DE102006033112A1

DE102006033112A1 - Verfahren und Einrichtung zum Betrieb eines Durchflussmessgerätes

Info

Publication number: DE102006033112A1
Application number: DE102006033112A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Schrag; Harald Dr. Grothey; Kai Dr. Hencken; Markus Dr. Nägele
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2008-01-31
Also published as: US7546212B2; US20080016967A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Betrieb eines Durchflussmessgerätes, insbesondere magnetisch induktive Durchflussmessgeräte, aber auch kapazitive Messgeräte sowie solche, die über Elektroden verfügen, die zur Einspeisung eines Signals in das zu messende Fluid benutzt werden können, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um zu jeder Zeit im Messbetrieb eine Diagnose sowohl des Gerätes selbst als auch der Veränderungen der Konstitution oder Konsistenz des strömenden Mediums zu erfassen, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass an mindestens einer Elektrode ein Signal in Form eines Stroms oder einer Spannung E<SUB>1i</SUB> angelegt und an einer anderen Elektrode E<SUB>2i</SUB>, die nicht mit dem Signal beaufschlagt ist oder nicht aktuelle aktiviert ist, Impedanzen ermittelt und/oder Spannung(en) und/oder Strom (Ströme) gemessen werden, dass diese Werte in Vergleich/Verhältnis zu vorherigen Werten gesetzt werden und daraus auf den Zustand/eine Störung der Einrichtung und/oder des Messmediums zunächst qualitativ und dann quantitativ geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Betrieb eines Durchflussmessgerätes, insbesondere magnetisch induktive Durchflussmessgeräte, aber auch kapazitive Messgeräte, sowie solche die über Elektroden zur Einspeisung eines Signals in das zu messende Fluid verfügen, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10.
Am populärsten sind Durchflussmessgeräte, die magnetisch induktiv betrieben werden. Dabei wird über ein definiertes Messrohr ein magnetisches Feld induziert, und über mindestens ein Paar von Elektroden, die einen Übergang zum Fluid haben, ein vom Magnetfeld generiertes Signal gemessen.
Vielfach werden Verfahren und Einrichtungen dieser Art neuerdings mit Diagnosemitteln zur Erfassung des Zustandes der Einrichtung einerseits, sowie auch zur Erfassung von Störungen im Fluss des Messmediums andererseits eingesetzt. Hierzu dient das eigentliche, den Durchfluss bestimmende Messsignal nur noch sekundär. Primär wird die Anordnung von Elektroden, die mit dem Messmedium in Berührung stehen dazu benutzt, auf elektrische Weise signifikante Messwerte zu erhalten. Bei der Einspeisung von Signalen über die Elektroden sind technisch Grenzwerte gesetzt, bezüglich Spannung und Strom, die zuverlässig verhindern, dass an den Elektroden im Messmedium Elektrolysevorgänge eingeleitet werden.
Neben den funktionalen Störungen des Gerätes selber können ansonsten gleichmäßige Strömungen der Messmedien jedoch auch Störzustände erreichen, beispielsweise durch den Kavitätseffektes, bei dem durch turbulente Verströmungen an Rohrkonturen derartige Unterdrücke entstehen, dass in einem ansonsten gasblasenfreien flüssigen Medium plötzlich doch Gasblasen entstehen, die dann auch die Durchflussmesseinrichtung passieren müssen. Ferner können andere Materialien, wie Feststoffe, Verschmutzungen oder dergleichen im Messmedium derart stören, dass ähnlich wie bei Gasblasen damit zwar ein Summendurchfluss gemessen wird, dieser jedoch nicht ausschließlich dem Durchfluss des eigentlich des gewollten Messmediums entspricht. Insbesondere diesen Zustand zu erfassen, erweist sich als besonders schwierig.
Eine weitere Problematik tritt dadurch auf, dass in vielen Fällen die Flussmedien Beläge auf den Elektroden und/oder auf dem isolierenden Bereich des Messrohrs, dem sogenannten Liner, nach entsprechender Betriebszeit erzeugen. Auch diese Beläge verfälschen das Messergebnis und damit den angezeigten, gegenüber dem wahren Durchfluss.
