DE102009002942A1

DE102009002942A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Messrohr-Rohrwanddicke eines Coriolis-Durchflussmessgerätes

Info

Publication number: DE102009002942A1
Application number: DE102009002942A
Authority: DE
Inventors: Alfred Rieder; Wolfgang Drahm; Hao Zhu; Marcel Braun
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-11-11
Also published as: US20100281999A1; US8515691B2; WO2010127951A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Rohrwanddicke mindestens eines Messrohres (A, B) eines Coriolis-Durchflussmessgerätes (2), wobei das Coriolis-Durchflussmessgerät (2) ein Schwingungssystem (20), das mindestens ein Messrohr (A, B) aufweist, und mindestens einen Erreger, durch den das Schwingungssystem (20) zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, aufweist. Gemäß dem Verfahren werden mindestens eine Anregungs-Eingangsgröße des mindestens einen Erregers und mindestens eine Ansprechgröße der dadurch hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems (20) erfasst. Ferner wird eine Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres (A, B) durch Einsetzen der Anregungs-Eingangsgröße und der Ansprechgröße in eine Transfergleichung bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Rohrwanddicke mindestens eines Messrohres eines Coriolis-Durchflussmessgerätes, wobei das Coriolis-Durchflussmessgerät ein Schwingungssystem, das mindestens ein Messrohr aufweist, und mindestens einen Erreger, durch den das Schwingungssystem zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, aufweist.
Nach dem Coriolis-Prinzip wirkt immer dann, wenn sich in einem System eine rotierende und eine, zumindest teilweise senkrecht zu der Rotationsachse verlaufende, geradlinige Massebewegung überlagern, auf die bewegte Masse eine zusätzliche Kraft, die als Coriolis-Kraft bezeichnet wird. Dieser Effekt wird in bekannter Weise in Coriolis-Durchflussmessgeräten ausgenutzt, beispielsweise um einen Massedurchfluss eines, in einer Rohrleitung strömenden Fluides zu bestimmen. Coriolis-Durchflussmessgeräte weisen in der Regel eines oder mehrere Messrohre auf, wobei diese, je nach Gerätetyp, in unterschiedlichen Konfigurationen ausgebildet sein können. Das System aus dem mindestens einen Messrohr bildet ein Schwingungssystem, das je nach Messrohr-Konfiguration entsprechende natürliche Schwingungsmodi, wie beispielsweise Biegeschwingungen (Grundmodus sowie Modi höherer Ordnung), Torsionsschwingungen (Grundmodus sowie Modi höherer Ordnung), etc., aufweist.
Ein Coriolis-Durchflussmessgerät wird im Einsatz in eine, von einem Fluid durchströmte Rohrleitung derart eingesetzt, dass das mindestens eine Messrohr von dem Fluid durchströmt wird. Das Fluid wird dabei vorzugsweise durch eine Flüssigkeit gebildet, die je nach Anwendung unterschiedliche Viskositäten aufweisen kann und gegebenenfalls auch Feststoffe und/oder Gaseinschlüsse mitführen kann. Zur Bestimmung eines Massedurchflusses des Fluides wird das mindestens eine Messrohr durch mindestens einen Erreger zu Schwingungen angeregt. Der mindestens eine Erreger kann dabei beispielsweise durch einen elektromechanischen Erreger, der auf das betreffende Messrohr eine einer angelegten Spannung entsprechende Kraft ausübt, insbesondere einen elektrodynamischen Erreger, gebildet werden. In der Regel wird das Schwingungssystem auf einer Resonanzfrequenz desselben (bei spielsweise des Grundmodus der Biegeschwingung) angeregt. Wird das mindestens eine Messrohr nicht von einem Fluid durchströmt, so schwingt das gesamte Messrohr in Phase. Wird das mindestens eine Messrohr von einem Fluid durchströmt, so wirkt auf die bewegte Masse (des Fluides) eine Coriolis-Kraft. Dies führt dazu, dass das Messrohr aufgrund der Coriolis-Kraft zusätzlich verformt wird und eine Phasenverschiebung entlang der Erstreckungsrichtung des jeweiligen Messrohres auftritt. Die Phasenverschiebung entlang eines Messrohres kann durch entsprechende Schwingungs-Sensoren, die wiederum durch elektromechanische, insbesondere elektrodynamische, Sensoren gebildet werden können und die entlang der Erstreckungsrichtung des Messrohres beabstandet voneinander angeordnet sind, erfasst werden. Die Phasenverschiebung, die über die Schwingungs-Sensoren erfassbar ist, ist proportional zu dem Massedurchfluss durch das Messrohr.
Zusätzlich oder alternativ können durch Coriolis-Durchflussmessgeräte auch weitere physikalische Messgrößen, wie beispielsweise eine Dichte oder eine Viskosität, eines in einer Rohrleitung strömenden Fluides bestimmt werden. Bei der Dichtemessung wird das Prinzip ausgenutzt, dass die Resonanzfrequenz (beispielsweise des Grundmodus der Biegeschwingung) von der schwingenden Masse und damit von der Dichte des durch das mindestens eine Messrohr strömenden Fluides abhängt. Durch Nachregeln der Anregungsfrequenz derart, dass das Schwingungssystem in seiner Resonanzfrequenz angeregt wird, kann die Resonanzfrequenz und daraus wiederum die Dichte des strömenden Fluides bestimmt werden.
Bei der Massedurchflussmessung sowie auch allgemein bei der Messung einer physikalischen Messgröße eines strömenden Fluides durch ein Coriolis-Durchflussmessgerät wird jeweils aus mindestens einer erfassten Größe, wie beispielsweise mindestens einer Sensorspannung, und gegebenenfalls weiteren Größen die zu bestimmende, physikalische Messgröße, wie beispielsweise ein Massedurchfluss, eine Dichte, eine Viskosität, etc., des strömenden Fluides berechnet. In diese Berechnung gehen unter anderem gerätespezifische Faktoren ein, die beispielsweise im Voraus im Rahmen einer Kalibrierung bestimmt werden. Solche gerätespezifischen Faktoren können sich jedoch über die Zeit ändern. Insbesondere treten bei vielen Anwendungen von Coriolis-Durchflussmessgeräten über die Zeit eine Abrasion, eine Korrosion und/oder eine Beschichtung mindestens eines Messrohres auf. Die dadurch bedingten Änderungen des Schwingungsverhaltens des mindestens einen Messrohres verursachen einen Messfehler bei der Messung einer physikalischen Messgröße eines strömenden Fluides, insbesondere bei der Massedurchflussmessung. Wünschenswert ist dabei, dass solch eine Abrasion, Korrosion und/oder Beschichtung mindestens eines Messrohres festgestellt werden kann, ohne dass hierzu ein Ausbau des Coriolis-Durchflussmessgerätes oder ein anderweitiger substantieller Eingriff erforderlich ist.
