DE102005050400A1

DE102005050400A1 - Bestimmung und/oder Überwachung der Masse oder des Massedurchflusses eines Mediums

Info

Publication number: DE102005050400A1
Application number: DE200510050400
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Lopatin; Peter Prokesch; Jens Kröger; Albrecht Kahlert
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-04-26

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Masse eines Mediums (1) in einem Behälter (2), mit mindestens einem Füllstandsmessgerät (3) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands des Mediums (1), mit mindestens einem Dichtemessgerät (4) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte des Mediums (1) und mit mindestens einer Auswerteeinheit (5), welche zumindest aus dem Füllstand und der Dichte des Mediums (1) die Masse des Mediums (1) ermittelt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Masse eines Mediums in einem Behälter. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Massedurchflusses eines Mediums durch ein Rohr. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder ein anderes fließfähiges Medium. Das Medium befindet sich beispielsweise in einem Behälter, beispielsweise einem Tank oder einem Silo oder in einem beliebigen Transportbehälter. In einem weiteren Beispiel durchströmt das Medium ein Rohr oder eine andere rohrförmige Einheit. Die Vorrichtung bestimmt dabei die Masse oder den Massedurchfluss und kann sie dadurch auch überwachen, indem sie Änderungen aufzeigt.

In der Mess- und Automatisierungstechnik ist es üblich, Größen zu bestimmen oder zu überwachen. Meist ist es jedoch erforderlich, auch Information über davon abhängige Größen oder Werte zu erlangen. So gibt es viele Möglichkeiten, den Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen. Von Interesse für den Anwender ist jedoch eher der effektive Inhalt, also z.B. das Gewicht oder die Masse des sich im Behälter befindlichen Mediums. Für diese Aussage sind jedoch ggf. weitere Messgrößen als nur der Füllstand wesentlich, so z.B. auch die Dichte oder die Temperatur des Mediums. Handelt es sich speziell um die Dichte als wesentliche Zusatzinformation, so sollte dieser Wert jeweils mit der gleich hohen Genauigkeit und insbesondere unabhängig vom Füllstand gemessen werden. Eine solche Abhängigkeit ist beispielsweise bei Druckmessgeräten gegeben, welche über die Anwendung der Hydrostatik die Dichte des Mediums bestimmen. Vermeiden lässt sich dies durch entsprechende Sensoren, welche über einen größeren Druckbereich gleiche Genauigkeit liefern. Dies führt jedoch meist zu höheren Kosten. Weiterhin ist die Dichtemessung mit einem Drucktransmitter meist dann ungenauer, wenn nur eine geringe Füllstandshöhe im Behälter gegeben ist. In solchen Fällen ist der hydrostatische Druck oft zu gering, weshalb das Druckmessgerät einen größeren Fehler erzeugt. Damit geht eine höhere Ungenauigkeit einher.

Weiterhin ist es erforderlich, den Massedurchfluss des Mediums durch ein Rohr, z.B. bei der Abfüllung zu messen. Hierfür sind Messgeräte bekannt, welche z.B. mit dem Vortex-, dem magnetisch-induktiven oder dem Laufzeitprinzip – z.B. mit Ultraschall – arbeiten. Solche Messgeräte machen es meist erforderlich, dass besondere Rohrleitungen oder Abschnitte von Rohren eingebaut werden müssen.

Die Aufgabe besteht daher darin, die Masse eines Mediums in einem Behälter bzw. den Massedurchfluss eines Mediums durch ein Rohr möglichst kostengünstig und genau zu bestimmen.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Messgerät für die Masse und durch ein Messgerät für den Massedurchfluss.

Die erste Variante bezieht sich auf die Massenmessung: Die Aufgabe löst die Erfindung durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Masse eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einem Füllstandsmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands des Mediums, mit mindestens einem Dichtemessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte des Mediums, und mit mindestens einer Auswerteeinheit, welche zumindest aus dem Füllstand und der Dichte des Mediums die Masse des Mediums ermittelt.

Die zweite Variante bezieht sich auf die Massedurchflussmessung:
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Massedurchflusses eines Mediums durch ein Rohr, mit mindestens einem Volumendurchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumendurchflusses des Mediums durch das Rohr, mit mindestens einem Dichtemessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte des Mediums, und mit mindestens einer Auswerteeinheit, welche zumindest aus dem Volumendurchfluss und der Dichte des Mediums den Massedurchfluss des Mediums ermittelt.

Die folgenden Ausgestaltung gelten jeweils für beide Messgeräte, d.h. sowohl für die Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Masse, als auch für die Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Dichtemessgerät um einen auf der Vibronik beruhendes Messgerät handelt. Es handelt sich also um ein Vibrationsmessgerät, d.h. um ein Messgerät, welches aus der Abhängigkeit der mechanischen Schwingungen eines schwingfähigen Elements u.a. von der Bedeckung durch ein Medium und auch von den Mediumseigenschaften selbst diese Größen bestimmt und/oder überwacht. Dies bedeutet, dass solche Kenngrößen wie Amplitude, Frequenz oder Phase der Schwingungen abhängig vom Grad der Bedeckung der schwingfähigen Einheit durch das Medium oder abhängig von der Dichte oder der Viskosität des Mediums sind. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass somit eine möglichst vom Füllstand unabhängige, d.h. insbesondere im Wesentlichen gleich bleibende Messgenauigkeit erzielt wird. Es wird also eine Dichte- und somit eine Massemessung erzielt, deren Genauigkeit unabhängig von Füllstandshöhe ist.

