DE102013114427A1 - Arrangement and method for determining a flow-related measured variable - Google Patents
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Abstract
Anordnung zur Bestimmung einer durchflussbezogenen Prozessgröße eines Messmediums durch zumindest ein erstes Messrohr, insbesondere zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit eines Messmediums und/oder des Volumendurchflusses des Messmediums, umfassend A) zumindest das erste Messrohr mit einer Messrohrachse, B) zumindest zwei sich diametral am Messrohr gegenüberstehende Spulensysteme zur Ausbildung eines Magnetfeldes, C) ein erstes Messelektrodenpaar, mit zwei sich diametral am Messrohr gegenüberstehenden Messelektroden, welche eine erste Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld verläuft, und D) zumindest ein zweites Messelektrodenpaar mit zwei sich diametral am ersten oder an einem zweiten Messrohr gegenüberstehenden Messelektroden, welche eine zweite Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen entlang der Messrohrachse parallel zur ersten Verbindungsachse angeordnet ist; E) eine Steuer- und/oder Regeleinheit, zur Erzeugung eines Magnetfeldes wechselnder Polarität durch die Spulensysteme, F) eine Schaltungsanordnung umfassend eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Durchflussgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines Messmediums, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrodenpaare derart mit der Auswerteeinheit verbunden sind, dass ein Abgriff von Messspannungen vom ersten und vom zweiten Messelektrodenpaar erfolgt und wobei die Schaltungsanordnung ausgebildet ist folgende Verfahrensschritte auszuführen: I. Konduktiver Abgriff von Messspannungen in Form von Signalspannungen eines jeden der Messelektrodenpaare; II.I Bestimmung eines Messwertes hinsichtlich der Phasenlage und/oder der Phasengröße zumindest des Störanteils der Messspannungen oder II.II Vorgabe eines Richtwertes zur Ermittlung der Phasenlage und/oder der Phasengröße zumindest des Störanteils der Messspannungen; III. Signalverarbeitung der Messspannungen in Abhängigkeit von einem ermittelten oder vorgegebenen Phasenversatz, wobei die Ermittlung eines unkorrigierten Messsignals aus den Messspannungen erfolgt, wobei in Schritt III.I eine Korrektur des Messsignals mit dem in Schritt II.I ermittelten Messwert oder mit dem in Schritt II.II vorgegebenen Richtwert erfolgt; und IV Ausgabe des korrigierten Messsignals.Arrangement for determining a flow-related process variable of a measuring medium by at least one first measuring tube, in particular for determining the flow rate of a measuring medium and / or the volume flow of the measuring medium, comprising A) at least the first measuring tube with a measuring tube axis, B) at least two coil systems diametrically opposed to the measuring tube for forming a magnetic field, C) a first pair of measuring electrodes, with two measuring electrodes diametrically opposite each other on the measuring tube, which form a first connecting axis, which runs substantially perpendicular to the magnetic field, and D) at least one second pair of measuring electrodes with two diametrically diametrically opposed on the first or on one second measuring tube opposite measuring electrodes, which form a second connection axis, which is arranged substantially along the Meßrohrachse parallel to the first connection axis; E) a control and / or regulating unit, for generating a magnetic field of alternating polarity through the coil systems, F) a circuit arrangement comprising an evaluation unit for determining a flow rate and / or the volume flow of a measuring medium, characterized in that the measuring electrode pairs connected to the evaluation unit are that a tapping of measuring voltages from the first and from the second pair of measuring electrodes takes place and wherein the circuit arrangement is designed to carry out the following method steps: I. Conductive tapping of measuring voltages in the form of signal voltages of each of the measuring electrode pairs; II.I determination of a measured value with regard to the phase position and / or the phase size of at least the interference component of the measured voltages or II.II specification of a reference value for determining the phase position and / or the phase magnitude of at least the interference component of the measured voltages; III. Signal processing of the measurement voltages as a function of a determined or predetermined phase offset, wherein the determination of an uncorrected measurement signal from the measurement voltages, wherein in step III.I a correction of the measurement signal with the measured value determined in step II.I or with the in step II.II given reference value; and IV output the corrected measurement signal.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung einer durchflussbezogenen Prozessgröße nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.The present invention relates to an arrangement for determining a flow-related process variable according to the preamble of
Es sind bereits magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt, welche hintereinander angeordnete Messelektrodenpaare entlang des Messrohres aufweisen. Diese Anordnungen werden allerdings aus unterschiedlichen Gründen ausgewählt, welche sich wesentlich voneinander und insbesondere von der vorliegenden Erfindung unterscheiden.Magnetic-inductive flowmeters are already known which have measuring electrode pairs arranged one behind the other along the measuring tube. However, these arrangements are selected for various reasons, which differ substantially from each other and in particular from the present invention.
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Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messperformance zu verbessern.Based on the aforementioned prior art, it is now an object of the present invention to improve the measurement performance.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und des unabhängigen Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Ansprüche sind Gegenstand der Unteransprüche.The present invention achieves this object by the features of
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung einer durchflussbezogenen Prozessgröße eines Messmediums durch zumindest ein erstes Messrohr, insbesondere zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit eines Messmediums und/oder des Volumendurchflusses des Messmediums, umfasst
- A) zumindest das erste Messrohr mit einer Messrohrachse,
- B) zumindest zwei sich diametral am Messrohr gegenüberstehende Spulensysteme zur Ausbildung eines Magnetfeldes,
- C) ein erstes Messelektrodenpaar, mit zwei sich diametral am Messrohr gegenüberstehenden Messelektroden, welche eine erste Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld verläuft, und
- D) zumindest ein zweites Messelektrodenpaar mit zwei sich diametral am ersten oder an einem zweiten Messrohr gegenüberstehenden Messelektroden, welche eine zweite Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen parallel zur ersten Verbindungsachse und entlang der Messrohrachse verschoben angeordnet ist;
- E) eine Steuer- und/oder Regeleinheit, zur Erzeugung eines Magnetfeldes wechselnder Polarität durch die Spulensysteme,
- F) eine Schaltungsanordnung umfassend eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Durchflussgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines Messmediums,
die Messelektrodenpaare derart mit der Auswerteeinheit verbunden sind, dass ein Abgriff von Messspannungen vom ersten und vom zweiten Messelektrodenpaar erfolgt und wobei die Schaltungsanordnung ausgebildet ist, folgende Verfahrensschritte auszuführen:
- I. Konduktiver Abgriff von Messspannungen in Form von Signalspannungen eines jeden der Messelektrodenpaare;
- II.I Bestimmung der Phasenlage zumindest des Störanteils der Messspannungen oder einer von der Phasenlage abhängigen Größe oder
- II.II Vorgabe eines Richtwertes zur Ermittlung der Phasenlage und/oder der Phasengröße zumindest des Störanteils der Messspannungen;
- III. Signalverarbeitung der Messspannungen in Abhängigkeit von einem ermittelten oder vorgegebenen Phasenversatz, wobei die Ermittlung eines unkorrigierten Messsignals aus den Messspannungen erfolgt, wobei III.I eine Korrektur des Messsignals mit Verwendung der in Schritt II.I ermittelten Phasenlage oder der von der Phasenlage abhängigen Größe oder mit dem in Schritt II.II vorgegebenen Richtwert erfolgt; und
- IV Ausgabe des korrigierten Messsignals.