In der Druckschrift WO 2005/050145 A1 ist ein Verfahren zum Bestätigen der Gültigkeit eines Durchfluss-Kalibrierungsfaktors eines Durchflussmessgerätes beschrieben, bei dem eine anfängliche Biegesteifigkeit und eine aktuelle Biegesteifigkeit eines Bauteils, insbesondere eines Messrohres, des Durchflussmessgerätes bestimmt werden. Die anfängliche Biegesteifigkeit und die aktuelle Biegesteifigkeit werden miteinander verglichen und basierend auf diesem Vergleich wird ein Kalibrierfehler erfasst. Dabei werden verschiedene Arten der Bestimmung einer Biegesteifigkeit erläutert.
Ferner ist in der Druckschrift WO 2007/040468 A1 ein Verfahren zur Bestimmung eines Steifigkeits-Parameters eines Durchflussmessgerätes beschrieben, bei dem ein Schwingungs-Ansprechverhalten bei einer Resonanzfrequenz des Durchflussmessgerätes erfasst wird. Ferner werden eine Ansprechspannung und ein Anregungsstrom bezüglich des Schwingungs-Ansprechverhaltens sowie ein Abklingverhalten des Durchflussmessgerätes erfasst. Aus diesen Größen wird anschließend der Steifigkeits-Parameter bestimmt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie ein Coriolis-Durchflussmessgerät bereitzustellen, durch das zuverlässig eine Abrasion, Korrosion und/oder Beschichtung mindestens eines Messrohres festgestellt werden kann, ohne dass hierzu ein Ausbau des Coriolis-Durchflussmessgerätes oder ein anderweitiger substantieller Eingriff erforderlich ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Rohrwanddicke mindestens eines Messrohres eines Coriolis-Durchflussmessgerät gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Coriolis-Durchflussmessgerät gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Rohrwanddicke mindestens eines Messrohres eines Coriolis-Durchflussmessgerätes bereitgestellt. Das Coriolis-Durchflussmessgerät weist dabei ein Schwingungssystem, das mindestens ein Messrohr aufweist, und mindestens einen Erreger, durch den das Schwingungssystem zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, auf. Das Verfahren weist nachfolgende Schritte auf:

A) Erfassen mindestens einer Anregungs-Eingangsgröße des mindestens einen Erregers und mindestens einer Ansprechgröße der dadurch hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems;
B) Bestimmen einer Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres durch Einsetzen der Anregungs-Eingangsgröße und der Ansprechgröße in eine Transfergleichung, wobei durch die Transfergleichung unter anderem die Rohrwanddicke des Messrohres, die in eine an dem Schwingungssystem auftretende Biegekraft eingeht, die Anregungs-Eingangsgröße und die Ansprechgröße zueinander in Beziehung gesetzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann folglich durch Messen des Schwingungs-Ansprechverhaltens des Schwingungssystems und unter Heranziehung einer Transfergleichung des Coriolis-Durchflussmessgerätes eine Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres bestimmt werden, Insbesondere kann hierdurch eine Änderung der Rohrwanddicke gegenüber einer ursprünglichen Rohrwanddicke des Messrohres erfasst werden. Auf diese Weise können insbesondere eine Abrasion, Korrosion und/oder Beschichtung des Messrohres, die zu einer Änderung der Rohrwanddicke und damit zu einer Änderung des Schwingungsverhaltens des Schwingungssystems führen, erfasst werden. Beispielsweise kann eine Elektronik des Coriolis-Durchflussmessgerätes derart ausgebildet sein, dass sie bei Auftreten einer Abweichung der Rohrwanddicke von der ursprünglichen Rohrwanddicke und/oder bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes dieser Abweichung eine Fehler- oder Alarmmeldung ausgibt. Ferner kann eine Elektronik des Coriolis-Durchflussmessgerätes derart ausgebildet sein, dass sie in Abhängigkeit von der aufgetretenen Abweichung eine Korrektur der jeweils durchgeführten Durchflussmessung, bei der eine physikalische Messgröße, insbesondere ein Massedurchfluss, eines strömenden Fluides bestimmt wird, durchführt.
Dementsprechend kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Abrasion, Korrosion und/oder Beschichtung mindestens eines Messrohres des Coriolis-Durchflussmessgerätes zuverlässig festgestellt werden, ohne dass hierzu ein Ausbau des Coriolis-Durchflussmessgerätes oder eines Bauteils desselben erforderlich ist. Insbesondere kann, wie unter Bezugnahme auf eine Weiterbildung erläutert wird, die Bestimmung der Rohrwanddicke parallel zu einer, mit dem Coriolis-Durchflussmessgerät durchgeführten Durchflussmessung durchgeführt werden.
Im Folgenden wird in den Fällen, in denen mindestens ein Erreger, Sensor, Messrohr, mindestens eine Anregungs-Eingangsgröße, etc. vorgesehen ist, nicht jedesmal explizit auf die Möglichkeit der Vorsehung einer Mehrzahl dieser Bauteile oder Größen hingewiesen. Dennoch wird auf diese Möglichkeit weiterhin Bezug genommen.
Durch den Schritt des Erfassens mindestens einer Anregungs-Eingangsgröße des mindestens einen Erregers und mindestens einer Ansprechgröße der dadurch hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems wird allgemein das Schwingungs-Ansprechverhalten des Schwingungssystems bei der jeweiligen Anregung, insbesondere bei der jeweiligen Anregungsfrequenz, erfasst. Mit „Anregungs-Eingangsgröße” wird dabei allgemein auf eine Größe Bezug genommen, die spezifisch bzw. charakteristisch für die Anregung des Schwingungssystems (über den mindestens einen Erreger) ist. Die Anregungs-Eingangsgröße kann beispielsweise durch eine, an den Erreger angelegte Anregungsspannung oder Anregungsenergie, einen, an den Erreger angelegten Anregungsstrom oder durch eine von dem Erreger auf das Schwingungssystem ausgeübte Anregungskraft, etc., gebildet werden. Mit „Ansprechgröße” wird allgemein auf eine Größe Bezug genommen, die spezifisch bzw. charakteristisch für die durch den Erreger hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems ist. Die Ansprechgröße kann beispielsweise durch eine Amplitude der von dem Erreger hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems oder durch eine, von einem Schwingungs-Sensor, der eine Amplitude und/oder Ge schwindigkeit der Schwingungen des Schwingungssystems erfasst, bereitgestellte Sensorspannung, etc., gebildet werden.