So ist aus DE 102 43 748 sowie aus DE 101 18 002 ein elektromagnetischer Durchflussmesser bekannt, bei dem Impedanzen zwischen einer oder mehrerer Elektroden und einer Erdungsstelle gemessen werden. Mit diesen können sich verändernde Widerstandswerte mit Erfahrungswerten verglichen und daraus gegebenenfalls eine Belagbildung abgeleitet werden.
Eine signifikante Erfassung beispielsweise von Gasblasen in der Strömung ist hierbei jedoch nicht gegeben. Lediglich wachsende Widerstände insbesondere am Uebergang zwischen Elektrode und Messmedium werden signifikant als belagsbildend diagnostiziert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, dass zu jeder Zeit im Messbetrieb eine Diagnose sowohl des Gerätes selbst, als auch der Veränderungen der Konstitution oder Konsistenz des strömenden Mediums erfassbar sind.
Die gestellte Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 dargestellt.
Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 10 gelöst.
Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der Kern der erfindungsgemäßen Lehre hinsichtlich des Verfahrens ist, dass an mindestens einer Elektrode ein Signal, in Form eines Stromes oder einer Spannung, E_1i angelegt, und an einer anderen Elektrode E_2i, die nicht mit dem Signal beaufschlagt ist oder nicht aktuell aktiviert ist, Impedanzen ermittelt, und/oder Spannung(en) und/oder Strom(Ströme) gemessen werden, dass diese Werte in Vergleich/Verhältnis zu vorherigen Werten gesetzt werden, und daraus auf den Zustand/eine Störung der Einrichtung und/oder des Messmediums zunächst qualitativ und dann quantitiv geschlossen wird.
Gegenüber dem oben erwähnten Stand der Technik wird nicht die Impedanz zwischen zwei oder mehreren beaufschlagten Elektroden gegenüber einer Erdungsstelle gemessen, sondern lediglich Impedanzen an den nicht mit dem eingeprägten Messsignal beaufschlagten Elektrode(n). Dies ist deutlich einfacher und auch signifikanter im Ergebnis, und damit in der Aussagekraft der Diagnose besser, als beim oben erwähnten Stand der Technik. Die dabei gemessene Impedanz(en) sind eine mit Rauschen behaftete Größe. Das Rauschen liegt dabei aber in signifikant kleinerer Größe, als der ermittelte Impedanzwert. Untersuchungen haben hierbei ergeben, dass die Stärke des Rauschens einen deutlichen Übergang in ihrem Absolutwert macht, sobald sich innerhalb des fließenden Mediums Gasblasen bilden. Diese signifikante Erhöhung des Rauschens ist dabei eine sichere, in entsprechenden Grenzen nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ reproduzierbare Größe für die Bestimmung von Gasblasendurchsatz durch das Fließmedium.
Im Allgemeinen wird an mindestens einer der Elektroden eine zeitlich veränderliche Spannung als Signal eingespeist, so dass aufgrund des elektrischen Feldes im Inneren des Rohres eine Spannung und/oder ein Strom an einer zweiten Elektrode gemessen werden kann, ohne dass direkt an dieser Elektrode ein Signal anzulegen ist. Aus den gemessenen Werten für Strom und Spannung lassen sich verschiedene komplexe Impedanzen bestimmen. Diese Bestimmung liefert hierbei die wesentliche Größe, die zur Belagsermittlung herangezogen wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass bei ermittelter Störung des Durchflusses die entsprechende Durchflussanzeige korrigiert wird. Dabei wird in oben genannter Weise die Störung, beispielsweise durch Gasblasen durch adaptive oder Extrapolationsmethoden korrigiert und die korrigierte Anzeige mit einem entsprechenden Korrekturhinweis auf der Anzeige wiedergegeben.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Detektion von Belag, beispielsweise durch die Ermittlung steigender Übergangswiderstände, oder aber auch des Imaginärteils der Impedanz, der den kapazitiven Anteil widerspiegelt, erfolgen. Dabei wird dieser Mangel nicht nur detektiert, sondern es wird gegebenenfalls eine automatische Reinigung eingeleitet. Dazu wird ein Hochspannungs- oder Hochstromsignal auf die Elektroden zur Reinigung derselben eingekoppelt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgegeben, dass zwischen Mess- und Diagnosezyklus umgeschaltet werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass Mess- und Diagnosezyklen auch zeitlich überlappen, und daher bei unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig gemessen werden, so dass sich Messzyklus und Diagnosezyklus nicht stören beziehungsweise deren Signale störend interferieren würden.
