DE102022131692A1

DE102022131692A1 - Coriolis-Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102022131692A1
Application number: DE102022131692.0A
Authority: DE
Inventors: Rémy Scherrer; Daniel Richner
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2024-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Durchflussmessgerät (1) zum Ermitteln einer zeitlich veränderlichen Prozessgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend ein Messrohr (2) zum Führen des Mediums, ein Erregersystem zum Anregen des Messrohres (2) zu mechanischen Schwingungen, ein Sensorsystem (4) zum Detektieren der mechanischen Schwingungen des Messrohres (2), wobei das Sensorsystem (4) dazu eingerichtet ist, wenigstens ein erstes Sensorsignal s1 und ein zweites Sensorsignal s2 zu erzeugen und eine, insbesondere mittels wenigstens einen Mikroprozessor gebildete, Mess- und/oder Betriebsschaltung (5), wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, das Erregersystem mit einem Erregersignal zu betreiben, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) einen Allpass-Filter mit einem Filterkoeffizienten α umfasst, der dazu eingerichtet ist das erste Sensorsignal s1 zu empfangen und ein gefiltertes erstes Sensorsignal s1* zu erzeugen, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, das gefilterte erste Sensorsignal s1* und das zweite Sensorsignal s2 zu empfangen, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) eine Reglerschaltung (15) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2, oder einer von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 abgeleiteten Größe den Filterkoeffizienten α so zu regeln, dass ein Regelkriterium erfüllt ist, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, aus dem Filterkoeffizienten α einen die Prozessgröße repräsentierenden ersten Messwert zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Durchflussmessgerät zum Ermitteln einer zeitlich veränderlichen Prozessgröße eines fließfähigen Mediums.
Feldgeräte der Prozessmesstechnik mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp und besonders Coriolis-Durchflussmessgeräte sind seit vielen Jahren bekannt. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Messgerätes wird beispielsweise in der EP 1 807 681 A1 beschrieben, wobei auf den Aufbau eines gattungsgemäßen Feldgeräts im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf diese Druckschrift vollumfänglich Bezug genommen wird.
Typischerweise weisen Coriolis-Durchflussmessgeräte zumindest ein oder mehrere schwingfähige Messrohre auf, welche mittels eines Schwingungserregers in Schwingung versetzt werden können. Diese Schwingungen übertragen sich über die Rohrlänge und werden durch die Art des im Messrohr befindlichen fließfähigen Mediums und dessen Durchflussgeschwindigkeit variiert. Ein Schwingungssensor oder insbesondere zwei voneinander beabstandete Schwingungssensoren können an einer anderen Stelle des Messrohres die variierten Schwingungen in Form eines Sensorsignal oder mehrerer Sensorsignale aufnehmen. Aus dem Sensorsignal oder den Sensorsignalen kann eine Mess- und/oder Betriebsschaltung sodann den Massenstrom, die Viskosität und/oder die Dichte des fließenden Mediums ermitteln.
Für die Ermittlung des Massenstromes ṁ ist es üblich die folgende Formel zu verwenden: $\dot{m} = k \cdot t a n (Δ φ / 2) / 2 π f$
Dabei ist f die Treiberfrequenz des Erregersignales, Δφ die Phasendifferenz zwischen zwei gemessenen Sensorsignalen und k ein Kalibrationsfaktor. Mit diesem Ansatz lässt sich der Massenstrom sehr genau für stabile Durchflüsse bestimmen. Nachteilig daran ist, dass sich das Messsystem bei gestörten Bedingungen - wie sie beispielsweise bei Multiphasen im Medium auftreten - und somit bei einer zeitlich instabilen Treiberfrequenz und Amplitude, nicht mehr in einem harmonischen Betriebsmodus befindet und die obige Formel nicht mehr ausreichend genau oder gar ungültig ist. Weiterhin kann es zu einem zeitlichen Versatz zwischen der ermittelten Phasendifferenz Δφ und der Treiberfrequenz f kommen, d.h. dass die für den Messwert der Prozessgröße angenommene Treiberfrequenz f nicht mit der tatsächlich zum Zeitpunkt der Messung der Sensorsignale für die Ermittlung der Phasendifferenz Δφ vorliegende Treiberfrequenz f übereinstimmt. Dies führt zu einer Verfälschung des ermittelten Prozessgröße.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe vor, dem Problem abzuhelfen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Coriolis-Durchflussmessgerät zum Ermitteln einer zeitlich veränderlichen Prozessgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend:

- ein Messrohr zum Führen des Mediums;
- ein Erregersystem zum Anregen des Messrohres zu mechanischen Schwingungen;
- ein Sensorsystem zum Detektieren der mechanischen Schwingungen des Messrohres,
- wobei das Sensorsystem dazu eingerichtet ist, wenigstens ein erstes Sensorsignal und ein zweites Sensorsignal zu erzeugen,
- eine, insbesondere mittels wenigstens einen Mikroprozessor gebildete, Mess- und/oder Betriebsschaltung,
- wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, das Erregersystem mit einem Erregersignal zu betreiben,
- wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung einen Allpass-Filter mit einem Filterkoeffizienten α umfasst, der dazu eingerichtet ist das erste Sensorsignal zu empfangen und ein gefiltertes erstes Sensorsignal zu erzeugen,
- wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung eine Reglerschaltung umfasst, die dazu eingerichtet ist, das gefilterte erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu empfangen,
- wobei die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem gefilterten ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal, oder einer von dem gefilterten ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal abgeleiteten Größe den Filterkoeffizienten α so zu regeln, dass ein Regelkriterium erfüllt ist,
- wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, aus dem Filterkoeffizienten α einen die Prozessgröße repräsentierenden ersten Messwert zu erzeugen.

