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Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit mindestens einem Messrohr, welches von einem Medium durchströmt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Massendurchflussmessgeräte sind insbesondere als Feldgeräte zur Prozessinstrumentierung einsetzbar.
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In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Füllstand, Massendurchfluss, Dichte oder Gaskonzentration eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. Insbesondere in verfahrenstechnischen Anlagen stellen Messumformer für den Massendurchfluss wesentliche sensorische Komponenten dar. Im Hinblick auf ein optimales Anlagenverhalten und eine dauerhaft hohe Produktqualität sind qualitativ hochwertige Messumformer notwendig, die auch unter extremen Bedingungen langzeitstabile und wenig fehlerbehaftete Messwerte liefern.
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Coriolis-Massendurchflussmessgeräte weisen im Allgemeinen ein einziges Messrohr oder eine Anzahl, zum Beispiel ein Paar, von Messrohren auf, durch das bzw. die ein Medium, zum Beispiel ein Fluid, strömt, dessen Massendurchfluss bestimmt werden soll. Dabei sind unterschiedliche Anordnungen und Geometrien der Messrohre bekannt.
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Es gibt zum Beispiel Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit einem einzigen geraden Messrohr sowie Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit zwei gekrümmten, parallel zueinander verlaufenden Messrohren. Letztere, paarweise identisch ausgeführte Messrohre werden durch eine im mittleren Bereich platzierte Erregeranordnung zur Erzielung eines Massenausgleichs so zum Schwingen angeregt, dass sie gegeneinander schwingen, dass heißt, dass die Schwingungen der beiden Messrohre um 180° gegeneinander phasenversetzt sind. Die Lage des Massenmittelpunkts des aus den beiden Messrohren gebildeten Systems bleibt dabei im Wesentlichen konstant und auftretende Kräfte werden weitgehend kompensiert. Das hat als positive Konsequenz, dass das schwingende System kaum nach außen als solches wirksam wird. Vor und hinter der Erregeranordnung werden Schwingungsaufnehmer angebracht, zwischen deren Ausgangssignalen bei einer Strömung eine Phasendifferenz entsteht. Diese wird durch die bei einer Strömung herrschenden Corioliskräfte und damit durch den Massendurchfluss verursacht. Die Dichte des Mediums beeinflusst die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems. Damit kann neben dem Massendurchfluss unter anderem auch die Dichte des strömenden Mediums bestimmt werden.
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Aus der
DE 197 13 786 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Phasendifferenz von Signalen wenigstens zweier Schwingungssensoren eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts bekannt, welche genaue Berechnungen des Durchflusses ohne Verfälschung des Messergebnisses durch eine Änderung der Grundfrequenz der Messrohrschwingung ermöglicht.
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1 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Messprinzips eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts, wie es beispielsweise aus der
DE 197 13 786 A1 bekannt ist. Ein Messrohr
1 wird durch eine Erregeranordnung
2, beispielsweise durch eine Magnetspule, die im Wesentlichen mittig angeordnet ist, zu Schwingungen einer Grundfrequenz F angeregt. Dazu wird durch eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
3 ein Strom
4 erzeugt und in die Erregeranordnung
2 eingeprägt. Durch den Massenstrom, welcher durch das Messrohr
1 fließt, entsteht eine Phasendifferenz φm von Schwingungssignalen U1 und U2, welche mit Hilfe von Schwingungsaufnehmern L1 bzw. L2, beispielsweise Tauchspulen, erfasst werden, die am Messrohr
1 vor bzw. hinter der Erregeranordnung
2 angeordnet sind. Die Schwingungssignale U1 und U2 entstehen aufgrund des sinusförmigen Verlaufs der Geschwindigkeiten V1 bzw. V2 des Messrohrs
1 an den jeweiligen Positionen der Spulen L1 bzw. L2. In der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
3 sind die Schwingungssignale U1 und U2 auf einen ersten Eingangskanal mit einem Eingangsverstärker
5 und einem Anti-Aliasing-Filter
6 bzw. auf einen zweiten Eingangskanal mit einem Eingangsverstärker
7 und einem Anti-Aliasing-Filter
8 geführt. In einem Analog-Digital-Wandler
9 werden den aufbereiteten Schwingungssignalen entsprechende Digitalwerte erzeugt, mit deren Hilfe in einem digitalen Signalprozessor
10 ein Messwert φmm der Phasendifferenz erhalten wird. Bei dem Analog-Digital-Wandler
9 kann es sich beispielsweise um einen Sigma-Delta-Wandler handeln und bei dem durch den Prozessor
10 verarbeiteten Programm um eine Signalverarbeitungsroutine, wie sie aus der
DE 197 13 786 A1 bekannt sind.
