DE19723006A1 - Verfahren und Meßeinrichtung mit Sensoranordnung zur Signalerfassung und -verarbeitung bei Wirbel- und Dralldurchflußmessern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßeinrichtung mit Sensoranordnung zur Erfassung von durch Störkörper erzeugte Wirbelfrequenzen bei in Rohrleitungen geführten strömenden Medien, wobei aus der linearen Abhängigkeit der Wirbelfrequenz zur Strömungsgeschwindigkeit der Durchfluß ermittelt wird, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4.

Bei Verfahren dieser Art, wird in die Rohrleitung, die das strömende Medium führt, ein Rohrstück eingesetzt, welch es im Innern einen Störkörper enthält. Dieser Störkörper bewirkt, daß lokal Turbulenzen erzeugt werden. Diese Turbulenzen sind Flüssigkeitsschwingungen, die in gewissen Grenzen linear abhängig sind von der Geschwindigkeit mit der das Medium durch die Rohrleitung strömt. Weitere Parameter, wie Dichte des Mediums, Temperatur etc. spielen ebenfalls eine Rolle. Diese werden üblicherweise über spezielle elektronische Maßnahmen berücksichtigt, so daß aus der Gesamtheit der Durchfluß ermittelt wird.

In einem Sensor dieser Art sind innerhalb einer Sensorhülse mehrere Piezo-Sensoren angeordnet. Die Sensorhülse enthält dabei einen Abschnitt, der in das sogenannte Meßrohr, d. h. in das Medium hineinragt und die dort durch die Turbulenzen erzeugten Schwingungen aufnimmt. Auf diesen Sensorabschnitt wirken demnach Kräfte ein, die eine Biegeschwingung dieses Sensorabschnittes erzeugen. Dem durch die tatsächlich künstlich erzeugten Wirbel bewirkten Schwingungsanteil sind rohrsystembedingte Vibrationen überlagert. Somit sind die von den Piezokristallen in diesem Abschnitt des Sensors aufgenommen Signale nicht nur aus der Biegeschwingung resultierend, sondern enthalten linear überlagert Vibrationsschwingungen. Daher ist der daraus ermittelte Durchflußwert verfälscht.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, die Sensorhülse über einen zweiten Abschnitt aus dem Medium herausragen zu lassen. Ferner sind in diesem Abschnitt ebenfalls Piezo- Sensoren eingesetzt. Diese nehmen aber keine strömungsabhängigen Biegeschwingungen auf, weil sie keine Berührung mit dem strömenden Medium haben. Dieser Abschnitt, bzw. die darin eingebrachten Piezo-Sensoren nehmen lediglich die besagten systeminternen Vibrationsschwingungen auf.

Bei einem Sensor dieser bekannten Art werden innerhalb der Sensorhülse die einzelnen Piezo-Sensoren so verschaltet, daß sich die beiden Schwingungsanteile heraussubtrahieren sollen, derart, daß das von dem Vibrationsschwingungsanteil bereinigte strömungsbedingte Biegeschwingungssignal übrig bleibt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die beiden Schwingungsanteile 1. Biegeschwingung mit Vibrationsschwingung und 2. Vibrationsschwingung alleine, nicht symmetrisch verhalten. Der Grund dafür ist, daß die Schwingungen die mit dem unteren Teilabschnitt der Sensoranordnung registriert werden vom umgebenden Medium bedämpft sind, während dem die Schwingungen im oberen Bereich nahezu kaum bedämpft sind. Eine direkte Summen- bzw. Subtraktionsverschaltung der einzelnen Sensoren bereits innerhalb der Sensorhülse bringt daher nur eine unvollkommene, vor allem eine mit den Flüssigkeitsparametern variable und damit unzuverlässige Kompensation der Vibrationsschwingungsanteile. Diese Asymmetrie bewirkt, daß bereits bei vorhandenem jedoch noch stillstehende Medium bereits ein von Null verschiedener Durchfluß angezeigt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein an sich bekanntes Verfahren bzw. eine an sich vorteilhafte Sensorgestaltung dahingehend zu verbessern, daß nunmehr eine exakte, auf jede Strömungssituation anpassungsfähige Kompensation der Vibrationsschwingungsanteile zum Erhalt eines präzisen durchflußabhängigen Signals möglich ist.