- A) at least the first measuring tube with a measuring tube axis,
- B) at least two coil systems which are diametrically opposed to the measuring tube and form a magnetic field,
- C) a first measuring electrode pair, with two diametrically opposite to the measuring tube measuring electrodes, which form a first connection axis, which is substantially perpendicular to the magnetic field, and
- D) at least one second measuring electrode pair with two diametrically opposed to the first or on a second measuring tube measuring electrodes, which form a second connection axis, which is arranged substantially parallel to the first connection axis and along the measuring tube axis;
- E) a control and / or regulating unit for generating a magnetic field of alternating polarity through the coil systems,
- F) a circuit arrangement comprising an evaluation unit for determining a flow rate and / or the volume flow rate of a measuring medium,
the measuring electrode pairs are connected to the evaluation unit such that a tapping off of measuring voltages takes place from the first and from the second measuring electrode pair and wherein the circuit arrangement is designed to execute the following method steps:
- I. Conductive tapping of measurement voltages in the form of signal voltages of each of the pairs of measuring electrodes;
- II.I Determination of the phase angle of at least the interference component of the measurement voltages or a quantity dependent on the phase position or
- II.II specification of a guideline value for determining the phase position and / or the phase size of at least the noise component of the measured voltages;
- III. Signal processing of the measured voltages as a function of a determined or predetermined phase offset, wherein the determination of an uncorrected measurement signal from the measured voltages, wherein III.I a correction of the measurement signal with the use of the determined in step II.I phase or phase-dependent magnitude or with the benchmark given in step II.II; and
- IV Output of the corrected measuring signal.
Die Anordnung kann mit mehreren getrennten Durchflussmessgeräte ausgestaltet sein, so dass das zweite Messelektrodenpaar einem zweiten Durchflussmessgerät zugeordnet ist oder in bevorzugter kompakter Bauweise als ein Durchflussmessgerät mit mehreren Messelektrodenpaaren.The arrangement may be configured with a plurality of separate flow meters, so that the second pair of measuring electrodes is associated with a second flow meter or in a preferred compact design as a flow meter with a plurality of measuring electrode pairs.
Der in Schritt II.II genannte Richtwert kann beispielsweise eine feste Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung bzw. eine feste Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen an verschiedenen Elektrodenachsen Elektrodenabstand sein.The reference value mentioned in step II.II can be, for example, a fixed propagation speed of the disturbance or a fixed time difference between the arrival at different electrode axes of electrode spacing.
Die Signalverarbeitung der Messspannungen in Schritt III erfolgt unter Nutzung der erfindungsgemässen Anordnung in Abhängigkeit von einem ermittelten oder vorgegebenen Phasenversatz, beispielsweise durch Anpassung des effektiven Messfensters auf einen Bereich, in welchem an allen betrachteten Messelektrodenpaaren die zu eliminierende Störung nachweisbar ist und/oder durch zeitlichen Versatz der an verschiedenen Messelektrodenpaaren erfassten Signalspannungen, gefolgt von geeigneter Überlagerung der gegebenenfalls zeitlich verschobenen Signalspannungen an verschiedenen Messelektrodenpaaren innerhalb eines definierten effektiven Messfensters mit dem Ziel der Auslöschung der Störung.The signal processing of the measurement voltages in step III is carried out using the arrangement according to the invention in dependence on a determined or predetermined phase offset, for example by adapting the effective measurement window to a region in which the interference to be eliminated is detectable on all the measuring electrode pairs considered and / or by a time offset the signal voltages detected at different measuring electrode pairs, followed by suitable superimposition of the optionally time-shifted signal voltages at different pairs of measuring electrodes within a defined effective measuring window with the aim of extinguishing the interference.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung können insbesondere Störungen, insbesondere feststoffverursachte Störungen, kompensiert werdenThe arrangement according to the invention makes it possible in particular to compensate for disturbances, in particular solid-state-caused disturbances
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Zur Verringerung des Messelektrodenabstandes ist es von Vorteil, wenn die Anordnung in einem Durchflussmessgerät mit zumindest zwei Messelektrodenpaaren realisiert ist.To reduce the measuring electrode distance, it is advantageous if the arrangement is realized in a flow meter with at least two measuring electrode pairs.
Aus Redundanzgründen und zur Erhöhung der Messgenauigkeit und zum Abdecken eines größeren Bereiches von Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Störung ist es von Vorteil, wenn die Anordnung ein drittes Messelektrodenpaar mit zwei sich diametral gegenüberstehenden Messelektroden aufweist, welche eine dritte Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen entlang der Messrohrachse parallel zur ersten Verbindungsachse angeordnet ist. Bei der Nutzung von zwei Elektrodenachsen hat sich ab einer bestimmten Geschwindigkeit die Störung beim nächsten Feldtakt an der zweiten Elektrodenachse bereits vorbei bewegt, dann ist eine dritte weiter entfernte Elektrodenachse vorteilhaft. Unterhalb einer anderen Geschwindigkeit reicht die Zeit einer Messperiode andererseits nicht für das Erreichen der zweiten Elektrodenachse, dann ist eine dritte Elektrodenachse zwischen der Ersten und Zweiten vorteilhaft.For reasons of redundancy and to increase the accuracy of measurement and to cover a larger range of propagation velocities of the perturbation, it is advantageous if the arrangement has a third pair of measuring electrodes with two diametrically opposed measuring electrodes which form a third connecting axis, which is substantially parallel to the measuring tube axis first connection axis is arranged. When using two electrode axes, the disturbance at the next field clock has already moved past the second electrode axis at a certain speed, then a third electrode axis further away is advantageous. On the other hand, below another speed, the time of a measurement period does not suffice for reaching the second electrode axis, then a third electrode axis between the first and second is advantageous.
Es ist von Vorteil, wenn das zweite und/oder das dritte Messelektrodenpaar Messelektroden aufweist, welche sich in ihrer geometrischen Form und/oder in ihrer Materialzusammensetzung von dem ersten Messelektrodenpaar unterscheiden.It is advantageous if the second and / or the third measuring electrode pair has measuring electrodes which differ in their geometric shape and / or in their material composition from the first pair of measuring electrodes.
Die Schaltungsanordnung kann vorteilhaft folgende weitere Verfahrensschritte durchführen:
- • Verstärkung und/oder Impedanzwandlung einer Messspannung jedes einzelnen Messelektrodenpaares oder einer gemeinsamen Messspannung durch parallelen Abgriff mehrerer Messelektrodenpaare gemeinsam;
- • Offsetkorrektur und ggf. weitere Verstärkung der Messspannung eines jeden einzelnen Messelektrodenpaares oder der gemeinsamen Messspannung der Messelektrodenpaare
- • Analog-Digitalwandlung der Messspannung eines jeden einzelnen Messelektrodenpaares oder der gemeinsamen Messspannung der Messelektrodenpaare; und
- • Ermittlung einer Durchflussgeschwindigkeit und/oder eines Volumendurchflusses anhand der störabstandsoptimierten Messspannung oder Messspannungen,
- Amplification and / or impedance transformation of a measuring voltage of each individual measuring electrode pair or of a common measuring voltage by parallel tapping of several measuring electrode pairs in common;
- • Offset correction and, if necessary, further amplification of the measuring voltage of each individual measuring electrode pair or the common measuring voltage of the measuring electrode pairs
- • Analog-to-digital conversion of the measuring voltage of each individual measuring electrode pair or of the common measuring voltage of the measuring electrode pairs; and
- Determination of a flow velocity and / or a volume flow on the basis of the noise margin-optimized measuring voltage or measuring voltages,
Es ist von Vorteil, wenn die Bestimmung der Phasenlage durch Kreuzkorrelation oder durch iterative Berechnung anhand einer Mehrzahl von vorhergehenden Einzelmesswerten des Messsignals erfolgt.It is advantageous for the phase position to be determined by cross-correlation or by iterative calculation on the basis of a plurality of preceding individual measured values of the measurement signal.
Die Phasenlage kann bei entsprechender Kenntnis des Prozesses alternativ auch als Parameter vorgegeben werden.Alternatively, if the process is known, the phase position can be specified as a parameter.
Es ist von Vorteil, wenn die bei der Signalverarbeitung gewonnene Information der Phasenverschiebung bzw. der Änderung der Phasenlage zur Anpassung der Erregung des Magnetfeldes genutzt wird. It is advantageous if the information obtained in the signal processing of the phase shift or the change in the phase position is used to adjust the excitation of the magnetic field.
