DE102005033290B4

DE102005033290B4 - Verfahren und Einrichtung zur Erkennung von physikalisch-chemischen Zuständen an Messelektroden eines Durchflussmessers

Info

Publication number: DE102005033290B4
Application number: DE102005033290A
Authority: DE
Inventors: Dieter Keese; Thomas-Fritz Blume; Dirk Steckel
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2005-07-16
Filing date: 2005-07-16
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2025-07-17
Also published as: DE102005033290A1; US20070035309A1; US7265544B2

Abstract

Verfahren zur Erkennung von physikalisch-chemischen Zuständen an Messelektroden (4a, 4b) eines Durchflussmessers, dessen Messrohr (1) von einem fließfähigen Medium (2) durchströmt wird, das dabei ein von einer Magnetanordnung (3) erzeugtes Magnetfeld passiert, wobei zur Erfassung der durch das fließfähige Medium (2) induzierten Messspannung mindestens zwei Messelektroden (4a, 4b) am Messrohr (1) angeordnet werden, die an eine nachgeschaltete Störspannungseliminiereinheit (6) angeschlossen werden, durch welche zunächst Gleichtaktstörungen durch eine Differenzbildung eliminiert werden, wobei durch die Störspannungseliminiereinheit (6) nachfolgend ungleiche Störspannungen eliminiert werden, indem im Betrieb der aktuelle Spannungswert U + (n) und U – (n) jeder einzelnen Messelektrode (4a; 4b) mit dem zugeordneten vorhergehenden Spannungswert U + (n – 1) bzw. U – (n – 1) verglichen wird, und dass eine Messung zur weiteren Signalverarbeitung freigegeben wird, wenn in Ergebnis des Vergleichs bei jeder Messelektrode (4a; 4b) eine gleiche im wesentlichen proportionale Änderung der Spannungswerte U + (n) zu U + (n – 1) sowie U – (n) zu U – (n – 1) festgestellt wird, was als störungsfreie Messung ausgewertet wird, und dass bei Erfassen einer Störung, der Defekt einer Messelektrode automatisch erkannt, und die Messung mit signaltechnisch eingeschränkter Messgenauigkeit weiter geführt wird, dass bei Erkennen einer nicht störungsfreien Messung der aktuellen Spannungswerte U + (n) und U – (n), diese durch eine Filtereinheit (9) analysiert werden, um den Auslöser der Störung festzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmesser.
Das Einsatzgebiet eines solchen magnetisch-induktiven Durchflussmessers erstreckt sich auf die Ermittlung von Volumen- oder Masseströmen eines fließfähigen Mediums, wie Flüssigkeiten, Breie, Pasten und dergleichen. Das fließfähige Medium muss dabei eine bestimmte elektrische Mindestleitfähigkeit aufweisen, damit das Messverfahren funktioniert. Durchflussmesser der hier interessierenden Art zeichnen sich durch recht genaue Messergebnisse aus, wobei im Rohrleitungssystem durch die Messung kein Druckverlust verursacht wird. Außerdem haben magnetisch-induktive Durchflussmesser keine beweglichen oder in das Messrohr hineinragenden Bauteile, welche dadurch besonders verschleißbehaftet wären. Die hier interessierenden Durchflussmesser werden vornehmlich in der chemischen Industrie, der Pharmazie sowie der Kosmetikindustrie und auch in der kommunalen Wasser- und Abwasserwirtschaft sowie der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt.
Die Grundlage des Messverfahrens bildet das Faraday'sche Induktionsgesetz. Dieses Naturgesetz besagt, dass in einem sich in einem Magnetfeld bewegten Leiter eine Spannung induziert wird. Bei der messtechnischen Ausnutzung dieses Naturgesetzes durchfließt das elektrisch leitfähige Medium ein Messrohr, in dem senkrecht zur Fließrichtung ein Magnetfeld erzeugt wird. Die im Medium hierdurch induzierte Spannung wird von einer Elektrodenanordnung abgegriffen.
Als Elektrodenanordnung werden meist zwei gegenüberliegend im Messrohr eingesetzte Messelektroden verwendet. Da die so gewonnene Messspannung proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit des strömenden Mediums ist, kann hieraus der Volumenstrom des Mediums bestimmt werden. Unter Beachtung der Dichte des strömenden Mediums lässt sich auch dessen Massestrom ermitteln.
Die EP 0 869 336 A2 offenbart ein gattungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem Messrohr, das beidseitige Anschlussflansche zur lösbaren Montage in ein Rohrleitungssystem aufweist. Eine Elektrodenanordnung wirkt mit zwei gegenüberliegenden elektrischen Magnetspulen zusammen, welche das erforderliche Magnetfeld senkrecht zur Strömungsrichtung in dem Messrohr erzeugen. Innerhalb dieses Magnetfeldes liefert jedes sich durch das Magnetfeld hindurch bewegende Volumenelement des strömenden Mediums mit der in diesem Volumenelement anstehenden Feldstärke einen Beitrag zu der über die Messelektroden abgegriffenen Messspannung. Die Messspannung wird einer nachgeschalteten Auswerteelektronik eingangsseitig zugeführt. Innerhalb der Auswerteelektronik erfolgt zunächst über einen elektronischen Differenzverstärker eine Signalverstärkung, wobei der Differenzverstärker hier gegenüber dem Bezugspotential arbeitet, welches üblicherweise dem Erdpotential entspricht. Die Auswerteelektronik liefert ausgehend von der Messspannung einen Wert für den Volumenstrom das das Messrohr durchströmenden Mediums.