Hinsichtlich eines Verfahrens der gattungsgemäßen Art wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Hinsichtlich einer Meßeinrichtung mit Sensoranordnung der gattungsgemäßen Art wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Das Wesen der Erfindung sowohl in verfahrensmäßiger als auch in einrichtungsmäßiger Hinsicht besteht darin, keine direkte interne Überlagerung bzw. Verschaltung der einzelnen Sensorelemente innerhalb der Sensorhülse vorzunehmen, sondern unter weitgehender Beibehaltung der Sensoranordnung die Sensorsignale für den Biege- und Vibrationsschwingungssignalanteil und von dem reinen Vibrationsschwingungsanteil getrennt aus der Sensorhülse herauszuführen. Getrennt herausführen bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Überlagerung der einzelnen Signale erst außerhalb des Sensors erfolgt. Hierbei kann nun berücksichtigt werden, daß die einzelnen Schwingungssignalanteile ab initio in der bereits beschriebenen Weise unsymmetrisch sind. Die Symmetrierung erfolgt dabei mit Hilfe von elektronischen Mitteln außerhalb des Sensors. Damit wird ein deutlich genaueres und vibrationskompensiertes nunmehr rein auf die Strömung bezogenes Meßsignal extrahiert. Die darauf gestützte Durchflußbestimmung ist dementsprechend genauer.

Die Erfindung ist verfahrensmäßiger Weise prinzipiell und in einrichtungsmäßiger Weise schematisch in der Zeichnung dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 Fig. 1a Mechanischer Aufbau des Sensors;

Fig. 1b Elektrisches Ersatzschaltbild der Sensoranordnung,

Fig. 2 Vorgehensweise bei der Signalverarbeitung der Sensorausgangssignale,

Fig. 3 Sensor im Längsschnitt.

Fig. 1a zeigt den schematischen mechanischen Aufbau des Sensors zur Erfassung der oben bereits beschriebenen Schwingungen. Fig. 1 soll zunächst in einem Ausführungsbeispiel zeigen, wie bei der Verwendung von vier Piezo-Sensoren dieselben angeordnet und verschaltet sind. So zeigt Fig. 1a eine Anordnung mit vier Piezo-Sensoren, die auf einem gemeinsamen keramischen Trägerbalken 4 angeordnet sind. Der jeweils eine Ausgang der Piezo-Sensoren ist über ein Kupferband 6 kurzgeschlossen und wird als gemeinsamer Bezugspol für die beiden im weiteren noch beschriebenen Ausgangsspannungen U_DS und U_S verwendet. Über den Trägerbalken 4 sind die jeweils anderen Ausgänge der Sensoren miteinander verschaltet, so daß sich an einem Ende drei austretende Signaldrähte 3 ergeben. Die Piezo-Sensoren sind, wie dies Fig. 1a zeigt, paarweise jeweils zusammengefaßt, so daß sich zwei Piezo-Elemente auf den unteren Sensorabschnitt 2 und weitere zwei Piezo-Elemente auf den oberen Sensorabschnitt 1 beziehen. Wie im weiteren noch näher ausgeführt, ist mit unterem Sensorabschnitt 2 derjenige gemeint, der vom strömendem Medium schwingungsmäßig beaufschlagt wird, und zusätzlich das durch Vibrationen erzeugte Störsignal überlagert erfaßt. Der obere Sensorabschnitt 1 dagegen ist außerhalb des fließenden Mediums und wird von dem Flüssigkeitswirbelstrom des fließenden Mediums nicht erfaßt, sondern auf ihn wirken nur die Vibrationsschwingungen.