Dies führt dazu, dass der die Prozessgröße repräsentierende erste Messwert (z.B. Massenstrom, Viskosität, Dichte) nicht mehr analytisch ermittelt wird, sondern sich aus den beiden Sensorsignalen und dem über die Regelung ermittelten Filterkoeffizienten α ergibt. Mit Hilfe des Regelns des Allpass-Filters über den Filterkoeffizienten α bspw. derart, dass das gefilterte erste Sensorsignal mit dem zweiten Sensorsignal innerhalb Toleranzgrenzen übereinstimmt, wird erreicht, dass die Information des die Prozessgröße repräsentierenden ersten Messwertes auf den Filterkoeffizienten α projiziert wird. Der Filterkoeffizient α beschreibt demnach den Einfluss der zu bestimmenden Prozessgröße auf das Sensorsignal und ist somit proportional dazu. Wird der die Prozessgröße repräsentierende erste Messwert in Abhängigkeit mittels des Filterkoeffizient α ermittelt, reduziert sich nicht nur der Messfehler, sondern auch die Notwendigkeit einer zeitgenauen Synchronisation der Treiberfrequenz f mit der Phasendifferenz Δφ. Somit wird verhindert, dass es bei starken Frequenzfluktuationen zu dynamischen Nullpunkt Verschiebungen kommt.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, den Filterkoeffizienten α mittels eines Least-Mean-Squares-Algorithmuses und/oder mittels eines Recursive-Least-Squares-Algorithmuses zu ermitteln.
Die Reglerschaltung ist vorzugsweise ortsnah an dem Sensorsystem angeordnet, damit das Sensorsignal nur einen geringen Weg bis zur Reglerschaltung zurücklegt. Das Sensorsignal wird weiterhin vorzugsweise direkt nach dem Erzeugen an der Reglerschaltung bereitgestellt, so dass es zu keinem zeitlichen Delay kommt, der ansonsten auftritt, wenn das Sensorsignal erst die Elektronikkomponenten zur Bildung der Phasendifferenz durchlaufen muss.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Reglerschaltung einen PID-Regler umfasst, der dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem gefilterten ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal oder der von dem gefilterten ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal abgeleiteten Größe den Filterkoeffizienten α so zu regeln, dass das Regelkriterium erfüllt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Prozessgröße den Massenstrom des Mediums umfasst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Erregersignal eine Treiberfrequenz f aufweist,
wobei die Treiberfrequenz f nicht in die Bestimmung des die Prozessgröße, insbesondere den Massenstrom, des Mediums repräsentierenden ersten Messwertes eingeht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Regelkriterium umfasst, dass eine Abweichung zwischen dem gefilterten ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal einen Sensorsignal-Sollwert annimmt oder kleiner als ein Sensorsignal-Grenzwert ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, eine Phasendifferenz Δφ zwischen dem gefilterten ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal zu ermitteln,
wobei die abgeleitete Größe der Phasendifferenz Δφ entspricht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Regelkriterium umfasst, dass die Phasendifferenz Δφ einem Phasendifferenz-Sollwert und/oder kleiner einem Phasendifferenz-Grenzwert entspricht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass in die Erzeugung des die Prozessgröße, insbesondere des Massenstromes, repräsentierenden ersten Messwertes zusätzlich ein, insbesondere werkseitig, ermittelter Kalibrationsfaktor k eingeht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, aus dem Filterkoeffizienten α einen aktuellen Prozesszustand zu ermitteln und optional auszugeben.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der aktuelle Prozesszustand das Vorliegen von Gasblasen im Medium umfasst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist:

