DE102007052047B4

DE102007052047B4 - Verfahren und Einrichtung zur Messung von Fremdkörpern im Messmedium

Info

Publication number: DE102007052047B4
Application number: DE102007052047.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schrag Daniel; Dr. Grothey Harald; Kai Hencken; Jakob Fritsche
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: DE102007052047A1; US20090120203A1; US8340920B2; CN101424652A

Abstract

Verfahren zur Messung von Fremdkörpern im Messmedium bei einem induktiven Durchflussmessgerät, das über Elektroden verfügt, die in Kontakt zum Messmedium stehen, wobei zur Erfassung von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium dieses mit einem magnetischen und/oder elektrischen Feld beaufschlagt wird und das Potential und/oder der Strom an einer oder mehreren Elektroden ausgelesen wird, der Signalverlauf A(t) mitsamt seinem Signal-Rausch-Anteil elektronisch als Funktion der Zeit gemessen, und mittels einer statistischen Auswertung auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signalverlauf A(t) hinsichtlich seiner amplitudenbezogenen Mittellage eine positive und eine negative Gewichtung berechnet wird, und bei Auftreten einer Asymmetrie auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel im Messmedium geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Messung von Fremdkörpern im Messmedium gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 12.
Es sind Durchflussmessgeräte bekannt, 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.
Verfahren und Einrichtungen dieser Art werden 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 Kavitation, 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 gewollten Messmediums entspricht. Insbesondere diesen Zustand zu erfassen, erweist sich als besonders schwierig.
Ausserdem sind Durchflussmessgeräte Alterungsprozessen unterworfen, die einen driftenden Einfluss auf die ermittelten Durchflüsse haben. Mit anderen Worten, die Fehlerhaftigkeit nimmt zu.
Hierbei ist es nun von besonderer Wichtigkeit, übliche Fehler verursachende Quellen ausschließen zu können. Diese sind die oben bereits beschriebenen Gasblasen und Partikel im Messmedium.
Um Alterungseffekte zu erkennen müssen daher durch Gasblasen und Partikel erzeugte Effekte als solche zunächst einmal klar erkannt werden.
Aus der DE 102 43 748 A1 sowie aus der DE 101 18 002 A1 sind elektromagnetische Durchflussmesser bekannt, bei dem Impedanzen zwischen einer oder mehrerer Elektroden und einer Erdungsstelle gemessen werden. Eine signifikante Erfassung beispielsweise von Gasblasen in der Strömung ist hierbei jedoch nicht gegeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, dass die Durchflusseffekte von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium von übrigen Fehlern unterscheidbar ist und damit die Durchflussbestimmung zuverlässiger ist.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.
Im Hinblick auf eine Durchflussmesseinrichtung der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 12 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Durchflussmesseinrichtung sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass zur Erfassung von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium dieses mit einem magnetischen und/oder elektrischen Feld beaufschlagt wird und das Potential und/oder der Strom an einer oder mehrerer Elektroden ausgelesen wird, der Signalverlauf A(t) mitsamt seinem Signal-Rausch-Anteil elektronisch als Funktion der Zeit gemessen, und mittels einer statistischen Auswertung auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel geschlossen wird.
Dabei erfolgt signaltechnisch eine Messung von Spannungen und/oder Strömen im Inneren der Sensoreinheit unter Beaufschlagung einer oder mehrerer Spannungen und/oder Strömen an einer oder mehreren Elektroden oder Einbringen eines elektrischen Feldes z. B. mittels eines Magnetfeldes. Die Messung der Spannungen und/oder Ströme erfolgt an einer oder mehreren Elektroden. Aus der zeitlichen Schwankung der Messwerte kann auf Fremdstoffe oder Gasblasen in der Flüssigkeit geschlossen werden. Dabei handelt es sich um Partikel oder Blasen mit anderen Eigenschaften und elektrischen Leitfähigkeiten als die Flüssigkeit selbst.
Durch die Besonderheit der Messung können Gasblasen deutlich und reproduzierbar detektiert werden.
Das Messsignal ist dabei so ausgelegt, dass sich das Signal der Luftblasen auf das Trägersignal aufmoduliert, welches in unserem Fall das eingespeiste E-Feld oder das induzierte Feld aufgrund eines B-Feldes ist. Es handelt sich dabei um eine ”Amplitudenmodulation”.
In Formeln ausgedrückt bedeutet dies, dass das z. B. an der einen Elektrode eingespeiste Signal definiert ist durch Uin = U0·cos(wt)
