DE102016125537A1

DE102016125537A1 - Massedurchflussmessaufnehmer nach dem Coriolis-Prinzip und Verfahren zum Bestimmen eines Massedurchflusses

Info

Publication number: DE102016125537A1
Application number: DE102016125537.8A
Authority: DE
Inventors: Vivek Kumar; Alfred Rieder; Simon Triebenbacher
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-07-19
Also published as: EP3559609B1; EP3559609A1; CN110073177B; US10704943B2; CN110073177A; WO2018114402A1; US20190383657A1

Abstract

Ein Coriolis-Massedurchflussmessaufnehmer (1) umfasst: ein schwingfähiges Messrohr (21, 22) zum Führen eines Medium; mindestens einen Erreger (30) zum Anregen von Vibrationsschwingungen des Messrohrs; mindestens zwei Sensoren (31, 32) zum Erfassen der Vibrationsschwingungen des Messrohrs (21, 22) und zum Ausgeben von davon abhängigen ersten und zweiten Sensorsignalen; und mindestens eine Betriebs- und Auswerteeinheit (90) zum Treiben des Erregers (30), zum Erfassen der Sensorsignale und zum Ermitteln eines Massedurchflussmesswerts auf Basis einer Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz zwischen den Sensorsignalen; wobei das Schwingungsverhalten des Messrohrs, eine Querempfindlichkeit zur Viskosität des Mediums aufweist, wobei für Reynoldszahlen unterhalb eines Reynoldszahlgrenzwerts die Querempfindlichkeit mit einer Stokeszahl korreliert, welche ein Maß ist für eine Eindringtiefe der Vibrationsschwingungen in das Medium, wobei die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, zumindest bei Reynoldszahlen unterhalb des unteren Reynoldszahlgrenzwerts einen aktuellen Wert der Stokeszahl zu ermitteln, und den Einfluss der Querempfindlichkeit in Abhängigkeit des aktuellen Werts der Stokeszahl bei der Ermittlung des Massedurchflusses zu kompensieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Massedurchflussmessaufnehmer nach dem Coriolis-Prinzip und ein und Verfahren zum Bestimmen eines Massedurchflusses.
Gattungsgemäße Massedurchflussmessaufnehmer umfassen mindestens ein schwingfähiges Messrohr zum Führen eines Mediums dessen Durchfluss zu messen ist; mindestens einen Erreger zum Anregen von Vibrationsschwingungen des Messrohrs; mindestens zwei Sensoren zum Erfassen der Vibrationsschwingungen des Messrohrs, und zum Ausgeben von ersten und zweiten Sensorsignalen welche von den Vibrationsschwingungen abhängen; und mindestens eine Betriebs- und Auswerteeinheit zum Treiben des Erregers, zum Erfassen der Sensorsignale und zum Ermitteln eines Massedurchflussmesswerts auf Basis einer Phasen-differenz zwischen den Sensorsignalen, die in erster Näherung proportional zum Massendurchfluss ist.