- in einem ersten Betriebsmodus ein die Prozessgröße repräsentierender zweiter Messwert in Abhängigkeit einer Phasendifferenz Δφ zwischen dem ersten Sensorsignal bzw. dem gefilterten ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal und der Treiberfrequenz f zu bestimmen und auszugeben,
- in einem zweiten Betriebsmodus der die Prozessgröße repräsentierende erste Messwert in Abhängigkeit des Filterkoeffizienten α zu bestimmen und auszugeben.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu schalten, wenn eine Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert einen Sollwert annimmt und/oder außerhalb eines Toleranzbereiches liegt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Anwesenheit von Gasblasen durch einen Abgleich des ersten Signales und des zweiten Signales zu ermitteln.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist:

- ein die Prozessgröße, insbesondere den Massenstrom, repräsentierender zweiter Messwert in Abhängigkeit einer Phasendifferenz Δφ zwischen dem gefilterten ersten Sensorsignal bzw. ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal und der Treiberfrequenz f zu bestimmen,
- den zweiten Messwert in Abhängigkeit des Filterkoeffizienten α oder des ersten Messwertes zu korrigieren, und
- den korrigierten zweiten Messwert auszugeben.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Allpass-Filter derart ausgebildet ist, dass die mathematische Beziehung zwischen dem ersten Sensorsignal und dem gefilterten ersten Sensorsignal über eine Übertragungsfunktion H(s) = (1 - a · s)/(1 + α · s) mit einem Laplace-Index s beschreibbar ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: ein Schema eines Coriolis-Durchflussmessgerätes nach dem Stand der Technik; und
2: ein Schema zweier erfindungsgemäßer Coriolis-Durchflussmessgeräte.

1 zeigt ein Schema eines Coriolis-Durchflussmessgerätes 1 nach dem Stand der Technik. Das Coriolis-Durchflussmessgerät 1 zum Ermitteln einer zeitlich veränderlichen Prozessgröße eines fließfähigen Mediums umfasst ein Messrohr 2 zum Führen des Mediums. Abgebildet wird genau ein gerades Messrohr 3. Der Einsatz gebogener und/oder mehrerer Messrohre ist jedoch bereits bekannt. Der erfindungsgemäße Kerngedanke der Erfindung lässt sich auf jegliche Form und Anzahl der Messrohre anwenden.
In Wirkung mit dem Messrohr 2 steht ein Erregersystem 3 zum Anregen des Messrohres 2 zu mechanischen Schwingungen. Dafür eignen sich eine oder mehrere Erregerspulen pro Messrohr, die mittels einer Haltevorrichtung am Messrohr, im Gehäuse des Coriolis-Durchflussmessgerätes oder einer dafür vorgesehenen Anordnung im Gehäuseinneren angeordnet ist. Die Erregerspule steht in der Regel in Wirkung mit einem direkt am Messrohr oder über eine Haltevorrichtung angeordneten Magneten. Es sind jedoch auch davon abweichende Erregersysteme bekannt. So kann das Erregersystem auch in mechanischen Kontakt mit dem Messrohr 2 stehen und dazu ausgebildet und eingerichtet sein, das eigene Schwingverhalten auf das Messrohr 2 zu übertragen. Die Eigenart des Erregersystems 3 ist jedoch nicht erfindungswesentlich.
