EP4453517A1 - Verfahren zum bestimmen einer charakteristischen durchlaufzeit einer komponente eines heterogenen mediums in einem schwingenden messrohr eines coriolis-massedurchflussmessgerätes - Google Patents

Verfahren zum bestimmen einer charakteristischen durchlaufzeit einer komponente eines heterogenen mediums in einem schwingenden messrohr eines coriolis-massedurchflussmessgerätes

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EP4453517A1
EP4453517A1 EP22830172.7A EP22830172A EP4453517A1 EP 4453517 A1 EP4453517 A1 EP 4453517A1 EP 22830172 A EP22830172 A EP 22830172A EP 4453517 A1 EP4453517 A1 EP 4453517A1
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EP
European Patent Office
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vibration mode
measuring tube
natural frequency
bending vibration
time
Prior art date
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Pending
Application number
EP22830172.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hao Zhu
Alfred Rieder
Wolfgang Drahm
Yaoying Lin
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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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Pending legal-status Critical Current

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    • G01F1/8468—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits
    • G01F1/8472—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits having curved measuring conduits, i.e. whereby the measuring conduits' curved center line lies within a plane

Definitions

  • Coriolis mass flowmeters are particularly well suited for measuring mass flow rates of essentially incompressible and homogeneous media, since the medium carried in the measuring tube of a Coriolis mass flowmeter ideally follows the vibrations of the measuring tube. If a liquid contains micro-bubbles that are essentially homogeneously distributed in the medium, the medium begins to vibrate in relation to the measuring tube due to the compressibility of the medium is. With larger, free bubbles, the above correction algorithms of the multi-frequency technology fail. In this case, there are approaches to recognizing the occurrence of a free bubble based on a damping of an oscillation of the useful flexural oscillation mode, and to recognize the throughput time or throughput speed of the bubble and thus of the medium based on the duration of the damping.
  • the method according to the invention is used to determine a characteristic transit time of a component of a flowing medium in at least one oscillating measuring tube of a Coriolis mass flowmeter, the Coriolis mass flowmeter comprising at least one measuring tube; at least one exciter for exciting at least one bending vibration mode of the measuring tube; and has at least one vibration sensor for detecting the measuring tube vibrations, the component being present inhomogeneously in the medium and having a component density which deviates from an average density of the medium, the method comprising the following steps:
  • the signal amplitude of the at least one first vibration sensor is determined at the natural frequency of the first antisymmetric bending vibration mode using a spectral analysis.
  • the characteristic transit time is determined by means of an autocorrelation of the at least one first time profile of the signal amplitude at the natural frequency of the antisymmetric bending vibration mode.
  • the Coriolis mass flowmeter has at least two vibration sensors, with the method, in addition to determining the at least one first time profile of the signal amplitude of the at least one first vibration sensor at a natural frequency of an antisymmetric bending vibration mode, also determining a second time profile of a Signal amplitude of a second of the vibration sensors at a natural frequency of an antisymmetric bending vibration mode.
  • the signal amplitude of the at least second of the vibration sensors is determined at the natural frequency of the first antisymmetric bending vibration mode using a spectral analysis.
  • the characteristic transit time is determined by means of a cross-correlation between the first time profile of the signal amplitude at the natural frequency of the antisymmetric flexural vibration mode and the second time profile of the signal amplitude at the natural frequency of the antisymmetric flexural vibration mode.
  • At least one of the following variables of the medium is determined on the basis of the characteristic flow time: flow rate, volume flow rate, mass flow rate and Reynolds number.
  • the spatially discrete structures each have a volume that is no more than a quarter, for example no more than an eighth and in particular no more than a sixteenth of the cube of an inner diameter of the oscillating measuring tube.
  • a structure flowing through the measuring tube causes two deflections in the at least one curve of the signal amplitude at the natural frequency of the antisymmetric bending vibration mode, the characteristic transit time being a function of the time interval between the two deflections.
  • the method also includes:
  • the excitation signal exclusively includes one or more natural frequencies of symmetrical bending vibration modes.
  • the excitation signal includes at least the natural frequency of the antisymmetric bending vibration mode.
  • the excitation signal also includes a natural frequency of a symmetrical bending vibration mode.
  • the exciter is arranged essentially symmetrically to a longitudinal direction of the measuring tube, so that it exerts a force acting essentially symmetrically to the longitudinal direction of the measuring tube on the measuring tube.
