DE4423168C2 - Massendurchflußmeßgerät - Google Patents
MassendurchflußmeßgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach
dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führenden
Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung mit einer Anregungslei
stung anregenden Schwingungserzeuger, mit mindestens zwei auf Coriolis-Kräften
beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmern und mit einer
den Schwingungserzeuger ansteuernden und die Meßsignale der Meßwertaufnehmer
auswertenden Steuereinheit, in der ein die Anregungsleistung an den Schwingungs
erzeuger liefernder Anregungsleistungsgenerator vorgesehen ist, dessen Anregungs
leistung während des Betriebes so einstellbar, ist, daß die Amplitude der Anregungs
schwingung der Coriolis-Leitung einen vorgegebenen Sollwert aufweist.
Massendurchflußmeßgeräte für strömende Medien, die nach dem Coriolis-Prinzip ar
beiten, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt (vgl. die deutschen Offenle
gungsschriften 26 29 833, 28 22 087, 28 33 037, 29 38 498, 30 07 361, 33 29 544,
34 43 234, 35 03 841, 35 05 166, 35 26 297, 37 07 777, 39 16 285, 40 16 207, 41 24
295, 41 43 361, 42 00 060, 43 27 052, 44 13 239, 44 17 332 und 44 17 516, die euro
päischen Offenlegungsschriften 0 083 144, 0 109 218, 0 119 638, 0 196 150, 0 210
308, 0 212 782, 0 232 679, 0 235 274, 0 243 468, 0 244 692, 0 271 605, 0 275 367
und 0 282 552, die französische Offenlegungsschrift 2 598 801 sowie die USA-Pa
tentschriften 4,491,009, 4,628,744, 4,666,41, 4,803,867 und 4,962,678) und finden in
zunehmendem Maße Verwendung.
Eine für alle bekannten Massendurchflußmeßgeräte gleichermaßen bedeutende Größe
ist die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung. Diese Amplitude
geht zwar im Gegensatz zu der Frequenz der Anregungsschwingung der Coriolis-
Leitung nicht in erster Ordnung in das Meßergebnis für den Massendurchfluß durch
das Massendurchflußmeßgerät ein, sondern erst in höherer Ordnung, verursacht
durch nichtlineare Effekte bei der Deformation der Coriolis-Leitung während der An
regungsschwingung, dennoch sind gerade diese Effekte höherer Ordnung bei der
heute geforderten Präzision einer relativen Meßgenauigkeit kleiner als 0,1% bei ei
nem Massendurchflußwert von 10% bis 100% des Nenndurchflusses bei Massen
durchflußmeßgeräten, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, von besonderer Bedeu
tung.
Die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung ist von einer Vielzahl
von Faktoren abhängig. Es sind dies zum einen die Eigenschaften des schwingungs
fähigen Systems in Form der Coriolis-Leitung, ihrer unmittelbaren Umgebung und des
Inhalts der Coriolis-Leitung, also des strömenden Mediums, an sich, zum zweiten die
der Coriolis-Leitung von dem Schwingungserzeuger zugeführte Anregungsleistung
und schließlich die Ankopplung des schwingungsfähigen Systems an die äußere Um
gebung, also an das umgebende Rohrleitungssystem. Von diesen Einflußfaktoren
sind die ersten beiden relativ einfach zu beherrschen, da sie vorgegeben oder be
kannt sind. Die Ankopplung des schwingungsfähigen Systems "Massendurchfluß
meßgerät" an das umgebende Rohrleitungssystem ist zum einen im voraus nicht be
kannt, zum anderen nahezu nicht vorgebbar. Für diese Ankopplung maßgebliche
Faktoren sind beispielsweise der Durchmesser und die Wandstärke der angrenzenden
Rohrleitungen und auch der Abstand zwischen der Verbindung des Massendurch
flußmeßgerätes zu den angrenzenden Rohrleitungen von den nächsten Unterstüt
zungspunkten der angrenzenden Rohrleitungen. Je nach Ankopplung der Coriolis-
Leitung des Massendurchflußmeßgerätes an die angerenzenden Rohrleitungen geht
ein mehr oder weniger großer Teil der auf die Coriolis-Leitungen wirkenden Anre
gungsleistung für die Anregungsschwingung verloren und verschwindet im angren
zenden Rohrleitungssystem.