Die Transfergleichung setzt dabei eine Anregungs-Eingangsgröße und eine Ansprechgröße zueinander in Beziehung, so dass durch die Transfergleichung das Schwingungs-Ansprechverhalten eines Coriolis-Durchflussmessgerätes beschrieben wird. Je nachdem, welche Anregungs-Eingangsgröße und welche Ansprechgröße in dem Coriolis-Durchflussmessgerät erfasst bzw. bestimmt werden, kann die Transfergleichung eine unterschiedliche Form aufweisen. In die Transfergleichung gehen Eigenschaften des Schwingungssystems, welche das Schwingungsverhalten des Schwingungssystems beeinflussen, ein. Insbesondere wird das Schwingungsverhalten durch die Biegekraft des mindestens einen Messrohres beeinflusst, wobei die Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres in diese Biegekraft mit eingeht. Dementsprechend kann die Transfergleichung derart formuliert werden, dass darin die Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres als Größe vorkommt und die Gleichung nach dieser Rohrwanddicke aufgelöst werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei grundsätzlich unabhängig von der Anzahl und der Konfiguration des Messrohres bzw. der Messrohre des Coriolis-Durchflussmessgerätes anwendbar. Insbesondere kann das Messrohr bzw. können die Messrohre jeweils geradlinig, bogenförmig oder anderweitig gekrümmt verlaufen. Vorzugsweise wird der Schritt des Bestimmens (Schritt B)) und gegebenenfalls auch der Schritt des Erfassens (Schritt A)) vollständig oder teilweise durch eine entsprechend ausgebildete Elektronik des Coriolis-Durchflussmessgerätes (analog und/oder digital) durchgeführt. Alternativ können diese Schritte (insbesondere Schritt B)) vollständig oder teilweise auch durch eine externe datenverarbeitende Einheit, an welche die entsprechenden Messsignale bzw. Informationen übermittelt werden (beispielsweise über ein Netzwerksystem) durchgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die bestimmte Rohrwanddicke mit einer ursprünglichen Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres verglichen und gegebenenfalls eine Abweichung derselben festgestellt. Auf diese Weise kann einfach und zuverlässig eine Abrasion, Korrosion und/oder Beschichtung des Messrohres festgestellt werden. Für die zuverlässige Detektion einer Abrasion, Korrosion und/oder Beschichtung des Messrohres ist die (genaue) Bestimmung des absoluten Wertes der Rohrwanddicke weniger wichtig. Vielmehr ist wesentlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren zuverlässig eine Abweichung gegenüber einem ursprünglichen Wert der Rohrwanddicke erfassbar ist. Vorzugsweise werden solch ein Vergleich und solch eine Feststellung durch eine entsprechend ausgebildete Elektronik des Coriolis-Durchflussmessgerätes (analog und/oder digital) durchgeführt. Wird solch eine Abweichung festgestellt und/oder überschreitet solch eine Abweichung einen vorbestimmten Grenzwert, so kann dies einem Benutzer auf dem Coriolis-Durchflussmessgerät und/oder auf einer externen datenverarbeitenden Einheit (akustisch und/oder optisch) angezeigt werden bzw. ein entsprechender Alarm ausgegeben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Transfergleichung zumindest teilweise durch ein Resonatormodell mit einem Freiheitsgrad, das bis zur zweiten Ordnung angesetzt wird, gebildet. Durch solch ein Resonatormodell kann das Schwingungs-Ansprechverhalten des Schwingungssystems eines Coriolis-Durchflussmessgerätes relativ gut beschrieben werden.
Vorzugsweise weist die Transfergleichung nachfolgende Gleichung (1) zumindest als Bestandteil auf:
Dabei sind

F_D: eine von dem mindestens einen Erreger auf das Schwingungssystem ausgeübte Anregungskraft, die eine Anregungs-Eingangsgröße bildet,
X_S: eine Amplitude der von dem Erreger hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems, die eine Ansprechgröße bildet,
a: eine material- und geometrieabhängige Konstante des mindestens einen Messrohres,
h: die Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres,
ω₀: eine Resonanzfrequenz des jeweils angeregten Schwingungsmodus,
Q: ein Qualitätsfaktor, der das Abklingverhalten der Schwingungen des Schwingungssystems bei einer einmaligen Anregung beschreibt, und
s = iω,: wobei ω einer Anregungsfrequenz des Schwingungssystems entspricht.

Der Kehrwert des Produktes aus a und h bildet dabei ein Maß für die Nachgiebigkeit des mindestens einen Messrohres.
Diese Gleichung (1) gilt grundsätzlich bei einem Schwingungssystem, das eines oder auch mehrere Messrohre aufweist. Je nach Konfiguration und Anzahl der Messrohre weist insbesondere die material- und geometrieabhängige Konstante a einen unterschiedlichen Wert auf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird für den Schritt des Erfassens das Schwingungssystem bei einer Anregungsfrequenz durch den mindestens einen Erreger angeregt und die zu dieser Anregungsfrequenz zugehörige Anregungs-Eingangsgröße sowie die bei dieser Anregungsfrequenz auftretende Ansprechgröße des Schwingungssystems erfasst. Dementsprechend ist für die Bestimmung einer Rohrwanddicke lediglich die Anregung bei einer Anregungsfrequenz sowie die Erfassung der Anregungs-Eingangsgröße und der Ansprechgröße des Schwingungssystems bei dieser Anregungsfrequenz erforderlich. Gegenüber einer breitbandigen Anregung bei einer Vielzahl von Frequenzen und einer frequenzabhängigen Erfassung der Anregungs-Eingangsgröße und der Ansprechgröße des Schwingungssystems ist folglich der für die Auswertung erforderliche Aufwand reduziert.
Die Anregungsfrequenz, die zur Bestimmung der Rohrwanddicke herangezogen wird, kann dabei der Anregungsfrequenz, die für eine Durchflussmessung zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße eines strömenden Fluides herangezogen wird (im Folgenden: Durchflussmessungs-Anregungsfrequenz) entsprechen. Die Anregungsfrequenz kann aber auch von der Durchflussmessungs-Anregungsfrequenz abweichen. Insbesondere kann das Schwingungssystem parallel mit mindestens zwei Frequenzen, nämlich der Anregungsfrequenz (zur Bestimmung der Rohrwanddicke) und der Durchflussmessungs-Anregungsfrequenz angeregt werden. Die Durchflussmessung und das Verfahren zur Bestimmung der Rohrwanddicke können in letzterem Fall parallel durchgeführt werden. Im Experiment haben sich beispielsweise gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Anregungsfrequenz (zur Bestimmung der Rohrwanddicke) geringfügig (beispielsweise um 10% der Durchflussmessungs-Anregungsfrequenz) höher oder gegebenenfalls auch niedriger als die Durchflussmessungs-Anregungsfrequenz liegt. Häufig wird die Durchflussmessungs- Anregungsfrequenz dabei derart eingestellt, dass sie der Resonanzfrequenz eines angeregten Schwingungsmodus entspricht. In der Regel wird für die Durchflussmessung zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße der Grundmodus der Biegeschwingung, der auch als erster, symmetrischer Modus der Biegeschwingung bezeichnet wird, angeregt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung entspricht die Anregungsfrequenz der Resonanzfrequenz eines angeregten Schwingungsmodus, insbesondere des Grundmodus einer Biegeschwingung. In diesem Fall vereinfacht sich die oberhalb unter Gleichung (1) angegebene Transfergleichung zu der nachfolgend angegebenen Gleichung (2):
Die Größen h, F_D, Q, X_S und a sind dabei, wie es oberhalb zu Gleichung (1) angegeben ist, definiert. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Transfergleichung die Gleichung (2) als Bestandteil aufweist. Gegenüber der Gleichung (1) vereinfacht sich folglich die Bestimmung der Rohrwanddicke h. Ferner kann bei dieser Weiterbildung die Anregung für die Bestimmung der Rohrwanddicke bei der gleichen Frequenz erfolgen, wie sie in der Regel auch für die Bestimmung einer physikalischen Messgröße im Rahmen einer Durchflussmessung erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weicht die Anregungsfrequenz von der Resonanzfrequenz eines angeregten Schwingungsmodus, insbesondere des Grundmodus einer Biegeschwingung, ab. Bei solch einer Anregung kann in vielen Anwendungen in Gleichung 1 der Term
vernachlässigt werden, so dass die unterhalb angegebene Gleichung (3) erhalten wird.
