EP1567834A2 - Prozess-messgerät - Google Patents

Prozess-messgerät

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Publication number
EP1567834A2
EP1567834A2 EP03780099A EP03780099A EP1567834A2 EP 1567834 A2 EP1567834 A2 EP 1567834A2 EP 03780099 A EP03780099 A EP 03780099A EP 03780099 A EP03780099 A EP 03780099A EP 1567834 A2 EP1567834 A2 EP 1567834A2
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EP
European Patent Office
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temperature
sensor
measuring device
measuring
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03780099A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Drahm
Alfred Rieder
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Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a process measuring device for measuring at least one physical process variable, in particular a mass flow, a density, a viscosity, a pressure or the like, of a medium held in a process container or flowing in a process line.
  • the process variables to be recorded in each case can be, for example, a mass flow rate, a density, a viscosity, a fill or a limit level, a pressure or a temperature or the like, of a liquid, powder, vapor or gaseous process medium, that in an appropriate process container, such as a pipeline or a tank.
  • the process measuring device has a corresponding, mostly physical-electrical, measuring sensor, which is inserted into a wall of the container carrying the process medium or in the course of a process line leading the process medium and which is used to generate at least one, in particular electrical, measurement signal that represents the primary detected process variable as precisely as possible.
  • the measuring sensor is also connected to a corresponding measuring device electronics, in particular also a further processing or evaluation of the at least one measuring signal.
  • process measuring devices of the type described are usually connected to one another and / or to corresponding process control computers via a data transmission system connected to the measuring device electronics, wherever the measured value signals e.g. Send via (4 mA to 20 mA) current loop and / or via digital data bus.
  • the data transmission systems used here especially serial, fieldbus systems, e.g. PROFIBUS-PA, FOUNDATION FIELDBUS as well as the corresponding transmission protocols.
  • the transmitted measured value signals can be further processed and e.g. visualized on monitors and / or in control signals for process actuators, e.g. Solenoid valves, electric motors etc., are converted.
  • such process measuring devices further comprise an electronics housing which, e.g. proposed in US-A 63 97 683 or WO-A 00 36 379, arranged away from the field measurement device and can only be connected to it via a flexible line or that, e.g. also shown in EP-A 903 651 or EP-A 1 008 836, is arranged directly on the sensor or a sensor housing housing the sensor separately.
  • an electronics housing which, e.g. proposed in US-A 63 97 683 or WO-A 00 36 379, arranged away from the field measurement device and can only be connected to it via a flexible line or that, e.g. also shown in EP-A 903 651 or EP-A 1 008 836, is arranged directly on the sensor or a sensor housing housing the sensor separately.
  • the electronics housing as shown for example in EP-A 984248, US-A 45 94 584, US-A 47 16 770 or US-A 63 52 000, then often also serves to serve some mechanical components of the sensor to record, such as operationally deforming membrane, rod, sleeve or tubular deformation or vibration bodies under mechanical influence, cf. also US-B 63 52 000 mentioned at the beginning.
  • At least one measuring tube for guiding the medium, in particular the flow
  • a sensor arrangement which delivers measurement signals and which has at least one first and a second sensor element which reacts primarily to the physical process variable, in particular also changes in the process variable, and delivers at least one first and second measurement signal influenced by the physical process variable,
  • the measuring device electronics deliver at least one excitation signal which serves to control the vibration exciter, so that the measuring tube is made to vibrate at least temporarily during operation,
  • the measurement signals supplied by sensor elements from the process medium influenced mechanical vibrations of the vibrating measuring tube.
  • such a process measuring device of the vibration type further comprises a measuring sensor housing housing the measuring tube with the vibration exciters and sensors arranged thereon as well as any other components of the measuring sensor.
  • the measuring device electronics also determines a phase difference between the two measuring signals supplied by the sensor elements, here vibration signals, and gives the measuring device electronics to them Output a measured value signal, which, corresponding to the time course of the phase difference, represents a measured value of the mass flow.
  • process measuring devices of the type described, in particular on their respective measuring transducers, in addition to the process variables described above, which are primarily to be recorded, can also include other physical variables, especially those which cannot be influenced, in particular. a process or medium temperature.
  • a thermally variable expansion of the measuring tube can also lead to the sensor not only being sensitive to the primary measured variables, e.g. has a mass flow rate, a density and / or a viscosity, and also a cross sensitivity to a temperature distribution currently prevailing in the sensor.
  • the sensor is practically detuned.
  • the measured value signal supplied by the measuring device electronics can also be incorrect if this "detuning" is not taken into account.
  • Coriolis mass flow measuring devices or Coriolis mass flow / density measuring devices therefore usually also have at least one temperature sensor, e.g. provided for measuring the temperature of the measuring tube or a measuring tube environment in the sensor arrangement, cf. see also US-A 53 59 881, US-A 56 87 100 or WO-A 88 02 476.
  • a temperature sensor for example a Pt100, a Pt1000 or a thermocouple, attached to a curved measuring tube, is first used to match a temperature of the measuring medium. Electrical temperature measurement signal generated. This is then in the measuring device electronics by multiplication with constant, time-invariant coefficients in a correction factor taking into account the influences of the measured temperature on the elasticity module converted and allowed to flow into the correction of the measured value signal, for example a mass flow and / or a density signal. Appropriate digital signal filters can be used to smooth the temperature measurement signal or to improve its signal-to-noise ratio, as suggested, for example, in WO-A 88 02 476.
  • process measuring devices of the vibration type with a curved measuring tube In addition to such process measuring devices of the vibration type with a curved measuring tube, process measuring devices of the vibration type with a single straight measuring tube or also with two measuring tubes are also known to the person skilled in the art, cf. see in particular US-A 45 24 610, US-A 47 68 384, US-A 60 06 609, WO-A 00 144485 or WO-A 01 02816.
  • process measuring devices with a straight one Measuring tube is usually also provided in the transducer, in particular a vibratingly suspended in the transducer housing, fixed to the measuring tube support element for holding the vibration exciter and the sensor elements, which also serves to decouple the vibrating measuring tube from the connected pipeline.
  • the carrier element can e.g. be designed as a tubular compensation cylinder or box-shaped support frame arranged coaxially to the measuring tube.
  • process measuring devices of the vibration type with straight measuring tube or straight measuring tubes react to temperature changes not only with the aforementioned modulus of elasticity, but also cause temperature-related changes in mechanical stresses within the measuring tube and possibly also within the carrier element and / or the sensor housing changes in the sensitivity of the sensor to the primary process variables.
  • Such temperature-related mechanical stresses can have various causes, which can occur alone or in connection with one another. Even if the measuring tube and carrier element or sensor housing have essentially the same temperatures, temperature-dependent mechanical stresses can occur if the carrier tube and vibrating system are made of different materials with different materials There are coefficients of thermal expansion. Such temperature influences have an even greater effect on the measurement result if the temperature of the measuring tube is different from the temperature of the carrier tube. This is particularly the case if process medium whose temperature is different from the ambient temperature is to be measured. In the case of very hot or very cold process media, there can be a very large temperature gradient between the carrier element or the sensor housing and the measuring tubes.
  • Measures to compensate for such temperature influences that change the sensitivity of the measuring sensor to the primary process variables are described, for example, in US Pat. No. 4,768,384, US Pat. No. 5,231,884 or WO-A 01 02816.
  • the influence of temperature-dependent expansions or voltages of the sensor housing on the measured value signal is compensated for by the fact that another, the influences of the measured temperature on the expansion or the voltage distribution in the sensor Correction factor is taken into account in the measuring device electronics and is incorporated into the measured value signal. To form this correction factor, each of the temperature signals is multiplied simultaneously and without delay by again constant coefficients and possibly also by itself.
  • the temperature distribution during operation of process measuring devices of the type described can, on the one hand, be subject to considerable fluctuations, in particular due to a temperature of the fluid which is usually not constant, and thus within the process measuring device, in particular also within the sensor, repeated dynamic compensation processes with regard to the temperature distribution can be recorded.
  • these temporal changes in the temperature distribution due to different specific temperature conductivities or heat capacities of individual components of the measuring sensor, e.g. the measuring tube or the measuring sensor housing, can reach the individual components of the measuring sensor, which also determine the sensitivity of the measuring sensor, with different rapidity, so that also the temperature profiles or gradients detected by means of two or more temperature sensors can be subject to dynamic changes.
  • transient transition areas of the temperature distribution can last from a few minutes to a few hours and that during this often quite long period of the transient state of the temperature distribution Influences of the locally recorded temperatures on the measurement signal or the measurement signals can also change in relation to one another.
  • One way of reducing such errors in the measurement signal can be with such sensors with a vibrating measuring tube, e.g. consist in installing a large number of temperature sensors distributed along the measuring tube and along the measuring sensor housing and / or along the support element, if any, for the single measuring tube.
  • an increase in the number of temperature sensors can also lead to an increased probability of failure of the sensor arrangement itself, in particular when the temperature sensors are fixed to components that vibrate at high frequency during operation, for example the measuring tube or a support element designed as a counter-oscillator.
  • the invention consists in a process measuring device for measuring at least one physical process variable, in particular a mass flow rate, a density, a viscosity, a pressure or the like, of a medium held in a process container or flowing in a process line, which measuring device comprises :
  • Process variable influenced first measurement signal provides, and in addition arranged at least a first in the sensor
  • Has temperature sensor which locally detects a first temperature in the sensor and which at least one the first by means of the at least one temperature sensor
  • a measuring device electronics which, using at least the first measurement signal and using a first correction value for the at least first measurement signal, at least one the physical variable at the moment representative measured value, in particular a mass flow measured value, a density measured value, a viscosity measured value or a pressure measured value,
  • the measuring device electronics determine the first correction value during operation on the basis of a time course of the at least first temperature measurement signal in that temperature values detected in the past by means of the first temperature sensor are also taken into account.
  • the measuring device electronics respond in operation to a change in the first temperature measurement signal corresponding to a change in the first temperature with a time delay with a change in the first correction value.
  • the sensor arrangement has at least one second temperature sensor arranged in the measuring sensor, in particular at a distance from the first temperature sensor, which locally detects a second temperature in the measuring sensor, and
  • the sensor arrangement delivers at least one second temperature measurement signal representing the second temperature by means of the second temperature sensor.
  • the measuring device electronics also determine the first correction value using the second temperature measurement signal.
  • the measuring device electronics determine a second correction value on the basis of a time course of at least the second temperature measuring signal and the measuring device electronics also generates the measured value using the second correction value.
  • the measuring device electronics comprise a filter stage for generating the at least first correction value, the first temperature measurement signal being fed to a first signal input of the filter stage.
  • the filter stage has a first A / D converter for the first temperature measurement signal, which converts this into a first digital signal.
  • the filter stage comprises a first digital filter for the first digital signal.
  • the first digital filter is a recursive filter.
  • the first digital filter is a non-recursive filter.
  • the first digital filter supplies the first correction value to a first signal output of the filter stage.
  • the filter stage also serves to generate the second correction value, the second temperature measurement signal being fed to a second signal input of the filter stage, and the filter stage has a second A / D converter for the second temperature measurement signal, which converts this into a second digital signal.
  • the filter stage comprises a second digital filter for the second digital signal.
  • the measuring sensor comprises at least one measuring tube for guiding the medium, in particular flowing.
  • the sensor comprises a sensor housing which at least partially surrounds the measuring tube.
  • At least one of the two temperature sensors is fixed to the sensor housing or at least arranged in the vicinity thereof.
  • the senor further comprises a vibration exciter for driving the measuring tube, which is electrically connected to the measuring device electronics and acts mechanically on the measuring tube, in particular electro-dynamic or electromagnetic, and supplies the measuring device electronics, at least one of them Controlling the excitation signal serving to excite the vibration, so that the measuring tube vibrates at least temporarily during operation.
  • a vibration exciter for driving the measuring tube, which is electrically connected to the measuring device electronics and acts mechanically on the measuring tube, in particular electro-dynamic or electromagnetic, and supplies the measuring device electronics, at least one of them Controlling the excitation signal serving to excite the vibration, so that the measuring tube vibrates at least temporarily during operation.
  • the first sensor element reacts, in particular on the inlet or outlet side, to vibrations of the measuring tube and represents the measuring signal supplied by the first sensor element from the process medium, which influences the mechanical vibrations of the vibrating measuring tube.
  • the measuring sensor comprises a carrier element, in particular suspended in the measuring sensor housing, which is fixed to the measuring tube, for holding the vibration exciter and at least the first sensor element.
  • At least one temperature sensor is fixed on the carrier element or at least arranged in the vicinity thereof.
  • the sensor arrangement has at least one second sensor element that reacts primarily to the physical process variable and supplies the sensor arrangement by means of the second Sensor element at least one second measurement signal influenced by the physical process variable, the measuring device electronics also generating the measurement value using the second measurement signal.
  • a basic idea of the invention is, on the one hand, to determine the instantaneous sensitivity of the measuring sensor to the process variable to be measured as a function of its instantaneous internal temperature distribution and to compensate for the measuring signals affected accordingly.
  • the object of the invention is to use the temperatures measured in the past to estimate with sufficient accuracy the temperature distribution currently effective for the sensitivity in the sensor, in particular also using as few temperature sensors as possible.
  • Another advantage of the invention in addition to the low circuit complexity for the temperature measurement, is that more degrees of freedom are created for the positioning of the temperature sensors within the sensor, since the respective position of the temperature sensor is now included in the correction when evaluating the temperature measurement signal supplied in each case can be left.
  • the temperature sensors can be optimally arranged, particularly from an assembly and / or wiring perspective.
  • FIG. 1 shows a perspective side view of a process measuring device
  • FIG. 2 shows, in the manner of a block diagram, a measuring device electronics suitable for the process measuring device according to FIG. 1 coupled with a measuring sensor of the Vibrationjs type
  • Fig. 3 shows partially sectioned an embodiment of one for the
  • Fig. 4 shows the sensor of Fig. 2 in perspective in a second
  • Fig. 5 shows an embodiment of an electromechanical
  • FIG. 6 shows, in the manner of a block diagram, an evaluation circuit suitable for the measuring device electronics of FIG. 2,
  • Fig. 7 shows schematically an example of possible temperature profiles within the sensor of Fig. 2 and
  • Fig. 7 shows an embodiment of the block diagram
  • 1 and 2 is an embodiment of a process measuring device, for example a Coriolis mass flow meter, a density measuring device and / or a process measuring device 1 with a, preferably housed within a sensor housing 100, sensor 10 of the vibration type as well as shown in an electronics housing 200, in which a measuring device electronics 50, which is electrically connected to the measuring sensor 10, is accommodated.