  • FIG. 3b Autocorrelation curves of the time profiles of the signal amplitudes from FIG. 3a;
  • FIG. 4b autocorrelation curves of the time profile of the signal amplitudes from FIG. 4a; 5: A flowchart of an embodiment of the method according to the invention.
  • the first symmetrical bending vibration mode has the maximum deflection in the center of the measuring tube, as shown by the solid line.
  • This first symmetrical flexural vibration mode also called useful flexural vibration mode, is usually excited with a symmetrically arranged exciter. As long as the measuring tube is filled with a homogeneous liquid, the measuring tube exhibits constant damping.
  • a bubble runs through the measuring tube, this causes a change in the damping D of the measuring tube vibration, with the damping scaling with the vibration amplitude of the measuring tube at the location of the bubble.
  • the time derivation of the damping dD/dt as a function of time shown in FIG. 1b can be used to determine a characteristic transit time ti between the extremes of the derivation, from which a characteristic length h shown in FIG. 1a and determined by calibration is known a velocity of the bubble is determined.
  • this approach has its limitations when the bubble size varies, clusters of bubbles occur or damping or density fluctuations occur in the main medium.
  • the first antisymmetric bending vibration mode offers an alternative, as explained below.
  • this is anti-symmetrical, it has an oscillation node in the middle of the measuring tube and can therefore not be excited under ideal conditions with a symmetrically arranged exciter. If, on the other hand, a bubble runs through the measuring tube, this causes asymmetric damping and mass distribution -- in relation to the longitudinal direction of the measuring tube -- as a result of which the antisymmetric vibration mode can be excited.
  • the excitability of the first anti-symmetrical vibration mode is at its maximum when the bubble passes through the extrema of the deflection line of the first anti-symmetrical vibration shown in dashed lines in FIG. 1a. When a bubble passes through, two oscillation maxima occur in temporal succession.
  • a characteristic length I2 can be assigned to the spatial distance of the extrema along the measuring tube. If the associated throughput time is known, a throughput speed then follows.
  • the main difference compared to the procedure for determining the flow velocity of a bubble based on the damping of the first symmetrical bending vibration mode is that the spatial distance above the vibration maxima is due to the design, so that the signature to be evaluated does not depend on the bubble size or other media properties.
  • the first antisymmetric bending vibration mode is excited to vibrate by a bubble when the symmetry is broken, in that energy is dissipated from the first symmetric bending vibration mode. It is therefore not necessary to also drive the exciter with the natural frequency of the first antisymmetric flexural vibration mode in order to detect passing bubbles through the vibration amplitudes of the first antisymmetric flexural vibration mode that occur. Irrespective of this, the exciter can also be excited with the natural frequency of the first antisymmetric flexural vibration mode, in particular in addition to the natural frequency of the first symmetric flexural vibration mode, with a lower signal power preferably being used for the former than for the latter.
  • FIG. 2 shows exemplary simulation results for the deformation of a measuring tube 10 in the first antisymmetric bending vibration mode.
  • One half of the measuring tube is shown from the center 11 to an end 12 of the measuring tube, on which the measuring tube 10 is clamped in a rigid manner.
  • An exciter 14 is positioned symmetrically in the plane of the center 11 in relation to the longitudinal direction of the measuring tube, and a vibration sensor 16 is arranged between the center 11 and the end 12 .
  • the first antisymmetric bending vibration mode can be excited significantly.
  • a region of the measuring tube 10 which is arranged symmetrically relative to the longitudinal direction of the measuring tube and is not shown here.
  • the throughput time or throughput speed of a bubble can be determined.
  • 3a shows such a time curve A(t) of ideal signal amplitudes at the natural frequency of the first antisymmetric bending vibration mode for a single speed (long dashed line), for example 1 m/s, for a double speed (short dashed line), in the example 2 m/s, and for a triple speed (solid line), in the example 3 m/s.
  • a single speed long dashed line
  • a double speed short dashed line
  • solid line in the example 3 m/s.
  • the time interval between the maxima of the signal amplitudes can be determined from the time profile by means of autocorrelation.
  • the result of the autocorrelations ACF(T) for the curves A(t) from FIG. 3a is shown in FIG. 3b, the signature of the lines corresponding to those from FIG. 3a.
  • maxima can be seen at 3, 1.5 and 1.0 time units.
  • a characteristic throughput time or throughput speed can be determined accordingly on the basis of the autocorrelation.
  • FIG. 4a shows an example of the curve A(t) of signal amplitudes at the natural frequency of the first antisymmetric bending vibration mode for a cluster of 25 bubbles of different sizes, at twice the flow velocity, ie 2 m/s here.
