WO2010085972A1 - Coriolis flowmeter and method for operating a coriolis flowmeter - Google Patents

Coriolis flowmeter and method for operating a coriolis flowmeter Download PDF

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WO2010085972A1
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excitation
coriolis mass
mass flowmeter
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PCT/EP2009/000548
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Thomas Bierweiler
Martin Borrmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a Coriolis mass flow meter and a method for operating a Coriolis mass flow meter. Furthermore, the present invention relates to a system with at least one pipeline, to which at least one Coriolis mass flowmeter is flanged.
  • Coriolis mass flowmeters generally have a single meter tube or a number, for example a pair, of meter tubes through which flows a medium (e.g., fluid) whose mass flow rate is to be determined.
  • a medium e.g., fluid
  • Different arrangements and geometries of the measuring tubes are known.
  • Coriolis mass flow meters with a single straight measuring tube and Coriolis mass flow meters with two curved, parallel measuring tubes.
  • the latter measuring tubes which are identically constructed in pairs, are caused to vibrate by means of an excitation arrangement placed in the middle region to achieve mass balance, so that they oscillate against one another, ie the oscillations of the two measuring tubes are 180 ° out of phase with one another.
  • a Coriolis mass flowmeter is flanged to a pipeline in a plant.
  • the piping may be subject to vibration and these vibrations may be transmitted to the flanged Coriolis mass flowmeter.
  • the problem is that these vibrations can affect the Coriolis mass flowmeter so that no correct measurement of the flow rate or the density of the flowing medium is guaranteed.
  • vibrations of piping are detected by means of a separate vibration meter.
  • no solutions are known which enable a Coriolis mass flowmeter to reliably detect such external vibrations in a reliable manner.
  • the NAMUR Recommendation NE 107 also mentions the detection of external vibrations as a fault condition for Coriolis mass flowmeters.
  • the invention is therefore based on the object to enable a Coriolis mass flowmeter to perform a self-diagnosis of occurring external vibrations.
  • the present invention provides a Coriolis mass flow meter and a method of operating a Coriolis mass flow meter. To that
  • vibration transducers on the device must be able to sense a wide frequency range, even outside an excitation frequency range of the device.
  • the vibration sensors according to the present invention are acceleration sensors whose measured value range is designed so that not only the excitation frequency range but also higher and lower frequency ranges can be detected well.
  • the Coriolis mass flowmeter further comprises at least one measuring tube, which is flowed through by a medium, at least one excitation arrangement, which is arranged in the central region of the at least one measuring tube and this excites to vibrations, and an evaluation device which is adapted to the to control at least one exciter arrangement and to receive vibration signals from the at least two acceleration sensors.
  • the at least one exciter arrangement acts as an actuator in order to set the at least one measuring tube in vibration.
  • the vibration signals detected by the acceleration sensors are then forwarded as raw signals to the evaluation device.
  • the at least two acceleration sensors are arranged in front of and behind the at least one exciter arrangement in the longitudinal direction of the at least one measuring tube.
  • the at least two acceleration sensors are arranged symmetrically, so that they have the same distance to the exciter arrangement in the longitudinal direction of the at least one measuring tube.
  • the vibration sensors are designed as coils.
  • these coils are not suitable for detecting external vibrations.
  • the sensitivity is not high enough and on the other hand, its frequency detection range is not large enough.
  • high frequency external vibrations can not be detected due to the common sampling rate.
  • increasing the sampling rate is undesirable because it would result in increased performance of the subsequent evaluation components.
  • acceleration sensors used in accordance with the present invention which are also known to those skilled in the art as accelerometers, are particularly well-suited for measuring vibrations because they can detect a wide frequency range and their accuracy usually in the percent or per mil range lies.
  • the acceleration sensors of the Coriolis mass flowmeter are piezoelectric acceleration sensors or microsystems, which are also known to the person skilled in the art as MEMS (micro-electro-mechanical system).
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • piezoelectric acceleration sensors piezoceramic sensor plates convert dynamic pressure fluctuations into electrical signals, which can be further processed accordingly.
  • the pressure fluctuation is generated by a mass attached to the piezoceramic and acts on the piezoceramic with an acceleration of the overall system.
  • Microsystems are miniaturized accelerometers made of silicon.
  • These micro-electro-mechanical sensors are spring-mass systems in which the springs are usually only a few microns wide silicon webs and the mass
  • Silicon is made. Due to the deflection during acceleration, a change in the electrical capacitance can be measured between the spring-suspended part and a fixed reference electrode. Microsystems are very reliable and inexpensive to manufacture and have a very high
  • Measurement speed Furthermore, they are able to detect a wide frequency range, which is why they are suitable as a vibration sensor of a Coriolis mass flowmeter.
  • the at least two acceleration sensors detect a frequency range around an excitation frequency for the excitation arrangement and frequency ranges above and / or below the excitation frequency range.
  • the excitation frequency range is to be understood as the frequency range around the excitation frequency.
  • acceleration sensors such as eg piezoelectric acceleration sensors or microsystems, can be designed in such a way that, in addition to the excitation frequency range, they can also detect higher and lower frequency ranges.
  • acceleration sensors are able to detect frequencies between 0 Hz (static case) and about 50 kHz, where they do not work linearly in the entire frequency range.
  • the special case of 0 Hz can be detected, for example, with MEMS, but not with piezoelectric acceleration sensors.
  • the excitation frequency depends on the one hand on the Coriolis mass flowmeter used (eg 100 Hz or 600 Hz, depending on the manufacturer) and on the other hand on the medium flowing through the measuring tube. If, for example, the excitation frequency for an air-filled Coriolis mass flowmeter is 600 Hz, then the excitation frequency is only about 550 Hz when water flows through the device.
  • the at least two acceleration sensors are arranged to detect an excitation frequency range which is between 500 and 750 Hz when the excitation frequency is about 600 Hz.
  • the acceleration sensors are arranged to additionally detect the frequency range above the excitation frequency range, which is between 800 Hz and 30 kHz, and / or to detect the frequency range below the excitation frequency range which is between 0 and 400 Hz.
  • the frequency ranges mentioned here are merely exemplary in that, as mentioned, the excitation frequency range can vary depending on the Coriolis mass flowmeter used and the medium through which this device flows.
  • the frequency ranges to be detected above and / or below the excitation frequency range to be adjusted accordingly.
  • the use of acceleration sensors as vibration transducers ensures that in an operating mode in addition to the detection of the excited vibration, further frequency bands can be detected, which can provide information about external vibrations.
  • the evaluation device therefore comprises means for determining interference signals in the detected frequency ranges. That is, the means for detecting interference signals provide the Information about possible external vibrations, by performing a corresponding filtering of the raw signals of the vibration sensor.
  • Interference signals in the detected frequency range above the excitation frequency range are preferably determined by means of envelope formation.
  • the envelope formation means that, in a first step, low-frequency signal components are removed from the raw signals of the vibration sensors by means of a high-pass filter, wherein the cut-off frequency must lie above the frequency range of the useful signal. Subsequently, the high-pass filtered signal is rectified and low-pass filtered to form an envelope of the high-frequency interference signal.
  • a high-frequency interference signal can be determined, which superimposes the low-frequency useful signal, which is generated by the excitation by the actuator.
  • High-frequency interference signals can be caused, for example, by periodic impacts on the pipeline to which the Coriolis mass flowmeter is flanged.
  • Noise signals in the detected frequency range below the excitation frequency range are preferably determined by means of low-pass filtering. That is, the raw signals of the vibration sensor are subjected to a low-pass filtering, so as to separate the useful signal and to determine noise components with a smaller frequency than the useful signal.