Um eine ausreichende Genauigkeit des Massendurchflußmeßgerätes zu gewährlei
sten, ist es notwendig, daß die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Lei
tung eine Mindestamplitude nicht unterschreitet, da sonst die Meßwertaufnehmer
keine auswertbaren Signale mehr liefern. Damit diese Mindestamplitude der Anre
gungsschwingung der Coriolis-Leitung in der überwiegenden Anzahl der Montage
möglichkeiten des Massendurchflußmeßgerätes in einem Rohrleitungssystem gewähr
leistet ist, wird bei bekannten Massendurchflußmeßgeräten eine relativ große Anre
gungsleistung vorgegeben, so daß einerseits die Amplitude der Anregungsschwin
gung der Coriolis-Leitung bei optimalen Einbaubedingungen deutlich über der Min
destamplitude liegt, daß andererseits aber auch bei einer nicht optimalen Einbaulage
des Massendurchflußmeßgerätes eine ausreichende Amplitude der Anregungsschwin
gung der Coriolis-Leitung gewährleistet ist. Dabei tritt das Problem auf, daß man sich
umso mehr Fehlerquellen höherer Ordnung einhandelt, je größer die Amplitude der
Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung ist.
Dadurch, daß die Anregungsleistung des Anregungsleistungsgenerators während des
Betriebes einstellbar ist, ist gewährleistet, daß während des Betriebes des Massen
durchflußmeßgerätes ein möglichst optimaler Wert für die Amplitude der Anregungs
schwingung der Coriolis-Leitung manuell oder automatisch einstellbar ist. Beispiels
weise kann somit bei einer optimalen Einbaulage des Massendurchflußmeßgerätes in
nerhalb eines Rohrleitungssystems gewährleistet werden, daß die Amplitude der An
regungsschwingung der Coriolis-Leitung tatsächlich nur der zum optimalen Betrieb
der Meßwertaufnehmer notwendigen Mindestamplitude entspricht. Hierdurch ist
gewährleistet, daß die bei einer zu hohen Amplitude der Anregungsschwingung der
Coriolis-Leitung auftretenden Meßfehler höherer Ordnung minimiert sind und somit
die Genauigkeit bei der Bestimmung des Massendurchflusses deutlich erhöht ist.
Ein Massendurchflußmeßgerät der zuvor beschriebenen Art ist aus der DE-U-
87 12 331 bekannt. Bei diesem bekannten Massendurchflußmeßgerät ist problema
tisch, daß für den Fall, daß eine relativ starke Kopplung zwischen den Meßrohren und
dem umgebenden Rohrleitungssystem vorliegt - die Einbaugüte also gering ist, da
auch störende Schwingungen des Rohrleitungssystems stark an die Meßrohre an
gekoppelt sind -, die Anregungsleistung einfach so lange erhöht wird, bis die Schwin
gungsamplitude der Meßrohre ihren Sollwert erreicht. Eine solch hohe Anregungs
leistung ist problematisch, da die geringe Einbaugüte des Massendurchflußmeß
gerätes im umgebenden Rohrleitungssystem unerkannt bleibt und die Meßgenauig
keit des Massendurchflußmeßgerätes negativ beeinflußt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das bekannte Massendurchfluß
meßgerät, von dem die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und weiterzubilden, daß
einer Bedienungsperson signalisiert wird, den Einbau des Massendurchflußmeßgerä
tes in das umgebende Rohrleitungssystem im Hinblick auf eine möglichst hohe Meß
genauigkeit zu optimieren.
Das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät, bei dem die zuvor hergeleitete und
dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein die Anregungslei
stung als Maß für die Einbaugüte des Massendurchflußmeßgerätes anzeigendes An
zeigeelement vorgesehen ist. Sowohl im Falle der manuellen Einstellung der Anre
gungsleistung des Anregungsleistungsgenerators durch eine Bedienungsperson als
auch im Falle einer Regelung der Amplitude der Anregungsleistung ist die für den ge
wünschten hochpräzisen Betrieb des Massendurchflußmeßgerätes notwendige Anre
gungsleistung ein Maß für die Einbaugüte. Ist beispielsweise die Anregungsleistung
relativ niedrig, so ist die Ankopplung des Massendurchflußmeßgerätes an das umge
bende Rohrleitungssystem ebenfalls niedrig. Von besonderem Vorteil ist die erfin
dungsgemäße Anzeige der für einen hochpräzisen Betrieb notwendigen Anregungs
leistung deshalb, weil die Ankopplung des Massendurchflußmeßgerätes an das umge
bende Rohrleitungssystem bei den bekannten Massendurchflußmeßgeräten nicht nur
die Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung beeinflußt, sondern
weil eine erhöhte Ankopplung ebenfalls für ein erhöhtes Einstreuen von in dem an
grenzenden Rohrleitungssystem vorhandenen Schwingungen in das Massendurch
flußmeßgerät verantwortlich ist, wobei dieses Einstreuen die Messungen der Phasen
differenz zwischen den Meßsignalen der Meßwertaufnehmer erheblich beeinträchti
gen können. Zeigt also das Anzeigeelement eine hohe Anregungsleistung an, so ist
dies für die Bedienungsperson ein Hinweis darauf, daß der Einbau zu optimieren ist,
