DE2852572A1 - Einrichtung und verfahren zum messen einer fluiddichte - Google Patents

Einrichtung und verfahren zum messen einer fluiddichte

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DE2852572A1
DE2852572A1 DE19782852572 DE2852572A DE2852572A1 DE 2852572 A1 DE2852572 A1 DE 2852572A1 DE 19782852572 DE19782852572 DE 19782852572 DE 2852572 A DE2852572 A DE 2852572A DE 2852572 A1 DE2852572 A1 DE 2852572A1
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James Wolryche Stansfeld
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Gemalto Terminals Ltd
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Solartron Electronic Group Ltd
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Description

Beschreibung zum Patentgesuch
der Firma The Solartron Electronic Group Limited, Farnborough Hampshire / England
betreffend:
"Einrichtung und Verfahren zum Messen einer Fluiddichte"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen einer Fluiddichte mit einem Fluiddichte-Schwingungswandler, d.h. einem Wandler, welcher ein in Resonanzschwingungen bringbares Fühlelement aufweist, das während des Betriebs so angeordnet ist, daß es in Resonanzschwingungen gebracht wird, wobei es zumindest teilweise dem Fluid ausgesetzt ist, dessen Dichte zu fühlen ist, da die Schwingungsfrequenz von der Dichte des Fluids abhängt. Die Dichte kann aus der gemessenen Frequenz entsprechend einer bekannten, nachstehend wiedergegebenen Formel bestimmt werden:
D = KO + VfA
wobei D die Dichte ist, K bis K„ Konstanten sind, und f, die Meßfrequenz ist.
Eine Ausführungsform eines Fluiddichte-Schwingungswandlers ist
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J-
in der GB-PS 1 175 664 beschrieben. Das Fühlelement kann hierbei ein Zylinder oder ein Rohr sein, und der Wandler kann Gasoder Flüssigkeitsdichte messen.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet eines Gasdichte-Wandlers liegt in der Verbindung mit einem Durchfluß-Mengenmesser, um die durch eine Rohrleitung fließende Gasmenge zu messen. Die Gasmenge wird durch Integrieren der Strömungsgeschwindigkeit, multipliziert mit der Dichte erhalten. Die (ermittelte) Gasmenge kann dazu benutzt werden, um anhand einer Formel, die die Gasmenge und deren Wärmewert enthält, den Preis für das einem Gaswerk oder einem anderen Großverbraucher gelieferte Heizgas festzulegen. Wenn die Dichtemessung falsch ist, wird auch der Preis falsch, und im Hinblick auf die großen Gasmengen kann selbst ein kleiner prozentualer Fehler zu einem großen Preisunterschied führen.
Es hat sich herausgestellt, daß die Gasdichte, wenn sie mittels eines Fluid-Schwingungswandlers gemessen wird, durch die Schallgeschwindigkeit in dem Gas beeinflußt wird. In der Praxis kann die Dichte bei Erdgas um bis zu 0,3% und bei einigen besonderen Gassorten, wie beispielsweise einem Propan/Luftgemischrum noch mehr falsch sein. Dieser kleine prozentuale Fehler kann in finanzieller Hinsicht von Bedeutung sein. Zu einem durch die Schallgeschwindigkeit bedingten Fehler kann es auch bei einem Flüssigkeitsdichte-Schwingungswandler kommen, wie er beispielsweise in der GB-PS 1 158 790 beschrieben ist.
Die Erfindung soll daher eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen einer Fluiddichte schaffen, bei welchem die Meßgenauigkeit wesentlich verbessert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung zum Messen einer Fluiddichte geschaffen mit einem Fluiddichte-Schwingungswandler, der während des Betriebs ein erstes Signal abgibt, dessen Frequenz von der Fluiddichte abhängt, mit einer
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Einrichtung, die während des Betriebs in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid ein zweites Signal abgibt, und mit einer auf die zwei Signale ansprechenden Recheneinrichtung, um die Fluiddichte aus dem ersten Signal entsprechend einer charakteristischen Formel des Dichtewandlers zu berechnen, die in Abhängigkeit von dem zweiten Signal von einer nichtlinearen Korrektur abhängt, um so die Genauigkeit der Dichtemessung zu verbessern.