  • the determination of interference signals with a higher or lower frequency than the useful signal can be carried out in parallel or sequentially, wherein the evaluation device, which preferably performs the described filtering, must be adapted accordingly. In the case of sequential filtering, it does not matter in what order the filtering is performed. In particular, the determination of interference signals in the frequency ranges above and / or below the excitation frequency range parallel to the normal operation of the Coriolis mass flow measuring device, ie parallel to a mass flow and density measurement of a flowing medium.
  • interference signals are determined within the excitation frequency range, ie within the frequency range in which the excitation of the Coriolis mass flowmeter is located. Then, the evaluation device must switch off the excitation arrangement for a predetermined period of time, so that the mass flow can not be measured in this time interval.
  • the determination of interference signals and thus external vibrations in the excitation frequency range is possible due to the high sensitivity of acceleration sensors described above.
  • the interference signals can be obtained from the raw signals of the acceleration sensors by means of the measurement chain described above, consisting of envelope formation and low-pass filtering. However, suitable bandpass filtering can also be used. If the excitation frequency for the excitation arrangement is, for example, in the range of 600 Hz, then a frequency range between 400 and 800 Hz is preferably investigated when determining interference signals in the excitation frequency range.
  • the Coriolis mass flowmeter by replacing conventional vibration sensors (eg coils) of a Coriolis mass flowmeter with acceleration sensors, frequency ranges can be detected in addition to an excitation frequency range, in which usually external vibrations are present and which can not or only with difficulty be detected with conventional vibration transducers.
  • This makes it possible to implement a self-diagnosis of the Coriolis mass flowmeter via occurring external vibrations in a pipeline to which the device is flanged.
  • the Coriolis mass flowmeter according to the invention is capable of self-monitoring with respect to external vibrations (shocks, vibrations, etc.). Based on this self-diagnosis, valuable find out all about the process safety of the Coriolis mass flowmeter.
  • the Coriolis mass flowmeter has two measuring tubes, another advantage can be achieved by replacing the conventional vibration sensors with acceleration sensors.
  • a total of four acceleration sensors are required, of which two acceleration sensors in each case in the longitudinal direction of the measuring tubes in front of and behind the excitation arrangement are mounted on a measuring tube.
  • sensor pairs are mounted in front of and behind the exciter arrangement in the longitudinal direction of the measuring tubes. Then, by means of a sensor pair, an asymmetrical flow through the measuring tubes or a blockage in one of the measuring tubes can already be detected by appropriate evaluation of the oscillation signals of each of the acceleration sensors of the sensor pair. For this purpose, the vibration signals of the two acceleration sensors of a sensor pair only have to be compared with each other.
  • the Coriolis mass flowmeter comprises a digital signal processor adapted to sample (A / D conversion) and correlate the detected spurious signals.
  • the vibration signals obtained from the vibration pickups are sampled and plotted in the input digital signal processor. From the sampled vibration signals, the digital signal processor then determines the interference signals, which are then correlated.
  • the digital signal processor is equipped with the appropriate means to determine the noise in the detected frequency ranges. That is, according to this alternative embodiment, the above-described filtering of the raw signals of the acceleration sensors is implemented as software in the digital signal processor. Otherwise, the
  • appropriate hardware eg RC elements
  • the correlation it would also be possible for the correlation to be carried out analogously so that a sampling of the filtered interference signals of the at least two acceleration sensors is omitted and the filtered interference signals are correlated.
  • the sampling frequency When sampling the filtered raw signals, the sampling frequency must be above the excitation frequency. As in conventional devices, the sampling frequency is between 10 to 20 times, preferably 15 times higher than the excitation frequency. Such a sampling rate allows a good interpolation of the measured values, e.g. to be able to conclude zero crossings. Thus, in contrast to conventional devices, the sampling rate does not have to be increased in order to be able to carry out a diagnosis with regard to external vibrations, so that no increased power and no additional energy consumption of the evaluation components is required.
  • the present invention relates to a system having at least one pipeline to which at least one Coriolis mass flowmeter according to the invention is flanged.
  • FIG. 1 shows a Coriolis mass flowmeter according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 2 schematically shows a digital signal processor of the Coriolis mass flowmeter of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a Coriolis mass flow meter according to a preferred embodiment of the present invention pelg.
  • the mass flowmeter 1 according to FIG. 1 operates on the Coriolis principle.
  • a first measuring tube 2 and a second measuring tube 3 are arranged substantially parallel to one another. They are usually made from one piece by bending.
  • the course of the measuring tubes is essentially U-shaped.
  • a flowable medium flows according to an arrow 4 in the mass flow meter 1 and thus in the two located behind a not visible in the figure inlet splitter inlet sections of the measuring tubes 2 and 3 and corresponding to an arrow 5 from the outlet sections and the behind, also in the figure invisible spout splitting off again.
  • a stiffening frame 7 By a stiffening frame 7, the geometry of the measuring tubes 2 and 3 is kept substantially constant, so that even changes in the piping system, in which the mass flowmeter 1 is installed, for example, due to temperature fluctuations, possibly lead to a small zero shift.
  • Exciter arrangement 8 which may for example consist of a magnet coil attached to the measuring tube 2 and a magnet immersed in the magnet tube, which serves to generate mutually opposite oscillations of the two measuring tubes 2 and 3 whose frequency corresponds to the natural frequency of the magnet Substantially U-shaped center portion of the measuring tubes 2 and 3 corresponds.
  • Acceleration sensors 9 shown diagrammatically in FIG. 1 serve to detect the Coriolis forces and / or the vibrations of the measuring tubes 2 and 3, which are based on the Coriolis forces and which arise due to the mass of the medium flowing through.
  • each an acceleration sensor in the longitudinal direction of the one measuring tube in front of and behind the exciter arrangement.
  • the Coriolis mass flowmeter shown in Figure 1 has two measuring tubes, so that a total of four acceleration sensors are necessary. Of these, two acceleration sensors each are mounted on a measuring tube in front of and behind the actuator 8. For the sake of clarity, the individual acceleration sensors in front of and behind the actuator 8 are not shown individually but each sensor pair is shown as a unit, even if the two acceleration sensors of each sensor pair operate independently of each other.
  • the vibration signals 10, which are generated by the acceleration sensors 9, are evaluated by an evaluation device 11.
  • the evaluation device 11 comprises a digital signal processor 12, which will be described in detail later with reference to FIG. Results of the evaluation are output on a display 13 or via an output, not shown in the figure, e.g. Fieldbus, transmitted to a higher-level control station.
  • the evaluation device 11 also takes over the control of the exciter arrangement 8 in the exemplary embodiment shown.
  • the measuring tubes 2 and 3 may of course have other geometries, such as a V-shaped or a ⁇ -shaped center section, or it may be a different number and arrangement of exciter arrangements and acceleration sensors are selected.
  • the Coriolis mass flow meter may alternatively have a different number of measuring tubes, For example, a measuring tube or more than two measuring tubes possess.
  • FIG. 2 schematically shows the digital signal processor 12 of the Coriolis mass flowmeter of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the entire evaluation chain for the vibration signals 10 of the acceleration sensors 9 is implemented in software.
  • the raw signals 10 of the acceleration sensors 9 pass through separate evaluation chains.
  • FIG. 2 shows only the processing steps for a frequency range above the excitation frequency range. Processing steps, ie the corresponding filterings, for other frequency ranges can additionally or alternatively be implemented in the digital signal processor.
  • the vibration signals 10 of the acceleration sensors 9 are sampled (A / D conversion) by scanning means 14 so as to be recognized and processed by the digital signal processor 12, and input to the corresponding input of the digital signal processor 12.
  • envelope shaping is performed within the digital signal processor 12 by passing the sampled oscillation signals through a high pass filter 15, a rectifier 16, and a low pass filter 17.
  • the low-pass filter 17 then outputs the respective envelope of the high-frequency components of the sampled oscillation signals.
  • the envelopes are then entered into a correlation means 18.