  • the corresponding autocorrelation ACF(T) is shown in FIG. 4b and shows a maximum at 1.5 time units. This confirms that the characteristic throughput time or the throughput speed can also be correctly determined for clusters of bubbles using the method according to the invention.
  • the throughput time can also be determined with a cross-correlation of the time curves of the signal amplitudes A1(t), A2(t) of two sensors, namely the signal amplitudes of an inlet-side vibration sensor and an outlet-side vibration sensor, which in particular - in relation to the longitudinal direction - are symmetrical are arranged towards the center of the measuring tube.
  • the method 200 assumes that vibrational energy is present in the measurement tube.
  • the method 200 begins with the feeding 210 of the exciter with an exciter signal with a natural frequency of at least one flexural vibration mode.
  • this can be the natural frequency of the first symmetrical bending vibration mode, which is usually excited for flow measurement.
  • Feeding the exciter with the natural frequency of the first antisymmetric flexural vibration mode is not specifically required, since sufficient energy is dissipated from the first symmetric flexural vibration mode into the first antisymmetric flexural vibration mode by breaking the symmetry of a bubble passing through.
  • the method can also include feeding the exciter with the natural frequency of the first antisymmetric bending vibration mode. In the case of perfect symmetry, this does not lead to any relevant deflection, but when the symmetry breaks due to bubbles passing through, the amplitude of the first antisymmetric bending vibration mode becomes all the more pronounced and thus more easily defective.
  • the method 200 further includes determining 220 a time profile of the signal amplitude of a vibration sensor at a natural frequency of an antisymmetric bending vibration mode.
  • the frequency range in which the natural frequency of the first antisymmetric bending vibration mode is to be expected can be monitored using spectral analysis in order to determine the development of the amplitude over time.
  • the determination 240 of a flow rate, a volume flow rate or a mass flow rate follows, whereby to determine the flow rate, a quotient of a characteristic length, which describes an effective distance between the maximum deflectable areas of the measuring tube in the first antisymmetric bending vibration mode, and the characteristic throughput time is determined becomes.
  • the volume flow rate is a function of the flow velocity and a cross-sectional area of the measuring tube, with the mass flow rate following from the volume flow rate and a density reading of the medium.
  • a Reynolds number for the flowing medium can be calculated based on the flow velocity .

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren (200) dient zum Bestimmen einer charakteristischen Durchlaufzeit einer Komponente eines strömenden Mediums in mindestens einem schwingenden Messrohr eines Coriolis-Massedurchflussmessgerätes, wobei das Coriolis-Massedurchflussmessgerät das mindestens eine Messrohr; mindestens einen Erreger zum Anregen mindestens einer Biegeschwingungsmode des Messrohrs; und mindestens einen Schwingungssensor zum Erfassen der Messrohrschwingungen aufweist, wobei die Komponente inhomogen in dem Medium vorhanden ist, und eine Komponentendichte aufweist, die von einer mittleren Dichte des Mediums abweicht, wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte umfasst: Speisen (210) des Erregers mit einem Erregersignal mit einer Eigenfrequenz mindestens einer Biegeschwingungsmode; Ermitteln (220) mindestens eines ersten zeitlichen Verlaufs einer Signalamplitude des mindestens einen ersten Schwingungssensors bei einer Eigenfrequenz einer antisymmetrischen Biegeschwingungsmode; Ermitteln (230) der charakteristischen Durchlaufzeit auf Basis des mindestens einen ersten zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode.

Description

Verfahren zum Bestimmen einer charakteristischen Durchlaufzeit einer Komponente eines heterogenen Mediums in einem schwingenden Messrohr eines Coriolis-Massedurchflussmessgerätes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer charakteristischen Durchlaufzeit einer Komponente eines heterogenen Mediums in einem schwingenden Messrohr eines Coriolis-Massedurchflussmessgerätes.
