DE10020606A1 - Vibrations-Meßgerät und Verfahren zum Messen einer Viskosität eines Fluids - Google Patents
Vibrations-Meßgerät und Verfahren zum Messen einer Viskosität eines FluidsInfo
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Abstract
Es wird ein Vibrations-Meßgerät sowie ein Verfahren zum Messen einer Viskosität eines in einer Rohrleitung geführten Fluids vorgeschlagen. Das Vibrations-Meßgerät umfaßt eine Meßgeräte-Elektronik (50) sowei einen Meßwerteaufnehmer (10) mit einer elektromechanischen Erregeranordnung (16) und mit einem im Betrieb oszillierenden Meßrohr (13). Eine Sensoranordnung (60) erzeugt einlaßseitige und auslaßseitige Auslenkungen des Meßrohrs (13) repräsentierende Sensorsignale (xs1), (xs2). Eine Auswerteschaltung (50B) wandelt diese Sensorsignale (xs1), (xs2) mittels eines von einer Erregerschaltung (50A) erzeugten Erregerstroms (i¶exc¶) für die Erregeranordnung (16) in einen die Viskosität des Fluids repräsentierenden Viskositäts-Meßwert (Xeta).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer
Viskosität eines in einer Rohrleitung geführten Fluids
sowie ein entsprechendes Vibrations-Meßgerät. Ferner
betrifft die Erfindung die Verwendung eines Coriolis-
Massedurchfluß/Dichtemeßgerätes zum Messen der Viskositäten
des Fluids.
Coriolis-Massedurchfluß/Dichtemeßgeräte werden bevorzugt
zum hochgenauen Messen eines Massedurchflusses und/oder
einer Dichte eines in einer Rohrleitung geführten Fluids
bevorzugt eingesetzt.
Ein Coriolis-Massedurchfluß/Dichtemeßgerät ist bekanntlich
ein Vibrations-Meßgerät, das mindestens ein in eine
Rohrleitung fluiddicht, insb. druckdicht, eingefügtes
Meßrohr zum Führen des Fluids aufweist, welches Meßrohr im
Meßbetrieb mit wenigstens einer Frequenz multi-modal, insb.
bi-modal, um eine Ruhelage oszilliert. Das Meßrohr wird dazu
mittels einer elektromechanischen Erregeranordnung
üblicherweise auf einem ersten Schwingungsmode derart
erregt, daß Corioliskräften im strömenden Fluid erzeugt
werden. Bei einem geraden Meßrohr kann als erster
Schwingungsmode z. B. ein Grundschwingungsmode eines
zweiseitig fest eingespannten Biegebalkens dienen, der
bekanntlich einen einzigen Schwingungsbauch aufweist. Bei
einem, insb. U- oder Ω-förmig, vorgebogenen Meßrohr wird
als erster Schwingungemode üblicherweise ein
Grundschwingungsmode eines einseitig eingespannten Balkens,
angeregt.
Bei derartigen Vibrations-Meßgeräten wird aufgrund der
mittels des ersten Schwingungemode im strömenden Fluid
bewirkten Corioliskräfte gleichzeitig ein zweiter
Schwingungemode angeregt, dessen Amplitude vom
Massedurchfluß abhängig ist.
Zum Ermitteln des Massedurchflusses werden eine Schwingung
des Meßrohrs an einem einlaßseitgen Ende und eine
Schwingung des Meßrohrs an einem auslaßseitgen Ende mittels
eines entsprechenden Sensoranordnung erfaßt und in ein die
einlaßseitigen Schwingungen repräsentierendes erstes und
ein die auslaßseitigen Schwingungen repräsentierendes
zweites Sensorsignal umgewandelt.
Die beiden erfaßten Schwingungen weisen aufgrund des dem
ersten Schwingungsmode überlagerten zweiten
Schwingungsmodes eine gegenseitige Phasenverschiebung auf.
Diese Phasenverschiebung, die in entsprechender Weise auch
zwischen den beiden Sensorsignalen meßbar ist, dient bei
Coriolis-Massedurchfluß-/Dichtemeßgeräten als ein den
Massedurchfluß repräsentierende Meßgröße.
Bei Coriolis-Massedurchfluss/Dichtemeßgeräten ist eine
Resonanzfrequenz und/oder die Amplitude ersten
Schwingungsmode üblicherweise meßbar von der Dichte des
Fluids abhängig. Somit ist z. B. für den Fall, daß das
Meßrohr stets auf der Resonanzfrequenz des ersten
Schwingungsmodes erregt wird, diese ein Maß für die
momentane Dichte des Fluids.
Vibrations-Meßgeräte der beschriebenen Art gehören seit
langem zum Stand der Technik. So ist z. B. bereits in den
US-A 41 87 721, US-A 48 76 879, US-A 56 48 616, US-A 56 87 100,
US-A 57 96 011, US-A 60 06 609 jeweils ein Vibrations-
Meßgerät zum Messen eines Massedurchflusses und einer
Dichte eines in einer Rohrleitung geführten Fluids
beschrieben, welches Vibrations-Meßgerät umfaßt:
- - einen Meßwerteaufnehmer
- - mit mindestens einem in die Rohrleitung eingefügtem Meßrohr,
- - das an einem Einlaßende und an einem Auslaßende schwingfähig eingespannt ist und
- - das im Betrieb mit einer einstellbaren Erregerfrequenz relativ zu einer Ruhelage oszilliert,
- - mit einer elektromechanische Erregeranordnung zum gleichzeitigen Erzeugen räumlicher Auslenkungen und elastischer Verformungen des Meßrohrs sowie
- - mit einer auf laterale Auslenkungen des Meßrohrs reagierenden Sensoranordnung
- - zum Erzeugen eines eine einlaßseitige Auslenkung des Meßrohrs repräsentierenden ersten Sensorsignals und
- - zum Erzeugen eines eine auslaßseitige Auslenkung des Meßrohrs repräsentierenden zweiten Sensorsignals, sowie
- - eine Meßgeräte-Elektronik
- - mit einer Erregerschaltung, die einen die Erregeranordnung speisenden Erregerstrom erzeugt, und
- - mit einer Auswerteschaltung, die mittels des ersten Sensorsignals und mittels des zweiten Sensorsignals einen Massedurchfluß des Fluids repräsentierenden Massedurchflußwert und einen eine Dichte des Fluids repräsentierenden Dichtemeßwert liefert.
Ein für die Beschreibung eines strömenden Fluids weiterer
wichtiger physikalischer Parameter ist die Viskosität,
wobei bekanntlich zwischen einer kinematischen und einer
dynamischen unterschieden werden kann.
Viskositäts- und dichtemessende Vibrations-Meßgeräte für
strömende Fluide gehören gleichfalls zum Stand der Technik.
So ist z. B. in der US-A 45 24 610 ein Viskositäts-
/Dichtemeßgerät für ein strömendes Fluid beschrieben, das
ein im Betrieb bi-modal oszillierendes Meßrohr aufweist.
Bei diesem Viskositäts-/Dichtemeßgerät oszilliert das
Meßrohr entweder abwechselnd im oben erwähnten ersten
Schwingungsmode zur Ermittlung der Dichte oder in einem
Torsions-Schwingungsmode zur Ermittlung der Viskosität oder
aber simultan in beiden Schwingungsmoden jedoch mit
unterschiedlichen Frequenzen. Aufgrund dieser vom Meßrohr
ausgeführten Torsionsschwingungen werden im Fluid
Scherkräfte verursacht, die den Torsionsschwingungen
wiederum dämpfend entgegenwirken. Ferner ist in der
US-A 45 24 610 beschrieben, daß der für die
Aufrechterhaltung der Schwingungen des Meßrohrs, insb.
dessen Torsionsschwingungen, erforderliche Erregerstrom als
ein Maß für die Viskosität dienen kann.
