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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Massendurchflusssensors, der einen Rohrabschnitt zur Durchströmung mit einem Fluid-Massendurchfluss längs eines vom Rohrabschnitt bestimmten Strömungspfads, eine Anregungsanordnung zur Einleitung einer Schwingungsbewegung auf den Rohrabschnitt um eine Schwingungsachse, mehrere längs des Strömungspfads beabstandet zueinander angeordnete Messaufnehmer zur Ermittlung der Schwingungsbewegung des Rohrabschnitts und eine Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung von Messsignalen der Messaufnehmer umfasst. Ferner betrifft die Erfindung einen Massendurchflusssensor.
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Aus der
EP 2 034 280 A1 ist ein gattungsgemäßer Coriolis-Massendurchflusssensor bekannt, der ein Strömungsrohr und eine Anregungsvorrichtung für das Strömungsrohr umfasst. Ein Abschnitt des Strömungsrohrs kann mit Hilfe der Anregungseinrichtung in eine Schwingungsbewegung um eine Rotationsachse herum angeregt werden. Dabei sind dem Strömungsrohr wenigstens drei Sensoren zur Ermittlung einer Schwingungsbewegung des Strömungsrohrs zugeordnet, eine Verarbeitungseinrichtung ist zur Digitalisierung und Weiterberarbeitung der analogen Signale der Sensoren vorgesehen. Die Verarbeitungseinrichtung ist ausschließlich für eine Verarbeitung der Zeitinformationen aus den Sensorsignalen vorgesehen und ermöglicht die Ermittlung eines Amplitudenverhältnisses zwischen der Anregungsamplitude und der während des Massendurchflusses auftretenden, durch die Corioliskräfte bedingten Coriolisamplitude, woraus auf den Massendurchfluss durch das Strömungsrohr geschlossen werden kann.
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Aus der
EP 1 923 675 A1 ist ein Coriolis-Massendurchflussmesser mit einem Strömungsrohr, zumindest einem einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor zum Empfangen von Licht aus der Lichtquelle versehenen Rohrpositionssensor sowie Antriebsmitteln bekannt. Hierbei ist vorgesehen, dass das Rohr sich um eine Achse bewegt und dass der Lichtdetektor in Reaktion auf eine Verlagerung des Rohres relativ zu einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor ein elektrisches Signal bereitstellt, wobei die Lichtquelle und der Lichtdetektor einander direkt gegenüber in vorgebbarem Abstand positioniert sind und durch einen Zwischenraum voneinander getrennt sind, in dem das Rohr oder ein an dem Rohr befestigter Fortsatz sich mit Spiel in dem Lichtweg bewegen kann, und dass eine erste Abschirmung mit einer ersten Lichtdurchlassöffnung an der Seite der Lichtquelle platziert ist und eine zweite Abschirmung mit einer zweiten Lichtdurchlassöffnung an der Seite des Lichtdetektors platziert ist, wobei die erste und die zweite Öffnung identisch und zueinander parallel und ausgerichtet sind.
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Die
EP 1 719 983 A1 offenbart einen Coriolis-Massendurchflussmesser mit einem aus einem elektrisch leitenden Material hergestellten Erfassungsrohr, durch das im Betrieb ein Medium strömt, und mit elektromagnetischen Erregungsmitteln, die auf das Rohr einwirken, wobei die Erregungsmittel im Betrieb das Rohr nicht berühren und keine Komponenten aufweisen, die am Rohr befestigt sind, und mit mindestens einem Sensor zum Detektieren der Wirkung von Coriolis-Kräften, wobei die Erregungsmittel ein Drehmoment auf einen Abschnitt des Rohrs aufbringen, um eine Verdreherregungsmode um eine Erregungsdrehachse hervorzurufen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Massendurchflusssensors und einen Massendurchflusssensor anzugeben, die eine Kompensation von Messfehlern der Messaufnehmer ermöglicht, um ein Massendurchflussmessverfahren unter Ausnutzung von Corioliskräften zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für das Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass für eine Kalibrierung der Messaufnehmer vor einer Bestimmung des Fluid-Massendurchflusses oder während einer Bestimmung des Fluid-Massendurchflusses eine Lage der Schwingungsachse längs des Strömungspfads in der Verarbeitungseinrichtung mit Hilfe von Messsignalen der Messaufnehmer ermittelt wird und eine tatsächliche Lage der Schwingungsachse bestimmt wird.