Diese Ausgestaltung wird genauer spezifiziert in einer Ausgestaltung, welche beinhaltet, dass es sich bei dem Dichtemessgerät um einen Einstab oder um eine Schwinggabel oder um einen Membranschwinger handelt. Solche Messgeräte bestehen üblicherweise aus einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Bei der schwingfähigen Einheit handelt es sich beispielsweise um einen sog. Einstab oder auch um eine Schwinggabel, deren beide Zinken an einer Membran befestigt sind. Es kann sich auch um einen Membranschwinger handeln, d.h. eine Membran wird zu mechanischen Schwingungen angeregt.

Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Dichte des Mediums ist gegeben durch folgende Formel:

mit den folgenden Größen: F ist die Resonanzfrequenz der Schwinggabel im Medium. F₀ ist die Resonanzfrequenz der Schwinggabel im Vakuum. K ist ein geräteabhängiger Koeffizient und ρ ist die Dichte des Mediums. Weiterhin hängt die Resonanzfrequenz F auch von der Temperatur des Mediums ab, so dass für die Dichtebestimmung eine Kompensation der Temperaturdrift erforderlich ist.

Zur Schwingungsanregung und -detektion lässt sich beispielsweise eine piezoelektrisches Element verwenden, welches eine Wechselspannung in mechanische Schwingungen und umgekehrt aus einer mechanischen Schwingung eine Wechselspannung erzeugt. Die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit sind abhängig davon, ob die Einheit in Kontakt mit dem Medium ist und auch von einigen Größen des Mediums selbst. So ist beispielsweise die Schwingfrequenz geringer, wenn die Einheit mit dem Medium in Kontakt ist, als wenn die Einheit frei und unbedeckt schwingt. Die Frequenz, die Amplitude und auch die Phase der Schwingungen relativ zum Ansteuersignal sind beispielsweise auch von der Viskosität und der Dichte des Mediums abhängig. Somit lässt sich aus den Kenngrößen der Schwingungen der schwingfähigen Einheit auf diese Mediumseigenschaften rückschließen. Im Rahmen der Erfindung sind solche Messgeräte besonders vorteilhaft, da bei ihnen die Messgenauigkeit im Wesentlichen unabhängig vom Füllstand des Mediums ist. Ist beispielsweise der Einstab oder die Schwinggabel vollständig vom Medium bedeckt, so ergibt sich eine Resonanzfrequenz, die bei steigendem Füllstand nicht mehr abhängig vom Füllstand ist.