In der US-A 53 59 881 ist des weiteren ein Verfahren zur
Messung der Viskosität eines strömenden Fluids beschrieben,
bei dem zur Ermittlung des Massedurchflusses ein Coriolis-
Massendurchfluß-/Dichtemeßgerät verwendet wird und bei dem
zur Bestimmung der Viskosität zusätzlich eine
Druckdifferenz im strömenden Fluid entlang der
Strömungsrichtung erfaßt wird.
Ferner sind in der US-A 52 53 533 und der US-A 60 06 609
Coriolis-Massedurchfluß-/Dichteaufnehmer beschrieben,
mittels denen zusätzlich zum Massedurchfluß und/oder zur
Dichte auch eine Viskosität des Fluids erfaßt werden kann.
Diese Coriolis-Massedurchfluß-/Dichteaufnehmer weisen
jeweils ein gerades Meßrohr auf, das im Meßbetrieb simultan
zum jeweils ersten Schwingungsmode ebenfalls in einem
Torsions-Schwingungsmode oszilliert und dadurch zumindest
abschnittsweise Torsionsschwingungen um eine
Meßrohrlängsachse ausführt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß die bisher im Betrieb von
Coriolis-Massendurchflußmessern praktisch nur zum Zwecke
der Kompensation der primären Meßwerte, nämlich einem
Massedurchflußmeßwert und einem Dichtemeßwert, ermittelten
Viskositäten für eine Ausgabe als ein zusätzlicher
Viskositätsmeßwert zu ungenau bestimmt wurden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin ein
Vibrations-Meßgerät zum Messen einer Viskosität eines in
einer Rohrleitung geführten Fluids anzugeben, das außerdem
zum, insb, simultanen, Messen eines Massedurchflusses und
einer Dichte des Fluids geeignet ist. Ferner besteht die
Erfindung in einem Verfahren, das der Erhöhung der
Genauigkeit der Viskositätsmessung mittels Coriolis-
Massendurchfluß-/Dichtemeßgeräten dient.
Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einem
Vibrations-Meßgerät zum Messen einer Viskosität eines in
einer Rohrleitung geführten Fluids, welches Vibrations-
Meßgerät umfaßt:
- - einen Meßwerteaufnehmer
- - mit mindestens einem in die Rohrleitung eingefügtem Meßrohr, das
- - ein das Fluid führende Meßrohrlumen aufweist und
- - an einem Einlaßende sowie an einem Auslaßende schwingfähig eingespannt ist,
- - mit einer elektromechanische Erregeranordnung zum Erzeugen räumlicher Auslenkungen des Meßrohrs sowie
- - mit einer auf laterale Auslenkungen des Meßrohrs reagierenden Sensoranordnung
- - zum Erzeugen eines eine einlaßseitige Auslenkung des Meßrohrs repräsentierenden ersten Sensorsignals und
- - zum Erzeugen eines eine auslaßseitige Auslenkung des Meßrohrs repräsentierenden zweiten Sensorsignals,
- - wobei im Betrieb das Meßrohr zum Erzeugen viskoser
Reibungen im Fluid mit einer einstellbaren
Erregerfrequenz relativ zu einer Ruhelage oszilliert,
sowie - - eine Meßgeräte-Elektronik
- - mit einer Erregerschaltung, die einen die Erregeranordnung speisenden Erregerstrom erzeugt, und
- - mit einer Auswerteschaltung,
- - die mittels des Erregerstrom einen die viskose Reibungen im Fluid repräsentierenden Reibungsmeßwert erzeugt
- - die mittels des ersten Sensorsignals und/oder mittels des zweiten Sensorsignals sowie mittels des Reibungsmeßwertes einen die Viskosität des Fluids repräsentierenden Viskositäts-Meßwert liefert.
Ferner besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Messen
einer Viskosität eines in einer Rohrleitung geführten
Fluids mittels eines Vibrations-Meßgerätes, das umfaßt:
- - einen Meßwerteaufnehmer
- - mit mindestens einem in die Rohrleitung eingefügtem Meßrohr, das im Betrieb mit einer einstellbaren Erregerfrequenz relativ zu einer Ruhelage oszilliert,
- - mit einer elektromechanische Erregeranordnung zum Erzeugen räumlicher Auslenkungen des Meßrohrs und
- - mit einer auf laterale Auslenkungen des Meßrohrs reagierenden Sensoranordnung zum Erfassen einer einlaßseitigen und einer auslaßseitigen Auslenkung des Meßrohrs, sowie
- - eine Meßgeräte-Elektronik
- - mit einer Erregerschaltung, die einen die Erregeranordnung speisenden Erregerstrom erzeugt, und
- - mit einer Auswerteschaltung,
- - wobei das Vibrations-Meßgerät im Betrieb einen eine Dichte des Fluids repräsentierenden Dichte-Meßwert und einen die Erregerfrequenz repräsentierenden Erregerfrequenz-Meßwert liefert,
welches Verfahren folgende Schritte umfaßt:
- - Erzeugen von Schwingungen des Meßrohrs mit der Erregerfrequenz zum Erzeugen viskoser Reibung im Fluid,
- - Erfassen eines die Erregeranordnung durchfließenden Erregerstroms zum Erzeugen eines die viskose Reibung repräsentieren Reibungsmeßwert,
- - Erfassen einer einlaßseitigen und/oder einer auslaßseitigen Auslenkung des Meßrohrs zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsmeßwerts, der eine Geschwindigkeit einer die viskose Reibung bewirkenden Bewegung des Fluids repräsentiert,
- - Dividieren des Reibungsmeßwerts durch den zweiten Meßwert zum Erzeugen eines eine von der viskosen Reibung bewirkte Dämpfung des oszillierenden Meßrohrs repräsentierenden Quotientenwertes,
- - Erzeugen eines von einer Dichte des Fluids und von der Erregerfrequenz abhängigen Korrekturwertes mittels des Dichte-Meßwertes und mittels des Erregerfrequenz- Meßwertes und
- - Dividieren des Quotientenwertes durch den Korrekturwert zum Erzeugen eines die Viskosität repräsentierenden Viskositäts-Meßwertes.
Nach einer bevorzugten ersten Ausgestaltung des Vibrations-
Meßgerätes der Erfindung erzeugt die Auswerteschaltung
mittels des ersten Sensorsignals und/oder mittels des
zweiten Sensorsignals einen Schätzwert für eine
Geschwindigkeit einer die viskose Reibung verursachenden
Bewegung des Fluids.
Nach einer bevorzugten zweiten Ausgestaltung des
Vibrations-Meßgerätes der Erfindung erzeugt die
Auswerteschaltung mittels des Reibungswertes und mittels
des Schätzwert einen Quotientenwert, der eine von der
viskosen Reibung bewirkte Dämpfung des oszillierenden
Meßrohrs repräsentiert.
Nach einer bevorzugten dritten Ausgestaltung des
Vibrations-Meßgerätes der Erfindung werden im Meßrohr (13)
aufgrund seiner räumlichen Auslenkungen elastische
Verformungen des Meßrohrlumens (13A) bewirkt.