Wie unten noch ausgeführt wird, schließen die notwendigen Berechnungen Rechenschritte mit ein, und um sie durchzuführen kann die Recheneinrichtung eine analoge oder digitale Recheneinrichtung sein oder auch ein programmierter Digitalrechner. Mit anderen Worten, die Rechenoperationen können mit Hilfe einer Hardware oder Software durchgeführt werden. Die genauesten Berechnungen schließen jedoch trigonometrische Funktionen mit ein und werden infolgedessen am schnellsten mittels einer Software durchgeführt.
Die Einrichtungen welche das zweite Signal schaffen, können Einrichtungen sein, welche die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid messen, indem beispielsweise ein Ultraschallwandler verwendet wird. Bei Gas kann das zweite Signal mittels eines Druckmeßwertwandlers erzeugt werden, wie er beispielsweise in der britischen Patentanmeldung 827 334 beschrieben ist, obwohl auch ein einfacherer und preiswerterer Druckmeßwertwandler ausreichen würde. Die Schallgeschwindigkeit kann, wie unten noch ausgeführt wird, aus dem Gasdruck bestimmt werden.
Andererseits kann das zweite Signal mittels eines Meßwandlers für das spezifische Gewicht geschaffen werden, wie er beispielsweise in der GB-PS 1 447 624 beschrieben ist. Die Schallgeschwindigkeit kann dann wieder aus dem spezifischen Gewicht des Gases, insbesondere bei Korrektur der mittels eines weiteren Wandlers gefühlten Temperatur bestimmt werden.
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Im Fall einer Flüssigkeit können die Einrichtungen, welche das zweite Signal schaffen, ein die Schallgeschwindigkeit betreffendes Signal aus der angezeigten Dichte ableiten oder ein vorher eingestelltes Schallgeschwindigkeitssignal schaffen.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen der Dichte eines Fluids geschaffen, wobei ein erstes Signal gemessen wird, das mittels eines Fluiddichte-Schwingungswandlers geschaffen wird und in Abhängigkeit von einem Signal, das wiederum von der Schallgeschwindigkeit des Fluids abhängt, einer nichtlinearen Korrektur unterzogen wird, so daß die Genauigkeit der Dichtemessung verbessert wird.
Insbesondere kann zum Messen der Gasdichte,wie bereits ausgeführt ist, die Dichtemessung mit Hilfe der folgenden Formel vorgenommen werden:
■ D = Ko + VfÄ + VfA2 (1)
Der auf diese Weise berechnete Wert von D, der als angezeigte bzw. nachgewiesene Dichte bezeichnet wird, erfordert eine Korrektur, um die tatsächliche Dichte D zu schaffen. Dies kann an-
hand der Beziehung zwischen diesen zwei Größen gezeigt werden:
■°-·κ
wobei W = 2ττίΆ, L die Länge des schwingenden Fühlelements und C die Schallgeschwindigkeit in dem gemessenen Gas ist.
Die Korrektur kann durch unmittelbares Anwenden der Gl.(2) oder durch Anwenden einer nachstehend wiedergegebenen Näherung an die Gl.(2) durchgeführt werden:
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-r-
Die erforderlichen Größen, um eine der Gleichungen anzuwenden, sind W, welche durch den Dichtewandler bekannt ist, L, welche als eine bekannte Konstante eingeführt werden kann, und C, welche mittels eines zweiten Wandlers zu bestimmen ist.
Die Schallgeschwindigkeit C in Gasen bei mittlerem Druck ist gegeben durch:
C = -/γ s· + K1D + K2D2 + K3D3 + K4D
oder ist besser gegeben durch:
1 Λ
(4a)
wobei jeweils K eine Konstante ist, γ das Verhältnis von spezifischen Wärmen ist, d.h. γ = C /C , wobei C die spezifische Wärme bei konstantem Druck und C die spezifische Wärme bei konstantem Volumen ist, und P der Gasdruck ist.