  • a process measuring device for example a Coriolis mass flow meter, a density measuring device and / or a process measuring device 1 with a, preferably housed within a sensor housing 100, sensor 10 of the vibration type as well as shown in an electronics housing 200, in which a measuring device electronics 50, which is electrically connected to the measuring sensor 10, is accommodated.
  • the process measuring device 1 is used to record a process variable, for example a mass flow rate, a density and / or a viscosity, of a fluid flowing in a pipeline and to represent it in a measured value signal currently representing this process variable; the pipeline is not shown here for reasons of clarity.
  • the sensor 10 comprises a measuring tube 13, which is preferably vibrated in operation in a bending mode so that such reaction forces, such as Coriolis forces, acceleration forces and / or friction forces, of sufficient magnitude are generated in the fluid flowing therethrough are dependent on the process variable and which have a retroactive effect on the sensor 10 in a measurable, that is to say sensor-detectable and electronically evaluable, manner.
  • the measuring sensor 10 comprises at least one measuring tube 13 having an inlet end 11 and an outlet end 12 of predeterminable measuring tube lumen 13A, which can be elastically deformed during operation, and of a predeterminable nominal diameter.
  • Elastic deformation of the measuring tube lumen 13A means here that in order to generate the above-mentioned, fluid-internal and therefore fluid-describing reaction forces, a spatial shape and / or a spatial position of the measuring tube lumen 13A is changed cyclically, especially periodically, within a range of elasticity of the measuring tube 13 , see. e.g. US-A 48 01 897, US-A 56 48 616, US-A 57 96 011 or US-A 60 06 609.
  • the measuring tube e.g. shown in EP-A 1 260 798, for example also be curved.
  • transducer arrangements serving as sensors 10 are e.g. in US-A 53 01 557, US-A 53 57 811, US-A 55 57 973, US-A 56 02 345, US-A 56 48 616 or US-A 57 96 011 ,
  • Titanium alloys are particularly suitable as material for the straight measuring tube 13 in FIGS. 3 and 4.
  • others can also be used for such materials, in particular also used for curved measuring tubes, such as stainless steel, tantalum or zirconium etc. are used.
  • the measuring tube 13 which communicates in the usual way on the inlet side and outlet side with the pipeline supplying or discharging the fluid, is in a rigid, in particular flexurally and torsionally rigid, support frame 14 enveloped by the sensor housing 100 clamped to vibrate.
  • the support frame 14 is fixed on the measuring tube 13 on the inlet side by means of an inlet plate 213 and on the outlet side by means of an outlet plate 223, the latter both being pierced by corresponding extension pieces 131, 132 of the measuring tube 13. Furthermore, the support frame 14 has a first side plate 24 and a second side plate 34, which two side plates 24, 34 are each fixed to the inlet plate 213 and to the outlet plate 223 in such a way that they run practically parallel to the measuring tube 13 and are spaced apart therefrom are arranged, cf. Fig. 3. Thus, facing side surfaces of the two side plates 24, 34 are also parallel to each other.
  • a longitudinal rod 25 is fixed to the side plates 24, 34, spaced from the measuring tube 13, which serves as a balancing mass which counteracts the vibrations of the measuring tube 13.
  • the longitudinal rod 25 extends, as shown in FIG. 4, practically parallel to the entire oscillatable length of the measuring tube 13; however, this is not mandatory, the longitudinal bar 25 can of course also be made shorter, if necessary.
  • the support frame 14 with the two side plates 24, 34, the inlet plate 213, the outlet plate 223 and the longitudinal rod 25 thus has a longitudinal center of gravity which runs practically parallel to a measuring tube central axis 13B virtually connecting the inlet end 11 and the outlet end 12.
  • the measuring tube 13 has a first flange 19 on the inlet side and a second flange 20 on the outlet side, cf. Fig. 1; instead of the flanges 19, 20, e.g. other pipe connection pieces for detachable connection to the pipe, such as the so-called Triciamp connections indicated in FIG. 3. If necessary, the measuring tube 13 can also be connected directly to the pipeline, e.g. be connected by means of welding or brazing etc.
  • the measuring tube 13 is vibrated in the operation of the measuring sensor 10, driven by an electromechanical excitation arrangement 16 coupled to the measuring tube, at a predefinable oscillation frequency, in particular a natural resonance frequency, in the so-called useful mode and is thus elastically deformed in a predefinable manner.
  • a predefinable oscillation frequency in particular a natural resonance frequency
  • this resonance frequency also depends on the current density of the fluid.
  • the vibrating measuring tube 13 is spatially, in particular laterally, deflected from a static idle position, as is customary in such transducer arrangements of the bending vibration type;
  • a transducer arrangement of the peristaltic radial vibration type serves as the measuring transducer 10, as described, for example, in the mentioned WO-A 95/16 897 and the cross section of the vibrating measuring tube is symmetrically deformed in the usual manner, the measuring tube longitudinal axis remains in their static rest position.
  • the excitation arrangement 16 is used to generate an excitation force F exc acting on the measuring tube 13 by converting an electrical excitation power P exc fed in by the measuring device electronics 50.
  • the excitation power P exc When excited at a natural resonance frequency, the excitation power P exc practically only serves to compensate for the power component extracted from the vibration system via mechanical and fluid-internal friction. To achieve the highest possible efficiency, the excitation power P exc is therefore set as precisely as possible so that essentially the vibrations of the measuring tube 13 in the desired useful mode, for example that of a basic resonance frequency, are maintained.
  • the excitation arrangement 16 For the purpose of transmitting the excitation force F exc to the measuring tube 13, the excitation arrangement 16, as shown in FIG. 5, has a rigid, electromagnetically and / or electrodynamically driven lever arrangement 15 with a cantilever 154 fixed to the measuring tube 13 and with a yoke 163 on.
  • the yoke 163 is also fixed to one end of the arm 154 at a distance from the measuring tube 13, in such a way that it is arranged above the measuring tube 13 and transversely to it.
  • a boom 154 e.g. serve a metallic disc which receives the measuring tube 13 in a bore.
  • a metallic disc which receives the measuring tube 13 in a bore.
  • the lever arrangement 15 is T-shaped and arranged, see. Fig. 5 that it acts approximately in the middle between the inlet and outlet ends 11, 12 on the measuring tube 13, whereby this experiences its greatest lateral deflection in the middle.
  • the excitation arrangement 16 comprises a first excitation coil 26 and an associated first permanent magnet armature 27 and a second excitation coil 36 and an associated second permanent magnet armature 37.
  • the two excitation coils 26, 36 which are preferably connected electrically in series are on both sides of the measuring tube 13 below the yoke 163 on the support frame 14, in particular releasably, fixed so that they interact with their associated armature 27 and 37 during operation.
  • the two Excitation coils 26, 36 can, of course, also be connected in parallel with one another, if necessary.
  • the two armatures 27, 37 are fixed spaced apart on the yoke 163 in such a way that during operation of the sensor 10, the armature 27 practically from a magnetic field of the excitation coil 26 and the armature 37 practically from a magnetic field Exciter coil 36 passes through and is moved due to corresponding electrodynamic and / or electromagnetic force effects.
  • the movements of the armatures 27, 37 generated by the magnetic fields of the excitation coils 26, 36 are transmitted from the yoke 163 and from the arm 154 to the measuring tube 13. These movements of the armature 27, 37 are designed such that the yoke 163 is alternately deflected from its rest position in the direction of the side plate 24 or in the direction of the side plate 34.
  • a corresponding axis of rotation of the lever arrangement 15 parallel to the already mentioned measuring tube center axis 13B can e.g. through the boom 154.
  • the support frame 14 serving as a support element for the excitation arrangement 16 further comprises a holder 29, which is detachably connected to the side plates 24, 34, for holding the excitation coils 26, 36 and possibly individual components of a magnetic brake arrangement 217 mentioned below.
  • the measuring tube 13 can therefore execute torsional vibrations in a first bending vibration torsion mode corresponding to the same direction or in a second bending vibration torsion mode corresponding to the opposite direction.
  • the natural fundamental resonance frequency of the second bending vibration torsion mode of, for example, 900 Hz is approximately twice as high as that of the first bending vibration torsion mode.
  • a magnetic brake arrangement 217 based on the eddy current principle is integrated in the excitation arrangement 16, which serves to stabilize the position of the mentioned axis of rotation.
  • the magnetic brake arrangement 217 it can thus be ensured that the measuring tube 13 always vibrates in the second bending vibration torsion mode and thus any external disturbing influences on the measuring tube 13 do not lead to a spontaneous change into another, especially not in the first, bending vibration torsion mode. Details of such a magnetic brake arrangement are described in detail in US-A 60 06 609.
  • the imaginary central axis 13B of the measuring tube is practically slightly deformed and thus spans not a plane but rather a slightly curved surface during the vibrations. Furthermore, a path curve lying in this area and described by the center point of the measuring tube center axis has the smallest curvature of all the path curves described by the measuring tube center axis.
  • the excitation arrangement 16 is fed by means of a likewise oscillating excitation current i ec , in particular of adjustable amplitude and of an adjustable excitation frequency f exCl, in such a way that the excitation coils 26, 36 flow through it during operation and in a corresponding manner the Moving the armature 27, 37 required magnetic fields are generated.
  • the excitation current i exc is supplied by an operating circuit 50A provided in the measuring device electronics 50 and can be, for example, a harmonic alternating current.
  • the excitation frequency f exc of the excitation current i exc is preferably selected in the exemplary embodiment shown here, or it is set such that the laterally oscillating measuring tube 13 oscillates torsionally as exclusively as possible in the second bending vibration torsion mode.
  • the measuring sensor 10 further comprises a sensor arrangement 60 which, as shown in FIGS. 2, 3, by means of at least one first sensor element 17 reacting to vibrations of the measuring tube 13, represents a first, in particular analog, measuring signal Si generated.
  • the sensor element 17 can e.g. be formed by means of a permanent magnetic armature which is fixed to the measuring tube 13 and interacts with a sensor coil held by the support frame 14.
  • sensor element 17 Particularly suitable as sensor element 17 are those which, based on the electrodynamic principle, detect a speed of the deflections of the measuring tube 13.
  • acceleration-measuring electrodynamic or also path-measuring resistive or optical sensors can also be used.
  • other sensors known to the person skilled in the art and suitable for the detection of such vibrations such as e.g. Strain of the measuring tube 13 sensors are used.
  • the sensor arrangement 60 further comprises a second sensor element 18, in particular identical to the first sensor element 17, by means of which it supplies a second measurement signal s 2 , which also represents vibrations of the measuring tube 13.
  • the two sensor elements 17, 18 are spaced apart from one another along the measuring tube 13, in particular at an equal distance from the center of the measuring tube 13, in the measuring sensor 10 such that by means of the sensor arrangement 60 both the inlet side and the outlet side Vibrations of the measuring tube 13 are recorded locally and are mapped into the corresponding measuring signals Si or s 2 .
  • the first and possibly the second measuring signal Si or s 2 each of which usually has a signal frequency corresponding to the instantaneous oscillation frequency of the measuring tube 13, are, as shown in FIG.
  • one of the measuring device electronics 50 preferably digital, evaluation circuit 50B, which serves to determine a measured value X, in particular numerically, which currently represents the process variable to be recorded, here for example the mass flow rate, the density, the viscosity or the pressure, and to convert it into a corresponding measured value signal which can be tapped at the output of the evaluation circuit.
  • a measured value X in particular numerically, which currently represents the process variable to be recorded, here for example the mass flow rate, the density, the viscosity or the pressure, and to convert it into a corresponding measured value signal which can be tapped at the output of the evaluation circuit.
  • the evaluation circuit 50B is implemented using a microcomputer provided in the measuring device electronics 50, which is programmed in a corresponding manner in such a way that it determines the measured value X on the basis of the measurement signals supplied by the sensor arrangement 60.
  • a microcomputer e.g. Both conventional microprocessors and modern signal processors are used.
  • both measurement signals Si, s 2 are used in the manner known to those skilled in the art in order to determine, for example, real in the signal-time domain or complex in the signal-frequency domain, a phase difference primarily dependent on the mass flow.
  • the process measuring device is also equipped with means which enable compensation of temperature-related influences on the measuring signals Si and / or s 2 used and thus ensure high accuracy of the measured value signal even over a large temperature range and also during a change in the temperature distribution within the measuring sensor ,
  • At least one first temperature sensor 40 is also provided in the sensor arrangement 60, which serves to detect a first temperature Ti at a first measuring point in the measuring sensor and to detect one with the same To generate temperature Ti corresponding first electrical, especially continuous, temperature measurement signal ⁇ i.
  • the temperature sensor 40 is preferably mounted in the sensor such that the temperature measurement signal ⁇ i supplied in the sensor is correlated as well as possible with a temperature of the process medium, at least when the temperature distribution is stationary within the sensor; At this point it should also be mentioned that the temperature measurement signal ⁇ i preferably represents an absolutely measured first temperature, but possibly also a temperature difference measured relatively with respect to a constant reference temperature.
  • the temperature sensor 40 is mounted in the measuring sensor in such a way that it essentially measures a temperature of the measuring tube 13 and supplies a first electrical temperature measurement signal ⁇ i corresponding to this measured temperature.
  • the temperature sensor 40 can e.g. be attached directly to the measuring tube 13, but it would then be continuously exposed to its mechanical vibrations, which in turn would cause problems with regard to fatigue strength.
  • the temperature sensor 40 is therefore preferably attached to one of the comparatively less vibrating extension pieces 131, 132, here the outlet side of the measuring tube 13.
  • a second temperature sensor 41 is provided in the sensor arrangement 60 in order to improve the measuring accuracy and is mounted in the measuring sensor 10 in such a way that it detects a second temperature T 2 at a second measuring point remote from the first measuring point.
  • the temperature sensor 41 is arranged according to a preferred embodiment of this development of the invention on an inside of a wall of the sensor housing 100, so that it practically measures a temperature of the sensor housing 100 as the second temperature T 2 .
  • the temperature sensor 41 can, for example, also be fixed on the support frame 14.
  • temperature sensors 40, 41 within the measuring sensor are to be taken into account and thus there are a multitude of other possibilities for the positioning of the at least one temperature sensor 40 and further temperature sensors that may be provided.
  • temperature sensors known to those skilled in the art, in particular previously used in conventional measuring sensors or the like can be used as temperature sensors.
  • Temperature-dependent resistors made of metal, for example Pt 100 or Pt 1000, or made of semiconductor material are particularly suitable for the applications mentioned.