Nach einer bevorzugten vierten Ausgestaltung des
Vibrations-Meßgerätes der Erfindung werden im Meßrohr (13)
aufgrund seiner räumlichen Auslenkungen torsionale
Verdrehungen um eine Meßrohrlängsachse (13B) bewirkt.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die
Viskosität vom gemessenen Erregerstrom und von einer im
Betrieb von derartigen Vibrations-Meßgeräten der
beschriebenen Art, insb. von Coriolis-
Massedurchfluß/Dichte-Meßgeräten, stets gemessenen
Geschwindigkeit der lateralen Auslenkung des Meßrohrs,
insb. von den zur Massedurchflußmessung einlaßseitig
und/oder auslaßseitig erfaßten Schwingungen, abzuleiten.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zur deren
Realisierung herkömmliche Coriolis-
Massedurchfluß/Dichteaufnehmer der beschriebenen Art
verwendet werden können, ohne an diesen selbst
Veränderungen hinsichtlich des mechanischen Aufbaus
vornehmen zu müssen. Somit kann eine Implementierung z. B.
auch in bereits im Einsatz befindliche Coriolis-
Massedurchfluß/Dichtemeßgeräte erfolgen.
Nachfolgend soll die Erfindung und weitere Vorteile anhand
von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Figuren der
Zeichnung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Vibrations-Meßgerät für ein
strömendes Fluid,
Fig. 2 zeigt perspektivisch in einer ersten
Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für einen
Meßwerteaufnehmer des Vibrations-Meßgerätes gemäß
Fig. 1 und
Fig. 3 zeigt perspektivisch in einer zweiten
Seitenansicht den Meßwerteaufnehmer gemäß Fig. 2.
Fig. 4 zeigt perspektivisch in einen vergrößerten
Ausschnitt des Meßwerteaufnehmers gemäß Fig. 2.
In der Fig. 1 ist ein schematisch ein Vibrations-Meßgerät
dargestellt, das dazu dient eine Viskosität η sowie eine
Dichte ρ eines in einer nicht dargestellten Rohrleitung
geführten Fluids, insb. simultan, zu ermitteln und in
entsprechenden Meßwerten abzubilden. Ferner dient das
Vibrations-Meßgerät bevorzugt dazu neben Viskosität η und
Dichte ρ gleichzeitig einen einen Massendurchfluß m des
Fluids zu ermitteln.
Zum Erfassen vorgenannter, das Fluid beschreibender
Parameter, nämlich der Viskosität η, der Dichte ρ und ggf.
des Massendurchfluß m, umfaßt das Vibrations-Meßgerät einen
in die Rohrleitung fluiddicht, insb. druckdicht,
eingefügten Meßwerteaufnehmer 10 zum Führen des Fluids.
Ferner umfaßt das Vibrations-Meßgerät eine dem Ansteuern
des Meßwerteaufnehmers 10 und der Generierung vorgenannter
Meßwerte dienende Meßgeräte-Elektronik 50. Für den Fall,
daß das Vibrations-Meßgerät für eine Ankopplung an einen,
insb. seriellen, Feldbus vorgesehen ist, weist die
Meßgeräte-Elektronik 50 eine entsprechende Kommunikation-
Schnittstelle für eine Datenkommunikation, z. B. zum Senden
der Meßdaten an eine übergeordnete speicherprogrammierbare
Steuerung oder ein übergeordnetes Prozeßleitsystem, auf.
Selbstverständlich ist die Meßgeräte-Elektronik 50 in der
dem Fachmann bekannten Weise vorzugsweise in einem nicht
dargestellten Gehäuse unterzubringen.
In den Fig. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer als
ein Meßwerteaufnehmer 10 dienende physikalisch-zu-
elektrische Wandleranordnung gezeigt. Der Aufbau einer
derartigen Wandleranordnung ist z. B. auch in der
US-A 60 06 609 ausführlich beschrieben. Ferner wird
vorgenannte Wandleranordnung z. B. in von der Anmelderin
hergestellten Coriolis-Massedurchfluß/Dichtemeßgeräten der
Serie "PROMASS I" verwendet.
Der Meßwerteaufnehmer 10 umfaßt ein gerades, ein Einlaßende
11 und ein Auslaßende 12 aufweisendes Meßrohr 13 von
vorgebbarem, elastisch verformbaren Meßrohrlumen 13A und von
vorgebbarer Nennweite D13, welches Meßrohr 13 in einen
starren Tragrahmen 14 schwingfähig eingespannt ist.
Elastisches Verformen des Meßrohrlumens 13A bedeutet hier,
daß zum Erzeugen von das Fluid beschreibenden
Reaktionskräften, nämlich Corioliskräften,
Masseträgheitskräften und/oder Scherkräften, im Betrieb des
Meßwerteaufnehmers 10 eine Raumform und/oder eine Raumlage
des das Fluid führenden Meßrohrlumens 13A innerhalb eines
Elastizitätsbereiches des Meßrohrs 13 in vorgebbarer Weise
zyklisch, insb. periodisch, verändert werden, vgl. z. B. die
US-A 48 01 897, die US-A 56 48 616, die US-A 57 96 011
und/oder die US-A 60 06 609.
Der Tragrahmen 14 ist am Einlaßende 11 mit einer das
Meßrohr 13 umhüllenden Einlaßplatte 213 und am Auslaßende
12 mit einer das Meßrohr 13 ebenfalls umhüllenden
Auslaßplatte 223 fixiert. Des weiteren weist der Tragrahmen
14 eine erste Trägerplatte 24 und eine zweite Trägerplatte
34 auf, welche beiden Trägerplatten 24, 34 derart an der
Einlaßplatte 213 und an der Auslaßplatte 223 fixiert sind,
daß sie im wesentlichen parallel zum Meßrohr 13 sowie von
diesem und voneinander beabstandet angeordnet sind, vgl.
Fig. 2. Somit sind einander zugewandte Seitenflächen der
beiden Trägerplatten 24, 34 ebenfalls parallel zueinander.
In vorteilhafter Weise ist ein Längsstab 25 an den
Trägerplatte 24, 34 vom Meßrohr 13 beabstandet fixiert, der
als Schwingungen des Meßrohrs 13 tilgende Auswuchtmasse
dient. Der Längsstab 25 erstreckt sich, wie in Fig. 3
dargestellt, praktisch parallel zur gesamten schwingfähigen
Länge des Meßrohrs 13; dies ist jedoch nicht zwingend, der
Längsstab 25 kann selbstverständlich, falls erforderlich,
auch kürzer ausgeführt sein.
Der Tragrahmen 14 mit den beiden Trägerplatten 24, 34, der
Einlaßplatte 213, der Auslaßplatte 223 und ggf. dem
Längsstab 25 hat somit eine Längsschwerelinie, die parallel
zu einer das Einlaßende 11 und das Auslaßende 12 virtuell
verbindenden Meßrohrlängsachse 13B verläuft.
In den Fig. 2 und 3 ist durch die Köpfe der gezeichneten
Schrauben angedeutet, dass das erwähnte Fixieren der
Trägerplatten 24, 34 an den Endplatten 213, 223 und am
Längsstab 25 durch Verschrauben erfolgen kann; es können
aber auch andere geeignete und dem Fachmann geläufige
Befestigungsarten angewendet werden.
Gemäß der Fig. 2 umfaßt der Meßwerteaufnehmer 10 ferner
eine elektromechanische Erregeranordnung 16, die dazu
dient, das Meßrohr 13 im Betrieb aus einer statischen
Ruhelage räumlich auszulenken und somit in vorgebbarer
Weise elastisch zu verformen.
Die Erregeranordnung 16 weist dazu, wie in Fig. 4
dargestellt, eine starre, hier T-förmige, Hebelanordnung 15
mit einem am Meßrohr biegefest fixierten Ausleger 154 und
mit einem Joch 163 auf. Das Joch 163 ist an einem vom
Meßrohr 13 beabstandeten Ende des Auslegers 154 ebenfalls
biegefest fixiert, und zwar so, daß es quer zur bereits
erwähnten Meßrohrlängsachse 13B ausgerichtet ist. Als
Ausleger 154 kann z. B. eine metallische Scheibe dienen, die
das Meßrohr in einer Bohrung aufnimmt. Für weitere
geeignete Ausführungen der Hebelanordnung 15 sei an dieser
Stelle auf die bereits erwähnte US-A 60 06 609 verwiesen.