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Die Lage der Schwingungsachse relativ zu den Messaufnehmern, mit deren Hilfe eine lokale Auslenkung des Rohrabschnitts bestimmt werden soll, ist für eine exakte Bestimmung der Phasenlage der betrachteten Rohrabschnitte zueinander und/oder für eine Bestimmung von Schwingungsamplituden der betrachteten Rohrabschnitte von erheblicher Bedeutung. Beispielsweise kann in der Praxis eine Veränderung der geometrischen oder tatsächlichen Lage der Schwingungsachse gegenüber den Messaufnehmern und/oder eine Veränderung der geometrischen Lage der Messaufnehmer zueinander stattfinden. Ergänzend oder alternativ ergibt sich durch Alterungsprozesse eine Veränderung der Empfindlichkeiten und/oder der Verstärkungen der einzelnen Messaufnehmer, wodurch Messfehler bei der Bestimmung der Phasenlage oder der Amplitudenverhältnisse auftreten können. Derartige Abweichungen und/oder Messfehler sollen durch die erfindungsgemäße Kalibrierung zumindest weitgehend vermieden werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Durchführung der Kalibrierung während der Durchströmung des Rohrabschnitts mit dem Fluidmassendurchfluss bei gleichzeitiger Anregung des Rohrabschnitts und somit als sogenannte „Online-Kalibrierung”, insbesondere für jede einzelne Massendurchflussmessung, durchgeführt werden kann. Eine derartige Vorgehensweise erfordert nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise eine größere Anzahl von Messaufnehmern, zumindest drei Messaufnehmer, insbesondere 4 Messaufnehmer. Da die Auswirkungen von Alterungserscheinungen aufgrund der Veränderung der Empfindlichkeit und/oder der Verstärkung für die einzelnen Messaufnehmer im Bereich von Wochen oder Monaten angesiedelt werden können, ist es alternativ auch möglich, eine sogenannte „Offline-Kalibrierung” vorzunehmen. Bei einer „Offline-Kalibrierung” findet während des Kalibrierungsvorgangs vorzugsweise keine Durchströmung des Rohrabschnitts mit einem FluidMassendurchfluss statt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Lage der Schwingungsachse, insbesondere während einer Durchströmung des Rohrabschnitts mit dem Fluid-Massendurchfluss, durch Bildung eines Verhältnisses von gemessenen Phasen der Schwingungsbewegung von wenigstens drei Messaufnehmern, deren Position längs des Strömungspfads bekannt ist, ermittelt wird. Bei dieser Vorgehensweise ist vorteilhaft, dass mit einer geringen Anzahl von Messaufnehmern, insbesondere mit genau drei Messaufnehmern, die tatsächliche Lage der Schwingungsachse auch während einer Durchströmung des Rohrabschnitts mit dem Fluid-Massendurchfluss festgestellt werden kann. Hierbei ist vorgesehen, die Phasenlagen der Messaufnehmer zueinander mit der jeweiligen Position des entsprechenden Messaufnehmers längs des Strömungspfads zu verknüpfen und in eine Verhältnisgleichung einzusetzen, in der alle drei Messaufnehmer berücksichtigt werden, um hierüber die Lage der Schwingungsachse zu bestimmen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, die Lage der Schwingungsachse längs des Strömungspfads durch Verknüpfung der bekannten Positionen eines ersten und eines zweiten und eines dritten Messaufnehmers längs des Strömungspfads mit gemessenen Phasendifferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Messaufnehmer und zwischen dem ersten und dem dritten Messaufnehmer zu ermitteln. Diese Ermittlung kann insbesondere durch Verwendung der nachstehenden Gleichung erfolgen: xR = [φ12·x2·(x1 – x3) – φ13·x3·(x1 – x2)]/[φ12·(x1 – x3) + φ13·(x1 – x2)] (Gleichung 1)
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Hierbei bezeichnet φ12 die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messaufnehmer, φ13 die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem dritten Messaufnehmer, während die Werte x1, x2 und x3 die Positionen der einzelnen Messaufnehmer längs des Strömungspfads sind.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Ermittlung der jeweiligen tatsächlichen Amplitude der lokalen Auslenkung des Rohrabschnitts die Messsignale der zugeordneten Messaufnehmer kalibriert werden und für die Kalibrierung von Messaufnehmern das Messsignal eines Messaufnehmers benutzt wird, der innerhalb eines vorgegebenen Messintervalls eine lokale Auslenkung des Rohrabschnitts erfassen kann und der derart längs des Strömungspfads angeordnet wird, dass eine lokale Auslenkung des Rohrabschnitts größer als das Messintervall des Messaufnehmers ist, um die tatsächliche Amplitude der lokalen Auslenkung des Rohrabschnitts für diesen Messaufnehmer anhand einer zeitlichen Ausdehnung von Abtastlücken im Messsignal zu bestimmen. Exemplarisch handelt es sich bei dem Messaufnehmer um eine Gabellichtschranke mit einem U-förmigen Grundkörper. Dabei ist in einem ersten Schenkel des U-förmigen Grundkörpers eine Lichtquelle angeordnet, die Licht in Richtung eines