DE102015122439A1

DE102015122439A1 - Durchflussmessgerät mit gyroskopischem Sensor

Info

Publication number: DE102015122439A1
Application number: DE102015122439.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Lorenz
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Es wird ein Durchflussmessgerät nach dem Coriolisprinzip zur Bestimmung eines Massendurchflusses eines strömenden Mediums beschrieben. Das Durchflussmessgerät umfasst mindestens ein Messrohr, eine Erregeranordnung, die dazu ausgelegt ist, dem mindestens einen Messrohr eine Nutzschwingung aufzuprägen, wobei im Falle eines Massendurchflusses durch das mindestens eine Messrohr der Massendurchfluss eine Coriolisschwingung zusätzlich zur Nutzschwingung auf dem mindestens einen Messrohr hervorruft, und eine Sensoranordnung, die dazu ausgelegt ist, die dem mindestens einen Messrohr aufgeprägten Schwingungen zu erfassen. Die Sensoranordnung umfasst mindestens einen an mindestens einem Messrohr angeordneten gyroskopischen Sensor zur Erfassung einer Winkelbeschleunigung am jeweiligen Messrohr.

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerät nach dem Coriolisprinzip zur Bestimmung eines Massendurchflusses eines strömenden Mediums. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auswertung von Bewegungen mindestens eines Messrohrs in einem Durchflussmessgerät nach dem Coriolisprinzip.
In der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massendurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen.
Im Bereich der Durchflussmessung ermöglicht die Durchflussmessung nach dem Coriolisprinzip eine Bestimmung des Massendurchflusses und der Dichte eines strömenden Mediums. Bei der Durchflussmessung nach dem Coriolis-Messprinzip wird das strömende Medium durch mindestens ein Messrohr geführt, wobei durch eine Erregeranordnung Nutzschwingungen auf das mindestens eine Messrohr aufgeprägt werden. Wenn ein Massendurchfluss durch das mindestens eine Messrohr stattfindet, kommt es infolge dieser Nutzschwingungen zur Ausbildung von Corioliskräften, die auf das mindestens eine Messrohr einwirken. Durch diese Corioliskräfte werden dem mindestens einen Messrohr zusätzlich zu den Nutzschwingungen auch Coriolisschwingungen aufgeprägt. Die Stärke dieser Coriolisschwingungen kann ausgewertet werden und erlaubt einen Rückschluss auf den Massendurchfluss durch das mindestens eine Messrohr.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Massendurchflusses in einem Durchflussmessgerät nach dem Coriolisprinzip zur Verfügung zu stellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 14 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Durchflussmessgerät nach dem Coriolisprinzip zur Bestimmung eines Massendurchflusses eines strömenden Mediums gemäß den Ausführungsformen der Erfindung umfasst mindestens ein Messrohr, eine Erregeranordnung, die dazu ausgelegt ist, dem mindestens einen Messrohr eine Nutzschwingung aufzuprägen, wobei im Falle eines Massendurchflusses durch das mindestens eine Messrohr der Massendurchfluss eine Coriolisschwingung zusätzlich zur Nutzschwingung auf dem mindestens einen Messrohr hervorruft, und eine Sensoranordnung, die dazu ausgelegt ist, die dem mindestens einen Messrohr aufgeprägten Schwingungen zu erfassen. Die Sensoranordnung umfasst mindestens einen an mindestens einem Messrohr angeordneten gyroskopischen Sensor zur Erfassung einer Winkelbeschleunigung am jeweiligen Messrohr.
Durch den Einsatz eines gyroskopischen Sensors ist es möglich, die Winkelbewegung des Messrohrs zu erfassen und auszuwerten. Die Größe der Winkelauslenkung ermöglicht eine Bestimmung der Stärke der auf das mindestens eine Messrohr einwirkenden Corioliskraft, und die Auswertung der Corioliskraft ermöglicht einen Rückschluss auf den Massendurchfluss durch das mindestens eine Messrohr.
Der Einsatz eines gyroskopischen Sensors kann alternativ zu den bekannten elektrodynamischen Schwingungssensoren erfolgen, mit denen die Coriolisschwingungen auf dem mindestens einen Messrohr bisher detektiert wurden. Durch die Auswertung der vom gyroskopischen Sensor erfassten Winkelbewegung des mindestens einen Messrohrs kann der Massendurchfluss bestimmt werden.