Das Coriolis-Durchflussmessgerät 1 umfasst weiterhin ein Sensorsystem 4 zum Detektieren der mechanischen Schwingungen des Messrohres 2. Das Sensorsystem 4 umfasst üblicherweise zwei Sensorspulen pro Messrohr, welche jeweils mit einem auf dem Messrohr 2 angeordneten Magneten in Wirkung stehen. Die Sensorspulen können - ebenfalls wie die Erregerspulen - mittels einer Haltevorrichtung am Messrohr 2, im Gehäuse (nicht abgebildet) des Coriolis-Durchflussmessgerätes 1 oder einer dafür vorgesehenen Anordnung (nicht abgebildet) im Gehäuseinneren des Gehäuses angeordnet sein. Die Sensorspulen sind üblicherweise in Fließrichtung des Mediums versetzt zueinander angeordnet. Dabei ist die Erregerspule in Fließrichtung des Mediums zwischen den beiden Sensorspulen angeordnet. Es sind jedoch auch davon abweichende Sensorsysteme bekannt. So kann auch eine Detektion der mechanischen Schwingungen des Messrohres 2 über optische Sensoren erfolgen. Die Eigenart des Sensorsystems 4 ist hierbei nicht erfindungswesentlich. Das Sensorsystem 4 ist dazu eingerichtet, wenigstens ein erstes Sensorsignal s1 und ein zweites Sensorsignal s2 zu erzeugen, wobei das erste Sensorsignal s1 und das zweite Sensorsignal s2 das aktuelle Schwingverhalten des Messrohres 2 an zwei unterschiedlichen, in Strömungsrichtung versetzte Positionen beschreiben.
In der abgebildeten Ausgestaltung umfasst das Sensorsystem 4 zwei Sensorspulen und das das Erregersystem eine Erregerspule. Die Positionierung der zwei Sensorspulen und der Erregerspule ist zum Zwecke einer übersichtlicheren Darstellung des Schemas so gewählt und entspricht nicht einer tatsächlich notwendigen Anordnung. Das erste Sensorsignal s1 wird an einer der beiden Sensorspulen bereitgestellt und das zweite Sensorsignal s2 wird an der entsprechend anderen Sensorspule bereitgestellt.
Das Erregersystem 3 und das Sensorsystem 4 stehen in Verbindung mit einem, insbesondere wenigstens einen Mikroprozessor und Elektronikkomponenten (beispielsweise umfassend einen Transistor, einen elektrischen Widerstand, einen Kondensator, einen Mischer, einen Filter und/oder einen Mikrocontroller) umfassende, Mess- und/oder Betriebsschaltung 5. Die Mess- und/oder Betriebsschaltung 5 umfasst in der abgebildeten Ausgestaltung eine Kontrolleinheit 6, welche dazu eingerichtet ist ein Erregersignal mit einer Treiberfrequenz f und einer Erregeramplitude I₀ bereitzustellen und damit das Erregersystem zu betreiben. In der abgebildeten Ausgestaltung ist das Erregersignal beschreibbar durch I_exc = I₀ · cos(2πft), wobei es sich bei der Erregeranmplitude um einen maximalen Erregerspulenstrom und bei I_exc den zeitlich abhängigen aktuellen Erregerspulenstrom handelt. Die Treiberfrequenz f und die Erregeramplitude I₀ sind regelbare Größen. Die Kontrolleinheit 6 ist dazu eingerichtet, die Erregeramplitude I₀ und den zeitlich variierenden (periodischen) Anteil des Erregersignals - in Form von cos(2πft) - an einen Mischer 16 bereitzustellen, welcher aus den beiden Teilen das Erregersignal erstellt und dieses an das Erregersystem 3 weiterleitet. Weiterhin ist die Kontrolleinheit 6 mit vier weiteren Mischern 9a-d in elektrischer Verbindung. Dabei ist die Kontrolleinheit 6 dazu eingerichtet, an den Mischern 9a, 9c ein cos(2πft) Signal und an den Mischern 9b, 9c ein sin(2πft) Signal bereitzustellen. Weiterhin ist die Kontrolleinheit 6 dazu eingerichtet, die aktuelle Treiberfrequenz f an eine Recheneinheit 8 zu übermitteln. Die Recheneinheit 8 ist ebenfalls Teil der Mess- und/oder Betriebsschaltung 5 und dazu eingerichtet, den Massenstrom ṁ zumindest in Abhängigkeit der bereitgestellten Treiberfrequenz f zu bestimmen. Die Treiberfrequenz f wird ausgegeben bzw. geht in die Bestimmung weiterer Prozessgrößen ein.
