Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung mindestens
einer Prozessgröße eines Mediums,
wobei fertigungsseitig mindestens ein erster Kalibrationsdatensatz
für die
Bestimmung der Prozessgröße erzeugt
wird, wobei in Verbindung mit dem ersten Kalibrationsdatensatz mindestens
eine Formel und/oder ein Algorithmus zur Bestimmung der Prozessgröße aus mindestens
einer zu messenden Messgröße ermittelt
werden/wird, wobei mindestens die Messgröße gemessen wird, und wobei
aus der Messgröße in Verbindung
mit der Formel und/oder dem Algorithmus die Prozessgröße bestimmt
wird. Bei der Prozessgröße handelt
es sich dabei beispielsweise um den Durchfluss, die Dichte, die
Viskosität,
die Leitfähigkeit,
den Füllstand
oder den pH-Wert eines Mediums. Weiterhin bezieht sich die Erfindung
auf ein Coriolis-Durchflussmessgerät zur Bestimmung der Dichte
eines Mediums, welches ein Messrohr durchströmt, mit einer ersten Sensoreinheit
zur Messung der Schwingfrequenz des Messrohres, und mit einer zweiten
Sensoreinheit zur Messung der Temperatur des Messrohres oder des
Mediums, mit mindestens einer Speichereinheit, in welcher mindestens
ein Kalibrationsdatensatz für
die Bestimmung der Dichte hinterlegbar ist, und mit mindestens einer
Auswerteeinheit, welche aufgrund der Schwingfrequenz und der Temperatur
des Messrohres in Verbindung mit dem Kalibrationsdatensatz die Dichte
des Mediums bestimmt. Bei dem Medium handelt es sich insbesondere um
ein fließfähiges Medium,
also beispielsweise um eine Flüssigkeit,
ein gas- oder dampfförmiges
Medium.
In
der Prozessmesstechnik werden häufig
Messgeräte
eingesetzt, welche für
die genaue Bestimmung einer Prozessgröße kalibriert werden müssen. Dies
hängt meistens
damit zusammen, dass die Prozessgröße von mehreren Messgrößen abhängig ist
und dass sich somit für
die Berechnung meist eine Formel oder ein Apparat aus Formeln ergibt,
welche von mehreren Parametern abhängig ist. Die damit jeweils
verbundenen Berechnungskoeffizienten hängen zudem meist nicht nur
von physikalischen oder chemischen Zusammenhängen im Prozess selbst ab,
sondern auch von der Ausgestaltung des eigentlichen Messgerätes bzw.
vom Verhalten des Messgerätes
unter den herrschenden Prozessbedingungen, wie z.B. die Umgebungstemperatur.
Eine solche Abhängigkeit
von mehreren Parametern macht es daher erforderlich, entsprechende
Kalibrationsmessungen vorzunehmen. Diese sind jedoch meist sehr
aufwändig
und sind oft auch nur in speziellen Kalibrationslabors mit ausreichender
Genauigkeit vorzunehmen.
Als
Beispiel für
ein Messgerät
sei ein Coriolis-Durchflussmessgerät genannt. Bei diesem sehr
bekannten Messprinzip durchströmt
das Medium ein Messrohr, welches zu Schwingungen angeregt wird.
Aus der sich ergebenden Schwingfrequenz und der Schwingungsamplitude
lässt sich
auf den Durchfluss und auch auf die Dichte des Mediums schließen. Besonders
die Dichtemessung macht es jedoch erforderlich, dass die Steifigkeit
des Messrohres bekannt ist. Diese ist jedoch von der Temperatur
abhängig,
weshalb die Abhängigkeit
der Steifigkeit von der Temperatur durch eine passende Kalibration
bestimmt werden muss. Wird also ein Coriolis-Durchflussmessgerät zur Bestimmung der Dichte
eingesetzt, so sind zumindest zwei Kalibrationen durchzuführen: in
Bezug auf die Abhängigkeit
der Steifigkeit des Messrohres von der Temperatur und in Bezug auf den
Zusammenhang zwischen Schwingfrequenz und Dichte selbst. Beide Kalibrationen
lassen sich fertigungsseitig bei der Herstellung vornehmen. Aus
diesen Daten werden dann die notwendigen Koeffizienten für die Berechnung
der Dichte ermittelt.
Problematisch
wird es, wenn ein Teil der Kalibrationsdaten vor Ort bei der Anwendung
erzeugt werden. Eine solche Anpassung wird häufig derartig vorgenommen,
dass vor Ort die Koeffizienten der Formel direkt verändert werden
können.