Es ist bekannt, dass die Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz der Sensorsignale eine Querempfindlichkeit zur Viskosität des Mediums aufweist. In WO 2011/068500 A1 , EP 1 659 377 A1 und WO 2000/36379 A1 sind Massedurchflussmessaufnehmer beschrieben, deren Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Viskosität des Messmediums zu ermitteln und eine von der Reynoldszahl abhängige Korrektur dieser Querempfindlichkeit durchzuführen. Wenngleich diese Ansätze für Reynoldszahlen größer 500 brauchbare Ergebnissen erzielen können, lassen sie bei kleineren Reynoldszahlen zu wünschen übrig. Insbesondere mit zunehmender Miniaturisierung besteht daher Bedarf an Messaufnehmen, die hier Abhilfe schaffen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen Messaufnehmer und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Massedurchflussmessaufnehmer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 14. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Der erfindungsgemäße Massedurchflussmessaufnehmer nach dem Coriolis-Prinzip umfasst: mindestens ein schwingfähiges Messrohr zum Führen eines Mediums dessen Durchfluss zu messen ist; mindestens einen Erreger zum Anregen von Vibrationsschwingungen des Messrohrs; mindestens zwei Sensoren zum Erfassen der Vibrationsschwingungen des Messrohrs, und zum Ausgeben von ersten und zweiten Sensorsignalen welche von den Vibrationsschwingungen abhängen; und mindestens eine Betriebs- und Auswerteeinheit zum Treiben des Erregers zum Anregen von Messrohrschwingungen, zum Erfassen der Sensorsignale und zum Ermitteln eines Massedurchflussmesswerts auf Basis einer Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz zwischen den Sensorsignalen, die in erster Näherung proportional zum Massedurchfluss ist; wobei das Schwingungsverhalten des Messrohrs, eine Querempfindlichkeit zur Viskosität des Mediums aufweist, wobei für Reynoldszahlen zumindest unterhalb eines unteren Reynoldszahlgrenzwerts die Querempfindlichkeit mit einer Stokeszahl korreliert, welche ein Maß ist für eine Eindringtiefe der Vibrationsschwingungen in das Medium, wobei erfindungsgemäß die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, zumindest bei Reynoldszahlen unterhalb des unteren Reynoldszahlgrenzwerts einen aktuellen Wert der Stokeszahl zu ermitteln und den Einfluss der Querempfindlichkeit in Abhängigkeit des aktuellen Werts der Stokeszahl bei der Ermittlung des Massedurchflusses zu kompensieren.
Das Schwingungsverhalten, welches die mit der Stokeszahl korrelierende Querempfindlichkeit aufweist, umfasst insbesondere die Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz der Sensorsignale.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteschaltung dazu eingerichtet, die Stokeszahl als eine Funktion der Viskosität eines in dem Messrohr strömenden Mediums, insbesondere eine Funktion der Wurzel der Viskosität zu bestimmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteschaltung dazu eingerichtet, die Stokeszahl als eine Funktion der kinematischen Viskosität des Mediums, insbesondere eine Funktion der Wurzel der Viskosität zu bestimmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteschaltung dazu eingerichtet, die Stokeszahl als eine Funktion einer charakteristischen Schwingungsfrequenz des Messrohrs, insbesondere einer Wurzel der Schwingungsfrequenz zu bestimmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die charakteristische Schwingungsfrequenz gleich der aktuellen Anregungsfrequenz, insbesondere eines Biegeschwingungsnutzmodes.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die charakteristische Schwingungsfrequenz eine Eigenfrequenz des Messrohrs in einem Biegeschwingungsnutzmode bei einem Medium mit einer charakteristischen Dichte.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die charakteristische Dichte ausgewählt aus: einer aktuellen Dichte des im Messrohr befindlichen Mediums, einer über einen über einen Temperaturbereich und/oder einen Druckbereich gemittelten Dichte des im Messrohr befindlichen Mediums, oder einer Referenzdichte.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, einen Viskositätsmesswert für das im Messrohr strömende Medium, anhand einer Dämpfung einer Messrohrschwingung zu bestimmen, insbesondere anhand eines Verhältnisses zwischen einem einen Erregerstrom repräsentierenden Signal und einem eine Schwingungsamplitude repräsentierenden Signal.