Die Größe γ kann als eine bekannte Konstante genommen werden. Der Gasdruck P kann mittels eines Druckwandlers gemessen werden. Somit kann dann die Gl.(4) oder (4a) verwendet werden, um die Schallgeschwindigkeit C zu bestimmen, die dann in der Gl.(2) oderin der Gl.(3) verwendet wird, um D aus D zu bestimmen. Der
Fehler, der durch Verwenden von D und nicht durch Verwenden von
D in die Gl.(4) eingebracht wird, ist vernachlässigbar, a
Natürlich ist es nicht notwendig, daß die Berechnung über die Gl.(4) zu der Gl.(3) oder der Gl.(4) übergeht. Beispielsweise können die Gl.'en (3) und (4) zusammengefaßt werden, wobei sich ergibt:
a a [/.ta j
Infolgedessen ergibt sich eine einzige quadratische Gleichung,
um die Größe D anhand der gemessenen Werte von W und P und dem a
berechneten Wert von D zu lösen. Andere äquivalente algebraische
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Verfahren sind selbstverständlich möglich.
Die Gl.(4) kann auch in anderer Form geschrieben werden, näm lich:
wobei R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur und M das Molekulargewicht des Gases ist.
Da das Molekulargewicht eines Gases proportional dessen spezifischen Gewichts ist, kann die Gl.(6) geschrieben werden als:
wobei A eine Konstante und G das spezifische Gewicht des Gases ist.
Infolgedessen kann die Gl.(7) in Verbindung mit der Gl.(2) oder (3) verwendet werden, wobei der Wert des spezifischen Gewichts G mittels eines Wandlers für spezifisches Gewicht gemessen wird. R und A sind Konstante, die Größe γ kann als eine Konstante angenommen werden, und in vielen Fällen kann auch die absolute Temperatur als eine Konstante angenommen werden. Erforderlichenfalls kann die absolute Temperatur T mittels eines dritten Meßwandlers gemessen werden.
Auch ist es möglich, die Gleichungen zusammenzufassen. Wenn die Gl.'en (3) und (7) zusammengefaßt werden, ergibt sich:
= Da M + (W2L2AG)]/:
D = Da M + (WHTAG)J/ 24YRT (8)
Bei einer Flüssigkeitsdichtemessung gilt eine entsprechend Korrekturformel , nämlich:
Da = D(1 - KfÄ 2/G2) (9)
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wobei K eine Konstante ist, die hauptsächlich durch die Kenndaten des Wandlers bestimmt wird. Die Schallgeschwindigkeit C kann unmittelbar mittels eines Schallwandlers, z.B. eines Ultraschallwandlers gemessen werden oder kann aus der angezeigten Dichte D abgeleitet werden, anhand der Formel:
(10)
wobei B die adiabatische Kompressibilität der Flüssigkeit ist. Die Größe B kann über einen begrenzten Temperaturbereich als konstant angenommen werden. Ebenso kann die Größe C als eine Konstante angenommen werden, wenn die Dichtemessung in einem begrenzten Temperaturbereich durchgeführt wird. Tatsächlich hängt die Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit ausgesprochen von der Temperatur ab, da aber der Wert C in einerFlüssigkeit groß ist, ist das Korrekturglied Kf /C klein und es ist eine zweckdienliche Verbesserung möglich, wenn C (über einem begrenzten Temperaturbereich) als konstant angenommen wird.