Die Größen h, F_D, X_S, a, ω und ω₀ sind dabei, wie es oberhalb zu Gleichung (1) angegeben ist, definiert. Die vorgenommene Näherung ist insbesondere dann möglich, wenn der Qualitätsfaktor Q ausreichend groß ist und auch das Verhältnis
ausreichend groß ist, so dass der Betrag von
im Verhältnis zu dem Betrag von
klein ist. Der Qualitätsfaktor Q hängt dabei von dem jeweiligen, zu messenden Fluid ab. Im Experiment hat sich gezeigt, dass der Qualitätsfaktor Q bei den meisten Anwendungen ausreichend groß ist und dementsprechend der Term
in Gleichung (1) vernachlässigt werden kann. Ferner hat sich im Experiment gezeigt, dass eine Anregungsfrequenz ω, die geringfügig (beispielsweise um 10%) höher als die Resonanzfrequenz ω₀ des angeregten Schwingungsmodus ist, gut geeignet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Transfergleichung die Gleichung (3) als Bestandteil auf. Diese Weiterbildung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da durch die vorgenommene Näherung auf die Bestimmung des Qualitätsfaktors Q verzichtet werden kann. Die Bestimmung des Qualitätsfaktors Q ist nämlich mit zusätzlichem Messaufwand verbunden.
In Bezug auf Weiterbildungen wurde angegeben, dass die Transfergleichung die Gleichung (1), (2) oder (3) „als Bestandteil” aufweist. Dabei ist nicht zwingend erforderlich, dass die Gleichung (1), (2) oder (3) identisch in der Transfergleichung enthalten ist oder diese Transfergleichung bildet. Vielmehr kann die verwendete Transfergleichung auch eine der Gleichungen (1), (2) oder (3) in derart umgeformter oder ergänzter Form aufweisen, dass durch die Transfergleichung eine Beziehung zu einer anderen Anregungs-Eingangsgröße als der Anregungskraft F_D und/oder zu einer anderen Ansprechgröße als der Amplitude X_S der hervorgerufenen Schwingungen hergestellt wird. Zwischen welcher Anregungs-Eingangsgröße und Ansprechgröße die verwendete Transfergleichung eine Beziehung herstellt, kann beispielsweise in Abhängigkeit davon gewählt werden, welche Anregungs-Eingangsgröße und welche Ansprechgröße in dem Coriolis-Durchflussmessgerät einfach erfassbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird F_D über die nachstehende Gleichung (4) erhalten: FD = eDID (4)
Dabei sind
I_D ein Anregungsstrom des mindestens einen Erregers, und
e_D eine Erreger-Effizienz, die ein Verhältnis zwischen der Anregungskraft F_D die von dem mindestens einen Erreger auf das Schwingungssystem ausgeübt wird, und dem Anregungsstrom I_D angibt. Die Erreger-Effizienz e_D ist dabei eine gerätespezifische Konstante. Der Anregungsstrom I_D kann in vielen Anwendungen leichter als die Anregungskraft F_D erfasst werden. Dementsprechend kann in den Gleichungen (1), (2) und (3) die Anregungskraft F_D jeweils durch das Produkt aus der Erreger-Effizienz e_D und dem Anregungsstrom I_D ersetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Resonanzfrequenz des angeregten Schwingungsmodus durch Lösen einer homogenen Differentialgleichung, in der an dem Schwingungssystem auftretende Kräfte, insbesondere eine Biegekraft des mindestens einen Messrohres, eine Trägheitskraft und eine Corioliskraft, angesetzt werden, bestimmbar. Insbesondere ist die Resonanzfrequenz ω₀, die durch Lösen der homogenen Differentialgleichung erhalten wird, durch nachfolgende Gleichung (5) darstellbar:
Dabei sind

A_M: die Querschnittsfläche des mindestens einen Messrohres,
ρ_M: die Dichte des Materials des mindestens einen Messrohres,
A_F: die Querschnittsfläche eines, in dem mindestens einen Messrohr strömenden Fluides, und
ρ_F: die Dichte des in dem mindestens einen Messrohr strömenden Fluides.

Die Querschnittsfläche wird dabei jeweils senkrecht zu der Strömungsrichtung des jeweiligen Fluides bzw. senkrecht zu der Erstreckungsrichtung des Messrohres ge messen. Wie oberhalb angegeben wird, ist der Kehrwert des Produktes aus a und h ein Maß für die Nachgiebigkeit des mindestens einen Messrohres.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das erfindungsgemäße Verfahren (gegebenenfalls nach einer der oberhalb erläuterten Weiterbildungen) parallel zu einer, mit dem Coriolis-Durchflussmessgerät durchgeführten Durchflussmessung, in der eine physikalische Messgröße, insbesondere ein Massedurchfluss, eine Viskosität und/oder eine Dichte eines, durch mindestens ein Messrohr strömenden Fluides bestimmt wird, durchgeführt. Ein Vorteil dabei ist, dass eine Durchflussmessung für die Bestimmung der Rohrwanddicke nicht unterbrochen werden muss.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das erfindungsgemäße Verfahren (gegebenenfalls nach einer der oberhalb erläuterten Weiterbildungen) in einem Zustand durchgeführt, in dem das mindestens eine Messrohr leer ist. Bei einem leeren Messrohr ist vorteilhaft, dass so eine höhere Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Rohrwanddicke erzielbar ist. Diese Weiterbildung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das mindestens eine Messrohr während einer Durchflussmessung von einem inhomogenen Fluid durchströmt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird/werden bei dem Schritt des Bestimmens der Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres eine Temperaturkompensation und/oder eine Druckkompensation durchgeführt. Insbesondere sind die oberhalb angegebene material- und geometrieabhängige Konstante a sowie die Erreger-Effizienz e_D temperaturabhängig. Im Hinblick auf die Vermeidung von Fehlern aufgrund der Temperaturabhängigkeit dieser Parameter ist eine Temperaturkompensation bei zumindest diesen beiden Parametern vorteilhaft. Sofern hohe Drücke (insbesondere des Fluides innerhalb des Messrohres) auftreten, kann die material- und geometrieabhängige Konstante a, in welche der mittlere Radius r_m des Messrohres eingeht, ebenfalls eine zu berücksichtigende Druckabhängigkeit zeigen. Um einen Fehler aufgrund der Druckabhängigkeit der Konstante a zu vermeiden, ist eine Druckkompensation dieser Konstante vorteilhaft.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Coriolis-Durchflussmessgerät, das ein Schwingungssystem, das mindestens ein Messrohr aufweist, mindestens einen Er reger, durch den das Schwingungssystem zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, und mindestens einen Schwingungs-Sensor, durch den mechanische Schwingungen des Schwingungssystems erfassbar sind, aufweist. Eine Elektronik des Coriolis-Durchflussmessgerätes ist dabei derart ausgebildet, dass durch diese über entsprechende Sensoren mindestens eine Anregungs-Eingangsgröße des mindestens einen Erregers und mindestens eine Ansprechgröße der dadurch hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems erfassbar sind und dass durch die Elektronik durch Einsetzen der Anregungs-Eingangsgröße und der Ansprechgröße in eine Transfergleichung eine Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres bestimmbar ist. Durch die Transfergleichung werden dabei unter anderem die Rohrwanddicke des Messrohres, die in eine an dem Schwingungssystem auftretende Biegekraft eingeht, die Anregungs-Eingangsgröße und die Ansprechgröße zueinander in Beziehung gesetzt.