Der Einsatz des gyroskopischen Sensors kann aber auch zusätzlich zu den bekannten elektrodynamischen Schwingungssensoren erfolgen, mit denen die Coriolisschwingungen auf dem mindestens einen Messrohr bisher detektiert wurden. Die zusätzliche Verwendung des gyroskopischen Sensors ermöglicht eine Bestimmung des Massendurchflusses mit einer zweiten unabhängigen Methode, die eine Kontrolle des von den elektrodynamischen Schwingungssensoren gelieferten Messergebnisses ermöglicht. Dadurch kann die Verlässlichkeit der Durchflussmessung verbessert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich mit Hilfe eines gyromagnetischen Sensors die Winkelbewegung des mindestens einen Messrohrs und somit das Schwingungsverhalten des Messrohrs unmittelbar erfassen und verfolgen lässt. Dadurch ist es möglich, den Istverlauf des Schwingungsverhaltens des mindestens einen Messrohrs mit einem erwarteten Sollverlauf zu vergleichen. Dabei kann die vom gyroskopischen Sensor gelieferte Winkelauslenkung Hinweise auf ein anormales Schwingungsverhalten eines Messrohrs liefern, welches beispielsweise durch extern einkoppelte Störkomponenten und Schwingungen hervorgerufen sein könnte. Ein anormales Schwingungsverhalten eines Messrohrs könnte beispielsweise auch auf eine Deformation oder Eindellung des Messrohrs, auf einen Riss im Messrohr, auf Korrosion oder Beschädigung des Messrohrs hindeuten. Auch eine mechanische Behinderung der Schwingungen des mindestens einen Messrohrs wäre so erkennbar, beispielsweise weil das Messrohr an ein Hindernis anstößt und dieses Hindernis die Schwingungen des Messrohrs dämpft oder behindert. Die durch den gyroskopischen Sensor gemessene Winkelbewegung kann diagnostische Informationen zum Zustand des mindestens einen Messrohrs liefern und insofern unter dem Aspekt der Qualitätskontrolle der Messung von Vorteil sein.
Gyroskopische Sensoren sind seit ihrer Einführung in Handys und Spielkonsolen preisgünstig als miniaturisierte Bauelemente erhältlich und lassen sich problemlos an dem mindestens einen Messrohr anbringen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1A einen Durchflussmesser nach dem Coriolisprinzip mit einem Messrohr, wobei sich das Messrohr in einer ersten Position befindet;
1B den Durchflussmesser von 1A, wobei sich das Messrohr in einer zweiten Position befindet;
2 eine Winkelauslenkung des Messrohrs relativ zur Ruheposition als Funktion der Zeit;
3A einen Durchflussmesser nach dem Coriolisprinzip mit zwei abschnittsweise gekrümmten Messrohren, die entgegengesetzt zueinander schwingen, wobei sich die Messrohre in einer ersten Position befinden;
3B den Durchflussmesser von 3A, wobei sich die Messrohre in einer zweiten Position befinden;
4 einen Durchflussmesser nach dem Coriolisprinzip, der zwei gerade Messrohre umfasst;
5 einen gyroskopischen Sensors zur Detektion von Winkelbeschleunigungen in x-, y- und z-Richtung;
6 das Funktionsprinzip eines gyroskopischen Sensors; und
7 die Überlagerung von externen Vibrationen mit den vom gyroskopischen Sensor detektierten Coriolisschwingungen.
In 1A und 1B ist schematisch ein Durchflussmessgerät gezeigt, das nach dem Coriolis-Messprinzip arbeitet. Derartige Durchflussmessgeräte werden zur Messung des Massendurchflusses eines Mediums eingesetzt, das in einer Prozessleitung strömt, beispielsweise eines Gases und/oder einer Flüssigkeit. Das Durchflussmessgerät umfasst mindestens ein abschnittsweise gekrümmtes Messrohr, das beispielsweise U-förmig, V-förmig oder -förmig ausgebildet sein kann. Das in 1A und 1B gezeigte Messrohr 1 ist -förmig ausgebildet und wird über den einlassseitigen Anschlussflansch 2 und den auslassseitigen Anschlussflansch 3 in die Prozessleitung eingeschleift. Die Fließrichtung des Mediums im Messrohr 1 wird durch den Pfeil 4 dargestellt.
Das Messrohr 1 ist dazu ausgelegt, durch einen Schwingungserreger 5 zu periodischen Biegeschwingungen angeregt zu werden, die im Folgenden als „Nutzschwingungen” oder „Nutzmode” bezeichnet werden. Bei Messwandlern mit gekrümmtem Messrohr 1 wird für die Nutzschwingungen üblicherweise eine Schwingungsform gewählt, die einer Biegeschwingungsgrundmode oder einer nächsthöher geordneten symmetrischen Biegeschwingungsmode entspricht. Bei diesen Biegeschwingungsmoden pendelt das Messrohr 1 um eine gestrichelt eingezeichnete Schwingungsachse 6 nach Art eines an einem Ende eingespannten Auslegers. Diese Nutzschwingungen sind in 1A und 1B durch den Doppelpfeil 7 veranschaulicht.