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Die Größe, welche die Information über den Massendurchfluss durch das Messrohr 1 enthält, ist somit die Zeitdifferenz zwischen den beiden Schwingungssignalen U1 und U2. In nachteiliger Weise sind jedoch auch die beiden Eingangskanäle mit dem Vorverstärker 5 und dem Filter 6 bzw. mit dem Vorverstärker 7 und dem Filter 8 mit Zeitverzögerungen behaftet, die für die beiden Eingangskanäle unterschiedlich sein können und sich zudem mit Temperaturschwankungen und der Alterung der Bauelemente verändern. Das bedeutet, dass eine hohe Messgenauigkeit nur dann bei wechselnden Umgebungsbedingungen und über einen längeren Zeitraum gewährleistet werden kann, wenn von Zeit zu Zeit eine Nullpunktkalibrierung an dem Massendurchflussmessgerät durchgeführt wird. Eine derartige Nullpunktkalibrierung ist jedoch aufwendig und erfordert unter Umständen eine kurzzeitige Unterbrechung des Prozesses, in welchem das Gerät zur Massendurchflussmessung eingesetzt wird. Bei Anwendern ist daher das Erfordernis einer zyklischen Nullpunktkalibrierung unerwünscht.
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Ein weiterer Nachteil ist der durch die beiden Eingangskanäle und den Zweifach-Analog-Digital-Wandler 9 verursachte Energieverbrauch, der vor allem ein Problem darstellt, wenn Feldgeräte in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen oder über eine Zweidrahtschnittstelle, beispielsweise eine 4–20 mA-Schnittstelle, mit Betriebsenergie zu versorgen sind. Insbesondere wenn ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit einer 4–20 mA-Schnittstelle betrieben werden soll, ist ein geringer Energieverbrauch des Geräts von großer Bedeutung.
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Eine weitere Anordnung zur Bestimmung der Phasendifferenz zweier Eingangssignale, die für ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät vorgesehen ist, beschreibt die
EP 0 791 807 A2 . Die beiden Eingangssignale sowie entweder die Summe oder die Differenz der beiden Eingangssignale, die mit Hilfe einer geeigneten Analog-Schaltung erzeugt wird, werden über einen Multiplexer, der aus den drei Signalen ein gemultiplextes Signal bildet, auf einen Analog-Digital-Wandler geführt. Durch eine Auswerteeinrichtung wird das temperaturabhängige Verzögerungsverhalten der Schaltung zur Addition oder Subtraktion der beiden Eingangssignale ermittelt und eine Temperaturkompensation der Phasendifferenzmessung durchgeführt. Die bekannte Messanordnung weist somit mehr als einen Eingangskanal für die beiden Eingangssignale auf, ist vergleichsweise aufwendig und mit einem hohen Energieverbrauch behaftet.
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Aus der
US 2002/0179339 A1 ist ein Positionssensor bekannt, bei welchem ein Verarbeitungskanal für mehrere gemultiplexte Sensorsignale genutzt wird.
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In der
US 5,578,764 A ist ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit dem Hinweis beschrieben, dass mehrere Analog-Digital-Wandler durch einen einzigen ersetzt werden können, wenn die Eingangssignale über einen vorgeschalteten Multiplexer geführt sind, der mehrere Eingänge und einen Ausgang besitzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die oben genannten Nachteile vermieden werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Coriolis-Massendurchflussmessgerät die in Anspruch 1 genannten Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung weist somit nur einen Eingangskanal auf, welchem die beiden Schwingungssignale, die am Messrohr mit Hilfe geeigneter Aufnehmer erfasst werden, zeitlich abwechselnd aufgeschaltet sind. Die Auswahl des jeweils aufzuschaltenden Schwingungssignals erfolgt beispielsweise mit einem Multiplexer, der als Halbleiterschalter ausgeführt sein kann. Die Verwendung nur eines Eingangskanals hat den Vorteil, dass sich Änderungen des Zeitverhaltens des Eingangskanals in genau der gleichen Weise auf die Weiterleitung der beiden Schwingungssignale auswirken. Da der gemessene Massendurchfluss direkt proportional zur Zeit- oder Phasendifferenz der beiden Schwingungssignale ist, wirken sich Schwankungen der Signalverzögerung im Eingangskanal, beispielsweise aufgrund von einem Temperaturwechsel oder verursacht durch Alterung von Bauelementen, nicht auf das Messergebnis aus. Veränderungen der Verzögerung sind nämlich für beide Schwingungssignale gleich und beeinflussen nicht deren Zeit- oder Phasendifferenz.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, zur Bestimmung der Phasendifferenz der beiden Schwingungssignale die mittlere Frequenz des gemultiplexten Signals, das heißt des Signals, welches durch zeitlich abwechselndes Aufschalten der beiden Schwingungssignale in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung zur Auswertung bereitsteht, zu ermitteln, ein im Wesentlichen sinusförmiges Referenzsignal mit derselben Frequenz zu erzeugen und die Phasendifferenz zwischen den beiden Schwingungssignalen in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen den gemultiplexten Signal und dem Referenzsignal zu ermitteln. Das hat den Vorteil, dass das aus der eingangs genannten
DE 197 13 786 A1 bekannte Verfahren zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen dem gemultiplexten Signal und dem Referenzsignal anwendbar ist, dass sich durch eine gute Genauigkeit und Unempfindlichkeit bezüglich Änderungen der Grundfrequenz auszeichnet.