Coriolis-Massedurchflussmessgeräte sind insbesondere zur Messung von Massedurchflussraten von im Wesentlichen inkompressiblen und homogenen Medien sehr gut geeignet, da das im Messrohr eines Coriolis-Massedurchflussmessgerätes geführte Medium den Schwingungen des Messrohrs ideal folgt. Wenn eine Flüssigkeit Mikroblasen enthält, die im Wesentlichen homogen im Medium verteilt sind, kommt es aufgrund der einsetzenden Kompressibilität des Mediums zu Schwingungen des Mediums gegenüber dem Messrohr, deren Einfluss beispielsweise mit der Multifrequenztechnologie korrigiert werden kann, wie beispielsweise in EP 3 394 575 B1 beschrieben ist. Bei größeren, freien Blasen versagen die obigen Korrekturalgorithmen der Multifrequenztechnologie. In diesem Fall gibt es Ansätze, das Auftreten einer freien Blase anhand einer Dämpfung einer Schwingung der Biegeschwingungsnutzmode zu erkennen, und anhand einer Dauer der Dämpfung die Durchlaufzeit bzw. Durchlaufgeschwindigkeit der Blase, und damit des Mediums zu erkennen. Dies ist beispielsweise in EP 2 335 031 B1 , EP 2 335 032 B1 und EP 2 335 033 B1 beschrieben. Dieses Verfahren ist jedoch insoweit nachteilig, als unterschiedliche Blasengrößen bzw. Gruppen von Blasen eine andere Durchlaufzeit vortäuschen können. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bestimmen einer charakteristischen Durchlaufzeit einer Komponente eines strömenden Mediums in mindestens einem schwingenden Messrohr eines Coriolis-Massedurchflussmessgerätes, wobei das Coriolis-Massedurchflussmessgerät das mindestens eine Messrohr; mindestens einen Erreger zum Anregen mindestens einer Biegeschwingungsmode des Messrohrs; und mindestens einen Schwingungssensor zum Erfassen der Messrohrschwingungen aufweist, wobei die Komponente inhomogen in dem Medium vorhanden ist, und eine Komponentendichte aufweist, die von einer mittleren Dichte des Mediums abweicht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Speisen des Erregers mit einem Erregersignal mit einer Eigenfrequenz mindestens einer Biegeschwingungsmode;
Ermitteln mindestens eines ersten zeitlichen Verlaufs einer Signalamplitude des mindestens einen ersten Schwingungssensors bei einer Eigenfrequenz einer antisymmetrischen Biegeschwingungsmode;
Ermitteln der charakteristischen Durchlaufzeit auf Basis des mindestens einen ersten zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Signalamplitude des mindestens einen ersten Schwingungssensors bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode anhand einer Spektralanalyse ermittelt wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Ermitteln der charakteristischen Durchlaufzeit mittels einer Autokorrelation des mindestens einen ersten zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz des antisymmetrischen Biegeschwingungsmode.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Coriolis-Massedurchflussmess- gerät mindestens zwei Schwingungssensoren auf, wobei das Verfahren neben dem Ermitteln des mindestens einen ersten zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude des mindestens einen ersten Schwingungssensors bei einer Eigenfrequenz einer antisymmetrischen Biegeschwingungsmode weiterhin das Ermitteln eines zweiten zeitlichen Verlaufs einer Signalamplitude eines zweiten der Schwingungssensoren bei einer Eigenfrequenz einer antisymmetrischen Biegeschwingungsmode umfasst.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Signalamplitude des mindestens zweiten der Schwingungssensoren bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode anhand einer Spektralanalyse ermittelt. In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Ermitteln der charakteristischen Durchlaufzeit mittels einer Kreuzkorrelation zwischen dem ersten zeitlichen Verlauf der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz des antisymmetrischen Biegeschwingungsmode und dem zweiten zeitlichen Verlauf der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz des antisymmetrischen Biegeschwingungsmode.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird auf Basis der charakteristischen Durchlaufzeit mindestens eine der folgenden Größen des Mediums bestimmt: Strömungsgeschwindigkeit, Volumendurchflussrate, Massendurchflussrate und Reynoldzahl.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Komponente eine Minoritätskomponente, die in Form von räumlich diskreten Gebilden, wie Blasen, Tropfen oder Partikeln in dem Medium auftritt.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die räumlich diskreten Gebilde jeweils ein Volumen auf, das nicht mehr als dem Viertel, beispielsweise nicht mehr als einem Achtel und insbesondere nicht mehr als einem Sechzehntel der dritten Potenz eines Innendurchmessers des schwingenden Messrohrs beträgt.
