DE102013007180A1

DE102013007180A1 - Verfahren zur Auswertung eines Ausgangssignales eines Wirbeldurchflussmessgerätes (WDM) zur Verifikation des Vorliegens einer Strömung

Info

Publication number: DE102013007180A1
Application number: DE102013007180.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Stahnke; Eike Christian Weiß
Original assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Current assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-10-23
Also published as: CH708025B1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Auswertung eines Ausgangssignal eines Wirbeldruchflussmessgerätes zur Verifikation des Vorliegens einer Strömung, wobei das Ausgangssignal einen Frequenz- und einen Amplitudenanteil aufweist,
wobei auf der Grundlage der Eigenschaften eines realen Wirbeldurchflussmessgerätes unter idealen Bedingungen eine Referenzkurve A (F) ermittelt wird, wobei im Betriebszustand des Wirbeldurchflussmessgerätes bei mindestens einer Frequenz die zugehörige Amplitude ermittelt wird,
die mit der entsprechenden Amplitude der Referenzkurve in Bezug auf das Vorliegen der im Wesentlichen gleichen Frequenz verglichen wird, wobei dann, wenn die Frequenz mit der Frequenz der Referenzkurve bei der entsprechenden Amplitude im Wesentlichen übereinstimmt, auf das Vorhandensein einer Strömung zu schließen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung eines Ausgangssignales eines Wirbeldurchflussmessgerätes (WDM) zur Verifikation des Vorliegens einer Strömung.
Wirbeldurchflussmessgeräte, auch kurz Vortex-Messer genannt, dienen der Messung von Durchflussmengen in Rohrleitungen. Ein solcher Vortex-Durchflussmesser ist ein Durchflussmessgerät zur Bestimmung von Volumen oder Massenströmen in Rohrleitungen auf Basis der Kármánschen Wirbelstraße. Ein solches Wirbeldurchflussmessgerät umfasst einen rohrförmigen Abschnitt, mit einem im rohrförmigen Abschnitt angeordneten Störkörper und einem in Strömungsrichtung dem Störkörper nachgeordneten Sensor. Der Sensor ist üblicherweise ein Piezodrucksensor oder ein Paddel mit einem Piezosensor, der die Druckschwankungen aufgrund der Wirbelbildung aufnimmt. Der Sensor erzeugt demzufolge ein elektrisches Ausgangssignal, das zu den Druckschwankungen bzw. zu den Bewegungen des Paddels korreliert. Unter normalen Strömungsbedingungen enthält das Signalspektrum eine periodische Komponente, dessen Maximum der Wirbelfrequenz entspricht. Durch eine Fouriertransformation oder geeignete Filtermethoden kann dieses Maximum aus dem Signal extrahiert werden und zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit herangezogen werden.
Anders stellt sich die Angelegenheit unter strömungslosen Bedingungen dar. Häufig kommt es im strömungslosen Zustand dennoch zu einem Anzeigen einer Strömung, obwohl eine Strömung nicht vorliegt. Begründet ist dies dadurch, dass beispielsweise durch Pumpen oder Motoren mechanische Vibrationen in dem Vortex erzeugt werden, die das System veranlassen eine Strömung anzuzeigen, obwohl eine Strömung gar nicht vorliegt. Zur Vermeidung solcher Fehlanzeigen ist bereits aus der DE 11 2007 003 712 T5 bekannt, mittels Schwingungssensoren, die auf dem Rohr des Wirbeldurchflussmessgerätes angeordnet sind, Vibrationen zu erkennen, um dann das Spektrum solcher Fremdvibrationen aus dem Gesamtspektrum herausfiltern zu können. Bekannt ist auch unter Einsatz von Digitalsignalprozessoren mittels Fouriertransformation das Frequenzspektrum zu ermitteln, und aus der Verteilung des Frequenzspektrums durch Bildung von Frequenzquotienten strömungslose Situationen zu erkennen. Ein solches Verfahren ist aus der US 4,934,194 bekannt.
Nachteilig an diesen bekannten Verfahren ist der verhältnismäßig große technische Aufwand, der zu einer unverhältnismäßigen Verteuerung der an sich relativ preisgünstigen Wirbeldurchflussmessgeräte führt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demzufolge darin, ein Verfahren zur Auswertung eines Ausgangssignales eines Wirbeldurchflussmessgerätes (WDM), auch kurz Vortex genannt zur Verifikation des Vorliegens einer Strömung bereitzustellen, das den Einsatz relativ kostengünstiger WDM's ermöglicht, wobei das Verfahren aber dennoch sehr robust ist, also insbesondere zuverlässig in der Lage ist das Vorliegen einer strömungslosen Situation zu detektieren.
Ein Verfahren zur Auswertung eines Ausgangssignals eines WDM zur Verifikation des Vorliegens einer Strömung, wobei das Ausgangssignal einen Frequenz- und einen Amplitudenanteil aufweist, das diesen Anforderungen genügt, zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Grundlage der Eigenschaften eines realen WDM unter idealen Bedingungen eine Referenzkurve A (F) ermittelt wird,
wobei im Betriebszustand des WDM bei mindestens einer Frequenz die zugehörige Amplitude ermittelt wird,
die mit der entsprechenden Amplitude der Referenzkurve in Bezug auf das Vorliegen der im Wesentlichen gleichen Frequenz verglichen wird,
wobei dann, wenn die Frequenz mit der Frequenz der Referenzkurve bei der entsprechenden Amplitude im Wesentlichen übereinstimmt auf das Vorhandensein einer Strömung zu schließen ist.