Weiterhin ist ausgestaltet, dass die Leitfähigkeit des Mediums über eine Strom-Spannungsmessung und die Ermittlung einer Impedanz bestimmt wird. Damit liegt eine weitere Größe zur komplexen Diagnose vor.
Eine weitere Diagnosemöglichkeit besteht in der Bestimmung der richtigen Einbaulage des Durchflussmessgerätes in der Rohrleitung. Bei falscher Einbaulage wird automatisch ein Warn- oder Meldesignal generiert. Diese Diagnose wird so vorgenommen, dass eine Asymmetrie in einer Spannung oder Strommessung oder eine daraus ermittelten Impedanz bestimmt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Bestimmung eines erhöhten Rauschens.
Letztlich sind bei einem Durchflussmessgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens elektronische Mittel vorgesehen, mit welchen an mindestens einer Elektrode ein Signal E_1i anlegbar ist, und an einer anderen Elektrode E_2i, die nicht mit dem Signal beaufschlagt ist oder nicht aktuell aktiviert ist, die Impedanz ermittelt und/oder Spannung und/oder Strom gemessen wird, dass diese Werte in einer Auswerteeinheit in Vergleich zu vorherigen oder anderen Werten setzbar sind, und daraus auf den Zustand der Einrichtung und/oder des Messmediums zunächst qualitativ und dann quantitiv geschlossen werden, wobei dies in einer Anzeige anzeigbar ist.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
Es zeigt:
1: Ersatzschaltbild zum erfindungsgemäßen Messverfahren
2: Gasblasendetektion
3: Leitfähigkeitsmessung
4: schematische Messrohrdarstellung in 3-D Ansicht.
1 zeigt das Messrohr eines Durchflussmessgerätes, beispielsweise induktiver oder kapazitiver Art, lediglich schematisch und im Querschnitt. Innerhalb des Messrohres wird das fließende Messmedium durch von außen herangeführte und galvanisch oder kapazitiv an das Messmedium ankoppelnde Elektroden E₁ und E₂ kontaktiert. E₁ und E₂ sind dabei die Elektroden, wobei E₁ diejenige Elektrode ist, auf die das eigentlich Initiierungssignal z.B. als AC-Signal aufgeprägt wird. E₂ hingegen misst lediglich das Antwortsignal.
Des Weiteren ist hierbei die externe Beschaltung schematisch dargestellt. Ferner ist innerhalb des Messrohres ein mögliches Ersatzschaltbild für die vorliegenden Impedanzen zwischen den Elektroden untereinander und den Elektroden und Masse beziehungsweise Erde dargestellt.
Ausführungsbeispiel:
Der Widerstand R ist dabei der Elektrode E₂ vorgeschaltet. Bei geschlossenem Schalter S liegt der reale ohm'sche Widerstand R damit parallel zur Impedanz Z₂ an Erde an. Dabei wird einmal mit offenem und einmal mit geschlossenem Schalter gemessen, und zwar die Spannung an E₁ in Abhängigkeit zum Strom sowie die Spannung an E₂ in Abhängigkeit zum Strom.
Hierbei ergibt sich für die beiden Schaltzustände Schalter S offen und Schalter S
Alle Signale werden mit Amplituden- und Phaseninformation verarbeitet (⇒ komplexe Schreibweise in den o.g. Formeln)
geschlossen folgende formale Zusammenhänge:
Diese Signalauswertung ist im Wesentlichen verschieden zu dem was in bekannten Messeinrichtungen vorgenommen wird. Die so ermittelte Impedanz stimmt auch nicht mit der Impedanz überein, die in der bekannten Messeinrichtung gemessen wird, da hier die Impedanz eines Teils des Systems durch ein Ersatzschaltbild dargestellt wird.