gegenüberliegend angeordneten zweiten Schenkels des U-förmigen Grundkörpers abstrahlt. Im zweiten Schenkel ist gegenüberliegend zur Lichtquelle eine Sensoreinrichtung für eintreffendes Licht ausgebildet, die ein von der eintreffenden Lichtmenge abhängiges Sensorsignal an die Verarbeitungseinrichtung bereitstellt. Eine derartige Gabellichtschranke hat ein Messfenster, dessen Größe konstruktiv bedingt ist und innerhalb dessen das Vorhandensein eines Gegenstands im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Lichtdetektor in eindeutiger Weise erfasst werden kann. Sobald sich der Gegenstand zumindest teilweise außerhalb des Messfensters befindet, findet keine weitere Veränderung des ausgegebenen Messsignals statt, vielmehr kann die Sensoreinrichtung derart eingerichtet sein, dass sie für diesen Fall ein konstantes Messsignal ausgibt. Diese vorgebbare Eigenschaft der Sensoreinrichtung kann erfindungsgemäß dadurch ausgenutzt werden, dass wenigstens ein Messaufnehmer derart längs des Rohrabschnitts platziert wird, dass eine Schwingung des Rohrabschnitts dazu führt, dass der vom Messaufnehmer abgetastete Bereich des Rohrabschnitts das vom Messaufnehmer vorgegebene Messfenster zumindest teilweise und zumindest zeitweilig verlässt. Hierdurch entsteht im Messsignal eine Abtastlücke, deren zeitliche Dauer darüber Auskunft gibt, wie groß die tatsächliche Amplitude der Schwingung des Rohrabschnitts an der vom Messaufnehmer betrachteten Stelle ist. Die ermittelte Amplitude kann nunmehr in Kenntnis der Position dieses Messaufnehmers längs des Strömungspfads durch Bildung von Verhältnisgleichungen, insbesondere nach dem Strahlensatz, zur Kalibrierung der gemessenen Amplituden der übrigen Messaufnehmer herangezogen werden. Die übrigen Messaufnehmer sind dabei vorzugsweise derart am Rohrabschnitt angeordnet, dass sie mit ihrem jeweiligen Messfenster stets die gesamte Schwingung des betrachteten Rohrabschnitts erfassen können und dementsprechend keine Abtastlücken im Messsignal aufweisen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgehsehen, dass bei einer Anordnung von wenigstens drei Messaufnehmern eine Amplitude der auf den Rohrabschnitt eingeleiteten Schwingungsbewegung zeitweilig erhöht wird, um die tatsächliche Amplitude der lokalen Auslenkung des Rohrabschnitts für einen der Messaufnehmer so zu erhöhen, dass die Messsignale dieses Messaufnehmers während der zeitweiligen Erhöhung der Amplitude Abtastlücken aufweisen und dass die Amplitude der Schwingungsbewegung anschließend wieder reduziert wird, sodass Messsignale aller Messaufnehmer frei von Abtastlücken sind. Durch diese Vorgehensweise kann ein Massendurchflusssensor, der wenigstens drei, insbesondere genau drei, Messaufnehmer aufweist, sowohl im Hinblick auf die tatsächliche Lage der Schwingungsachse als auch im Hinblick auf die tatsächliche lokale Auslenkung des Rohrabschnitts, die von den jeweiligen Messaufnehmers erfasst werden soll, kalibriert werden. Bei dieser Vorgehensweise ist eine zeitweilige Erhöhung der Amplitude der auf den Rohrabschnitt eingeleiteten Schwingungsbewegung notwendig, damit wenigstens ein Messaufnehmer ein Messsignal mit Abtastlücken ausgibt, deren zeitliche Ausdehnung für die Bestimmung der tatsächlichen Amplitude des betrachteten Rohrabschnitts herangezogen werden kann. Nachdem die tatsächliche Amplitude der Schwingungsbewegung für diesen Messaufnehmer ermittelt wurde, kann in einem nachfolgenden Schritt die Amplitude der Schwingungsbewegung wieder reduziert werden und es können die Messsignale der anderen Messaufnehmer anhand der ermittelten tatsächlichen Amplitude kalibriert werden. Ferner kann durch Verwendung der vorstehend angeführten Gleichung 1 die tatsächliche Lage der Schwingungsachse längs des Strömungspfads bestimmt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer Anordnung von zwei Messaufnehmern eine Amplitude der auf den Rohrabschnitt eingeleiteten Schwingungsbewegung zeitweilig erhöht wird, um die tatsächliche Amplitude der lokalen Auslenkung des Rohrabschnitts für beide Messaufnehmer so zu erhöhen, dass die Messsignale beider Messaufnehmer während der zeitweiligen Erhöhung der Amplitude Abtastlücken aufweisen und dass die Amplitude der Schwingungsbewegung anschließend wieder reduziert wird, sodass die Messsignale aller Messaufnehmer frei von Abtastlücken sind. Durch diese Maßnahme kann auch ein Massendurchflusssensor kalibriert werden, der lediglich zwei Messaufnehmer aufweist. Hierbei sollte während der Kalibrierungsphase, in der eine Erhöhung der auf den Rohrabschnitt eingeleiteten Schwingungsbewegung zur Erzeugung von Abtastlücken in den Messsignalen beider Messaufnehmer erforderlich ist, keine gleichzeitige Ermittlung des Fluid-Massendurchflusses vorgenommen werden. Vorzugsweise findet während der Kalibrierungsphase kein Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt statt.