Das erste Sensorsignal s1 lässt sich durch s1 = ŝ1 · cos(2πft + φ₁) beschreiben. Dabei ist φ₁ die erste Phase und ŝ1 die erste Signalamplitude. Das erste Sensorsignal s1 geht an die, insbesondere multiplikativen, Mischer 9a, 9b zur Frequenzumsetzung. Der Mischer 9a ist dazu eingerichtet das erste Sensorsignal s1 mit einem Sinus-Anteil zu beaufschlagen. So kann der Mischer 9a zum Beispiel dazu eingerichtet sein, das erste Sensorsignal s1 mit einer Sinus Funktion sin(2πft) zu multiplizieren. Der Mixer 9b ist dazu eingerichtet das erste Sensorsignal s1 mit einem Kosinus Anteil zu beaufschlagen. So kann der Mischer 9b dazu eingerichtet sein, das erste Sensorsignal s1 mit einer Kosinus Funktion cos(2πft) zu multiplizieren. Das Ergebnis der beiden Mischer 9a, 9b wird jeweils an einen Filter 10a, 10b bereitgestellt. Bei den Filtern 10a, 10b kann es sich beispielsweise um Tiefpass-Filter handeln. Diese können dazu eingerichtet sein, die 2f Komponente des Sensorsignales zu eliminieren. Weiterhin sind die Filter 10a, 10b dazu eingerichter die Bandbreite des eingegangenen Sensorsignales zu limitieren um den Rauschanteil zu reduzieren. Die gefilterten Ergebnisse werden an einer Recheneinheit 11a bereitgestellt, die dazu geeignet und eingerichtet ist, einen Algorithmus auszuführen. Bei den Algorithmus kann es sich beispielsweise um einen iterativen Algorithmus, insbesondere um einen Coordinate Rotation Digital Computer Algorithmus handeln, mit dem mathematische Funktionen ausgeführt werden kann. Der Algorithmus ist derart ausgestaltet und dazu eingerichtet, die erste Phase φ₁ und die erste Signalamplitude ŝ1 zu ermitteln. Die erste Signalamplitude ŝ1 kann ausgegeben bzw. für die Bestimmung einer weiteren Prozessgröße eingesetzt werden.
Das zweite Sensorsignal s2 lässt sich durch s2 = ŝ2 · cos(2πft + φ₂) beschreiben. Dabei ist φ₂ die zweite Phase und ŝ2 die zweite Signalamplitude. Die zweite Phase φ₂ ist bei fließenden Medium um eine Phasendifferenz Δφ von der ersten Phase φ₁ versetzt. Das zweite Sensorsignal s2 geht an die, insbesondere multiplikativen Mischer 9c, 9d. Der Mischer 9c ist dazu eingerichtet das zweite Sensorsignal s2 mit einem Sinus-Anteil zu beaufschlagen. So kann der Mischer 9a zum Beispiel dazu eingerichtet sein, das zweite Sensorsignal s2 mit einer Sinusfunktion sin(2πft) zu multiplizieren. Der Mixer 9b ist dazu eingerichtet, das zweite Sensorsignal s2 mit einem Kosinus Anteil zu beaufschlagen. So kann der Mischer 9b dazu eingerichtet sein, das zweite Sensorsignal s2 mit einer Kosinus Funktion cos(2πft) zu multiplizieren. Das Ergebnis der beiden Mischer 9c, 9d wird jeweils an einen Filter 10c, 10d bereitgestellt. Bei den Filtern 10c, 10d kann es sich beispielsweise um Tiefpass-Filter handeln. Die gefilterten Ergebnisse werden an einer Recheneinheit 11b bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, einen Algorithmus auszuführen. Bei den Algorithmus kann es sich beispielsweise um einen iterativen Algorithmus, insbesondere um einen Coordinate Rotation Digital Computer Algorithmus handeln, mit dem mathematische Funktionen ausgeführt werden kann. Der Algorithmus ist derart ausgestaltet und dazu eingerichtet, die zweite Phase φ₂ und die zweite Signalamplitude ŝ2 zu ermitteln. Die zweite Signalamplitude ŝ2 kann ausgegeben bzw. für die Bestimmung einer weiteren Prozessgröße eingesetzt werden. Die erste Phase φ₁ und die zweite Phase φ₂ werden jeweils an einem Filter 12a, 12b bereitgestellt. Die Filter 12a, 12b sind dazu eingerichtet, den jeweiligen Rauschanteile der ermittelten Phasen zu reduzieren. Bei den Filtern 12a, 12b kann es sich beispielsweise um Tiefpass-Filter handeln.