Bei dem Schwingungserreger 5 kann es sich beispielsweise um einen elektromagnetischen Schwingungserreger handeln, der aus einem Permanentmagneten und einer zum Permanentmagneten komplementären Zylinderspule gebildet wird. Mittels der elektromagnetischen Anregung durch den Schwingungserreger 5 wird das Messrohr 1 zu periodischen Nutzschwingungen mit der Nutzfrequenz f_N angeregt. Dabei wird als Nutzfrequenz vorzugsweise eine Resonanzfrequenz der Messrohranordnung verwendet. Vorzugsweise wird die eingespeiste Erregerleistung so geregelt, dass die Nutzschwingungen eine gleichbleibende Schwingungsamplitude aufweisen.
Die Nutzschwingungen des Messrohrs 1 dienen bei Coriolis-Massendurchfluss-Messgeräten dazu, im strömenden Medium von der momentanen Massendurchflussrate abhängige Corioliskräfte zu induzieren. Durch die Corioliskräfte werden entsprechende Coriolisschwingungen des Messrohrs 1 verursacht, die den Nutzschwingungen überlagert sind. Diese Coriolisschwingungen entsprechen einer als Twist-Mode bezeichneten Eigenschwingungsform, bei denen das Messrohr 1 Drehschwingungen um eine senkrecht zur gestrichelt eingezeichneten Schwingungsachse 6 ausgerichtete gedachte Drehachse ausführt. Diese Coriolisschwingungen stellen einen von der Massendurchflussrate abhängigen Effekt dar und ermöglichen daher eine Bestimmung des Massendurchflusses.
Aufgrund der Coriolisschwingungen existiert zwischen den einlassseitigen und den auslassseitigen Schwingungsbewegungen des vibrierenden Messrohrs eine auch von der Massendurchflussrate abhängige, mithin als Messeffekt für die Massendurchflussmessung nutzbare Laufzeit- bzw. Phasendifferenz. Bei den Coriolis-Durchflussmessgeräten des Stands der Technik wurde die Phasendifferenz zwischen den einlassseitigen Schwingungsbewegungen und den auslassseitigen Schwingungsbewegungen des Messrohrs 1 mit Hilfe von mindestens zwei elektrodynamischen Schwingungssensoren 8, 9 ermittelt, die an verschiedenen Stellen am Messrohr 1 angeordnet sind. Diese Phasendifferenz stellt ein Maß für die Stärke der Coriolisschwingung dar, und insofern kann aus dieser Phasendifferenz der Massendurchfluss des strömenden Mediums abgeleitet werden.
Im Folgenden soll ein weiteres Detektionsprinzip für die Bestimmung der Stärke der Coriolisschwingungen beschrieben werden. Dabei wird zur Detektion der Coriolisschwingung mindestens ein am Messrohr 1 angebrachter gyroskopischer Sensor 10 eingesetzt, der zur Erfassung von Winkelbeschleunigungen in mindestens einer Koordinatenrichtung ausgelegt ist. Vorzugsweise wird ein miniaturisierter gyroskopischer Sensor 10 eingesetzt, der Winkelbeschleunigungen in drei Koordinatenrichtungen ermitteln kann. Derartige gyroskopische Sensoren werden beispielsweise in Handys zur Bestimmung der Orientierung des Handys oder in Spielekontrollern eingesetzt. Infolge der hohen Stückzahlen in diesen Märkten haben sich gyroskopische Sensoren zu Massenprodukten entwickelt, die dementsprechend kostengünstig bezogen werden können. Derartige gyroskopische Sensoren können als sogenannte MEMS-Gyrosensoren hergestellt werden, wobei „MEMS” für „Microelectromechanical System” steht. Derartige Sensoren sind als miniaturisierte Bauelemente erhältlich. Die Präzision dieser gyroskopischen Sensoren bei der Winkelauflösung ist bereits jetzt beachtlich und wird sich in Zukunft noch weiter verbessern.
