温度测量信号(θ1)被施加至滤波器级(FS)的第一信号输入端。
7.根据权利要求6所述的过程测量仪表，其中滤波器级(FS)包括第一A/D转换器(AD1)，其用于将第一温度测量信号(θ1)转换为第一数字信号(θ1D)。
8.根据权利要求7所述的过程测量仪表，其中滤波器级包括用于第一数字信号(θ1D)的第一数字信号滤波器(SF1D)。
9.根据权利要求8所述的过程测量仪表，其中第一数字信号滤波器(SF1D)是递归滤波器。
10.根据权利要求8所述的过程测量仪表，其中第一数字信号滤波器是非递归滤波器。
11.根据权利要求5所述的过程测量仪表，
-其中滤波器级(FS)还用于生成第二校正值(K2)，其中第二温度测量信号(θ2)被施加至滤波器级(FS)的第二信号输入端，并且
-滤波器级(FS)包括第A/D转换器(AD2)，其用于将第二温度测量信号(θ2)转换至第二数字信号(θ2D)。
12.根据权利要求7所述的过程测量仪表，其中滤波器级包括用于第二数字信号(θ2D)的第二数字信号滤波器。
13.根据前述任一权利要求所述的过程测量仪表，其中变换器包括至少一个测量管(13)，用于引导特别是流动的介质。
14.根据权利要求13所述的过程测量仪表，其中两个温度传感器(40，41)中的至少一个放置在测量管上或者其附近。
15.根据权利要求13-19中任一条所述的过程测量仪表，其中变换器(10)包括包围测量管(13)的变换器外壳(100)。
16.根据权利要求15所述的过程测量仪表，其中两个温度传感器(40，41)中的至少一个固定至变换器外壳(100)或者至少位于其附近。
17.根据权利要求13-16中任一条所述的过程测量仪表，
-其中变换器(10)还包括特别为电动或电磁的摆动激励器(16)，其与测量仪表电子装置(50)电连接，机械地作用于测量管(13)，用于驱动测量管(13)，并且
-其中测量仪表电子装置(50)提供用于控制摆动激励器(16)的至少一个激励信号(iexc)，使得测量管(13)在操作中至少间歇振动。
18.根据权利要求17所述的过程测量仪表，
-其中第一传感器元件(17)对测量管(13)特别是入口侧或出口侧的振动作出反应，并且
-其中从第一传感器元件(17)提供的测量信号(s1)代表振动的测量管(13)的受过程介质影响的机械摆动。
19.根据权利要求17或18所述的过程测量仪表，其中变换器(10)包括固定至测量管(13)的支持元件(14)，其特别是可摆动地悬挂在变换器外壳(100)内，用于支持摆动激励器(16)，并且变换器(10)还包括至少第一传感器元件(17)。
20.根据权利要求19所述的过程测量仪表，其中至少温度传感器(40)固定至支持元件(14)或至少位于其附近。
21.根据权利要求1-20中任一条所述的过程测量仪表，
-其中传感器设置(60)包括主要对物理过程量作出反应的至少一个第二传感器元件(18)，并且借助于第二传感器元件(18)提供受物理过程量影响的至少一个第二测量信号(s2)，并且
-其中测量仪表电子装置还使用第二测量信号生成测量值。
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