Die Hebelanordnung 15 ist bevorzugt, wie in Fig. 2 ohne
weiteres erkennbar, so angeordnet, daß sie etwa in der
Mitte zwischen Einlaß- und Auslaßende 11, 12 auf Meßrohr 13
einwirkt und somit das Meßrohr 13 im Betrieb mittig eine
größte laterale Auslenkung ausführt.
Zum Antreiben der Hebelanordnung 15 umfaßt die
Erregeranordnung 16 gemäß Fig. 4 eine erste Erregerspule 26
und einen zugehörigen ersten Dauermagneten 27 sowie eine
zweite Erregerspule 36 und einen zugehörigen zweiten
Dauermagneten 37 auf, welche beiden Erregerspulen 26, 36
beiderseits des Meßrohrs 13 unterhalb des Jochs 163 am
Tragrahmen 14, insb. lösbar, fixiert sind. Die beiden
Erregerspulen 26, 36 sind bevorzugt in Reihe geschaltet;
sie können falls erforderlich selbstverständlich auch
zueinander parallel geschaltet sein.
Die beiden Dauermagneten 27, 37 sind, wie in Fig. 2 und 4
dargestellt, derart voneinander beabstandet am Joch 163
fixiert, das im Betrieb des Meßwerteaufnehmers 10 der
Dauermagnet 27 im wesentlichen von einem Magnetfeld der
Erregerspule 26 und der Dauermagnet 37 im wesentlichen von
einem Magnetfeld der Erregerspule 36 durchflutet und
aufgrund entsprechender elektromagnetischer Kraftwirkungen
bewegt werden. Dazu wird die Erregeranordnung 16 mittels
eines von einer entsprechenden Erregerschaltung 50A der
Meßgeräte-Elektronik 50 gelieferten gleichfalls
oszillierenden, uni-polaren oder bipolaren, Erregerstrom
iexc von einstellbarer Amplitude und von einstellbarer
Erregerfrequenz fexc derart gespeist, daß die Erregerspulen
26, 36 im Betrieb von diesem durchflossenen sind und in
entsprechender Weise die Magnetfelder zum Bewegen der
Dauermagneten 27, 37 erzeugt werden. Der Erregerstrom iexc
kann z. B. als eine harmonische Schwingung, als eine
Dreieck-Schwingung oder als eine Rechteck-Schwingung
ausgebildet sein. Die, insb. einzige, Erregerfrequenz fexc
des Erregerstrom iexc entspricht, wie bei Vibrations-
Meßgeräten der beschriebenen Art üblich, einer einer
momentanen mechanischen Resonanzfrequenz des fluidführenden
Meßrohrs 13.
Die mittels der Magnetfelder der Erregerspulen 26, 36
erzeugten Bewegungen der Dauermagnete 27, 37 werden via
Joch 163 und Ausleger 154 auf das Meßrohr 13 übertragen.
Diese Bewegungen der Dauermagnete 27, 37 sind so
ausgebildet, daß das Joch 163 mit der, insb. einzigen,
Erregerfrequenz fexc alternierend in Richtung der
Trägerplatte 24 oder in Richtung der Trägerplatte 34 aus
seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Eine entsprechende, zur
bereits erwähnten Meßrohrlängsachse 13B parallele Drehachse
der Hebelanordnung 15 kann z. B. durch den Ausleger 154
verlaufen.
Für letzteren Fall ist in vorteilhafter Weise eine auf dem
Wirbelstromprinzip beruhenden Magnetlageranordnung in die
Erregeranordnung 16 integriert, die dazu dient, die, insb.
von der momentanen Dichte des Fluids abhängige, Lage dieser
Drehachse einzustellen und/oder zu stabilisieren.
Einzelheiten dieser Magnetlageranordnung sind z. B. in der
US-A 60 06 609 ausführlich beschrieben; ferner ist die
Verwendung einer derartigen Magnetlageranordnung bereits
von Meßwerteaufnehmern der erwähnten Serie "PROMASS I"
bekannt.
Bevorzugt umfaßt der Tragrahmen 14 ferner eine mit den
Trägerplatten 24, 34, insb. lösbar, verbundene Halterung 29
für die elektromechanische Erregeranordnung 16, die insb.
dem Haltern der Erregerspulen 26, 36 und ggf. einzelner
Komponenten vorgenannter Magnetlageranordnung dient.
Wie bereits erwähnt, dient die Erregeranordnung 16 dazu, im
Betrieb des Meßwerteaufnehmers 10 das Meßrohr 13 zu
mechanischen Schwingungen um eine statische Ruhelage
anzuregen, wodurch dieses zumindest laterale, insb. lateral
oszillierende, Auslenkungen ausführt.
Beim Meßwerteaufnehmer 10 des Ausführungsbeispiels bewirken
diese lateralen Auslenkungen gleichzeitig eine elastische
Verformung des Meßrohrlumens 13A des am Einlaßende 11 und
am Auslaßende 12 in der oben beschriebenen Weise fest
eingespannten Meßrohr 13. Diese Verformung des
Meßrohrlumens 13A ist dabei praktisch über die gesamte
Länge des Meßrohr 13 ausgebildet.
Ferner wird im Meßrohr 13 aufgrund seiner Einspannung und
aufgrund eines via Hebelanordnung 15 auf das Meßrohr 13
wirkenden Moments gleichzeitig zu den lateralen
Auslenkungen eine torsionale zumindest abschnittsweise
Verdrehung erzwungen. Diese Verdrehung des Meßrohrs 13 kann
so ausgebildet sein, daß eine laterale Auslenkung des vom
Meßrohr 13 beabstandeten Ende des Auslegers entweder in
gleichgerichtet oder entgegengerichtet zur lateralen
Auslenkung des Meßrohrs 13 ist. Anders gesagt, das Meßrohr
13 kann Torsionsschwingungen in einem dem ersteren Fall
entsprechenden ersten Torsionsmode oder in einem dem
letzteren Fall entsprechenden zweiten Torsionsmode
ausführen, wobei beim Meßwerteaufnehmer 10 gemäß dem
Ausführungsbeispiel eine Eigenfrequenz des zweiten
Torsionsmode, von z. B. 900 Hz, in etwa doppelt so hoch ist
wie die des ersten.
Bevorzugt wird für den Meßwerteaufnehmer 10 gemäß dem
Ausführungsbeispiel die Erregerfrequenz fexc so eingestellt,
daß ausschließlich der zweite Torsionsmode erregt und
dementsprechend der erste im wesentlichen unterdrückt ist;
falls erforderlich, kann aber auch der erste Torsionsmode
angeregt werden.
Gemäß Fig. 1 weist der Meßwerteaufnehmer 10 des weiteren
eine Sensoranordnung 60 auf, die dazu dient, momentane
räumliche Auslenkungen des Meßrohrs 13 zu erfassen und
entsprechende, insb. analoge, Signale zu erzeugen. Die
Sensoranordnung 60 umfaßt dazu einen auf einlaßseitige
erste lateral oszillierende Auslenkungen des Meßrohrs 13
reagierenden ersten Sensor 17 und einen auf auslassseitige
zweite lateral oszillierende Auslenkungen des Meßrohrs 13
reagierenden, zweiten Sensor 18. Als Sensoren 17, 18 werden
bevorzugt geschwindigkeitsmessende, elektrodynamische
Sensoren verwendet. Es können aber auch weg-, oder
beschleunigungsmessende, elektrodynamische oder aber auch
optische Sensoren verwendet werden. Selbstverständlich
können auch andere dem Fachmann bekannte, auf derartige
Auslenkungen reagierende Sensoren als Sensoren 17, 18
dienen.