Mittels des gyroskopischen Sensors 10 lässt sich die durch die Corioliskraft verursachte Coriolisschwingung erfassen, die sich in einer periodischen Winkelbewegung des Messrohrs 1 relativ zur Ruheposition 11 bemerkbar macht. In 1A und 1B sind die beiden Extrempositionen dieser periodischen Winkelbewegung gezeigt. In 1A ist der Messrohrbogen gegenüber der Ruheposition 11 um einen Winkel φ₊ im Gegenuhrzeigersinn verdreht. In 1B ist der Messrohrbogen gegenüber der Ruheposition 11 um einen Winkel φ_– im Uhrzeigersinn verdreht. Zwischen diesen beiden Winkelpositionen φ_– und φ₊ führt der Messrohrbogen eine periodische Winkelbewegung aus. Die bei dieser periodischen Winkelbewegung auftretenden Winkelbeschleunigungen werden durch den gyroskopischen Sensor 10 erfasst. Durch Aufintegrieren der Winkelbeschleunigung erhält man die Winkelgeschwindigkeit des Messrohrbogens, und durch nochmaliges Aufintegrieren kann aus der Winkelgeschwindigkeit die jeweilige Winkelposition abgeleitet werden. Insofern erhält man die durch die Corioliskraft hervorgerufene periodisch oszillierende Winkelposition des Messrohrbogens durch zweimaliges Integrieren der vom gyroskopischen Sensor 10 gelieferten Winkelbeschleunigung.
In 2 ist die mittels des gyroskopischen Sensors 10 bestimmte Winkelposition des Messrohrbogens relativ zur Ruheposition 11 als Funktion der Zeit aufgetragen. Anhand von 2 ist zu erkennen, dass der Messrohrbogen periodische Winkelbewegungen zwischen den beiden extremalen Winkelpositionen φ_– und φ₊ durchführt, die den in 1A und 1B dargestellten Winkelpositionen entsprechen. Aus der Auswertung der Amplitude der Winkelschwingungen kann die Stärke der Corioliskraft ermittelt werden. Da die Corioliskraft zum Massendurchfluss des Mediums proportional ist, kann aus der Stärke der Corioliskraft unmittelbar der Massendurchfluss abgeleitet werden. Insofern lässt sich aus der vom gyroskopischen Sensor 10 ermittelten Winkelbeschleunigung der Massendurchfluss im Messrohr 1 ableiten. Die Detektion des Massendurchflusses mittels des gyroskopischen Sensors 10 stellt somit ein alternatives Verfahren zu der bisherigen Bestimmung des Massendurchflusses über den Phasenversatz zwischen zwei elektrodynamischen Schwingungssensoren dar. Dabei hängt die Genauigkeit, mit der der Massendurchfluss bestimmt werden kann, von der Winkelauflösung des gyroskopischen Sensors 10 ab.
Der gyroskopische Sensor 10 kann anstelle der bisher verwendeten elektrodynamischen Schwingungssensoren 8, 9 zur Bestimmung des Massendurchflusses im Messrohr 1 eingesetzt werden. Der gyroskopische Sensor 10 kann aber auch zusätzlich zu den elektrodynamischen Schwingungssensoren 8, 9 vorgesehen sein. Die Verwendung eines gyroskopischen Sensors 10 zusätzlich zu der bekannten Messung mittels zwei oder mehr elektrodynamischen Schwingungssensoren 8, 9 ermöglicht beispielsweise eine Überwachung der Winkelbewegung des Messrohrs 1 und eine frühzeitige Erkennung von Störungen. Darüber hinaus kann durch den Vergleich der Ergebnisse von zwei unterschiedlichen Detektionsmethoden eine höhere Verlässlichkeit bei der Bestimmung des Massendurchflusses erreicht werden.
Bei dem anhand von 1A und 1B gezeigten Beispiel ist ein einziger in der Mitte des Messrohrs 1 angeordneter gyroskopischer Sensor 10 vorgesehen. Alternativ dazu können entlang des Messrohrs 1 aber auch zwei oder mehr gyroskopische Sensoren vorgesehen sein. Durch die Erfassung der Winkelbeschleunigung an unterschiedlichen Positionen des Messrohrs 1 kann eine höhere Genauigkeit bei der Erfassung der Winkelbewegung des Messrohrs 1 erzielt werden. Dadurch wird eine genauere Bestimmung des Massendurchflusses möglich.
In den 3A und 3B ist ein weiteres Beispiel eines Durchflussmessgeräts nach dem Coriolisprinzip gezeigt, bei dem ein oder mehrere gyroskopische Sensoren zur Bestimmung des Massendurchflusses verwendet werden. Im Unterschied zu dem in den 1A und 1B gezeigten Beispiel sind bei dem Massendurchflussmessgerät von 3A und 3B zwei abschnittsweise gekrümmte Messrohre 12 und 13 vorgesehen, die entgegengesetzt zueinander schwingen. An der Einlassseite des Durchflussmessgeräts ist ein einlassseitiges Verteilerstück 14 vorgesehen, das das einströmende Medium gleichmäßig auf die beiden Messrohre 12 und 13 aufteilt. Auf der Auslassseite ist ein auslassseitiges Verteilerstück 15 vorgesehen, das das strömende Medium nach dem Durchströmen der Messrohre 12, 13 wieder zusammenführt. Die Fließrichtung des Mediums in den beiden Messrohren 12, 13 wird durch die Pfeile 16, 17 dargestellt.