Dabei können mehrere Fälle unterschieden werden. Im einfachsten Fall (a) geht man von einem nur gering um einen konstanten Mittelwert schwankenden Durchfluss aus. Die Erregung kann dann so gewählt werden, dass die Störung zwischen zwei Messfenstern im Mittel gerade die Strecke zwischen den Elektrodenachse zurücklegt. Dies stellt den Fall eines auf den typischen Durchfluss angepassten konstanten Zeitabstand zwischen zwei Feldwechseln (im weiteren Messperiode genannt) dar. Sollte sich im nächsten betrachteten Fall (b) der Durchfluss ändern, z.B. während einer mehrstufigen Abfüllung, aber nur mit geringen Schwankungen bezogen auf einen über mehrere Perioden gemittelten periodischen Durchflussverlauf, kann eine periodisch veränderliche (also variable) Anpassung des Messperiode erfolgen. Die Fälle (a) und (b) gehen davon aus, dass der Durchflussverlauf bis zu einem gewissen Grad bekannt und vorhersehbar ist, so dass darauf eine gezielte Anpassung der Messperiode erfolgen kann.Several cases can be distinguished. In the simplest case (a) one starts from a flow fluctuating only slightly by a constant mean value. The excitation can then be selected so that the interference between two measurement windows on average just covers the distance between the electrode axis. This represents the case of a constant time interval between two field changes adapted to the typical flow (referred to as "measuring period" in the following). Should flow change in the next case (b) considered, e.g. During a multistage filling, but only with slight fluctuations relative to a periodic flow profile averaged over several periods, a periodically variable (ie variable) adaptation of the measuring period can take place. Cases (a) and (b) assume that the flow rate is known and predictable to some degree, so that a targeted adjustment of the measurement period can be made.
In vielen Fällen ist es jedoch so, dass im Voraus keine Information über den Durchfluss bekannt ist. Es könnte dann bei konstanter Messperiode und konstanter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Fall eintreten, dass die Störung stets gerade ausserhalb des Messfensters (Integrationsperiode) am zweiten Elektrodenpaar eintrifft, entweder zu früh oder zu spät. In diesem Fall kann vorteilhaft nach Variante c) die Messperiode zeitlich verändert werden, beispielsweise um mehr als 5% verkürzt oder verlängert, insbesondere mehr als 20% verkürzt oder verlängert, insbesondere um mehr als 50% verkürzt oder verlängert. Der zeitliche Verlauf der Veränderung kann dabei nach einem explizit vorgegebenen fixen Muster erfolgen oder auch Zufallswerte als Anteil enthalten oder auch externe Grössen (z.B. Zeit, Temperatur, Durchfluss) zur Bestimmung der Veränderung heranziehen. Im Fall des Durchfluss ist hier keine Adaption gemeint, sondern lediglich eine Einbeziehung dieser Grösse zur variablen Adaption im Sinne einer Steuerung, keiner Regelung. Durch die in diesem Abschnitt beschriebene variable Änderung der Messperiode wird vermieden, dass die Störung ständig ausserhalb des Messfensters eintrifft.In many cases, however, there is no information about the flow in advance. With a constant measurement period and constant propagation speed, it could then happen that the disturbance always arrives just outside the measurement window (integration period) at the second electrode pair, either too early or too late. In this case, according to variant c), the measuring period can advantageously be changed in time, for example shortened or extended by more than 5%, in particular more than 20% shortened or extended, in particular shortened or extended by more than 50%. The temporal course of the change can take place according to an explicitly predetermined fixed pattern or contain random values as a proportion or external variables (for example, time, temperature, flow) to determine the change. In the case of the flow here is meant no adaptation, but only an inclusion of this variable for variable adaptation in the sense of a control, no regulation. The variable change of the measurement period described in this section avoids the disturbance constantly arriving outside the measurement window.
Bei dem im letzten Abschnitt beschriebenen Verfahren wird die Messperiode typisch bei einem grösseren Prozentsatz von beispielsweise mehr als 5%, insbesondere mehr als 20%, insbesondere mehr als 50% der Messperioden im Betrieb eines Gerätes nicht der Störung angepasst sein. Dafür ist der Rechenaufwand zur Anpassung verhältnismässig gering. Wenn nun im Voraus keine Kenntnis über den Durchfluss besteht und dennoch in den meisten Fällen die Störung möglichst vollständig im Messfenster beim zweiten Elektrodenpaar auftreten, schlägt das erfindungsgemässe Verfahren in einer Variante d) vor, nach jeder Bestimmung der Phasenverschiebung und somit bei Kenntnis des Zeitversatzes zwischen Messfenster und Passieren der Störung die Messperiode nach dem unmittelbar darauf folgenden Feldwechsel entsprechend zu verkürzen oder zu verlängern, so dass die Störung beim nächsten Messfenster möglichst vollständig erfasst werden kann. Bei sehr schnellen Änderungen des Durchflusses kann es vorteilhaft sein, das Gerät mit einer höheren Feldwechselfrequenz zu betreiben, den Verlauf des Durchflusses damit mit höherer zeitlicher Auflösung zu erfassen und die Störung auch in weiter in der Zukunft liegenden Messperioden zu detektieren. Nehmen wir als Beispiel an, eine Störung benötigt gerade eine Standardmessperiode zwischen den beiden Elektrodenachsen. Nun werde die Messperiode auf die Hälfte reduziert. Dann kann bei der nächsten Messperiode bereits eine Durchflussänderung detektiert werden, die Störung ist jedoch noch nicht am zweiten Elektrodenpaar angekommen. Aus der detektierten Durchflussänderung kann nun die Messperiode des übernächsten Feldtaktes bereits so angepasst werden, dass die Störung im Messfenster am zweiten Elektrodenpaar ankommt. Eine weitere Möglichkeit ist es, Durchflussinformation vor dem eigentlichen Messfenster zur Anpassung der Messperiode heranzuziehen. Diese Information ist zwar mit einem höheren Fehler behaftet, da das Magnetfeld vor dem Messfenster noch nicht stabil ist, diese erhöht jedoch nicht den Fehler der Durchflussbestimmung, da sie nicht direkt zu Durchflussberechnung sondern nur zur Anpassung des Integrationsfensters benutzt wird. Noch eine weitere Möglichkeit ist es, mit wesentlich höherer Abtastung (vorteilhaft mindestens einen Faktor 10, insbesondere einen Faktor 100 höher als die Feldfrequenz) während des Messfensters laufend einen momentanen Durchflusswert zu berechnen. Dieser Durchflusswert ist aufgrund der geringen Mittelungszeit und der noch nicht erfolgten Kompensation der Störung mit einer höheren Unsicherheit behaftet, diese erhöht jedoch nicht den Fehler der Durchflussbestimmung, da sie nicht direkt zu Durchflussberechnung sondern nur zur Anpassung der Messperiode oder des Integrationsfensters benutzt wird.In the case of the method described in the last section, the measuring period will typically not be adapted to the disturbance with a greater percentage of, for example, more than 5%, in particular more than 20%, in particular more than 50% of the measurement periods in the operation of a device. For the computational effort for adaptation is relatively low. If there is no knowledge of the flow in advance and nevertheless the disturbance occurs as completely as possible in the measurement window in the second electrode pair, the method according to the invention proposes in a variant d) after each determination of the phase shift and thus with knowledge of the time offset between Measuring window and passing the fault shorten the measurement period after the immediately following field change accordingly or extend, so that the disturbance at the next measurement window can be detected as completely as possible. In the case of very rapid changes in the flow, it may be advantageous to operate the device with a higher field change frequency, thus to detect the flow of the flow with a higher temporal resolution and to detect the fault even in measurement periods that lie further in the future. For example, suppose a disturbance needs a standard measurement period between the two electrode axes. Now the measurement period is reduced to half. Then a flow change can already be detected at the next measurement period, but the disturbance has not yet arrived at the second electrode pair. From the detected change in flow rate, the measurement period of the next but one field clock can now be adjusted so that the disturbance arrives in the measurement window on the second pair of electrodes. Another possibility is to use flow information before the actual measurement window to adjust the measurement period. Although this information has a higher error, since the magnetic field in front of the measurement window is not yet stable, this does not increase the error of the flow determination, since it is not used directly for flow calculation but only for adaptation of the integration window. Yet another possibility is to continuously calculate a current flow value during a much higher sampling (advantageously at least a factor of 10, in particular a factor of 100 higher than the field frequency) during the measurement window. This flow rate is associated with a higher uncertainty due to the low averaging time and the failure to compensate for the disturbance, but this does not increase the flow determination error since it is not used directly for flow calculation but only to adjust the measurement period or integration window.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der von einem Ausführungsbeispiel unter Zuhilfenahme von Zeichnungen näher erläutert.The object of the invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment with the aid of drawings.