  • the correlation means 18 performs a
  • an evaluation device of a Corio receives lis mass flowmeter Vibration signals from acceleration sensors of the device, which detect a frequency range around an excitation frequency and frequency ranges above and / or below the excitation frequency range.
  • the vibration signals are subjected to filtering in order to filter interference signals from the vibration signals.
  • the interference signals are sampled.
  • the sampled interference signals are correlated in order to verify a diagnostic message which can be derived from the interference signals.

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Abstract

The invention relates to a Coriolis flowmeter (1) and to a method for operating Coriolis flowmeter. The Coriolis flowmeter (1) comprises at least one measuring tube (2, 3), through which a medium flows, at least one excitation assembly (8) which is located in the central region of the measuring tube or tubes (2, 3) and causes the tube(s) to vibrate, at least two vibration sensors (9), located in the longitudinal direction of the measuring tube(s), upstream and downstream of the excitation assembly or assemblies (8) and an evaluation unit (11) that is designed to control the excitation assembly or assemblies (8) and to receive vibration signals from the two or more vibration sensors (9). The vibration sensors (9) are acceleration sensors which record a frequency range around an excitation frequency for the excitation assembly (8) and record frequency ranges above and/or below the excitation frequency range.

Description

Beschreibungdescription
Coriolis-Massendurchflussmessgerät und Verfahren zum Betrei- ben eines Coriolis-MassendurchflussmessgerätsCoriolis mass flowmeter and method of operating a Coriolis mass flowmeter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurch- flussmessgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts . Ferner betrifft die vorlie- gende Erfindung eine Anlage mit mindestens einer Rohrleitung, an welche mindestens ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät angeflanscht ist.The present invention relates to a Coriolis mass flow meter and a method for operating a Coriolis mass flow meter. Furthermore, the present invention relates to a system with at least one pipeline, to which at least one Coriolis mass flowmeter is flanged.
Coriolis-Massendurchflussmessgeräte weisen im Allgemeinen ein einziges Messrohr oder eine Anzahl, zum Beispiel ein Paar, von Messrohren auf, durch das bzw. die ein Medium (z.B. Fluid) strömt, dessen Massendurchfluss bestimmt werden soll. Dabei sind unterschiedliche Anordnungen und Geometrien der Messrohre bekannt.Coriolis mass flowmeters generally have a single meter tube or a number, for example a pair, of meter tubes through which flows a medium (e.g., fluid) whose mass flow rate is to be determined. Different arrangements and geometries of the measuring tubes are known.
Es gibt zum Beispiel Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit einem einzigen geraden Messrohr sowie Coriolis-Massendurch- flussmessgeräte mit zwei gekrümmten, parallel zueinander verlaufenden Messrohren. Letztere, paarweise identisch ausge- führte Messrohre, werden durch eine im mittleren Bereich platzierte Erregeranordnung zur Erzielung eines Massenausgleichs so zum Schwingen angeregt, dass sie gegeneinander schwingen, das heißt, dass die Schwingungen der beiden Messrohre um 180° gegeneinander phasenversetzt sind. Die Lage des Massenmittelpunkts des aus den beiden Messrohren gebildetenThere are, for example, Coriolis mass flow meters with a single straight measuring tube and Coriolis mass flow meters with two curved, parallel measuring tubes. The latter measuring tubes, which are identically constructed in pairs, are caused to vibrate by means of an excitation arrangement placed in the middle region to achieve mass balance, so that they oscillate against one another, ie the oscillations of the two measuring tubes are 180 ° out of phase with one another. The position of the center of mass of the formed from the two measuring tubes
Systems bleibt dabei im Wesentlichen konstant und auftretende Kräfte werden weitgehend kompensiert. Das hat als positive Konsequenz, dass das schwingende System kaum nach außen als solches wirksam wird. Vor und hinter der Erregeranordnung werden Schwingungsaufnehmer angebracht, zwischen deren Ausgangssignalen bei einer Strömung eine Phasendifferenz als Messsignal ausgewertet werden kann. Diese wird durch die bei einer Strömung herrschenden Corioliskräfte und damit durch den Massendurchfluss verursacht. Die Dichte des Mediums be- einflusst die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems. Damit kann neben dem Massendurchfluss unter anderem auch die Dichte des strömenden Mediums bestimmt werden.Systems remains essentially constant and occurring forces are largely compensated. This has as a positive consequence that the oscillating system is hardly effective to the outside as such. In front of and behind the exciter arrangement, vibration sensors are mounted between whose output signals a phase difference can be evaluated as a measurement signal in the case of a flow. This is due to the prevailing at a flow Coriolis forces and thus caused the mass flow. The density of the medium influences the resonance frequency of the vibration system. Thus, in addition to the mass flow, among other things, the density of the flowing medium can be determined.
Herkömmlich wird ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät in einer Anlage an eine Rohrleitung angeflanscht. Unter gewissen Prozessbedingungen kann es jedoch vorkommen, dass die Rohrleitung Schwingungen unterworfen ist und sich diese Schwin- gungen auf das angeflanschte Coriolis-Massendurchflussmessgerät übertragen. Problematisch dabei ist, dass sich diese Schwingungen so auf das Coriolis-Massendurchflussmessgerät auswirken können, dass keine korrekte Messung der Durchflussrate beziehungsweise der Dichte des durchfließenden Mediums gewährleistet ist. Herkömmlich werden Schwingungen von Rohrleitungen mittels eines separaten Schwingungsmessgeräts festgestellt. Es sind jedoch keine Lösungen bekannt, welche ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät befähigen, solch externe Schwingungen auf zuverlässige Art und Weise selbst zu erken- nen. Auch in der NAMUR-Empfehlung NE 107 wird das Erkennen externer Schwingungen als Fehlzustand für Coriolis-Massendurchflussmessgeräte erwähnt.Conventionally, a Coriolis mass flowmeter is flanged to a pipeline in a plant. However, under certain process conditions, the piping may be subject to vibration and these vibrations may be transmitted to the flanged Coriolis mass flowmeter. The problem is that these vibrations can affect the Coriolis mass flowmeter so that no correct measurement of the flow rate or the density of the flowing medium is guaranteed. Conventionally, vibrations of piping are detected by means of a separate vibration meter. However, no solutions are known which enable a Coriolis mass flowmeter to reliably detect such external vibrations in a reliable manner. The NAMUR Recommendation NE 107 also mentions the detection of external vibrations as a fault condition for Coriolis mass flowmeters.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein Coriolis- Massendurchflussmessgerät zu befähigen, eine Eigendiagnose über auftretende externe Schwingungen durchzuführen.The invention is therefore based on the object to enable a Coriolis mass flowmeter to perform a self-diagnosis of occurring external vibrations.
Durch die vorliegende Erfindung werden ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts bereitgestellt. Um dasThe present invention provides a Coriolis mass flow meter and a method of operating a Coriolis mass flow meter. To that
Coriolis-Massendurchflussmessgerät zu befähigen, eine Eigendiagnose über auftretende externe Schwingungen durchzuführen, müssen Schwingungsaufnehmer des Geräts in der Lage sein, einen großen Frequenzbereich auch außerhalb eines Anregungsfre- quenzbereichs des Geräts zu erfassen. Aus diesem Grund sind die Schwingungsaufnehmer gemäß der vorliegenden Erfindung Beschleunigungssensoren, deren Messwertbereich so ausgelegt ist, dass nicht nur der Anregungsfrequenzbereich sondern auch höhere und niedrigere Frequenzbereiche gut erfasst werden können.To enable the Coriolis mass flowmeter to perform a self-diagnosis of external vibrations that occur, vibration transducers on the device must be able to sense a wide frequency range, even outside an excitation frequency range of the device. For this reason, the vibration sensors according to the present invention are acceleration sensors whose measured value range is designed so that not only the excitation frequency range but also higher and lower frequency ranges can be detected well.