Beide Sensoren 17, 18 sind entlang des Meßrohrs 13
voneinander beabstandet, insb. in gleichem Abstand zur
Mitte des Meßrohrs 13, am Tragrahmen 14, insb. an einer der
Trägerplatten 24 oder 34, fixiert angeordnet.
Mittels der Sensoren 17, 18 erzeugt die Sensoranordnung 60
im Betrieb somit ein die einlaßseitigen lateralen
Auslenkungen repräsentierendes erstes Sensorsignal xs1
sowie ein die auslassseitigen lateralen Auslenkungen
repräsentierendes zweites Sensorsignal Xs2. Die
Sensorsignale xs1, xs2 sind, wie in Fig. 1 gezeigt, einer
Auswerteschaltung 50B der Meßgeräte-Elektronik 50
zugeführt. Beide Sensorsignale xs1, xs2 weisen jeweils eine
der Erregerfrequenz fexc entsprechende Signalfrequenz auf.
Bevorzugt umfaßt die Sensoranordnung 60 ferner eine
Verstärkerschaltung, die dazu dient beide Sensorsignale
xs1, Xs2 auf eine gleiche Amplitude einzustellen. Eine dafür
geeignete Amplitudenregelschaltung ist z. B. in der
US-A 56 48 616 beschrieben.
Das Einstellen der Erregerfrequenz fexc erfolgt, wie bei
derartigen Erregeranordnungen üblich, bevorzugt mittels
einer, insb. phasengesteuerten, Frequenzregelschaltung der
Erregerschaltung 50A. Der Aufbau und die Verwendung einer
geeigneten phasengesteuerten Frequenzregelschaltung zum
Einstellen einer mechanischen Resonanzfrequenz ist z. B. in
der US-A 48 01 897 ausführlich beschrieben.
Selbstverständlich können auch andere, dem Fachmann
bekannte Frequenzregelschaltungen verwendet werden, die dem
Einstellen mechanischer Resonanzfrequenzen für Vibrations-
Meßgeräte der beschriebenen Art dienen, vgl. z. B. die
US-A 45 24 610, US-A 48 01 897. Ferner sei hinsichtlich
einer Verwendung einer solchen Frequenzregelschaltung für
Meßwerteaufnehmer der beschriebenen Art auf die bereits
erwähnte Serie "PROMASS I" verwiesen.
Zum Einstellen des Erregerstroms iexc dient, wie bei
derartigen Vibrations-Meßgeräten üblich, eine entsprechende
Verstärkerschaltung die von einem die Erregerfrequenz fexc
repräsentierenden Frequenzstellsignal und von einem die
Amplitude des Erregerstroms iexc repräsentierenden
Erregerstromstellsignal gesteuert ist. Das
Frequenzstellsignal kann z. B. eine von der oben erwähnten
Frequenzregelschaltung gelieferte Gleichspannung mit einer
frequenz-repräsentativen Amplitude sein.
Zum Erzeugen des Erregerstroms iexc umfaßt die
Erregerschaltung 50A eine entsprechende
Amplitudenregelschaltung die dazu dient, mittels der
momentane Amplitude wenigstens eines der beiden
Sensorsignale xs1 und/oder xs2 sowie mittels eines
entsprechenden konstanten oder variablen
Amplitudenreferenzwerts das Erregerstromstellsignal zu
erzeugen; ggf. kann auch ein momentane Amplitude des
Erregerstroms iexc zur Generierung des
Erregerstromstellsignals hinzugezogen werden. Derartige
Amplitudenregelschaltungen sind dem Fachmann ebenfalls
bekannt.
Als ein Beispiel für eine solche Amplitudenregelschaltung
sei nochmals auf die Serie "PROMASS I" verwiesen. Deren
Amplitudenregelschaltung ist bevorzugt so ausgeführt, daß
die Schwingungen des jeweiligen Meßrohrs im bereits
erwähnten ersten Schwingungsmode auf eine konstante, also
dichteunabhängige, Amplitude geregelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln einer
Viskosität η des Fluids soll nachfolgend am Beispiel des
vorbeschriebenen Meßwerteaufnehmers 10 näher erläutert
werden. Es sei vorangestellt, daß unter dem Begriff
Viskosität sowohl eine dynamische Viskosität als auch eine
kinematische Viskosität des Fluids verstanden werden kann,
da sich beide Viskositäten mittels der ebenfalls im Betrieb
des Vibrations-Meßgerätes gemessenen Dichte ohne weiteres
ineinander umrechnen lassen. Ferner kann anstelle der
Viskosität η auch deren Kehrwert, also eine Fluidität des
Fluids ermittelt werden.
Bei Vibrations-Meßgeräten mit wenigstens einem in der
vorbeschriebenen Weise oszillierenden Meßrohr bewirken die
räumliche Auslenkungen des jeweiligen Meßrohrs Scherkräfte
verursachenden Bewegungen des Fluids. Diese Scherkräfte im
Fluid sind von dessen Viskosität η mitbestimmt und wirken
in Form von Reibungsverlusten dämpfend auf oszillierende
Meßrohr.
Es hat sich gezeigt, daß ein Verhältnis iexc/θ des
Erregerstroms iexc zu einer praktisch nicht direkt meßbaren
Geschwindigkeit θ einer Scherkräfte verursachenden Bewegung
des Fluids eine repräsentative Schätzung für eine dieser
Auslenkung entgegenwirkenden Dämpfung ist. Diese Dämpfung
der Auslenkung ist dabei durch einen Dämpfungsanteil
mitbestimmt, der auf viskose Reibung innerhalb des Fluids
zurückzuführen ist und kann somit zur Ermittlung der
Viskosität dienen. Dementsprechend sind zur Bestimmung der
Viskosität η neben dem Erregerstrom iexc auch die
Geschwindigkeit θ vorgenannter Bewegungen des Fluids zu
ermitteln.
Für das in der bereits erwähnten US-A 45 24 610
beschriebene Verfahren zur Viskositätsmessung wird die
Geschwindigkeit θ mittels einer von einem Antriebshebel
ausgeführten Antriebsbewegung geschätzt, die torisionale
Verdrehungen eines entsprechenden Meßrohrs bewirkt. Dieser
Antriebshebel entspricht somit in etwa der Hebelanordnung
15.
Zum Erfassen der die Geschwindigkeit θ zum Zwecke der
Viskositätsmessung mittels eines Meßwerteaufnehmers der
beschriebenen Art ist die Hebelanordnung 15 jedoch nur
bedingt geeignet. Zum einen deshalb, weil wie bereits
erwähnt, die Lage der Drehachse der Hebelanordnung 15
veränderlich ist und dementsprechend stets aktuell
ermittelt werden muß; zum anderen auch deshalb, weil eine
derartige Hebelanordnung oftmals an Meßwerteaufnehmern der
beschriebenen Art nicht vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß wird die Geschwindigkeit θ daher nicht
direkt an der Hebelanordnung 15 des Meßwerteaufnehmers 10
erfaßt, sondern mittels der von der Sensoranordnung 60
gelieferten Sensorsignale xs1, xs2.
Die Verwendung der Sensorsignale xs1, xs2 zur Messung der
Viskosität η basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß
die Geschwindigkeit θ der für die viskose Reibung
verantwortlichen Bewegung des Fluids zumindest im
Arbeitsbereich von Meßwerteaufnehmern der beschriebenen Art
in einer reproduzierbaren, insb. linearen, Beziehung zur
momentanen lateralen Auslenkung des Meßrohrs 13 steht. Es
kann somit mit guter Näherung angenommen werden, daß gilt:
Xθ = K1.Xv (1)
Darin sind
Xv ein vom Sensorsignal xs1 und/oder vom Sensorsignal xs2 abgeleiteter, eine Geschwindigkeit der lateralen Auslenkung des Meßrohrs 13 momentan repräsentierender Geschwindigkeitsmeßwert,
Xθ ein Schätzwert für die Geschwindigkeit θ der Scherkräfte und damit eine viskose Reibung verursachenden Bewegung des Fluids und
K1 ein, insb. durch Kalibriermessungen, zu ermittelnder Proportionalitätsfaktor.