Bei der Erfindung wird mit Hilfe eines Gasdichte-Schwingungswandlers 10 ein Gasdichtemeßwert D geschaffen, der in Verbindung mit einem von einem Durchflußmengenmesser gelieferten Signal f_ verwendet wird, um die durch eine Rohrleitung geleitete Gasmenge zu messen. Hierbei unterliegt der Meßwert D in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit C in dem Gas Fehlern. Die Fehler werden, damit sich die Größe D ergibt, durch Anwenden einer Korrekturformel (Block 18 in Fig.1) korrigiert, wobei die Größe C durch eine Berechnung (Block 17 in Fig.1) anhand einer Messung des Gasdruckes P durch einen Meßwandler P eingebracht wird. Der Wert von C kann andererseits auch direkt gemessen werden, aus einer Messung des spezifischen Gewichts berechnet werden oder im Falle einer Flüssigkeit aus dem Wert D abgeleitet werden oder er kann voreingestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, wo-
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γ-
bei in
Fig.1 und 2 teilweise in Form eines Blockschaltbildes und
teilweise in Form von Flußdiagrammen die Rechenschritte dargestellt sind, die durch einen entsprechend programmierten Universalrechner oder durch einen entsprechend ausgelegten Spezialrechner durchgeführt werden können.Eine bevorzugte Durchführung erfolgt mittels eines Mikroprozessors .
In beiden Figuren erzeugt ein bekannter Gasdichte-Schwingungswandler 10 ein Signal der Frequenz f und ein bekannter Turbinen-Durchflußmesser 11 schafft ein Signal der Frequenz fß, das die Volumenströmungsgeschwindigkeit darstellt. Die tatsächliche
Dichte D wird an einer Leitung 12 dargestellt, und eine binäre a
Multipliziereinrichtung 13 multipliziert die Frequenz f_, mit KD ,
J3 a
wobei K eine Konstante ist, um eine Frequenz f zu schaffen, welehe die Gasströmungsgeschwindigkeit darstellt. Das Signal mit der Frequenz f wird an einen Zähler; 14angelegt, welcher die Gasströmungsgeschwindigkeit integriert, um eine Integration der gesamten, durch den Strömungsmesser 11 gemessenen Gasmenge zu schaffen.
Ein bekannter Druckmeßwertwandler 15 erzeugt ein Signal P, das den Gasdruck darstellt;1 dieses Signal kann ein Strom sein, der über den Bereich von 4 bis 20 mA reicht..
Die Berechnungen, um D festzulegen, werden in Fig.1, wie folgt, durchgeführt. Der Block 16 arbeitet bei Anliegen der Frequenz f_ , um den Wert D entsprechend der Gl.(1) zu schaffen. Der Block 17 arbeitet bei Anliegen von P und D um den Wert C entsprechend der Gl. (4) abzugeben. Der Block 18 arbeitet bei Anliegen von D, C
und f,. , um den Wert D entsprechend der Gl. (2) zu schaffen, er ά a
könnte jedoch auch vereinfacht werden, um auf der Basis der Gl.(3) zu arbeiten.
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In Fig.2 ist der Druckmeßwertwandler 15 durch einen Wandler 19 für das spezifische Gewicht ersetzt, der eine Ausgangsfrequenz fn abgibt. In dem Block 20 wird der Wert G entsprechend der nachfolgenden Gleichung berechnet:
G = K3 + K4/fD + K5/fD 2 (9)
wobei K_ bis K1- charakteristische Konstanten des Wandlers 19 sind.
Wie aus der vorstehend angeführten GB-PS 1 447 624 zu ersehen ist, beruht der hier beschriebene Wandler für das spezifische
Gewicht auf einem Fluiddichte-Schwingungswandler und infolgedessen hat die Gl.(9) dieselbe Form wie die Gl.(1). Der Block 17 der Fig.1 ist durch einen Block 21 in Fig.2 ersetzt, in welchem die Schallgeschwindigkeit C entsprechend der Gl.(7) berechnetvird. Ein möglicherweise erforderlicher dritter Wandler 22 zum Messen der Temperatur T ist ebenfalls dargestellt, wenn dieser Wert nicht als eine Konstante betrachtet werden kann.
Für eine besonders hohe Genauigkeit kann die Veränderung des Werts γ in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann die Veränderung des Werts γ annähernd auf die Veränderung von P/D bezogen werden, und hierdurch wird es ohne irgendwelche weiteren Messungen möglich, ein kleines Korrekturglied bezüglich des Wertes γ an dem Block 17 anzulegen, der aus P/D berechnet wird.