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Der grundsätzliche Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind an sich bekannt. Gemäß dem Induktionsgesetz nach Faraday wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Beim magnetisch-induktiven Messprinzip entspricht der fließende Messstoff dem bewegten Leiter. Ein Magnetfeld mit alternierender Polarität und während des Integrationsfensters betragsmässig möglichst mit konstanter und immer gleicher Stärke wird durch zwei Feldspulen zu beiden Seiten eines Messrohres erzeugt. Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres zwei Messelektroden, welche die beim Durchfließen des Messstoffes erzeugte Spannung abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch die Feldspulen aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen und anderer geometrischer Anordnung bekannt.The basic structure and the measuring principle of a magnetic-inductive flowmeter are known per se. According to Faraday's law of induction, a voltage is induced in a conductor moving in a magnetic field. In the magnetic-inductive measuring principle, the fluid medium corresponds to the moving conductor. A magnetic field with alternating polarity and during the integration window as far as possible with constant and always the same strength is generated by two field coils on both sides of a measuring tube. Perpendicular to this are located on the tube inner wall of the measuring tube, two measuring electrodes, which tap the voltage generated when flowing through the medium. The induced voltage is proportional to the flow velocity and thus to the volume flow. The magnetic field built up by the field coils is generated by a clocked DC alternating polarity. This ensures a stable zero point and makes the measurement insensitive to influences by multiphase substances, inhomogeneities in the liquid or low conductivity. Magnetic-inductive flowmeters with coil arrangements with more than two field coils and other geometrical arrangements are known.
Die Qualität einer Messung mittels eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes kann unter anderem durch die mittlere Messabweichung und die Messwertstreuung charakterisiert werden. Die Messwertstreuung wird ist beispielsweise von der Art des Mediums und der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums abhängig.The quality of a measurement by means of a magnetic-inductive flowmeter can be characterized among other things by the mean measurement deviation and the measured value dispersion. The measured value scattering depends, for example, on the type of medium and the flow rate of the medium.
Beispielsweise bei einem nominal konstanten Durchfluss sollte die Standardabweichung von aufeinanderfolgenden Messungen möglichst gering sein. Die Mittelung oder eine anderweitige Filterung aufeinanderfolgender Messungen verringert einerseits die Messwertstreuung, geht allerdings zu Lasten der Bandbreite der Messung.For example, at a nominally constant flow, the standard deviation of successive measurements should be as low as possible. Averaging or otherwise filtering successive measurements reduces the spread of measurements, but at the expense of the bandwidth of the measurement.
Eine Optimierung des Störabstandes – also des Verhältnisses des Nutzsignal- und des Störsignalanteils, aus welchen sich jede Messspannung zusammensetzt – führt zu einer Reduktion der Messwertstreuung und/oder zu einer Erhöhung der Bandbreite der Messung. Diese Verbesserung des Störabstandes ist das Ziel der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann entweder gleich lang gemittelt werden und dabei eine geringere Streuung bei gleicher Bandbreite erzielt werden. Oder es wird in einem anderen Beispiel kürzer gemittelt und damit eine höhere Bandbreite bei gleicher Streuung erzielt. Oder es wird in einem dritten Beispiel solange gemittelt, dass sich sowohl die Streuung reduziert als auch die Bandbreite erhöht.An optimization of the signal-to-noise ratio - that is to say the ratio of the useful signal and the interfering signal component which makes up each measuring voltage - leads to a reduction of the measured value dispersion and / or to an increase in the bandwidth of the measurement. This improvement of the signal-to-noise ratio is the aim of the present invention. For example, it is possible to either average the same length while achieving a lower spread with the same bandwidth. Or it is averaged shorter in another example and thus achieved a higher bandwidth with the same dispersion. Or it is averaged in a third example, that both reduces the spread and increases the bandwidth.
Besonders vorteilhaft ist eine Verbesserung des Störabstandes bei schwach-leitfähigen Medien oder auch bei Medien mit starker Partikelbeladung, bei denen diese Störung in erhöhtem Maße auftritt und für welche bislang andere Lösungen etabliert wurden, beispielsweise in der Abfülltechnik. Zum Beispiel Erhöhung der Feldstärke mit dem Nachteil eines höheren Energieverbrauchs oder Vermeidung der Feststoffe im Durchflussmesser zum Beispiel gemäss
Die Lösung zur Optimierung des Störabstandes einer Messspannung besteht in einem redundanten Abgriff der Messspannung mittels mehrerer Messelektrodenpaare.The solution for optimizing the signal-to-noise ratio of a measuring voltage consists in a redundant tapping of the measuring voltage by means of several measuring electrode pairs.
Dabei sind die Verbindungsachsen der jeweiligen Messelektrodenpaare entlang der Messrohrachse parallel verschoben. Dabei liegen alle Messelektrodenpaare im Bereich eines einzigen Magnetfeldes, welches durch in ihrer zeitlichen Ansteuerung miteinander korrelierten Spulensystemen erzeugt wird. Dies gilt selbstverständlich nicht, wenn die Elektrodenachsen auf mehrere hintereinandergeordnete Durchfluss-messgeräte verteilt sind.The connection axes of the respective measuring electrode pairs are shifted parallel along the measuring tube axis. In this case, all measuring electrode pairs are in the range of a single magnetic field, which is generated by coil systems correlated with one another in terms of their time control. Of course, this does not apply if the electrode axes are distributed over several consecutively arranged flowmeters.
Das Messrohr
Der Abstand der Messelektroden ist variabel wählbar. Er wird allerdings durch die wirksame Ausdehnung des Magnetfeldes begrenzt. Dieses Magnetfeld wird durch zumindest zwei Spulensysteme
Die Messelektrodenpaare
Die Messelektroden können mit der Auswerteeinheit auf unterschiedliche Art und Weise verschalten sein. Diese Schaltbilder der Signalverarbeitung von der an den Messelektroden abgegriffenen Spannung sind in den Ausführungsvarianten
In den
In
Der Instrumentenverstärker ist mit einem Analog/Digital-Wandler
Schließlich wird das Signal an eine Auswerteeinheit
Die gewichtete Verstärkung kann in Abhängigkeit der erwarteten Signalqualität an den unterschiedlichen Elektroden, abhängig von der Applikation erfolgen, wie im Folgenden ausgeführt wird. Die Messanordnung kann nämlich mehrere unterschiedliche an sich bekannte Elektroden aufweisen. Verschiedene im Bereich der magnetisch-induktiven Durchflussmessung verwendete Messelektroden sind in
Die Messelektrode
Die Messelektrode
Die Messelektrode
Die Messelektrode
Bei größeren Feststoffanteilen im Medium, wie z.B. grobem Schlamm, kann es zur Erschütterung oder Schädigung einer starren Elektrode kommen. Als Alternative eignet sich insbesondere eine Bürstenelektrode
Es sind darüber hinaus auch weitere Elektrodenformen bekannt, beispielsweise Stiftelektroden, Sinterelektroden oder Wechselelektroden welche beim Gegenstand der Erfindung eingesetzt werden können.In addition, other types of electrodes are known, for example, pin electrodes, sintered electrodes or alternating electrodes which can be used in the subject matter of the invention.
Erfindungsgemäß ist es durch die Anordnung von Messelektroden möglich, mehrere Arten von Messelektroden, beispielsweise zwei oder mehrere Arten der vorgenannten Messelektroden in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät anzuschließen, so dass der Durchfluss unterschiedlicher Medien mit demselben Durchflussmessgerät bestimmbar ist. Je nach Bedarf kann eines der Signale verstärkt werden. Sind beispielsweise in
Die Anordnung kann einen Abgriff und eine Addition der analogen AC- und DC-Anteile der Messspannung ermöglichen, um ein Auftreten von Messfehler zu verringern.The arrangement may enable tapping and addition of the analog AC and DC portions of the measurement voltage to reduce the occurrence of measurement errors.