Die entsprechende Verschaltung zeigt das Ersatzschaltbild der Fig. 1 b. So zeigt das linke Ersatzschaltbild den unteren Sensorabschnitt 2, der sodann am Ausgang auch die Wechselspannung U_DS liefert. U_DS bedeutet hier, daß sowohl das durchflußabhängige Schwingungssignal als auch das Störsignal durch Vibration U_S enthalten ist. Der rechte Bildteil von Fig. 1b zeigt ein Ersatzschaltbild für den oberen Sensorabschnitt 1 aus Fig. 1a. Dieser liefert, in der wie zu Fig. 1a beschriebenen Weise, nur das reine durch Vibration erzeugte Störsignal U_S, weil das Sensorelement gemäß Fig. 1a im oberen Abschnitt nicht vom fließenden Medium beaufschlagt wird. In welcher Weise der Sensor als solches montiert werden soll, macht im weiteren Verlauf noch Fig. 3 deutlich. Wesentlich ist jedoch hierbei, daß, wie Fig. 1b zeigt, die einzelnen Sensoren bzw. deren jeweilige Ersatzschaltbilder keine interne Brückenverschaltung mehr zeigen, sondern wesentlich ist hierbei, daß die Brücke nunmehr geöffnet ist und insgesamt drei Leitungen nach außen geführt werden.

Fig. 2 zeigt schematisch die Bearbeitung der entstehenden Signale. Position 1 zeigt hier schematisch nur als Kasten dargestellt, den oberen Sensorteil, der in Fig. 1a mit Positionsnummer 1 bezeichnet ist. Dieser Sensorteil ragt nicht in das strömende, durch den Störkörper verwirbelte Medium hinein, sondern ragt aus dem Rohranschluß derart heraus, daß durch die im strömenden Medium künstlich erzeugten Wirbel keine Biegespannung auf den oberen Sensorteil und die dort angeordneten Piezo-Elemente erzeugt werden können. Lediglich die vom System mechanisch übertragenen Vibrationen werden in diesem oberen Sensorteil 1 wahrgenommen und als entsprechendes Signal U_S, wie in Fig. 1b gezeigt, geliefert. Der untere Sensorteil 2 ist derjenige Abschnitt des Sensors, der in das strömende und durch einen entsprechenden Störkörper lokal verwirbelte Medium hineinragt. Dieser Abschnitt des Sensors wird, wie in Fig. 3 noch gezeigt, auf Biegung beansprucht und die in diesem Abschnitt des Sensors erzeugte Biegeschwingungen wird von den entsprechenden Piezo-Elementen im Abschnitt 2 der Sensoranordnung wahrgenommen und dort die entsprechenden Signale U_DS erzeugt. U_DS entspricht in diesem Abschnitt aber nicht nur dem durch Biegeschwingung erzeugten Signal, sondern dem überlagert ist, wie bereits ausgeführt, ebenfalls die systembedingte Vibrationsschwingung. Somit ist das in diesem Sensorteil 2 erzeugte Signal ein überlagertes bzw. ein Summensignal aus durchflußabhängigem Signal und Störsignal.

Entsprechend der in Fig. 2b prinzipiell dargestellten Ersatzschaltung wird das Signal U_S, bestehend aus der reinen Störkomponente einem Verstärker 10, und das Signal U_DS, bestehend aus Meßsignal und Störsignal, einem Verstärker 11 zugeführt. Die Verstärkerstufen 10, 11 ist zusammenhängend als zweikanaliger Verstärker zu verstehen. Am Ausgang jedes Kanals wird das entsprechende Signal einer elektronischen Einheit 20 zugeführt, die die sogenannte Amplitudensymmetrierung vornimmt. Diese erfolgt indem bei stillstehendem Medium das vibrationsbedingte Signal des oberen mechanisch unbedämpften Sensorteiles mit dem vibrationsbedingten Signal des unteren mechanisch durch das Medium bedämpften Sensorteiles auf gleiche Amplitude getrimmt wird. Nach erfolgter Amplitudensymmetrierung wird die eigentliche Messung bei nunmehr strömendem Medium begonnen und es werden die beiden Signale einer Einheit 30 zugeführt, in der die Signale sodann voneinander subtrahiert werden. Übrig bleibt nach Subtraktion der beiden Signale noch das reine Meßsignal; das vibrationsbedingte Störsignal ist dabei heraussubtrahiert. Nachfolgend erfolgt die Filterung und Auswertung des Signals in einer Einheit 40, in welcher sodann aus der ermittelten Schwingungsfrequenz und ggf. weiteren Parametern der tatsächliche Durchfluß bestimmt wird.