  • further temperature sensors arranged in the measuring device for example also in the vicinity of the electronics housing, can also be taken into account when compensating for the temperature-related influences on the at least one measurement signal.
  • the temperature measurement signals ⁇ -i, ⁇ 2 generated by the temperature sensors 40, 41 and can be tapped from the sensor arrangement 60 are also fed to the evaluation circuit 50B and are thus further processed, in particular to compensate for the Measuring signals s- ⁇ , s 2 , accessible.
  • the measurement signal si is first converted into a non-temperature-compensated or also uncorrected intermediate measurement value X 'by means of a measurement stage MS provided in the evaluation circuit 50B. This is then again corrected by means of the evaluation circuit 50B using at least the one temperature measurement signal ⁇ i supplied by the sensor arrangement 60 and thus converted into the measurement value X.
  • at least the temperature measurement signal ⁇ 2 likewise supplied by the sensor arrangement 60, is preferably also used to correct the intermediate measurement value X.
  • At least one first, analog or digital, correction value Ki for the uncorrected intermediate measured value X derived from the at least one measurement signal Si is determined within a corresponding correction stage KS of the evaluation circuit 50B. Furthermore, the so determined Correction value Ki then, for example, in a simple manner with the uncorrected measured value X, according to the following simple function:
  • the correction value Ki formed with the correction stage KS is, as shown in FIG. 6, taking into account the one temperature measurement signal ⁇ i, but preferably taking into account at least the two temperature measurement signals ⁇ i, ⁇ 2 supplied by the sensor arrangement 60.
  • At least the temperature measurement signal ⁇ i used for determining the at least one correction value Ki is converted beforehand into a temperature estimate signal ⁇ i.
  • the generation of the temperature estimation signal ⁇ i serves to estimate and map as best as possible an instantaneous temperature distribution influenced by the temporal course of the one temperature measurement signal ⁇ i, taking into account not only an instantaneous signal value of the temperature measurement signal ⁇ i, such as in the input mentioned US-A 47 68 384, US-A 56 87 100, WO-A 88 02 476 or WO-A 01 02816, but also based on signal values from the past. Temperature values previously detected by temperature Ti are therefore also taken into account by temperature sensor 40.
  • FIG. 7 An example of possible courses of the temperatures Ti, T 2 during a transition range of the time period t 2 -t ⁇ is shown schematically in FIG. 7. If necessary, in addition to the temperature estimation signal ⁇ i, a current signal value of the temperature measurement signal ⁇ i can of course also be taken into account when generating the measured value X.
  • G1 0 is a variable or else kept constant, especially but independent of the measured temperatures
  • Gn is a weighting function of a signal filter with which that of the
  • the correction value Ki can now be determined using the temperature estimation signal ⁇ i using simple, in particular linear, mathematical relationships, such as e.g. the following:
  • Estimated signal ⁇ i estimated effective temperature and the first coefficient imparting the correction value Ki which is based on the actually taken into account the first parameter influencing the sensitivity, for example a changing mechanical tension acting axially to the measuring tube 13.
  • At least the temperature measurement signal ⁇ 2 is also pre-in corresponding second temperature estimation signal ⁇ 2 , for example on the basis of the following mathematical relationship:
  • ⁇ 2 G 20 + G 21 * ⁇ 2 ..., (4)
  • Ki 1 + kn ⁇ i + k 12 ⁇ 2 , (5)
  • a second correction value K 2 for the uncorrected intermediate measurement value X is determined in addition to the correction value Ki.
  • the instantaneous temperature distribution affects, for example, both the modulus of elasticity of the measuring tube 13 and, albeit in a different way, an instantaneous distribution of mechanical stresses within the sensor 10, especially also within the measuring tube 13. Accordingly, this instantaneous temperature distribution also influences its vibration behavior in various ways, for example with regard to the natural resonance frequencies of the measuring tube 13 or also with regard to a ratio between the vibration amplitudes of the useful and Corioli modes.
  • the measurement value X is preferably determined in the correction stage on the basis of the value compared to Eq. (1) extended mathematical relationship:
  • the conversion of the measurement signal Si into the intermediate measurement value X 'and its combination with the, preferably digital, correction value Ki or the correction values Ki, K 2 has the advantage, among other things, that for this type of determination of the measurement value X on the basis of the intermediate measurement value X 'and the correction values Ki, K 2 practically no essential changes have to be made to the measurement or evaluation methods previously used in conventional process measuring devices of the type described.
  • the measured value X can be determined in a simple manner as follows, taking into account a second parameter influencing the sensitivity of the measuring sensor:
  • the measuring device electronics comprises a filter stage FS connected upstream of the correction stage KS for temperature measurement signals supplied by the sensor arrangement 60, with at least one first signal filter SFi for the temperature measurement signal ⁇ i, cf. Fig. 6.
  • the correction circuit also uses the second temperature estimation signal ⁇ 2
  • at least one second signal filter SF 2 is provided in the filter stage FS for the temperature measurement signal ⁇ 2 .
  • the signal filters SFi, SF 2 of the filter stage FS are dimensioned and matched to one another, in particular in their filter order and their filter parameters so set that the weight function Gn, G 2 ⁇ defined in each case and the temperature measurement signal ⁇ i folded over it or ⁇ 2 a current temperature distribution within the measuring sensor 10 influencing the measurement signal Si and possibly also the second measurement signal s 2 is simulated or simulated as precisely as possible, taking into account not only current signal values of the respectively fed temperature signal ⁇ i or ⁇ 2 , but also based on signal values from the past of the corresponding temperature signal ⁇ i, ⁇ 2 .
  • the signal filters SFi, SF 2 in particular with regard to their signal amplification and their signal delay, but also dimensioned such that the effect of the at least implicitly estimated instantaneous temperature distribution on the sensitivity is taken into account in a compensating manner.
  • the weight function Gn of the signal filter SFi is preferably selected such that the temperature estimation signal ⁇ i takes a signal value which is proportional to the instantaneous signal value of the temperature signal ⁇ i in response to a change, for example an increase, in the temperature signal ⁇ i.
  • the measuring device electronics 50B will then react to a change in the first temperature measurement signal ⁇ i corresponding to a change in the first temperature with a time delay with a change in the first correction value Ki.
  • the weight function Gn can, in addition to a proportionally reinforcing component, also have at least one temporally integrating component of first or higher order.
  • the signal filter SF1 can be a low-pass filter, for example.
  • the filter arrangements that are actually suitable for the respective sensor type for the signal filters used in the individual case can best be experimentally developed or configured using prototypes of the measuring device experimentally or using computer-aided numerical calculations, e.g. using numerical algorithms using finite elements, determine and optimize.
  • the filter parameters that are actually suitable for the respective process measuring device can be e.g. be determined by means of measuring device-specific or measuring device-specific calibration measurements, in particular in connection with computing algorithms which determine the filter parameters numerically and e.g. optimize using the least squares method or generically.
  • the first temperature signal ⁇ i supplied by the sensor arrangement 60 is processed in the evaluation circuit before further processing, but in any case before the correction value Ki is calculated, by means of a first A / D converter ADi, as also in FIGS. 7 and 8 are shown schematically, sampled in a time-discrete manner and a first digital signal ⁇ ID is converted.
  • this is preferred second temperature signal ⁇ 2 also used is converted into a second digital signal ⁇ 2 D by means of a second A / D converter AD 2 .
  • a digital signal filter SF ⁇ D is used as the signal filter for the temperature measurement signal ⁇ i, which implements the following numerical algorithm for the calculation of the temperature estimate signal ⁇ i:
  • a second digital signal filter SF 2 D can be used for the temperature measurement signal ⁇ 2 , cf. Fig. 8.
  • the digital signal filter SF ID thus implemented is a recursive filter with an at least theoretically infinite impulse response; otherwise the digital signal filter SFID is a non-recursive filter with a finite impulse response.
  • the filter stage FS can be used practically completely by means of the aforementioned when using correspondingly powerful microprocessors, especially signal processors Microcomputers and corresponding software can be realized, which also includes the computing algorithms for the digital signal filter. Furthermore, both the determination of the correction value Ki and that of the measured value X can advantageously be achieved by executing correspondingly held computer programs using a microcomputer.
  • the measurement signal si or the measurement signals are processed in such a way that the uncorrected measurement value X 'in combination with the at least one correction value Ki delivers the measurement value X with sufficient accuracy.

Abstract

Das Prozeß-Meßgerät dient zum Messen einer physikalischen Prozeßgröße eines in einem Prozeßbehälter vorgehaltenen oder in einer Prozeßleitung strömenden Mediums. Es umfaßt einen Meßaufnehmer (10) mit einer Meßsignale (s1, s2) liefernden Sensoranordnung (60) sowie eine mit dem Meßaufnehmer (10) gekoppelte Meßgerät-Elektronik (50). Die Sensoranordnung (60) weist ein primär auf die physikalische Prozeßgröße, insb. auch Änderungen der Prozeßgröße, reagierendes Sensorelement (17) auf und liefert mittels des Sensorelements (17) ein von der physikalischen Prozeßgröße beeinflußtes Meßsignal (s1). Darüber hinaus weist die Sensoranordnung (60) wenigstens einen im Meßaufnehmer (10) angeordnete Temperatursensor (40) auf, der eine Temperatur, T1, im Meßaufnehmer (10) örtlich erfaßt, und liefert die Sensoranordnung (60) mittels des Temperatursenors (40) ein die Temperatur,T1, im Meßaufnehmer (10) repräsentierendes Temperatur-Meßsignal (θ1). Unter Verwendung des Meßsignals (s1) und unter Verwendung eines Korrekturwerts (K1) für das Meßsignal (s1) erzeugt die Meßgerät-Elektronik (50) einen die physikalische Größe momentan repräsentierenden Meßwert (X). Dabei ermittelt die Meßgerät-Elektronik (50) den Korrekturwert (K1) anhand eines zeitlichen Verlaufs des einen Temperatur-Meßsignals ( θ1) in der Weise, daß in der Vergangenheit mittels des Temperatursensors (40) erfaßte Temperaturwerte mit berücksichtigt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Prozeß-Meßgerät sind dadurch auch im instationären Übergangsbereich der Temperaturverteilung innerhalb des Meßaufnehmers (10), insb. auch bei Verwendung nur einiger weniger Temperatursensoren, temperaturbedingte Fehler im Meßsignal gut kompensierbar.

Description

Prozeß-Meßgerät
Die Erfindung betrifft ein Prozeß-Meßgerät zum Messen wenigstens einer physikalischen Prozeßgröße, insb. eines Massedurchflusses, einer Dichte, einer Viskosität, eines Drucks oder dergleichen, eines in einem Prozeßbehälter vorgehaltenen oder in einer Prozeßleitung strömenden Mediums.
In der industriellen Prozeß-Meßtechnik werden, insb. auch im Zusammenhang mit der Automatisierung chemischer oder verfahrenstechnischer Prozesse, zur Erzeugung von Prozeßgrößen analog oder digital repräsentierenden Meßwertsignalen vor Ort, also prozeßnah installierte Prozeß-Meßgeräte, sogenannte Feldmeßgeräte eingesetzt. Beispiele für derartige, dem Fachmann an und für sich bekannte Prozeß-Meßgeräte sind in der EP-A 984 248, EP-A 1 158 289, US-A 38 78 725, US-A 43 08 754, US-A 44 68 971 , US-A 45 24 610, US-A 45 74 328, US-A 45 94 584, US-A 46 17 607, US-A 47 16 770, US-A 47 68 384, US-A 48 50 213, US-A 50 52 230, US-A 51 31 279, US-A 52 31 884, US-A 53 59 881 , US-A 53 63 341 , US- A 54 69 748, US-A 56 04 685, US-A 56 87 100, US-A 57 96 011 , US-A 60 06 609, US-B 62 36 322, US-B 63 52 000, US-B 63 97 683, der WO-A 88 02 476, der WO-A 88 02 853, WO-A 95 16 897, WO-A 00 36 379, WO-A 00 14 485, WO-A 01 02816 oder der WO-A 02 086 426 detailiert beschrieben.
Bei den jeweils zu erfassenden Prozeßgrößen kann es sich beispielsweise um einen Massendurchfluß, eine Dichte, eine Viskosität, einen Füll- oder einen Grenzstand, einen Druck oder eine Temperatur oder dergleichen, eines flüssigen, pulver-, dampf- oder gasförmigen Prozeß-Mediums handeln, das in einem entsprechenden Prozeß- Behälter, wie z.B. einer Rohrleitung oder einem Tank, geführt bzw. vorgehalten wird.
Zum Erfassen der jeweiligen Prozeßgrößen weist das Prozeß-Meßgerät einen entsprechenden, zumeist physikalisch-elektrischen, Meßaufnehmer auf, der in eine Wandung des das Prozeß-Medium jeweils führenden Behälters oder der in den Verlauf einer das Prozeß-Medium jeweils führenden Prozeß-Leitung eingesetzt ist und der dazu dient, wenigstens ein die primär erfaßte Prozeßgröße möglichst genau repräsentierendes, insb. elektrisches, Meßsignal zu erzeugen. Dazu ist der Meßaufnehmer weiters mit einer entsprechenden, insb. auch einer Weiterverarbeitung oder Auswertung des wenigstens einen Meßsignals dienenden, Meßgerät-Elektronik verbunden.
Zudem sind Prozeß-Meßgeräte der beschriebenen Art üblicherweise über ein an die Meßgerät-Elektronik angeschlossenes Datenübertragungs-System miteinander und/oder mit entsprechenden Prozeß-Leitrechnern verbunden, wohin sie die Meßwertsignale z.B. via (4 mA bis 20 mA)-Stromschleife und/oder via digitalen Daten-Bus senden. Als Datenübertragungs-Systeme dienen hierbei, insb. serielle, Feldbus-Systeme, wie z.B. PROFIBUS-PA, FOUNDATION FIELDBUS sowie die entsprechenden Übertragungs-Protokolle. Mittels der Prozeß-Leitrechner können die übertragenen Meßwertsignale weiterverarbeitet und als entsprechende Meßergebnisse z.B. auf Monitoren visualisiert und/oder in Steuersignale für Prozeß- Stellglieder, wie z.B. Magnet-Ventile, Elektro-Motoren etc., umgewandelt werden.