Der Zweck der Erfindung besteht in der Optimierung des Störabstandes des Messsignals. Als Störabstand wird allgemein das Verhältnis der mittleren Leistung des Nutzsignals zur mittleren Rauschleistung des Störsignals bezeichnet.The purpose of the invention is to optimize the signal-to-noise ratio of the measurement signal. The signal-to-noise ratio is generally referred to as the ratio of the mean power of the useful signal to the mean noise power of the interference signal.
Wie aus den
Im Ergebnis können je nach Charakteristik der zu unterdrückenden Störung mehrere redundante Signalpfade – bzw. die entsprechenden Schaltungselemente eines Signalpfades – in einem Schaltungselement zusammengeführt werden. Dies bedeutet eine hohe Flexibilität des Messsystems je nach Anforderungen des Messmediums.As a result, depending on the characteristic of the interference to be suppressed, a plurality of redundant signal paths-or the corresponding circuit elements of a signal path-can be combined in a circuit element. This means a high degree of flexibility of the measuring system depending on the requirements of the measuring medium.
Die Redundanz der Signalpfade kann auch zur Überprüfung der funktionalen Sicherheit genutzt werden. Dies kann beispielsweise für eine Anordnung der Schaltungselemente wie in
Durch die Optimierung des Störabstandes kann der Messbereich des erfindungsgemässen magnetisch-induktiven Messgerätes auch auf Medien ausgedehnt werden, welche eine geringe Leitfähigkeit im Vergleich zur typischen Spezifikation für IDM besitzen und daher aufgrund von hohen Störsignalen nach der
Die Erfindung geht dabei davon aus, dass mindestens zwei Elektrodenpaare genutzt werden. The invention is based on the assumption that at least two pairs of electrodes are used.
Zur Erzeugung des Magnetfeldes werden die Spulensysteme in an sich bekannter Weise durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität betrieben.To generate the magnetic field, the coil systems are operated in a conventional manner by a clocked DC alternating polarity.
Das Erfassen der Messspannungen erfolgt bei der vorliegenden Erfindung über den gesamten zeitlichen Messbereich. Dabei wird u.a. auch im Zeitraum während des Umschaltens der Polarität des Magnetfeldes gemessen. Durch das Umschalten der Polarität wird der der DC-Anteil der Störspannung unterdrückt. Eine DC-Störspannung kann beispielsweise entstehen da sich je nach Elektrodenbeschaffenheit und Messmedium ein elektrochemisches Potential an der mediumsberührenden Oberfläche der Elektrode ausbildet. Dieses erzeugt eine Spannungsdifferenz zwischen den Messelektroden, welche bis 1,2V und mehr betragen kann. Durch das Umschalten der Polarität werden hingegen kapazitiv und induktiv Störsignale erzeugt mit der gleichen Polarität wie das Nutzsignal und daher schlecht voneinander zu trennen. Typisch wird daher mit der Messung gewartet, bis diese durch den Feldwechsel verursachten Störsignale abgeklungen sind oder zumindest in jeder Messperiode unabhängig von der Applikation gleich sind, so dass bei Bedarf eine rechnerische Kompensation erfolgen kann.The detection of the measured voltages is carried out in the present invention over the entire time measuring range. It is u.a. also measured in the period during the switching of the polarity of the magnetic field. By switching the polarity of the DC component of the noise voltage is suppressed. A DC interference voltage can occur, for example, because, depending on the nature of the electrode and the measuring medium, an electrochemical potential is formed on the surface of the electrode in contact with the medium. This creates a voltage difference between the measuring electrodes, which can be up to 1.2V and more. By switching the polarity, however, capacitive and inductive noise signals are generated with the same polarity as the useful signal and therefore difficult to separate from each other. Typically, therefore, the measurement is waited until these interference signals caused by the field change have decayed, or at least in each measurement period are the same irrespective of the application, so that a computational compensation can take place if required.
Die Messspannungen enthalten Gleichspannungsanteile und Wechselspannungsanteile. Diese sind im analogen Bereich der Messspannungen immer vorhanden.The measuring voltages contain DC components and AC components. These are always present in the analog range of the measuring voltages.
Um diese analogen Anteile voneinander zu trennen wurden hierfür zumeist analoge Kompensationsschaltungen zur Filterung verwandt. An deren Ausgang war der Gleichspannungsanteil der Messspannung Null. Hochpass- oder Bandpassfilter waren ebenfalls zur Filterung der analogen Messspannung gebräuchlich.In order to separate these analog components from each other, analog compensation circuits for filtering were used for this purpose. At the output of the DC voltage component of the measuring voltage was zero. High-pass or band-pass filters were also used to filter the analog measurement voltage.
Eine solche analoge Kompensationsschaltung kann allerdings eine Ursache für Messwertfehler darstellen. Erfindungsgemäß erfolgt daher keine Filterung der Gleichspannungsanteile der Messspannung solange die Messspannung analog vorliegt. Dadurch benötigt der Analogpfad einen größeren Bereich an Spannungen die er messen kann damit kein Abschneiden von betragsmässig zu hohen Spannungswerte erfolgt und sich dadurch keine Verfälschung des Mittelwertes der Signale ergibt.However, such an analog compensation circuit can be a cause of measured value errors. According to the invention, therefore, there is no filtering of the DC components of the measuring voltage as long as the measuring voltage is analog. As a result, the analog path requires a larger range of voltages that it can measure, so that no voltage values that are too high are cut off, resulting in no distortion of the mean value of the signals.
Nach der Analog/Digital-Wandlung können die Spannungsanteile gefiltert werden.After the analog / digital conversion, the voltage components can be filtered.
In
Da im Beispiel der
Ausgehend von dem in
Das nachfolgend beschriebene Verfahren soll insbesondere dazu dienen, sich die Korrelation der Störsignale zu Nutzen zu machen und diese zu eliminieren, damit stabilere Messwerte resultieren.In particular, the method described below is intended to make use of the correlation of the interference signals and to eliminate them so that more stable measured values result.
In den
Das Diagramm der
Der bei starrem Feldtakt und nicht optimaler Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung nicht erfasste Teil der Störung kann durch Anpassung des Feldtaktes ebenfalls erfasst werden. Dabei wird die Zeitdauer zwischen zwei Feldumschaltungen bei gleicher Integrationszeit (jeweils am Ende jeder Feldperiode) so verlängert, dass die (unverändert eingezeichnete) Störung bei Elektrodenpaar 1 und 2 die gleiche Phasenlage relativ zum Integrationsfenster hat womit wieder die Situation wie in Bild 4 vorliegt, nur mit etwas anderer zeitlicher Skalierung. Dadurch ist ebenfalls eine nahezu vollständige Auslöschung der Störung möglich.The part of the disturbance not detected at a fixed field clock and a non-optimal propagation velocity of the disturbance can also be detected by adjusting the field clock. In this case, the time duration between two field switches with the same integration time (each at the end of each field period) is extended so that the (unchanged drawn) fault with
Damit wird es möglich, die bestmögliche Unterdrückung der Störung auch für Wanderungsgeschwindigkeiten der Störung zu erreichen, die vom Spezialfall abweichen, in dem der Phasenversatz der Störung genau einer Messperiode bzw. Null innerhalb einer Messperiode entspricht.This makes it possible to achieve the best possible suppression of the disturbance also for migration speeds of the disturbance, which deviate from the special case in which the phase offset of the disturbance corresponds to exactly one measurement period or zero within a measurement period.
In Kauf zu nehmen ist, dass durch das Verlängern der das Zeitintervall verlängert wird, innerhalb dem reale Durchflussänderungen erfasst werden können, da pro Messperiode ein Durchflusswert berechnet wird. Die Abtastrate des Durchflussmessung wird also dadurch geringer.It is to be accepted that by extending the time interval, within which real flow changes can be detected, since a flow value is calculated per measurement period. The sampling rate of the flow measurement is therefore lower.
