DE102020130992A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Coriolis-Messgeräts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Betreiben eines Coriolis-Messgeräts (1), wobei das Coriolis-Messgerät folgendes umfasst:mindestens ein Messrohr (10);mindestens einen Erreger (11);mindestens zwei Sensoren (12);eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (13) zum Betreiben des Erregers, zum Erfassen von Messsignalen der Sensoren und Bereitstellen von Messwerten der Messgröße,wobei der Erreger mindestens eine Spule (11.1) und mindestens einen Magnet (11.2) aufweist, wobei die Spule und der Magnet durch Anlegen einer elektrischen Anregespannung an die Spule eine Relativbewegung zueinander verursachen und somit eine Messrohrschwingung erzeugen,wobei die Spule eine Spuleninduktivität aufweist, wobei eine magnetische Umgebung (11.3) der Spule eine magnetische Wirkung auf die Spule aufweist,dadurch gekennzeichnet, dassin einem ersten Verfahrensschritt (101) ein Referenzwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird,wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (102) ein Istwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird,wobei in einem dritten Verfahrensschritt (103) eine Aussage zum Zustand des Coriolis-Messgeräts abgeleitet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Coriolis-Messgeräts
• Coriolis-Messgeräte wie beispielsweise in der DE102015120087A1 gezeigt, weisen Messrohre auf, durch welche ein Medium strömt, dessen Dichte bzw. Massedurchfluss gemessen werden soll. Mittels eines Erregers werden dabei Messrohrschwingungen erzeugt, welche von Sensoren erfasst werden, wobei aus Schwingungseigenschaften Messwerte für Dichte und Massedurchfluss hergeleitet werden können.
• Die vom Erreger erzeugten Messrohrschwingungen sowie die von Sensoren erzeugten Messsignale sind von elektrischen sowie magnetischen Eigenschaften des Coriolis-Messgeräts abhängig, welche jedoch nicht stabil sind.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands des Coriolis-Messgeräts vorzuschlagen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
• Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Coriolis-Messgeräts zum Erfassen von mindestens einer Messgröße eines Mediums umfasst das Coriolis-Messgerät zumindest folgendes:
• mindestens ein Messrohr zum Führen des Mediums;
• mindestens einen Erreger zum Erzeugen von Messrohrschwingungen;
• mindestens zwei Sensoren zum Erfassen der Messrohrschwingungen;
• eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben des Erregers, zum Erfassen von Messsignalen der Sensoren und Bereitstellen von Messwerten der Messgröße,
• wobei der Erreger mindestens eine Spule und mindestens einen Magnet aufweist, wobei die Spule und der Magnet durch Anlegen einer elektrischen Anregespannung an die Spule eine Relativbewegung zueinander verursachen und somit eine Messrohrschwingung erzeugen,
• wobei die Spule eine Spuleninduktivität aufweist, wobei eine magnetische Umgebung der Spule eine magnetische Wirkung auf die Spule aufweist,
• wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Referenzwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird,
• wobei in einem zweiten Verfahrensschritt ein Istwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird,
• wobei in einem dritten Verfahrensschritt aus dem Istwert eine Aussage zum Zustand des Coriolis-Messgeräts abgeleitet wird.
• In einer Ausgestaltung ist die Aussage zum Zustand ein Merkmal aus folgender Liste ist:
• Alterung der magnetischen Umgebung,
• Änderung einer Positionierung der Spule und/oder des Magnets relativ zu einer Ausgangsposition auf einer Zeitskala größer als eine Sekunde.
• In einer Ausgestaltung wird der Istwert während einer stabilen Messrohrschwingung bestimmt.
• In einer Ausgestaltung wird der Istwert während einer instabilen Messrohrschwingung aus einem Verhältnis eines Erwartungswerts des Imaginärteils einer Erregerimpedanz und eines Erwartungswerts einer Messrohrschwingungsfrequenz berechnet,
  wobei die Erregerimpedanz aus einem Verhältnis einer Erregerspannung und einem Erregerstrom gebildet wird.
• In einer Ausgestaltung wird aus von den Sensoren bestimmten Schwingungsamplituden und der mittels des Erregers bestimmten Schwingungsamplitude ein Vorliegen einer Asymmetrie der Messrohrschwingung überprüft und gegebenenfalls vermessen.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