Das durch das Messrohr fließende eine Mindestleitfähigkeit aufweisende Medium kann grundsätzlich elektrolytisch wirken, da das Medium entweder im Falle einer Salzlösung Metall- und Nicht-Metall-Ionen oder bei sauren/basischen Stoffen H⁺ oder OH^–-Ionen enthält. Dies verursacht eine elektrische Spannung zwischen den metallischen Messelektroden und dem Medium, auch dann, wenn kein Magnetfeld anliegt. Falls an beiden Messelektroden exakt die gleichen Bedingungen vorhanden sind, wird diese Störspannung durch die üblich verwendeten Differenzverstärker der Auswerteelektronik eliminiert. In der Praxis ist dies jedoch aufgrund inhomogener Mediumeigenschaften, unterschiedlich stark verschmutzter Elektrodenoberflächen und unterschiedlicher Strömungs-, Temperatur- und Druckverteilung des Mediums im Messrohr oft nicht der Fall. Es treten in Ergebnis dessen Störspannungen auf, die meist erheblich größer als die Nutzspannungen sind, und sich mit einer unbekannten Änderung des Gleichspannungsanteils additiv überlagern, was zur Störung der Messung führt.
Es ist allgemein bekannt, zur Verringerung von solchen Störspannungseinflüssen, die nicht durch eine Differenzbildung beseitigt werden können, digitale Filtermittel – wie zeitliche Dämpfung der Messauswertung –, statistische Mittelwertbildung und dergleichen zu verwenden. Diese Maßnahmen führen meist jedoch nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erkennung von physikalisch-chemischen Zuständen an Messelektroden zu schaffen, womit in einfacher Weise eine effiziente Eliminierung von ungleichen Störspannungen realisierbar ist.
Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass durch eine Störspannungseliminiereinheit nach Eliminierung von Gleichtaktstörungen über eine Differenzbildung auch ungleiche Störspannungen eliminiert werden, in dem im Betrieb der aktuelle Spannungswert U + (n) und U – (n) jeder einzelnen Messelektrode mit dem zugeordneten vorhergehenden Spannungswert U +(n – 1) bzw. U – (n – 1) verglichen wird, wobei eine Messung zur weiteren Signalverarbeitung nur dann freigegeben wird, wenn in Ergebnis des Vergleichs bei jeder Messelektrode eine gleiche im Wesentlichen proportionale Änderung der Spannungswerte U + (n) zu U + (n – 1) sowie U – (n) zu U – (n – 1) festgestellt wird, was als störungsfreie Messung ausgewertet wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass diese gerätetechnisch in einfacher Weise umgesetzt werden kann. Hierzu ist im Wesentlichen nur eine elektronische Vergleichereinheit erforderlich, welche im Stand der Technik von Signalverarbeitungen der hier interessierenden Art hinlänglich bekannt ist. Die Vergleichereinheit ist mit einer Speichereinheit zur Abspeicherung des vorhergehenden Spannungswerts zu verbinden, welcher der Vergleichereinheit insoweit zu den durchzuführenden Vergleichsoperationen zur Verfügung gehalten wird. Vergleichereinheit und Speichereinheit sind integraler Bestandteil der Störspannungseliminiereinheit. Voraussetzung für die effiziente Störspannungseliminierung ist die Tatsache, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Messspannung an jeder Messelektrode einzeln ausgewertet wird. Da Gleichtaktstörungen durch die zuvor erfolgte herkömmliche Differenzbildung nicht mehr zu betrachten sind, können mit der erfindungsgemäßen Lösung die weitaus riskanteren ungleichen Störspannungen der jeweiligen Messelektrode erkannt und unterdrückt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren kann eine optimale Störspannungserkennung und Unterdrückung und gleichzeitig eine Fehlerdiagnose der Messstelle umgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Notlaufeigenschaft dieses Verfahrens bei Defekt einer Messelektrode oder einem gestörten Messsignal, da in diesen Fällen mit einer eingeschränkten Messgenauigkeit weiter gemessen werden kann, ohne dass der Durchflussmesser gänzlich ausfällt.
Denn gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass bei Erkennen einer nicht-störungsfreien Messung anstelle der aktuellen Spannungswerte U + (n) und U – (n) die vorhergehenden als störungsfrei identifizierten Spannungswerte U + (n – 1) und U – (n – 1) zur weiteren Signalverarbeitung verwendet werden.