Xv ein vom Sensorsignal xs1 und/oder vom Sensorsignal xs2 abgeleiteter, eine Geschwindigkeit der lateralen Auslenkung des Meßrohrs 13 momentan repräsentierender Geschwindigkeitsmeßwert,
Xθ ein Schätzwert für die Geschwindigkeit θ der Scherkräfte und damit eine viskose Reibung verursachenden Bewegung des Fluids und
K1 ein, insb. durch Kalibriermessungen, zu ermittelnder Proportionalitätsfaktor.
Bei dem Geschwindigkeitsmeßwert Xv kann es sich sowohl um
einen von einem einzigen Sensorsignal xs1 oder xs2 als auch
um einen von beiden Sensorsignalen xs1, xs2, insb. von deren
Signalsumme xs1 + xs2, abgeleiteten Signalwert, z. B. eine
momentane Signalamplitude, handeln. Für den Fall, daß die
die Sensoren 17, 18 symmetrisch zur Mitte des Meßrohrs 13
angeordnet und die Sensorsignale xs1, xs2, wie bereits
erwähnt, eine gleiche oder gleich-geregelte Signalamplitude
aufweisen, ist die Signalsumme xs1 + xs2 beim
Meßwerteaufnehmer 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel
praktisch proportional zur lateralen Auslenkung in der
Mitte des Meßrohrs 13.
Der mittels Gl. (1) formulierte Zusammenhang ist für
jeweilige konkrete Realisierungen des Meßwerteaufnehmers 10
durch entsprechende Kalibriermessungen bestimmbar und in
die Meßgeräte-Elektronik 50 zu implementieren.
Zum Ermitteln des Proportionalitätsfaktor K1 ist während
einer Kalibriermessung z. B. die tatsächliche
Geschwindigkeit der Verdrehung in der Mitte des Meßrohrs 13
zu bestimmen und in Relation zu den gleichzeitig erzeugten
Sensorsignalen xs1 und/oder xs2 zu setzen. Ferner besteht
die Möglichkeit den Proportionalitätsfaktor K1 für eine
Serie von Meßwerteaufnehmern z. B. mittels dem Fachmann
bekannter Finite-Elemente-Methoden numerisch zu berechnen.
Selbstverständlich kann die Gl. (1) zur Schätzung der
Geschwindigkeit θ, falls erforderlich, auch als ein Polynom
von höherer Ordnung Xθ = Xθ(. . ., xs1, Xs2 2,. . .) formuliert und
entsprechend kalibriert werden. Insbesondere für den Fall,
daß nur ein einziges der Sensorsignale xs1, xs2 zur
Ermittlung des Schätzwertes Xθ verwendet wird, ist der
Einfluß des momentanen Massedurchflusses auf die Schätzung
der Geschwindigkeit θ entsprechend zu kalibrieren.
Zum Kalibrieren werden üblicherweise zwei oder mehrere
verschiedene Fluide mit bekannten Parametern, wie z. B.
Dichte ρ, Massedurchfluß, die Viskosität η und/oder
Temperatur des Fluids, nacheinander durch den
Meßwerteaufnehmer hindurchströmen gelassen und die
entsprechenden Reaktionen des Meßwerteaufnehmers, wie z. B.
der momentane Erregerstrom iexc und/oder die momentane
Erregerfrequenz fexc, gemessen. Die eingestellten Parameter
und die jeweils gemessenen Reaktionen des
Meßwerteaufnehmers werden in entsprechender Weise
zueinander in Relation gesetzt und somit auf die
entsprechenden Kalibrierkonstanten abgebildet. Die
ermittelten Kalibrierkonstanten können dann z. B. in Form
von digitalen Daten in einem Tabellenspeicher der
Auswerteschaltung 50B abgelegt werden; sie können aber auch
als analoge Einstellwerte für entsprechende
Rechenschaltungen dienen. Es sei an dieser Stelle darauf
verwiesen, daß das Kalibrieren derartiger Meßwerteaufnehmer
dem Fachmann an und für sich bekannt ist und daher keiner
detailierteren Erläuterung bedarf.
Die Dämpfung der Schwingungen des Meßrohrs 13 ist, neben
dem auf die viskose Reibung zurückzuführenden
Dämpfungsanteil auch durch einen vom Fluid praktisch
unabhängigen Dämpfungsanteil mitbestimmt. Dieser
Dämpfungsanteil wird von Reibungskräften verursacht, die
z. B. in der Erregeranordnung 16 und im Material des Meßrohr
13 wirken. Anders gesagt, der gemessene Erregerstrom iexc
repräsentiert die Gesamtheit der Reibungskräfte und/oder
Reibungsmomente im Meßwerteaufnehmer 10. Zur Ermittlung der
Viskosität η des Fluids ist der vom Fluid unabhängige
Dämpfungsanteil dementsprechend aus dem Verhältnis iexc/θ zu
eliminieren, d. h. es ist ein Verhältnis Δiexc/θ eines
Erregerstromanteils Δiexc, der dem auf die viskose Reibung
zurückzuführenden Dämpfungsanteil des Erregerstroms iexc
entspricht, zur Geschwindigkeit θ zu ermitteln.
Ferner ist, wie z. B. in der US-A 45 24 610 beschrieben,
eine Frequenz der Torsions-Schwingungen sowie die Dichte ρ
des Fluids bei der Ermittlung Viskosität η zu
berücksichtigen.
Zum Erzeugen eines den Erregerstromanteil Δiexc und somit
die viskose Reibung repräsentierenden Reibungsmeßwertes XΔ i
wird im Betrieb des Vibrations-Meßgerätes von einem den
Erregerstrom iexc momentan repräsentierenden
Erregerstrommeßwert, ein entsprechender Leerstrommeßwert Ki
subtrahiert, der die vorgenannten Reibungskräfte in der
Erregeranordnung 16 repräsentiert. Dieser Leerstrommeßwert
Ki ist während einer Kalibrierung des Vibrations-Meßgerät
für ein evakuiertes oder ein nur Luft führendes Meßrohr 13
zu bestimmen und entsprechend in der Meßgeräte-Elektronik
50 abzuspeichern oder einzustellen. Es ist für den Fachmann
ohne weiteres klar, daß falls erforderlich, andere den
Leerstrommeßwert Ki beeinflussende physikalische Parameter,
wie z. B. eine momentane Temperatur des Meßrohrs und/oder
des Fluids, beim Kalibrieren des Leerstrommeßwert Ki zu
berücksichtigen sind.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung basiert
die Ermittlung der Viskosität η auf folgender Beziehung:
Darin sind:
Xη ein zu die Viskosität η des Fluids repräsentierender Viskositäts-Meßwert,
Xρ ,f ein von der Dichte ρ des Fluids und von der Erregerfrequenz fexc abhängiger Korrekturwert,
XΔ i/Xθ ein das Verhältnis Δiexc/θ repräsentierender Quotientenwert und
K2 eine durch Kalibrierung zu bestimmende, insb. von der Nennweite D13 abhängige, Konstante.
Xη ein zu die Viskosität η des Fluids repräsentierender Viskositäts-Meßwert,
Xρ ,f ein von der Dichte ρ des Fluids und von der Erregerfrequenz fexc abhängiger Korrekturwert,
XΔ i/Xθ ein das Verhältnis Δiexc/θ repräsentierender Quotientenwert und
K2 eine durch Kalibrierung zu bestimmende, insb. von der Nennweite D13 abhängige, Konstante.