In diesem Fall besteht jedoch das Risiko, dass die Formel oder der
Algorithmus zur Berechnung der Dichte zwar an die neuen, anwendungsseitigen
Kalibrationsdaten angepasst wird, dass aber damit auch eine solche
Veränderung
einhergeht, dass die Beschreibung an die fertigungsseitigen Kalibrationsdaten
nicht mehr gegeben ist.
Die
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Messverfahren vorzuschlagen,
bei welchem stets die Gültigkeit
der Kalibrationsdaten gewahrt bleibt.
Die
Erfindung löst
die Aufgabe mit einem Verfahren und insbesondere mit einem Coriolis-Durchflussmessgerät.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Lösung
der Aufgabe besteht darin, dass die Formel und/oder der Algorithmus
derartig an die bei der Anwendung herrschenden Prozessbedingungen
angepasst werden/wird, dass die Formel und/oder der Algorithmus
die Abhängigkeit
der Prozessgröße von den
Prozessbedingungen und dem ersten Kalibrationsdatensatz im Wesentlichen
vollständig
beschreiben/beschreibt. Die Erfindung besteht somit darin, dass
ausgehend von den fertigungsseitig gewonnenen Kalibrationsdaten
eine Anpassung an die bei der Anwendung, d.h. im Feld herrschenden
Bedingungen vorgenommen wird, indem sowohl die Prozessbedingungen,
als auch die Kalibrationsdaten durch die Auswerteformel oder durch
den Auswertealgorithmus hinreichend beschrieben werden. Umgekehrt
formuliert: Es wird eine Anpassung an die Bedingungen bei der Anwendung
vorgenommen, ohne dass die Gültigkeit
der bei der Fertigung gewonnenen Kalibrationsdaten aufgehoben wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass fertigungsseitig ein erster Kalibrationsdatensatz
und anwendungsseitig ein zweiter Kalibrationsdatensatz erstellt
wird. Kalibrationsdatensatz sei hier als eine beliebig große Menge
an Messpunkten verstanden, d.h. es kann sich beispielsweise auch
nur um einen einzigen Messpunkt handeln. Die beiden Kalibrationsdatensätze können sich
dabei auf unterschiedliche Messgrößen oder Prozessparameter beziehen,
sie können
sich aber auch zumindest teilweise auf die gleiche Prozess-/Messgröße beziehen
und ggf. unterschiedliche Genauigkeiten aufweisen. Mit diesen beiden
Datensätzen wird
dann für
die konkrete Anwendung die Auswerteformel oder der Auswertealogorithmus
ermittelt bzw. angepasst. Da auf beide Datensätze zurückgegriffen wird, werden somit
auch beide ausreichend durch die Formel bzw. durch den Algorithmus
beschrieben. Die Anpassung kann dabei vorsehen, dass alle erforderlichen
Koeffizienten anhand der beiden Datensätze ermittelt werden. Insbesondere
wird die Formel bzw. der Algorithmus derartig an die Anwendung angepasst,
dass ein Eingriff auf die oder eine Veränderung der fertigungsseitigen
Kalibrationsdaten nicht möglich
ist.
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass sich der fertigungsseitig erzeugte
erste Kalibrationsdatensatz auf mindestens einen Messparameter bezieht,
welcher mediumsunspezifisch ist. Manche Abhängigkeiten sind durch die spezielle
Ausgestaltung der Messapparatur vorgegeben. Beim obigen Beispiel
des Coriolis-Durchflussmessgerätes
handelt es sich um die von der Temperatur abhängige Steifigkeit des Messrohres.
Diese Temperatur ist zwar auch verbunden mit der Temperatur des
Mediums, aber die Steifigkeit und die dafür erforderliche Temperatur-Kalibration
ist kein mediumsspezifischer Parameter. Daher lassen sich insbesondere
solche Abhängigkeiten,
die sich auf den Sensor als Messgerät selbst beziehen und die somit
insbesondere nicht spezifisch für
das zu messende Medium sind, sehr gut fertigungsseitig über entsprechende
Kalibrationsanlagen bestimmen. Diese Ausgestaltung lässt sich
also derartig zusammenfassen: Fertigungsseitig wird die Kalibration
in Bezug auf die mediumsunspezifischen, aber messgerätespezifischen
Parameter vorgenommen. Bei den Parametern handelt es sich dabei
um die Messgrößen oder
Prozessbedingungen, welche Einfluss auf die zu messende Prozessgröße haben.