Vorteilhafterweise sollte bei Erkennen einer nicht-störungsfreien Messung der aktuellen Spannungswerte U + (n) und U – (n), diese durch eine Filtereinheit analysiert werden, um den Auslöser der Störung festzustellen. Hiermit ist es möglich, eine gestörte Messspannung an einer Messelektrode zur erkennen, um die Ursache der Störung – beispielsweise turbulentes Strömungsverhalten oder lokale Erwärmung im fließfähigen Medium – zu eliminieren.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass vor der Störspannungseliminiereinheit eine Verstärker-Einheit zur Verstärkung der direkt von den Messelektroden abgegriffenen Spannungswerte U+ bzw. U– geschaltet ist. Mit dieser Maßnahme kann der Wirkungsgrad der nachfolgenden Störspannungseliminierung beträchtlich erhöht werden, da Signaldifferenzen durch eine höhere Amplitude deutlicher zu Tage treten.
Weitere die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Durchflussmessers mit einer Einreichung zur Erkennung von physikalischchemischen Zuständen an Messelektroden.
Gemäß Figur besteht der magnetisch-induktive Durchflussmesser im Wesentlichen aus einem Messrohr 1, welches in der dargestellten Fließrichtung von einem fließfähigen, eine elektrische Mindestleitfähigkeit aufweisenden Medium 2 durchströmt ist, dessen Volumenstrom messtechnisch zu ermitteln ist. Zu diesem Zwecke ist außen am Messrohr 1 eine Magnetanordnung 3 (hier nur teilweise gezeigt) angeordnet, die der Erzeugung eines Magnetfeldes dient, welche das fließfähige Medium 2 beim Durchfluss durch das Messrohr 1 passiert. Zur Erfassung der durch das fließfähige Medium 2 induzierten Messspannung sind zwei diametral am Messrohr 1 angeordnete Messelektroden 4a und 4b vorgesehen. Die Messelektroden 4a und 4b sind nach Art von galvanischen Elektroden ausgebildet.
Die von den beiden Messelektroden 4a und 4b erfassten Messspannungen U+ bzw. U– werden zunächst jeweils einer zugeordneten Verstärkereinheit 5a und 5b zur Verstärkung der abgegriffenen Spannungswerte U+ bzw. U– zugeführt. Nachfolgend werden die verstärkten Spannungswerte U+ und U– eingangsseitig einer Störspannungseliminiereinheit 6 zugeführt. Innerhalb der Störspannungseliminiereinheit 6 passieren die Messspannungen U+ bzw. U– eine jeweils zugeordnete Differenzbildungseinheit 7a und 7b, welche die Spannungswerte U+ und U– zunächst von Gleichtaktstörungen – in an sich bekannter Weise – befreien.
Nachfolgend enthalten die Spannungswerte U+ und U– ggf. noch ungleiche Störspannungen, welche das Messergebnis verfälschen und insoweit ebenfalls unter Nutzung der nachgeschalteten Vergleichereinheiten 8a und 8b eliminiert werden. innerhalb der Vergleichereinheiten 8a und 8b werden die aktuell gemessenen Spannungswerte U + (n) und U – (n) jeder einzelnen Messelektrode 4a bzw. 4b mit dem je zugeordneten vorhergehenden Spannungswert U + (n – 1) bzw. U – (n – 1) verglichen. Die vorhergehenden fehlerfreien Spannungswerte U + (n – 1) bzw. U – (n – 1) sind in der jeweils zugeordneten Speichereinheit hinterlegt. Wenn der Vergleich innerhalb der Vergleichereinheit 8a und 8b jeder Messelektrode 4a bzw. 4b eine gleiche im Wesentlichen proportionale Änderung der Spannungswerte U + (n) im Vergleich zum Vorgängerwert U + (n – 1) bzw. U – (n – 1) ergibt, so liegt eine störungsfreie Messung vor und der aktuell gemessene Spannungswert U + (n) sowie U – (n) wird am Ausgang 10 der Störspannungseliminiereinheit 6 zur weiteren Signalverarbeitung ausgegeben.
Ergibt der Vergleich innerhalb der Vergleichereinheiten 8a und 8b – wegen unproportionaler Änderungen – dagegen eine nicht-störungsfreie Messung wird anstelle der aktuellen, störungsbehafteten Spannungswerte U + (n) und U – (n) die vorhergehenden als störungsfrei identifizierten Spannungswerte U + (n – 1) und U – (n – 1) zur weiteren Signalverarbeitung verwendet. Diese störungsfreien Spannungswerte U + (n – 1) und U – (n – 1) sind in den Speichereinheiten zu diesem Zwecke hinterlegt. Diese Maßnahme gewährleistet eine Art Notlaufeigenschaft.
Darüber hinaus steht die Vergleichereinheit 8a und 8b mit einer Filtereinheit 9 in Verbindung. Die Filtereinheit 9 dient der Analyse derjenigen aktuellen Spannungswerte U + (n) und U – (n), welche als nicht störungsfrei durch die Vergleichereinheiten 8a und 8b identifiziert worden sind, um den Auslöser der Störung – beispielsweise Elektrodenverschmutzung – festzustellen. Somit können Wartungsmaßnahmen gezielt vorgenommen werden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche mit dem Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche abgedeckt sind. So ist die Erfindung beispielsweise nicht beschränkt auf die Verwendung von genau zwei Messelektroden zur Erfassung der induzierten Messspannung. Falls weitere Messelektroden verwendet werden, ist die erfindungsgemäße Störspannungseliminiereinheit mit entsprechend parallelen Signalverarbeitungslinien zu erweitern.
Bezugszeichenliste