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, einen Viskositätsmesswert für das im Messrohr strömende Medium, anhand einer Beziehung zwischen einerseits einem Phasenwinkel einer Messrohrschwingung im Biegeschwingungsnutzmode bezogen auf das Erregersignal und andererseits dem Verhältnis zwischen der zu dem Phasenwinkel gehörenden Erregerfrequenz und der aktuellen Eigenfrequenz des Messrohrs zu bestimmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die Stokeszahl in Abhängigkeit von einem Durchmesser des Messrohrs zu bestimmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, einen Dichtemesswert für das Medium anhand einer Eigenfrequenz des Messrohrs im Biegeschwingungsnutzmode zu bestimmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Einfluss der Querempfindlichkeit mittels eines Polynoms, einer linearen Funktion, einer logarithmischen Funktion, oder einer anderen monotonen Funktion der Stokeszahl zu kompensieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der untere Reynoldszahlgrenzwert nicht mehr als 1000, insbesondere nicht mehr als 100 und gegebenenfalls nicht mehr als 10.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Einfluss der Querempfindlichkeit in Abhängigkeit des aktuellen Werts der Stokeszahl zumindest für Stokeszahlen oberhalb eines unteren Grenzwerts der Stokeszahl bei der Ermittlung des Massedurchflusses zu kompensieren, wobei der untere Grenzwert der Stokeszahl beispielsweise 0,05 bzw. 0,1 beträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Massedurchflusses mit einem Massedurchflussmessaufnehmer nach dem Coriolis-Prinzip, welcher Massedurchflussmessaufnehmer umfasst: mindestens ein schwingfähiges Messrohr zum Führen eines Mediums dessen Durchfluss zu messen ist; mindestens einen Erreger zum Anregen von Vibrationsschwingungen des Messrohrs; mindestens zwei Sensoren zum Erfassen der Vibrationsschwingungen des Messrohrs, und zum Ausgeben von ersten und zweiten Sensorsignalen welche von den Vibrationsschwingungen abhängen; wobei das Schwingungsverhalten des Messrohrs, eine Querempfindlichkeit zur Viskosität des Mediums aufweist, wobei für Reynoldszahlen zumindest unterhalb eines unteren Reynoldszahlgrenzwerts die Querempfindlichkeit mit einer Stokeszahl korreliert, welche ein Maß ist für eine Eindringtiefe der Vibrationsschwingungen in das Medium, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Treiben des Erregers, zum Anregen von Vibrationsschwingungen; Erfassen der Sensorsignale; Ermitteln einer Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz zwischen den Sensorsignalen, Ermitteln eines Massedurchflussmesswerts auf Basis der Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz, die in erster Näherung proportional zum Massendurchfluss ist; wobei erfindungsgemäß zumindest bei Reynoldszahlen unterhalb des unteren Reynoldszahlgrenzwerts ein aktueller Wert der Stokeszahl ermittelt wird, und der Einfluss der Querempfindlichkeit in Abhängigkeit des aktuellen Werts der Stokeszahl bei der Ermittlung des Massedurchflusses kompensiert wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Schwingungsverhalten des Messrohrs, welches die mit der Stokeszahl korrelierende Querempfindlichkeit aufweist, die Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz der Sensorsignale.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Stokeszahl als eine Funktion der Viskosität eines in dem Messrohr strömenden Mediums ermittelt, insbesondere als eine monotone Funktion der Viskosität, beispielsweise eine als Funktion der Wurzel der Viskosität.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Stokeszahl als eine Funktion der kinematischen Viskosität des Mediums ermittelt, insbesondere als eine monotone Funktion der kinematischen Viskosität, beispielsweise als eine Funktion der Wurzel der kinematischen Viskosität.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Stokeszahl als eine Funktion einer charakteristischen Schwingungsfrequenz des Messrohrs ermittelt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die charakteristische Schwingungsfrequenz gleich einer aktuellen Anregungsfrequenz, insbesondere eines Biegeschwingungsnutzmodes.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die charakteristische Schwingungsfrequenz eine Eigenfrequenz einer Messrohrschwingung bei einem Medium mit einer charakteristischen Dichte.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die charakteristische Dichte ausgewählt aus: einer aktuellen Dichte des im Messrohr befindlichen Mediums, einer über einen Temperaturbereich und/oder einen Druckbereich gemittelten Dichte des im Messrohr befindlichen Mediums, oder einer Referenzdichte.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Viskositätsmesswert für das im Messrohr strömende Medium anhand einer Dämpfung einer Messrohrschwingung bestimmt, insbesondere anhand eines Verhältnisses zwischen einem einen Erregerstrom repräsentierenden Signal und einem eine Schwingungsamplitude repräsentierenden Signal.