Der grosse Nutzen des Verfahrens liegt darin, dass es ermöglicht, die beste Unterdrückung der Störsignale nicht nur punktuell bei bestimmten Fliessgeschwindigkeiten zu erreichen (Spezialfall in Diagramm der
Das Verfahren ermöglicht dem vorbeschriebenen Messgerät Information über Parametrierung von aussen aufzunehmen oder aus den Messsignalen, die es selbst erfasst, zu gewinnen und anhand dieser Informationen für verschiedene Fliessgeschwindigkeiten seine Signalverarbeitung und optional auch den zeitlichen Verlauf der Felderregung derart anzupassen, dass die bestmögliche Unterdrückung der Störsignale erreicht wird.The method allows the above-described measuring device to record information about parameterization from the outside or to obtain from the measurement signals it detects itself and to adapt its signal processing and optionally also the time profile of the field excitation based on this information for different flow velocities such that the best possible suppression of the interference signals is reached.
Das Blockdiagramm der
In Schritt I wird je eine Signalspannung
In einem optionalen Zwischenschritt I.I erfolgt ein Nullpunktsabgleich. Dies kann in der Signalverarbeitungseinheit erfolgen. Durch den Nullpunktsabgleich kann vorteilhaft die Messabweichung insbesondere bei kleinen Geschwindigkeiten verringert werden.In an optional intermediate step I.I, a zero point adjustment takes place. This can be done in the signal processing unit. The zero point adjustment can advantageously reduce the measurement deviation, especially at low speeds.
In Schritt II.I oder II.II erfolgt eine Bestimmung oder Vorgabe der Phasenlage bzw. des Phasenversatzes des Störanteils A1 und A2 der beiden Messspannungen
Die abgegriffenen Messspannungen bestehen grundsätzlich aus einem Nutzsignal und Störungen. Bestimmt werden kann die Phase beispielsweise dadurch, dass die Signale an Elektrodenpaar 1 und Elektrodenpaar 2 für aufeinanderfolgende Messperioden mit Magnetfeld umgekehrten Vorzeichens summiert werden, wobei das Nutzsignal weitgehend eliminiert wird und die Störungen an Elektrodenpaar 1 und Elektrodenpaar 2 übrig bleiben. Diese zeitlichen Verläufe der Störungen an den beiden Elektrodenpaaren werden nun gegeneinander um verschiedene Zeitdauern verschoben, multipliziert und das Produkt integriert. Dieser Vorgang ist als Kreuzkorrelation bekannt. Der Zeitversatz, bei der das Integral maximal wird entspricht der Phasenverschiebung der Störungen an Elektrodenpaar 1 und 2 relativ zueinander. The tapped measuring voltages basically consist of a useful signal and interference. The phase can be determined, for example, by summing the signals on
Bei der iterativen Berechnung wird zunächst ein Durchfluss oder eine Durchflussgeschwindigkeit bestimmt, welcher nicht anhand der Störungskompensation korrigiert wurde. Im Folgenden wird angenommen, dass sich die Störung im wesentlichen mit der Durchflussgeschwindigkeit ausbreitet. Aus diesem unkorrigierten Wert wird bei bekanntem Elektrodenabstand und bekannter Durchflussgeschwindigkeit ein Phasenversatz bestimmt, welcher zwischen der ersten und der zweiten Messelektrodenachse auftritt. Nun können die an den Messelektrodenachsen ermittelten Messspannungen zueinander um die Phase verschoben welche vorher anhand des unkorrigierten Durchflusswertes ermittelt wurde. Dadurch erreicht man einen ersten korrigierten, jedoch im Vergleich zur Kreuzkorrelation weniger optimal-korrigierten Durchflusswert. Sofern weitere Optimierung erwünscht ist, kann der erste korrigierte Durchflusswert nochmals zur Berechnung der Phasenverschiebung herangezogen werden. Diese noch genauer bestimmte Phasenverschiebung erlaubt eine Berechnung eines weiter optimierten zweiten korrigierten Durchflussmesswertes. Die Iterationsschleifen können je nach Bedarf wiederholt werden. Die Konvergenz der Phasenverschiebung kann als Bewertungs- und ggf. Abbruchkriterium für die Iteration herangezogen werden.In the iterative calculation, first a flow or a flow velocity is determined, which has not been corrected on the basis of the disturbance compensation. In the following, it is assumed that the disturbance propagates substantially at the flow rate. From this uncorrected value, a phase offset is determined with known electrode spacing and known flow rate, which occurs between the first and the second measuring electrode axis. Now, the measured voltages determined at the measuring electrode axes can be shifted relative to one another by the phase which was previously determined on the basis of the uncorrected flow value. This achieves a first corrected, but in comparison to the cross-correlation less optimal-corrected flow value. If further optimization is desired, the first corrected flow value can be used again to calculate the phase shift. This more precisely determined phase shift allows a calculation of a further optimized second corrected flow measurement value. The iteration loops can be repeated as needed. The convergence of the phase shift can be used as evaluation criterion and, if necessary, termination criterion for the iteration.
Alternativ oder zusätzlich zu Bestimmung kann bei einem Näherungswert für eine Ausbreitungsgeschwindigkeit die erwartete Phasenverschiebung auch als Parameter vorgegeben werden. Hierfür erfolgt eine Parametervorgabe im optionalen Schritt II.II. So ist beispielsweise bei einer Abfüllanlage oftmals schon ein grober Richtwert dafür bekannt, welche Durchflussgeschwindigkeiten bei geöffnetem Ventil vorherrschen werden. Über den Richtwert hinaus ist jedoch eine genauere Messung des Durchflusses für diesen Bereich erwünscht. Dazu kann der ungefähre Richtwert als Parameter für die Ermittlung der genauen Geschwindigkeit vorgegeben und genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ erfolgt bei oder nach der Ermittlung der Phasenverschiebung in Schritt II.I oder II.II auch eine Ermittlung eines Entscheidungswertes anhand von vorgegebenen Entscheidungsparametern bzw. -kriterien. Falls keine oder nur geringe Korrelation beobachtet wird, so kann eine Signalkorrektur durch einen nachfolgenden Schritt III.I nicht erfolgen, sondern es wird auf konventionelle Auswerteverfahren VI zugriffen. Weitere Entscheidungskriterien können z.B. eine zu kleine oder zu große Phasenverschiebung sein.Alternatively or in addition to determination, the expected phase shift can also be specified as a parameter in the case of an approximation value for a propagation velocity. For this purpose, a parameter specification in the optional step II.II. For example, in the case of a bottling plant, a rough guideline value is often already known for which flow velocities will prevail when the valve is open. However, beyond the guideline, a more accurate flow measurement for this range is desired. For this purpose, the approximate guideline value can be specified and used as a parameter for determining the exact speed. Additionally or alternatively, during or after the determination of the phase shift in step II.I or II.II, a determination of a decision value based on predetermined decision parameters or criteria also takes place. If little or no correlation is observed, a signal correction by a subsequent step III.I can not take place, but conventional evaluation methods VI are used. Other decision criteria may be e.g. be too small or too large a phase shift.
Nach dem Schritt II der Bestimmung oder Vorgabe der Phase, schließt sich in Schritt III eine Signalkorrektur an. In diesem Schritt erfolgt in Abhängigkeit von der zuvor bestimmten Phase in einem Unterschritt III.I eine rechnerische Auslöschung der korrelierten Störung im Messsignal anhand des Phasenversatzes oder eines zum Phasenversatz proportionalen Wertes.After the step II of determining or specifying the phase, a signal correction follows in step III. In this step, as a function of the previously determined phase in a substep III.I, a mathematical cancellation of the correlated interference in the measurement signal takes place on the basis of the phase offset or a value proportional to the phase offset.
In Schritt IV erfolgt die Ausgabe eines korrigierten Messsignals.In step IV, the output of a corrected measurement signal takes place.