In beiden Varianten wird somit zur Bestimmung der Dichte ein vibronisches Messgerät eingesetzt. Somit ergibt sich aus dem Volumen, d.h. aus dem Füllstand bzw. aus dem Volumendurchfluss mit der Dichte die Masse bzw. der Massedurchfluss (Masse = Volumen bzw. Volumendurchfluss multipliziert mit der Dichte). Für die Bestimmung des Volumendurchflusses lässt sich beispielsweise ein Messsystem verwenden, welches Drucksensoren einsetzt.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Temperaturmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur des Mediums vorgesehen ist, und dass die Auswerteinheit die Temperatur des Mediums bei der Bestimmung der Masse oder des Massedurchflusses verwendet. Um die Masse bzw. den Massedurchfluss genau zu messen, ist auch Information über die Temperatur des Mediums erforderlich.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Speichereinheit vorgesehen ist, in welcher zumindest Daten zur Bestimmung des vom Füllstand abhängigen Volumens des Mediums im Behälter hinterlegt sind, und dass die Auswerteeinheit auf die in der Speichereinheit hinterlegten Daten für die Bestimmung der Masse zugreift. Je nach der Ausgestaltung des Behälters kann es sein, dass das Volumen des Mediums sich nicht linear mit dem Füllstand ändert, weil der Behälter beispielsweise eine Ausbuchtung aufweist. Daher sind in der Speichereinheit die wesentlichen Daten für die Bestimmung des Volumens aus dem Füllstand hinterlegt und dienen der Auswerteeinheit zur genauen Bestimmung der Mediumsmasse.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie ausgehend von der Messgenauigkeit zumindest eines Messgerätes die Messgenauigkeit des für die Masse oder des Massedurchflusses des Mediums bestimmten Werts bestimmt. Aus der Genauigkeit der einzelnen Messdaten lässt sich also auch die Genauigkeit des daraus bestimmten Wertes ermitteln.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Dichtemessgerät und dem Füllstandsmessgerät um ein einziges Messgerät handelt. Handelt es sich beispielsweise um den vorher besprochenen vibronischen Dichtesensor, so kann dieser zugleich das Erreichen eines Füllstands und dann auch die Dichte bestimmen. Somit ließe sich genau bei einem Füllstand die Masse des Mediums bestimmen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Masse, und
2: eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses.
Die 1 zeigt ein Medium 1 in einem Behälter 2, welcher hier zylindrisch ausgestaltet sein soll. Eine solche Form erlaubt es, sehr leicht und direkt vom Füllstand auf das Volumen des Mediums 1 zu schließen. Der Füllstand wird hier beispielhaft mit einem Mikrowellengerät gemessen. Zur Dichtemessung ist eine Schwinggabel 4 vorgesehen, deren Zinken an einer Membran befestigt wird. Die Frequenz der Schwingungen erlaubt eine Bestimmung der Dichte des Mediums, wobei die Messgenauigkeit unabhängig vom Füllstand ist. Dies mit der Ausnahme, dass das Medium die Gabel 4 vollständig bedecken sollte, was jedoch durch eine Anbringung des Messgeräts in Nähe des Bodens des Behälters 2 leicht sicherzustellen ist. Für eine genaue Ermittlung der Masse des Mediums 1 ist hier noch ein Temperatursensor 6 vorgesehen. Die drei Messgeräte 3, 4 und 6 übermitteln ihre Messdaten an die Auswerteinheit 5. Dort befindet sich eine Speichereinheit 7, in welcher Daten über den Zusammenhang zwischen Füllstand und Volumen in dem Behälter 2 hinterlegt sind. Für den hier dargestellten Zylinder ist das Volumen direkt über den Füllstand und den Innendurchmesser gegeben. Bei komplizierter ausgestalteten Behältern 2 können jedoch auch andere Abhängigkeiten gegeben sein. Diese Daten sind in der Speichereinheit 7 hinterlegt und dienen der Auswerteeinheit 5 zur Ermittlung der Masse des Mediums 1. Daher ergibt sich aus dem Füllstand und den Daten das vorliegende Volumen der Masse 1 und über die Dichte lässt sich daraus die Masse bestimmen bzw. berechnen.
In der 2 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses schematisch dargestellt. Das Medium 1 durchströmt das Rohr 8 oder den zumindest rohrförmigen und durchströmbaren Abschnitt eines Rohr- oder Gefäßsystems. Der Volumendurchfluss wird vom entsprechenden Messgerät 9 gemessen bzw. überwacht. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Durchflussmessgerät, welches den Druckunterschied misst oder welches thermisch arbeitet, indem mit einer Heizeinheit das Medium erwärmt und mit einem Temperatursensor die damit erzeugte und vom Volumendurchfluss abhängige Temperatur gemessen wird. Das Dichtemessgerät 4, welches hier ebenfalls eine Schwinggabel ist, bestimmt die Dichte des Mediums und somit wird aus dem Volumendurchfluss und der Dichte der Massedurchfluss bestimmt.

1: Medium
2: Behälter
3: Füllstandsmessgerät
4: Dichtemessgerät
5: Auswerteeinheit
6: Temperaturmessgerät
7: Speichereinheit
8: Rohr
9: Volumendurchflussmessgerät

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Masse eines Mediums (1) in einem Behälter (2), mit mindestens einem Füllstandsmessgerät (3) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands des Mediums (1), mit mindestens einem Dichtemessgerät (4) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte des Mediums (1), und mit mindestens einer Auswerteeinheit (5), welche zumindest aus dem Füllstand und der Dichte des Mediums (1) die Masse des Mediums (1) ermittelt.
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Massedurchflusses eines Mediums (1) durch ein Rohr (8), mit mindestens einem Volumendurchflussmessgerät (9) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumendurchflusses des Mediums (1) durch das Rohr (8), mit mindestens einem Dichtemessgerät (4) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte des Mediums (1), und mit mindestens einer Auswerteeinheit (5), welche zumindest aus dem Volumendurchfluss und der Dichte des Mediums (1) den Massedurchfluss des Mediums (1) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem Dichtemessgerät (4) um einen auf der Vibronik beruhendes Messgerät handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem Dichtemessgerät (4) um einen Einstab oder um eine Schwinggabel oder um einen Membranschwinger handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Temperaturmessgerät (6) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur des Mediums (1) vorgesehen ist, und wobei die Auswerteinheit (5) die Temperatur des Mediums (1) bei der Bestimmung der Masse oder des Massedurchflusses verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Speichereinheit (7) vorgesehen ist, in welcher zumindest Daten zur Bestimmung des vom Füllstand abhängigen Volumens des Mediums (1) im Behälter (2) hinterlegt sind, und wobei die Auswerteeinheit (5) auf die in der Speichereinheit (7) hinterlegten Daten für die Bestimmung der Masse zugreift.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 5, wobei die Auswerteeinheit (5) derartig ausgestaltet ist, dass sie ausgehend von der Messgenauigkeit zumindest eines Messgerätes (3, 4, 6, 9) die Messgenauigkeit des für die Masse oder des Massedurchflusses des Mediums (1) bestimmten Werts bestimmt.