um eine mit den Spezifikationen des Massendurchflußmeßgerätes übereinstimmende
Meßgenauigkeit zu erhalten.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße
Massendurchflußmeßgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen
einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, anderer
seits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich
nung. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur den schematischen Aufbau eines be
vorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerä
tes.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
Massendurchflußmeßgerätes für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip ar
beitet, schematisch dargestellt. Zu diesem Massendurchflußmeßgerät gehören eine
das strömende Medium führende Coriolis-Leitung 1, ein die Coriolis-Leitung 1 mit ei
ner Anregungsleistung anregender Schwingungserzeuger 2, zwei auf Coriolis-Kräf
ten beruhende Coriolis-Schwingungen erfassende Meßwertaufnehmer 3, 4 und eine
den Schwingungserzeuger 2 ansteuernde und die Meßsignale der Meßwertaufneh
mer 3, 4 auswertende Steuereinheit 5. (Hier ist anzumerken, daß es denkbar ist, auf
einen der Meßwertaufnehmer 3, 4 zu verzichten und statt der Signale dieses Meß
wertaufnehmers 3, 4 die Signale des Schwingungserzeugers 2 der Steuereinheit 5 zur
Auswertung zu übermitteln.) In der Steuereinheit 5 ist ein die Anregungsleistung an
den Schwingungserzeuger 2 liefernder Anregungsleistungsgenerator 6 vorgesehen,
dessen Anregungsleistung während des Betriebes so einstellbar ist, daß die Amplitude
der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung 1 einen vorgegebenen Sollwert auf
weist.
Wie bei den bekannten Massendurchflußmeßgeräten werden die Meßsignale der
Meßwertaufnehmer 3, 4 einem Phasendifferenzdetektor 7 in der Steuereinheit 5 zuge
führt, der die dem Massendurchfluß durch die Coriolis-Leitung 1 proportionale Pha
sendifferenz zwischen den Meßsignalen der Meßwertaufnehmer 3, 4 bestimmt.
In dem in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel dient das Anzei
geelement 10 neben der Anzeige der Anregungsleistung ebenfalls zur Anzeige des
Massendurchflusses, der sich aus der im Phasendifferenzdetektor 7 bestimmten Pha
sendifferenz ergibt. Selbstverständlich kann zur Anzeige der Anregungsleistung ein
separates Anzeigeelement vorgesehen sein.
Gemäß einer ersten, nicht dargestellten Alternative ist das erfindungsgemäße Massen
durchflußmeßgerät dadurch ausgestaltet, daß die Anregungsleistung des Anregungs
leistungsgenerators über ein extern zugängliches Betätigungselement einstellbar ist.
Hierdurch ist gewährleistet, daß eine Bedienungsperson anhand des extern zugängli
chen Betätigungselementes die Anregungsleistung so lange erhöhen kann, bis das
Massendurchflußmeßgerät reproduzierbare Werte liefert bzw. während eines Eich
prozesses den entsprechenden Meßwert für einen vorgegebenen Massendurchfluß
liefert. Somit ist gewährleistet, daß die Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung
keine unnötig hohe Amplitude aufweist.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung erfährt das in der Figur dargestellte bevor
zugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes
dadurch, daß in der Steuereinheit 5 ein die Amplitude der Anregungsschwingung als
Regelgröße auf einem Sollwert haltender Regler 8 vorgesehen ist und der Regler 8
die Anregungsleistung des Anregungsleistungsgenerators 6 als Stellgröße des Regel
kreises beeinflußt. Hierdurch ist unabhängig von allen möglichen Faktoren eine
gleichbleibende Amplitude der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung 1 ge
währleistet. Entspricht der Sollwert für die Amplitude der Anregungsschwingung der
Coriolis-Leitung 1 der optimal von den Meßwertaufnehmern 3, 4 auszuwertenden
Mindestamplitude, so ist durch diese Maßnahme eine konstant hohe Meßgenauigkeit
für den Massendurchfluß gewährleistet.
Eine weitere Ausgestaltung erfährt das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfin
dungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes dadurch, daß dem Regler 8 der Mittel
wert der Amplituden der Meßsignale als Istwert zugeführt wird. Dadurch, daß dem
Regler 8 der Mittelwert der Amplituden der Maßsignale als Istwert zugeführt wird, ist
die Meßgenauigkeit erhöht.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des bevorzugten Ausführungs
beispiels erfolgt eine Weiterbildung dadurch, daß dem Regler 8 die Summe der Ampli
tuden der Meßsignale als Istwert zugeführt wird. Hierbei ist im Vergleich zu der zuvor
aufgezeigten Ausgestaltung eine Vereinfachung erreicht, da die Amplituden der
Meßsignale nicht unabhängig voneinander bestimmt und anschließend gemittelt
werden müssen, sondern die Amplitude der summierten Meßsignale nur einmal be
stimmt werden muß.