In einer Weiterbildung der Erfindung bewirkt ein das Messrohr durchströmendes Gebilde zwei Ausschläge in dem mindestens einen Verlauf der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode, wobei die charakteristische Durchlaufzeit eine Funktion des zeitlichen Abstands der zwei Ausschläge ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin:
Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines Einflusses einer Vielzahl der Gebilde der Komponente auf eine symmetrische Biegeschwingungsmode des Messrohrs;
Ermitteln einer mittleren Dauer zwischen dem Auftreten des Einflusses der Gebilde auf die symmetrische Biegeschwingungsmode; und
Verwerfen der Ermittelten charakteristischen Durchlaufzeit, wenn die ermittelte mittlere Dauer zwischen dem Auftreten des Einflusses der Gebilde auf die symmetrische Biegeschwingungsmode mit dem zeitlichen Abstand der zwei Ausschläge übereinstimmt, welcher der ermittelten charakteristischen Durchlaufzeit entspricht. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Erregersignal ausschließlich eine oder mehrere Eigenfrequenzen symmetrischer Biegeschwingungsmoden.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Erregersignal mindestens die Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Erregersignal weiterhin eine Eigenfrequenz einer symmetrischen Biegeschwingungsmode.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Erreger im Wesentlichen symmetrisch zu einer Messrohrlängsrichtung angeordnet, so dass er eine im Wesentlichen symmetrisch zur Messrohrlängsrichtung wirkende Kraft auf das Messrohr ausübt.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, es zeigt:
Fig. 1a: Ein Diagramm mit Biegelinien eines geraden Messrohrs für verschiedene Biegeschwingungsmoden;
Fig. 1 b: Ein Diagramm zur Bestimmung der Durchlaufzeit einer Medienkomponente nach dem Stand der Technik;
Fig. 2: Simulationsergebnisse zur Auslenkung eines in der Ruhelage gebogenen Messrohrs in der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode;
Fig. 3a: Ideale zeitliche Verläufe von Signalamplituden eines Schwingungssensors bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode jeweils beim Durchlauf einer einzelnen Blase;
Fig. 3b: Autokorrelationskurven der zeitlichen Verläufe der Signalamplituden aus Fig. 3a;
Fig. 4a: Einen zeitlichen Verlauf der Signalamplituden eines Schwingungssensors bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode beim Durchlauf eines Clusters von Blasen;
Fig. 4b: Autokorrelationskurven des zeitlichen Verlaufs der Signalamplituden aus Fig. 4a; Fig 5: Ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig 1 zeigt Biegelinien an( ) für verschiedene Biegeschwingungsmoden eines geraden Messrohrs, welches an beiden Enden biegesteif eingespannt ist. Die erste symmetrische Biegeschwingungsmode weist, bezogen auf die Längsrichtung des Messrohrs die maximale Auslenkung in der Mitte des Messrohrs auf, wie mit der durchgezogenen Linie dargestellt ist. Diese erste symmetrische Biegeschwingungsmode, auch Biegeschwingungsnutzmode genannt, wird gewöhnlich mit einem symmetrisch angeordneten Erreger angeregt. Solange das Messrohr mit einem homogenen, flüssigen gefüllt ist, weist das Messrohr eine konstante Dämpfung auf. Wenn dagegen eine Blase durch das Messrohr läuft, bewirkt dies eine Veränderung der Dämpfung D der Messrohrschwingung, wobei die Dämpfung mit der Schwingungsamplitude des Messrohrs am Ort der Blase skaliert. Die in Fig. 1 b skizzierte zeitliche Ableitung der Dämpfung dD/dt als Funktion der zeit kann zum Ermitteln einer charakteristischen Durchlaufzeit ti zwischen den Extrema der Ableitung herangezogen werden, woraus dann bei Kenntnis einer in Fig. 1a skizzierten und durch Kalibrierung ermittelten charakteristischen Länge h eine Geschwindigkeit der Blase ermittelt wird. Diese Vorgehensweise hat jedoch ihre Grenzen, wenn die Blasengröße variiert, Cluster von Blasen auftreten oder Dämpfungs- bzw, Dichteschwankungen im Hauptmedium vorkommen.
Hier bietet die erste antisymmetrische Biegeschwingungsmode eine Alternative, wie im Folgenden erläutert wird. Insofern als diese antisymmetrisch ist, hat sie in der Messrohrmitte einen Schwingungsknoten und kann damit bei idealen Bedingungen mit einem symmetrisch angeordneten Erreger nicht angeregt werden. Wenn dagegen eine Blase durch das Messrohr läuft bewirkt diese eine -- bezogen auf die Längsrichtung des Messrohrs -- asymmetrische Dämpfung und Masseverteilung, wodurch die antisymmetrische Schwingungsmode anregbar wird. Die Anregbarkeit der ersten antisymmetrischen Schwingungsmode ist dann maximal, wenn die Blase die Extrema der in Fig. 1a gestrichelt dargestellten Biegelinie der ersten antisymmetrischen durchläuft. Beim Durchlauf einer Blase treten also in zeitlicher Folge zwei Schwingungsmaxima auf. Dem räumlichen Abstand der Extrema entlang des Messrohrs kann eine charakteristische Länge I2 zugeordnet werden. Bei Kenntnis der zugehörigen Durchlaufzeit folgt dann wiederum eine Durchlaufgeschwindigkeit. Der wesentliche Unterschied gegenüber der Vorgehensweise bei der Bestimmung der Durchlaufgeschwindigkeit einer Blase auf Basis der Dämpfung der ersten symmetrischen Biegeschwingungsmode besteht darin, dass der räumliche Abstand über der Schwingungsmaxima bauartbedingt ist, so dass die auszuwertende Signatur nicht von der Blasengröße oder anderen Medieneigenschaften abhängt.