Hierbei ist nicht zwingend erforderlich, dass zur Erfassung der Anregungs-Eingangsgröße Sensoren vorgesehen sind. Vielmehr kann die Anregungs-Eingangsgröße auch anhand einem, von der Elektronik des Coriolis-Durchflussmessgerätes an den mindestens einen Erreger ausgegebenen Steuerungssignal bestimmt werden.
Durch das erfindungsgemäße Coriolis-Durchflussmessgerät werden die oberhalb, in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläuterten Vorteile in entsprechender Weise erzielt. Bei dem erfindungsgemäßen Coriolis-Durchflussmessgerät sind die gleichen Weiterbildungen, die oberhalb in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wurden, in entsprechender Weise realisierbar.
Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Von den Figuren zeigen:
1: eine beispielhafte Darstellung eines Coriolis-Durchflussmessgerätes mit zwei Messrohren in Seitenansicht mit teilweise abgenommenem Gehäuse;
2: das Coriolis-Durchflussmessgerät aus 1 in perspektivischer Ansicht mit teilweise abgenommenem Gehäuse;
3: eine beispielhafte Transferfunktion eines Coriolis-Durchflussmessgerätes; und
4: eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Abklingverhaltens der Schwingungen des Schwingungssystems nach einer einmaligen Anregung desselben.
In den 1 und 2 ist beispielhaft ein Coriolis-Durchflussmessgerät 2 dargestellt, das zur Anwendung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das Coriolis-Durchflussmessgerät 2 weist zwei schwingungsfähig gehalterte Messrohre A und B auf, die jeweils bogenförmig ausgebildet sind und parallel zueinander verlaufen. Das Coriolis-Durchflussmessgerät 2 ist dabei derart in eine (nicht dargestellte) Rohrleitung einsetzbar, dass die beiden Messrohre A und B von dem in der Rohrleitung strömenden Fluid durchströmt werden. Hierzu weist das Coriolis-Durchflussmessgerät 2 eingangsseitig einen Strömungsteiler 4 auf, durch den das Fluid auf die beiden Messrohre A und B aufgeteilt wird. Ausgangsseitig ist in entsprechender Weise ein Strömungsteiler 6 vorgesehen, durch den das aus den beiden Messrohren A und B austretende Fluid wieder zusammengeführt und zu einem Auslass des Coriolis-Durchflussmessgerätes 2 geleitet wird.
Zwischen den beiden Messrohren A und B erstreckt sich ein Erreger 8, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen elektrodynamischen Erreger 8 gebildet wird. Der Erreger 8 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einem Umkehrpunkt des Bogens, der jeweils durch die beiden Messrohre A und B gebildet wird, angeordnet. Der Erreger 8 ist derart ausgebildet, dass durch Anlegen einer elektrischen Anregungsspannung, die eine Anregungs-Eingangsgröße bildet, seine Länge verändert wird. Durch Anlegen einer entsprechenden, periodischen elektrischen Anregungsspannung an den Erreger 8 können die beiden Messrohre A und B periodisch auseinandergedrückt und/oder zusammengezogen werden, so dass sie Biegeschwingungen ausführen. Dabei werden die beiden Messrohre A und B gegenphasig zueinander angeregt und führen jeweils eine Schwenkbewegung um eine Längsachse des Coriolis-Durchflussmessgerätes 2 aus. Die beiden Messrohre A und B sind ferner eingangsseitig und ausgangsseitig durch entsprechende Koppelelemente 10, 12 mechanisch aneinander gekoppelt.
Zwischen den beiden Messrohren A und B, jeweils an einem eingangsseitigen und an einem ausgangsseitigen Abschnitt derselben, erstrecken sich zwei Schwingungs- Sensoren 14, 16, über deren Längenänderung mechanische Schwingungen der beiden Messrohre A und B erfassbar sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist durch die beiden Schwingungs-Sensoren 14, 16 jeweils die Abstandsänderung zwischen den beiden Messrohren A, B, d. h. deren kombinierte Amplitude, erfassbar. Die Schwingungs-Sensoren 14, 16 werden beispielsweise durch elektrodynamische Sensoren gebildet. Die Schwingungs-Sensoren 14, 16 geben in Abhängigkeit von den Schwingungen der Messrohre A und B eine Sensorspannung, die eine Ansprechgröße der hervorgerufenen Schwingungen bilden, aus. Für eine Messung des Massedurchflusses kann über die beiden Schwingungs-Sensoren 14, 16 unteranderem eine Phasenverschiebung der Schwingungen der Messrohre A, B entlang der Erstreckungsrichtung der beiden Messrohre A, B erfasst und daraus der Massedurchfluss berechnet werden.
Die Anregung des Erregers 8 durch Anlegen einer entsprechenden Anregungsspannung sowie die Auswertung der von den Schwingungs-Sensoren 14, 16 bereitgestellten Sensorspannung (bzw. allgemein des Messsignals) erfolgt durch eine entsprechend ausgebildete Elektronik 18, die in den 1 und 2 lediglich schematisch durch eine Box dargestellt ist. Insbesondere ist die Elektronik 18 derart ausgebildet, dass durch diese eine Anregung des Schwingungssystems 20, das die beiden Messrohre A, B aufweist, derart steuerbar ist, dass das Schwingungssystem 20 auf einer Resonanzfrequenz des Grundmodus der Biegeschwingung angeregt wird. Eine derartige Regelung der Anregungsfrequenz kann beispielsweise anhand einer Auswertung mindestens eines Messsignals der Schwingungs-Sensoren 14, 16 erfolgen. Insbesondere kann solch eine Regelung derart erfolgen, dass die Phasenverschiebung zwischen der (periodischen) Anregung und einem (periodischen) Messsignal mindestens eines der Schwingungs-Sensoren 14, 16 (d. h. der Phase der erzwungenen Schwingung) 90° beträgt. Ferner ist die Elektronik derart ausgebildet, dass durch diese die Anregung des Schwingungssystems 20 derart steuerbar ist, dass das Schwingungssystem 20 mit einer konstanten, kombinierten Amplitude schwingt. Dies bedeutet, dass die Anregung derart geregelt wird, dass der bei den ausgeführten Schwingungen erreichte, maximale Abstand zwischen den beiden Messrohren A, B (unabhängig von der Anregungsfrequenz) konstant ist. Dazu muss basierend auf mindestens einem Messsignal mindestens eines der Schwingungs-Sensoren 14, 16, insbesondere basierend auf der Sensorspannung, die Anregungs-Eingangsgröße, wie beispielsweise die maximale, an den Erreger 8 angelegte Anregungsspannung, geregelt werden. Zusätzlich oder alternativ zu den oberhalb erläuterten Regelungen kann die Elektronik 18 auch derart ausgebildet sein, dass durch diese ein alternatives Schwingungsverhalten des Schwingungssystems 20 einstellbar ist. Beispielsweise können auch bei einer konstanten Anregungs-Eingangsgröße die Änderungen des Messsignals, insbesondere die Amplitude der Schwingung, analysiert werden.