Die Amplitude mindestens eines Meßsignals kann alternativ unmittelbar aus dem
Meßsignal selbst, d. h. durch Vergleiche der Meßsignale zu verschiedenen Zeitpunk
ten, oder mittelbar aus einem zeitlichen Mittelwert des Meßsignals bestimmt werden,
da das Meßsignal im wesentlichen einer Sinusfunktion entspricht. Die letzte Alterna
tive zur Bestimmung der Amplitude des Meßsignals kann beispielsweise dadurch re
alisiert werden, daß in einem vorgegebenen Zeitintervall der Absolutwert eines jeden
Meßsignals integriert wird. Die Bestimmung der Amplitude mindestens eines Meßsi
gnals erfolgt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem in der Steuerein
heit 5 vorgesehenen Amplitudendetektor 9.
Da der Anregungsleistungsgenerator 6 die Anregungsleistung nicht kontinuierlich
an den Schwingungserzeuger 2 liefern muß, ist das erfindungsgemäße Massendurch
flußmeßgerät bevorzugt dadurch ausgestaltet, daß der Regler 8 den zeitlichen Mit
telwert der vom Anregungsleistungsgenerator 6 gelieferten Anregungsleistung beein
flußt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung erfährt das in der Figur dargestellte bevor
zugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes
dadurch, daß der Anregungsleistungsgenerator 6 pulsbreitengesteuerte Leistungs
pulse an den Schwingungserzeuger 2 liefert. Hierdurch ist eine besonders einfache
Beeinflussung der Anregungsleistung gewährleistet.
Schließlich kann das in der Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes dadurch verbessert werden, daß in
der Steuereinheit 5 ein bei Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Anregungs
leistung ein Warnsignal über ein Warnanzeigeelement 11 ausgebender Schwellwert
komparator 12 vorgesehen ist. Über diesen Schwellwertkomparator 12 und das
Warnanzeigeelement 11 wird der Bedienungsperson signalisiert, daß sich die Anre
gungsleistung in einem Bereich befindet, der darauf hindeutet, daß der Einbau des
Massendurchflußmeßgerätes zu optimieren ist. Das Warnanzeigeelement 11 kann
selbstverständlich alternativ im Anzeigeelement 10 integriert sein.
Claims (8)
1. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip
arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führenden Coriolis-Leitung (1),
mit mindestens einem die Coriolis-Leitung (1) mit einer Anregungsleistung anregen
den Schwingungserzeuger (2), mit mindestens zwei auf Coriolis-Kräften beruhende
Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmern (3, 4) und mit einer den
Schwingungserzeuger (2) ansteuernden und die Meßsignale der Meßwertaufneh
mer (3, 4) auswertenden Steuereinheit (5), in der ein die Anregungsleistung an den
Schwingungerzeuger (2) liefernder Anregungsleistungsgenerator (6) vorgesehen ist,
dessen Anregungsleistung während des Betriebes so einstellbar ist, daß die Amplitude
der Anregungsschwingung der Coriolis-Leitung (1) einen vorgegebenen Sollwert
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Anregungsleistung als Maß für die
Einbaugüte des Massendurchflußmeßgerätes anzeigendes Anzeigeelement (10) vor
gesehen ist.
2. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An
regungsleistung des Anregungsleistungsgenerators (6) über ein extern zugängliches
Betätigungselement einstellbar ist.
3. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Steuereinheit (5) ein die Amplitude der Anregungsschwingung als Regelgröße auf
einem Sollwert haltender Regler (8) vorgesehen ist und der Regler (8) die Anregungs
leistung des Anregungsleistungsgenerators (6) als Stellgröße des Regelkreises beein
flußt.
4. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Regler (8) der Mittelwert der Amplituden der Meßsignale als Istwert zugeführt wird.
5. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Regler (8) die Summe der Amplituden der Meßsignale als Istwert zugeführt wird.
6. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Regler (8) den zeitlichen Mittelwert der vom Anregungsleistungs
generator (6) gelieferten Anregungsleistung beeinflußt.
7. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der An
regungsleistungsgenerator (6) pulsbreitengesteuerte Leistungspulse an den Schwin
gungserzeuger (2) liefert.
8. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Steuereinheit (5) ein beim Überschreiten einer vorgegebenen ma
ximalen Anregungsleistung ein Warnsignal über ein Warnanzeigeelement (11) ausge
bender Schwellwertkomparator (12) vorgesehen ist.
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