Für den Korrekturwert Xρ ,f gilt ferner mit guter Näherung
folgende Beziehung:
Xρf = Xρ.Xf (3)
Sowohl der Dichte-Meßwert Xρ als auch der Erregerfrequenz-
Meßwert Xf sind Meßwerte, die beim Betrieb von Vibrations-
Meßgeräten der beschriebenen Art, insb. auch im Betrieb von
Coriolis-Massedurchfluß/Dichtemeßgeräten, üblicherweise
ermittelt werden, vgl. hierzu z. B. die US-A 41 87 721, die
US-A 45 24 610, die US-A 48 76 879, die US-A 56 48 616 oder
die US-A 56 87 100. Somit kann eine Verfügbarkeit dieser
Meßwerte Xf, Xρ für die erfindungsgemäße Ermittlung der
Viskosität η ohne weiteres vorausgesetzt werden.
Es hat sich gezeigt, daß der gemäß Gl. (2) ermittelte
Viskositäts-Meßwert Xη um so genauer mit der tatsächlichen
Viskosität η übereinstimmt, je niedriger die Viskosität η
und/oder je höher die Dichte ρ des Fluids ist. Ferner wird
die Viskosität η bei dieser Ausgestaltung der Erfindung
umso genauer bestimmt, je größer die Nennweite des Meßrohrs
13 ist und je höher die momentane Erregerfrequenz fexc
eingestellt ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des
Verfahrens der Erfindung ist daher für eine genauere
Ermittlung des Viskositäts-Meßwerts Xη, insb. bei einer
Viskosität η größer 1. . .5 kg s-1 m-1 und/oder bei Nennweiten
kleiner 8. . .35 mm, folgende Beziehung zu Grunde gelegt:
Darin sind:
K3, K4 durch Kalibrierung zu bestimmende Konstanten.
K3, K4 durch Kalibrierung zu bestimmende Konstanten.
Für den Meßwerteaufnehmer 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel
kann ein Wert der Konstante K3 z. B. in einem Bereich von
etwa 0,24 bis 0,25 liegen.
Die Gleichung (4) berücksichtigt insb. die Tatsache, daß
innerhalb des Arbeitsbereiches von Meßwertaufnehmern der
beschriebenen Art der Einfluß der im Fluid wirkenden,
viskositätsabhängigen Reibungskräfte auf den
Erregerstromanteil Δiexc in radialer Richtung zur erwähnten
Meßrohrlängsachse hin degressiv abnimmt.
Es hat sich ferner gezeigt, das die oben beschrieben
Schätzung der Geschwindigkeit θ gemäß Gl. (1) in geringem
Maße auch von der Dichte ρ des Fluids abhängig ist, so daß
praktisch gilt:
K1 = K1(ρ) (5)
Untersuchungen haben gezeigt, daß für den Meßwerteaufnehmer
10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Proportionalitätsfaktor K1 zur Korrektur dieser
Dichteabhängigkeit gemäß folgender Beziehung ermittelt
werden kann:
Darin sind
ρ0 eine eingestellte und/oder gemessene Dichte eines der Kalibrierung des Meßwerteaufnehmers 10 dienenden Kalibrierfluids,
K1,0 Proportionalitätsfaktor, für den das Kalibrierfluid führenden Meßwerteaufnehmer 10 und
K5 eine von der Nennweite D13 abhängige, zu kalibrierende Konstante.
ρ0 eine eingestellte und/oder gemessene Dichte eines der Kalibrierung des Meßwerteaufnehmers 10 dienenden Kalibrierfluids,
K1,0 Proportionalitätsfaktor, für den das Kalibrierfluid führenden Meßwerteaufnehmer 10 und
K5 eine von der Nennweite D13 abhängige, zu kalibrierende Konstante.
In Analogie zur Gl. (1) gilt für den
Proportionalitätsfaktor K1,0:
Darin sind
Xθ,0 erster Kalibrations-Meßwert, der die Geschwindigkeit θ des das Kalibrierfluid führenden Meßrohrs 13 repräsentiert und
Xv,0 ein vom Sensorsignal xs1 und/oder vom Sensorsignal xs2 abgeleiteter zweiter Kalibrations-Meßwert, der eine Geschwindigkeit der lateralen Auslenkung des das Kalibrierfluid führenden Meßrohrs 13 repräsentiert.
Xθ,0 erster Kalibrations-Meßwert, der die Geschwindigkeit θ des das Kalibrierfluid führenden Meßrohrs 13 repräsentiert und
Xv,0 ein vom Sensorsignal xs1 und/oder vom Sensorsignal xs2 abgeleiteter zweiter Kalibrations-Meßwert, der eine Geschwindigkeit der lateralen Auslenkung des das Kalibrierfluid führenden Meßrohrs 13 repräsentiert.
Zum Erzeugen des Viskositäts-Meßwertes Xη umfaßt die
Auswerteschaltung 50B bevorzugt wenigstens einen
programmierbaren Mikrocomputer, in den die vorbeschrieben
Gleichungen, nämlich Gl. (1), (3) sowie die Gl. (2)
und/oder die Gl. (4) und/oder die Gl. (6) in Form von
entsprechenden Programm-Codes implementiert sind. Das
Erstellen von Programm-Codes zur Realisierung von
derartigen Gleichung ist dem Fachmann geläufig. Auch das
Übersetzen vorgenannter Gleichungen ist für den Fachmann
ohne weiteres durchführbar und bedarf daher an dieser
Stelle keiner detailierteren Erläuterung.
Selbstverständlich können diese Gleichungen auch ohne
weiteres ganz oder teilweise mittels entsprechender
analoger Rechenschaltungen in der Auswerteschaltung 50B
dargestellt werden.
Aufgrund eines relativ hohen Verhältnisses Δiexc/iexc des
Erregerstromanteils Δiexc zum Erregerstrom iexc von in etwa
0,9 ist der Meßwerteaufnehmer 10 gemäß dem
Ausführungsbeispiel für die Messung der Viskosität η
besonders geeignet. Es können aber auch andere dem Fachmann
bekannte Meßwerteaufnehmer z. B. mit einem helix-förmig
gebogenen Meßrohr verwendet werden. Ferner können auch, wie
bereits erwähnt, Meßwerteaufnehmer mit zwei parallelen,
geraden oder mit zwei parallelen, U-förmig gebogenen
Meßrohren in geeigneter Weise zur Messung der Viskosität η
eingesetzt werden. Derartige Meßwerteaufnehmer sind z. B. in
der US-A 56 48 616 oder in der US-A 57 96 011 beschrieben
und weisen ein Verhältnis Δiexc/iexc von in etwa 0,7 bis 0,8
auf.