Die erste antisymmetrische Biegeschwingungsmode wird bei Symmetriebruch durch eine Blase zum Schwingen angeregt, indem Energie aus der ersten symmetrischen, Biegeschwingungsmode dissipiert wird. Es ist also nicht erforderlich, den Erreger auch mit der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode zu treiben, um durchlaufende Blasen durch auftretende Schwingungsamplituden der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode zu erkennen. Unbeschadet dessen kann der Erreger auch mit der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode angeregt werden, insbesondere zusätzlich zur Eigenfrequenz der ersten symmetrischen Biegeschwingungsmode, wobei für erstere vorzugsweise eine geringere Signalleistung als für letztere verwendet wird.
Das beschriebene Prinzip ist im Wesentlichen unabhängig von der Form der Messrohre und kann selbstverständlich auch mit in der Ruhelage gebogenen Messrohren durchgeführt werden. Hierzu zeigt Fig. 2 exemplarisch Simulationsergebnisse zur Verformung eines Messrohrs 10 in der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode. Es ist eine Hälfte des Messrohrs von der Mitte 11 bis zu einem Ende 12 des Messrohrs dargestellt, an dem das Messrohr 10 biegesteif eingespannt ist. Ein Erreger 14 ist bezogen auf die Messrohrlängsrichtung symmetrisch in der Ebene der Mitte 11 positioniert, und ein Schwingungssensor 16 ist zwischen der Mitte 11 und dem Ende 12 angeordnet. Vorliegend kommt es insbesondere auf die ausgeprägte Verformung bzw. Auslenkung des Messrohrs 10 in einem Bereich 18 eines bogenförmigen Abschnitts zwischen der Mitte und dem Schwingungssensor 16 an. Wenn eine Blase diesen Bereich 18 des Messrohrs 10 durchläuft, ist die erste antisymmetrische Biegeschwingungsmode deutlich anregbar. Entsprechendes gilt für einen bezogen auf die Messrohrlängsrichtung dazu symmetrisch angeordneten Bereich des Messrohrs 10, der hier nicht dargestellt ist. Wenn also eine Blase das gebogene Messrohr 10 durchläuft gibt es zwei Bereiche großer Anregbarkeit der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode. Durch Ermitteln des zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode mittels Spektralanalyse kann damit die Durchlaufzeit bzw. Durchlaufgeschwindigkeit einer Blase bestimmt werden. Fig. 3a zeigt einen solchen zeitlichen Verlauf A(t) idealer Signalamplituden bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode für eine einfache Geschwindigkeit (lang gestrichelte Linie), beispielsweise 1 m/s, für eine doppelte Geschwindigkeit (kurz gestrichelte Linie), im Beispiel also 2 m/s, und für eine dreifache Geschwindigkeit (durchgezogene Linie), im Beispiel also 3 m/s. Es sind im zeitlichen Verlauf jeweils zwei ausgeprägte Maxima zu erkennen, deren Abstand mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt.
Mittels Autokorrelation lässt sich aus dem zeitlichen Verlauf jeweils der zeitliche Abstand der Maxima der Signalamplituden ermitteln. Das Ergebnis der Autokorrelationen ACF(T) ZU den Kurven A(t) aus Fig. 3a ist in Fig. 3b dargestellt, wobei die Signatur der Linien, denen aus Fig. 3a entspricht. Erwartungsgemäß sind Maxima bei 3, 1 ,5 und 1 ,0 Zeiteinheiten zu erkennen. Im Messbetrieb kann dem entsprechend auf Basis der Autokorrelation eine charakteristische Durchlaufzeit bzw. eine Durchlaufgeschwindigkeit bestimmt werden.
