DE102019103501B4

DE102019103501B4 - Verfahren zum Betreiben eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts

Info

Publication number: DE102019103501B4
Application number: DE102019103501.5A
Authority: DE
Inventors: Alain Barillet
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: CN111699367B; US11441931B2; US20200400471A1; WO2019155084A1; CN111699367A; DE102019103501A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts mit einem aus einem nicht-leitenden Werkstoff bestehenden Messrohr, in dem das zu messende Medium strömt,mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines das Messrohr im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Messrohrs durchsetzenden wechselnden Magnetfeldes, indem die Magnetfelderzeugungseinrichtung mit einem periodischen Steuersignal angesteuert wird,und mit zwei galvanisch mit dem Medium gekoppelten Messelektroden zum Abgreifen einer Spannung, die mit einer Verstärkerschaltung mit einem hochohmigen Eingang zu einem Messsignal verstärkt wird, das beiströmendem Medium von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt,wobei das Steuersignal als alternierender Rechteckimpuls mit Pausenzeiten (Mess1, Mess2) ausgeführt ist und während einer Periode eine erste Pausenzeit (Mess1) nach einem positiven Rechteckimpuls (MB+) und eine zweite Pausenzeit (Mess2) nach einem negativen Rechteckimpuls (MB-) vorliegt und während der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) kein Magnetfeld vorliegt,wobei das Messsignal während der Dauer der Rechteckimpulse (MB+, MB-) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und während der Dauer der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) zur Funktionsüberwachung ausgewertet wird,wobei die Impedanz zwischen den beiden Messelektroden über den Rauschpegel des Messsignals während der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) ermittelt wird und der Rauschpegel des Messsignals während der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) ein Maß für Fehlfunktionen ist, wobei die Impedanz zwischen den beiden Messelektroden durch Luftblasen oder Fremdpartikel im Messmedium beeinflusst wird, wobei das Messsignal während der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) mehrmals abgetastet und von den erfassten Abtastwerten je ein Mittelwert pro Pausenzeit gebildet wird und wobei pro Periode die Differenz zwischen den beiden Mittelwerten gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, deren Funktionsweise auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion (= Faraday'sche Induktion) beruht, sind seit vielen Jahren bekannt und werden in der industriellen Messtechnik umfangreich eingesetzt. Nach dem Induktionsgesetz entsteht in einem strömenden Medium, das Ladungsträger mit sich führt und durch ein Magnetfeld hindurchfließt, eine elektrische Feldstärke senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zum Magnetfeld. Das Induktionsgesetz wird bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten dadurch ausgenutzt, dass mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, die üblicherweise zwei bestromte Magnetspulen aufweist, ein Magnetfeld erzeugt wird, das wenigstens teilweise durch das Messrohr geführt wird, wobei das erzeugte Magnetfeld wenigstens eine Komponente aufweist, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft. Innerhalb des Magnetfeldes liefert jedes sich durch das Magnetfeld bewegende und eine gewisse Anzahl von Ladungsträgern aufweisenden Volumenelement des strömenden Mediums mit der in diesem Volumenelement entstehenden Feldstärke einen Beitrag zu einer über die Elektroden abgreifbaren Messspannung.
Da die über die Elektroden abgegriffene induzierte Spannung proportional zur über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ist, kann aus der gemessenen Spannung bei bekanntem Durchmesser des Messrohres direkt der Volumenstrom bestimmt werden. Voraussetzung für den Einsatz eines magnetisch-induktives Durchflussmessgeräts ist lediglich eine Mindestleitfähigkeit des Mediums. Darüber hinaus muss sichergestellt sein, dass das Messrohr zumindest soweit mit dem Medium gefüllt ist, das der Pegel des Mediums oberhalb der Messelektroden liegt. Da jedoch bei nicht vollständig gefüllten Messrohren abhängig vom Befüllungsgrad ein nicht unerheblicher Messfehler auftreten kann, sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte primär für Anwendungen optimal geeignet, bei denen das Messrohr vollständig gefüllt ist. Aus diesem Grund weisen magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte in der Praxis zumeist eine Messvorrichtung zur Leerrohrerkennung auf, die dem Benutzer anzeigt, wenn der Befüllungsgrad so weit abgesunken ist, dass der ermittelte Messwert nicht mehr mit der geforderten Genauigkeit bestimmt werden kann. Dies kann beispielsweise bereits bei einem nur zu zwei Dritteln befüllten Messrohr der Fall sein, so dass die in der Praxis eingesetzten Messvorrichtungen zur „Leerrohrerkennung“ nicht erst dann ein Signal erzeugen, wenn das Messrohr tatsächlich „leer“ ist. Es sind verschiedene Lösungen zur Erkennung von nicht vollständig befüllten Messrohren bekannt. Beispielhaft sei hier auf die DE 102012015038 B3 und DE 102010001993 A1 der Anmelderin verwiesen.