In einer weiteren Ausführungsform könnte das Signal C in Fig.1 unmittelbar mittels Einrichtungen geschaffen werden, welche die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid messen, wobei dies dann bei einer Flüssigkeitsdichtemessung anwendbar wäre, was von einem entsprechenden Wiedereinschreiben der Gleichungen in die Blöcke 16 und 18 abhängig ist. Für eine Flüssigkeitsdichtemessung könnte der Wert C von Hand in den Block 18 eingegeben werden.
Ende der Beschreibung
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Le e rs e i\

Claims (13)

  1. Patentansprüche zum Patentgesuch
    der Firma The Solartron Electronic Group Limited, Farnborough, Hampshire / England
    Einrichtung zum Messen einer Fluiddichte, mit einem Fluiddichte-Schwingungswandler. der ein erstes Signal abgibt, dessen Frequenz von der Dichte des Fluids abhängt, g e k e η η ζ e i c hnet durch eine Einrichtung (15; 19), die während des Betriebs ein zweites Signal (P oder fD) in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit des Fluids abgibt, und durch Recheneinriehtungen (17, 18 oder 20, 21, 18), die auf die zwei Signale ansprechen, um die Dichte (D ) des Fluids aus dem er-
    sten Signal (fa) entsprechend einer für den Dichtewandler (10) charakteristischen Formel mit einer nichtlinearen Korrektur entsprechend dem zweiten Signal zu berechnen, um so die Genauigkeit der Dichtemessung zu verbessern.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c hn e t, daß die Einrichtungen für das zweite Signal Einrichtungen sind, welche die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid messen.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 zum Messen einer Gasdichte, dadurch :g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Einrichtungen, die das zweite Signal schaffen, eine Einrichtung (15), welche den Druck des Gases, und eine Einrichtung (17) sind, welche die Schallgeschwindigkeit (Cj aus dem Druck (P) berechnet. *mißt
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    ORIGiNAi INSPECTED
    572
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, zum Messen der Gasdichte, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die das zweite Signal abgeben^eine Einrichtung (19), welche das spezifische Gewicht des Gases mißt, und ferner eine Einrichtung (21) sind, welche die Schallgeschwindigkeit (C) aus dem spezifischen Gewicht (G) berechnet.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturwandler (22) vorgesehen ist, und daß die weitere Einrichtung (21) die berechnete Schallgeschwindigkeit (C) anhand der gemessenen Temperatur korrigiert.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, zum Messen einer Flüssigkeitsdichte, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die das zweite Signal abgeben, Einrichtungen sind, welche die Schallgeschwindigkeit aus der gemessenen Dichte berechnen.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, zum Messen einer Flüssigkeitsdichte, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die ein zweites Signal abgeben, einen vorbestimmten Schallgeschwindigkeitswert schaffen.
  8. 8. Verfahren zum Messen der Dichte eines Fluids, wobei der Meßwert aus einem ersten Signal geschaffen wird, der mittels eines Fluiddichte-Schwingungswandlers erzeugt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung in Abhängigkeit von einem durch die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid bedingten Signal einer nichtlinearen Korrektur unterworfen wird, so daß die Genauigkeit der Dichtemessung verbessert wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichn e t, daß das Fluid Gas ist, und daß die Korrektur entsprechend der Gl.(2) oder einer Annäherung daran durchgeführt wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich-
    909824/0766
    net, daß der Wert von C in der Gl.(2) aus dem Gasdruck bestimmt wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert C in der Gl.(2) aus dem spezifischen Gasgewicht bestimmt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeic hn e t, daß das fluid eine Flüssigkeit ist, und die Korrektur entsprechend der Gleichung (9) durchgeführt wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von C in der Gl.(9) aus dem angezeigten Dichtewert bestimmt wird.
    909824/0766
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