Zur Anregung von Nutzschwingungen ist für jedes der beiden Messrohre 12, 13 ein eigener Schwingungsanreger 18, 19 vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Schwingungsanregern 18, 19 um elektromagnetische Schwingungsanreger, die jeweils einen Permanentmagneten und eine zum Permanentmagneten komplementäre Zylinderspule aufweisen.
Vorzugsweise werden die beiden Messrohre 12, 13 durch die Schwingungsanreger 18, 19 zu einander entgegengesetzten Nutzschwingungen angeregt. Durch den Massendurchfluss des strömenden Mediums werden Corioliskräfte induziert, die zusätzlich die Ausbildung von den Nutzschwingungen überlagerten Coriolisschwingungen verursachen. Infolge dieser Coriolisschwingungen führen die beiden Messrohre 12, 13 Winkelbewegungen relativ zu ihren jeweiligen Ruhepositionen aus. In der in 3A dargestellten extremalen Position ist das obere Messrohr 12 um einen Winkel φ₊ im Gegenuhrzeigersinn relativ zur Ruheposition 20 ausgelenkt. Dagegen ist in der in 3B dargestellten extremalen Position das obere Messrohr 12 um einen Winkel φ_– im Uhrzeigersinn relativ zur Ruheposition 20 ausgelenkt. Wie aus 3A und 3B zu erkennen ist, führen die beiden Messrohre 12, 13 also zueinander entgegengesetzte Winkelbewegungen um ihre jeweiligen Ruhepositionen durch. Die Winkelauslenkungen sind in 3A und 3B deutlich größer dargestellt, als sie in der Realität tatsächlich sind, um auf diese Weise die Art und die Richtung der Winkelauslenkungen besser zu verdeutlichen.
Bei dem in 3A und 3B gezeigten Beispiel ist ein einziger gyroskopischer Sensor 21 in der Mitte des oberen Messrohrs 12 vorgesehen, mit dem die Winkelbewegung des oberen Messrohrs 12 verfolgt werden können. Aus dieser Winkelbewegung kann dann die Amplitude der Corioliskraft und daraus der Massendurchfluss durch das obere Messrohr 12 abgeleitet werden. Da der Massendurchfluss im einlassseitigen Verteilerstück 14 gleichmäßig auf die beiden Messrohre 12, 13 aufgeteilt wird, ist damit auch der gesamte Massendurchfluss durch das Durchflussmessgerät bekannt.
Alternativ dazu kann auch an jedem der beiden Messrohre 12, 13 ein separater gyroskopischer Sensor zur Erfassung der Winkelbewegung vorgesehen sein. Die Verwendung von zwei gyroskopischen Sensoren hat den Vorteil, dass dann der Massendurchfluss in den Messrohren 12, 13 einzeln erfasst werden kann, was unter Umständen eine genauere Ermittlung des Durchflusswerts ermöglicht. Darüber hinaus wird durch die Verwendung von zwei gyroskopischen Sensoren eine Überwachung des Schwingungsverhaltens beider Messrohre 12, 13 ermöglicht.
In 4 ist ein weiteres Beispiel eines Durchflussmessgeräts nach dem Coriolisprinzip gezeigt. Im Unterschied zu den bisher diskutierten Beispielen werden bei dem in 4 gezeigten Durchflussmessgerät keine abschnittsweise gekrümmten Messrohre eingesetzt, sondern zwei gerade Messrohre 22, 23. Ein Durchflussmessgerät nach dem Coriolisprinzip lässt sich auch mit geraden Messrohren 22, 23 realisieren. Mittels eines einlassseitigen Verteilerstücks 24 wird das einströmende Medium gleichmäßig auf die beiden Messrohre 22, 23 aufgeteilt. Die Strömungsrichtung innerhalb der beiden Messrohre 22, 23 ist durch die beiden Pfeile 25, 26 dargestellt. Mittels des auslassseitigen Verteilerstücks 27 werden die beiden Teilströme nach dem Durchströmen der Messrohre 22, 23 wieder zusammengeführt.
Zur Erzeugung von Nutzschwingungen in den Messrohren 22, 23 sind zwei Schwingungserreger 28, 29 vorgesehen, die vorzugsweise als elektromagnetische Schwingungserreger ausgebildet sind. Angeregt durch die beiden Schwingungserreger 28, 29 führen die beiden Messrohre 22, 23 Biegeschwingungen in einer einzigen Schwingungsebene aus, nämlich in der x-z-Ebene, wie dies in 4 durch die beiden Doppelpfeile 30, 31 veranschaulicht ist. Dabei weisen die Nutzschwingungen bei geraden Messrohren höhere Frequenzen auf als bei gekrümmten Messrohren.