Zur Aufnahme der Meßgerät-Elektronik umfassen solche Prozeß-Meßgeräte ferner ein Elektronik-Gehäuse, das, wie z.B. in der US-A 63 97 683 oder der WO-A 00 36 379 vorgeschlagen, vom Feldmeßgerät entfernt angeordnet und mit diesem nur über eine flexible Leitung verbunden sein kann oder das, wie z.B. auch in der EP-A 903 651 oder der EP-A 1 008 836 gezeigt, direkt am Meßaufnehmer oder einem den Meßaufnehmer separat einhausenden Meßaufnehmer-Gehäuse angeordnet ist. Oftmals dient dann das Elektronik-Gehäuse, wie beispielsweise in der EP-A 984248, der US-A 45 94 584, der US-A 47 16 770 oder der US-A 63 52 000 gezeigt, auch dazu, einige mechanische Komponenten des Meßaufnehmers mit aufzunehmen, wie z.B. sich unter mechanischer Einwirkung betriebsmäßig verformende membran-, stab-, hülsen- oder rohrförmige Deformation- oder Vibrationskörper, vgl. hierzu auch die eingangs erwähnte US-B 63 52 000.
Insbesondere in der EP-A 1 158 289, der US-A 47 68 384, der US-A 53 59 881 , der US-A 56 87 100, der WO-A 88 02 476, WO-A 95 16 897 oder der WO-A 01 02816 sind jeweils Prozeß-Meßgeräte zum Messen wenigstens einer physikalischen Prozeßgröße, insb. eines Massedurchflusses, einer Dichte, einer Viskosität, eines Drucks oder dergleichen, eines in einer Prozeßleitung strömenden Mediums gezeigt, bei denen der vornehmliche Meßaufnehmer jeweils umfaßt:
- wenigstens ein Meßrohr zum Führen des, insb. strömen gelassenen, Mediums
- eine mit der Meßgerät-Elektronik elektrisch verbundene Erregeranordnung mit einem auf das Meßrohr mechanisch einwirkenden, insb. elektro-dynamischen oder elektro-magnetischen, Schwingungserreger zum Antreiben des Meßrohrs, sowie
- eine Meßsignale liefernden Sensoranordnung, die wenigstens ein primär auf die physikalische Prozeßgröße, insb. auch Änderungen der Prozeßgröße, reagierendes erstes und ein zweites Sensorelement aufweist und mittels der Sensorelemente wenigstens ein von der physikalischen Prozeßgröße beeinflußtes erstes und zweites Meßsignal liefert,
- wobei die Meßgerät-Elektronik, wenigstens ein dem Steuern des Schwingungserregers dienendes Erregersignal liefert, so daß das Meßrohr im Betrieb zumindest zeitweise vibrieren gelassen wird,
- wobei die beiden Sensorelemente auf einlaßseitige bzw. auslaßseitige Vibrationen des Meßrohrs reagieren und
- wobei die von Sensorelementen gelieferten Meßsignale vom Prozeß-Medium beeinflußte mechanische Schwingungen des vibrierenden Meßrohrs repräsentieren.
Darüber hinaus umfaßt solch ein Prozeß-Meßgerät vom Vibrations-Typ ferner ein das Meßrohr mit den daran angeordneten Schwingungserregern und Sensoren sowie allfällige weitere Komponenten des Meßaufnehmers einhausendes Meßaufnehmer-Gehäuse.
Für den Fall, daß ein Prozeß-Meßgerät vom Vibrations-Typ als Coriolis- Massendurchflußmesser eingesetzt wird, ermittelt die Meßgerät-Elektronik u.a. auch eine Phasendifferenz zwischen den beiden, von den Sensorelementen gelieferten Meßsignalen, hier Schwingungssignale, und gibt die Meßgerät-Elektronik an ihrem Ausgang ein Meßwertsignal ab, das, mit dem zeitlichen Verlauf der Phasendifferenz korrespondierend, einen Meßwert des Massendurchflusses darstellt. Bekanntlich können auf Prozeß-Meßgeräte der beschriebenen Art, insb. auf deren jeweiligen Meßaufnehmer, neben den oben beschriebenen, primär zu erfassenden Prozeßgrößen, auch andere, insb. auch nicht beeinflußbare, physikalische Größen, inbs. eine Prozeß- oder Mediums-Temperatur, einwirken.
Insbesondere bei mit vibrierenden Meßrohren arbeitenden Prozeß-Meßgeräten, z.B. Coriolis-Massedurchfluß-Meßgeräten, Dichte-Meßgeräten und/oder Viskositäts- Meßgeräten, kann eine thermisch bedingt veränderliche Ausdehnung des Meßrohrs auch dazu führen, daß der Meßaufnehmer neben einer Empfindlichkeit auf die primären Meßgrößen, wie z.B. einen Massedurchfluß, eine Dichte und/oder eine Viskosität, auch eine Querempfindlichkeit gegenüber einer im Meßaufnehmer momentan herrschenden Temperaturverteilung aufweist. Infolge solcher temperaturbedingter Störeinflüssen auf das Schwingungsverhalten des Meßaufnehmers wird dieser praktisch verstimmt. Demzufolge kann auch das von der Meßgerät-Elektronik gelieferte Meßwertsignal bei Nichtberücksichtigung dieser "Verstimmung" fehlerhaft sein.
Zur Kompensation von temperaturbedingten Störeinflüssen auf die vom Meßaufnehmer gelieferten Meßsignale und/oder auf mittels der Meßgerät-Elektronik daraus abgeleiteten Meßwertsignale ist bei Coriolis-Massedurchfluß-Meßgeräten oder Coriolis-Massedurchfluß-/Dichte-Meßgeräten daher üblicherweise auch mindestens ein Temperatursensor z.B. für die Messung der Temperatur des Meßrohrs oder einer Meßrohrumgebung in der Sensoranordnung vorgesehen, vgl. hierzu auch die US-A 53 59 881 , die US-A 56 87 100 oder die WO-A 88 02 476.
Bei den hier gezeigten Prozeß-Meßgeräten werden zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Elastizitätsmoduln der jeweiligen Meßrohre mittels jeweils einem, an einem gebogenen Meßrohr angebrachten Temperatursensor, z.B. einem Pt100, einem Pt1000 oder einem Thermo-Element, zunächst ein mit der Temperatur des Meßmediums korrespondierendes, elektrisches Temperatur- Meßsignal erzeugt. Dieses wird dann in der Meßgerät-Elektronik durch Multiplikation mit konstanten, zeitinvarianten Koeffizienten in einen die Einflüsse der gemessenen Temperatur auf das Elastizitätsmodul berücksichtigenden Korrekturfaktor umgerechnet und so in die Korrektur des Meßwertsignals, z.B. eines Massedurchfluß- und/oder eines Dichtesignals einfließen gelassen. Zur Glättung des Temperatur-Meßsignals oder zur Verbesserung von dessen Signal-zu-Rausch- Verhältnis können, wie z.B. in der WO-A 88 02 476 vorgeschlagen, entsprechende digitale Signalfilter zum Einsatz kommen.
Neben solchen Prozeß-Meßgeräten vom Vibrations-Typ mit gebogenem Meßrohr sind dem Fachmann ferner auch Prozeß-Meßgeräte vom Vibrations-Typ mit einem einzigen geraden Meßrohr oder auch mit zwei Meßrohren bekannt, vgl. hierzu insb. die US-A 45 24 610, die US-A 47 68 384, die US-A 60 06 609, die WO-A 00 144485 oder die WO-A 01 02816. Bei solchen Prozeß-Meßgeräten mit einem einzigen geraden Meßrohr ist üblicherweise im Meßaufnehmer ferner ein, insb. schwingfähig im Meßaufnehmer-Gehäuse aufgehängtes, am Meßrohr fixiertes Trägerelement zum Haltern des Schwingungserregers und der Sensorelemente vorgesehen, daß zudem auch dazu dient, das vibrierende Meßrohr von der angeschlossenen Rohrleitung schwingungstechnisch zu entkoppeln. Das Trägerelement kann dabei z.B. als ein koaxial zum Meßrohr angeordneter rohrförmiger Kompensationzylinder oder kastenförmiger Tragrahmen ausgeführt sein.
Aufgrund ihrer speziellen Konstruktion reagieren Prozeß-Meßgeräte vom Vibrations- Typ mit geradem Meßrohr oder geraden Meßrohren auf Temperaturveränderung nicht nur mit der bereits erwähnten E-Modul-Änderung, sondern bewirken auch temperaturbedingte Änderungen mechanischer Spannungen innerhalb des Meßrohrs und ggf. auch innerhalb des Trägerelements und/oder des Meßaufnehmer-Gehäuses Änderungen in der Empfindlichkeit des Meßaufnehmers auf die primären Prozeßgrößen.
Solche temperaturbedingten mechanischen, insb. axial zum Meßrohr wirkenden, Spannungen können verschiedene Ursachen haben, die allein oder in Verbindung miteinander auftreten können. Selbst wenn Meßrohr und Trägerelement oder Meßaufnehmer-Gehäuse im wesentlichen gleiche Temperaturen aufweisen, können temperaturabhängige mechanische Spannungen auftreten, wenn Trägerrohr und Schwingsystem aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Noch stärker wirken sich derartige Temperatureinflüsse auf das Meßergebnis aus, wenn die Temperatur der Meßrohres von der Temperatur desTrägerrohrs verschieden ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Prozeß-Medium gemessen werden soll, dessen Temperatur von der Umgebungstemperatur verschieden ist. Bei sehr heißen oder sehr kalten Prozeß- Medien kann ein sehr großes Temperaturgefälle zwischen dem Trägerelement bzw. dem Meßaufnehmer-Gehäuse und den Meßrohren bestehen.
Zur Kompensation auch solcher, die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers gegenüber den primären Prozeßgrößen verändernden Temperatureinflüsse sind beispielsweise in der US-A 4768 384, der US-A 52 31 884 oder der WO-A 01 02816 Maßnahmen beschrieben. Dabei wird unter Verwendung wenigstens eines weiteren, am Meßaufnehmer-Gehäuse angebrachten Temperatursensors, der Einfluß auch von temperaturabhängigen Ausdehnungen oder Spannungen des Meßaufnehmer- Gehäuses auf das Meßwertsignal dadurch kompensiert, daß ein weiterer, die Einflüsse der gemessenen Temperatur auf die Ausdehnugen oder die Spannungsverteilung im Meßaufnehmer berücksichtigenden Korrekturfaktors in der Meßgerät-Elektronik gebildet und in das Meßwertsignal mit einfließen gelassen wird. Zur Bildung dieses Korrekturfaktors wird jedes der Temperatur-Signale gleichzeitig und unverzögert mit wiederum konstanten Koeffizienten und ggf. auch mit sich selbst multipliziert.
Es hat sich hierbei aber gezeigt, daß die Temperaturverteilung im Betrieb von Prozeß-Meßgeräten der beschriebenen Art zum einen, insb. aufgrund einer zumeist nicht konstant zu haltenden Temperatur des Fluids, erheblichen Schwankungen unterliegen kann und somit innerhalb des Prozeß-Meßgeräts, insb. auch innerhalb des Meßaufnehmers, wiederholt dynamische Ausgleichsvorgänge bezüglich der Temperaturverteilung zu verzeichnen sind. Zum anderen können diese zeitlichen Änderungen in der Temperaturverteilung, bedingt durch verschiedene spezifische Temperaturleitfähigkeiten oder Wärmekapazitäten einzelner Komponenten des Meßaufnehmers, z.B. des Meßrohrs oder des Meßaufnehmer-Gehäuses, unterschiedlich raschen auf die einzelnen, die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers mitbestimmenden Komponenten des Meßaufnehmers durchgreifen, so daß auch die mittels zweier oder meherer Temperatursensoren erfaßten Temperaturprofile oder - gradienten dynamischen Veränderungen unterliegen können.
Dies wiederum kann aber bei Prozeß-Meßgeräten, bei denen, wie z.B. in der US-A 47 68 384 oder der WO-A 01 02816 gezeigt, für die Ermittlung von entsprechenden Korrekturfaktoren für das Meßsignal lediglich momentane Temperaturwerte berücksichtigende, statische Algorithmen angewendet werden, dazu führen, daß trotz der Verwendung solcher, zwar von verschiedenen, örtlich verteilt erfaßten Temperaturen abgeleiteten, jedoch zueinander stets gleichbleibend gewichteten Korrekturfaktoren erhebliche Ungenauigkeiten im Meßwertsignal während des des instationären Zustande der Temperaturverteilung auftreten können, und zwar über einen vergleichsweise langen Zeitraum. Untersuchungen haben nämlich ferner ergeben, daß solche, insb. Änderungen in den mechanischen Spannungen innerhalb des Meßaufnehmers bewirkenden, instationären Übergangsbereiche der Temperaturverteilung von wenigen Minuten bis hin zu einigen Stunden andauern können und daß sich während dieser oftmals recht langen Zeit des instationären Zustande der Temperaturverteilung die Einflüsse der örtlich erfaßten Temperaturen auf das Meßsignal bzw. die Meßsignale im Verhältnis zueinander ebenfalls verändern können.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung derartiger Fehler im Meßsignal kann bei solchen Meßaufnehmern mit vibrierendem Meßrohr z.B. darin bestehen, eine Vielzahl von Temperatur-Sensoren entlang des Meßrohrs und entlang des Meßaufnehmer- Gehäuses und/oder entlang des ggf. vorhandenen Trägerelements für das einzige Meßrohr verteilt zu installieren.
Der Nachteil einer solchen Lösung ist u.a. darin zu sehen, daß mit der Zahl der verwendeten Temperatur-Sensoren auch die Herstellkosten entsprechend deutlich ansteigen. Abgesehen von den Kosten für die Temperatursensoren selbst steigen nämlich auch die Kosten für deren Montage und Verdrahtung.
Darüber hinaus kann eine Erhöhung der Anzahl an Temperatursensoren aber auch zu einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit der Sensoranordnung selbst führen, insb. auch dann, wenn die Temperatur-Sensoren an betriebsgemäß hochfrequent vibrierenden Komponenten, z.B. dem Meßrohr oder als Gegenschwinger ausgeführten Trägerelement, fixiert sind.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, Prozeß-Meßgeräte der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, das auch im instationären Übergangsbereich der Temperaturverteilung innerhalb von derem jeweiligen Meßaufnehmer temperaturbedingte Fehler im Meßsignal weitgehend kompensiert sind und das für die Ermittlung eines möglichst genauen Korrekturfaktors für Temperatureinflüsse auf das Meßsignal möglichst wenig Temperatursensoren benötigt.
Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einem Prozeß-Meßgerät zum Messen wenigstens einer physikalischen Prozeßgröße, insb. eines Massedurchflusses, einer Dichte, einer Viskosität, eines Drucks oder dergleichen, eines in einem Prozeßbehälter vorgehaltenen oder in einer Prozeßleitung strömenden Mediums, welches Meßgerät umfaßt:
- einen Meßaufnehmer
- mit einer Meßsignale liefernden Sensoranordnung, die wenigstens ein primär auf die physikalische Prozeßgröße, insb. auch
Änderungen der Prozeßgröße, reagierendes erstes Sensorelement aufweist und mittels des ersten Sensorelements wenigstens ein von der physikalischen
Prozeßgröße beeinflußtes erstes Meßsignal liefert, und die darüber hinaus wenigstens einen ersten im Meßaufnehmer angeordneten
Temperatursensor aufweist, der eine erste Temperatur im Meßaufnehmer örtlich erfaßt, und die mittels des wenigstens einen Temperatursenors wenigstens ein die erste
Temperatur im Meßaufnehmer repräsentierendes erstes Temperatur-Meßsignal liefert, sowie
- eine Meßgerät-Elektronik, die unter Verwendung wenigstens des ersten Meßsignals und unter Verwendung eines ersten Korrekturwerts für das wenigstens erste Meßsignal wenigstens einen die physikalische Größe momentan repräsentierenden Meßwert, insb. einen Massendurchfluß-Meßwert, einen Dichte- Meßwert, einen Viskositäts-Meßwert oder einen Druck-Meßwert, erzeugt,
- wobei die Meßgerät-Elektronik im Betrieb den ersten Korrekturwert anhand eines zeitlichen Verlaufs des wenigstens ersten Temperatur-Meßsignals dadurch ermittelt, daß in der Vergangenheit mittels des ersten Temperatursensors erfaßte Temperaturwerte mit berücksichtigt werden.
Nach einer bevorzugten ersten Ausgestaltung der Erfindung reagiert die Meßgerät- Elektronik im Betrieb auf eine mit einer Änderung der ersten Temperatur korrespondierenden Änderung des ersten Temperatur-Meßsignals zeitverzögert mit einer Änderung des ersten Korrekturwerts.
Nach einer bevorzugten zweiten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoranordnung wenigstens einen im Meßaufnehmer, insb. vom ersten Temperatursenor beabstandet, angeordneten zweiten Temperatursenor auf, der eine zweite Temperatur im Meßaufnehmer örtlich erfaßt, und
- bei dem die Sensoranordnung mittels des zweiten Temperatursenors wenigstens ein die zweite Temperatur repräsentierendes zweites Temperatur-Meßsignal liefert.
Nach einer bevorzugten dritten Ausgestaltung der Erfindung ermittelt die Meßgerät- Elektronik den ersten Korrekturwert auch unter Verwendung des zweiten Temperatur-Meßsignals.
Nach einer bevorzugten vierten Ausgestaltung der Erfindung ermittelt die Meßgerät- Elektronik anhand eines zeitlichen Verlaufs wenigstens des zweiten Temperatur- Meßsignals einen zweiten Korrekturwert und erzeugt die Meßgerät-Elektronik den Meßwert auch unter Verwendung des zweiten Korrekturwerts.
Nach einer bevorzugten fünften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Meßgerät- Elektronik eine Filterstufe zum Erzeugen des wenigstens ersten Korrekturwerts, wobei das erste Temperatur-Meßsignal einem ersten Signaleingang der Filterstufe zugeführt ist. Nach einer bevorzugten sechsten Ausgestaltung der Erfindung weist die Filterstufe einen ersten A/D-Wandler für das erste Temperatur-Meßsignal auf, der dieses in ein erstes Digitalsignal wandelt.
Nach einer bevorzugten siebenten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Filterstufe ein erstes digitales Filter für das erste Digitalsignal.
Nach einer bevorzugten achten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste digitale Filter ein rekursives Filter.
Nach einer bevorzugten neunten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste digitale Filter ein nicht-rekursives Filter ist.
Nach einer bevorzugten zehnten Ausgestaltung der Erfindung liefert das erste digitale Filter den ersten Korrekturwert an einen ersten Signalausgang der Filterstufe.
Nach einer bevorzugten elften Ausgestaltung der Erfindung dient die Filterstufe auch dem Erzeugen des zweiten Korrekturwerts, wobei das zweite Temperatur-Meßsignal einem zweiten Signaleingang der Filterstufe zugeführt ist, und weist die Filterstufe einen zweiten A/D-Wandler für das zweite Temperatur-Meßsignal auf, der dieses in ein zweites Digitalsignal wandelt.
Nach einer bevorzugten zwölften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Filterstufe ein zweites digitales Filter für das zweite Digitalsignal.
Nach einer bevorzugten dreizehnten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Meßaufnehmer wenigstens ein Meßrohr zum Führen des, insb. strömenden, Mediums.
Nach einer bevorzugten vierzehnten Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens einer der beiden Temperatursensoren auf dem Meßrohr oder in dessen Nähe angeordnet. Nach einer bevorzugten fünfzehnten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Meßaufnehmer ein das Meßrohr zumindest teilweise umhüllendes Meßaufnehmer- Gehäuse.
Nach einer bevorzugten sechzehnten Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens einer der beiden Temperatursensoren am Meßaufnehmer-Gehäuse fixiert oder zumindest in dessen Nähe angeordnet.
Nach einer bevorzugten siebzehnten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Meßaufnehmer ferner einen mit der Meßgerät-Elektronik elektrisch verbundenen, auf das Meßrohr mechanisch einwirkenden, insb. elektro-dynamischen oder elektromagnetischen, Schwingungserreger zum Antreiben des Meßrohrs, und liefert die Meßgerät-Elektronik, wenigstens ein dem Steuern des Schwingungserregers dienendes Erregersignal, so daß das Meßrohr im Betrieb zumindest zeitweise vibriert.
Nach einer bevorzugten achtzehnten Ausgestaltung der Erfindung reagiert das erste Sensorelement auf, insb. einlaßseitige oder auslaßseitige, Vibrationen des Meßrohrs und repräsentiert das vom ersten Sensorelement gelieferte Meßsignal vom Prozeß- Medium beeinflußte mechanische Schwingungen des vibrierenden Meßrohrs.
Nach einer bevorzugten neunzehnten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Meßaufnehmer ein, insb. schwingfähig im Meßaufnehmer-Gehäuse aufgehängtes, am Meßrohr fixiertes Trägerelement zum Haltern des Schwingungserregers und wenigstens des ersten Sensorelements.
Nach einer bevorzugten zwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Temperatursenor auf dem Trägerelement fixiert oder zumindest in dessen Nähe angeordnet.
Nach einer bevorzugten einundzwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoranordnung wenigstens ein zweites primär auf die physikalische Prozeßgröße reagierendes Sensorelement auf und liefert die Sensoranordnung mittels des zweiten Sensorelements wenigstens ein von der physikalischen Prozeßgröße beeinflußtes zweites Meßsignal, wobei die Meßgerät-Elektronik den Meßwert auch unter Verwendung des zweiten Meßsignals erzeugt.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht zum einen darin, die momentane Empfindlichkeit des Meßaufnehmers auf die zu messende Prozeßgröße in Abhängigkeit von seiner momentanen inneren Temperaturverteilung zu ermitteln und die davon beeinflußten Meßsignale entsprechend zu kompensieren. Zum anderen geht es bei der Erfindung darum, anhand von in der Vergangenheit gemessener Temperaturen die für die Empfindlichkeit momentane wirksame Temperaturverteilung im Meßaufnehmer, insb. auch unter Verndung möglichst weniger Temperatursensoren, ausreichend genau abzuschätzen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht neben des geringen schaltungstechnischen Aufwands für die Temperaturmessung auch darin, daß für die Positionierung der Temperatursensoren innerhalb des Meßaufnehmers mehr Freiheitsgrade geschaffen werden, da nunmehr die jeweilige Lage des Temperatursensors bei der Auswertung des jeweils gelieferten Temperturmeßsignals mit in die Korrektur einfließen gelassen werden kann. Somit können die Temperatursensoren insb. auch aus montage- und/oder verdrahtungs-technischer Sicht optimal angeordnet werden.
Dies hat beispielsweise bei den eingangs erwähnten Prozeß-Meßgeräten vom Vibrations-Typ auch den Vorteil, daß die Temperatursensoren zum Zwecke der Abschätzung der wirksame Temperaturverteilung des Meßrohrs und/oder des ggf. vorhanden Trägerelements ohne weiteres auch an nicht-vibrierenden Komponenten des Meßaufnehmers, wie z.B. dem Wandler-Gehäuse, fixiert werden können.
Fig. 1 zeigt perspektivisch in einer Seitenansicht ein Prozeß-Meßgerät,
Fig. 2 zeigt nach Art eines Blockschaltbildes eine für das Prozeß-Meßgerät gemäß Fig. 1 geeignete Meßgerät-Elektronik gekoppelt mit einem Meßaufnehmer vom Vibrationjs-Typ, Fig. 3 zeigt teilweise geschnitten ein Ausführungsbeispiel eines für das
Prozeß-Meßgerät von Fig. 1 geeigneten Meßaufnehmers vom Vibrations-Typ perspektivisch in einer ersten Seitenansicht,
Fig. 4 zeigt den Meßaufnehmer von Fig. 2 perspektivisch in einer zweiten
Seitenansicht,
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen
Erregeranordnung für den Meßaufnehmer von Fig. 2,
Fig. 6 zeigt nach Art eines Blockschaltbildes eine für die Meßgerät-Elektronik von Fig. 2 geeignete Auswerteschaltung,
Fig. 7 zeigt schematisiert ein Beispiel für mögliche Temperaturverläufe innerhalb des Meßaufnehmers von Fig. 2 und
Fig. 7 zeigt nach Art eines Blockschaltbildes eine Ausgestaltung der
Auswerteschaltung von Fig. 6.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Prozeß-Meßgerät, beispielsweise ein Coriolis-Massedurchflußmeßgerät, ein Dichte-Meßgerät und/oder eine Prozeß-Meßgerät 1 mit einem, bevorzugt innerhalb eines Meßaufnehmer- Gehäuses 100 untergebrachten, Meßaufnehmer 10 vom Vibrationstyp sowie mit einer in einem Elektronik-Gehäuse 200 dargestellt, in dem eine mit dem Meßaufnehmer 10 elektrisch verbundene Meßgerät-Elektronik 50 untergebracht ist.
Das Prozeß-Meßgerät 1 dient dazu, eine Prozeßgröße, z.B. einen Massedurchfluß, eine Dichte und/oder eine Viskosität, eines in einer Rohrleitung strömenden Fluids zu erfassen und in einen diese Prozeßgröße momentan repräsentierenden Meßwertsignal abzubilden; die Rohrleitung ist aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht dargestellt. Zum Führen des Fluids umfaßt der Meßaufnehmer 10 ein Meßrohr 13, das im Betrieb vorzugsweise in einem Biegeschwingungsmode so vibrieren gelassen wird, daß im hindurchströmenden Fluid solche Reaktionskräfte, wie z.B. Coriolis-Kräfte, Beschleunigungskräfte und/oder Reibungskräfte, von ausreichender Höhe erzeugt werden, die von der Prozeßgröße abhängig sind und die auf den Meßaufnehmer 10 in messbarer, also sensorisch erfassbar und elektronisch auswertbarer Weise zurückwirken.
In den Fig. 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer als Meßaufnehmer 10 dienenden physikalisch-elektrischen Wandleranordnung vom Vibrations-Typ gezeigt. Der Aufbau einer derartigen Wandleranordnung ist z.B. in der US-A 60 06 609 ausführlich beschrieben.
Zum Führen des zu messenden Fluids umfasst der Meßaufnehmer 10 wenigstens ein ein Einlaßende 11 und ein Auslaßende 12 aufweisendes Meßrohr 13 von vorgebbarem, im Betrieb elastisch verformbarem Meßrohrlumen 13A und von vorgebbarer Nennweite.
Elastisches Verformen des Meßrohrlumens 13A bedeutet hier, daß zum Erzeugen der oben bereits erwähnten, fluidintemen und somit das Fluid beschreibenden Reaktionskräften eine Raumform und/oder eine Raumlage des Meßrohrlumens 13A innerhalb eines Elastizitätsbereiches des Meßrohrs 13 in vorgebbarer Weise zyklisch, insb. periodisch, verändert wird, vgl. z.B. die US-A 48 01 897, die US-A 56 48 616, die US-A 57 96 011 oder die US-A 60 06 609. Falls erforderlich, kann das Meßrohr, wie z.B. in der EP-A 1 260 798 gezeigt, beispielsweise auch gebogen sein. Darüber hinaus ist z.B. auch möglich, anstelle eines einzigen Meßrohrs, zwei gebogene oder gerade Meßrohre zu verwenden. Weitere geeignete Ausführungsformen für solche als Meßaufnehmer 10 dienende Wandleranordnungen sind z.B. in der US-A 53 01 557, der US-A 53 57 811 , der US-A 55 57 973, der US-A 56 02 345, der US-A 56 48 616 oder der US-A 57 96 011 ausführlich beschrieben.
Als Material für das in den Fig. 3 und 4 gerade Meßrohr 13 sind z.B. Titanlegierungen besonders geeignet. Anstelle von Titanlegierungen können aber auch andere für derartige, insb. auch für gebogene, Meßrohre üblicherweise verwendete Materialien wie z.B. rostfreier Stahl, Tantal oder Zirconium etc. verwendet werden.
Das Meßrohr 13, das in der üblichen Weise einlaß-seitig und auslaß-seitig mit der das Fluid zu- bzw. abführenden Rohrleitung kommuniziert, ist in einen starren, insb. biege- und verwindungssteifen, und vom Meßaufnehmer-Gehäuse 100 umhüllten, Tragrahmen 14 schwingfähig eingespannt.
Der Tragrahmen 14 ist am Meßrohr 13 einlaß-seitig mittels einer Einlaßplatte 213 und ausslass-seitig mittels einer Auslaßplatte 223 fixiert, wobei letztere beide jeweils von entsprechenden Verlängerungsstücken 131 , 132 des Meßrohrs 13 durchstoßen sind. Ferner weist der Tragrahmen 14 eine erste Seitenplatte 24 und eine zweite Seitenplatte 34 auf, welche beiden Seitenplatten 24, 34 jeweils derart an der Einlaßplatte 213 und an der Auslaßplatte 223 fixiert sind, daß sie praktisch parallel zum Meßrohr 13 verlaufen und von diesem sowie voneinander beabstandet angeordnet sind, vgl. Fig. 3. Somit sind einander zugewandte Seitenflächen der beiden Seitenplatten 24, 34 ebenfalls parallel zueinander.