Das Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ferner mindestens ein Messrohr, welches von einem Medium durchströmt wird, mindestens eine Erregeranordnung, welche im mittleren Bereich des mindestens einen Messrohrs angeordnet ist und dieses zu Schwingungen anregt, und eine Auswerteeinrichtung die eingerichtet ist, um die mindes- tens eine Erregeranordnung anzusteuern und Schwingungssignale von den mindestens zwei Beschleunigungssensoren zu empfangen. Somit wirkt die mindestens eine Erregeranordnung als Aktor, um das mindestens eine Messrohr in Schwingung zu versetzen. Die von den Beschleunigungssensoren erfassten Schwingungssig- nale werden dann als Rohsignale an die Auswerteeinrichtung weitergegeben. Dabei sind die mindestens zwei Beschleunigungssensoren in Längsrichtung des mindestens einen Messrohrs vor und hinter der mindestens einen Erregeranordnung angeordnet. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Beschleunigungs- sensoren symmetrisch angeordnet, so dass sie in Längsrichtung des mindestens einen Messrohrs den gleichen Abstand zur Erregeranordnung haben.The Coriolis mass flowmeter according to the present invention further comprises at least one measuring tube, which is flowed through by a medium, at least one excitation arrangement, which is arranged in the central region of the at least one measuring tube and this excites to vibrations, and an evaluation device which is adapted to the to control at least one exciter arrangement and to receive vibration signals from the at least two acceleration sensors. Thus, the at least one exciter arrangement acts as an actuator in order to set the at least one measuring tube in vibration. The vibration signals detected by the acceleration sensors are then forwarded as raw signals to the evaluation device. In this case, the at least two acceleration sensors are arranged in front of and behind the at least one exciter arrangement in the longitudinal direction of the at least one measuring tube. Preferably, the at least two acceleration sensors are arranged symmetrically, so that they have the same distance to the exciter arrangement in the longitudinal direction of the at least one measuring tube.
Herkömmlich sind die Schwingungsaufnehmer als Spulen ausge- bildet. Diese Spulen sind jedoch nicht geeignet, um externe Schwingungen erfassen zu können. Einerseits ist die Empfindlichkeit nicht hoch genug und andererseits ist ihr Frequenzerfassungsbereich nicht groß genug. Ferner können auf Grund der gängigen Abtastrate hochfrequente externe Schwingungen nicht erfasst werden. Ein Erhöhen der Abtastrate ist jedoch nicht wünschenswert, da dies eine erhöhte Leistung der nachfolgenden Auswertekomponenten zur Folge hätte. Im Gegensatz dazu eignen sich Beschleunigungssensoren, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden und welche dem Fach- mann auch als Accelerometer bekannt sind, besonders gut zum Messen von Vibrationen, da sie einen großen Frequenzbereich erfassen können und ihre Genauigkeit üblicherweise im Prozent- oder Promillebereich liegt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Beschleunigungssensoren des Coriolis-Massendurchfluss- messgeräts piezoelektrische Beschleunigungssensoren oder Mik- rosysteme, die dem Fachmann auch als MEMS (engl. Micro- Electro-Mechanical System) bekannt sind. In piezoelektrischen Beschleunigungssensoren wandeln piezokeramische Sensorplätt- chen dynamische Druckschwankungen in elektrische Signale um, die entsprechend weiterverarbeitet werden können. Dabei wird die Druckschwankung durch eine an der Piezokeramik befestig- ten Masse erzeugt und wirkt bei einer Beschleunigung des Gesamtsystems auf die Piezokeramik. Mikrosysteme sind miniaturisierte Beschleunigungssensoren, die aus Silizium hergestellt werden. Diese mikro-elektro-mechanischen Sensoren sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die Federn üblicherweise nur wenige μm breite Siliziumstege sind und auch die Masse ausConventionally, the vibration sensors are designed as coils. However, these coils are not suitable for detecting external vibrations. On the one hand, the sensitivity is not high enough and on the other hand, its frequency detection range is not large enough. Furthermore, high frequency external vibrations can not be detected due to the common sampling rate. However, increasing the sampling rate is undesirable because it would result in increased performance of the subsequent evaluation components. In contrast, acceleration sensors used in accordance with the present invention, which are also known to those skilled in the art as accelerometers, are particularly well-suited for measuring vibrations because they can detect a wide frequency range and their accuracy usually in the percent or per mil range lies. According to one embodiment of the present invention, the acceleration sensors of the Coriolis mass flowmeter are piezoelectric acceleration sensors or microsystems, which are also known to the person skilled in the art as MEMS (micro-electro-mechanical system). In piezoelectric acceleration sensors, piezoceramic sensor plates convert dynamic pressure fluctuations into electrical signals, which can be further processed accordingly. In this case, the pressure fluctuation is generated by a mass attached to the piezoceramic and acts on the piezoceramic with an acceleration of the overall system. Microsystems are miniaturized accelerometers made of silicon. These micro-electro-mechanical sensors are spring-mass systems in which the springs are usually only a few microns wide silicon webs and the mass
Silizium hergestellt ist. Durch die Auslenkung bei einer Beschleunigung kann zwischen dem gefedert aufgehängten Teil und einer festen Bezugselektrode eine Änderung der elektrischen Kapazität gemessen werden. Mikrosysteme sind sehr zuverlässig und kostengünstig herzustellen und besitzen eine sehr hoheSilicon is made. Due to the deflection during acceleration, a change in the electrical capacitance can be measured between the spring-suspended part and a fixed reference electrode. Microsystems are very reliable and inexpensive to manufacture and have a very high
Messgeschwindigkeit. Ferner sind sie in der Lage einen großen Frequenzbereich zu erfassen, weshalb sie sich als Schwingungsaufnehmer eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts eignen.Measurement speed. Furthermore, they are able to detect a wide frequency range, which is why they are suitable as a vibration sensor of a Coriolis mass flowmeter.