Auch Anhaftungen an den Elektroden können das Messergebnis negativ beeinflussen. Um trotz Anhaftungen eine genaue Messung durchführen zu können, schlägt die JP H08-68 676 A u.a. vor, das Signal, mit dem die Magnetfelderzeugungseinheit angesteuert wird, nicht wie bisher als rein alternierender Rechteckimpuls ausgeführt ist, sondern als alternierender Rechteckimpuls mit Pausenzeiten ausgeführt ist, in denen kein Magnetfeld vorliegt.
Messfehler können sich darüber hinaus auch dann ergeben, wenn das zu messende Medium mit Gasblasen versetzt ist. Hierfür kann es verschiedene Ursachen geben, bspw. Kavitation. Die DE 10 2007 052 047 B4 schlägt diesbezüglich vor, dass zur Erfassung von Gasblasen und/oder Partikeln im Messmedium dieses mit einem magnetischen und/oder elektrischen Feld beaufschlagt wird und das Potential und/oder der Strom an einer oder mehrerer Elektroden ausgelesen wird. Der Signalverlauf A(t) wird mitsamt seinem Signal-Rausch-Anteil elektronisch als Funktion der Zeit gemessen und mittels einer statistischen Auswertung wird auf die Existenz von Gasblasen und/oder Partikel geschlossen. Als statistische Auswertung ist eine Analyse des Symmetrieverhaltens des Signalverlaufs A(t) offenbart.
Ein weiteres Verfahren zur Leerrohrerkennung bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät ist aus der JP 2016-206078 A zu entnehmen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Erkennung von Gasblasen im Messrohr und damit auch eines nicht vollständig befüllten Messrohrs einfacher und kostengünstiger durchzuführen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung besteht darin, dass die Magnetfelderzeugungseinheit mit einem aus alternierenden Rechteckimpulsen bestehenden Signal angesteuert wird, bei dem - bei identischer Periodendauer -jede positive und negative Impulsdauer reduziert und der reduzierte Anteil jeweils durch eine Pausenzeit ersetzt wird, in der dann kein Magnetfeld vorliegt. Während der Dauer der positiven und negativen Rechteckimpulse wird das Messsignal zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und während der Dauer der Pausenzeiten zur Funktionsüberwachung herangezogen. Dabei wird die Impedanz zwischen den beiden Messelektroden über den Rauschpegel des Messsignals während der Pausenzeiten ermittelt.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die Impedanz zwischen den beiden Messelektroden durch Luftblasen oder Fremdpartikel im Messmedium und natürlich auch durch Luft im Falle eines nicht oder nur teilbefüllten Messrohrs beeinflusst wird und deshalb der Rauschpegel des Messsignals während der Pausenzeiten ein Maß für Fehlfunktionen ist.
Erfindungsgemäß wird das Messsignal während der Pausenzeiten, vorzugsweise durch einen Analog-Digital-Wandler, mehrmals abgetastet und von den erfassten Abtastwerten wird pro Pausenzeit je ein Mittelwert gebildet, der dann repräsentativ für die in einer Pausenzeit erfassten Abtastwerte steht.