Ein Längsstab 25 ist an den Seitenplatten 24, 34, vom Meßrohr 13 beabstandet, fixiert, der als Schwingungen des Meßrohrs 13 tilgende Auswuchtmasse dient. Der Längstab 25 erstreckt sich, wie in Fig. 4 dargestellt ist, praktisch parallel zur gesamten schwingfähigen Länge des Meßrohrs 13; dies ist jedoch nicht zwingend, der Längstab 25 kann selbstverständlich, falls erforderlich, auch kürzer ausgeführt sein.
Der Tragrahmen 14 mit den beiden Seitenplatten 24, 34, der Einlaßplatte 213, der Auslaßplatte 223 und dem Längsstab 25 hat somit eine Längsschwerelinie, die praktisch parallel zu einer das Einlaßende 11 und das Auslaßende 12 virtuell verbindenden Meßrohr-Mittelachse 13B verläuft.
In den Fig. 3 und 4 ist durch die Köpfe der gezeichneten Schrauben angedeutet, daß das erwähnte Fixieren der Seitenplatten 24, 34 an der Einlaßplatte 213, an der Auslaßplatte 223 und am Längsstab 25 durch Verschrauben erfolgen kann; es können aber auch andere geeignete und dem Fachmann geläufige Befestigungsarten angewendet werden.
Für den Fall, daß der Meßaufnehmer 10 lösbar mit der Rohrleitung zu montieren ist, ist dem Meßrohr 13 einlaß-seitig ein erster Flansch 19 und auslaß-seitig ein zweiter Flansch 20 angeformt, vgl. Fig. 1 ; anstelle der Flansche 19, 20 können aber z.B. auch andere Rohrleitungs-Verbindungsstücke zur lösbaren Verbindung mit der Rohrleitung angeformt sein, wie z.B. die in Fig. 3 angedeuteten sogenannten Triciamp-Anschlüsse. Falls erforderlich kann das Meßrohr 13 aber auch direkt mit der Rohrleitung, z.B. mittels Schweissen oder Hartlötung etc. verbunden werden bzw. sein
Zum Erzeugen der erwähnten Reaktionskäfte wird das Meßrohr 13 im Betrieb des Meßaufnehmers 10, angetrieben von einer mit dem Meßrohr gekoppelten elektromechanischen Erregeranordnung 16, bei einer vorgebbaren Schwingfrequenz, insb. einer natürlichen Resonanzfrequenz, im sogenannten Nutzmode vibrieren gelassen und somit in vorgebbarer Weise elastisch verformt. Wie bereits erwähnt, ist diese Resonanzfrequenz auch von der momentanen Dichte des Fluids abhängig.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das vibrierende Meßrohr 13, wie bei solchen Wandleranordnungen vom Biegeschwingungs-Typ üblich, aus einer statischen Ruhelage räumlich, insb. lateral, ausgelenkt; gleiches gilt praktisch auch für solche Wandleranordnungen, bei denen ein oder mehrere gebogene Meßrohre Auslegerschwingungen um eine entsprechende, das jeweilige Einlaß- und Auslaßende virtuell verbindende Längsachse ausführen, oder auch für solche Wandleranordnungen, bei denen ein oder mehre gerade Meßrohre lediglich ebene Biegeschwingungen um ihre Meßrohrlängsachse ausführen. In einem weiteren Fall, daß als Meßaufnehmer 10, wie z.B. in der erwähnten WO-A 95/16 897 beschrieben, eine Wandleranordnung vom peristaltischen Radialschwingungs-Typ dient und der Querschnitt des vibrierenden Meßrohrs in der dafür üblichen Weise symmetrisch verformt wird, verbleibt die Meßrohrlängsachse in ihrer statischen Ruhelage. Die Erregeranordnung 16 dient dazu, unter Umsetzung einer von der Meßgerät- Elektronik 50 eingespeisten elektrischen Erregerleistung Pexc eine auf das Meßrohr 13 einwirkende Erregerkraft Fexc zu erzeugen. Die Erregerleistung Pexc dient bei Erregung auf einer natürlichen Resonanzfrequnz praktisch lediglich zur Kompensation des über mechanische und fluidinterne Reibung dem Schwingungssystem entzogenen Leistungsanteils. Zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades ist die Erregerleistung Pexc daher möglichst genau so eingestellt, daß im wesentlichen die Schwingungen des Meßrohrs 13 im gewünschten Nutzmode, z.B. die einer Grund-Resonanzfrequenz, aufrecht erhalten werden.
Zum Zwecke des Übertragens der Erregerkraft Fexc auf das Meßrohr 13 weist die Erregeranordnung 16, wie in Fig. 5 dargestellt ist, eine starre, elektromagnetisch und/oder elektrodynamisch angetriebene Hebelanordnung 15 mit einem am Meßrohr 13 biegefest fixierten Ausleger 154 und mit einem Joch 163 auf. Das Joch 163 ist an einem vom Meßrohr 13 beabstandeten Ende des Auslegers 154 ebenfalls biegefest fixiert, und zwar so, daß es oberhalb des Meßrohrs 13 und quer zu ihm angeordnet ist.
Als Ausleger 154 kann z.B. eine metallische Scheibe dienen, die das Meßrohr 13 in einer Bohrung aufnimmt. Für weitere geeignete Ausführungen der Hebelanordnung 15 sei an dieser Stelle auf die bereits erwähnte US-A 60 06 609 verwiesen. Die Hebelanordnung 15 ist T-förmig und so angeordnet, vgl. Fig. 5, daß sie etwa in der Mitte zwischen Einlaß- und Auslaßende 11 , 12 auf das Meßrohr 13 einwirkt, wodurch dieses im Betrieb mittig seine größte laterale Auslenkung erfährt.
Zum Antreiben der Hebelanordnung 15 umfaßt die Erregeranordnung 16 gemäß Fig. 5 eine erste Erregerspule 26 und einen zugehörigen ersten dauermagnetischen Anker 27 sowie eine zweite Erregerspule 36 und einen zugehörigen zweiten dauermagnetischen Anker 37. Die beiden, elektrisch bevorzugt in Reihe geschalteten, Erregerspulen 26, 36 sind beiderseits des Meßrohrs 13 unterhalb des Jochs 163 am Tragrahmen 14, insb. lösbar, so fixiert, daß sie mit ihrem jeweils zugehörigen Anker 27 bzw. 37 im Betrieb in Wechselwirkung stehen. Die beiden Erregerspulen 26, 36, können, falls erforderlich, selbstverständlich auch einander parallelgeschaltet sein.
Wie in Fig. 3 und 5 dargestellt ist, sind die beiden Anker 27, 37 derart voneinander beabstandet am Joch 163 fixiert, daß im Betrieb des Meßaufnehmers 10 der Anker 27 praktisch von einem Magnetfeld der Erregerspule 26 und der Anker 37 praktisch von einem Magnetfeld der Erregerspule 36 durchsetzt und aufgrund entsprechender elektrodynamischer und/oder elektromagnetischer Kraftwirkungen bewegt wird.
Die mittels der Magnetfelder der Erregerspulen 26, 36 erzeugten Bewegungen der Anker 27, 37 werden vom Joch 163 und vom Ausleger 154 auf das Meßrohr 13 übertragen. Diese Bewegungen der Anker 27, 37 sind so ausgebildet, daß das Joch 163 alternierend in Richtung der Seitenplatte 24 oder in Richtung der Seitenplatte 34 aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Eine entsprechende, zur bereits erwähnten Meßrohr-Mittelachse 13B parallele Drehachse der Hebelanordnung 15 kann z.B. durch den Ausleger 154 verlaufen.
Der als Trägerlement für die Erregeranordnung 16 dienende Tragrahmen 14 umfaßt ferner eine mit den Seitenplatten 24, 34, insb. lösbar, verbundene Halterung 29 zum Haltern der Erregerspulen 26, 36 und ggf. einzelner Komponenten einer weiter unten genannten Magnetbremsanordnung 217.
Beim Meßaufnehmer 10 des Ausführungsbeispiels bewirken die lateralen Auslenkungen des am Einlaßende 11 und am Auslaßende 12 fest eingespannten, vibrierenden Meßrohrs 13 gleichzeitig eine elastische Verformung seines Meßrohrlumens 13A, die praktisch über die gesamte Länge des Meßrohrs 13 ausgebildet ist.
Ferner wird im Meßrohr 13 aufgrund eines über die Hebelanordnung 15 auf dieses wirkenden Drehmoments gleichzeitig zu den lateralen Auslenkungen zumindest abschnittsweise eine Verdrehung um die Meßrohr-Mittelachse 13B erzwungen, so daß das Meßrohr 13 praktisch in einem als Nutzmode dienenden gemischten Biegeschwingungs-Torsionsmode schwingt. Die Verdrehung des Meßrohrs 13 kann dabei so ausgebildet sein, daß eine laterale Auslenkung des vom Meßrohr 13 beabstandeten Ende des Auslegers 154 entweder gleich- oder entgegen-gerichtet zur lateralen Auslenkung des Meßrohrs 13 ist. Das Meßrohr 13 kann also Torsionsschwingungen in einem dem gleich-gerichteten Fall entsprechenden ersten Biegeschwingungs-Torsionsmode oder in einem dem entgegen-gerichtet Fall entsprechenden zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode ausführen. Dann ist beim Meßaufnehmer 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel die natürliche Grund- Resonanzfrequenz des zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmodes von z.B. 900 Hz annährend doppelt so hoch wie die des ersten Biegeschwingungs-Torsionsmodes.
Für den Fall, daß das Meßrohr 13 betriebsmäßig Schwingungen lediglich im zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode ausführen soll, ist eine auf dem Wirbelstromprinzip beruhende Magnetbremsanordnung 217 in die Erregeranordnung 16 integriert, die dazu dient, die Lage der erwähnten Drehachse zu stabilisieren. Mittels der Magnetbremsanordnung 217 kann somit sichergestellt werden, daß das Meßrohr 13 stets im zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode schwingt und somit allfällige äußere Störeinflüsse auf das Meßrohr 13 nicht zu einem spontanen Wechsel in einen anderen, insb. nicht in den ersten, Biegeschwingungs-Torsionsmode führen. Einzelheiten einer solchen Magnetbremsanordnung sind in der US-A 60 06 609 ausführlich beschrieben.
Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, daß bei dem auf diese Weise gemäß dem zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode ausgelenkten Meßrohr 13 die gedachte Meßrohr-Mittelachse 13B praktisch leicht deformiert wird und somit bei den Schwingungen keine Ebene sondern eher eine schwach gewölbte Fläche aufspannt. Ferner weist eine in dieser Fläche liegende, vom Mittelpunkt der Meßrohr-Mittelachse beschriebene Bahnkurve die kleinste Krümmung aller von der Meßrohr-Mittelachse beschriebenen Bahnkurven auf.
Zum Vibrierenlassen des Meßrohrs 13 wird die Erregeranordnung 16 mittels eines gleichfalls oszillierenden Erregerstroms ie c, insb. von einstellbarer Amplitude und von einstellbarer Erregerfrequenz fexCl derart gespeist, daß die Erregerspulen 26, 36 im Betrieb von diesem durchflössen sind und in entsprechender Weise die zum Bewegen der Anker 27, 37 erforderlichen Magnetfelder erzeugt werden. Der Erregerstrom iexc wird, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, von einer in der Meßgerät-Elektronik 50 vorgesehenen Betriebsschaltung 50A geliefert und kann beispielsweise ein harmonischer Wechselstrom sein. Die Erregerfrequenz fexc des Erregerstroms iexc ist beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise so gewählt oder sie stellt sich so ein, daß das lateral schwingende Meßrohr 13 möglichst ausschliesslich im zweiten Biegeschwingungs-Torsionsmode torsional schwingt.
Zum Detektieren der Verformungen des Meßrohrs 13 umfaßt der Meßaufnehmer 10 ferner eine Sensoranordnung 60, die, wie in Fig. 2, 3 gezeigt, mittels wenigstens eines auf Vibrationen des Meßrohrs 13 reagierenden erstes Sensorelements 17 ein diese repräsentierendes erstes, insb. analoges, Meßsignal Si erzeugt. Das Sensorelement 17 kann z.B. mittels eines dauermagnetischen Ankers gebildet sein, der am Meßrohr 13 fixiert ist und mit einer vom Tragrahmen 14 gehalterten Sensorspule in Wechselwirkung steht.
Als Sensorelement 17 sind besonders solche geeignet, die, basierend auf dem elektrodynamischen Prinzip, eine Geschwindigkeit der Auslenkungen des Meßrohrs 13 erfassen. Es können aber auch beschleunigungsmessende elektrodynamische oder aber auch wegmessende resistive oder optische Sensoren verwendet werden. Selbstverständlich können auch andere dem Fachmann bekannte und für die Detektion solcher Vibrationen geeignete Sensoren, wie z.B. Dehnungen des Meßrohrs 13 erfassende Sensoren, verwendet werden.
Die Sensoranordnung 60 umfaßt ferner einen, insb. zum ersten Sensorelement 17 identisches, zweites Sensorelement 18, mittels dem sie ein ebenfalls Vibrationen des Meßrohrs 13 repräsentierdendes zweites Meßsignal s2 liefert. Die beiden Sensorelemente 17, 18 sind bei dieser Ausgestaltung entlang des Meßrohrs 13 voneinander beabstandet, insb. in einem gleichen Abstand von der Mitte des Meßrohrs 13, so im Meßaufnehmer 10 angeordnet, daß mittels der Sensoranordnung 60 sowohl einlaß-seitige als auch auslaß-seitige Vibrationen des Meßrohrs 13 örtlich erfasst und in die entsprechenden Meßsignale Si bzw. s2 abgebildet werden. Das erste und ggf. das zweite Meßsignal Si bzw. s2, von denen jedes üblicherweise eine der momentanen Schwingfrequenz des Meßrohrs 13 entsprechende Signalfrequenz aufweist, sind, wie in Fig. 2 gezeigt, einer der Meßgerät-Elektronik 50 vorgesehenen, vorzugsweise digitalen, Auswerteschaltung 50B zugeführt, die dazu dient, einen die zu erfassende Prozeßgröße, hier z.B. den Massendurchfluß, die Dichte, die Viskosität oder den Druck, momentan repräsentierenden Meßwert X, insb. numerisch, zu ermitteln und in ein entsprechendes, ausgangs der Auswerteschaltung abgreifbares Meßwertsignal umzuwandeln.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteschaltung 50B unter Verwendung eines in der Meßgerät-Elektronik 50 vorgesehenen Mikrocomputers realisiert, der in entsprechender Weise so programmiert ist, daß er den Meßwert X anhand der von der Sensoranordnung 60 gelieferten Meßsignale ermittelt. Zur Realisierung des Mikrocomputers können z.B. sowohl herkömmliche Mikroprozessoren als auch moderne Signalprozessoren verwendet werden.