Unter Prozessbedingungen ist selbstverständlich auch mit Clustern von mehreren Blasen zu rechnen. Fig. 4a zeigt hierzu exemplarisch den Verlauf A(t) von Signalamplituden bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode für ein Cluster von 25 Blasen unterschiedlicher Größe, bei der doppelten Strömungsgeschwindigkeit, hier also 2 m/s. Die entsprechende Autokorrelation ACF(T) ist in Fig. 4b dargestellt und zeigt ein Maximum bei 1 ,5 Zeiteinheiten. Dies bestätigt, dass die charakteristische Durchlaufzeit bzw. die Durchlaufgeschwindigkeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch für Cluster von Blasen korrekt bestimmt werden kann.
Die Autokorrelationen ACF können hierbei beispielsweise explizit als Autokorre- lationsintegeral ACF(T) anhand des zeitlichen Verlaufs der Signalamplituden A(t), also ACF(T) = Integral (A(t) A(t + T) dt bestimmt werden oder nach dem Wiener-Khinchin- Theorem als Fourier-Transformierte der spektralen Leistungsdichte des zeitlichen Verlaufs der Amplituden A(t). Anstelle der Autokorrelation kann die Durchlaufzeit auch mit einer Kreuzkorrelation der zeitlichen Verläufe der Signalamplituden A1 (t), A2(t) zweier Sensoren bestimmt werden, nämlich der Signalamplituden eines einlaufseitigen Schwingungssensors und eines auslaufseitigen Schwingungssensors, die insbesondere - bezogen auf die Längsrichtung -- symmetrisch zur Messrohrmitte angeordnet sind.
Zusammenfassend werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens noch einmal anhand von Fig. 5 erläutert.
Das Verfahren 200 setzt voraus, dass Schwingungsenergie in dem Messrohr vorhanden ist. Insoweit beginnt das Verfahren 200 mit dem Speisen 210 des Erregers mit einem Erregersignal mit einer Eigenfrequenz mindestens einer Biegeschwingungsmode. Dies kann insbesondere die Eigenfrequenz der ersten symmetrischen Biegeschwingungsmode sein, welche gewöhnlich zur Durchflussmessung angeregt wird. Das Speisen des Erregers mit der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrische Biegeschwingungsmode ist nicht eigens erforderlich, da durch den Symmetriebruch einer durchlaufenden Blase hinreichend Energie von der ersten symmetrischen Biegeschwingungsmode in die erste antisymmetrische Biegeschwingungsmode dissipiert wird. Grundsätzlich kann das Verfahren auch das Speisen des Erregers mit der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrische Biegeschwingungsmode umfassen. Dies führt zwar bei perfekter Symmetrie zu keiner relevanten Auslenkung, aber bei einsetzendem Symmetriebruch aufgrund durchlaufender Blasen wird die Amplitude der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode umso ausgeprägter und damit einfacher zu defekteren.
Das Verfahren 200 umfasst weiterhin das Ermitteln 220 eines zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude eines Schwingungssensors bei einer Eigenfrequenz einer antisymmetrischen Biegeschwingungsmode. Hierzu kann der Frequenzbereich in dem die Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode zu erwarten ist mittels Spektralanalyse überwacht werden, um die zeitliche Entwicklung der Amplitude zu ermitteln.
Es folgt das Ermitteln 230 der charakteristischen Durchlaufzeit auf Basis des mindestens einen ersten zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode. Optional folgt das Ermitteln 240 einer Strömungsgeschwindigkeit, einer Volumendurchflussrate oder einer Massedurchflussrate, wobei zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit, ein Quotient aus einer charakteristischen Länge, welche einem effektiven Abstand zwischen den maximal auslenkbaren Bereichen des Messrohrs in der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode beschreibt, und der charakteristischen Durchlaufzeit bestimmt wird. Die Volumendurchflussrate ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit und einer Querschnittsfläche des Messrohrs, wobei die Massedurchflussrate aus der Volumendurchflussrate und einem Dichtemesswert des Mediums folgt. Bei Kenntnis der Viskosität des Mediums, die beispielsweise auf Basis der Dämpfung der ersten symmetrischen Biegeschwingungsmode aus dem Verhältnis zwischen der Erregersignalamplitude und der Sensorsignalamplitude bei der Eigenfrequenz der ersten symmetrischen Biegeschwingungsmode zu bestimmen ist, kann auf Basis der Strömungsgeschwindigkeit eine Reynoldszahl für das strömende Medium errechnet werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren (200) zum Bestimmen einer charakteristischen Durchlaufzeit einer Komponente eines strömenden Mediums in mindestens einem schwingenden Messrohr eines Coriolis-Massedurchflussmessgerätes, wobei das Coriolis-Massedurch- flussmessgerät das mindestens eine Messrohr; mindestens einen Erreger zum Anregen mindestens einer Biegeschwingungsmode des Messrohrs; und mindestens einen Schwingungssensor zum Erfassen der Messrohrschwingungen aufweist, wobei die Komponente inhomogen in dem Medium vorhanden ist, und eine Komponentendichte aufweist, die von einer mittleren Dichte des Mediums abweicht, wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte umfasst:
Speisen (210) des Erregers mit einem Erregersignal mit einer Eigenfrequenz mindestens einer Biegeschwingungsmode;
Ermitteln (220) mindestens eines ersten zeitlichen Verlaufs einer Signalamplitude des mindestens einen ersten Schwingungssensors bei einer Eigenfrequenz einer antisymmetrischen Biegeschwingungsmode;
Ermitteln (230) der charakteristischen Durchlaufzeit auf Basis des mindestens einen ersten zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode.