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Dementsprechend ist vorgesehen, dass die Lage der Schwingungsachse durch Bildung eines Verhältnisses zwischen den gemessenen Amplituden der Schwingungsbewegung der beiden Messaufnehmer, deren Position längs des Strömungspfads bekannt ist, mit einer zeitweiligen Aussetzung der Ermittlung des Fluid-Massendurchflusses, vorzugsweise mit einer zeitweiligen Unterbrechung des Fluid-Massendurchflusses, verbunden ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer Anordnung von wenigstens vier Messaufnehmern einer der Messaufnehmer derart längs des Strömungspfads angeordnet wird, dass eine lokale Auslenkung des Rohrabschnitts stets größer als das Messintervall des Messaufnehmers ist. Hierdurch kann während des regulären Betriebs des Massendurchflusssensors ohne zeitweilige Unterbrechung der Ermittlung des Fluid-Massendurchflusses stets eine Bestimmung der tatsächlichen Amplitude der Schwingungsbewegung vorgenommen werden. Somit kann zu jedem Zeitpunkt eine vollständige Kalibrierung des Messergebnisses in der Verarbeitungseinrichtung vorgenommen werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Regelung der Anregungsanordnung anhand einer Amplitudeninformation aus einem Messsignal eines kalibrierten Messaufnehmers vorgenommen wird. Während eine Bestimmung des Fluid-Massendurchflusses auch ohne eine exakte Kenntnis über die tatsächliche lokale Auslenkung des Rohrabschnitts möglich ist, erfordert die Regelung der Anregungsanordnung eine exakte Kenntnis der Amplitude der lokalen Auslenkung des Rohrabschnitts. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zuverlässig eine präzise Regelung der Anregungsanordnung vorgenommen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt mit einem Massendurchflusssensor gelöst, wie er im Anspruch 10 angegeben ist. Dabei umfasst der Massendurchflusssensor einen Rohrabschnitt zur Durchströmung mit dem Fluid-Massendurchfluss längs eines vom Rohrabschnitt bestimmten Strömungspfads, eine Anregungsanordnung zur Einleitung einer Schwingungsbewegung auf den Rohrabschnitt um eine Schwingungsachse, mehrere längs des Strömungspfads beabstandet zueinander angeordnete Messaufnehmer zur Ermittlung der Schwingungsbewegung des Rohrabschnitts und eine Verarbeitungseinrichtung, die zur Verarbeitung von Messsignalen der Messaufnehmer und zum Vergleich der ermittelten Lage mit einer tatsächliche Lage der Schwingungsachse ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung für eine Kalibrierung der Messaufnehmer vor einer Bestimmung des Fluid-Massendurchflusses oder während einer Bestimmung des Fluid-Massendurchflusses durch Ermittlung einer tatsächlichen Lage der Schwingungsachse längs des Schwingungspfads mit Hilfe der Messaufnehmer ausgebildet ist.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Massendurchflusssensors mit einer Verarbeitungseinrichtung, einer Anregungseinrichtung und zwei Messaufnehmern,
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2 eine Seitenansicht des Massendurchflusssensors gemäß der 1,
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3 eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs der beiden Messaufnehmer gemäß den 1 und 2 während einer Durchflussmessung,
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4 eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs der beiden Messaufnehmer des Massendurchflusssensors gemäß der 1 während eines Kalibrierungsvorgangs,
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5 eine zweite Ausführungsform eines Massendurchflusssensors mit drei Messaufnehmern,
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6 eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs für die drei Messaufnehmer des Massendurchflusssensors gemäß der 5 während einer Durchflussmessung,
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7 eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs für die Messaufnehmer des Massendurchflusssensors gemäß der 5 während einer Kalibrierungsphase,
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8 eine dritte Ausführungsform eines Massendurchflusssensors mit vier Messaufnehmern,
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9 eine Seitenansicht eines Messaufnehmers gemäß der 8 und
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10 eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs für die vier Messaufnehmer des Massendurchflusssensors gemäß der 8 während der Durchführung eines Messvorgangs.
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Nachstehend wird davon ausgegangen, dass bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen von Massendurchflusssensoren 1, 41, 61 eine Verarbeitungseinrichtung 2 sowie eine Anregungseinrichtung 3 vorgesehen sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit diese Komponenten nur in der 1 dargestellt. Bei der Verarbeitungseinrichtung handelt es sich um eine elektronische Recheneinheit, insbesondere um einen Mikroprozessor oder Microcontroller, auf dem ein Programm zur Ansteuerung der Anregungseinrichtung 3 und zur Verarbeitung von Sensorsignalen von wenigstens zwei Messaufnehmern 4, 5 oder 42, 43, 44 oder 62, 63, 64 und 65 ablauffähig ist.