• 1 beschreibt einen Aufbau eines beispielhaften Coriolis-Messgeräts mit einem beispielhaften Coriolis-Messaufnehmer;
• 2 a) und 2 b) skizzieren Anordnungen eines beispielhaften Erregers an mindestens einem Messrohr;
• 3 beschreibt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 1 skizziert den Aufbau eines beispielhaften erfindungsgemäßen Coriolis-Messgeräts 1 mit einem beispielhaften erfindungsgemäßen Coriolis-Messaufnehmer 15, wobei der Coriolis-Messaufnehmer ein Schwingungssystem mit zwei Messrohren 10 mit jeweils einem Einlauf und einem Auslauf, einen Trägerkörper 14 zum Tragen der Messrohre, einen Erreger 11, und zwei Sensoren 12 aufweist. Der Erreger ist dazu eingerichtet, die beiden Messrohre senkrecht zu einer jeweils durch die bogenförmig ausgestalteten Messrohre definierten Messrohrlängsebene zum Schwingen anzuregen. Die Sensoren sind dazu eingerichtet, die den Messrohren aufgeprägte Schwingung zu erfassen. Der Coriolis-Messaufnehmer ist mit einem Elektronikgehäuse 80 des Coriolis-Messgeräts verbunden, welches dazu eingerichtet ist, eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 13 zu behausen, welche Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, den Erreger sowie die Sensoren zu betrieben und auf Basis von mittels der Sensoren gemessenen Schwingungseigenschaften des Messrohrs Durchflussmesswerte und/oder Dichtemesswerte zu ermitteln und bereitzustellen. Der Erreger sowie die Sensoren sind mittels elektrischer Verbindungen 19 mit der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung verbunden. Die elektrischen Verbindungen 19 können jeweils durch Kabelführungen zusammengefasst sein. Ein in den Messrohren befindliches Medium beeinflusst unter anderem in Abhängigkeit von einem Massedurchfluss des Mediums durch die Messrohre die Schwingungen der Messrohre. Durch Auswertung von durch die Sensoren erzeugten Messsignalen können Messwerte zu Messgrößen des Mediums wie beispielsweise Massedurchfluss oder Diche bestimmt werden.
• Ein erfindungsgemäßes Coriolis-Messgerät ist nicht auf das Vorhandensein zweier Messrohre beschränkt. So kann die Erfindung bei einem Coriolis-Messgerät mit beliebig vielen Messrohren, beispielsweise auch bei einem Einrohr- oder Vierrohr-Messgerät umgesetzt werden, bei welchem das Vierrohr-Messgerät zwei Messrohrpaare aufweist.
• Anders als hier gezeigt, können die Messrohre auch gerade ausgestaltet sein und beispielsweise dazu eingerichtet sein laterale oder torsionale Schwingungen durchzuführen.
• 2 a) skizziert eine beispielhafte Anordnung eines Erregers eines Coriolis-Messgeräts mit zwei Messrohren 10, wobei der Erreger 11 eine Spule 11.1 und einen Magnet 11.2 aufweist, wobei Spule und Magnet jeweils an einem Messrohr angeordnet bzw. befestigt sind. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung werden über magnetische Kräfte zwischen Magnet und Spule Schwingungen der Messrohre gegeneinander erzeugt.
• 2 b) skizziert eine beispielhafte Anordnung eines Erregers eines Coriolis-Messgeräts mit einem Messrohr 10, bei welchem der Magnet 11.2 am Messrohr angeordnet bzw. befestigt ist und die Spule 11.1 an einer Halterung 11.4 befestigt ist. Alternativ kann auch der Magnet an der Halterung und die Spule am Messrohr befestigt sein.
• Die Spule ist dabei wie in 2 a) und 2 b) gezeigt mittels elektrischer Leitungen 19 mit der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung verbunden, womit eine elektronische Messschaltung gebildet ist. Eine Wirkung bzw. Induktivität L der Spule auf die Messchaltung setzt sich zusammen aus einer bekannten Selbstinduktivität Ls und einer Wirkung Lu entstehend aus einer magnetischen Wechselwirkung der Spule mit einer unmittelbaren Umgebung, beispielsweise mit einer Wandung des mindestens einen Messrohrs.
• Ein Zusammenhang zwischen einem Erregerspannung U und einem Erregerstrom I lässt sich dabei beispielsweise folgendermaßen beschreiben: $$\text{U}\left(\text{s}\right)=\text{R*I}\left(\text{s}\right)+\text{L*s*I}\left(\text{s}\right)+{\text{F}}_{\text{R}}\left(\text{s}\right)*\text{s*I}\left(\text{s}\right)=\text{I}\left(\text{s}\right)*\left(\text{R}+\text{L*s}+{\text{F}}_{\text{R}}\left(\text{s}\right)*\text{s}\right),$$