Fertigungsseitig werden dann auch in einer Ausgestaltung die Abhängigkeiten
in der Formel bzw. in dem Algorithmus von den fertigungsseitig kalibrierten
Parametern bestimmt, d.h. ein Teil des Gleichungssystems zur Bestimmung
der Koeffizienten für
die Abhängigkeiten
wird bereits fertigungsseitig gelöst. Eine solche „Teil-Lösung" hat vor allem den
Vorteil, dass die daraus gewonnenen Werte oder Informationen zugriffsgeschützt für die zweite
Phase der Kalibration, welche vor Ort geschieht, hinterlegt werden
können.
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass anwendungsseitig mindestens ein zweiter
Kalibrationsdatensatz erzeugt wird, dass sich der zweite Kalibrationsdatensatz
auf mindestens einen mediumsspezifischen Messparameter bezieht,
und dass die Formel und/oder der Algorithmus derartig angepasst
werden/wird, dass die Formel und/oder der Algorithmus die Abhängigkeit
der Prozessgröße von dem
ersten Kalibrationsdatensatz und dem zweiten Kalibrationsdatensatz
im Wesentlichen vollständig
beschreiben/beschreibt. Es wird also eine Trennung zwischen den
Abhängigkeiten
der Prozessgröße von den
mediumsspezifischen und den mediumsunspezifischen Messgrößen oder
Parametern vollzogen.
Wie
oben bereits erläutert,
lassen sich die mediumsunspezifischen Abhängigkeiten idealerweise fertigungsseitig
sehr gut bestimmen. Die mediumsspezifischen Abhängigkeiten lassen sich teilweise
auch fertigungsseitig ermitteln, jedoch werden die Messungen mit
den in der konkreten Anwendungen zu messenden Medien oft vorzugsweise
vor Ort vorgenommen. Aus beiden Datensätzen wird dann eine Formel
zur weiteren Bestimmung der Prozessgröße ermittelt bzw. angepasst.
Für das
Beispiel des Coriolis-Messgerätes
bedeutet dies beispielsweise, dass fertigungsseitig ein erster Kalibrationsdatensatz
für die
Abhängigkeit
der Schwingungsfrequenz von der Temperatur des Messrohres aufgenommen
wird. Die Formel sieht dann so aus, dass sie eine funktionelle Abhängigkeit
der Dichte von der Temperatur des Messrohres aufweist. Weiterhin
kann ggf. auch ein Teil der Koeffizienten der Formel bereits fertigungsseitig
aus den ersten Kalibrationsdaten ermittelt werden. Es können jedoch
auch alle Koeffizienten erst vor Ort ermittelt werden. Anwendungsseitig
wird dann ein zweiter Kalibrationsdatensatz erzeugt, welcher die
Verbindung zwischen Schwingfrequenz und Dichte selbst beschreibt.
Ein Teil dieser Dichte-Frequenz-Daten
kann auch fertigungsseitig gewonnen werden. Aus den beiden Datensätzen wird
anschließend
die eigentliche und vollständige
Formel zur Berechnung der Dichte erzeugt. Dabei handelt es sich
beispielsweise um ein Polynom in Abhängigkeit von der Schwingfrequenz,
wobei die Koeffizienten des Polynoms jeweils eine Funktion – insbesondere
wieder ein Polynom – der
Mediums- oder der Rohrtemperatur sind. Wichtig ist eben, dass die
Formel beide Datensätze
hinlänglich
beschreibt.
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass anwendungsseitig mehrere zweite Kalibrationsdatensätze erzeugt werden,
welche sich jeweils auf den gleichen mediumsspezifischen Messparameter
beziehen, dass die zweiten Kalibrationsdatensätze abgelegt werden, dass ein
zweiter Kalibrationsdatensatz ausgewählt wird, und dass die Formel
und/oder der Algorithmus derartig angepasst werden/wird, dass die
Formel und/oder der Algorithmus die Abhängigkeit der Prozessgröße von dem
ersten Kalibrationsdatensatz und dem ausgewählten zweiten Kalibrationsdatensatz
im Wesentlichen vollständig
beschreiben/beschreibt. Die Ausgestaltung sieht vor, dass anwendungsseitig
mehrere mediumsspezifische Kalibrationsdatensätze erzeugt werden, aus denen dann
jeweils passend die Auswerteformel oder der Auswertealgorithmus
erzeugt wird. Die einzelnen Datensätze beziehen sich dabei beispielsweise
auf unterschiedliche Messbedingungen oder unterschiedliche Medien
usw. Eine dazu alternative Ausgestaltung ist die folgende:
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass anwendungsseitig mehrere zweite Kalibrationsdatensätze erzeugt
werden, welche sich jeweils auf den gleichen mediumsspezifischen
Messparameter beziehen, dass die Formel und/oder der Algorithmus
für jeden
zweiten Kalibrationsdatensatz derartig angepasst werden/wird, dass
die Formel und/oder der Algorithmus die Abhängigkeit der Prozessgröße von dem
ersten Kalibrationsdatensatz und dem zweiten Kalibrationsdatensatz
im Wesentlichen vollständig
beschreiben/beschreibt, dass die angepassten Formeln und/oder Algorithmen
abgelegt werden, und dass eine Formel und/oder ein Algorithmus für die Bestimmung
der Prozessgröße ausgewählt wird.
