DD297704A5

DD297704A5 - Verfahren zur bestimmung des bezugsvolumens eines fluides mittels dichtemengenumwertung

Info

Publication number: DD297704A5
Application number: DD34380790A
Authority: DD
Inventors: Jens Adler; Ullrich Schoepflin
Original assignee: Elektro-Apparate-Werke Berlin Gmbh,De
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1992-01-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Bezugsvolumenstromes eines Fluids mittels einer Dichtemengenumwertung unter Verwendung eines Wirbelzaehlers nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstrasze. Aus dem Meszsignal des Wirbelzaehlers werden nach der Signalvorverarbeitung die Signalfrequenz und die Signalamplitude von ueberlagerten Stoerungen befreit und anschlieszend vom Durchfluszrechner ermittelt. Aus der so gewonnenen Signalfrequenz kann der Durchfluszrechner den Volumenstrom, die Dichte und den Bezugsvolumenstrom des Fluides berechnen. Erfindungsgemaesz wird der Bezugsvolumenstrom aus der mittels modifizierter Frequenzverhaeltnismessung ermittelten Frequenz sowie aus der durch modifizierte Diskrete Fouriertransformation bestimmten Amplitude des Meszsignales berechnet, wobei insbesondere die Amplitude aus dem der Frequenz entsprechenden Spektralkoeffizienten gewonnen wird. Fig. 1{Bezugsvolumen; Fluid; Dichtemengenumwertung; Wirbelzaehler; Tiefpaszfilter; Trigger; Halteglied; Analog-Digital-Umsetzer; Durchfluszrechner; Fouriertransformation}

Description

Ziel der Erfindung

Die Nützlichkeit der Erfindung besteht darin, den Rechenaufwand zu verringern sowie die Meßwertsicherheit zu erhohen, bei minimalem Aufwand zur Erfüllung der Meßaufgabe.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Losungsfindung eines Verfahrens zur Dichtemengenumwertung von Fluiden unter Verwendung eines Wirbelzahlers nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstraße, wobei eine Trennung von Nutz- und Storanteil des Meßsignales auch fur Storanteile, die direkt am Nutzanteil liegen, zu ermöglichen ist. Aus dem Meßsignal des Wirbelzahlers werden nach der Signalvorverarbeitung die Signalfrequenz und die Signalamplitude von überlagerten Störungen befreit und anschließend vom Durchflußrechner ermittelt. Aus der so gewonnenen Signalfrequenz und Signalamplitude kann der Durchflußrechner den Volumenstrom und die Dichte des Fluids berechnen. Erfindungsgemäß wird das durch den Geber des Wirbelzahlers gewonnene analoge, verstärkte Signal einerseits mittels einer bekannten Auswerteelektronik zu einer von Störungen freie Impulsfolge und daraus die Frequenz fx nach der Gleichung

fx = Nx fo/No (4)

(fo- normierte Frequenz, No normierte Impulszahl) berechnet, andererseits wird das Meßsignal digitalisiert und zur Berechnung der Amplitude dem Durchflußrechner übergeben. Aus den diskreten Abtastwerten des Meßsignales wird mittels Diskreter Fouriertransformation die Amplitude berechnet, wobei nur der Spektralkoeffizient, der der der zuvor ermittelten Frequenz fx entspricht, berücksichtigt wird

2/N (5)

(6)

\/( N-1 /2nfxk^² /n^I , / 2nfxk\V

= У Σ xk) cosl IJ +1 Σ x(к)-sin 1 Il

V \ ι,£-_η V fa // \ !.Го V fa //

ι = fx N/fa (7)

/N (8)

Ü - Amplitude

F(i) - i-terSpektralkoeffizient

N - Anzahl der Abtastwerte

fa - Abtastfrequenz

x(k) - k-ter Abtastwert

Fur die Dichte des Fluids gilt

ρ = U/Kb fx (9)

(Kb - Proportionalitatsfaktor)

In den Proportionalitatsfaktor gehen eine Reihe von Großen ein, wie die Strouhalzahl, der Ubertragungsfaktor des Sensors, die Geometrie von Storkorper und Rohrleitung, Ubertragungsfaktoren der elektronischen Bauelemente, ein. Somit kann der Bezugsvolumenstrom Vb mittels Dichtemengenumwertung nach der Gleichung

Vb = p,/p_bVl (10)

mit V1 =fx Kf (11)

(p Bezugsdichte, V1 Betriebsvolumenstrom) berechnet werden. Das Bezugsvolumen Vb laßt sich nun letztlich durch Integration des Bezugsvolumenstromes Vb über die Zeit ermitteln.