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Ferner ist die Verarbeitungseinrichtung 2 in Abhängigkeit von dem ablauffähigen Programm zur Bereitstellung von Energie an die Anregungseinrichtung, insbesondere in Abhängigkeit von Signalen der jeweiligen Messaufnehmer, ausgebildet. Dadurch kann eine gesteuerte oder geregelte Schwingungseinleitung um eine Schwingungsachse 6 auf einen Rohrabschnitt 7 eingeleitet werden.
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Bei einer Durchströmung des Rohrabschnitts 7 längs eines Strömungspfads 8 werden aufgrund der Überlagerung der Strömungsbewegung längs des Strömungspfads 8 und der Schwingungsbewegung des Rohrabschnitts 7 um die Schwingungsachse 6 Corioliskräfte hervorgerufen. Diese Corioliskräfte resultieren in einem Vorauseilen beziehungsweise Nacheilen von Bereichen des Rohrabschnitts 7 bezüglich der durch die Anregungseinrichtung 3 eingebrachten Schwingungsbewegung. Die Auswirkungen der Corioliskräfte kann mit Hilfe der jeweiligen Messaufnehmer ermittelt werden und schlagen sich in einer zur aufgetretenen Corioliskraft und damit zum Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt proportionalen Phasenverschiebung der Signale derjenigen Messaufnehmer nieder, die symmetrisch zur Schwingungsachse 6 angeordnet sind.
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Eine derartige Phasenverschiebung in den Signalverläufen der Messaufnehmer 4, 5 ist in der 3 dargestellt, bei der das Messsignal 10 des Messaufnehmers 5 aufgrund der Auswirkungen der auftretenden Corioliskräfte bei der Durchströmung des Rohrabschnitts 7 in einer dem Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt 7 proportionalen Phasenverschiebung gegenüber dem Messsignal 9 des Messaufnehmers 4 sichtbar ist und mit φ12 bezeichnet ist. Anhand der Phasenverschiebung φ12 kann der Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt 7 mit Hilfe des Massendurchflusssensors 1 berechnet werden.
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Eine praktische Problemstellung beim Betrieb derartiger Massendurchflusssensoren 1, 41, 61, wie sie in den 1, 5 und 8 dargestellt sind, liegt darin, dass die jeweiligen Messaufnehmer bezogen auf einen längeren Betrachtungszeitraum, der sich beispielsweise über Wochen, Monate oder Jahre erstrecken kann, auch bei Vorliegen einer reproduzierbaren Messsituation kein konstantes Ausgangssignal liefern. Dies hängt insbesondere damit zusammen, dass Veränderungen bei der Verstärkung der Messsignale der jeweiligen Messaufnehmer auftreten können und gegebenenfalls auch die nachstehend näher beschriebenen Erfassungsmittel der jeweiligen Messaufnehmer eine zeitliche Veränderung erfahren.
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Nachstehend wird dargelegt, in welcher Weise geeignete Kalibrierungsverfahren zur Verbesserung der Messgenauigkeit für die jeweiligen Massendurchflusssensoren 1, 41, 61 durchgeführt werden können.
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Exemplarisch wird für die nachstehenden Betrachtungen davon ausgegangen, dass es sich bei den Messaufnehmern 4, 5, 42, 43, 44, 62, 63, 64, 65 um optoelektronische Messaufnehmer handelt, wie sie schematisch in den 2 und 9 dargestellt sind. Nachstehend wird davon ausgegangen, dass sämtliche Messaufnehmer in den jeweiligen Massendurchflusssensoren 1, 41, 61 gleichartig ausgebildet sind, wobei hierin keine zwingende Notwendigkeit liegt.
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Der in 2 exemplarisch dargestellte Messaufnehmer 4 wird auch als Gabellichtschranke bezeichnet und umfasst einen U-förmig ausgebildeten Grundkörper 15. In einem ersten U-Schenkel 16 ist eine insbesondere als Leuchtdiode ausgebildete Lichtquelle 17 angeordnet, die für eine Abgabe eines, vorzugsweise rotationssymmetrischen, insbesondere kegelförmigen, Strahlenbündels von Lichtstrahlen ausgebildet ist, dessen optische Achse zumindest nahezu mit der Schwingungsachse 6 übereinstimmt, insbesondere der Schwingungsachse 6 entspricht.
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Vom Begriff Lichtquelle sind auch sämtliche Quellen für elektromagnetische Strahlung umfasst, die elektromagnetische Wellen in Wellenlängenbereichen in dem für das menschliche Auge sichtbaren Lichts und nahe des sichtbaren Lichts abgeben, insbesondere auch Infrarotstrahlung und/oder ultraviolette Strahlung.