Claims (6)
1. Vibrations-Meßgerät zum Messen einer Viskosität eines in
einer Rohrleitung geführten Fluids, welches Vibrations-
Meßgerät umfaßt:
einen Meßwerteaufnehmer (10)
mit mindestens einem in die Rohrleitung eingefügtem Meßrohr (13), das
ein das Fluid führende Meßrohrlumen (13A) aufweist und
an einem Einlaßende sowie an einem Auslaßende schwingfähig eingespannt ist,
mit einer elektromechanische Erregeranordnung (16) zum Erzeugen räumlicher Auslenkungen des Meßrohrs (13) sowie
mit einer auf laterale Auslenkungen des Meßrohrs (13) reagierenden Sensoranordnung (60)
zum Erzeugen eines eine einlaßseitige Auslenkung des Meßrohrs (13) repräsentierenden ersten Sensorsignals (xs1) und
zum Erzeugen eines eine auslaßseitige Auslenkung des Meßrohrs (13) repräsentierenden zweiten Sensorsignals (xs2),
wobei im Betrieb das Meßrohr (13) zum Erzeugen viskoser Reibungen im Fluid mit einer einstellbaren Erregerfrequenz (fexc) relativ zu einer Ruhelage oszilliert, sowie
eine Meßgeräte-Elektronik (50)
mit einer Erregerschaltung (50A), die einen die Erregeranordnung (16) speisenden Erregerstrom (iexc) erzeugt, und
mit einer Auswerteschaltung (50B),
die mittels des Erregerstrom (iexc) einen die viskose Reibungen im Fluid repräsentierenden Reibungsmeßwert (XΔ i) erzeugt
die mittels des ersten Sensorsignals (xs1) und/oder mittels des zweiten Sensorsignals (xs2) sowie mittels des Reibungsmeßwertes (XΔ i) einen die Viskosität des Fluids repräsentierenden Viskositäts-Meßwert (Xη) liefert.
einen Meßwerteaufnehmer (10)
mit mindestens einem in die Rohrleitung eingefügtem Meßrohr (13), das
ein das Fluid führende Meßrohrlumen (13A) aufweist und
an einem Einlaßende sowie an einem Auslaßende schwingfähig eingespannt ist,
mit einer elektromechanische Erregeranordnung (16) zum Erzeugen räumlicher Auslenkungen des Meßrohrs (13) sowie
mit einer auf laterale Auslenkungen des Meßrohrs (13) reagierenden Sensoranordnung (60)
zum Erzeugen eines eine einlaßseitige Auslenkung des Meßrohrs (13) repräsentierenden ersten Sensorsignals (xs1) und
zum Erzeugen eines eine auslaßseitige Auslenkung des Meßrohrs (13) repräsentierenden zweiten Sensorsignals (xs2),
wobei im Betrieb das Meßrohr (13) zum Erzeugen viskoser Reibungen im Fluid mit einer einstellbaren Erregerfrequenz (fexc) relativ zu einer Ruhelage oszilliert, sowie
eine Meßgeräte-Elektronik (50)
mit einer Erregerschaltung (50A), die einen die Erregeranordnung (16) speisenden Erregerstrom (iexc) erzeugt, und
mit einer Auswerteschaltung (50B),
die mittels des Erregerstrom (iexc) einen die viskose Reibungen im Fluid repräsentierenden Reibungsmeßwert (XΔ i) erzeugt
die mittels des ersten Sensorsignals (xs1) und/oder mittels des zweiten Sensorsignals (xs2) sowie mittels des Reibungsmeßwertes (XΔ i) einen die Viskosität des Fluids repräsentierenden Viskositäts-Meßwert (Xη) liefert.
2. Vibrations-Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem die
Auswerteschaltung (50B) mittels des ersten Sensorsignals
(xs1) und/oder mittels des zweiten Sensorsignals (xs2) einen
Schätzwert (Xθ) für eine Geschwindigkeit einer die viskose
Reibung verursachenden Bewegung des Fluids erzeugt.
3. Vibrations-Meßgerät nach Anspruch 2, bei dem die
Auswerteschaltung (50B) mittels des Reibungswertes (XΔ i)
und mittels des Schätzwert (Xθ) einen Quotientenwert
(XΔ i/Xθ) erzeugt, der eine von der viskosen Reibung bewirkte
Dämpfung des oszillierenden Meßrohrs (13) repräsentiert.
4. Vibrations-Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem im Meßrohr
(13) aufgrund seiner räumlichen Auslenkungen elastische
Verformungen des Meßrohrlumens (13A) bewirkt werden.
5. Vibrations-Meßgerät nach Anspruch 4, bei dem im Meßrohr
(13) aufgrund seiner räumlichen Auslenkungen torsionale
Verdrehungen um eine Meßrohrlängsachse (13B) bewirkt
werden.
6. Verfahren zum Messen einer Viskosität eines in einer
Rohrleitung geführten Fluids mittels eines Vibrations-
Meßgerätes, das umfaßt:
einen Meßwerteaufnehmer (10)
mit mindestens einem in die Rohrleitung eingefügtem Meßrohr (13), das im Betrieb mit einer einstellbaren Erregerfrequenz (fexc) relativ zu einer Ruhelage oszilliert,
mit einer elektromechanische Erregeranordnung (16) zum Erzeugen räumlicher Auslenkungen des Meßrohrs (13) und
mit einer auf laterale Auslenkungen des Meßrohrs reagierenden Sensoranordnung (60) zum Erfassen einer einlaßseitigen und einer auslaßseitigen Auslenkung des Meßrohrs (13), sowie
eine Meßgeräte-Elektronik
mit einer Erregerschaltung (50A), die einen die Erregeranordnung (16) speisenden Erregerstrom (iexc) erzeugt, und
mit einer Auswerteschaltung (50B),
wobei das Vibrations-Meßgerät im Betrieb einen eine Dichte des Fluids repräsentierenden Dichte-Meßwert (Xρ) und einen die Erregerfrequenz (fexc) repräsentierenden Erregerfrequenz-Meßwert (Xf) liefert,
welches Verfahren folgende Schritte umfaßt:
einen Meßwerteaufnehmer (10)
mit mindestens einem in die Rohrleitung eingefügtem Meßrohr (13), das im Betrieb mit einer einstellbaren Erregerfrequenz (fexc) relativ zu einer Ruhelage oszilliert,
mit einer elektromechanische Erregeranordnung (16) zum Erzeugen räumlicher Auslenkungen des Meßrohrs (13) und
mit einer auf laterale Auslenkungen des Meßrohrs reagierenden Sensoranordnung (60) zum Erfassen einer einlaßseitigen und einer auslaßseitigen Auslenkung des Meßrohrs (13), sowie
eine Meßgeräte-Elektronik
mit einer Erregerschaltung (50A), die einen die Erregeranordnung (16) speisenden Erregerstrom (iexc) erzeugt, und
mit einer Auswerteschaltung (50B),
wobei das Vibrations-Meßgerät im Betrieb einen eine Dichte des Fluids repräsentierenden Dichte-Meßwert (Xρ) und einen die Erregerfrequenz (fexc) repräsentierenden Erregerfrequenz-Meßwert (Xf) liefert,
welches Verfahren folgende Schritte umfaßt:
- - Erzeugen von Schwingungen des Meßrohrs (16) mit der Erregerfrequenz (fexc) zum Erzeugen viskoser Reibung im Fluid,
- - Erfassen eines die Erregeranordnung (16) durchfließenden Erregerstroms (iexc) zum Erzeugen eines die viskose Reibung repräsentieren Reibungsmeßwert (XΔi),
- - Erfassen einer einlaßseitigen und/oder einer auslaßseitigen Auslenkung des Meßrohrs (13) zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsmeßwerts (Xθ), der eine Geschwindigkeit einer die viskose Reibung bewirkenden Bewegung des Fluids repräsentiert,
- - Dividieren des Reibungsmeßwerts (XΔ i) durch den zweiten Meßwert zum Erzeugen eines eine von der viskosen Reibung bewirkte Dämpfung des oszillierenden Meßrohrs repräsentierenden Quotientenwertes (XΔ i/Xθ),
- - Erzeugen eines von einer Dichte des Fluids und von der Erregerfrequenz (fexc) abhängigen Korrekturwertes (Xρ ,f) mittels des Dichte-Meßwertes (Xρ) und mittels des Erregerfrequenz-Meßwertes (Xf) und
- - Dividieren des Quotientenwertes (XΔ i/Xθ) durch den Korrekturwert (Xρ ,f) zum Erzeugen eines die Viskosität repräsentierenden Viskositäts-Meßwertes (Xη).
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