Fig. 3 zeigt den Sensor als solches. Der Sensor selbst besteht aus einer Sensorhülse 5, die etwa in der Mitte ihrer Sensorbauhöhe einen Flansch 7 enthält. Dieser Flansch 7 ist so positioniert, bzw. die weiteren inneren Elemente innerhalb der Sensorhülse sind demgegenüber so angeordnet, daß der Flansch 7 den Sensor unterteilt in besagtes Oberteil und Unterteil. Mit Hilfe des Flansches 7 erfolgt die Befestigung des Sensors in einem hier nicht weiter dargestellten T-förmigen Rohrstück. Der untere Abschnitt des Sensors in Fig. 3, also derjenige Abschnitt, der unterhalb des Flansches 7 angeordnet ist, ist der Teil, der in das strömende und durch einen hier ebenfalls nicht weiter dargestellten Störkörper verwirbelte Medium hineinragt. Diese Wirbel lenken den Sensor an der unteren Spitze periodisch aus, wobei diese Frequenz in gewissen Grenzen abhängig, hier sogar linear abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums durch die hier nicht weiter dargestellte Rohrleitung, ist. Dadurch kann in entsprechender Weise aus dem Frequenzsignal auch der Durchfluß bestimmt werden. Innerhalb der Sensorhülse 5 ist der Trägerbalken 4 angeordnet, welcher in der in Fig. 1a gezeigten Weise die einzelnen Piezo-Elemente der Sensorabschnitte 1 und 2 enthält. In diesem Ausführungsbeispiel sind in jedem Sensorteil jeweils zwei Piezo-Elemente angeordnet. Verschaltet sind diese Elemente in der in Fig. 1a bzw. 1b dargestellten Weise. So wird über ein Kupferband 6 der Mittelabgriff der in Fig. 1b dargestellten Ersatzschaltung erreicht. Dieses Kupferband schließt den entsprechenden Ausgang aller Sensoren miteinander kurz. Fig. 3 zeigt die Lage des Kupferbandes 6 jedoch anders als in der in Fig. 1a dargestellten Weise. Die in Fig. 1a dargestellte Führung des Kupferbandes 6 ist jedoch nur zur Veranschaulichung um den unteren, statt um den oberen Sensorteil geschlungen. Dies wird in praxi deshalb so gewählt, damit die gebogene Seite des Kupferbandes nicht im entsprechend stark ausgelenkten freien schwingenden unteren Sensorteil mechanisch zusätzlich beaufschlagt wird. Der übrige verbleibende Raum zwischen Trägerbalken 4 mit Piezo- Elementen und Kupferband wird mit einer keramischen Füllmasse 8 ausgefüllt. Kommt es nun zu einer wirbelbedingten periodischen Auslenkungen des unteren Sensorteils, so werden in den entsprechend unten angeordneten Piezo-Elementen auch in entsprechend periodischer Weise eine Spannung U_DS erzeugt. Der reinen auslenkungsabhängigen Spannung werden von diesen Piezo-Elementen im unteren Teil jedoch auch die durch Vibrationen oder durch Rohrschall oder ähnliches erzeugten Störsignale elektrisch umgesetzt. Der obere Sensorteil, der nicht mehr im Eingriff der unteren Biegeschwingung steht, nimmt über die dort angeordneten Piezo- Elemente lediglich die Vibrationen auf und erzeugt das entsprechend periodische Signal U_S. Am oberen Ausgang der Sensorhülse werden die Kabel durch eine entsprechend abgedichtete Durchführung herausgeführt und einer Elektronik zugeführt, die in der in Fig. 2 dargestellten prinzipiellen Weise arbeitet.