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Gegenüber der Lichtquelle 17 ist in einem zweiten U-Schenkel 18 des Grundkörpers 15 eine, insbesondere als Diode oder Diodenmatrix ausgebildete, Empfangseinrichtung 19 angeordnet, die für einen Empfang des von der Lichtquelle 17 abgegebenen Strahlenbündels ausgebildet ist. Der Messaufnehmer 4 ist exemplarisch derart gegenüber der Schwingungsachse 6 ausgerichtet, dass die optische Achse der Lichtquelle 17 mit der Schwingungsachse 6 identisch ist. Ferner ist der Messaufnehmer 4 vorzugsweise derart gegenüber dem Rohrabschnitt 7 angeordnet, dass der Rohrabschnitt 7 in einer Ruhelage mittig, also auf halbem Wege zwischen Lichtquelle 17 und Empfangseinrichtung 19 angeordnet ist. Für diese Situation sind bei ruhendem Rohrabschnitt 7 die Randstrahlen 20, 21, 22 und 23 in der 2 eingezeichnet. Ein innerer Bereich des von der Lichtquelle 17 abgegebenen Strahlenbündels, der zwischen den Randstrahlen 21 und 22 liegt, wird vom Rohrabschnitt 7 abgestattet. Die Bereiche außerhalb der Randstrahlen 20 und 23 können von der Empfangseinrichtung 19 nicht mehr erfasst werden.
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Bei einer Bewegung des Rohrabschnitts 7 um die Schwingungsachse 6 erfolgt unter Zugrundelegung der Darstellung der 2 eine Verlagerung des Rohrabschnitts 7 in vertikaler Richtung längs der Bewegungsachse 24, sodass eine Veränderung der Abschattung des von der Lichtquelle 17 ausgegebenen und von der Empfangseinrichtung 19 empfangenen Lichtkegels stattfindet, die sich in einer Veränderung des von dem Messaufnehmer abgegebenen Messsignals äußert.
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Beispielsweise ist davon auszugehen, dass bei einer Veränderung der Position des Rohrabschnitts 7 gegenüber dem Messaufnehmer 4 gemäß der Darstellung der 2 längs der Bewegungsachse 24 zunächst eine größere Lichtmenge von der Lichtquelle 17 auf die Empfangseinrichtung 19 auftrifft. Diese Veränderung der auf der Empfangseinrichtung 19 auftreffenden Lichtmenge wird von einer nicht näher dargestellten Signalverarbeitung in dem Messaufnehmer 4 in ein Sensorsignal umgesetzt, anhand dessen die Positionsänderung des Rohrabschnitts 7 gegenüber dem Messaufnehmer 4 erkennbar ist. Dabei ist die Signalverarbeitung beispielsweise derart ausgebildet, dass sie bei einer Verlagerung des Rohrabschnitts 7 in vertikaler Richtung nach oben gemäß der Darstellung der 2 eine Zunahme des ausgegebenen Signalpegels vorsieht, während eine Verlagerung des Rohrabschnitts 7 in vertikaler Richtung nach unten gemäß der Darstellung der 2 zu einer Abnahme des Signalpegels führt. Ferner kann die Signalverarbeitung des Messaufnehmers 4 derart ausgebildet sein, dass sie für den Fall einer Durchbrechung der Randstrahlen 20 beziehungsweise 21 einen vorgebbaren konstanten Signalpegel ausgibt, anhand dessen festgestellt werden kann, dass der Rohrabschnitt 7 den Erfassungsbereich der Empfangseinrichtung 19 verlassen hat. Dieser Effekt kann für eine Kalibrierung des Massendurchflusssensors 1, 41, 61 genutzt werden, wie nachstehend beschrieben wird.
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Exemplarisch ist davon auszugehen, dass bei einer Schwingungsbewegung des Rohrabschnitts 7 um die Schwingungsachse 6 ohne einen Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt 7 und bei spiegelsymmetrischer Anordnung der Messaufnehmer 4, 5 beziehungsweise 42, 43 beziehungsweise 62, 63 relativ zur Schwingungsachse 6 die von den jeweiligen Messaufnehmern 4, 5, 42, 43, 62, 63 ausgegebenen Messsignale phasengleiche und zueinander spiegelsymmetrische Sinussignale sind, wie dies in der 4 dargestellt ist, die allerdings einen Sonderfall bei einem Betrieb des Massendurchflusssensors 1 darstellt, wie nachstehend näher beschrieben wird.
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Findet hingegen ein Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt 7 statt, kommt es auf Grund des Auftretens von Corioliskräften zu einer Phasenverschiebung zwischen dem Messsignal des längs des Strömungspfads 8 vorgelagert angeordneten Messaufnehmers 4, 42, 62 gegenüber dem längs des Strömungspfads 8 nachgelagert angeordneten Messaufnehmer 5, 43, 63. Diese Phasenverschiebung φ12 ist in der 3 exemplarisch dargestellt und ist ein Maß für den Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt 7.