Das Verfahren geht davon aus, dass zunächst auf der Grundlage der Eigenschaften eines realen WDM unter idealen Bedingungen eine Referenzkurve A (F) ermittelt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann allein durch das Verhältnis von Frequenz zu Amplitude darauf geschlossen werden, ob eine strömungslose Situation vorliegt oder nicht. Hierbei steht bei einem bekannten System die Wirbelfrequenz in einem festen Verhältnis zur Amplitude der Wirbelfrequenz. Bei einem idealen System steigt die Amplitude des Sensorsignals quadratisch mit der Wirbelfrequenz, d. h. es gilt der Bezug A ~ F². Bei realen Systemen wird dieser Zusammenhang von verschiedenen Faktoren verfälscht. Hierzu zählt beispielsweise die Masse und Steifigkeit des Paddels, der Aufbau des Eingangsverstärkers, die Einengung des Rohrquerschnitts durch die endliche Strömung, die Resonanzeigenschaften des Messsystems und schlussendlich auch die Form des Störkörpers. Dies sind die Eigenschaften oder Störeffekte unter deren Berücksichtigung die Referenzkurve A (F) ermittelt wird.
Darüber hinaus ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Ermittlung der Referenzkurve unter idealen Bedingungen erfolgt. Unter idealen Bedingungen ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Bestimmung der Referenzkurve frei von Fremdvibrationen erfolgt. Das heißt, dass beispielsweise die Vibration von irgendwelchen Pumpen oder Motoren keinerlei Einfluss auf die Bestimmung der Referenzkurve hat. Das bedeutet, dass zur Ermittlung der Referenzkurve ausschließlich Ausgangssignale berücksichtigt werden, die bei Betrieb eines realen WDM unter Berücksichtigung der dem WDM eigenen Störfaktoren oder Störgrößen ohne Einfluss äußerer Störfaktoren wie z. B. Fremdvibrationen durch Pumpen oder Motoren ermittelt werden.
Wird nunmehr der WDM in den Betriebszustand überführt, d. h. läuft der WDM unter realen Bedingungen, bei dem beispielsweise auch die Vibrationen eines Motors oder einer Pumpe auf den WDM übertragen werden, so wird im realen Betriebszustand bei einer beliebigen Frequenz die dazugehörige Amplitude ermittelt. Im Folgenden wird dann beispielsweise mithilfe eines Mikroprozessors die im Betriebszustand ermittelte Amplitude mit der gleichen Amplitude der Referenzkurve dahingehend verglichen, ob die Frequenz der Amplitude der Referenzkurve mit der Frequenz der real ermittelten Amplitude übereinstimmt. Ist dies der Fall, dann ist von einem Vorliegen einer Strömung auszugehen.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist insbesondere vorgesehen, dass die Ermittlung der Referenzkurve A (F) durch Messung des Frequenz- und des Amplitudenanteils am realen WDM bei unterschiedlichen Volumenströmen erfolgt. Weiterhin besteht die Möglichkeit die Ermittlung der Referenzkurve durch Simulation an einem virtuellen WDM durch Ermittlung des Frequenz- und des Amplitudenanteils bei unterschiedlichen Volumenströmen durchzuführen. Weiterhin ist denkbar die Ermittlung der Referenzkurve durch Berechnung des Frequenz- und des Amplitudenanteiles vorzunehmen, wobei auch hier wieder in die Berechnung die Steifigkeit und Masse des Paddels, der Aufbau des Eingangsverstärkers, die Einengung des Rohrquerschnitts, und schlussendlich die Resonanzeigenschaften des Messsystems und auch die Form des Störkörpers mit in die Berechnung einfließen. Der Vergleich der Übereinstimmung der Frequenz der Amplitude der Referenzkurve mit der Frequenz bei der im Betriebszustand ermittelten Amplitude erfolgt unter Berücksichtigung einer Bandbreite der Frequenz. Selbstverständlich ist es nicht möglich, zu jedem WDM eine für ihn spezifische Referenzkurve A (F) zu bestimmen. Es ist vielmehr so, dass die Referenzkurve A (F) anhand eines WDM aus einer Serie von WDM's bestimmt wird und diese Referenzkurve A (F) die Referenz für sämtliche WDM's diese Serie bildet. Die WDM's einer Serie sind untereinander nie identisch. Begründet ist dies in Fertigungstoleranzen, unterschiedlichen Werkstoffchargen, und schlussendlich auch unterschiedlichen Strömungsmedien. In folgedessen ist von einer Bandbreite in Bezug auf die Frequenz auszugehen, d. h. es wird davon ausgegangen, dass eine Strömung positiv detektiert worden ist, wenn bei übereinstimmenden Amplituden die Abweichungen der zugehörigen Frequenzen sich innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite bewegen. Die Bandbreite liegt hierbei üblicherweise bei etwa 10%, was bedeutet, dass bei einer Abweichung von ±5% oberhalb oder unterhalb der Referenzkurve immer noch davon ausgegangen werden kann, dass eine Strömung vorliegt.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt schematisch die Messschaltung;
2 zeigt schematisch den Verlauf der Referenzkurve A (F).
Durch die Messschaltung gemäß 1 wird als Ausgangssignal zusätzlich zu dem Frequenzspektrum auch die Amplitude des Sensors erfasst. Die Auswertung sowohl der Frequenzkomponente als auch der Amplitude erfolgt in einem Mikroprozessor, der an die Messschaltung angeschlossen ist. In diesem Mikroprozessor läuft eine Routine, die eine Bewertung der Frequenzkomponenten anhand der Amplituden des Ausgangssignals durchführt. Nur wenn beispielsweise bei einer im Betriebszustand ermittelten Amplitude der Wert der zugehörigen Frequenz im Rahmen einer Bandbreite mit der Frequenz der entsprechenden Amplitude der Referenzkurve übereinstimmt, wird davon ausgegangen, dass eine Strömung detektiert worden ist. Stimmt die Frequenz der Referenzkurve insofern bei der entsprechenden Amplitude im Wesentliche nicht mit der Frequenz der gleichen Amplitude im Betriebszustand überein, dann wird das Messergebnis verworfen und als strömungsloser Zustand bewertet.
In 2 ist mit 2 die Bandbreite der Frequenz markiert, innerhalb derer noch von dem Vorliegen einer Strömung ausgegangen werden kann. Befindet sich der Frequenzwert in den Flächen 1 und 3 liegt sicher keine Strömung vor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112007003712 T5 [0003]
US 4934194 [0003]