In dieser Ausgestaltung wird also jeweils für ein Medium oder eine Anwendungskonstellation
ein Kalibrationsdatensatz erzeugt und daraus eine Formel oder ein
Algorithmus ermittelt. In der Anwendung lässt sich dann passend zum Medium
die zugehörige
Formel oder der zugehörige
Algorithmus aufrufen. In der vorherigen Ausgestaltung werden also
unterschiedliche Kalibrationsdatensätze erzeugt, aus denen dann
je nach Bedarf die aktuelle Formel ermittelt wird. In der zweiten
Ausgestaltung werden die bereits fertigen Formeln abgerufen. Beide
Ausgestaltungen erzeugen jedoch einen auf die konkrete Anwendung
zugeschnittene Kalibration. Dies ist beispielsweise vorteilhaft,
wenn unterschiedliche Medien bei unterschiedlichen Prozessbedingungen
z.B. im Batch-Betrieb verarbeitet werden.
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass bei der Anpassung der Formel und/oder
des Algorithmus die Daten des ersten Kalibrationsdatensatzes und/oder
des zweiten Kalibrationsdatensatzes unterschiedlich gewichtet werden.
Je nachdem, welche Bedeutung oder welche Genauigkeit den einzelnen
Datenpunkten zugeordnet wird, lassen sich die Werte für die Ermittlung
der Formel bzw. des Algorithmus passend gewichten.
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass als Prozessgröße die Dichte des Mediums bestimmt
wird, und dass als Messgröße die Frequenz
der Schwingungen eines Rohres gemessen wird, welches das Medium durchströmt. Es handelt
sich also vorzugsweise um eine Messung nach dem Coriolis-Messprinzip
bzw. bei dem Messgerät
um ein Coriolis-Durchflussmessgerät.
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass als eine zweite Messgröße die Temperatur
des Rohres und/oder des Mediums gemessen wird, und dass der erste
Kalibrationsdatensatz sich auf die Abhängigkeit der Frequenz der Schwingungen
von der Temperatur des Messrohres bezieht. Wie oben erwähnt, ist
für die
Bestimmung der Dichte das Wissen über die Steifigkeit des Messrohres
erforderlich, welche wiederum von der Temperatur des Rohres abhängig ist.
Die Temperatur des Messrohres ergibt sich direkt durch die Messung
oder indirekt durch die Messung der Mediumstemperatur, wenn die
Abhänigkeit
der Temperatur des Rohres von der Temperatur des Medium bekannt
ist. Eine Messung der Temperatur kann ggf. auch entfallen, wenn
beispielsweise durch ein passendes Steuersystem die Daten über die
Temperatur bereitgestellt werden.
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass anwendungsseitig ein zweiter Kalibrationsdatensatz
bezüglich der
Dichte des Mediums erzeugt wird. Die Dichte ist ein mediumsspezifischer
Wert und somit ist der zugeordnete Datensatz auch sehr stark von
der Art der Anwendung abhängig.
Das
Messverfahren lässt
sich auch als Erweiterung eines Kalibrationsverfahrens verstehen.
Das Kalibrationsverfahren umfasst zwei Kalibrationsschritte. Bei
der ersten Kalibration werden insbesondere fertigungsseitig Kalibrationsdaten
insbesondere in Bezug auf mediumsunspezifische Parameter gewonnen.
Im zweiten Schritt werden vor Ort Kalibrationsdaten erzeugt, welche
mediumsspezifisch oder spezifisch für die konkrete Anwendung sind.
Aus beiden Datensätzen
wird dann eine Formel oder ein Algorithmus zur Berechnung mindestens
einer zu bestimmenden Prozessgröße ermittelt.
Dabei beschreibt die Formel oder der Algorithmus im Wesentlichen
vollständig
die Abhängigkeit
von beiden Kalibrationsdatensätzen.
Oder mit anderen Worten, wobei diese Formulierung entsprechend auch
für das
obige Messverfahren gilt: Es wird fertigungsseitig ein erster Kalibrationsdatensatz
gewonnen und es wird anwendungsseitig ein zweiter Kalibrationsdatensatz gewonnen.