Durch Bildung der Differenz zwischen den beiden Mittelwerten in jeder Periode ist ersichtlich, ob das Messrohr nicht oder nur teilbefüllt ist und ob sich Luftblasen oder Fremdpartikel im Messmedium befinden.
Hierzu wird vorteilhafterweise der ermittelte Differenzbetrag mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert verglichen. Im Falle eines vollen Messrohrs mit einem Medium, das nicht mit Luftblasen- oder Fremdpartikel versehenen ist, ist die Differenz näherungsweise Null. Anderenfalls weicht sie von diesem Wert ab.
Alternativ zu dem Schwellwertvergleich ist es auch vorteilhaft, dass der zeitliche Verlauf der Differenzwerte benachbarter Perioden durch Bilden der 1. Ableitung analysiert wird und dabei besonders vorteilhaft auch noch die Häufigkeit der Ereignisse ausgewertet wird, die über dem zweiten Schwellwert liegen. Erst wenn dieser Steigungswert in einer bestimmten Häufigkeit über einem vorgegebenen zweiten Schwellwert liegt, kann sicher auf ein nicht oder nur teilbefülltes Messrohr bzw. auf ein mit Luftblasen oder Fremdpartikel versehenes Messmediums geschlossen werden. Dadurch können einmalige Ausreißer, die an sich keine Fehlfunktion darstellen und beispielsweise während einer Einschwingzeit nach einer Umschaltsituation entstehen können oder in elektrochemischen Prozessen begründet sind, herausgefiltert werden.
Vorteilhafterweise entspricht eine Pausenzeit genau einem Viertel einer Periodendauer, d.h. der positive und der negative Rechteckimpuls sowie die jeweils diesen Rechteckimpulsen nachfolgenden Pausenzeiten dauern je ein Viertel einer Periode an.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 Spulentakt- und Messsignal sowie die Differenzwerte der gemittelten Messsignale und
2 eine Weiterbildung der Erfindung mit bespielhaften Signalverläufen.

1 zeigt schematisch die verschiedenen Signalverläufe über der Zeit, wenn das Messrohr vollständig gefüllt ist (links) und wenn es nicht vollständig gefüllt, leer oder mit Gasblasen bzw. Fremdpartikel versetzt ist.
Im oberen Bereich ist das Spulentaktsignal gezeigt. Das Besondere ist hier, dass es nicht wie bisher als rein alternierender Rechteckimpuls ausgeführt ist, sondern dass - bei identischer Periodendauer - jede positive und negative Impulsdauer MB+, MBreduziert und der reduzierte Anteil jeweils durch eine Pausenzeit Mess1, Mess2 ersetzt ist, in der dann kein Magnetfeld vorliegt.
Da die Strömung des zu messenden Mediums nur bei Anliegen eines Magnetfeldes eine Spannung induziert, stellt sich, wie links im mittleren Bereich von 1 zu sehen, folglich ein Sensorsignal als Maß für die erfasste Strömungs- bzw. Durchflussgeschwindigkeit nur im ersten und dritten Viertel einer Spulentakt-Periode ein. Im zweiten und vierten Viertel einer Spulentakt-Periode geht das Sensorsignal sofort wieder auf den Wert 0 Volt, wobei das hier einen Idealwert darstellt, denn in der Praxis kann sich eine vom zu messenden Medium abhängige, jedoch fixe OffsetSpannung einstellen.
Die Periodendauer beträgt beispielsweise 104 Millisekunden, d.h. jedes Viertel dauert dann 26 Millisekunden.
Rechts im mittleren Bereich von 1 ist das Sensorsignal als Rauschsignal dargestellt, das sich einstellt, wenn das Messrohr leer ist. Abhängig vom Befüllungsgrad des Messrohrs variiert das Signal-Rausch-Verhältnis. Dennoch ist ein Signal, das bei einem nicht vollständig gefüllten Messrohr erfasst wird, deutlich verrauschter als bei einem vollständig gefüllten Messrohr.