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfassen die mindestens zwei Beschleunigungssensoren einen Frequenzbereich um eine Anregungsfrequenz für die Erregeranordnung und Frequenzbereiche oberhalb und/oder unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs. Dabei ist unter dem Anregungsfrequenzbereich der Frequenzbereich um die Anregungsfrequenz zu verstehen. Wie bereits erwähnt können Beschleunigungssensoren, wie z.B. piezoelektrische Beschleunigungssensoren oder Mikrosysteme, so ausgelegt werden, dass sie zusätzlich zum Anregungsfrequenzbereich auch höhere und niedrigere Frequenzbereiche erfassen können. Üblicherweise sind Beschleunigungssensoren in der Lage Frequenzen zwischen 0 Hz (statischer Fall) und ca. 50 kHz zu erfassen, wobei sie nicht im gesamten Frequenzbereich linear arbeiten. Der Sonderfall von 0 Hz kann beispielsweise mit MEMS erfasst werden, nicht jedoch mit piezoelektrischen Beschleunigungssensoren. Die Anregungsfrequenz hängt einerseits vom verwendeten Corio- lis-Massendurchflussmessgerät (z.B. 100 Hz oder 600 Hz; herstellerabhängig) und andererseits von dem Medium ab, welches durch das Messrohr strömt. Beträgt beispielsweise die Anregungsfrequenz für ein mit Luft gefülltes Coriolis-Massen- durchflussmessgerät 600 Hz, so beträgt beispielsweise die An- regungsfrequenz nur noch ca. 550 Hz, wenn Wasser durch das Gerät strömt .According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the at least two acceleration sensors detect a frequency range around an excitation frequency for the excitation arrangement and frequency ranges above and / or below the excitation frequency range. Here, the excitation frequency range is to be understood as the frequency range around the excitation frequency. As already mentioned, acceleration sensors, such as eg piezoelectric acceleration sensors or microsystems, can be designed in such a way that, in addition to the excitation frequency range, they can also detect higher and lower frequency ranges. Usually, acceleration sensors are able to detect frequencies between 0 Hz (static case) and about 50 kHz, where they do not work linearly in the entire frequency range. The special case of 0 Hz can be detected, for example, with MEMS, but not with piezoelectric acceleration sensors. The excitation frequency depends on the one hand on the Coriolis mass flowmeter used (eg 100 Hz or 600 Hz, depending on the manufacturer) and on the other hand on the medium flowing through the measuring tube. If, for example, the excitation frequency for an air-filled Coriolis mass flowmeter is 600 Hz, then the excitation frequency is only about 550 Hz when water flows through the device.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die mindestens zwei Beschleunigungssensoren einge- richtet, um einen Anregungsfrequenzbereich zu erfassen, welcher zwischen 500 und 750 Hz liegt, wenn die Anregungsfrequenz ungefähr 600 Hz beträgt. Außerdem sind die Beschleunigungssensoren eingerichtet, um zusätzlich den Frequenzbereich oberhalb des Anregungsfrequenzbereichs zu erfassen, der zwi- sehen 800 Hz und 30 kHz liegt, und/oder den Frequenzbereich unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs zu erfassen, der zwischen 0 und 400 Hz liegt. Allerdings sind die hier genannten Frequenzbereiche lediglich als beispielhaft zu betrachten, da der Anregungsfrequenzbereich wie erwähnt abhängig von dem verwendeten Coriolis-Massendurchflussmessgerät und dem Medium variieren kann, das dieses Gerät durchströmt. Somit sind die zu erfassenden Frequenzbereiche oberhalb und/oder unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs entsprechend anzupassen. Auf jeden Fall stellt die Verwendung von Beschleunigungssensoren als Schwingungsaufnehmer sicher, dass in einem Betriebsmodus neben der Erfassung der erregten Schwingung weitere Frequenzbänder erfasst werden können, welche Informationen über externe Schwingungen liefern können.According to another embodiment of the present invention, the at least two acceleration sensors are arranged to detect an excitation frequency range which is between 500 and 750 Hz when the excitation frequency is about 600 Hz. In addition, the acceleration sensors are arranged to additionally detect the frequency range above the excitation frequency range, which is between 800 Hz and 30 kHz, and / or to detect the frequency range below the excitation frequency range which is between 0 and 400 Hz. However, the frequency ranges mentioned here are merely exemplary in that, as mentioned, the excitation frequency range can vary depending on the Coriolis mass flowmeter used and the medium through which this device flows. Thus, the frequency ranges to be detected above and / or below the excitation frequency range to be adjusted accordingly. In any case, the use of acceleration sensors as vibration transducers ensures that in an operating mode in addition to the detection of the excited vibration, further frequency bands can be detected, which can provide information about external vibrations.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Auswerteeinrichtung daher Mittel zum Ermitteln von Störsignalen in den erfassten Frequenzbereichen. Das heißt, die Mittel zum Ermitteln von Störsignalen liefern die Informationen über mögliche externe Schwingungen, indem sie eine entsprechende Filterung der Rohsignale der Schwingungsaufnehmer durchführen.According to a further embodiment of the present invention, the evaluation device therefore comprises means for determining interference signals in the detected frequency ranges. That is, the means for detecting interference signals provide the Information about possible external vibrations, by performing a corresponding filtering of the raw signals of the vibration sensor.
Störsignale in dem erfassten Frequenzbereich oberhalb des Anregungsfrequenzbereichs werden vorzugsweise mittels Hüllkurvenbildung ermittelt. Die Hüllkurvenbildung bedeutet, dass in einem ersten Schritt niederfrequente Signalanteile mittels eines Hochpassfilters aus den Rohsignalen der Schwingungsauf- nehmer entfernt werden, wobei die Grenzfrequenz oberhalb des Frequenzbereichs des Nutzsignals liegen muss. Anschließend wird das Hochpass gefilterte Signal gleichgerichtet und einer Tiefpassfilterung unterzogen, um eine Einhüllende des hochfrequenten Störsignals zu bilden. Somit kann ein hochfrequen- tes Störsignal ermittelt werden, welches das niederfrequenten Nutzsignal überlagert, das durch die Anregung durch den Aktor erzeugt wird. Hochfrequente Störsignale können beispielsweise durch periodische Stöße an der Rohrleitung verursacht werden, an welche das Coriolis-Massendurchflussmessgerät angeflanscht ist.Interference signals in the detected frequency range above the excitation frequency range are preferably determined by means of envelope formation. The envelope formation means that, in a first step, low-frequency signal components are removed from the raw signals of the vibration sensors by means of a high-pass filter, wherein the cut-off frequency must lie above the frequency range of the useful signal. Subsequently, the high-pass filtered signal is rectified and low-pass filtered to form an envelope of the high-frequency interference signal. Thus, a high-frequency interference signal can be determined, which superimposes the low-frequency useful signal, which is generated by the excitation by the actuator. High-frequency interference signals can be caused, for example, by periodic impacts on the pipeline to which the Coriolis mass flowmeter is flanged.
Störsignale in dem erfassten Frequenzbereich unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs werden vorzugsweise mittels Tiefpassfilterung ermittelt. Das heißt, die Rohsignale der Schwingungsaufnehmer werden einer Tiefpassfilterung unterzogen, um so das Nutzsignal abzutrennen und Störsignalanteile mit einer kleineren Frequenz als das Nutzsignal zu ermitteln.Noise signals in the detected frequency range below the excitation frequency range are preferably determined by means of low-pass filtering. That is, the raw signals of the vibration sensor are subjected to a low-pass filtering, so as to separate the useful signal and to determine noise components with a smaller frequency than the useful signal.