Das an der zweiten Elektrode detektierte Feld/Signal ist gegeben durch Uout = A(t)·cos(wt + phi)
Dabei ist die Amplitude A(t) = U0·k·[1 + a(t)]
Dabei gilt: k ist dabei ein fester Faktor der von der Geometrie des Flowmeters abhängt. Phi ist eine mögliche Phasenverschiebung zwischen den beiden Elektrodensignalen.
Im vorliegenden Fall ist diese Phasenverschiebung aber klein. Der Luftblaseneinfluss a(t) ist damit ein multiplikativer Faktor in Bezug auf das eingespeisste Signal. Ist das eingespeisste Signal eine konstante DC Spannung (w = 0) so ergibt sich Uout ~= (1 + a(t))·k·U0 = a(t)·k·U0 + U0·k
Ein (externes) Rauschen, z. B. durch die Messelektronik, wäre hingegen additiv, d. h. formal Uout = U0·k·cos(wt + phi) + deltaU(t))
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass im Signal-Rausch-Verlauf A(t) hinsichtlich seiner amplitudenbezogenen Mittellage eine positive und eine negative Standartabweichung erzeugt wird, und bei Auftreten einer Asymmetrie auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel im Messmedium geschlossen wird. Diese Signifikanz ist dabei ausschlaggebend für den erfindungsgemäß genutzten Effekt.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass eine Reihe von statistischen Parametern für diese neue Methode eingesetzt werden können, indem beispielsweise die statistischen Parameter Mittelwert und/oder Standardabweichung und/oder Skewness und/oder Varianz, und/oder Autokorrelation und/oder die Asymetrie des Signals sind, die zur Auswertung dienen.
In vorteilhafter Weise wird das Eingangssignal in das Messmedium bei einer Frequenz von mindestens 100 Hz eingespeist, wobei eine Trennung der Zeitabhängigkeit des eingespeisten Signals vom Amplitudensignal erfolgen kann.
In vorteilhafter Weise wird das Rauschen variabel im Frequenzbereich 1 bis 1000 Hz augewertet. In diesem Frequenzfenster ist der Effekt unter den genannten Anregungsbedingungen am deutlichsten und zuverlässigsten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Signalstärke automatisch zyklisch variiert wird, und aus dem Kriterium eines proportionalen Mitwachsen des Rauschens zunächst qualitativ auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel geschlossen werden kann, und hernach eine quantitative Auswertung erfolgt.
Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, dass normales Rauschen unabhängig von der Signalstärke oder Amplitude ist, während das durch Gasblasen verursachte Rauschen proportional mit der Amplitude mitwächst. Aus diesem Grund wird also eine Veränderung der Amplitude erzeugt und dann ggfs. automatisch ausgewertet, ob der Rauschen proportional mitwächst oder konstant, also unabhängig von der Amplitude bleibt. So kann durch diese zusätzliche Maßnahme eine Verifizierung der messtechnischen Annahme dass ggfs. Gasblasen vorhanden sind, erfolgen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass adaptiv, historische Daten aufgezeichnet werden. Dabei wird zwischen den jeweilig erfassten Signalwerten und den daraufhin evaluierten und quantifizierten jeweilg ermittelten ggfs. quantifizierten Werten für das Vorliegen von Gasblasen und/oder Partikeln eine Korrelation hergestellt und auch in korrelierender Verknüpfung der Daten zueinander abgespeichert. Eine solche Speicherung von historischen Daten wird dabei vorteilhafter Weise adaptiv angelegt, derart, dass in einer Speichereinrichtung technische „Erfahrungswerte” für die Gasblasendetektion ständig aktualisiert werden. Auf diese Wiese wird die Gasblasenbestimmung forlaufend optimiert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass eine Anzeige von Durchfluss zuzüglich der Gasmenge und/oder Partikelmenge erfolgt.
Aus der qualitativen Auswertung der Asymmetrie lässt sich bei entsprechender Kalibration und fortlaufenden Adaption dann sogar die beschriebene, in Gasblasen im Messmedium mitgeführten Gasmenge und/oder Partikelmenge bestimmen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass bei ermitteltem Vorliegen von Gasblasen ein Farbwechsel am Display der Durchflussmesseinrichtung generiert wird, um entsprechend anzuzeigen, dass der momentane Messwert für den Durchfluss gasblasenbelastet ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das Feld durch Einspeisung an einer ersten Elektrode und die Signalabnahme an einer anderen Elektrode erfolgt, und das Messrohr geerdet ist, und das Signal gegen Erdpotential generiert und gemessen wird.
Alternativ dazu kann die Einspeisung und Signalabnahme aber auch an derselben bzw. denselben Elektroden erfolgen.