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In besonders einfacher Weise kann die Phasendifferenz zwischen den beiden Schwingungssignalen als Abstand zwischen Maximalwert und Minimalwert der Phasendifferenz zwischen den gemultiplexten Signal und dem Referenzsignal bestimmt werden.
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Anhand der 2 bis 4, in welchen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Vorteile und Ausgestaltungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts nach dem Stand der Technik,
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2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Coriolis-Massendurchflussmessgeräts,
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3 Zeitverläufe eines gemultiplexten Signals und eines Ansteuersignals des Multiplexers und
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4 einen Zeitverlauf der Phasendifferenz zwischen dem gemultiplexten Signal und einem Referenzsignal.
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In 2 sind die Komponenten, deren Funktion bereits anhand 1 erläutert worden ist und welche in bereits bekannter Weise ausgeführt sein können, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 2 gezeigte Massendurchflussmessgerät 20 besitzt jedoch im Unterschied zu bekannten Massendurchflussmessgeräten eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 21, die lediglich einen Eingangskanal, beispielsweise mit einem Eingangsverstärker 22 und einem Anti-Aliasing-Filter 23, für die beiden Schwingungssignale U1 und U2 aufweist. Mit Hilfe eines Umschalters 24, der als Multiplexer in Halbleitertechnik ausgeführt ist, werden die beiden Schwingungssignale U1 und U2 zeitlich abwechselnd dem Eingangsverstärker 22 aufgeschaltet. Somit erhält der Eingangsverstärker 22 ein gemultiplextes Signal, in welchem die Information über die Phasendifferenz zwischen den beiden Schwingungssignalen U1 und U2 enthalten ist. In einem dem Filter 23 nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 25 werden dem durch Verstärker 22 und Filter 23 aufbereiteten, gemultiplexten Signal entsprechende Digitalwerte erzeugt, die mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors 26 zur Bestimmung eines Messwerts φ der Phasendifferenz weiterverarbeitet werden. Da die Schwingungssignale U1 und U2 über dieselben analogen Schaltungskomponenten, nämlich den Eingangsverstärker 22 und das Anti-Aliasing-Filter 23, geführt sind, wirken sich langsame Veränderungen deren Zeitverhaltens gleichermaßen auf die beiden Signale U1 und U2 aus. Die Messung der Zeit- oder Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen ist somit in vorteilhafter Weise unabhängig von derartigen Veränderungen. Der durch den Prozessor 26 berechnete Massendurchfluss, der der gemessenen Phasendifferenz φ entspricht, zeichnet sich daher durch eine verbesserte Genauigkeit aus.
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Die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 21 ist dazu ausgebildet, anhand des auf den Eingangsverstärker 22 geschalteten, gemultiplexten Signals die Phasendifferenz φ der beiden Schwingungssignale U1 und U2 zu bestimmen. Eine bevorzugte Möglichkeit einer geeigneten Signalverarbeitung zur Bestimmung der Phasendifferenz φ oder der dieser entsprechenden Zeitdifferenz wird im Folgenden anhand der 3 und 4 erläutert.
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Der Massendurchfluss ist zu der Zeitdifferenz zwischen den zwei Schwingungssignalen U1 und U2 direkt proportional. Die Zeitdifferenz Δt kann auf der Basis der Phasendifferenz φ und der Grundfrequenz F berechnet werden zu: Δt = φ / 2ΠF.