Dann wird anwendungsseitig eine Formel oder ein Algorithmus zur
Bestimmung einer Prozessgröße, also
zur Vollendung der Messung der Prozessgröße ermittelt, wobei die Formel
oder der Algorithmus die Abhängigkeit
von beiden Kalibrationsdatensätzen
im Wesentlichen vollständig
beschreibt.
Eine
Erfindung löst
die Aufgabe weiterhin durch ein Coriolis-Durchflussmessgerät, welches vorsieht, dass in
der Speichereinheit fertigungsseitig zumindest ein erster Kalibrationsdatensatz
hinterlegt ist, dass die Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist,
dass sie eine Anpassung der Formel und/oder des Algorithmus zur Bestimmung
der Dichte des Mediums an die anwendungsseitig herrschenden Bedingungen
vornimmt, wobei die Formel und/oder der Algorithmus den ersten Kalibrationsdatensatz
und die anwendungsseitig herrschenden Bedingungen im Wesentlichen
vollständig
beschreiben. Dieses Coriolis-Durchflussmessgerät ist somit eine Vorrichtung,
welche das erfindungsgemäße Verfahren
umsetzt. Die oben genannten Verfahrensausgestaltungen lassen sich
somit auch bei diesem erfindungsgemäßen Coriolis-Durchflussmessgerät anwenden.
In
der
1 ist sehr schematisch ein Coriolis-Durchflussmessgerät dargestellt.
Das Messrohr
1 wird vom – hier nicht gezeigten – Medium
durchströmt.
Eine Anregeeinheit
2 regt das Rohr
1 zu mechanischen Schwingungen
an. Die Frequenz der Schwingungen wird von der Sensoreinheit
3 bestimmt.
Gleichzeitig misst ein Temperatursensor
4 die Temperatur
des Messrohres
1. Alternativ wird die Temperatur des Mediums
gemessen, wenn davon ausgehend unter bekannten Abhängigkeit
die Temperatur des Rohres
1 bestimmt werden kann. Aus der
Temperatur und der Schwingfrequenz lässt sich die Dichte des Mediums
beispielsweise wie folgt berechnen:
Ist eine konstante Referenztemperatur
des Messrohres T
R gegeben, so ergibt sich
die Dichte ρ aus
dem Quadrat der Schwingfrequenz ϖ
2,
der Steifigkeit des Rohres K, der Masse des Rohres M
0 und
dem Volumen V innerhalb des Messrohres zu:
Die
Erfindung besteht nun darin, dass die Messparameter, welche für die Bestimmung
der Prozessgröße Dichte
erforderlich sind, in quasi zwei Gruppen unterteilt werden. Zum
einen sind dies mediumsunabhängige
Parameter, wie beispielsweise die Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz
von der Temperatur des Messrohres. Zum anderen sind dies mediumsabhängige Parameter
wie beispielsweise die Dichte selbst. Für die Bestimmung der Dichte
ist somit eine erste Kalibration in Abhängigkeit von der Rohrtemperatur
und eine zweite Kalibration in Abhängigkeit von der Dichte selbst
durchzuführen.
Da es sich bei der Temperatur um eine unspezifische Größe in Bezug
auf das Medium handelt, kann diese Temperatur-Kalibration bereits
fertigungsseitig, d.h. bei der Herstellung des Coriolis-Durchflussmessgerätes durchgeführt werden.
Die Abhängigkeit zwischen
Frequenz und Dichte wiederum ist abhängig vom Medium und daher wird
diese Kalibration vorzugsweise anwendungsseitig durchgeführt. Alternativ
lässt sich
auch formulieren, dass es sich zum einen um Parameter handelt, welche
nicht spezifisch für
den konkreten Anwendungsfall sind, und Parameter, welche spezifisch
für die
spezielle Anwendung sind. So lassen sich beispielsweise bei der
Fertigung Kalibrationsmessungen für die Temperatur und für einige
Medien mit bekannter Dichte durchführen, jedoch wird die Dichtekalibration
für die
in der Anwendung zu messenden und besonderen Medien bevorzugt nur
von Ort vorgenommen werden. Das Besondere besteht jeweils darin,
dass die Formel oder der Algorithmus derartig an die Anwendungsbedingungen
angepasst wird, dass stets auch die fertigungsseitigen Kalibrationsdaten
ausreichend beschrieben werden. D.h. es ist nicht möglich, dass
eine Formel bzw. ein Algorithmus nur die Prozessbedingungen beschreibt
und nicht mehr zu den übrigen
Kalibrationsdaten passt.