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Viskositätsmesswert für das im Messrohr strömende Medium bestimmt anhand einer Beziehung zwischen einerseits einem Phasenwinkel einer Messrohrschwingung im Biegeschwingungsnutzmode bezogen auf das Erregersignal und andererseits dem Verhältnis zwischen der zu dem Phasenwinkel gehörenden Erregerfrequenz und der aktuellen Eigenfrequenz des Messrohrs.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Stokeszahl in Abhängigkeit von einem Durchmesser des Messrohrs bestimmt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Dichtemesswert für das Medium anhand einer Eigenfrequenz des Messrohrs im Biegeschwingungsnutzmode bestimmt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Einfluss der Querempfindlichkeit mittels eines Polynoms, einer linearen Funktion, einer logarithmischen Funktion oder einer anderen monotonen Funktion der Stokeszahl kompensiert.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele offenbart. Es zeigt:

1a: eine Skizze zu Vibrationsschwingungen von planparallelen Platten, zwischen denen sich ein Medium befindet;
1b: ein Diagramm, welches eine Eindringtiefe von Vibrationsschwingungen in ein Medium in Abhängigkeit von der kinematischen Viskosität darstellt;
1c: eine Skizze zu Scherbewegungen in einem Messrohr;
2: ein Diagramm, welches einen relativen Massedurchflussmessfehler für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten über der Reynoldszahl darstellt;
3: ein Diagramm, welches einen relativen Massedurchflussmessfehler für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten als Funktion der Stokeszahl darstellt;
4a: eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Massedurchflussmessaufnehmers;
4b: eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels aus 4a; 5a: ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
5b: ein Flussdiagramm eines ersten Details eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
5c: ein Flussdiagramm eines zweiten Details eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
5d: ein Flussdiagramm eines zweiten Details eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zur Motivation des der Erfindung zugrundeliegenden Problems und des erfindungsgemäßen Lösungsansatzes sei zunächst auf 1a bis 1c verwiesen. 1a zeigt zwei planparallele Platten P die ein nicht strömendes Medium M einschließen und gegenphasig zueinander mit konstantem Abstand Vibrationsschwingungen mit einer Maximalgeschwindigkeit V_max ausführen. In Abhängigkeit von der Viskosität des Mediums werden die Vibrationsschwingungen unterschiedlich weit in das Medium hinein übertragen, wie in 1b dargestellt ist für einen Plattenabstand von einigen Centimetem und einer Maximalgeschwindigkeit der Vibrationsschwingungen in der Größenordnung von 1 m/s. Die durchgezogene Linie zeigt die Geschwindigkeitsverteilung für ein Medium mit einer kinematischen Viskosität von etwa 1 cSt. Hier wird nur eine dünne Grenzschicht des Mediums mitbewegt. Die gestrichelte Linie und die strichpunktierte Linie gelten für kinematische Viskositäten von etwa 100 cSt bzw. etwa 1000 cSt. Es ist deutlich zu erkennen, wie mit zunehmender Viskosität die Vibrationsschwingungen immer weiter als Scherschwingungen in das Medium eindringen und insofern Schwingungsenergie an das Medium abgeben, wodurch die Schwingungen der Platten gedämpft werden. Ein Maß für die Eindringtiefe der Vibrationsschwingungen ist eine Stokeszahl St, welche beispielsweise gegeben ist als $S t = \frac{\sqrt{ν / f}}{D}$
wobei v die kinematische Viskosität des Mediums ist, f die Frequenz der Vibrationsschwingungen ist und D den Plattenabstand angibt.
1c zeigt schematisch ein Messrohr eines Massedurchflussmessaufnehmers, welches in X-Richtung zu Biegeschwingungen im sogenannten f₁-Mode bzw. Nutzmode angeregt wird. Die Pfeile bei ω_in und ω_out deuten exemplarisch eine resultierende Schergeschwindigkeitsverteilung an, wie sie in einem im Messrohr enthaltenen Medium auftreten könnte. Bei einem ruhenden Medium führt dies lediglich zu einer Dämpfung des symmetrischen Biegeschwingungsnutzmodes. Wenn das Medium jedoch strömt, wird der antisymmetrische f₂-Mode bzw. Coriolis-Mode bei der Nutzfrequenz f₁ ausser Resonanz angeregt. Die Überlagerung des antisymmetrischen mit dem symmetrischen Biegeschwingungsnutzmode führt zu Symmetriebrüchen in der Geschwindigkeitsverteilung im Medium und damit zu Querempfindlichkeiten des Schwingungsverhaltens, die über eine gleichmäßige Dämpfung hinausgehen, insbesondere zu einer Querempfinfdlichkeit der Phasenbeziehung zwischen typischen Schwingungssensorsignalen eines Massedurchflussmessaufnehmers nach dem Coriolis-Prinzip, anhand derer der Massedurchfluss bestimmt wird. Während dieser Effekt bei größeren Reynoldszahlen, von beispielsweise Re > 1000 vernachlässigbar sein mag, ist er bei kleineren Reynldszahlen, beispielsweise Re <100 signifikant und kann relative Messfehler von mehr als 1% verursachen.