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Daher sind bezüglich der Bestimmung des Durchflusses die Messung der Zeitdifferenz Δt und die Messung der Phasendifferenz φ äquivalent.
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3 zeigt in einer Prinzipdarstellung einen Zeitverlauf 30 eines Steuersignals für den Umschalter 24 (2) und einen Zeitverlauf 31 eines durch Verstärker 22 und Filter 23 (2) aufbereiteten, gemultiplexten Signals. Entsprechend dem Verlauf 30 wechselt das Steuersignal zyklisch zwischen einem Zustand S1, in welchem das Schwingungssignal U1 (2) durchgeschaltet ist, und einem Zustand S2 mit Durchschaltung des Schwingungssignals U2 (2). Der Zeitverlauf 31 entspricht daher in Zeiträumen T1, T3 usw. dem aufbereiteten Schwingungssignal U1, in Zeiträumen T2, T4 usw. dem Schwingungssignal U2. In dazwischen liegenden Übergangszeiträumen TC finden die jeweiligen Signalübergänge statt, die aufgrund der Eigenschaften des Eingangsverstärkers 22 und des Filters 23 (2) näherungsweise gleitend sind. Das Signal, welches am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 25 (2) anliegt, ist somit aus Signalen derselben Frequenz, jedoch mit wechselnder Phasenlage zusammengesetzt.
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Mit Hilfe des Analog-Digital-Wandlers 25 in 2 wird der Zeitverlauf 31 in Digitalwerte gewandelt, aus welchen der Prozessor 26 die Frequenz des gemultiplexten Signals berechnet, welche der Frequenz F der Grundschwingung des Messrohrs 1 entspricht. Dabei ist eine sehr genaue Berechnung der Frequenz möglich, da das Signal-Rausch-Verhältnis des analogen Eingangssignals des Wandlers 25 sehr hoch ist und die in den Übergangszeiträumen TC (3) erfolgenden Wechsel der Phasenlage vergleichsweise klein, üblicherweise kleiner als 0,25 rad. Durch den Prozessor 26 wird ein Referenzsignal erzeugt, welches dieselbe Frequenz F der Grundschwingung besitzt. Nun wird durch den Prozessor 26 die Verzögerung zwischen dem gemultiplexten Signal und dem Referenzsignal berechnet, die als Digitalwerte vorliegen. Da das Referenzsignal eine konstante Phase besitzt und die Phase des gemultiplexten Signals zwischen zwei Werten hin und her springt, wird dabei ein Zeitverlauf 41 erhalten, wie er in dem Zeitdiagramm gemäß 4 dargestellt ist. Der Zeitverlauf 41 ist etwa rechteckförmig und wechselt in einem den Schaltvorgängen des Umschalters 24 (2) entsprechenden Zyklus zwischen einem Minimalwert Ta und einem Maximalwert Tb. Beispielsweise ist der Minimalwert Ta durch die Phasendifferenz zwischen Schwingungssignal U1 und Referenzsignal, der Maximalwert Tb durch die Phasendifferenz zwischen Schwingungssignal U2 und Referenzsignal bestimmt. Durch Berechnung der Differenz des Maximalwerts Tb und des Minimalwerts Ta wird die Verzögerungszeit und damit die Phasendifferenz φ der beiden Schwingungssignale erhalten, welche dem Massenfluss durch das Coriolis-Massendurchflussmessgeräts 20 entsprechen. Dabei ist das Ergebnis in vorteilhafter Weise unabhängig von der konstanten Phasenlage des Referenzsignals.
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In 4 ist auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden s aufgetragen. Übergänge vom Minimalwert Ta zum Maximalwert Tb und umgekehrt finden etwa in Abständen von 0,1 Sekunde statt, so dass etwa 10 Messwerte für den Massenfluss in jeder Sekunde erhalten werden. Eine derartige Messrate ist für die meisten Anwendungen der Prozessinstrumentierung ausreichend.
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Im Folgenden werden die wesentlichen Vorteile noch einmal kurz zusammengefasst:
- – in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung ist nur ein analoger Eingangskanal erforderlich,
- – Veränderungen des Verzögerungsverhaltens des analogen Eingangssignals aufgrund von Temperaturschwankungen oder Bauelementealterung beeinflussen das Ergebnis der Messung nicht,
- – es genügt ein Analog-Digital-Wandler mit einem Eingang und damit niedrigem Energieverbrauch und
- – die Signalverarbeitung ermöglicht eine sehr genaue Bestimmung der Phasendifferenz zwischen gemultiplextem Signal und erzeugtem Referenzsignal derselben Frequenz.