2. Verfahren (200) nach Anspruch 1 , wobei die Signalamplitude des mindestens einen ersten Schwingungssensors bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode anhand einer Spektralanalyse ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ermitteln der charakteristischen Durchlaufzeit mittels einer Autokorrelation des mindestens einen ersten zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Coriolis- Massedurchflussmessgerät mindestens zwei Schwingungssensoren aufweist, wobei das Verfahren neben dem Ermitteln des mindestens eines ersten zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude des mindestens einen ersten Schwingungssensors bei einer Eigenfrequenz einer antisymmetrischen Biegeschwingungsmode weiterhin das Ermitteln eines zweiten zeitlichen Verlaufs einer Signalamplitude eines zweiten der Schwingungssensoren bei einer Eigenfrequenz einer antisymmetrischen Biegeschwingungsmode umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Signalamplitude des mindestens zweiten der Schwingungssensors bei der Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode anhand einer Spektralanalyse ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Ermitteln der charakteristischen Durchlaufzeit mittels einer Kreuzkorrelation zwischen dem ersten zeitlichen Verlauf der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode und dem zweiten zeitlichen Verlauf der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode erfolgt.
7. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend das Bestimmen (240) auf Basis der charakteristischen Durchlaufzeit mindestens einer der folgenden Größen des Mediums: Strömungsgeschwindigkeit, Volumendurchflussrate, Massendurchflussrate und Reynoldzahl.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponente eine Minoritätskomponente ist, die in Form von räumlich diskreten Gebilden, wie Blasen, Tropfen oder Partikeln in dem Medium auftritt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die räumlich diskreten Gebilde jeweils ein Volumen aufweisen, das nicht mehr als dem Viertel, beispielsweise nicht mehr als einem Achtel und insbesondere nicht mehr als einem Sechzehntel der dritten Potenz eines Innendurchmessers des schwingenden Messrohrs beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei ein das Messrohr durchströmendes Gebilde zwei Ausschläge in dem mindestens einen Verlauf der Signalamplitude bei der Eigenfrequenz der antisymmetrischen Biegeschwingungsmode bewirkt, wobei die charakteristische Durchlaufzeit eine Funktion des zeitlichen Abstands der zwei Ausschläge ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin umfassend:
Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines Einflusses einer Vielzahl der Gebilde der Komponente auf eine symmetrische Biegeschwingungsmode des Messrohrs;
Ermitteln einer mittleren Dauer zwischen dem Auftreten des Einflusses der Gebilde auf die symmetrische Biegeschwingungsmode; und
Verwerfen der Ermittelten charakteristischen Durchlaufzeit, wenn die ermittelte mittlere Dauer zwischen dem Auftreten des Einflusses der Gebilde auf die symmetrische Biegeschwingungsmode mit dem zeitlichen Abstand der zwei Ausschläge übereinstimmt, welcher der ermittelten charakteristischen Durchlaufzeit entspricht.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erregersignal ausschließlich Eigenfrequenzen einer oder mehrerer Eigenfrequenzen symmetrischer Biegeschwingungsmoden umfasst.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Erregersignal mindestens die Eigenfrequenz der ersten antisymmetrischen Biegeschwingungsmode umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Erregersignal weiterhin die Eigenfrequenz einer symmetrischen Biegeschwingungsmode umfasst.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Erreger im Wesentlichen symmetrisch zu einer Messrohrlängsrichtung angeordnet ist, so dass er eine im Wesentlichen symmetrisch zur Messrohrlängsrichtung wirkende Kraft auf das Messrohr ausübt.
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