  

  wobei R ein ohmscher Widerstand der Messschaltung, s = j * ω mit j als komplexe Einheit, und F_R(s) ein Faktor ist, der die Reaktion des mindestens einen Messrohrs auf den Erregerstrom beschreibt.
• F_R(s) setzt sich dabei beispielsweise folgendermaßen zusammen: $${\text{F}}_{\text{R}}\left(\text{s}\right)=\left(\text{A*E2*N}\right)/\left(1+\text{s/}\left({\mathrm{\omega }}_{\text{R}}*\text{Q}\right)+\text{s2/}\mathrm{\omega }2\right)$$

  

  mit
  A als Anzahl der Messrohre, E als Erregereffizienz, N als Nachgiebigkeit des mindestens einen Messrohrs, ω_R als Resonanzfrequenz einer Grundmode des mindestens einen Messrohrs, Q als Qualitätsfaktor des Messrohrs und ω als Anregefrequenz. $$\text{F}\ddot{\text{u}}\text{r}\mathrm{\omega =}{\omega }_{\text{R}}\text{gilt s}=\text{j*}{\mathrm{\omega }}_{\text{R}}{\text{und somit F}}_{\text{R}}\left(\text{s}\right)=-\text{A*E2*N*j*Q}$$

  
• Die Nachgiebigkeit ist dabei antiproportional zu einer Messrohrsteifigkeit, insbesondere einer modalen Messrohrsteifigkeit. Q beschreibt eine Schwingungsgüte des Messrohrs. Die Schwingungsgüte wird dabei besser und Q größer, je länger eine Abklingzeit eines auf Resonanzfrequenz angeregten Messrohrs ist.
• Die Resonanzfrequenz bestimmt sich dabei aus dem zur Herstellung des Messrohrs verwendeten Materials, gegebenenfalls dem Herstellungsverfahren sowie aus geometrischen Parametern des Messrohrs wie beispielsweise Messrohrdurchmesser und Wandstärke.
• Es gilt dabei: X(s) = F_R(s) * I(s) / A mit X(s) als mechanische Auslenkung eines Messrohrs bezüglich einer Ruheposition ohne Krafteinwirkung.
• Ein Fachmann kann dabei auch weitere Einflüsse wie beispielsweise eine Temperaturabhängigkeit von R oder gegebenenfalls Einflüsse höherer Ordnung des Erregerstroms berücksichtigen.
• Aus dem oben aufgeführten Zusammenhang lässt sich für den Fall, dass ω = ω_R gilt folgendes herleiten: $$\text{U}\left(\text{s}\right)\text{/I}\left(\text{s}\right)=\text{R}+\text{L*s}+{\text{F}}_{\text{R}}\left(\text{s}\right)=\text{T}\left(\text{s}\right)=\text{R+L*j*}{\mathrm{\omega }}_{\text{R}}+\text{A*E2*N*Q}\text{.}$$