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Da es auf Grund von Alterungserscheinungen bei der Lichtquelle 17, bei der Empfangseinrichtung 19 oder in der Signalverarbeitung des jeweiligen Messaufnehmers 4, 5, 42, 43, 62, 63 zu zeitlichen Veränderungen kommen kann, tritt beispielsweise eine Verkleinerung des Ausgangssignalpegels zumindest eines Messsignals eines der Messaufnehmer 4, 5, 42, 43, 62, 63 auf. Hierdurch kommt es zu einer fehlerhaften Bestimmung des Massendurchflusses durch den Rohrabschnitt 7, die durch die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen zumindest weitgehend vermieden werden soll.
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Zur Vermeidung von derartigen Fehlern ist bei dem Massendurchflusssensor 1 ein Kalibrierungsverfahren vorgesehen, das es ermöglicht, die Signalpegel der beiden Messaufnehmer 4 und 5 wieder derart aufeinander zu normieren, dass Alterungserscheinungen kompensiert werden können. Für die Durchführung dieses Kalibrierungsverfahrens ist vorgesehen, die Anregungseinrichtung 3 zeitweilig derart anzusteuern, dass der Rohrabschnitt 7 abweichend von der Durchführung der Durchflussmessung jeweils wechselweise die Randstrahlen 20 und 23 schneidet bzw. durchbricht, sodass die jeweilige Signalverarbeitung in den Messaufnehmern 4 und 5 für die Zeitabschnitte, in denen eine Durchbrechung der Randstrahlen 20 oder 23 durch den Rohrabschnitt 7 vorliegt, ein konstantes Ausgangssignal bereitstellt. Dies ist in der 4 dargestellt, bei der die Sinusschwingungen der Messsignale der jeweiligen Messaufnehmer 4, 5 bereichsweise exemplarisch zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 abgeflacht sind. Aus der zeitlichen Dauer Δt = t2 – t1 der jeweiligen Abflachung kann darauf geschlossen werden, wie lange der Rohrabschnitt jeweils außerhalb des Erfassungsbereichs des entsprechenden Messaufnehmers 4 und 5 befindlich ist.
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Da bei der Kalibrierung davon ausgegangen wird, dass die beiden Messaufnehmer 4 und 5 spiegelsymmetrisch zur Schwingungsachse 6 angeordnet sind, müsste sich bei korrekter Signalverarbeitung für die beiden Messaufnehmer sowohl die gleiche zeitliche Dauer Δt für die Abflachung als auch die gleiche Amplitude für die jeweiligen Sinusschwingungen ergeben, wie dies auch in der Darstellung der 4 der Fall ist. Sofern bei beiden Messsignalen 9, 10 die gleiche zeitliche Dauer Δt für die jeweilige Abflachung vorliegt, kann eine Normierung der Signalpegel für die beiden Messaufnehmer 4, 5 anhand der Beträge der Signalpegel bei den Abflachungen durchgeführt werden, um hierüber entsprechende Alterserscheinungen der jeweiligen Messaufnehmer 4 und 5 zu kompensieren.
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Liegen hingegen unterschiedliche Werte Δt für die Abflachungen der beiden Messsignale 9, 10 vor, ist eine mechanische Veränderung der Lage der beiden Messaufnehmer 4, 5 zu vermuten, so dass zunächst eine neuerliche Justierung der Lage der beiden Messaufnehmer 4, 5 relativ zur Schwingungsachse 6 vorgenommen werden muss.
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Bei einer weiteren Vorgehensweise für die Auswertung des Signalpegels des Messaufnehmers 4 kann ausgenutzt werden, dass eine Intensitätsverteilung für das von der Lichtquelle 17 abgegebenen Strahlenbündel zumindest im Wesentlichen einer Gauss-Verteilung folgt, so dass in Randbereichen des Lichtbündels eine nichtlineare Intensitätsänderung bei einer proportionalen Positionsänderung des Rohrabschnitts 7 vorliegt. Dieses nichtlineare Signalverhalten kann alternativ zu der Nutzung von vorgebbaren konstanten Signalpegeln dazu ausgenutzt werden, exakte Informationen darüber zu erhalten, wo sich der Rohrabschnitt 7 befindet.
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Nach der Kalibrierung der beiden Messaufnehmer 4, 5 kann wieder ein Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt 7 geschickt werden, um anschließend wieder eine Durchflusserfassung mit Hilfe der Messaufnehmer 4, 5 vorzunehmen.
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Sofern eine verringerte Dynamik bei der Durchflussmessung akzeptabel ist, kann die Anregungseinrichtung 3 auch permanent derart angesteuert werden, dass der Rohrabschnitt 7 stets jeweils wechselweise die Randstrahlen 20 und 23 schneidet bzw. durchbricht. Bei dieser Betriebsweise werden die Zeitabschnitte, in denen eine Durchbrechung der Randstrahlen 20 oder 23 durch den Rohrabschnitt 7 und eine Abflachung der Ausgangssignale vorliegt, für die Kalibrierung genutzt, während die Zeitabschnitte, in denen variierende Ausgangssignale bereitstellt werden, für eine Ermittlung von Phasenverschiebungen als Maß für den Massendurchfluss durch den Rohrabschnitt 7 genutzt werden können.