Insgesamt besteht somit das Wesen der Erfindung darin, die Verschaltung der Piezo- Elementen, die das Signal U_DS erzeugen, mit denjenigen Piezo-Elementen, die das Signal U_S erzeugen, nicht mehr intern, d. h. innerhalb der Sensorhülse 5 und dort im Bereich des Trägerbalkens 4 vorzunehmen, sondern diese dort üblicherweise vorgenommene Verschaltung aufzutrennen, so daß die Kompensation bzw. Differenzschaltung extern erfolgen kann. Dies hat den erheblichen Vorteil, daß die Kompensation erheblich genauer vorgenommen werden kann. Zudem kann in die Kompensation von außen eingegriffen werden, beispielsweise um systembedingte übrige Parameter, die Signalunsymmetrien erzeugen können, extern abgleichen zu können.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erfassung von Wirbelfrequenzen bei Wirbel- oder Dralldurchflußmeßeinrichtungen, bei welchem über eine Sensoranordnung von mehreren teilweise vom strömenden Medium beaufschlagten und teilweise vom strömenden Medium nicht beaufschlagten Sensorelementen die Signale derart überlagert werden, daß der Vibrationsschwingungsanteil vom Wirbel- oder Drallschwingungsanteil des Gesamtsignales subtrahiert wird und aus dem verbleibenden Wirbel- oder Drallschwingungsanteil der Durchfluß ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsschwingungssignal und das aus Wirbel- bzw. Drallschwingungssignal und Vibrationsschwingungssignal bestehende Gesamtsignal aus der Sensoranordnung herausgeführt werden und erst außerhalb der Sensoranordnung die Subtraktion des Vibrationsschwingungsanteiles vom Gesamtsignal erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktion des Vibrationsschwingungsanteiles vom Gesamtsignal außerhalb der Sensorhülse erfolgt, indem das erste Schwingungssignal, welches die Wirbelschwingung mit überlagerter Vibrationsschwingung enthält, mit dem davon getrennten reinen Vibrationsschwingungssignal elektronisch zunächst durch eine zweikanalig angelegte variable Verstärkeranpassung symmetrisch getrimmt und danach erst die Differenz beider Signale gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrischtrimmung eine Amplitudentrimmung ist, die dadurch erfolgt, daß bei stillstehendem Medium jeweils das vibrationsbedingte Signal vom im Medium befindlichen Sensorteil und von dem außerhalb des Mediums befindlichen Sensorteil auf gleiche Amplitude getrimmt wird.

4. Meßeinrichtung und Sensoranordnung zur Erfassung von Wirbelfrequenzen in einer Rohrleitung bei Wirbel- oder Dralldurchflußmeßeinrichtungen, mit einer in einer Sensorhülse angeordneten, aus mehreren Sensorelementen bestehenden Sensoranordnung, wobei die Sensorhülse einen unteren, in die Rohrleitung hineinragenden, und einen oberen aus der Rohrleitung herausragenden Teilabschnitt aufweist und ein Teil der Sensorelemente im unteren Teilabschnitt und ein Teil der Sensorelemente im oberen Teilabschnitt angeordnet sind, sowie mit einer nachfolgenden Auswerteeinheit zur Ermittlung des Durchflusses, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement bzw. die Sensorelemente des oberen Teilabschnittes (1) der Sensoranordnung und das Sensorelement bzw. die Sensorelemente des unteren Teilabschnittes (2) der Sensoranordnung in Halbbrücke geschaltet sind, und daß die Signale 3-polig aus der Sensoranordnung herausgeführt sind und erst außerhalb der Sensoranordnung mit einer Vibrationskompensation (30) der elektronischen Auswerteeinheit (10, 11, 20, 30, 40 ) verbunden ist.

5. Meßeinrichtung und Sensoranordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß jedes Brückenelement der besagten Halbbrücke jeweils durch zwei parallel geschaltete Sensoren gebildet ist, derart, daß jeweils eine paarweise Anordnung von Sensorelementen im oberen und im unteren Teilabschnitt der Sensoranordnung gegeben ist.

6. Meßeinrichtung und Sensoranordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Pol eines jeden Sensors mit einem gemeinsamen Leiter (6) kurzgeschlossen sind und so den mittleren Brückenabgriff bilden.