Im Folgenden werden anhand eines (nicht dargestellten) Coriolis-Durchflussmessgerätes, bei dem das Schwingungssystem durch ein einzelnes, gerades Messrohr gebildet wird, die in Bezug auf die vorliegende Erfindung relevanten Gleichungen erläutert. Die an dem Messrohr auftretenden Kräfte sind die Biegekraft, Trägheitskraft, Corioliskraft und die Zentrifugalkraft. Da in der Regel die Schwingungsamplitude des Messrohres sehr klein gegenüber dessen Länge ist, kann die Zentrifugalkraft vernachlässigt werden. Unter der Annahme, dass es sich um ein ideales Messrohr handelt, insbesondere dass sich dessen geometrische und physikalische Eigenschaften entlang dessen Erstreckungsrichtung nicht ändern, kann die homogene Differentialgleichung gemäß der nachstehenden Gleichung (6) angegeben werden, wobei der erste Term die Biegekraft, der zweite Term die Trägheitskraft und der dritte Term die Corioliskraft bildet:
In Gleichung (6) werden mit E das Elastizitätsmodul (bzw. das Youngsche Modul) und mit I das Flächenträgheitsmoment (bzw. axiales Flächenmoment zweiten Grades) des Messrohres bezeichnet. Mit Y_M wird die Auslenkung des Messrohres in einer Richtung senkrecht zu der Erstreckungsrichtung des Messrohres bezeichnet und x bildet die Koordinate entlang der Erstreckungsrichtung des Messrohres. Mit A wird jeweils auf die Querschnittsfläche (senkrecht zu der Erstreckungsrichtung des Messrohres) und mit ρ wird auf die Dichte des jeweiligen Mediums (Messrohr bzw. strömendes Fluid) Bezug genommen. Dabei wird mit der Fußnote M auf das Messrohr und mit F auf das in dem Messrohr strömende Fluid Bezug genommen. Mit t wird, wie allgemein üblich, die Zeit bezeichnet. Mit u wird die Geschwindigkeit des strö menden Fluides (Geschwindigkeit entlang der Erstreckungsrichtung des Messrohres) bezeichnet.
Zur Beschreibung des Schwingungsverhaltens des Messrohres werden die Randbedingungen eingesetzt, dass das Messrohr an seinen beiden Enden fixiert ist und somit an den Enden die Auslenkung Y_M des Messrohres sowie
null sind. Ferner wird eine Modalanalyse durchgeführt. Im Hinblick auf eine Anregung des Messrohres in dem Grundmodus der Biegeschwingung sind hierbei der Grundmodus der Biegeschwingung, der auch als erster symmetrischer Modus der Biegeschwingung bezeichnet wird, sowie der zweite Modus der Biegeschwingung, der auch als erster antisymmetrischer Modus der Biegeschwingung bezeichnet wird, relevant.
Insbesondere lässt sich das Schwingungsverhalten des Messrohres (näherungsweise) wie folgt beschreiben: Grundsätzlich wird, wie oberhalb erläutert wird, das Messrohr in dem Grundmodus der Biegeschwingung angeregt und schwingt in diesem. Wird das Messrohr von einem Fluid durchströmt, so wird der Grundmodus der Biegeschwingung von dem zweiten Modus der Biegeschwingung überlagert. Wird die Auslenkung Y_M(x, t) als Überlagerung dieser beiden Schwingungsmodi dargestellt und dies in die Differentialgleichung (Gleichung 6) eingesetzt, so kann hieraus die Resonanzfrequenz ω₀ des Grundmodus der Biegeschwingung erhalten werden. Die für die Resonanzfrequenz ω₀ erhaltene Beziehung ist in Gleichung (7) angegeben. Mit γ_D wird dabei die Moduskonstante für den Grundmodus der Biegeschwingung bezeichnet und l entspricht der Länge des Messrohres. Für γ_D kann ein Wert von 2,3650 eingesetzt werden.
Wird für das Flächenträgheitsmoment l des Messrohres die in Gleichung (8) angegebene Beziehung eingesetzt, so wird für die Resonanzfrequenz ω₀ die in Gleichung (9) angegebene Beziehung erhalten. Hierbei wird mit r_m der mittlere Radius des Messrohres und mit h die Rohrwanddicke des Messrohres bezeichnet. I = hr3m π (8)
Weiterhin können einige, der in Gleichung (9) angegebenen material- und geometrieabhängigen Größen zu der material- und geometrieabhängigen Konstante a zusammengefasst werden, wie in Gleichung (10) angegeben ist. Wird diese Beziehung in Gleichung (9) eingesetzt, so wird Gleichung (11) erhalten.
Anhand von Gleichung 11 ist ersichtlich, dass die Rohrwanddicke h eine bestimmende Größe für die Schwingungseigenschaften des Messrohres ist.
In 3 ist beispielhaft eine Transferfunktion eines Coriolis-Durchflussmessgerätes, welches ein geradlinig verlaufendes Messrohr aufweist, dargestellt. Die Transferfunktion setzt dabei eine Anregungsspannung U_D, die eine Anregungs-Eingangsgröße bildet, zu einer Sensorspannung U_S, die eine Ansprechgröße bildet, zueinander in Beziehung. Die Transferfunktion gilt bei einer Anregung mit einer Frequenz ω = s/i und stellt die Beziehung zwischen verschiedenen Anregungs-Eingangsgrößen und Ansprechgrößen bei dieser Frequenz her. Wie in 3 graphisch dargestellt ist, wird ein Anregungsstrom I_D durch Multiplikation der Anregungsspannung U_D mit dem (gerätespezifischen) Faktor k_UI erhalten und eine Anregungskraft F_D wird durch Multiplikation des Anregungsstroms I_D mit dem Faktor e_D, der auch als Erreger-Effizienz bezeichnet wird, erhalten. Dabei bilden auch der Anregungsstrom I_D und die Anregungskraft F_D jeweils Anregungs-Eingangsgrößen.