Der Erfindung liegt nun die Tatsache zugrunde, dass das Rauschen umso schwerer erfassbar ist, je größer der Signalanteil ist und dass bei einer sehr dynamischen Strömungsgeschwindigkeit ein Rauschen auch fälschlicherweise als ein sich änderndes Messsignal interpretiert werden kann. Deswegen sind pro Spulentakt-Periode zwei Pausenzeiten Mess1, Mess2 vorgesehen, in denen sichergegangen werden kann, dass alle in diesen Zeiten erfassten Signale keine durch die Strömung induzierten Spannungswerte, sondern im Rauschen infolge eines nicht vollständig gefüllten bzw. mit Gasblasen versetzten Messrohrs begründet sind.
Die in diesen Pausenzeiten Mess1, Mess2 des Spulentaktsignals erfassten Sensorsignale werden, vorzugsweise durch einen Analog-Digital-Wandler, mehrmals abgetastet und von den erfassten Abtastwerten wird pro Pausenzeit je ein Mittelwert gebildet, der dann repräsentativ für die in einer Pausenzeit erfassten Abtastwerte steht. Für die Abtastung bietet sich eine vergleichsweise kleine Abtastrate von bspw. 120 Hz an, da dann im Falle eines Rauschsignals der Mittelwert ungleich Null ist.
Im unteren Bereich sind schematisch die Ergebnisse einer Differenzbildung der Mittelwerte aus den Pausenzeiten Mess1, Mess2 dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass im linken Bereich diese Differenzbildung durchgehend den Wert Null ergibt, während sich im rechten Bereich deutliche Abweichungen davon ergeben. Ein Vergleich dieser Differenzwerte mit einem vorgegebenen Schwellwert führt schließlich zu einer verlässlichen Aussage darüber, ob das Messrohr voll oder aber leer, teilbefüllt oder mit Gasblasen versetzt ist.
Auch wenn die Darstellung des Sensorsignals im mittleren Bereich sehr schematisch ist, so wird daran dennoch der Grundgedanke der Erfindung beispielhaft deutlich. Es handelt sich dabei um eine ausgesprochen preiswerte Lösung zur Erkennung von Gasblasen im Strömungsprofil bzw. einer Leerohrerkennung, die keine zusätzlichen Bauteile oder dergleichen benötigt. Lediglich der im Messgerät ohnehin vorhandene Mikrocontroller wird mit einer zusätzlichen Rechenaufgabe belastet, was jedoch in der Praxis bei den vorhandenen Kapazitäten typischer Prozessoren keine nennenswerte Beeinträchtigung darstellt.
In 2 ist anhand verschiedener Prozesssituationen eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dargestellt. Die obere Abbildung zeigt folgende Situationen:

I. Das Messrohr ist leer.
II. Das Messrohr ist undefiniert voll, ohne Strömung.
III. Strömung bei ca. 1,8 l/min.
IV. Das Messrohr ist voll, aber ohne Strömung.
V. Strömung bei ca. 1,8 l/min.
VI. Das Messrohr ist voll, aber ohne Strömung.
VII. Das Messrohr ist leer.

Die darunter befindlichen Abbildungen zeigen jeweils die ermittelten bzw. berechneten Signalwerte in den jeweiligen Situationen I-VII, wobei in der mittleren Abbildung die Differenzwerte der gemittelten Messsignale während der Pausenzeiten Mess1, Mess2 dargestellt sind und in der unteren Abbildung der Steigungsverlauf der Differenzwerte.
Deutlich zu erkennen ist in den Situationen I und VII, wenn das Messrohr leer ist, die völlig ungleichmäßige Verteilung der Differenzbeträge, was auf einen hohen Rauschanteil schließen lässt. Durch die gestrichelte Linie in der mittleren Abbildung, durch die der erste Schwellwert gekennzeichnet ist, wird deutlich, dass eine einfache Erkennung einer Fehlfunktion, d.h. eines leeren Messrohrs, ohne weiteres möglich ist.