Während beim hier gezeigten Meßaufnehmer die Dichte oder auch Viskosität durchaus anhand eines einzigen der Meßsignale s-ι, s2 bestimmbar sind, werden für den Fall, daß der Massedurchfluß gemessen werden soll, in der dem Fachmann bekannten Weise beide Meßsignale Si, s2 verwendet, um so, beispielsweise reell im Signal-Zeitbereich oder komplex im Signal-Frequenzbreich, eine primär vom Massedurchfluß abhängige Phasendifferenz zu ermitteln.
Das Prozeß-Meßgerät ist darüber hinaus mit Mitteln ausgestattet, die eine Kompensation temperaturbedingter Einflüsse auf die verwendeten Meßsignale Si und/oder s2 ermöglichen und somit eine hohe Genauigkeit des Meßwertsignals auch über einen großen Temperaturbereich und auch während einer Änderung der Temperaturverteilung innerhalb des Meßaufnehmers gewährleisten.
Zu diesem Zweck ist in der Sensoranordnung 60 weiters wenigstens ein erster Temperatursensor 40 vorgesehen, der dazu dient eine erste Temperatur Ti an einer ersten Meßstelle im Meßaufnehmer zu erfassen und ein mit dieser erfaßten Temperatur Ti korrespondierendes erstes elektrisches, insb. kontinuierliches, Temperatur-Meßsignal θi zu erzeugen. Der Temperatursensor 40 ist dazu bevorzugt so im Meßaufnehmer angebracht, daß das von im gelieferte Temperatur-Meßsignal θi zumindest bei stationärer Temperaturverteilung innerhalb des Meßaufnehmers möglichst gut mit einer Temperatur des Prozeß-Mediums korreliert ist; es sei an dieser Stelle noch erwähnt, daß das Temperatur-Meßsignal θi vorzugsweise zwar eine absolut gemessene erste Temperatur repräsentiert, ggf. aber z.B. auch eine bezüglich einer konstant gehaltenen Referenztemperatur relativ gemessen Temperaturdifferenz sein kann.
Der Temperatursensor 40 ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung so im Meßaufnehmer angebracht, daß er im wesentlichen eine Temperatur des Meßrohrs 13 mißt und ein mit dieser gemessenen Temperatur korrespondierendes erstes elektrisches Temperatur-Meßsignal θi liefert. Der Temperatursensor 40 kann hierzu z.B. direkt auf dem Meßrohr 13 angebracht sein, doch wäre er dann dauernd dessen mechanischen Schwingungen ausgesetzt, was wiederum Probleme hinsichtlich der Dauerfestigkeit ergäbe. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 40 daher vorzugsweise an einem der vergleichsweise weniger stark schwingenden Verlängerungsstücke 131 , 132, hier dem auslaßseitigen, des Meßrohrs 13 angebracht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Verbesserung der Meßgenauigkeit in der Sensoranordnung 60 ein zweiter Temperatursensor 41 vorgesehen, der so im Meßaufnehmer 10 angebracht ist, daß er eine zweite Temperatur T2 an einer von der ersten Meßstelle entfernten zweiten Meßstelle erfaßt. Zu diesem Zwecke ist der Temperatursensor 41 nach einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung an einer Innenseite einer Wand des Meßaufnehmer-Gehäuses 100 angeordnet, so daß er als zweite Temperatur T2 praktisch eine Temperatur des Meßaufnehmer-Gehäuses 100 mißt. Der Temperatursensor 41 kann aber z.B. auch am Tragrahmen 14 fixiert sein.
Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, daß, allein im Hinblick auf die Temperatur- Kompensation der Meßsignale, praktisch kaum Beschränkungen für die Anordnung der Temperatursensoren 40, 41 innerhalb des Meßaufnehmers zu berücksichtigen sind und somit eine Vielzahl von anderen Möglichkeiten für die Positionierung des wenigstens einen Temperatussensors 40 sowie weiterer ggf. vorgesehener Temperatursensoren gegeben ist. Zudem können als Temperatursensoren dem Fachmann bekannte, insb. bislang auch bei herkömmlichen Meßaufnehmer eingesetzte Temperatursensoren oder dergleichen, verwendet werden. Vorzugsweise kommen für die genannten Anwendungen insb. temperaturabhängige Widerstände aus Metall, z.B. Pt 100 oder Pt 1000, oder aus Halbleitermaterial in Frage. Des weiteren können, falls erforderlich, zusätzlich zu den Temperatursensoren 40, 41 selbstverständlich weitere im Meßgerät, beispielsweise auch in der Nähe des Elektronik-Gehäuses, angeordnete Temperatursensoren bei der Kompensation der temperaturbedingten Einflüsse auf das wenigstens eine Meßsignal mit berücksichtigt werden.
Wie in der Fig. 2 oder auch 6 dargestellt, sind die von den Temperatursensoren 40, 41 erzeugten und ausgangs der Sensoranordnung 60 abgreifbaren Temperatur- Meßsignale θ-i, θ2 ebenfalls der Auswerteschaltung 50B zugeführt und so einer Weiterverarbeitung, insb. einer Kompensation der Meßsignale s-ι, s2, zugänglich.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Meßsignal si, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt, zunächst mittels einer in der Auswerteschaltung 50B vorgesehenen Meßstufe MS in einen nicht temperatur-kompensierten oder auch unkorrigierten Zwischen-Meßwert X' überführt. Dieser wird dann wiederum mittels der Auswerteschaltung 50B unter Verwendung wenigstens des einen von der Sensoranordnung 60 gelieferten Temperatur-Meßsignals θi korrigiert und so in den Meßwert X umgewandelt. Bevorzugt wird jedoch auch wenigstens das ebenfalls von der Sensoranordnung 60 gelieferte Temperatur-Meßsignals θ2 zur Korrektur des Zwischen-Meßwerts X herangezogen.
Zur Korrektur der Zwischen-Meßwerts X wird innerhalb einer entsprechenden Korrigierstufe KS der Auswerteschaltung 50B wenigstens ein erster, analoger oder digitaler, Korrekturtwert Ki für den vom wenigstens eine Meßsignal Si abgleiteten unkorrigierten Zwischen-Meßwert X bestimmt. Im weiteren kann der so ermittelte Korrekturwert Ki dann z.B. in einfacher Weise mit dem unkorrigierten Meßwert X, gemäß folgender einfacher Funktion:
X = Kι X (1)
in der Korrekturstufe KS multipliziert werden.
Der mit der Korrekturstufe KS gebildet Korrekturwert Ki wird, wie in Fig. 6 dargestellt, unter Berucksichtgung des einen Temperatur-Meßsignal θi, vorzugsweise aber unter Berucksichtgung wenigstens der beiden von der Sensoranordnung 60 gelieferten Temperatur-Meßsignale θi, θ2 gebildet.
Erfindungsgemäß wird darüber hinaus zumindest das für die Ermittlung des wenigstens einen Korrekturwerts Ki verwendete Temperatur-Meßsignal θi vorab in ein Temperatur-Schätzsignal θi überführt. Die Erzeugung des Temperatur- Schätzsignals θi dient dazu, eine vom zeitlichen Verlauf des einen Temperatur- Meßsignals θi beeinflußte, momentane Temperaturverteilung möglichst gut abzuschätzen und abzubilden, und zwar unter Berücksichtigung nicht nur eines momentanen Signalwerts des Temperatur-Meßsignals θi, wie z.B. in den eingangs erwähnten US-A 47 68 384, US-A 56 87 100, WO-A 88 02 476 oder WO-A 01 02816 vorgeschlagen, sondern auch anhand von Signalwerten aus dessen Vergangenheit. Es werden also vom Temperatursensor 40 zuvor von der Temperatur Ti erfaßte Temperaturwerte mit berücksichtigt. Ein Beispiel für mögliche Verläufe der Temperaturen Ti, T2 während eines Übergangsbereichs der Zeitspanne t2-tι ist in der Fig. 7 schematisch dargestellt. Falls erforderlich, kann bei der Erzeugung des Meßwerts X zusätzlich zum Temperatur-Schätzsignal θi selbstverständlich auch ein momentaner Signalwert des Temperatur-Meßsignals θi für sich allein mit berücksichtigt werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Temperatur- Schätzsignal θi mittels der Meßgerät-Elektronik 50 auf der Basis folgender mathematischen Beziehung erzeugt: θ1 = Gιo + Gιι * θι..., (2)
worin
G10 ein veränderlicher oder aber auch konstant gehaltener, insb. aber von den gemessenen Temperaturen unabhängiger Koeffizient ist und Gn eine Gewichtsfunktion eines Signalfilters ist, mit der das von der
Sensoranordnung gelieferte Temperatur-Meßsignal θi gefaltet wird.
Der Korrekturwert Ki läßt sich unter Verwendung des Temperatur-Schätzsignals θi nunmehr mittels einfacher, insb. lineare, mathematische Beziehungen, wie z.B. die folgende:
Kι = 1 + kn θi , (3)
berechnen, worin kn ein den Zusammenhang zwischen der mit dem Temperatur-
Schätzsignal θi abgeschätzten wirksamen Temperatur und dem Korrekturwert Ki vermittelnder erster Koeffizient ist, der auf dem tatsächlich berücksichtigten die Empfindlichkeit beeinflussenden ersten Parameter, beispielsweise einer sich ändernder, axial zum Meßrohr 13 wirkenden mechanischen Spannung, basiert.
Falls erforderlich, kann darüber hinaus für die Ermittlung des Temperatur- Schätzsignals θi beispielsweise auch das mit sich selbst amplituden-modulierte Temperatur-Meßsignal θi in der Form Gι2 * Θ1 2 oder aber auch das mit dem Temperatur-Meßsignal Θ2 amplituden-modulierte Temperatur-Meßsignal θi in der Form Gι3 * θιθ2 mit berücksichtigt werden.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird für die Ermittlung des Korrekturwerts Ki wenigstens auch das Temperatur-Meßsignal θ2 vorab in ein entsprechendes zweites Temperatur-Schätzsignal θ2 , z.B. auf Basis der folgenden mathematischen Beziehung:
θ2 = G20 + G21 * θ2..., (4)
gewandelt.
Unter Vernachlässigung von allfälligen Termen höherer Ordnung kann dann die mit Gl. (3) formulierte, lediglich vom Temperatur-Meßsignals θi abhängige Berechnungsvorschrift für den Korrekturwert Ki dann wie folgt modifiziert werden:
Ki = 1 + kn θi + k12 θ2 , (5)
so daß der Korrekturwert Ki nunmehr auch vom Temperatur-Meßsignal θ2 abhängig ist. Der in Gl. (5) eingeführte zweite Koeffizient kι2 ist in Analogie zu Gl. (3) ein den Zusammenhang zwischen dem Temperatur-Schätzsignal θ2 und dem Korrekturwert Ki vermittelnder Koeffizient, der ebenfalls auf dem tatsächlich berücksichtigten ersten Parameter basiert.
Unter Verwendung von Gl.(5) kann die in Gl. (1 ) formulierte Berechnungsvorschrift für den Meßwert X dann in folgender Weise verfeinert werden:
X = (1 + kn θi + kι2 θ2) X (6)
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird, insb. für den Fall, daß die momentane Temperaturverteilung gleichzeitig auf mehrere, die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers beeinflussende Parameter einwirkt, zusätzlich zum Korrekturwert Ki ein zweiter Korrekturwert K2 für den unkorrigierten Zwischen-Meßwert X bestimmt.
Bei dem hier gezeigten Meßaufnehmer beeinflußt die momentane Temperaturverteilung nämlich beispielsweise sowohl den E-Modul des Meßrohrs 13, als auch, wenn auch in anderer Weise, eine momentane Verteilung mechanischer Spannungen innerhalb des Meßaufnehmers 10, insb. auch innerhalb des Meßrohrs 13. Dementsprechend hat diese momentane Temperaturverteilung auch auf verschiedene Weise Einfluß auf dessen Schwingungsverhalten, z.B. hinsichtlich der natürlichen Resonanzfrequenzen des Meßrohrs 13 oder auch hinsichtlich eines Verhältnisses zwischen den Schwingungsamplituden des Nutz- und des Coriolismodes.
Unter Berücksichtigung dessen erfolgt die Ermittlung des Meßwerts X in der Korrekturstufe vorzugsweise basierend auf der gegenüber der Gl. (1) erweiterten mathematischen Beziehung:
X = K! K2 X. (7)
Die Überführung des Meßsignals Si in den Zwischen-Meßwert X' und dessen Kombination mit dem, vorzugsweise digitalen, Korrekturwert Ki bzw. den Korrekturwerten K-i, K2 hat u.a. den Vorteil, daß für diese Art der Ermittlung des Meßwerts X anhand des Zwischen-Meßwert X' und der Korrekturwerte Ki, K2 praktisch keine wesentlichen Veränderungen an den in herkömmlichen Prozeß- Meßgeräten der beschriebenen Art bislang angewendeten Meß- bzw. Auswerte- Verfahren vorgenommen werden müssen.
Ausgehend von den Gin. (1 ), (3), (5), (6) und/oder (7) kann nunmehr ohne weiteres eine Korrektur des Zwischen-Meßwerts X auch unter Berücksichtigung weiterer die Empfindlichkeit beeinflussenden Parameter vorgenommen werden. Beispielsweise kann der Meßwert X unter Berücksichtigung eines zweiten, die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers beeinflussenden Parameters in einfacher Weise wie folgt ermittelt werden:
X = (1 + kn θι + kι2 θ2 ) (1 + k21 θι") X (8)
berechnen, worin k2ι ein den Zusammenhang zwischen der geschätzten Temperatur-
Schätzsignal θi und dem Korrekturwert Ki vermittelnder dritter Koeffizient ist, der auf dem tatsächlich berücksichtigten zweiten Parameter, beispielsweise einem sich änderenden E-Modul, basiert.
Ein Koeffizientevergleich zwischen Gl. (6) und Gl. (8) zeigt, daß hierbei der Korrekturwert K2 z.B. mit:
K2 = 1 + k2i θi , (9)
berechnet werden kann.