  
• Daraus folgt, dass L = lm(T(j * ω_R)) / ω_R, also, dass die Wirkung L der Spule aus dem Imaginärteil der Impedanz U(s) / l(s) = T(s) bei ω = ω_R berechnet werden kann.
• Aus der somit bestimmten Wirkung L kann aus der bekannten Selbstinduktivität Ls auf die Wirkung Lu der unmittelbaren Umgebung rückgeschlossen werden. Falls beispielsweise der Magnet oder die Umgebung altert und somit seine Wirkung ändert, kann dies über ein verändertes Lu erkannt werden.
• 3 beschreibt den Ablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens 100, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt 101 mittels der Erregerspannung U und dem Erregerstrom I ein Referenzwert der magnetischen Wirkung Lu der magnetischen Umgebung 11.3 bestimmt wird.
• In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird ein Istwert von Lu bestimmt, welcher anschließend mit dem Referenzwert verglichen wird.
• In einem dritten Verfahrensschritt 103 wird eine Aussage zu einem Zustand des Coriolis-Messgeräts abgeleitet. Dies kann beispielsweise folgendes betreffen:
• eine Alterung der magnetischen Umgebung,
In einer Ausgestaltung wird beim Vergleich von Istwert und Referenzwert ein zeitlicher Verlauf des Istwerts mit einbezogen. So ist aus dem Verlauf eine Differenzierung der Aussage zum Zustand möglich. Beispielsweise kann eine graduelle Änderung auf eine Alterung hindeuten, beispielsweise kann eine abrupte Änderung auf eine Änderung der Positionierung hindeuten.
• Bezugszeichenliste

1

Coriolis-Messgerät

10

Messrohr

11

Erreger

11.1

Spule

11.2

Magnet

11.3

magnetische Umgebung

11.4

Halterung

12

Sensor

13

elektronische Mess-/Betriebsschaltung

14

Trägerkörper

15

Coriolis-Messaufnehmer

19

elektrische Leitungen

80

Elektronikgehäuse

100

Verfahren

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015120087 A1 [0002]

Claims (5)

1. Verfahren (100) Bestimmen eines Zustands eines Coriolis-Messgeräts (1) zum Erfassen von mindestens einer Messgröße eines Mediums, wobei das Coriolis-Messgerät folgendes umfasst: mindestens ein Messrohr (10) zum Führen des Mediums; mindestens einen Erreger (11) zum Erzeugen von Messrohrschwingungen; mindestens zwei Sensoren (12) zum Erfassen der Messrohrschwingungen; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (13) zum Betreiben des Erregers, zum Erfassen von Messsignalen der Sensoren und Bereitstellen von Messwerten der Messgröße, wobei der Erreger mindestens eine Spule (11.1) und mindestens einen Magnet (11.2) aufweist, wobei die Spule und der Magnet durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Spule eine Relativbewegung zueinander verursachen und somit eine Messrohrschwingung erzeugen, wobei die Spule eine Spuleninduktivität aufweist, wobei eine magnetische Umgebung (11.3) der Spule eine magnetische Wirkung auf die Spule aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt (101) ein Referenzwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (102) ein Istwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt (103) aus dem Istwert eine Aussage zum Zustand des Coriolis-Messgeräts abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aussage zum Zustand ein Merkmal aus folgender Liste ist: Alterung der magnetischen Umgebung (11.3), Änderung einer Positionierung der Spule und/oder des Magnets relativ zu einer Ausgangsposition auf einer Zeitskala größer als eine Sekunde.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Istwert während einer stabilen Messrohrschwingung bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Istwert während einer instabilen Messrohrschwingung aus einem Verhältnis eines Erwartungswerts des Imaginärteils einer Erregerimpedanz und eines Erwartungswerts einer Messrohrschwingungsfrequenz berechnet wird, wobei die Erregerimpedanz aus einem Verhältnis einer Erregerspannung und einem Erregerstrom gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei aus von den Sensoren (12) bestimmten Schwingungsamplituden und einer mittels des Erregers (11) bestimmten Schwingungsamplitude ein Vorliegen einer Asymmetrie der Messrohrschwingung überprüft und gegebenenfalls vermessen wird.

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