Ausfuhrungsbeispiel

Figur 1 zeigt eine Anordnung zur Ausfuhrung des Verfahrens. Figur 2 zeigt das Prinzip des Wirbelzahlers. Gemäß Fig. 2 werden bei vorhandenem Durchfluß im Geberrohr 7 am Storkorper 8 des Wirbelzahlers Wirbel 11 abgelost, die hinter dem Storkorper 8 zu Schwankungen der kinetischen Energie des Fluids fuhren und Ursache fur die Auslenkung der Federplatte 9mit Piezoabtastsystem lOsind. Das vom Piezoabtastsystem 10 abgegebene analoge elektrische Signal u(t)istein Abbild fur die Druckschwankungen hinter dem Storkorper 8. Gemäß Fig. 1 wird das Signal U(t) auf einen Vorverstärker mit Tiefpaß 1 gefuhrt und anschließend getrennt weiterverarbeitet. Das Signal u (t) wird zum einen mit frequenzabhängig gesteuertem Hoch- und Tiefpaßfilter 2 sowie mit einem Trigger 3 verbunden. Als Ausgangssignal steht zur programmtechnischen Weiterverarbeitung im Durchflußrechner 6 nach Gleichung (4) eine Impulsfolge Nx (fx) zur Verfügung.

Außerdem wird das Signal u (t) auf ein Halteglied 4 geführt, anschließend durch einen Analog-Digital-Umsetzer 5 digitalisiert und dem Durchflußrechner 6 zugeführt. Im Durchflußrechner 6 wird aus den digitalisierten Werten von u(t) die Amplitude Ü(fx) der Grundschwingung (Nutzanteil) nach Gleichung (5) berechnet. Nach Gleichung (9) kann nun die Dichte des Fluids aus der Frequenz und der Amplitude des von überlagerten Störungen befreiten Meßsignales bestimmt werden

Zur Bestimmung des Bezugsvolumenstromes nach Gleichung (10) ist die Bezugsdichte als Konstante im Durchflußrechner 6 abgelegt. Der benötigte Betriebsvolumenstrom V1 wurde nach Gleichung (11) bestimmt. Durch Integration des Bezugsvolumenstromes Vb über die Zeit erhält man das Bezugsvolumen Vb.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Bezugsvolumens eines Fluids mittels Dichtemengenumwertung unter Verwendung eines Wirbelzählers nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstraße, einem Vorverstärker mit Tiefpaßfilter, steuerbaren Hoch- und Tiefpaßfiltern, einem Trigger, einem Halteglied, einem Analog-Digital-Wandler und einem Durchflußrechner, gekennzeichnet dadurch, daß erstens das aus dem Sensor des Wirbelzählers gewonnene analoge Signal u(t) in Abhängigkeit der Frequenz mittels des steuerbaren Tief- und Hochpaßfilters (2) gefiltert, daß das so gewonnene Signal mit dem Trigger (3) in eine von Störungen freie Impulsfolge Nx gewandelt und daß aus dieser mittels modifizierter Frequenzverhältnismessung im Durchflußrechner (6) die Frequenz fx und der Betriebsvolumenstrom V1 berechnet wird, daß zweitens das analoge Signal u(t) mittels Haltegliedes (4), Analog-Digital-Umsetzer (5) und Durchflußrechner (6) digitalisiert, im Durchflußrechner (6) durch modifizierte diskrete Fouriertransformation der Betrag des Spektralkoeffizienten | F(i) | der der zuvor berechneten Frequenz entspricht, ermittelt sowie daraus die von überlagerten Störungen befreite Amplitude U berechnet, daß drittens die Betriebsdichte paus der Amplitude U und dem Quadrat der Frequenz gewonnen wird und letztendlich aus der Betriebsdichte p, der Bezugsdichte ρ und der Betriebsvolumenstrom V der Bezugsvolumenstrom Vb bzw. das Bezugsvolumen im Durchflußrechner (6) bestimmt wird.