Zum Erzeugen des wenigstens einen Temperatur-Schätzsignals θi umfaßt die erfindungsgemäße Meßgerät-Elektronik nach einer bevorzugten Ausgestaltung eine der Korrekturstufe KS vorgeschaltete Filterstufe FS für von der Sensoranordnung 60 gelieferte Temperatur-Meßsignale mit wenigstens einem ersten Signalfilter SFi für das Temperatur-Meßsignal θi, vgl. Fig. 6. Für den bevorzugten Fall, daß die Korrekturschaltung auch das zweite Temperatur-Schätzsignals θ2 verwendet, ist in der Filterstufe FS ferner wenigstens ein zweites Signalfilter SF2 für das Temperatur- Meßsignal θ2 vorgesehen.
Die Signalfilter SFi, SF2 der Filterstufe FS sind hierbei so dimensioniert und auf einander abgestimmt, insb. in ihrer Filterordnung und ihren Filterparametern so eingestellt, daß mit der so jeweils definierten Gewichtsfunktion Gn, G2ι und dem jeweils darüber gefalteten Temperatur-Meßsignal θi bzw. θ2 eine das Meßsignal Si und ggf. auch das zweite Meßsignal s2 beeinflussende momentane Temperaturverteilung innerhalb des Meßaufnehmers 10 möglichst genau nachgebildet oder auch simuliert wird, und zwar unter Berücksichtigung nicht nur momentaner Signalwerte des jeweils eingespeisten Temperatursignals θi oder θ2, sondern auch anhand von Signalwerten aus der Vergangenheit des entsprechenden Temperatursignals θi, θ2. Darüber hinaus sind die Signalfilter SFi, SF2, insb. im Hinblick auf ihre Signalverstärkung und ihre Signalverzögerung, aber auch so dimensioniert, daß auch die Wirkung der zumindest implizit geschätzten momentanen Temperaturverteilung auf die Empfindlichkeit in kompensierender Weise berücksichtigt wird. Vorzugsweise ist die Gewichtsfunktion Gn des Signalfilters SFi so gewählt, daß das Temperatur-Schätzsignal θi in Reaktion auf eine Veränderung, beispielsweise einer Erhöhung, des Temperatursignals θi deutlich verzögert einen dem momentanen Signalwert des Temperatursignals θi proportionalen Signalwert annimmt. In entsprechender Weise wird dann auch die Meßgerät-Elektronik 50B auf eine mit einer Änderung der ersten Temperatur korrespondierenden Änderung des ersten Temperatur-Meßsignals θi zeitverzögert mit einer Änderung des ersten Korrekturwerts Ki reagieren. Beispielsweise kann die Gewichtsfunktion Gn zu diesem Zweck neben einer proportional verstärkenden Komponente, auch wenigstens eine zeitlich integrierende Komponente erster oder höherer Ordnung aufweisen. Dementsprechend kann das Signalfilter SF1 beispielsweise ein Tiefpaß- Filter sein.
Die für den jeweiligen Meßaufnehmer-Typ tatsächlich geeigneten Filterordnungen für die im einzelnen verwendeten Signalfilter lassen sich am besten vorab bei der Entwicklung und Projektierung des Prozeß-Meßgeräts anhand von Prototypen des Meßgeräts experimentell oder aber auch unter Anwendung computergestützter numerischer Berechnungen, wie z.B. unter Anwendung von mittels finiter Elemente numerisch rechnenden Algorithmen, ermitteln und optimieren. Ausgehend von den vorab, insb. empirisch, ermittelten Filterordnungen können dann die tatsächlich für das jeweilige Prozeß-Meßgerät geeigneten Filterparameter z.B. mittels meßgerät- oder meßgerätetyp-spezifischen Kalibriermessungen bestimmt werden, insb. in Verbindung mit Rechenalgorithmen, die die Filterparameter numerisch ermitteln und z.B. nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate oder auch generisch optimieren.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das von der Sensoranordnung 60 gelieferte erste Temperatursignal θi vor der Weiterverarbeitung in der Auswerteschaltung, jedenfalls aber vor der Berechnung des Korrekturwerts Ki, mittels eines ersten A/D-Wandlers ADi, wie auch in den Fign. 7 und 8 schematisch dargestellt, zeitdiskret abgetastet und ein ein erstes Digitalsignal ΘID umgewandelt. In analoger Weise wird, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt, das vorzugsweise ebenfalls verwendete zweite Temperatursignal θ2 mittels eines zweiten A/D-Wandlers AD2 in ein zweites Digitalsignal Θ2D konvertiert.
In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung dient als Signalfilter für das Temperatur- Meßsignal θi ein digitales Signalfilter SFιD, das für die Berechnung des Temperatur- Schätzsignal θi folgenden numerischen Algorithmus umsetzt:
N θ = ∑ak θ .k.Δt - ∑bk θ ι,t-k Δ. (10) k=0 k=1
wobei wenigstens zwei, bevorzugt aber mehrere von M möglichen Koeffizienten aι< von Null verschieden sind. In dazu analoger Weise kann für das Temperatur- Meßsignal θ2 ein zweites digitales Signalfilter SF2D verwendet werden, vgl. Fig. 8.
Für den Fall, daß in der mit Gl. (10) gegebenen allgemeinen Berechnungsvorschrift wenigstens einer der N möglichen Koeffizienten b von Null verschieden ist, handelt es sich bei dem so realisierten digitalen Signalfilter SFID um ein rekursives Filter mit einer zumindest theoretisch unendlichen Impulsantwort; andernfalls ist das digitale Signalfilter SFID ein nicht-rekursives Filter mit einer endlichen Impulsantwort.
Für vorgenannten Fall, daß die Temperatur-Meßsignale θi, θ2 digitalisiert, also inform von Abtastfolgen der Temperatur-Meßsignale θi, θ2 weiter verwendet werden, kann die Filterstufe FS bei Verwendung entsprechend leistungsfähiger Mikroprozessoren, insb. Signalprozessoren, praktisch vollständig mittels des erwähnten Mikrocomputers und entsprechender Software realisiert werden, die auch die Rechnenalgorithmen für die digitalen Signalfilter umfaßt. Weiters kann in vorteilhafter Weise sowohl die Ermittlung des Korrekturwerts Ki und als auch die des Meßwerts X durch Ausführen entsprechend vorgehaltener Computerprogramme mittels Mikrocomputer erreicht werden.
In Kenntnis der Erfindung besteht nunmehr für den Fachmann kaum eine Schwierigkeit, eine geeignete digitale oder ggf. auch hybride, also gemischt anlogdigitale, Auswerteschaltung, insb. auch eine geeignete Filterstufe, zu entwerfen, die aufgrund der zur Verfügung stehende Temperatur-Meßsignale θi, θ2 und entsprechender Vergleichsmessungen für die Prozeßgröße das Meßsignal si bzw. die Meßsignale so verarbeitet, daß der unkorrigierte Meßwert X' in Kombination mit dem wenigstens einen Korrekturwert Ki den Meßwert X mit ausreichender Genauigkeit liefert.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Prozeß-Meßgerät zum Messen wenigstens einer physikalischen Prozeßgröße, insb. eines Massedurchflusses, einer Dichte, einer Viskosität, eines Drucks oder dergleichen, eines in einem Prozeßbehälter vorgehaltenen oder in einer Prozeßleitung strömenden Mediums, welches Meßgerät umfaßt:
- einen Meßaufnehmer (10)
- mit einer Meßsignale (si, s2) liefernden Sensoranordnung (60),
- die wenigstens ein primär auf die physikalische Prozeßgröße, insb. auch Änderungen der Prozeßgröße, reagierendes erstes Sensorelement (17) aufweist und mittels des ersten Sensorelements (17) wenigstens ein von der physikalischen Prozeßgröße beeinflußtes erstes Meßsignal (si) liefert, und
- die darüber hinaus wenigstens einen im Meßaufnehmer (10) angeordnete ersten Temperatursensor (40) aufweist, der eine erste Temperatur, Ti, im Meßaufnehmer (10) örtlich erfaßt, und
--- die mittels des wenigstens einen Temperatursenors (40) wenigstens ein die erste Temperatur,^, im Meßaufnehmer (10) repräsentierendes erstes Temperatur-Meßsignal (θi) liefert, sowie
- eine Meßgerät-Elektronik (50), die unter Verwendung wenigstens des ersten Meßsignals (si) und unter Verwendung eines ersten Korrekturwerts (Ki) für das wenigstens erste Meßsignal (si) wenigstens einen die physikalische Größe momentan repräsentierenden Meßwert (X), insb. einen Massendurchfluß-Meßwert, einen Dichte-Meßwert, einen Viskositäts-Meßwert oder einen Druck-Meßwert, erzeugt,
- wobei die Meßgerät-Elektronik (50) im Betrieb den ersten Korrekturwert (Ki) anhand eines zeitlichen Verlaufs des wenigstens ersten Temperatur-Meßsignals (θi) dadurch ermittelt, daß in der Vergangenheit mittels des ersten Temperatursensors (40) erfaßte Temperaturwerte mit berücksichtigt werden.
2. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 1 , bei dem die Meßgerät-Elektronik im Betrieb auf eine mit einer Änderung der ersten Temperatur korrespondierenden Änderung des ersten Temperatur-Meßsignals (θi) zeitverzögert mit einer Änderung des ersten Korrekturwerts (Ki) reagiert.
3. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2,
- bei dem die Sensoranordnung (60) wenigstens einen im Meßaufnehmer (10), insb. vom ersten Temperatursensor (40) beabstandet, angeordneten zweiten Temperatursenor (41 ) aufweist, der eine zweite Temperatur,T2, im Meßaufnehmer (10) örtlich erfaßt, und
- bei dem die Sensoranordnung (60) mittels des zweiten Temperatursenors (41 ) wenigstens ein die zweite Temperatur,T2, repräsentierendes zweites Temperatur- Meßsignal (θ2) liefert.
4. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 3, bei dem Meßgerät-Elektronik (50) den ersten Korrekturwert (Ki) auch unter Verwendung des zweiten Temperatur-Meßsignals (θ2) ermittelt.
5. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 3 oder 4,
- bei dem die Meßgerät-Elektronik (50) anhand eines zeitlichen Verlaufs wenigstens des zweiten Temperatur-Meßsignals (θ2) einen zweiten Korrekturwert (K2) ermittelt und
- bei dem die Meßgerät-Elektronik (50) den Meßwert (X) auch unter Verwendung des zweiten Korrekturwerts (K2) erzeugt.
6. Prozeß-Meßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Meßgerät- Elektronik (50) eine Filterstufe (FS) zum Erzeugen des wenigstens ersten Korrekturwerts (Ki) umfaßt, wobei das erste Temperatur-Meßsignal (θi) einem ersten Signaleingang der Filterstufe (FS) zugeführt ist.
7. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 6, bei dem die Filterstufe (FS) einen ersten A/D- Wandler (ADi) für das erste Temperatur-Meßsignal (θi) aufweist, der dieses in ein erstes Digitalsignal (ΘID) wandelt.
8. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 7, bei dem die Filterstufe ein erstes digitales Signalfilter (SFιD) für das erste Digitalsignal (ΘID) umfaßt.
9. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 8, bei dem das erste digitale Signalfilter (SFID) ein rekursives Filter ist.
10. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 8, bei dem das erste digitale Signalfilter ein nicht-rekursives Filter ist.
11. Prozeß-Meßgerät nach einem Anspruch 5,
- bei dem die Filterstufe (FS) auch zum Erzeugen des zweiten Korrekturwerts (K2) dient, wobei das zweite Temperatur-Meßsignal (θ2) einem zweiten Signaleingang der Filterstufe (FS) zugeführt ist, und
- bei dem die Filterstufe (FS) einen zweiten A/D-Wandler (AD2) für das zweite Temperatur-Meßsignal (θ2) aufweist, der dieses in ein zweites Digitalsignal (Θ2D) wandelt.
12. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 7, bei dem die Filterstufe ein zweites digitales Signalfilter für das zweite Digitalsignal (Θ2D) umfaßt.
13. Prozeß-Meßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Meßaufnehmer wenigstens ein Meßrohr (13) zum Führen des, insb. strömenden, Mediums umfaßt.
14. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 13, bei dem wenigstens einer der beiden Temperatursensoren (40, 41 ) auf dem Meßrohr oder in dessen Nähe angeordnet ist.
15. Prozeß-Meßgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem der Meßaufnehmer (10) ein das Meßrohr (13) umhüllendes Meßaufnehmer-Gehäuse (100) umfaßt.
16. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 15, bei dem wenigstens einer der beiden Temperatursensoren (40, 41) am Meßaufnehmer-Gehäuse (100) fixiert oder zumindest in dessen Nähe angeordnet ist.
17. Prozeß-Meßgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
- bei dem der Meßaufnehmer (10) ferner einen mit der Meßgerät-Elektronik (50) elektrisch verbundenen, auf das Meßrohr (13) mechanisch einwirkenden, insb. elektro-dynamischen oder elektro-magnetischen, Schwingungserreger (16) zum Antreiben des Meßrohrs (13) umfaßt, und
- bei dem die Meßgerät-Elektronik (50), wenigstens ein dem Steuern des Schwingungserregers (16) dienendes Erregersignal (iexc) liefert, so daß das Meßrohr (13) im Betrieb zumindest zeitweise vibrieren gelassen wird.
18. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 17,
- bei dem das erste Sensorelement (17) auf, insb. einlaßseitige oder auslaßseitige, Vibrationen des Meßrohrs (13) reagiert und
- bei dem das vom ersten Sensorelement (17) gelieferte Meßsignal (Si) vom Prozeß- Medium beeinflußte mechanische Schwingungen des vibrierenden Meßrohrs (13) repräsentiert.
19. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 17 oder 18, bei dem der Meßaufnehmer (10) ein, insb. schwingfähig im Meßaufnehmer-Gehäuse (100) aufgehängtes, am Meßrohr (13) fixiertes Trägerelement (14) zum Haltern des Schwingungserregers (16) und wenigstens des ersten Sensorelements (17) umfaßt.
20. Prozeß-Meßgerät nach Anspruch 19, bei dem wenigstens Temperatursenor (40) auf dem Trägerelement (14) fixiert oder zumindest in dessen Nähe angeordnet ist.
21. Prozeß-Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
- bei dem die Sensoranordnung (60), wenigstens ein zweites primär auf die physikalische Prozeßgröße reagierendes Sensorelement (18) auweist und mittels des zweiten Sensorelements (18) wenigstens ein von der physikalischen Prozeßgröße beeinflußtes zweites Meßsignal (s2) liefert und
- bei dem die Meßgerät-Elektronik den Meßwert auch unter Verwendung des zweiten Meßsignals erzeugt.
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