2 zeigt typische relative Messfehler Δṁ/ṁ über der Reynoldszahl Re für einen den obigen Effekt vernachlässigenden Massedurchflussmessaufnehmer. Die Kreuze repräsentieren Daten für eine erste Strömungsgeschwindigkeit von Medien im Messrohr. Die Dreiecke repräsentieren Daten für eine zweite Strömungsgeschwindigkeit von Medien im Messrohr die das Vierfache der ersten Strömungsgeschwindigkeit beträgt. Die Kreise repräsentieren Daten für eine dritte Strömungsgeschwindigkeit von Medien im Messrohr die das Vierfache der zweiten Strömungsgeschwindigkeit beträgt. Die erste Strömungsgeschwindigkeit ist kleiner als 1 m/s, wobei die zweite Strömungsgeschwindigkeit größer als 1 m/s ist. Es zeigt sich, dass die Reynoldszahl für diesen Effekt als Basis für eine Korrektur untauglich ist.
3 zeigt typische relative Messfehler Δṁ/ṁ über der Stokeszahl für die Strömungsgeschwindigkeiten aus 2, wobei die Symbole hinsichtlich der Geschwindigkeiten entsprechende Bedeutungen haben. Der relative Messfehler steigt monoton mit der Stokeszahl und die Korrelation zwischen dem relativem Messfehler und der Stokeszahl erscheint im Wesentlichen unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Reynoldszahl des Mediums. Damit ist ein Ansatz zur Kompensation der Querempfindlichkeit der Vibrationsschwingungen gefunden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter näher erläutert.
Das in 4a und 4b dargestellte Ausfährungsbeispiel einse erfindungsgemäßen Massedurchflussmessaufnehmers 1 umfasst einen ersten Anschlussflansch 2 und einen zweiten Anschlussflansch 3 zum Einbau in eine Rohrleitung. Die Flansche 2, 3 weisen jeweils einen Sammler auf, welche durch ein starres Trägerrohr 6 miteinander verbunden sind. Von dem Trägerrohr 6 erstreckt sich seitlich ein Aufnehmergehäuse 10 in dem zwei gebogen Messrohre 21, 22 verlaufen, deren Enden beidseitig in jeweils einem Sammlern zusammengefasst sind. Das Trägerrohr 6 weist zwei seitliche Durchbrüche 61, 62 auf, durch welche die Messrohre 21, 22 aus dem Trägerrohr 6 heraus und wieder hinein geführt sind. Die Messrohre 21, 22 sind nahe der beiden Sammler jeweils mit einigen Knotenplatten 217a, 217b, 217c, 218a, 218b, 218c gekoppelt, durch welche das Schwingungsverhalten des Messrohrpaars festgelegt wird. Zum Anregen von Biegeschwingungen ist zwischen den beiden Messrohren 21, 22 im Bereich von Scheitelbögen 41, 42 der Messrohre mittig ein elektrodynamischer Erreger 30 angeordnet. Zwischen den Scheitelbögen 41, 42 und den jeweils nächsten Knotenplatten 217a, 218a sind symmetrisch zu den Scheitelbögen ein erster elektrodynamischer Schwingungssensor 31 und ein zweiter elektrodynamischer Schwingungssensor 32 zwischen den beiden Messrohren 21, 22 angeordnet, um die Messrohrschwingungen zu erfassen. Das Trägerrohr 6 weist in einer Montagefläche 63 eine elektrische Durchführung 64 auf, durch welche (hier nicht dargestellte) Signalleitungen geführt sind. An der Montagefläche 63 ist ein Anschlussadapter 8 mit einem Messumformer 9 angeschlossen, welcher eine Betriebs- und Auswerteschaltung 90 enthält. Die Betriebs- und Auswerteschaltung 90 ist über die Signalleitungen mit dem Erreger 30 und den Schwingungssensoren 31 verbunden, um ersteren zu treiben und die Signale letzterer zu erfassen und auszuwerten, um mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Massedurchflussmesswert zu bestimmen, der über Signal- und Versorgungsleitungen des Messumformers ausgegeben werden kann.