Claims

Verfahren zur Auswertung eines Ausgangssignal eines Wirbeldurchflussmessgerätes zur Verifikation des Vorliegens einer Strömung, wobei das Ausgangssignal einen Frequenz- und einen Amplitudenanteil aufweist, wobei auf der Grundlage der Eigenschaften eines realen Wirbeldurchflussmessgerätes unter idealen Bedingungen eine Referenzkurve A (F) ermittelt wird, wobei im Betriebszustand des Wirbeldurchflussmessgerätes bei mindestens einer Frequenz die zugehörige Amplitude ermittelt wird, die mit der entsprechenden Amplitude der Referenzkurve in Bezug auf das Vorliegen der im Wesentlichen gleichen Frequenz verglichen wird, wobei dann, wenn die Frequenz mit der Frequenz der Referenzkurve bei der entsprechenden Amplitude im Wesentlichen übereinstimmt, auf das Vorhandensein einer Strömung zu schließen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkurve A (F) unter Berücksichtigung von dem Wirbeldurchflussmessgerät eigenen Störeffekt ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Referenzkurve A (F) durch Messung des Frequenz- und des Amplitudenanteils am realen Wirbeldurchflussmessgerät bei unterschiedlichen Volumenströmen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Referenzkurve A (F) durch Simulation an einem virtuellen Wirbeldurchflussmessgerät durch Ermittlung des Frequenz- und des Amplitudenanteils erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Referenzkurve durch Berechnung des Frequenz- und des Amplitudenanteils erfolgt.