Die Mess- und/oder Betriebsschaltung 15 weist weiterhin einen Subtrahierer 13 auf. Die erste Phase φ₁ und die zweite Phase φ₂ gehen in den Subtrahierer 13 ein. Der Subtrahierer 13 ist dazu eingerichtet, die Phasendifferenz Δφ - die proportional zum Massenstrom ṁ ist - zwischen der ersten Phase φ₁ und der zweiten Phase φ₂ zu bestimmen und an eine Recheinheit 8 bereitzustellen. Die Recheneinheit 8 ist dazu eingerichtet, den Massenstrom ṁ in Abhängigkeit der Phasendifferenz Δφ und der bereitgestellten Treiberfrequenz f zu bestimmen. Der Massenstrom ṁ wird basierend auf der Gleichung ṁ = k · tan(Δφ/2)/2πf bestimmt.
2 zeigt ein Schema zweier erfindungsgemäßer Coriolis-Durchflussmessgeräte. Dabei wird die erste Ausgestaltung durch die gestrichelten Linien abgebildet und die zweite Ausgestaltung durch die durchgezogene Linien abgebildet.
Gemäß der ersten Ausgestaltung wird das erste Sensorsignal s1 an einem Allpass Filter 7 bereitgestellt. Ein Allpassfilter 7 ist ein Signalverarbeitungsfilter, der alle Frequenzen gleich stark durchlässt, aber die Phasenbeziehung zwischen den verschiedenen Frequenzen verändert. Der All-Pass Filter 7 ist dazu eingerichtet, das erste Sensorsignal s1 zu empfangen und ein gefiltertes erstes Sensorsignal s1 * zu erzeugen. Dabei gilt für die Übertragungsfunktion H(s) mit der das erste Sensorsignal s1 in das gefilterte erste Sensorsignal s1* überführt wird, dass H(s) = (1 - α · s)/(1 + α · s) ist. Bei s handelt es sich um den Laplace-Index.
Die Mess- und/oder Betriebsschaltung 5 weist eine Reglerschaltung 15 auf, die dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2, oder einer von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 abgeleiteten Größe den Filterkoeffizienten α so zu regeln, dass ein Regelkriterium erfüllt ist. Bei dem Regelkriterium kann es sich um eine Abweichung zwischen dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 handeln, die einen Sensorsignal-Sollwert anzunehmen hat oder die kleiner als ein Sensorsignal-Grenzwert sein soll. Die Reglerschaltung 15 kann erfindungsgemäß dazu eingerichtet sein, den Filterkoeffizienten α mittels eines Least-Mean-Squares-Algorithmuses und/oder mittels eines Recursive-Least-Squares-Algorithmuses zu ermitteln. Alternativ kann die Reglerschaltung 15 einen PID-Regler umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 oder der von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 abgeleiteten Größe den Filterkoeffizienten α so zu regeln, dass das Regelkriterium erfüllt ist.
Die Mess- und/oder Betriebsschaltung 5 umfasst eine Recheneinheit 14, welche dazu eingerichtet ist, aus dem Filterkoeffizienten α einen die Prozessgröße repräsentierenden ersten Messwert zu erzeugen. Für die Bestimmung der die Prozessgröße, insbesondere des Massenstromes, repräsentierenden ersten Messwertes geht zusätzlich ein, insbesondere werkseitig, ermittelter Kalibrationsfaktor k eingeht. Es gilt die Gleichung α = k · m_F. Somit geht die Treiberfrequenz f nicht in die Bestimmung des die Prozessgröße, insbesondere den Massenstrom, des Mediums repräsentierenden ersten Messwertes ein.
Alternativ oder zusätzlich kann die die Mess- und/oder Betriebsschaltung 5, insbesondere die Recheneinheit 14 dazu eingerichtet sein, aus dem Filterkoeffizienten α einen aktuellen Prozesszustand zu ermitteln und optional auszugeben. Ein Beispiel für den zu detektierenden Prozesszustand ist das Vorliegen von Gasblasen im Medium.
Bei der zweiten Ausgestaltung ist die Mess- und/oder Betriebsschaltung 5 dazu eingerichtet ist, eine Phasendifferenz Δφ zwischen dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 zu ermitteln. Dafür wird das erste Sensorsignal s1 am Allpass-Filter bereitgestellt, wo es gefiltert wird. Das gefilterte Sensorsignal s*1 durchläuft die Mischer 9a, 9b, wo es wie für den Stand der Technik beschrieben gemischt wird. Nach dem Mischen durchläuft das mit einem Sinus Anteil beaufschlagte, gefilterte erste Sensorsignal s*1 einen Filter 10a. Der Filter 10a ist dazu eingerichtet, die 2f-Komponente des gemischen Sensorsignals s*1 zu eliminieren und den Rauschanteil zu reduzieren.