Wie in 5a dargestellt, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 100, in einem ersten Schritt 110 zunächst ein vorläufiger Massedurchflussmesswert generiert, welcher ggf. die Kompensation anderer Störeinflüsse umfassen kann.
In einem zweiten Schritt 120 erfolgt ein Test, ob eine kritische Reynoldzahl Re_krit von beispielsweise Re_krit =100 unterschritten ist.
Falls ja erfolgt dann in einem dritten Schritt 130 die Kompensation der Querempfindlichkeit gegenüber der Stokeszahl, ansonsten beginnt das Verfahren wieder mit dem ersten Schritt 110.
Der erste Schritt 110 kann beispielsweise die dargestellten Teilschritte enthalten: Der erste Schritt beginnt mit dem Treiben des Erregers 111, zum Anregen von Vibrationsschwingungen. Anschließend erfolgt das Erfassen der Sensorsignale 112 der beiden Schwingungssensoren. Es folgt das Ermitteln einer Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz 113 zwischen den Sensorsignalen. Anhand der ermittelten Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz erfolgt schließlich das Ermitteln eines vorläufigen Massedurchflussmesswerts 114 welcher in erster Näherung proportional zur Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz ist.
Der zweite Schritt 120 erfordert (sofern noch nicht verfügbar) die Ermittlung der aktuellen Reynoldszahl. Hierzu erfolgt zunächst das Ermitteln eines aktuellen Viskositätsmesswerts 121 aus dem Verhältnis von einem Erregerstromsignal mit dem der Erreger gespeist wird und der Amplitude der Signale der Schwingungssensoren. Anschließend erfolgt das Berechnen eines aktuellen Werts Re der Reynoldszahl 122 anhand des vorläufigen Massedurchflussmesswerts ṁ, und des Viskositätsmesswerts η gemäß Re= ṁ / (η π R), wobei R der Radius eines Messrohrs ist. Es folgt die Prüfung 123, ob der aktuelle Wert der Reynoldszahl Re die kritische Reynoldszahl Re_krit unterschreitet.
Der dritte Schritt 130 umfasst im Einzelnen, wie in 5d dargestellt das Ermitteln eines aktuellen Werts für die Eigenfrequenz f eines Biegeschwingungsmodes 131, das Ermitteln eines Dichtemesswertes des im Messrohr enthaltenen Mediums 132 anhand des Werts für die Eigenfrequenz, berechnen eines Werts für die kinematische Viskosität v133 anhand des Viskositätsmesswerts η und des Dichtemesswerts ρ gemäß ν = η / ρ. Es folgt die Berechnung der Stokeszahl St 134 gemäß $S t = \frac{\sqrt{ν / f}}{R} .$
In einem optionalen Schritt 135 kann geprüft werden, ob die Stokeszahl St mindestens eine eines kritischen Wert St_krit von beispielsweise St_krit = 0,05 überschreitet. Falls nicht kann auf die Kompensation verzichtet werden, weil ihr Effekt vernachlässigbar ist.
Die Bestimmung des von der Stokeszahl abhängigen Messfehlers 136 erfolgt gemäß: $\frac{Δ {\dot{m}}_{S T}}{\dot{m}} = C_{1} S t + C_{0},$
wobei C₁ und C₂ gerätespezifische Konstanten sind.