Durch Multiplikation der Anregungskraft F_D mit dem, in der zentralen Box in 3 angegebenen Term
wird die Amplitude X_S der bei der Frequenz ω = s/i (i² = –1) hervorgerufenen Schwingung erhalten. Der in der zentralen Box in 3 angegebene Term wird dadurch erhalten, dass für das Schwingungs-Ansprechverhalten ein Resonatormodell mit einem Freiheitsgrad bis zur zweiter Ordnung angesetzt wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird durch mindestens einen Schwingungs-Sensor die Geschwindigkeit |Ẋ_S| der Auslenkungsänderung des Schwingungs-Sensors (bzw. der Schwingung) erfasst und eine der Geschwindigkeit entsprechende Sensorspannung U_S ausgegeben. Wie in 3 weiter graphisch dargestellt ist, wird die Geschwindigkeit |Ẋ_S| der Auslenkungsänderung des Sensors durch Multiplikation der Amplitude X_S mit dem Faktor s = iω erhalten und die Sensorspannung U_S wird durch Multiplikation der Geschwindigkeit |Ẋ_S| mit dem Faktor es, der auch als Sensor-Empfindlichkeit bezeichnet wird, erhalten. Ferner kann, was in 3 nicht näher dargestellt ist, die Sensorspannung in dem Coriolis-Durchflussmessgerät noch weiter verarbeitet werden, insbesondere einer AD-Wandlung unterzogen und/oder verstärkt werden. Die in 3 rechts von der zentralen Box angegebenen Größen, nämlich die Amplitude x_S, die Geschwindigkeit |Ẋ_S| und die Sensorspannung U_S sind jeweils Ansprechgrößen.
Wird nur der in 3 in der zentralen Box angegebene Term herangezogen, um eine Beziehung zwischen der Anregungskraft F_D und der Amplitude X_S herzustellen, so wird Gleichung (1) erhalten. Wie bereits oberhalb angegeben ist, wird die Transfergleichung, die zur Bestimmung der Rohrwanddicke h herangezogen wird, gemäß einer Ausführungsform ausschließlich durch die Gleichung (1) gebildet. Zur Bestimmung der Rohrwanddicke h des Messrohres kann diese Gleichung nach h aufgelöst werden. Diese Beziehung ist in der nachstehenden Gleichung (12) angegeben:
Alternativ kann aber, wie anhand der in 3 dargestellten Transferfunktion ersichtlich ist, auch die Beziehung zu einer anderen Anregungs-Eingangsgröße und/oder zu einer anderen Ansprechgröße hergestellt werden. Beispielsweise ist in einigen Coriolis-Durchflussmessgeräten die Elektronik derart ausgebildet, dass durch diese eine Dämpfung D (s. Gleichung (13)) bestimmbar ist. Werden die in Gleichungen (4) und (13) angegebene Beziehungen in Gleichung (12) eingesetzt, so wird Gleichung (14) erhalten.
Wie oberhalb erläutert ist, wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Schwingungssystem bei der Resonanzfrequenz ω₀ angeregt und die zu dieser Frequenz zugehörige Ansprechgröße erfasst. Dadurch vereinfachen sich die Gleichungen (12) bzw. (14) jeweils zu der in Gleichung (15) angegebenen Beziehung, wobei die Rohrwanddicke h einmal in Abhängigkeit von der Dämpfung D und einmal nur in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der Anregungskraft F_D und der Amplitude X_S angegeben ist.
Mit Q wird hierbei der Qualitätsfaktor bezeichnet. Dieser beschreibt das Abklingverhalten der Schwingung des Schwingungssystems nach einer (einmaligen) Anregung desselben. Im Experiment kann der Qualitätsfaktor Q anhand der nachfolgenden Gleichung (16) berechnet werden, wobei hierzu das Schwingungssystem zunächst (mit der Resonanzfrequenz) angeregt wird und dann die Anregung unterbrochen sowie das Abklingverhalten der Schwingung aufgenommen wird.
Nach Unterbrechung der Anregung schwingt das Schwingungssystem periodisch weiter, wobei die Amplitude der Schwingung über der Zeit abfällt. Wie in dem Fachgebiet bekannt ist, beschreibt dabei die Hüllkurve der periodischen Schwingung das Abklingverhalten der Amplitude der Schwingung. Zur Ermittlung des Qualitätsfaktors Q wird beispielsweise die Hüllkurve, durch die das Abklingverhalten der Amplitude der Schwingung beschrieben wird, durch eine entsprechende Messung erfasst. t₁ und t₂ bilden dabei zwei aufeinanderfolgende Zeitpunkte und Y₁ und Y₂ bilden dabei die jeweils zu diesen Zeitpunkten zugehörigen Amplituden der Schwingung (die beispielsweise aus der Hüllkurve erhalten werden). In 4 ist dabei die Sensorspannung (Einheit: Millivolt) eines Schwingungs-Sensors, die nach einer einmaligen Anregung des Schwingungssystems bei der Resonanzfrequenz ω₀ aufgenommen wurde, über der Zeit (Einheit: Sekunden) aufgetragen. Aus der Sensorspannung, die wie oberhalb erläutert ist, ein Maß für die Geschwindigkeit der Auslenkungsänderung des Schwingungs-Sensors ist, kann wiederum die zugehörige Amplitude der Schwingung erhalten werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weicht die Anregungsfrequenz, die zur Bestimmung der Rohrwanddicke herangezogen wird, von der Resonanzfrequenz des Grundmodus der Biegeschwingung ab. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Anregungsfrequenz ω geringfügig, insbesondere um 10%, höher als die Resonanzfrequenz ω₀ des Grundmodus der Biegeschwingung. Wie bereits oberhalb diskutiert wird, kann bei solch einer Anregung in vielen Anwendungen in Gleichung (14) (und entsprechend in Gleichung (12)) der Term
vernachlässigt werden, so dass die unterhalb angegebene Gleichung (17) erhalten wird.
Dabei ist vorteilhaft, dass bei dieser Ausführungsform auf die Bestimmung des Qualitätsfaktors Q verzichtet werden kann. Dementsprechend ist keine separate Messung, in der das Abklingverhalten der Schwingungen nach einer einmaligen Anregung erfasst wird, erforderlich. Weiterhin kann, wie bereits oberhalb erläutert wird, die Bestimmung der Rohrwanddicke h des Messrohres parallel zu einer Durchflussmessung, bei der eine physikalische Messgröße eines in einer Rohrleitung strömenden Fluides bestimmt wird und bei der eine Anregung des Messrohres bei einer Durchflussmessungs-Anregungsfrequenz erfolgt, durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die, unter Bezugnahme auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere wurden die einzelnen Gleichungen in Bezug auf ein Schwingungssystem, das nur ein geradliniges Messrohr aufweist und das in dem Grundmodus der Biegeschwingung angeregt wird, erläutert. Die Gleichungen sind jedoch weitgehend in entsprechender Weise bei anderen Konfigurationen eines oder mehrerer Messrohre sowie auch bei einer Anregung eines anderen Schwingungsmodus anwendbar. Es können dann jedoch die einzelnen Konstanten und Größen, insbesondere die material- und geometrieabhängige Konstante a sowie die Resonanzfrequenz ω₀, von den angegebenen Konstanten und Größen abweichen.