In den Situationen II ist das Messrohr undefiniert voll, wobei aber keine Strömung vorliegt. Damit soll der Befüllvorgang des Messrohrs dargestellt werden, bei dem die im Messrohr befindliche Luft entweicht. Anschließend, in der Situation III, strömt das Medium zwar mit ca. 1,8 l/min, dennoch ist der Einschwingvorgang noch nicht abgeschlossen, so dass aus der mittleren Abbildung eine deutliche Überschreitung des ersten Schwellwerts zu erkennen ist, was eigentlich als Fehlfunktion zu interpretieren wäre. Erst durch die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Differenzwerte benachbarter Perioden durch Bilden der 1. Ableitung, werden diese Ausreißer nicht als Fehlfunktion ausgelegt, da der Steigungsverlauf unter einem vorgegebenen, ebenfalls als gestrichelte Linie dargestellten, zweiten Schwellwert liegt. Die auch in der unteren Abbildung zu erkennenden Ausreißer werden durch eine Auswertung der Häufigkeit, wie oft der zweite Schwellwert überschritten wird, herausgefiltert. Durch die Häufigkeitsbetrachtung wird erst dann eine Fehlfunktion erkannt, wenn die Anzahl der Ereignisse über dem zweiten Schwellwert liegt. Die Festlegung der Häufigkeit basiert maßgeblich auf Erfahrungswerten und kann bspw. im Bereich von 15-20 liegen.
In der Situation IV ist das Messrohr voll, aber es liegt keine Strömung vor. Da der Einschwingprozess jetzt abgeschlossen ist, gibt es im Gegensatz zur Situation II ein „sauberes“ Signal und keine Ausreißer.
Beim Übergang zur Situation V, die eine Strömung von ca. 1,8 l/min darstellt, sind auch hier Auffälligkeiten in den Signalen zu erkennen. Diese Auffälligkeiten sind aber wiederrum keine Fehlfunktionen, sondern in dem Umschalt- bzw. Einschwingprozess begründet. Durch die Auswertung des Steigungsverlaufs in Verbindung mit der zuvor genannten Häufigkeitsbetrachtung können auch diese kurzfristigen Ereignisse herausgefiltert werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts mit einem aus einem nicht-leitenden Werkstoff bestehenden Messrohr, in dem das zu messende Medium strömt, mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines das Messrohr im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Messrohrs durchsetzenden wechselnden Magnetfeldes, indem die Magnetfelderzeugungseinrichtung mit einem periodischen Steuersignal angesteuert wird, und mit zwei galvanisch mit dem Medium gekoppelten Messelektroden zum Abgreifen einer Spannung, die mit einer Verstärkerschaltung mit einem hochohmigen Eingang zu einem Messsignal verstärkt wird, das bei strömendem Medium von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, wobei das Steuersignal als alternierender Rechteckimpuls mit Pausenzeiten (Mess1, Mess2) ausgeführt ist und während einer Periode eine erste Pausenzeit (Mess1) nach einem positiven Rechteckimpuls (MB+) und eine zweite Pausenzeit (Mess2) nach einem negativen Rechteckimpuls (MB-) vorliegt und während der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) kein Magnetfeld vorliegt, wobei das Messsignal während der Dauer der Rechteckimpulse (MB+, MB-) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und während der Dauer der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) zur Funktionsüberwachung ausgewertet wird, wobei die Impedanz zwischen den beiden Messelektroden über den Rauschpegel des Messsignals während der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) ermittelt wird und der Rauschpegel des Messsignals während der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) ein Maß für Fehlfunktionen ist, wobei die Impedanz zwischen den beiden Messelektroden durch Luftblasen oder Fremdpartikel im Messmedium beeinflusst wird, wobei das Messsignal während der Pausenzeiten (Mess1, Mess2) mehrmals abgetastet und von den erfassten Abtastwerten je ein Mittelwert pro Pausenzeit gebildet wird und wobei pro Periode die Differenz zwischen den beiden Mittelwerten gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzwert zwischen den beiden Mittelwerten mit einem ersten Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Differenzwerte benachbarter Perioden durch Bilden der 1. Ableitung analysiert und mit einem zweiten Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit der Ereignisse ausgewertet wird, die über dem zweiten Schwellwert liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pausenzeiten jeweils ein Viertel einer Periodendauer entsprechen.