Man hat zwei Sätze von Messsignalen, jeweils von Elektrodenpaar 1 und 2. In beiden Sätzen kommt eine (es können natürlich auch mehrere sein) Störung vor, zu unterschiedlichen Zeiten. Aufgrund der Korrelation des Störsignals an den beiden Elektrodenpaaren gelingt es, dieses zu identifizieren. Damit kann eine Korrektur der beiden Mess-Signale erfolgen. Und danach erfolgt die „normale“ Signalverarbeitung.There are two sets of measurement signals, each of pair of
Optional kann nach der Signalverarbeitung in einem Schritt V die Erregung angepasst werden. Dies kann ausgehend von vorgegebenen Parametern erfolgen. Dabei erfolgt die Anpassung der Erregung auf einen konstanten voreingegebenen Wert. Vorzugsweise kann die Erregung allerdings auch variabel angepasst werden.Optionally, after the signal processing in a step V, the excitation can be adjusted. This can be done on the basis of predetermined parameters. The adaptation of the excitation is carried out to a constant preset value. Preferably, however, the excitement can also be adjusted variably.
Dabei können die bei der Signalverarbeitung gewonnen Information der Phasenverschiebung bzw. der Änderung der Phasenlage vorteilhaft zur Anpassung der Erregung des Magnetfeldes genutzt werden.In this case, the information obtained in the signal processing of the phase shift or the change in the phase position can be advantageously used to adjust the excitation of the magnetic field.
Dabei können mehrere Fälle unterschieden werden. Im einfachsten Fall (Variante a) geht man von einem nur gering um einen konstanten Mittelwert schwankenden Durchfluss aus. Die Erregung kann dann so gewählt werden, dass die Störung zwischen zwei Messfenstern im Mittel gerade die Strecke zwischen den Elektrodenachsen zurücklegt. Dies stellt den Fall eines auf den typischen Durchfluss angepassten konstanten Zeitabstand zwischen zwei Feldwechseln (im weiteren Messperiode genannt) dar. Sollte sich der Durchfluss ändern, z.B. während einer mehrstufigen Abfüllung, aber nur mit geringen Schwankungen bezogen auf einen über mehrere Perioden gemittelten periodischen Durchflussverlauf, kann eine periodisch veränderliche (also variable) Anpassung des Messperiode erfolgen (Variante b). Die Fälle (a) und (b) gehen davon aus, dass der Durchflussverlauf bis zu einem gewissen Grad bekannt und vorhersehbar ist, so dass darauf eine gezielte Anpassung der Messperiode erfolgen kann.Several cases can be distinguished. In the simplest case (variant a) one starts from a flow that fluctuates only slightly by a constant mean value. The excitation can then be chosen so that the interference between two measurement windows on average just covers the distance between the electrode axes. This represents the case of a constant time interval adapted to the typical flow between two field changes (called in the further measuring period). Should the flow change, eg during a multi-stage filling, but only with small fluctuations relative to a periodic averaged over several periods Flow rate, a periodically variable (ie variable) adjustment of the measurement period can be carried out (variant b). Cases (a) and (b) assume that the flow rate is known and predictable to some degree, so that a targeted adjustment of the measurement period can be made.
In vielen Fällen ist es jedoch so, dass im Voraus keine Information über den Durchfluss bekannt ist. Es könnte dann bei konstanter Messperiode und konstanter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Fall eintreten, dass die Störung stets gerade außerhalb des Messfensters (Integrationsperiode) am zweiten Elektrodenpaar eintrifft, entweder zu früh oder zu spät. In diesem Fall kann vorteilhaft nach Variante c) die Messperiode zeitlich verändert werden, beispielsweise um mehr als 5% verkürzt oder verlängert, insbesondere mehr als 20% verkürzt oder verlängert, insbesondere um mehr als 50% verkürzt oder verlängert (Variante c). Der zeitliche Verlauf der Veränderung kann dabei nach einem explizit vorgegebenen fixen Muster erfolgen oder auch Zufallswerte als Anteil enthalten oder auch externe Größen (z.B. Zeit, Temperatur, Durchfluss) zur Bestimmung der Veränderung heranziehen. Im Fall des Durchfluss ist hier lediglich eine Einbeziehung dieser Größe zur variablen Adaption im Sinne einer Steuerung gemeint, nicht im Sinne einer Regelung. Durch die in diesem Abschnitt beschriebene variable Änderung der Messperiode wird vermieden, dass die Störung ständig außerhalb des Messfensters eintrifft.In many cases, however, there is no information about the flow in advance. It could then occur with a constant measuring period and constant propagation speed that the disturbance always arrives just outside the measuring window (integration period) on the second pair of electrodes, either too early or too late. In this case, according to variant c), the measuring period can advantageously be changed in time, for example shortened or extended by more than 5%, in particular more than 20% shortened or extended, in particular shortened or extended by more than 50% (variant c). The temporal course of the change can take place according to an explicitly predetermined fixed pattern or contain random values as a proportion or external variables (for example, time, temperature, flow) to determine the change. In the case of flow, here only an inclusion of this variable for variable adaptation in the sense of a control is meant, not in the sense of a regulation. The variable change of the measurement period described in this section avoids the interference constantly arriving outside the measurement window.
Bei dem im letzten Abschnitt beschriebenen Verfahren wird die Messperiode typisch bei einem größeren Prozentsatz von beispielsweise mehr als 5%, insbesondere mehr als 20%, insbesondere mehr als 50% der Messperioden im Betrieb eines Gerätes nicht der Störung angepasst sein. Dafür ist der Rechenaufwand zur Anpassung verhältnismäßig gering. Wenn nun im Voraus keine Kenntnis über den Durchfluss besteht und dennoch in den meisten Fällen die Störung möglichst vollständig im Messfenster beim zweiten Elektrodenpaar auftreten, schlägt das erfindungsgemässe Verfahren vor, nach jeder Bestimmung der Phasenverschiebung und somit bei Kenntnis des Zeitversatzes zwischen Messfenster und Passieren der Störung die Messperiode nach dem unmittelbar darauf folgenden Feldwechsel entsprechend zu verkürzen oder zu verlängern, so dass die Störung beim nächsten Messfenster möglichst vollständig erfasst werden kann (Variante d). Bei sehr schnellen Änderungen des Durchflusses kann es vorteilhaft sein, das Gerät mit einer höheren Feldwechselfrequenz zu betreiben, den Verlauf des Durchflusses damit mit höherer zeitlicher Auflösung zu erfassen und die Störung auch in weiter in der Zukunft liegenden Messperioden zu detektieren. Nehmen wir als Beispiel an, eine Störung benötigt gerade eine Standardmessperiode zwischen den beiden Elektrodenachsen. Nun werde die Messperiode auf die Hälfte reduziert. Dann kann bei der nächsten Messperiode bereits eine Durchflussänderung detektiert werden, die Störung ist jedoch noch nicht am zweiten Elektrodenpaar angekommen. Aus der detektierten Durchflussänderung kann nun die Messperiode des übernächsten Feldtaktes bereits so angepasst werden, dass die Störung im Messfenster am zweiten Elektrodenpaar ankommt. Eine weitere Möglichkeit ist es, Durchflussinformation vor dem eigentlichen Messfenster zur Anpassung der Messperiode heranzuziehen. Diese Information ist zwar mit einem höheren Fehler behaftet, da das Magnetfeld vor dem Messfenster noch nicht stabil ist, diese erhöht jedoch nicht den Fehler der Durchflussbestimmung, da sie nicht direkt zu Durchflussberechnung sondern nur zur Anpassung des Integrationsfensters benutzt wird. Noch eine weitere Möglichkeit ist es, mit wesentlich höherer Abtastung (vorteilhaft mindestens einen Faktor 10, insbesondere einen Faktor 100 höher als die Feldfrequenz) während des Messfensters laufend einen momentanen Durchflusswert zu berechnen. Dieser Durchflusswert ist aufgrund der geringen Mittelungszeit und der noch nicht erfolgten Kompensation der Störung mit einer höheren Unsicherheit behaftet, diese erhöht jedoch nicht den Fehler der Durchflussbestimmung, da sie nicht direkt zu Durchflussberechnung sondern nur zur Anpassung der Messperiode oder des Integrationsfensters benutzt wird.In the method described in the last section, the measuring period will typically not be adapted to the disturbance at a greater percentage of, for example, more than 5%, in particular more than 20%, in particular more than 50% of the measurement periods in the operation of a device. For the computational effort for adaptation is relatively low. If there is no knowledge about the flow in advance and nevertheless the disturbance occurs as completely as possible in the measurement window in the second electrode pair, the method according to the invention proposes, after each determination of the phase shift and thus with knowledge of the time offset between the measurement window and passing the disturbance to shorten or lengthen the measuring period accordingly after the immediately following field change, so that the disturbance can be detected as completely as possible at the next measuring window (variant d). In the case of very rapid changes in the flow, it may be advantageous to operate the device with a higher field change frequency, thus to detect the flow of the flow with a higher temporal resolution and to detect the fault even in measurement periods that lie further in the future. For example, suppose a disturbance needs a standard measurement period between the two electrode axes. Now the measurement period is reduced to half. Then a flow change can already be detected at the next measurement period, but the disturbance has not yet arrived at the second electrode pair. From the detected change in flow rate, the measurement period of the next but one field clock can now be adjusted so that the disturbance arrives in the measurement window on the second pair of electrodes. Another possibility is to use flow information before the actual measurement window to adjust the measurement period. Although this information has a higher error, since the magnetic field in front of the measurement window is not yet stable, this does not increase the error of the flow determination, since it is not used directly for flow calculation but only for adaptation of the integration window. Yet another possibility is to continuously calculate a current flow value during a much higher sampling (advantageously at least a factor of 10, in particular a factor of 100 higher than the field frequency) during the measurement window. This flow rate is associated with a higher uncertainty due to the low averaging time and the failure to compensate for the disturbance, but this does not increase the flow determination error since it is not used directly for flow calculation but only to adjust the measurement period or integration window.