Durch diese Nutzschwingungen werden Corioliskräfte hervorgerufen, die zur Ausbildung von entsprechenden Coriolisschwingungen an den beiden Messrohren 22, 23 führen. Diese Coriolisschwingungen werden in derselben Ebene wie die Nutzschwingungen ausgebildet. Aufgrund der Coriolisschwingungen existiert zwischen einlassseitigen und auslassseitigen Schwingungsbewegungen der vibrierenden Messrohre 22, 23 eine auch von der Massendurchflussrate abhängige Laufzeit- bzw. Phasendifferenz.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist zur Ermittlung der Stärke der Coriolisschwingungen in der Mitte des oberen Messrohrs 22 ein gyroskopischer Sensor 32 angebracht, der die Winkelbewegungen des oberen Messrohrs 22 erfasst und so die Stärke der Coriolisschwingungsmode zu detektieren vermag. Aus der Amplitude der Corioliskraft kann dann der Massendurchfluss abgeleitet werden. Alternativ kann auch an jedem der beiden Messrohre 22, 23 ein separater gyroskopischer Sensor zur Erfassung der Winkelbewegungen der beiden Messrohre 22, 23 vorgesehen sein.
In 5 ist ein miniaturisierter gyroskopischer Sensor 10 gezeigt, der dazu ausgelegt ist, Winkelbeschleunigungen in allen drei Koordinatenrichtungen zu detektieren. Der gyroskopische Sensor 10 ist insbesondere dazu ausgelegt, die Winkelbeschleunigung Ω_x in der x-Richtung, die Winkelbeschleunigung Ω_y in der y-Richtung und die Winkelbeschleunigung Ω_z in der z-Richtung zu erfassen. Die Winkelbeschleunigung in x-Richtung wird auch als „pitch”, die Winkelbeschleunigung in y-Richtung als „roll” und die Winkelbeschleunigung in z-Richtung als „yaw” bezeichnet.
Im Folgenden soll anhand von 6 versucht werden, das Funktionsprinzip eines derartigen gyroskopischen Sensors 10 zu beschreiben. Derartige Sensoren zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung in den drei Koordinatenrichtungen x, y, z werden als mikroelektromechanische Systeme („MEMS”) aus einem Siliziumsubstrat hergestellt und umfassen schwingungsfähig aufgehängte Siliziumblöcke 33, 34. Die Siliziumblöcke 33 und 34 werden jeweils entgegengesetzt zueinander in y-Richtung zu Schwingungen angeregt. Es soll angenommen werden, dass der Siliziumblock 33 sich gerade mit Geschwindigkeit v_y in positiver y-Richtung bewegt und der Siliziumblock 34 sich mit Geschwindigkeit v_y in negativer y-Richtung bewegt. Auf beide schwingenden Siliziumblocks 33, 34 wirkt eine Winkelbeschleunigung Ω_x in x-Richtung ein. Dann führt dies beim Siliziumblock 33 zu einer nach unten gerichteten Corioliskraftkomponente F →_Cor1 und beim Siliziumblock 34 zu einer nach oben gerichteten Corioliskraftkomponente F →_Cor2. Die Corioliskraft tritt bei der vorliegenden Erfindung also zum einen auf der Ebene des Durchflussmessgeräts auf, wo die Corioliskraft für die Entstehung von Coriolisschwingungen an dem mindestens einen Messrohr verantwortlich ist, und zum zweiten als internes Detektionsprinzip innerhalb des miniaturisierten gyroskopischen Sensors auf.
Zu jedem der Siliziumblöcke 33, 34 ist eine ortsfeste Gegenelektrode 35, 36 vorgesehen, mit der die Lage des jeweiligen Siliziumblocks 33, 34 kapazitiv detektiert werden kann. Wenn auf den Siliziumblock 33 eine nach unten gerichtete Corioliskraft F →_Cor1 wirkt, dann drückt diese Kraft den Siliziumblock 33 in Richtung zur Gegenelektrode 35, was zu einer entsprechenden Erhöhung der vom Siliziumblock 33 und der Gegenelektrode 35 gebildeten ersten Kapazität führt. Wenn dagegen auf den Siliziumblock 34 eine nach oben gerichtete Corioliskraft F →_Cor2 wirkt, dann wird der Siliziumblock 34 durch diese Kraft von der Gegenelektrode 36 wegbewegt, und dementsprechend verringert sich die zwischen dem Siliziumblock 34 und der Gegenelektrode 36 messbare zweite Kapazität. Die Winkelbeschleunigung Ω_x führt also zu einer Erhöhung der ersten Kapazität und zu einer Verringerung der zweiten Kapazität und kann durch die Messung und Auswertung dieser Kapazitäten bestimmt werden. Die Auswerteschaltung zur Auswertung dieser Messsignale ist bei MEMS-Bauelementen in der Regel auf demselben Siliziumsubstrat untergebracht, auf dem sich auch die schwingungsfähigen Massen befinden, so dass der miniaturisierte Baustein geeignete Messsignale für die Winkelbeschleunigung in x-, y- und z-Richtung liefern kann.