1: Messrohr
2: Medium
3: Magnetanordnung
4: Messelektrode
5: Verstärkereinheit
6: Störspannungseliminiereinheit
7: Differenzbildungseinheit
8: Vergleichereinheit
9: Speichereinheit
10: Ausgang
11: Filtereinheit

Claims

Verfahren zur Erkennung von physikalisch-chemischen Zuständen an Messelektroden (4a, 4b) eines Durchflussmessers, dessen Messrohr (1) von einem fließfähigen Medium (2) durchströmt wird, das dabei ein von einer Magnetanordnung (3) erzeugtes Magnetfeld passiert, wobei zur Erfassung der durch das fließfähige Medium (2) induzierten Messspannung mindestens zwei Messelektroden (4a, 4b) am Messrohr (1) angeordnet werden, die an eine nachgeschaltete Störspannungseliminiereinheit (6) angeschlossen werden, durch welche zunächst Gleichtaktstörungen durch eine Differenzbildung eliminiert werden, wobei durch die Störspannungseliminiereinheit (6) nachfolgend ungleiche Störspannungen eliminiert werden, indem im Betrieb der aktuelle Spannungswert U + (n) und U – (n) jeder einzelnen Messelektrode (4a; 4b) mit dem zugeordneten vorhergehenden Spannungswert U + (n – 1) bzw. U – (n – 1) verglichen wird, und dass eine Messung zur weiteren Signalverarbeitung freigegeben wird, wenn in Ergebnis des Vergleichs bei jeder Messelektrode (4a; 4b) eine gleiche im wesentlichen proportionale Änderung der Spannungswerte U + (n) zu U + (n – 1) sowie U – (n) zu U – (n – 1) festgestellt wird, was als störungsfreie Messung ausgewertet wird, und dass bei Erfassen einer Störung, der Defekt einer Messelektrode automatisch erkannt, und die Messung mit signaltechnisch eingeschränkter Messgenauigkeit weiter geführt wird, dass bei Erkennen einer nicht störungsfreien Messung der aktuellen Spannungswerte U + (n) und U – (n), diese durch eine Filtereinheit (9) analysiert werden, um den Auslöser der Störung festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Messelektroden (4a, 4b) abgegriffenen Spannungswerte U+ bzw. U– vor Eliminierung der Gleichtaktstörungen durch eine je zugeordnete Verstärkereinheit (5a, 5b) verstärkt werden, um den Wirkungsgrad der nachfolgenden Störspannungseliminierung zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung des Durchflussmessers nach Eliminierung von Gleichtaktstörungen die Messbereiche möglicher Spannungswerte U+ bzw. U– festgelegt und in der Störspannungseliminiereinheit (6) hinterlegt werden.