Hierzu
2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Bezugsvolumenstromes eines Fluids mittels Dichtemengenumwertung unter Verwendung eines Wirbelzahlers nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstraße. Das Verfahren ist fur die Bilanzierung von gasformigen und flussigen Rohstoffen sowie Energieträgern besonders geeignet und kann bei der Realisierung von Meßaufgaben mit geringeren Genauigkeitsanforderungen Verwendung finden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist aus der Literatur allgemein bekannt, daß bei der Anwendung von Wirbelfrequenzdurchflußmessern neben der mittleren Stromungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstromes in einer Rohrleitung über die Ablosefrequenz an einem Storkorper nach der Beziehung f ~ с bei geeigneter Auswahl und Anordnung von Meßumformern bzw. Fühlern auch ein elektrisches Signal ermittelt werden kann, welches die Schwankungen der kinetischen Energie des Fluids nach Ablösung von Wirbeln an einem Storkorper proportional abbildet.

In dem so gewonnenen elektrischen Signal laßt sich neben der Signalfrequenz auch die Signalamphtude U auswerten, welche proportional der Dichte des Fluids und dem Quadrat der mittleren Stromungsgeschwindigkeit ist. Es gilt:

U~p-c (1)

ρ ~ Ο/Γ² (2)

Eine Losung, in der beide Effekte ausgenutzt werden und über eine geeignete Schaltungsanordnung der Massestrom eines Fluids bestimmt werden kann, wird in der US Patentschrift 3885432 beschrieben Das den Druckschwankungen proportionale elektrische Signal wird in dieser Losung unter Verwendung eines Druckmeßumformers gewonnen. In dem DD-WP 256367 wird der Effektivwert des Meßsignales mittels einer elektronischen Schaltung ermittelt. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß Störungen des Meßsignales unzureichend eliminiert werden. Aus der Literatur ist allgemein bekannt, daß zur Ermittlung der Amplitude eines Signales die Diskrete Fouriertransformation Anwendung findet. In der Rechentechnik hat sich insbesondere die schnelle Fouriertransformation (FFT) durchgesetzt. Mit der FFT kann somit die Frequenz und die Amplitude eines Spektralanteiles, insbesondere der Grundschwingung des Meßsignales, ermittelt werden Auf diese Weise können Stör- und Nutzanteil des Meßsignales getrennt werden. Em Verfahren zur dynamischen und dichteunabhangigen Bestimmung des Massestromes von Fluiden wird in EP 0046965 vorgeschlagen. Das Verfahren ist durch einen einzigen Storkorper gekennzeichnet, an dem sowohl die Wirbelablosefrequenz als auch der Staudruck gemessen werden Aus beiden Großen wird über die Beziehung

m = 20/2 ρ · V²) A/V (3)

der Massestrom bestimmt. In der DE-AS 1498271 ist eine weitere Anordnung zur Messung des Massestromes ohne bewegte Teile dargestellt. Den Losungen von US PS-3885432 und DE-AS 1498271 ist gemeinsam, daß die Ausgabe der Dichte nicht möglich ist. Den beiden Losungen sowie der in EP 0046965 beschriebenen ist außerdem gemeinsam, daß ein volkswirtschaftlich sehr relevantes Problem, die Bestimmung des Bezugsvolumens, mit diesen Verfahren bzw. Anordnungen nicht gelost wird Weitere Anordnungen zur unabhängigen Messung de> Durchflusses bzw. der Dichte zwecks Bestimmung der Masse bzw des Massestromes eines Fluids sind in den Schriften DE-PS 2948961, DE-PS 2935891, DE-OS 3218940 und DD-WP 222121 zu finden Die zuletzt genannten Losungen stehen stellvertretend für eine Vielzahl ahnlicher Losungen, bei denen zwei unabhängige Messungen (Durchfluß und Dichte) notwendig sind. Auf diese Losungen soll deshalb nicht eingegangen werden.