2 beschreibt im Wesentlichen den Messmodus bei der Detektion von Gasblasen im strömenden Medium, die als solche ja im unberücksichtigten Fall einen Messfehler erzeugen.
Hierbei wird das elektrische Feld bzw. die an der Elektrode E₂ induzierte Spannung in Abhängigkeit der Zeit gemessen. An der Elektrode E₁ wird das Signal eingespeist, üblicherweise ein Wechselsignal mit einer Frequenz von 2 kHz, bei 0,1 V. An E₂ wird dann das Ausgangssignal beziehungsweise das Antwortsignal gemessen. Als Formalzusammenhang dient die Standardabweichung σ_n des Signals E₂ (z.B. der Amplitude A) und deren Auswertung nach der Formel:
Der untere Bildteil von 2 macht einen Messlauf klar, bei dem die Standardabweichung, also das schon bereinigte Rauschen in Abhängigkeit zur Zeit dargestellt wird. Um einen Mittelwert herum ist bei 0% Gasblasen im Messmedium die Standardabweichung σ_n nahe 0. Bereits bei 1% Gasblasenanteil steigt σ signifikant auf ein zweites Plateau an, oberhalb des Durchschnittswertes, und bei 2% Gasblasen im Messmedium ebenfalls und so weiter. Das heißt diese Methode eignet sich sehr gut für die Detektion von Gasblasen und ist im Übrigen höchst reproduzierbar. Sogar eine quantitative Aussage ist möglich.
Im Übrigen spielt auch im Weiteren im Hinblick auf 3 die Bestimmung der Leitfähigkeit σ_L in dem Messmedium eine Rolle. Die Leitfähigkeit als Funktion des Widerstandes aufgetragen stellt hierbei 3 dar. Die Kreuze innerhalb des Messdiagramms stehen für die gemessenen Werte und die aus dem Formelzusammenhang ermittelte Leitfähigkeit. Die Dreiecke sind die Ergebnisse einer Referenzmessung der Leitfähigkeit mit einem Messgerät. Hierbei ist eine excellente Übereinstimmung der beiden Leitfähigkeiten gegeben.
Als Formelzusammenhang wird hierbei verwendet das
Dabei ist k eine geometrische Konstante. Re(Z) bedeutet Realteil der Impendanz Z.
4 zeigt noch mal in einer sehr vereinfachten Darstellung ein entsprechendes Messrohr in Längsdarstellung wobei hierbei die Elektroden E₁ und E₂ gegenüberliegend in der Messrohrwandung platziert sind. Diese können jedoch in Folge fortgesetzt und gegebenenfalls auch paarweise entlang der Messrohrlängsrichtung verteilt angeordnet werden. Dadurch ergibt sich ein dreidimensionales Messfeld, um auch hierbei die Massen- und Volumendurchsätze möglichst genau ermitteln zu können.
Im Hinblick auf die unerwünschte Bedeckung der Elektroden mit Adsorbaten aus der Flüssigkeit wird dies durch die Auswertung des Imaginärteils der oben beschriebenen Impedanzen ermittelt, und als Messreihe aufgezeichnet, beziehungsweise die Werte in einem hier nicht weiter dargestellten adaptiven Speicherfeld gespeichert. Sodann können Driften in den Impedanzwerten erkannt werden, wodurch widerrum auf Belagbildung geschlossen werden kann. Dabei können durch Ultraschall oder elektromagnetisch eingespeiste kurzzeitige Signale an den Elektroden, diese wieder vom Belag befreit werden. Hierzu ist es aber notwendig, dass die Beläge sehr früh, also in sehr dünnen Schichten bereits registriert werden können.
Dabei wird bei dieser Auswertung physikalisch der Effekt genutzt, dass eine Belagsbildung zu einer starken Aenderung der Grenzschicht zwischen Elektrode und Fluid führt. Die ist als eine starke Kapazitätsveränderung sichtbar, die im Imaginärteil der Impedanz sichtbar wird. Dies macht man sich hier zu Nutze.