Im Hinblick auf eine Durchflussmesseinrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, dass zur Erfassung von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium der Amplitudensignalverlauf A(t) mitsamt seinem Signal-Rausch-Verlauf elektronisch als Funktion der Zeit an mindestens einer Elektrode gemessen und in elektronischen Auswertemitteln zur mathematischen Nachbearbeitung einles- und auswertbar sind, und mittels statistischer Auswertung auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel schließbar ist, und über einen adaptiven Datenfeldvergleich mit historischen Daten quantifizierbar und in einer Anzeige- oder Ausleseeinrichtung anzeigbar/auslesbar sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Einrichtung ist angegeben, dass die Anzeigeeinrichtung ein farbwechselfähiges Display ist, welches in Abhängigkeit von der erfolgten Ermittlung von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium die Displayhintergrundfarbe gegenüber dem Anzeigezustand ohne Gasblasen/Partikel automatisch wechselt. So kann durch das Betriebspersonal sofort, d. h. auch aus größerer Entfernung erkannt werden, dass der momentane Durchfluss gasblasenbelastet ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die elektronischen Mittel zur Ermittlung von Gasblasen und/oder Partikel zu einer separaten bzw. separierbaren Einrichtung zusammengefasst sind, welche auf die Messanordnung eines induktiven oder kapazitiven oder anderen Durchflussmesseinrichtungen auch nachträglich modular schaltbar/anbringbar ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
Es zeigt:
1: Signaldarstellung A(t)
2: Verteilungsfunktion der Amplituden um eine Nulllage
3: Grundsätzlicher Aufbau
4: Aufbau mit magnetischer Induktion
1 zeigt das Zeitsignal der Amplitude A(t) bei einem Luftblasenanteil von etwa 1%. Hierbei ist bereits eine asymmetrischer Verteilung derselben um die Nullage zu erkennen. Diese ist auf die Existenz von Gasblasen im strömenden Medium zurückzuführen. Hierbei wurde eine 1 kHz AC Signalspannung bereits demoduliert, d. h. nur die Amplitude angezeigt. Diese Darstellung zeigt einen Ausschnit von 400 Millisekunden.
2 zeigt in mehreren Einzelabbildungen noch deutlicher den eigentlichen Effekt. Die oberer Kurve ist eine statistische Darstellung der Verteilung des Amplitudenmaximums um eine zentrierte Nullage. Hierbei ist zu erkennen, dass die Verteilung symmetrisch ist, was bei einem Gasblasenanteil von 0% ermittelt wurde. Die untere Kurve zeigt die Amplitudenmaximaverteilung bei 1% Gasblasenanteil, wobei schon eine deutliche Asymmetrie in der Verteilung um die Nullage zu erkennen ist.
In der mittleren Darstellung ist die Verteilung bei 5% Gasblasen dargestellt und somit noch signifikant. Zu erkennen ist, dass das Maß der Asymmetrie direkt auf den Anteil von Gasblasen schließen lässt.
3 zeigt hierzu einen prinzipiellen messtechnischen Aufbau, bei welchem ein elektrisches Signal (Strom oder Spannung) an der einen Elektrode angelegt wird. An der weiteren Elektrode wird das Signal gemessen. Das Medium zwischen den beiden Elektroden verändert sich durch Fremdkörper, welche nicht dieselben physikalischen Eigenschaften wie das Medium aufweisen. Mittels Signalverarbeitung (Demodulation, Filterung, Fourieranalyse) im Zeitbereich und/oder Frequenzbereich sowie Berechnung der statistischen Parameter (Mittelwert, Standardabweichung, Skewness, Varianz, Autokorrelation, Asymetrie des Signals) kann auf Fremdkörper geschlossen werden, wie dies 1 bzw. 2 zeigt.
Bei dieser Darstellung werden für Signaleinspeisung und Signalabnahme unterschiedliche Elektroden verwendet.
4 zeigt den Aufbau mit angelegtem magnetischen Feld im Sinne eines magnetisch induktiven Durchflussmessgerätes. Dort werden 2 Elektroden verwendet. Ein magnetisches Feld wird dabei an den magnetisch induktiven Flowmeter angelegt. Es ergibt sich dabei ein elektrisches Feld in der sich bewegenden Flüssigkeit auf Grund der Lorenz Kraft. Die Signalauswertung ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel. Diese kann auch parallel zur Durchflussmessung erfolgen.
Zur Erkennung einer Veränderung des Mediums kann das Messgerät verschieden eingestellt werden. Zur Erkennung kann erstens eine Werkskalibrierung oder eine Kalibrierung beim Kunden mit der Messflüssigkeit und evtl. auch mit der bekannten Fremdkörperverunreinigung erfolgen. Alternativ kann zweitens auch ein langzeitlicher Mittelwert bestimmt werden, der es ermöglicht eine Veränderung des Mediums durch Fremdkörper zu detektieren.
Zur Sensibilisierung der Einrichtung auf bspw. bestimmte Partikel oder der Unterscheidung zwischen Partikeln und Gasblasen kann die adaptive Auswertung aktueller Daten im Vergleich mit abgespeicherten Mustern etablierter verifizierter Messergebnisse erfolgen.
Die Messeinrichtung zur Gasblasen und/oder Partikelmessung in Messmedien kann, als Einrichtung zusammengefasst, auf einer Durchflussmesseinrichtung auch nachträglich modular schaltbar oder anbringbar sein.