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Die in der 5 dargestellte zweite Ausführungsform eines Massendurchflusssensors 41 umfasst zusätzlich zu den Messaufnehmern 42 und 43, die mit den Messaufnehmern 4 und 5 gemäß der 1 gleichzusetzen sind, einen weiteren Messaufnehmer 44, der in einem bekannten Abstand zur Schwingungsachse 6 und zu den beiden übrigen Messaufnehmern 42 und 43 angeordnet ist. Mit Hilfe von drei Messaufnehmern, wie sie beim Massendurchflusssensor 41 vorgesehen sind, kann eine Kalibrierung der drei Messaufnehmer 42, 43, 44 während der Durchführung einer Massendurchflussmessung anhand der Phasenunterschiede zwischen den einzelnen Messaufnehmern 42, 43, 44 vorgenommen werden, indem die Lage der Schwingungsachse 6, die mit dem Wert xR bezeichnet wird, ermittelt wird.
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Hierzu werden der Phasenunterschied φ12 zwischen den Messsignalen 45 und 46 der Messaufnehmer 42 und 43 sowie der Phasenunterschied φ13 zwischen den Messsignalen 45 und 47 der Messaufnehmer 42 und 44 in die nachstehende Gleichung eingesetzt, in der mit den Werten x1, x2 und x3 auch die räumliche Anordnung der Messaufnehmer 42, 43, 44 längs des Strömungspfads 8 enthalten ist. Anhand dieser Gleichung kann die Lage xR der Schwingungsachse 6 bestimmt werden, um daraus anhand von tatsächlich vorliegenden Signalpegeln der Messaufnehmer 42, 43 und 44 eine Normierung dieser Signalpegel vorzunehmen und somit zu einer Kalibrierung des Massendurchflusssensors 41 zu gelangen. xR = [φ12·x2·(x1 – x3) – φ13·x3·(x1 – x2)]/[φ12·(x1 – x3) + φ13·(x1 – x2)] (Gleichung 1)
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Ergänzend kann auch der Massendurchflusssensor 41 derart betrieben werden, dass zumindest das Messsignal des Messaufnehmers 44 zeitweilig angeschnitten ist, wie dies für den Massendurchflusssensor 1 in der 3 dargestellt ist, um aus dieser Information ebenfalls eine Absolutwertbestimmung für die Signalpegel der Messsignale der Messaufnehmer 42, 43, 44 vornehmen zu können. Alternativ kann der Massendurchflusssensor 41 auch derart betrieben werden, dass zumindest das Messsignal des Messaufnehmers 44 dauerhaft angeschnitten ist oder die Messsignale sämtlicher Messaufnehmer 42, 43, 44 dauerhaft angeschnitten sind, so dass bei verringerter Dynamik der Durchflussmessung eine fortdauernde Kalibrierung des Massendurchflusssensors 41 erfolgen kann.
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Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform eines Massendurchflusssensors 61 entsprechen die Messaufnehmer 62 und 63 den Messaufnehmern 4 und 5 des Massendurchflusssensors 1. Ferner entspricht der Messaufnehmer 64 dem Messaufnehmer 44 des Massendurchflusssensors 41. Abweichend von den Ausführungsformen der Massendurchflusssensoren 1 und 41 ist beim Massendurchflusssensor 61 ein vierter Messaufnehmer 65 vorgesehen, der derart angeordnet ist, dass er auch bei einem regulären Betrieb des Massendurchflusssensors 61, also während einer Durchführung einer Massendurchflussermittlung, ein bereichsweise abgeschnittenes Messsignal 70 bereitstellt, wie dies in der 10 dargestellt ist. Das abgeschnittene Messsignal 70 ergibt sich gemäß der 9 dadurch, dass der Rohrabschnitt 7 den oberen Randstrahl 20 durchbricht und somit von der Signalverarbeitung des Messaufnehmers 65 ein vorgegebenes konstantes Ausgangssignal bereitgestellt wird. Anhand dieses abgeschnittenen Messsignals 70 kann unter Einbeziehung der weiteren Messsignale 66, 67 und 68 neben der Ermittlung der tatsächlichen Position der Schwingungsachse 6 durch Bestimmung der Phasenlagen wie beim Massendurchflusssensor 41 auch eine Kalibrierung der absoluten Werte der Messsignale der Messaufnehmer 62, 63, 64 und 65 vorgenommen werden, sodass eine vollständige Kalibrierung des Massendurchflusssensors 61 während des regulären Messbetriebs vorgenommen werden kann.
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Alternativ kann der Massendurchflusssensor 61 auch derart betrieben werden, dass die Messsignale mehrerer oder sämtlicher Messaufnehmer 62, 63, 64 und 65 dauerhaft angeschnitten sind, so dass bei verringerter Dynamik der Durchflussmessung eine genauere Kalibrierung des Massendurchflusssensors 61 erfolgen kann.