Danach wird es an einer Recheneinheit 11a bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist die erste Signalamplitude ŝ*1 des gefilterten ersten Sensorsignals zu bestimmen. Das mit einem Kosinus Anteil beaufschlagte, gefilterte erste Sensorsignal s*1 durchläuft einen Filter 10b. Der Filter 10b ist ebenfalls wie der Filter 10a dazu eingerichtet, die 2f-Komponente des gemischen Sensorsignals s*1 zu eliminieren und den Rauschanteil zu reduzieren. Danach wird es an einer Recheneinheit 11b bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist die gefilterte erste Phase φ*₁ des gefilterten ersten Sensorsignals zu bestimmen. Die gefilterte erste Phase φ*₁ durchläuft weiterhin einen Filter 12a, bevor sie an einem Subtrahierer 13 bereitgestellt wird.
Für die Bestimmung der Phasendifferenz Δφ durchläuft das zweite Sensorsignal s2 die Mischer 9c, 9d, die Filter 10c, 10d, die Recheneinheit 11b und den Filter 12b. Die Verarbeitung des zweiten Sensorsignales s2 entspricht der in der Figurenbeschreibung beschriebenen Verarbeitung. Die ermittelte zweite Phase φ₂ wird am Subtrahierer bereitgestellt. Der Subtrahierer 13 ist dazu eingerichtet die Phasendifferenz Δφ zwischen der gefilterten ersten Phase φ*₁ und der zweiten Phase φ₂ zu ermitteln und an die Regeleinheit 15 bereitzustellen. Die Regeleinheit 15 ist dazu eingerichtet den Filterkoeffizienten α so zu regeln, dass die Phasendifferenz Δφ einem Phasendifferenz-Sollwert und/oder kleiner einem Phasendifferenz-Grenzwert entspricht. Im Speziellen wird der Filterkoeffizienten α so geregelt, dass die Phasendifferenz Δφ minimal oder Null ist. Ebenfalls wie in der vorherigen Ausgestaltung ist die Recheneinheit 14 dazu eingerichtet, die die Prozessgröße repräsentierenden Messwerte in Abhängigkeit des Filterkoeffizienten α und einem Kalibrierfaktor k zu bestimmen
Eine dritte Ausgestaltung kombiniert die Prozesse der beiden vorherigen Ausgestaltungen und fasst diese in unterschiedliche Betriebsmodi. In einem ersten Betriebsmodus wird ein die Prozessgröße repräsentierender zweiter Messwert in Abhängigkeit einer Phasendifferenz Δφ zwischen dem ersten Sensorsignal s1 bzw. dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 und der Treiberfrequenz f bestimmt und optional ausgegeben. Bei dem zweiten Messwert kann es sich um den Massenstrom handeln. In einem zweiten Betriebsmodus wird der die Prozessgröße repräsentierende erste Messwert in Abhängigkeit des Filterkoeffizienten α bestimmt und optional ausgegeben. Die Mess- und/oder Betriebsschaltung 5 ist dazu eingerichtet, von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu schalten, wenn eine Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert einen Sollwert annimmt und/oder außerhalb eines Toleranzbereiches liegt. Der zweiten Messwert kann in Abhängigkeit des Filterkoeffizienten α oder des ersten Messwertes zu korrigiert und der korrigierte zweite Messwert ausgegeben werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Coriolis-Durchflussmessgerät
2: Messrohr
3: Erregersystem
4: Sensorsystem
5: Mess- und/oder Betriebsschaltung
6: Kontrolleinheit
7: All-Pass Filter
8: Recheneinheit
9i: Mischer
10i: Filter
11i: Recheneinheit
12i: Filter
13: Subtrahierer
14: Recheneinheit
15: Reglerschaltung
16: Mischer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1807681 A1 [0002]

Claims

Coriolis-Durchflussmessgerät (1) zum Ermitteln einer zeitlich veränderlichen Prozessgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend: - ein Messrohr (2) zum Führen des Mediums; - ein Erregersystem (3) zum Anregen des Messrohres (2) zu mechanischen Schwingungen; - ein Sensorsystem (4) zum Detektieren der mechanischen Schwingungen des Messrohres (2), wobei das Sensorsystem (4) dazu eingerichtet ist, wenigstens ein erstes Sensorsignal s1 und ein zweites Sensorsignal s2 zu erzeugen, - eine, insbesondere mittels wenigstens einen Mikroprozessor gebildete, Mess- und/oder Betriebsschaltung (5), wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, das Erregersystem mit einem Erregersignal zu betreiben, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) einen Allpass-Filter mit einem Filterkoeffizienten α umfasst, der dazu eingerichtet ist das erste Sensorsignal s1 zu empfangen und ein gefiltertes erstes Sensorsignal s1* zu erzeugen, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) eine Reglerschaltung (15) umfasst, die dazu eingerichtet ist, das gefilterte erste Sensorsignal s1* und das zweite Sensorsignal s2, oder einer von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 abgeleiteten Größe zu empfangen, wobei die Reglerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2, oder einer von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 abgeleiteten Größe den Filterkoeffizienten α so zu regeln, dass ein Regelkriterium erfüllt ist, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, aus dem Filterkoeffizienten α einen die Prozessgröße repräsentierenden ersten Messwert zu erzeugen.