Im weiteren sei erwähnt, dass sich diese Methode sowohl für magnetisch induktive Durchflussmesser als auch für kapazitive Durchflussmesser, und alle solche, über die mittels Elektroden ein Signal in das Messmedium eingespeist werden kann, angewendet werden können.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Durchflussmessgerätes, insbesondere magnetisch induktive Durchflussmessgeräte, aber auch kapazitive Messgeräte, sowie solche, die über Elektroden verfügen, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Elektrode ein Signal, in Form eines Stromes oder einer Spannung, E_1i angelegt, und an einer anderen Elektrode E_2i, die nicht mit dem Signal beaufschlagt ist oder nicht aktuell aktiviert ist, Impedanzen ermittelt, und/oder Spannung(en) und/oder Strom(Ströme) gemessen werden, dass diese Werte in Vergleich/Verhältnis zu vorherigen Werten gesetzt werden, und daraus auf den Zustand/eine Störung der Einrichtung und/oder des Messmediums zunächst qualitativ und dann quantitiv geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ermittelten Zustandsänderung der entsprechende Durchflußwert/anzeige korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der (den) ermittelten Impedanz(en) ein ggfs auf der bzw den Elektroden oder der isolierenden Schicht (dem sogenannten liner) abgeschiedener Belag detektiert wird (Coating oder Fouling).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion eines Belages auf den Elektroden ein Ultraschallsignal oder ein elektromagnetisches Signal oder ein Hochstrom- oder Hochspannungssignal auf die Elektroden zur Reinigung derselben eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Mess- und Diagnosezyklus umgeschaltet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mess- und Diagnosezyklen auch zeitlich überlappen, und daher bei unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig gemessen werden, so dass sich Messzyklus und Diagnosezyklus nicht stören beziehungsweise deren Signale störend interferieren würden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des Mediums über eine Strom-Spannungsmessung an mindestens einer Elektrode ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer statistischen Analyse des zeitlichen Rauschens eines der gemessenen Signales oder einer daraus ermittelten Grösse auf Teilfüllung oder Gasblasen, oder Feststoffe geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie eines Signals bei Vertauschen der Funktionalität der Elektroden oder das zeitliche Rauschen benutzt wird, um die Einbaulage des Gerätes zu ermitteln und bei falscher (nicht bestimmungsgemässen) Einbaulage ein Warn- oder Meldesignal generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bildung von Verhältnissen insbesondere von Impedanzen bzw. deren zeitlichen Verlauf auf den Zustand bzw. eine Zustandsänderung geschlossen werden kann (z.B. bei Belagsbildung oder Fouling bzw. verstopfen des Systems)
Magnetisch induktives oder kapazitives Durchflussmessgerät, bei welchem über mindestens eine Elektrode ein Signal in das zu messende Fluid eingespeist und an mindestens einer weiteren Elektrode ein Messsignal abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Mittel vorgesehen sind, mit welchen an mindestens einer Elektrode ein Signal E_1i angelegbar, und an einer anderen Elektrode E_2i, die nicht mit dem Signal beaufschlagt ist oder nicht aktuell aktiviert ist, die Impedanz ermittelt und/oder Spannung und/oder Strom messbar bzw ermittelbar ist, dass diese Werte in einer Auswerteeinheit ins Verhältnis zu vorherigen Werten setzbar sind, und daraus auf eine Störung in der Einrichtung und/oder im Messmedium zunächst qualitativ und dann quantitiv geschlossen werden, wobei dies in einer Anzeige anzeigbar ist..
Magnetisch induktives oder kapazitives Durchflussmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte in einem adaptiven Datenspeicher zusammen mit der jeweiligen Erfassungszeit abgespeichert werden.
Magnetisch induktives oder kapazitives Durchflussmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass über eine entsprechende Datenverbindung der ermittelte Zustand/eine Zustandsänderung/eine Störung an ein übergeordnetes Leitsystem weitergegeben werden kann.
Magnetisch induktives oder kapazitives Durchflussmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Mittel vorgesehen sind, um die Daten von Messungen zu vergleichen, wobei sich die Funktionalität der einzelnen Elektroden zeitlich geändert hat.