Generell wird durch den Einsatz eines gyroskopischen Sensors eine Erfassung und Verfolgung der Winkelbewegung des mindestens einen Messrohrs und somit des Schwingungsverhaltens des Messrohrs ermöglicht. Dadurch ist es insbesondere möglich, den Istverlauf des Schwingungsverhaltens des mindestens einen Messrohrs mit einem erwarteten Sollverlauf zu vergleichen und Abweichungen zwischen Ist- und Sollverlauf zu erfassen. Anhand der vom gyroskopischen Sensor gelieferten Winkelauslenkung kann dabei ein anormales Schwingungsverhalten eines Messrohrs erkannt werden. Die Auswertung der Abweichung zwischen Ist- und Sollverlauf kann als diagnostische Information genutzt werden und erlaubt einen Rückschluss auf eine zugrundeliegende Störung.
Beispielsweise kann ein anormales Schwingungsverhalten eines Messrohrs auf eine Deformation oder Eindellung des Messrohrs, auf einen Riss im Messrohr, auf Korrosion oder Beschädigung des Messrohrs hindeuten. Auch eine mechanische Behinderung der Schwingungen des mindestens einen Messrohrs wäre so erkennbar, beispielsweise weil das Messrohr an ein Hindernis anstößt und dieses Hindernis die Schwingungen des Messrohrs dämpft oder behindert.
Darüber hinaus ist es möglich, dass externe Schwingungen und Vibrationen von externen Maschinen- und Anlagenteilen auf das Messrohr einwirken und die Nutzschwingungen somit von externen Störkomponenten überlagert werden. Dabei können die Störkomponenten über die Umgebung des Durchflussmessgeräts eingekoppelt werden, beispielsweise über den Boden und über die mechanische Aufhängung des Durchflussmessgeräts. Insbesondere ist es aber auch möglich, dass die Störkomponenten und Vibrationen über die Rohrleitung selbst in das Durchflussmessgerät eingekoppelt werden.
In 7 ist ein Beispiel für eine Einkopplung von Störkomponenten in ein Durchflussmessgerät gezeigt. Eine Pumpe 37 ist über eine Rohrleitung 38 mit einem Durchflussmessgerät 39 nach dem Coriolisprinzip verbunden, wobei durch die Rohrleitung 38 Vibrationen der Pumpe 37 in das Durchflussmessgerät 39 eingekoppelt werden. Der gyroskopische Sensor 40 detektiert zusätzlich zu den Nutzschwingungen und den Coriolisschwingungen auch die von der Pumpe 37 erzeugte Störkomponenten.
Die durch den gyroskopischen Sensor gemessene Winkelbewegung ermöglicht eine Erkennung von derartigen Störkomponenten, die den Nutzschwingungen und Coriolisschwingungen überlagert sind. Insofern kann ein gyroskopischer Sensor diagnostische Informationen zum Zustand des mindestens einen Messrohrs und zu den vorhandenen Schwingungskomponenten liefern.