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Reglerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, den Filterkoeffizienten α mittels eines Least-Mean-Squares-Algorithmuses und/oder mittels eines Recursive-Least-Squares-Algorithmuses zu ermitteln.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Reglerschaltung (15) einen PID-Regler umfasst, der dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 oder der von dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 abgeleiteten Größe den Filterkoeffizienten α so zu regeln, dass das Regelkriterium erfüllt ist.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozessgröße den Massenstrom des Mediums umfasst.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 4, wobei das Erregersignal eine Treiberfrequenz aufweist, wobei die Treiberfrequenz nicht in die Bestimmung des die Prozessgröße, insbesondere den Massenstrom, des Mediums repräsentierenden ersten Messwertes eingeht.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Regelkriterium umfasst, dass eine Abweichung zwischen dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 einen Sensorsignal-Sollwert annimmt oder kleiner als ein Sensorsignal-Grenzwert ist.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, eine Phasendifferenz Δφ zwischen dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 zu ermitteln, wobei die abgeleitete Größe der Phasendifferenz Δφ entspricht.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 7, wobei das Regelkriterium umfasst, dass die Phasendifferenz Δφ einem Phasendifferenz-Sollwert und/oder kleiner einem Phasendifferenz-Grenzwert entspricht.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die Erzeugung des die Prozessgröße, insbesondere des Massenstromes, repräsentierenden ersten Messwertes zusätzlich ein, insbesondere werkseitig, ermittelter Kalibrationsfaktor k eingeht.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, aus dem Filterkoeffizienten α einen aktuellen Prozesszustand zu ermitteln und optional auszugeben.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 10, wobei der aktuelle Prozesszustand das Vorliegen von Gasblasen im Medium umfasst.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist: - in einem ersten Betriebsmodus ein die Prozessgröße repräsentierenden zweiten Messwert in Abhängigkeit einer Phasendifferenz Δφ zwischen dem ersten Sensorsignal s1 bzw. dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* und dem zweiten Sensorsignal s2 und der Treiberfrequenz f zu bestimmen und auszugeben, - in einem zweiten Betriebsmodus den die Prozessgröße repräsentierenden ersten Messwert in Abhängigkeit des Filterkoeffizienten α zu bestimmen und auszugeben.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 12, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu schalten, wenn eine Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert einen Sollwert annimmt und/oder außerhalb eines Toleranzbereiches liegt.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 13, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist, die Anwesenheit von Gasblasen durch einen Abgleich des ersten Signales und des zweiten Signales zu ermitteln.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und/oder Betriebsschaltung (5) dazu eingerichtet ist: - ein die Prozessgröße, insbesondere den Massenstrom, repräsentierender zweiter Messwert in Abhängigkeit einer Phasendifferenz Δφ zwischen dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* bzw. ersten Sensorsignal s1 und dem zweiten Sensorsignal s2 und der Treiberfrequenz f zu bestimmen, - den zweiten Messwert in Abhängigkeit des Filterkoeffizienten α oder des ersten Messwertes zu korrigieren, und - den korrigierten zweiten Messwert auszugeben.
Coriolis-Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Allpass-Filter derart ausgebildet ist, dass die mathematische Beziehung zwischen dem ersten Sensorsignal s1 und dem gefilterten ersten Sensorsignal s1* über eine Übertragungsfunktion H(s) = (1 - α · s)/(1 + α · s) mit einem Laplace-Index s beschreibbar ist.