Claims

Verfahren zur Messung von Fremdkörpern im Messmedium bei einem induktiven Durchflussmessgerät, das über Elektroden verfügt, die in Kontakt zum Messmedium stehen, wobei zur Erfassung von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium dieses mit einem magnetischen und/oder elektrischen Feld beaufschlagt wird und das Potential und/oder der Strom an einer oder mehreren Elektroden ausgelesen wird, der Signalverlauf A(t) mitsamt seinem Signal-Rausch-Anteil elektronisch als Funktion der Zeit gemessen, und mittels einer statistischen Auswertung auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signalverlauf A(t) hinsichtlich seiner amplitudenbezogenen Mittellage eine positive und eine negative Gewichtung berechnet wird, und bei Auftreten einer Asymmetrie auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel im Messmedium geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardabweichung und/oder Skewness und/oder Varianz und/oder Autokorrelation als statistische Parameter zur Auswertung dienen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld durch ein Strom- oder ein Spannungssignal an einer oder mehreren Elektroden erzeugt wird und das Signal A(t) an einer oder mehreren Elektroden gemessen wird.
Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld durch Einspeisung an einer ersten Elektrode erzeugt wird und die Signalabnahme an einer anderen Elektrode erfolgt, das Messrohr geerdet ist und das Signal gegen Erdpotential generiert und gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einspeisung und Signalabnahme an derselben bzw. denselben Elektroden erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeld über die bei magnetisch induktiven Durchflussmessern vorhandene Spule beaufschlagt wird und an einer oder mehreren Elektroden ein Strom- und/oder Spannungssignal gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauschen im Frequenzbereich von 1 bis 1000 Hz ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass adaptiv historische Daten genommen werden und der aktuelle Messwert mit diesen Daten verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeige von Durchflussmenge und/oder der Gasmenge und/oder Partikelmenge erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, eine Korrektur der Flüssigkeitsdurchflussrate aufgrund des Fremdstoffanteiles erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer wählbaren Schwelle des Rauschsignal- und/oder des Fremdstoff/Gasanteils ein Diagnosesignal angezeigt wird.
Induktive Durchflussmesseinrichtung, die über Elektroden verfügt, die in Kontakt zum Messmedium stehen, wobei zur Erfassung von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium dieses mit einem magnetischen und/oder elektrischen Feld beaufschlagt wird und das Potential und/oder der Strom an einer oder mehreren Elektroden ausgelesen wird, der Signalverlauf A(t) mitsamt seinem Signal-Rausch-Anteil elektronisch als Funktion der Zeit messbar ist und in elektronischen Auswertemitteln zur mathematischen Nachbearbeitung einles- und auswertbar ist, und mittels einer statistischen Auswertung auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Auswertemittel so ausgebildet sind, dass aus dem Signalverlauf A(t) hinsichtlich seiner amplitudenbezogenen Mittellage eine positive und eine negative Gewichtung berechnet wird, und bei Auftreten einer Asymmetrie auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel schließbar ist, und dass diese über einen adaptiven Datenfeldvergleich mit historischen Daten quantifizierbar und in einer Anzeige- oder Ausleseeinrichtung anzeigbar oder auslesbar sind.
Durchflussmesseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinrichtung ein farbwechselfähiges Display ist, welches in Abhängigkeit von der erfolgten Ermittlung von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium die Displayhintergrundfarbe gegenüber dem Anzeigezustand ohne Gasblasen/Partikel automatisch wechselt.
Durchflussmesseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ermittelten Existenz von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium ein Blinkvorgang oder eine Anzeigestatus am Display geniererbar ist.
Durchflussmesseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Auswertemittel zur Ermittlung von Gasblasen und/oder Partikeln zu einer separaten bzw. separierbaren Einrichtung zusammengefasst sind, welche auf einer Durchflussmesseinrichtung auch nachträglich modular schaltbar oder anbringbar ist.