Zusammengefasst gibt es für die Phasenbestimmung und die angepasste Erregung der Spulensysteme verschiedene mögliche Verfahrensweisen:
- (1) Phasenbestimmung online a. Kreuzkorrelation b. Iterative Berechnung des Durchflusses und Bestimmung der Phase
- (2) Angepasste Erregung (Schritt V) a. Konstant, auf typischen Durchfluss angepasst b. Variabel, auf typisches Durchflussprofil angepasst c. Variabel mit fixem Muster, so dass vermieden wird, dass die Erregerfrequenz dauerhaft dem schlechtesten Fall entspricht d. Variabel, adaptiert auf frühere Durchflussmessung
- (1) Phase determination online a. Cross correlation b. Iterative calculation of the flow and determination of the phase
- (2) Adjusted arousal (step V) a. Constant, adjusted to typical flow rate b. Variable, adapted to typical flow profile c. Variable with fixed pattern, so that it is avoided that the exciter frequency permanently corresponds to the worst case d. Variable, adapted to earlier flow measurement
Anhand der
In
Die Situation in diesem Beispiel entspricht etwa derjenigen, die oben zur Erklärung des Verfahrens herangezogen wurde.The situation in this example is similar to that used to explain the procedure above.
Das Diagramm in
Selbstverständlich sind die störungsbedingten Streuungen stark vom Medium, der Art der Störungen, der Fließgeschwindigkeit und der Umschaltfrequenz abhängig.Of course, the disturbance-related scatters are strongly dependent on the medium, the type of disturbances, the flow rate and the switching frequency.
Die Diagramme der
Durch die variable Anregung, wie sie insbesondere in den Varianten c)–d) zu Schritt V beschrieben wurden, gelingt die Einstellung stets so, dass ein Messsignalabgriff bei nur positiven oder nur negativen Polaritäten vermieden wird.Due to the variable excitation, as they were described in particular in the variants c) -d) to step V, the setting always succeeds so that a Meßsignalabgriff is avoided with only positive or only negative polarities.
In
In
In
Messkurve L1 stellt dabei eine einfache Mittelung dar. Messkurve L2 stellt eine stufenweise Anpassung an die Phase mit fixer Integrationszeit dar. Messkurve L3 stellt eine stufenweise Anpassung an die Phase mit fixer Integrationszeit, je nach Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung auch über mehrere Messperioden, dar. Bei den Messkurven L2 und L3 wird das weitere Elektrodenpaar und dessen Messspannung zur Kompensation genutzt. Messkurve L4 stellt eine stufenlose Anpassung an die Phase mit variabler Integrationszeit dar. Die Messkurve L5 stellt eine stufenlose Anpassung an die Phase mit variabler Integrationszeit sowie adaptiver Anpassung der Eigenfrequenz dar. Bei den Messkurven L4 und L5 erfolgt Kompensation unter Berücksichtigung der Position und Dauer des Integrationsintervalls.Measurement curve L1 represents a simple averaging. Measurement curve L2 represents a stepwise adaptation to the phase with a fixed integration time. Measurement curve L3 represents a stepwise adaptation to the phase with a fixed integration time, depending on the propagation velocity of the disturbance over several measurement periods Measurement curves L2 and L3, the further electrode pair and its measuring voltage is used for compensation. Measurement curve L4 represents a continuous adjustment to the phase with variable integration time. The measurement curve L5 represents a continuous adjustment to the phase with variable integration time and adaptive adjustment of the natural frequency. For the measurement curves L4 and L5 compensation takes place taking into account the position and duration of the integration interval ,
v1 stellt die höchste explizit betrachtete Durchflussgeschwindigkeit des Mediums durch das in
Die Grenzgeschwindigkeit v2 < v1 stellt den in Diagramm 4 gezeigten und oben beschriebenen Spezialfall für Elektrodenpaar 1 und 3 statt 1 und 2 dar. Die Störung kann unter den oben beschriebenen Annahmen und bei Ausnutzung der gesamten Integrationszeit unter Nutzung der Elektrodenpaare 1 und 3 vollständig eliminiert werden, da das Auftreten in Feldtakt 1 und 2 keine Phasenverschiebung aufweist. Alternativ ist auch die Kompensation mit den nur halb so weit auseinanderliegenden Elektrodenpaaren 1 und 2 und/oder 2 und 3 möglich, wenn die Integrationszeit entsprechend gekürzt wird (analog zu v1 für Elektrodenpaar 1 und 3).The limit velocity v2 <v1 represents the special case for
Bei der Grenzgeschwindigkeit v3 < v2 benötigt die Störung genau zwei Messperioden vom ersten zum dritten Elektrodenpaar und eine Messperiode zum in der Mitte liegenden zweiten Elektrodenpaar. Die Kompensation kann in Messperiode 2 zwischen dem zweiten und ersten Elektrodenpaar erfolgen und in Messperiode 3 zwischen dem dritten und zweiten Elektrodenpaar (analog zu v2 für Elektrodenpaar 1 und 3).At the limit velocity v3 <v2, the disturbance requires exactly two measurement periods from the first to the third electrode pair and a measurement period to the second electrode pair lying in the middle. The compensation can be carried out in measurement period 2 between the second and first electrode pair and in measurement period 3 between the third and second electrode pair (analogously to v2 for
Bei der Grenzgeschwindigkeit v4 < v3 ist eine Kompensation über den gesamten Integrationsbereich möglich, wenn der übernächste Feldtakt an Elektrodenachse 3 zur Kompensation der Störung an Elektrodenachse 1 (und umgekehrt) verwendet wird, oder es ist eine Kompensation in einem Teilbereich des Integrationsfensters möglich bei Betrachtung von aufeinanderfolgenden Feldtakten an Elektrodenachse 1 und 2 und/oder an Elektrodenachse 2 und 3. Je nach Dauer der Erhaltung der Korrelation kann sich der Bezug auf den übernächsten oder nächsten Feldtakt als vorteilhaft erweisen. Bei Kenntnis der Korrelationsdauer ist es auch möglich, die Kompensationen mittels nächstem oder übernächstem Feldtakt mit entsprechend unterschiedlicher Gewichtung zu versehen.At the limit speed v4 <v3, compensation over the entire integration range is possible if the next but one field clock at electrode axis 3 is used to compensate for the disturbance at electrode axis 1 (and vice versa), or compensation in a partial area of the integration window is possible when considering successive field clocks on
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