Das Verfahren schließt mit der Korrektur 137 des vorläufigen Massedurchflussmesswerts um den von der Stokeszahl abhängigen Messfehlers Δṁ_St.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/068500 A1 [0003]
EP 1659377 A1 [0003]
WO 2000/36379 A1 [0003]

Claims

Massedurchflussmessaufnehmer (1) nach dem Coriolis-Prinzip, umfassend: mindestens ein schwingfähiges Messrohr (21, 22) zum Führen eines Mediums dessen Durchfluss zu messen ist; mindestens einen Erreger (30) zum Anregen von Vibrationsschwingungen des Messrohrs; mindestens zwei Sensoren (31, 32) zum Erfassen der Vibrationsschwingungen des Messrohrs und zum Ausgeben von ersten und zweiten Sensorsignalen welche von den Vibrationsschwingungen abhängen; und mindestens eine Betriebs- und Auswerteeinheit (90) zum Treiben des Erregers, zum Erfassen der Sensorsignale und zum Ermitteln eines Massedurchflussmesswerts auf Basis einer Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz zwischen den Sensorsignalen, die in erster Näherung proportional zum Massendurchfluss ist; wobei das Schwingungsverhalten des Messrohrs, eine Querempfindlichkeit zur Viskosität des Mediums aufweist, wobei für Reynoldszahlen zumindest unterhalb eines unteren Reynoldszahlgrenzwerts die Querempfindlichkeit mit einer Stokeszahl korreliert, welche ein Maß ist für eine Eindringtiefe der Vibrationsschwingungen in das Medium, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebs- und Auswerteeinheit (90) dazu eingerichtet ist, zumindest bei Reynoldszahlen unterhalb des unteren Reynoldszahlgrenzwerts einen aktuellen Wert der Stokeszahl zu ermitteln, und den Einfluss der Querempfindlichkeit in Abhängigkeit des aktuellen Werts der Stokeszahl bei der Ermittlung des Massedurchflusses zu kompensieren.
Massedurchflussmessaufnehmer, wobei das Schwingungsverhalten des Messrohrs, welches die mit der Stokeszahl korrelierende Querempfindlichkeit aufweist, die Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz der Sensorsignale umfasst.
Massedurchflussmessaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Betriebs und Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, die Stokeszahl als Funktion der Viskosität eines in dem Messrohr strömenden Mediums zu ermitteln, insbesondere eine monotone Funktion der Viskosität, beispielsweise eine Funktion der Wurzel der Viskosität.
Massedurchflussmessaufnehmer nach Anspruch 3, wobei die Betriebs- und Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, die Stokeszahl als eine Funktion der kinematischen Viskosität des Mediums zu ermitteln, insbesondere eine monotone Funktion der kinematischen Viskosität, beispielsweise eine Funktion der Wurzel der kinematischen Viskosität.
Massedurchflussmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Betriebs- und Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, die Stokeszahl als eine Funktion einer charakteristischen Schwingungsfrequenz, des Messrohrs zu ermitteln.
Massedurchflussmessaufnehmer nach Anspruch 5, wobei die charakteristische Schwingungsfrequenz gleich einer aktuellen Anregungsfrequenz, insbesondere eines Biegeschwingungsnutzmodes ist.
Massedurchflussmessaufnehmer nach Anspruch 5, wobei die charakteristische Schwingungsfrequenz eine Eigenfrequenz einer Messrohrschwingung bei einem Medium mit einer charakteristischen Dichte ist.
Massedurchflussmessaufnehmer nach Anspruch 7, wobei die charakteristische Dichte ausgewählt ist aus: einer aktuellen Dichte des im Messrohr befindlichen Mediums, einer über einen über einen Temperaturbereich und/oder einen Druckbereich gemittelten Dichte des im Messrohr befindlichen Mediums oder einer Referenzdichte.
Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, einen Viskositätsmesswert für das im Messrohr strömende Medium, anhand einer Dämpfung einer Messrohrschwingung zu bestimmen, insbesondere anhand eines Verhältnisses zwischen einem eine Erregerleistung repräsentierenden Signal und einem eine Schwingungsamplitude repräsentierenden Signal.
Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, einen Viskositätsmesswert für das im Messrohr strömende Medium zu bestimmen anhand einer Beziehung zwischen einerseits einem Phasenwinkel einer Messrohrschwingung im Biegeschwingungsnutzmode bezogen auf das Erregersignal und andererseits dem Verhältnis zwischen der zu dem Phasenwinkel gehörenden Erregerfrequenz und der aktuellen Eigenfrequenz des Messrohrs.
Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Stokeszahl in Abhängigkeit von einem Durchmesser des Messrohrs zu bestimmen.
Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, einen Dichtemesswert für das Medium anhand einer Eigenfrequenz des Messrohrs im Biegeschwingungsnutzmode zu bestimmen.
Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betriebs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, den Einfluss der Querempfindlichkeit mittels eines Polynoms, einer linearen Funktion, einer logarithmischen Funktion, oder einer anderen monotonen Funktion der Stokeszahl zu kompensieren.