Die Ermittlung von Störsignalen mit einer höheren oder nied- rigeren Frequenz als das Nutzsignal kann parallel oder se- quenziell durchgeführt werden, wobei die Auswerteeinrichtung, welche vorzugsweise die beschriebenen Filterungen durchführt, entsprechend angepasst werden muss. Bei einer sequenziell durchgeführten Filterung ist es unerheblich, in welcher Rei- henfolge die Filterungen durchgeführt werden. Insbesondere kann die Ermittlung von Störsignalen in den Frequenzbereichen oberhalb und/oder unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs parallel zum normalen Betrieb des Coriolis-Massendurchfluss- messgeräts durchgeführt werden, also parallel zu einer Mas- sendurchfluss- und Dichtemessung eines strömenden Mediums.The determination of interference signals with a higher or lower frequency than the useful signal can be carried out in parallel or sequentially, wherein the evaluation device, which preferably performs the described filtering, must be adapted accordingly. In the case of sequential filtering, it does not matter in what order the filtering is performed. In particular, the determination of interference signals in the frequency ranges above and / or below the excitation frequency range parallel to the normal operation of the Coriolis mass flow measuring device, ie parallel to a mass flow and density measurement of a flowing medium.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfin- düng werden Störsignale innerhalb des Anregungsfrequenzbereichs ermittelt, also innerhalb des Frequenzbereichs, in dem die Anregung des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts liegt. Dann muss die Auswerteeinrichtung die Erregeranordnung für eine vorbestimmte Zeitdauer abschalten, so dass der Massen- durchfluss in diesem Zeitintervall nicht gemessen werden kann. Die Ermittlung von Störsignalen und somit externen Schwingungen im Anregungsfrequenzbereich ist aufgrund der eingangs beschriebenen hohen Empfindlichkeit von Beschleunigungssensoren möglich. Dabei können die Störsignale mittels der oben beschriebenen Messkette, bestehend aus Hüllkurvenbildung und Tiefpassfilterung, aus den Rohsignalen der Beschleunigungssensoren gewonnen werden. Allerdings kann auch eine geeignete Bandpassfilterung eingesetzt werden. Liegt die Anregungsfrequenz für die Erregeranordnung beispielsweise im Bereich von 600 Hz, dann wird bei der Ermittlung von Störsignalen im Anregungsfrequenzbereich vorzugsweise ein Frequenzbereich zwischen 400 und 800 Hz untersucht.According to a further embodiment of the present invention, interference signals are determined within the excitation frequency range, ie within the frequency range in which the excitation of the Coriolis mass flowmeter is located. Then, the evaluation device must switch off the excitation arrangement for a predetermined period of time, so that the mass flow can not be measured in this time interval. The determination of interference signals and thus external vibrations in the excitation frequency range is possible due to the high sensitivity of acceleration sensors described above. The interference signals can be obtained from the raw signals of the acceleration sensors by means of the measurement chain described above, consisting of envelope formation and low-pass filtering. However, suitable bandpass filtering can also be used. If the excitation frequency for the excitation arrangement is, for example, in the range of 600 Hz, then a frequency range between 400 and 800 Hz is preferably investigated when determining interference signals in the excitation frequency range.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können somit durch Ersetzen herkömmlicher Schwingungsaufnehmer (z.B. Spulen) eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts durch Beschleunigungssensoren zusätzlich zu einem Anregungsfrequenzbereich Frequenzbereiche erfasst werden, in denen üblicherweise externe Schwingungen liegen und welche sich mit herkömmlichen Schwingungsaufneh- mern gar nicht oder nur schwer erfassen lassen. Dies ermöglicht die Realisierung einer Eigendiagnose des Coriolis- Massendurchflussmessgeräts über auftretende externe Schwingungen in einer Rohrleitung, an welche das Gerät angeflanscht ist. Mit anderen Worten ist das erfindungsgemäße Coriolis- Massendurchflussmessgerät in der Lage, eine Selbstüberwachung bezüglich externer Schwingungen (Schläge, Vibrationen, etc.) durchzuführen. Anhand dieser Eigendiagnose lassen sich wert- volle Hinweise über die Prozesssicherheit des Coriolis- Massendurchflussmessgeräts ermitteln .According to the present invention, by replacing conventional vibration sensors (eg coils) of a Coriolis mass flowmeter with acceleration sensors, frequency ranges can be detected in addition to an excitation frequency range, in which usually external vibrations are present and which can not or only with difficulty be detected with conventional vibration transducers. This makes it possible to implement a self-diagnosis of the Coriolis mass flowmeter via occurring external vibrations in a pipeline to which the device is flanged. In other words, the Coriolis mass flowmeter according to the invention is capable of self-monitoring with respect to external vibrations (shocks, vibrations, etc.). Based on this self-diagnosis, valuable find out all about the process safety of the Coriolis mass flowmeter.
Besitzt das Coriolis-Massendurchflussmessgerät zwei Messroh- re, kann durch das Ersetzen der herkömmlichen Schwingungsaufnehmer durch Beschleunigungssensoren ein weiterer Vorteil erreicht werden. In diesem Fall werden insgesamt vier Beschleunigungssensoren benötigt, wovon jeweils zwei Beschleunigungssensoren in Längsrichtung der Messrohre vor und hinter der Erregeranordnung an einem Messrohr angebracht sind. Mit anderen Worten sind in Längsrichtung der Messrohre Sensorpaare vor und hinter der Erregeranordnung angebracht. Dann kann bereits mittels eines Sensorpaars durch entsprechende Auswertung der Schwingungssignale jedes der Beschleunigungssensoren des Sensorpaars ein asymmetrischer Durchfluss durch die Messrohre oder eine Verstopfung in einem der Messrohre erkannt werden. Dazu müssen die Schwingungssignale der beiden Beschleunigungssensoren eines Sensorpaars lediglich miteinander verglichen werden.If the Coriolis mass flowmeter has two measuring tubes, another advantage can be achieved by replacing the conventional vibration sensors with acceleration sensors. In this case, a total of four acceleration sensors are required, of which two acceleration sensors in each case in the longitudinal direction of the measuring tubes in front of and behind the excitation arrangement are mounted on a measuring tube. In other words, sensor pairs are mounted in front of and behind the exciter arrangement in the longitudinal direction of the measuring tubes. Then, by means of a sensor pair, an asymmetrical flow through the measuring tubes or a blockage in one of the measuring tubes can already be detected by appropriate evaluation of the oscillation signals of each of the acceleration sensors of the sensor pair. For this purpose, the vibration signals of the two acceleration sensors of a sensor pair only have to be compared with each other.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Coriolis-Massendurchflussmessgerät einen digitalen Signalprozessor, der eingerichtet ist, um die ermittelten Störsignale abzutasten (A/D-Wandlung) und zu korrelie- ren. Alternativ werden die von den Schwingungsaufnehmern erhaltenen Schwingungssignale abgetastet und in den digitalen Signalprozessor eingegeben. Aus den abgetasteten Schwingungssignalen ermittelt der digitale Signalprozessor dann die Störsignale, welche anschließend korreliert werden. Dazu ist der digitale Signalprozessor mit den entsprechenden Mitteln ausgestattet, um die Störsignale in den erfassten Frequenzbereichen zu ermitteln. Das heißt, gemäß dieser alternativen Ausführungsform ist die oben beschriebene Filterung der Rohsignale der Beschleunigungssensoren als Software in den digi- talen Signalprozessor implementiert. Andernfalls wird dieAccording to another embodiment of the present invention, the Coriolis mass flowmeter comprises a digital signal processor adapted to sample (A / D conversion) and correlate the detected spurious signals. Alternatively, the vibration signals obtained from the vibration pickups are sampled and plotted in the input digital signal processor. From the sampled vibration signals, the digital signal processor then determines the interference signals, which are then correlated. For this purpose, the digital signal processor is equipped with the appropriate means to determine the noise in the detected frequency ranges. That is, according to this alternative embodiment, the above-described filtering of the raw signals of the acceleration sensors is implemented as software in the digital signal processor. Otherwise, the
Filterung mittels entsprechender Hardware (z.B. RC-Glieder) in der Auswerteeinrichtung durchgeführt und werden die gefilterten Störsignale in den digitalen Signalprozessor eingege- ben, welcher vorzugsweise Bestandteil der Auswerteeinrichtung ist. Natürlich wäre es auch möglich, dass die Korrelation analog durchgeführt wird, so dass eine Abtastung der gefilterten Störsignale der mindestens zwei Beschleunigungssenso- ren entfällt und die gefilterten Störsignale korreliert werden.Filtering by means of appropriate hardware (eg RC elements) carried out in the evaluation and the filtered interference signals are entered into the digital signal processor ben, which is preferably part of the evaluation. Of course, it would also be possible for the correlation to be carried out analogously so that a sampling of the filtered interference signals of the at least two acceleration sensors is omitted and the filtered interference signals are correlated.
Bei der Abtastung der gefilterten Rohsignale muss die Abtastfrequenz über der Anregungsfrequenz liegen. Wie in herkömmli- chen Geräten ist die Abtastfrequenz zwischen 10 bis 20 Mal, vorzugsweise 15 Mal höher als die Anregungsfrequenz. Eine solche Abtastrate erlaubt eine gute Interpolation der Messwerte, um z.B. auf Nulldurchgänge schließen zu können. Somit muss im Gegensatz zu herkömmlichen Geräten die Abtastrate nicht erhöht werden, um eine Diagnose in Bezug auf externe Schwingungen durchführen zu können, so dass keine erhöhte Leistung und kein zusätzlicher Energieverbrauch der Auswertekomponenten benötigt wird.When sampling the filtered raw signals, the sampling frequency must be above the excitation frequency. As in conventional devices, the sampling frequency is between 10 to 20 times, preferably 15 times higher than the excitation frequency. Such a sampling rate allows a good interpolation of the measured values, e.g. to be able to conclude zero crossings. Thus, in contrast to conventional devices, the sampling rate does not have to be increased in order to be able to carry out a diagnosis with regard to external vibrations, so that no increased power and no additional energy consumption of the evaluation components is required.