Claims

Ein Durchflussmessgerät nach dem Coriolisprinzip zur Bestimmung eines Massendurchflusses eines strömenden Mediums, welches aufweist: – mindestens ein Messrohr (1, 12, 13, 22, 23), – eine Erregeranordnung (5, 16, 17, 28, 29), die dazu ausgelegt ist, dem mindestens einen Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) eine Nutzschwingung aufzuprägen, wobei im Falle eines Massendurchflusses durch das mindestens eine Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) der Massendurchfluss eine Coriolisschwingung zusätzlich zur Nutzschwingung auf dem mindestens einen Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) hervorruft, – eine Sensoranordnung, die dazu ausgelegt ist, die dem mindestens einen Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) aufgeprägten Schwingungen zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensoranordnung mindestens einen an mindestens einem Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) angeordneten gyroskopischen Sensor (10, 19, 32) zur Erfassung einer Winkelbeschleunigung am jeweiligen Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) umfasst.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine gyroskopische Sensor dazu ausgelegt ist, über die Winkelbeschleunigung eine durch die Corioliskraft verursachte periodische Winkelbewegung des jeweiligen Messrohrs zu erfassen.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – eine Winkelbewegung des jeweiligen Messrohrs ist durch Aufintegrieren der von dem mindestens einen gyroskopischen Sensor gemessenen Winkelbeschleunigung bestimmbar; – aus der Winkelbewegung sind eine Amplitude der Coriolisschwingung und ein Massendurchfluss des strömenden Mediums durch das mindestens eine Messrohr ableitbar.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – bei dem gyroskopischen Sensor handelt es sich um einen MEMS-Gyrosensor; – bei dem mindestens einen Messrohr handelt es sich um mindestens ein V-förmiges oder U-förmiges oder -förmiges Messrohr.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung ausschließlich den mindestens einen gyroskopischen Sensor umfasst.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung den mindestens einen gyroskopischen Sensor zusätzlich zu den mindestens zwei elektrodynamischen Schwingungssensoren umfasst.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei elektrodynamische Schwingungssensoren dazu ausgelegt sind, einen Phasenversatz zwischen der einlassseitigen Bewegung und der auslassseitigen Bewegung des mindestens einen Messrohrs zu erfassen und daraus den Massendurchfluss durch das mindestens eine Messrohr abzuleiten.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussmessgerät genau ein Messrohr aufweist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussmessgerät zwei entgegengesetzt zueinander schwingende Messrohre aufweist, wobei an mindestens einem der Messrohre mindestens ein gyroskopischer Sensor angeordnet ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein gyroskopischer Sensor in der Mitte eines Messrohrs angeordnet ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr gyroskopische Sensoren an unterschiedlichen Positionen eines Messrohrs angeordnet sind und den Bewegungsverlauf entlang des Messrohrs erfassen.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – der mindestens eine gyroskopische Sensor ist dazu ausgelegt, diagnostische Informationen zur Bewegung des Messrohrs zu erfassen; – der mindestens eine gyroskopische Sensor ist dazu ausgebildet, eine Abweichung der Winkelbewegung des mindestens einen Messrohrs von einem erwarteten Verhalten zu detektieren; – der mindestens eine gyroskopische Sensor ist dazu ausgebildet, von extern auf das mindestens eine Messrohr eingekoppelte Störkomponenten oder Vibrationen zu detektieren; – der mindestens eine gyroskopische Sensor ist dazu ausgebildet, Störkomponenten oder Vibrationen zu detektieren, die über eine Rohrleitung, die mit dem Durchflussmessgerät verbunden ist, in das mindestens eine Messrohr eingekoppelt werden; – der mindestens eine gyroskopische Sensor ist dazu ausgebildet, eine mechanische Behinderung der Nutzschwingungen des mindestens einen Messrohrs zu detektieren; – der mindestens eine gyroskopische Sensor ist dazu ausgebildet, mindestens eines von Rissen, Korrosion, Verengungen, Verstopfung, Verformung, Dellen, Beschädigung des mindestens einen Messrohrs zu detektieren;
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – bei dem Durchflussmessgerät handelt es sich um ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik; – das Durchflussmessgerät ist dazu ausgelegt, an einen Feldbus angeschlossen zu werden.
Verfahren zur Auswertung von Bewegungen mindestens eines Messrohrs (1, 12, 13, 22, 23) in einem Durchflussmessgerät nach dem Coriolisprinzip, wobei das Durchflussmessgerät aufweist: – das mindestens eine Messrohr (1, 12, 13, 22, 23), – eine Erregeranordnung (5, 16, 17, 28, 29), die dazu ausgelegt ist, dem mindestens einen Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) eine Nutzschwingung aufzuprägen, wobei im Falle eines Massendurchflusses durch das mindestens eine Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) der Massendurchfluss eine Coriolisschwingung zusätzlich zur Nutzschwingung auf dem mindestens einen Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) hervorruft, – eine Sensoranordnung, die dazu ausgelegt ist, die dem mindestens einen Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) aufgeprägten Schwingungen zu erfassen, wobei die Sensoranordnung mindestens einen an mindesten einem Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) angeordneten gyroskopischen Sensor (10, 19, 32) umfasst, und wobei das Verfahren aufweist: – Anregen von Nutzschwingungen an dem mindestens einen Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) mittels der Erregeranordnung (5, 16, 17, 28, 29), – Erfassen einer Winkelbeschleunigung an mindestens einem Messrohr (1, 12, 13, 22, 23) mittels des mindestens einen gyroskopischen Sensors (10, 19, 32).
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch mindestens einen der folgenden Schritte: – Bestimmen einer Winkelbewegung aus der Winkelbeschleunigung des mindestens einen Messrohrs; – Bestimmen einer Winkelbewegung aus der Winkelbeschleunigung des mindestens einen Messrohrs und Ableiten einer Amplitude der Coriolisschwingung und eines Massendurchflusses des strömenden Mediums durch das mindestens eine Messrohr aus der Winkelbewegung.