Verfahren zum Bestimmen eines Massedurchflusses mit einem Massedurchflussmessaufnehmer nach dem Coriolis-Prinzip insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher Massedurchflussmessaufnehmer umfasst: mindestens ein schwingfähiges Messrohr zum Führen eines Mediums dessen Durchfluss zu messen ist; mindestens einen Erreger zum Anregen von Vibrationsschwingungen des Messrohrs; mindestens zwei Sensoren zum Erfassen der Vibrationsschwingungen des Messrohrs und zum Ausgeben von ersten und zweiten Sensorsignalen welche von den Vibrationsschwingungen abhängen; wobei das Schwingungsverhalten des Messrohrs, eine Querempfindlichkeit zur Viskosität des Mediums aufweist, wobei für Reynoldszahlen zumindest unterhalb eines unteren Reynoldszahlgrenzwerts die Querempfindlichkeit mit einer Stokeszahl korreliert, welche ein Maß ist für eine Eindringtiefe der Vibrationsschwingungen in das Medium, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Treiben des Erregers, zum Anregen von Vibrationsschwingungen; Erfassen der Sensorsignale; Ermitteln einer Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz zwischen den Sensorsignalen, Ermitteln eines Massedurchflussmesswerts auf Basis der Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz, die in erster Näherung proportional zum Massendurchfluss ist; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei Reynoldszahlen unterhalb des unteren Reynoldszahlgrenzwerts ein aktueller Wert der Stokeszahl ermittelt wird, und der Einfluss der Querempfindlichkeit in Abhängigkeit des aktuellen Werts der Stokeszahl bei der Ermittlung des Massedurchflusses kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Schwingungsverhalten des Messrohrs, welches die mit der Stokeszahl korrelierende Querempfindlichkeit aufweist, die Phasendifferenz bzw. Zeitdifferenz der Sensorsignale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Stokeszahl als eine Funktion der Viskosität eines in dem Messrohr strömenden Mediums ermittelt wird, insbesondere als eine monotone Funktion der Viskosität, beispielsweise eine als Funktion der Wurzel der Viskosität.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Stokeszahl als eine Funktion der kinematischen Viskosität des Mediums ermittelt wird, insbesondere als eine monotone Funktion der kinematischen Viskosität, beispielsweise als eine Funktion der Wurzel der kinematischen Viskosität.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Stokeszahl als eine Funktion einer charakteristischen Schwingungsfrequenz des Messrohrs ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die charakteristische Schwingungsfrequenz gleich einer aktuellen Anregungsfrequenz, insbesondere eines Biegeschwingungsnutzmodes ist.
Verfahren nach 18, wobei die charakteristische Schwingungsfrequenz eine Eigenfrequenz einer Messrohrschwingung bei einem Medium mit einer charakteristischen Dichte ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die charakteristische Dichte ausgewählt ist aus: einer aktuellen Dichte des im Messrohr befindlichen Mediums, einer über einen über einen Temperaturbereich und/oder einen Druckbereich gemittelten Dichte des im Messrohr befindlichen Mediums oder einer Referenzdichte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei ein Viskositätsmesswert für das im Messrohr strömende Medium anhand einer Dämpfung einer Messrohrschwingung bestimmt wird, insbesondere anhand eines Verhältnisses zwischen einem einen Erregerstrom repräsentierenden Signal und einem eine Schwingungsamplitude repräsentierenden Signal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei ein Viskositätsmesswert für das im Messrohr strömende Medium bestimmt wird anhand einer Beziehung zwischen einerseits einem Phasenwinkel einer Messrohrschwingung im Biegeschwingungsnutzmode bezogen auf das Erregersignal und andererseits dem Verhältnis zwischen der zu dem Phasenwinkel gehörenden Erregerfrequenz und der aktuellen Eigenfrequenz des Messrohrs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Stokeszahl in Abhängigkeit von einem Durchmesser des Messrohrs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, wobei ein Dichtemesswert für das Medium anhand einer Eigenfrequenz des Messrohrs im Biegeschwingungsnutzmode bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 25, wobei der Einfluss der Querempfindlichkeit mittels eines Polynoms, einer linearen Funktion, einer logarithmischen Funktion, oder einer anderen monotonen Funktion der Stokeszahl kompensiert wird.