Ferner können auch die Anregung der Messrohre zu Schwingungen und die Erfassung der Schwingungen der Messrohre auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise können die Messrohre auch einzeln angeregt und deren Amplituden einzeln über entsprechende Schwingungs-Sensoren erfasst werden. Auch Art und Anzahl der verwendeten Schwingungs-Sensoren und Erreger können von den beschriebenen Schwingungs-Sensoren und dem beschriebenen Erreger abweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/050145 A1 [0006]
- WO 2007/040468 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Rohrwanddicke mindestens eines Messrohres (A, B) eines Coriolis-Durchflussmessgerätes (2), wobei das Coriolis-Durchflussmessgerät (2) ein Schwingungssystem (20), das mindestens ein Messrohr (A, B) aufweist, und mindestens einen Erreger (8), durch den das Schwingungssystem (20) zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, aufweist gekennzeichnet durch nachfolgende Schritte: A) Erfassen mindestens einer Anregungs-Eingangsgröße des mindestens einen Erregers (8) und mindestens einer Ansprechgröße der dadurch hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems (20); B) Bestimmen einer Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres (A, B) durch Einsetzen der Anregungs-Eingangsgröße und der Ansprechgröße in eine Transfergleichung, wobei durch die Transfergleichung unter anderem die Rohrwanddicke des Messrohres (A, B), die in eine an dem Schwingungssystem (20) auftretende Biegekraft eingeht, die Anregungs-Eingangsgröße und die Ansprechgröße zueinander in Beziehung gesetzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch nachfolgenden Schritt: C) Vergleichen der bestimmten Rohrwanddicke mit einer ursprünglichen Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres (A, B) und gegebenenfalls Feststellen einer Abweichung derselben.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfergleichung zumindest teilweise durch ein Resonatormodell mit einem Freiheitsgrad, das bis zur zweiten Ordnung angesetzt wird, gebildet wird, insbesondere dass die Transfergleichung den Bestandteil
aufweist, wobei F_D eine von dem mindestens einen Erreger (8) auf das Schwingungssystem (20) ausgeübte Anregungskraft, die eine Anregungs-Eingangsgröße bildet, X_S eine Amplitude der von dem Erreger (8) hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems (20), die eine Ansprechgröße bildet, a eine material- und geometrieabhängige Konstante des mindestens einen Messrohres (A, B), h die Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres (A, B), ω₀ eine Resonanzfrequenz des jeweils angeregten Schwingungsmodus, Q ein Qualitätsfaktor, der das Abklingverhalten der Schwingungen des Schwingungssystems (20) bei einer einmaligen Anregung beschreibt, und s = i ω, wobei ω einer Anregungsfrequenz des Schwingungssystems (20) entspricht, sind und wobei der Kehrwert des Produktes aus a und h ein Maß für die Nachgiebigkeit des mindestens einen Messrohres (A, B) ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schritt des Erfassens das Schwingungssystem (20) bei einer Anregungsfrequenz durch den mindestens einen Erreger (8) angeregt wird und die zu dieser Anregungsfrequenz zugehörige Anregungs-Eingangsgröße sowie die bei dieser Anregungsfrequenz auftretende Ansprechgröße des Schwingungssystems (20) erfasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsfrequenz der Resonanzfrequenz eines angeregten Schwingungsmodus, insbesondere des Grundmodus einer Biegeschwingung, entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfergleichung den Bestandteil
aufweist, wobei h die Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres (A, B), F_D eine von dem mindestens einen Erreger (8) bei der Anregungsfrequenz auf das Schwingungssystem (20) ausgeübte Anregungskraft, die eine Anregungs-Eingangsgröße bildet, Q ein Qualitätsfaktor, der das Abklingverhalten der Schwingungen des Schwingungssystems (20) bei einer einmaligen Anregung beschreibt, X_S eine Amplitude der von dem Erreger (8) bei der Anregungsfrequenz hervor gerufenen Schwingungen des Schwingungssystems (20), die eine Ansprechgröße bildet, und a eine material- und geometrieabhängige Konstante des mindestens einen Messrohres (A, B), sind.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsfrequenz von der Resonanzfrequenz eines angeregten Schwingungsmodus, insbesondere des Grundmodus einer Biegeschwingung, abweicht.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfergleichung den Bestandteil
aufweist, wobei h die Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres (A, B), F_D eine von dem mindestens einen Erreger (8) bei der Anregungsfrequenz auf das Schwingungssystem (20) ausgeübte Anregungskraft, die eine Anregungs-Eingangsgröße bildet, X_S eine Amplitude der von dem Erreger (8) bei der Anregungsfrequenz hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems (20), die eine Ansprechgröße bildet, a eine material- und geometrieabhängige Konstante des mindestens einen Messrohres (A, B), ω₀ die Resonanzfrequenz des angeregten Schwingungsmodus, und ω die Anregungsfrequenz des Schwingungssystems (20), sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass F_D über die Gleichung F_D = e_DI_D erhalten wird, wobei I_D ein Anregungsstrom des mindestens einen Erregers (8), und e_D eine Erreger-Effizienz, die ein Verhältnis zwischen der Anregungskraft F_D, die von dem mindestens einen Erreger (8) auf das Schwingungssystem (20) ausgeübt wird, und dem Anregungsstrom I_D angibt, sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des angeregten Schwingungsmodus durch Lösen einer homogenen Differentialgleichung, in der an dem Schwingungssystem (20) auftretende Kräfte, insbesondere eine Biegekraft des mindestens einen Messrohres (A, B), eine Trägheitskraft und eine Corioliskraft, angesetzt werden, bestimmbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz ω₀ anhand der nachfolgenden Gleichung bestimmbar ist:
wobei AM die Querschnittsfläche des mindestens einen Messrohres (A, B), ρ_m die Dichte des Materials des mindestens einen Messrohres (A, B), A_F die Querschnittsfläche eines, in dem mindestens einen Messrohr (A, B) strömenden Fluides, und ρ_F die Dichte des in dem mindestens einen Messrohr (A, B) strömenden Fluides sind.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es parallel zu einer, mit dem Coriolis-Durchflussmessgerät (2) durchgeführten Durchflussmessung, in der eine physikalische Messgröße, insbesondere ein Massedurchfluss, eine Viskosität und/oder eine Dichte eines, durch mindestens ein Messrohr (A, B) strömenden Fluides bestimmt wird, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Zustand durchgeführt wird, in dem das mindestens eine Messrohr (A, B) leer ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Bestimmens der Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres (A, B) eine Temperaturkompensation und/oder eine Druckkompensation durchgeführt wird/werden.
Coriolis-Durchflussmessgerät, das ein Schwingungssystem (20), das mindestens ein Messrohr (A, B) aufweist, mindestens einen Erreger (8), durch den das Schwingungssystem (20) zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, und mindestens einen Schwingungs-Sensor (14, 16), durch den mechanische Schwingungen des Schwingungssystems (20) erfassbar sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronik (18) des Coriolis-Durchflussmessgerätes (2) derart ausgebildet ist, dass durch diese über entsprechende Sensoren (14, 16) mindestens eine Anregungs-Eingangsgröße des mindestens einen Erregers (8) und mindestens eine Ansprechgröße der dadurch hervorgerufenen Schwingungen des Schwingungssystems (20) erfassbar sind und dass durch diese durch Einsetzen der Anregungs-Eingangsgröße und der Ansprechgröße in eine Transfergleichung eine Rohrwanddicke des mindestens einen Messrohres (A, B) bestimmbar ist, wobei durch die Transfergleichung unter anderem die Rohrwanddicke des Messrohres (A, B), die in eine an dem Schwingungssystem (20) auftretende Biegekraft eingeht, die Anregungs-Eingangsgröße und die Ansprechgröße zueinander in Beziehung gesetzt werden.