Durch die Korrelation der abgetasteten Störsignale kann dieDue to the correlation of the sampled interfering signals, the
Diagnoseaussage zusätzlich verifiziert werden, da sich externe Schwingungen (Schläge, Vibrationen, etc. ) auf beide Beschleunigungssensoren auswirken und sich somit in beiden Rohsignalen sowie im Korrelationssignal zeigen.Diagnosis statement are additionally verified, since external vibrations (shocks, vibrations, etc.) affect both accelerometers and thus show in both raw signals and in the correlation signal.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage mit mindestens einer Rohrleitung, an welche mindestens ein erfindungsgemäßes Coriolis-Massendurchfluss- messgerät angeflanscht ist.According to a further aspect, the present invention relates to a system having at least one pipeline to which at least one Coriolis mass flowmeter according to the invention is flanged.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.
FIG 1 zeigt ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. FIG 2 zeigt schematisch einen digitalen Signalprozessor des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts der Figur 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.1 shows a Coriolis mass flowmeter according to a preferred embodiment of the present invention. 2 schematically shows a digital signal processor of the Coriolis mass flowmeter of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.3 shows a flowchart of a method according to an embodiment of the present invention.
FIG 1 zeigt ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng. Das Massendurchflussmessgerät 1 gemäß Figur 1 arbeitet nach dem Coriolisprinzip . Ein erstes Messrohr 2 und ein zweites Messrohr 3 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Sie werden üblicherweise aus einem Stück durch Biegen angefertigt. Der Verlauf der Messrohre ist im Wesentlichen U-förmig. Ein fließfähiges Medium strömt entsprechend einem Pfeil 4 in das Massendurchflussmessgerät 1 und damit in die beiden hinter einem in der Figur nicht sichtbaren Einlaufsplitter befindlichen Einlaufabschnitte der Messrohre 2 und 3 ein und entsprechend einem Pfeil 5 aus den Auslaufabschnitten und dem dahinter befindlichen, ebenfalls in der Figur nicht sichtbaren AuslaufSplitter wieder aus. Flansche 6, die mit dem Einlaufsplitter bzw. dem AuslaufSplitter fest verbunden sind, dienen zur Befestigung des Massendurchflussmessgeräts 1 in einer in der Figur nicht dargestellten Rohrleitung. Durch einen Versteifungsrahmen 7 wird die Geometrie der Messrohre 2 und 3 weitgehend konstant gehalten, so dass auch Veränderungen des Rohrleitungssystems, in welchem das Massendurchflussmessgerät 1 eingebaut ist, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, allenfalls zu einer geringen Nullpunktver- Schiebung führen. Eine in Figur 1 schematisch dargestellte1 shows a Coriolis mass flow meter according to a preferred embodiment of the present invention düng. The mass flowmeter 1 according to FIG. 1 operates on the Coriolis principle. A first measuring tube 2 and a second measuring tube 3 are arranged substantially parallel to one another. They are usually made from one piece by bending. The course of the measuring tubes is essentially U-shaped. A flowable medium flows according to an arrow 4 in the mass flow meter 1 and thus in the two located behind a not visible in the figure inlet splitter inlet sections of the measuring tubes 2 and 3 and corresponding to an arrow 5 from the outlet sections and the behind, also in the figure invisible spout splitting off again. Flanges 6, which are fixedly connected to the inlet splitter and the outlet splitter, serve for fastening the mass flowmeter 1 in a pipeline, not shown in the figure. By a stiffening frame 7, the geometry of the measuring tubes 2 and 3 is kept substantially constant, so that even changes in the piping system, in which the mass flowmeter 1 is installed, for example, due to temperature fluctuations, possibly lead to a small zero shift. One shown schematically in Figure 1
Erregeranordnung 8, die beispielsweise aus einer am Messrohr 2 befestigten Magnetspule und einem am Messrohr 3 angebrachten Magneten, der in die Magnetspule eintaucht, bestehen kann, dient zur Erzeugung einander entgegengesetzter Schwin- gungen der beiden Messrohre 2 und 3, deren Frequenz der Eigenfrequenz des im Wesentlichen U-förmigen Mittenabschnitts der Messrohre 2 und 3 entspricht. In FIG 1 schematisch dargestellte Beschleunigungssensoren 9 dienen zur Erfassung der Corioliskräfte und/oder der auf den Corioliskräften beruhenden Schwingungen der Messrohre 2 und 3, die aufgrund der Masse des durchströmenden Mediums entste- hen. Würde das Coriolis-Massendurchflussmessgerät nur einExciter arrangement 8, which may for example consist of a magnet coil attached to the measuring tube 2 and a magnet immersed in the magnet tube, which serves to generate mutually opposite oscillations of the two measuring tubes 2 and 3 whose frequency corresponds to the natural frequency of the magnet Substantially U-shaped center portion of the measuring tubes 2 and 3 corresponds. Acceleration sensors 9 shown diagrammatically in FIG. 1 serve to detect the Coriolis forces and / or the vibrations of the measuring tubes 2 and 3, which are based on the Coriolis forces and which arise due to the mass of the medium flowing through. Would the Coriolis mass flow meter only one
Messrohr besitzen, so wäre es ausreichend, jeweils einen Beschleunigungssensor in Längsrichtung des einen Messrohrs vor und hinter der Erregeranordnung anzuordnen. Das in Figur 1 dargestellt Coriolis-Massendurchflussmessgerät besitzt jedoch zwei Messrohre, so dass insgesamt vier Beschleunigungssensoren notwendig sind. Davon sind jeweils zwei Beschleunigungssensoren an einem Messrohr vor und hinter dem Aktor 8 angebracht. Der Übersichtlichkeit halber sind die einzelnen Beschleunigungssensoren vor und hinter dem Aktor 8 nicht ein- zeln dargestellt sondern ist jedes Sensorpaar als Einheit dargestellt, auch wenn die zwei Beschleunigungssensoren jedes Sensorpaars voneinander unabhängig arbeiten.Have measuring tube, it would be sufficient to arrange each an acceleration sensor in the longitudinal direction of the one measuring tube in front of and behind the exciter arrangement. However, the Coriolis mass flowmeter shown in Figure 1 has two measuring tubes, so that a total of four acceleration sensors are necessary. Of these, two acceleration sensors each are mounted on a measuring tube in front of and behind the actuator 8. For the sake of clarity, the individual acceleration sensors in front of and behind the actuator 8 are not shown individually but each sensor pair is shown as a unit, even if the two acceleration sensors of each sensor pair operate independently of each other.
Die Schwingungssignale 10, welche durch die Beschleunigungs- sensoren 9 erzeugt werden, werden von einer Auswerteeinrichtung 11 ausgewertet. Zur Auswertung umfasst die Auswerteeinrichtung 11 einen digitalen Signalprozessor 12, welcher später mit Bezugnahme auf Figur 2 im Detail beschrieben wird. Ergebnisse der Auswertung werden auf einer Anzeige 13 ausge- geben oder über einen in der Figur nicht dargestellten Ausgang, z.B. Feldbus, an eine übergeordnete Leitstation übertragen. Neben der Auswertung der Schwingungssignale 10 übernimmt die Auswerteeinrichtung 11 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch die Ansteuerung der Erregeranordnung 8.The vibration signals 10, which are generated by the acceleration sensors 9, are evaluated by an evaluation device 11. For evaluation, the evaluation device 11 comprises a digital signal processor 12, which will be described in detail later with reference to FIG. Results of the evaluation are output on a display 13 or via an output, not shown in the figure, e.g. Fieldbus, transmitted to a higher-level control station. In addition to the evaluation of the vibration signals 10, the evaluation device 11 also takes over the control of the exciter arrangement 8 in the exemplary embodiment shown.
Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können die Messrohre 2 und 3 selbstverständlich andere Geometrien aufweisen, beispielsweise einen V-förmig oder einen Ω-förmig ausgebildeten Mittenabschnitt, oder es kann eine abweichende Anzahl und Anordnung von Erregeranordnungen und Beschleunigungssensoren gewählt werden. Das Coriolis-Massendurchflussmessgerät kann alternativ eine andere Anzahl von Messrohren, beispielsweise ein Messrohr oder mehr als zwei Messrohre, besitzen.Deviating from the illustrated embodiment, the measuring tubes 2 and 3 may of course have other geometries, such as a V-shaped or a Ω-shaped center section, or it may be a different number and arrangement of exciter arrangements and acceleration sensors are selected. The Coriolis mass flow meter may alternatively have a different number of measuring tubes, For example, a measuring tube or more than two measuring tubes possess.
FIG 2 zeigt schematisch den digitalen Signalprozessor 12 des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts der Figur 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem digitalen Signalprozessor ist die gesamte Auswertungskette für die Schwingungssignale 10 der Beschleunigungssensoren 9 in Software implementiert. Wie in Figur 2 dargestellt durchlau- fen die Rohsignale 10 der Beschleunigungssensoren 9 separate Auswertungsketten. Dabei zeigt Figur 2 nur die Verarbeitungsschritte für einen Frequenzbereich oberhalb des Anregungsfrequenzbereichs. Verarbeitungsschritte, also die entsprechenden Filterungen, für andere Frequenzbereiche können zusätzlich oder alternativ in den digitalen Signalprozessor implementiert werden.2 schematically shows the digital signal processor 12 of the Coriolis mass flowmeter of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention. In the digital signal processor, the entire evaluation chain for the vibration signals 10 of the acceleration sensors 9 is implemented in software. As shown in FIG. 2, the raw signals 10 of the acceleration sensors 9 pass through separate evaluation chains. FIG. 2 shows only the processing steps for a frequency range above the excitation frequency range. Processing steps, ie the corresponding filterings, for other frequency ranges can additionally or alternatively be implemented in the digital signal processor.
Zuerst werden die Schwingungssignale 10 der Beschleunigungssensoren 9 durch Abtastmittel 14 so abgetastet (A/D-Wand- lung) , dass sie von dem digitalen Signalprozessor 12 erkannt und weiterverarbeitet werden können, und in den entsprechenden Eingang des digitalen Signalprozessors 12 eingegeben. In den nachfolgenden Schritten wird innerhalb des digitalen Signalprozessors 12 eine Hüllkurvenbildung durchgeführt, indem die abgetasteten Schwingungssignale einen Hochpassfilter 15, einen Gleichrichter 16 und einen Tiefpassfilter 17 durchlaufen. Der Tiefpassfilter 17 gibt dann die jeweilige Einhüllende der hochfrequenten Anteile der abgetasteten Schwingungssignale aus. Die Einhüllenden werden dann in ein Korrelati- onsmittel 18 eingeben. Das Korrelationsmittel 18 führt eineFirst, the vibration signals 10 of the acceleration sensors 9 are sampled (A / D conversion) by scanning means 14 so as to be recognized and processed by the digital signal processor 12, and input to the corresponding input of the digital signal processor 12. In subsequent steps, envelope shaping is performed within the digital signal processor 12 by passing the sampled oscillation signals through a high pass filter 15, a rectifier 16, and a low pass filter 17. The low-pass filter 17 then outputs the respective envelope of the high-frequency components of the sampled oscillation signals. The envelopes are then entered into a correlation means 18. The correlation means 18 performs a
Korrelation der beiden empfangenen Signale durch und gibt ein Auswertungssignal aus, welches Aufschluss darüber gibt, ob im hochfrequenten Anteil der Schwingungssignale 10 der Beschleunigungssensoren 9 Störsignale enthalten sind oder nicht.Correlation of the two received signals and outputs an evaluation signal, which provides information about whether or not interference signals are contained in the high-frequency component of the vibration signals 10 of the acceleration sensors 9.
FIG 3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt Sl empfängt eine Auswerteeinrichtung eines Corio- lis-Massendurchflussmessgeräts Schwingungssignale von Beschleunigungssensoren des Geräts, welche einen Frequenzbereich um eine Anregungsfrequenz und Frequenzbereiche oberhalb und/oder unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs erfassen. In einem zweiten Schritt S2 werden die Schwingungssignale einer Filterung unterzogen, um Störsignale aus den Schwingungssignalen zu filtern. In einem dritten Schritt S3 werden die Störsignale abgetastet. In einem vierten Schritt S4 werden die abgetasteten Störsignale korreliert, um eine Diagnoseaus- sage zu verifizieren, welche anhand der Störsignale abgeleitet werden kann. 3 shows a flow chart for a method according to an embodiment of the present invention. In a first step Sl, an evaluation device of a Corio receives lis mass flowmeter Vibration signals from acceleration sensors of the device, which detect a frequency range around an excitation frequency and frequency ranges above and / or below the excitation frequency range. In a second step S2, the vibration signals are subjected to filtering in order to filter interference signals from the vibration signals. In a third step S3, the interference signals are sampled. In a fourth step S4, the sampled interference signals are correlated in order to verify a diagnostic message which can be derived from the interference signals.

Claims

Patentansprüche claims
1. Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1), umfassend: mindestens ein Messrohr (2, 3), welches von einem Medium durchströmt wird, mindestens eine Erregeranordnung (8), welche im mittleren Bereich des mindestens einen Messrohrs (2, 3) angeordnet ist und dieses zu Schwingungen anregt, mindestens zwei Schwingungsaufnehmer (9), welche in Längsrichtung des mindestens einen Messrohrs (2, 3) vor und hinter der mindestens einen Erregeranordnung (8) angeordnet sind, und eine Auswerteeinrichtung (11) die eingerichtet ist, um die mindestens eine Erregeranordnung (8) anzusteuern und Schwingungssignale (10) von den mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (9) zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schwingungsaufnehmer (9) Beschleunigungssensoren sind.1. Coriolis mass flowmeter (1), comprising: at least one measuring tube (2, 3) through which a medium flows, at least one excitation arrangement (8) which is arranged in the middle region of the at least one measuring tube (2, 3) and this excites to vibrations, at least two vibration sensors (9), which are arranged in the longitudinal direction of the at least one measuring tube (2, 3) in front of and behind the at least one excitation arrangement (8), and an evaluation device (11) which is adapted to the at least to drive a field device (8) and to receive vibration signals (10) from the at least two vibration sensors (9), characterized in that the at least two vibration sensors (9) are acceleration sensors.
2. Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Beschleunigungssensoren (9) piezoelektrische Beschleunigungssensoren oder Mikrosysteme sind.2. Coriolis mass flowmeter (1) according to claim 1, wherein the at least two acceleration sensors (9) are piezoelectric acceleration sensors or microsystems.
3. Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Beschleunigungssensoren (9) eingerichtet sind, um einen Frequenzbereich um eine Anregungsfrequenz für die Erregeranordnung (8) und Frequenzbereiche oberhalb und/oder unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs zu erfassen.3. Coriolis mass flowmeter (1) according to claim 1 or 2, wherein the at least two acceleration sensors (9) are adapted to detect a frequency range around an excitation frequency for the exciter assembly (8) and frequency ranges above and / or below the excitation frequency range.
4. Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 3, wobei die Auswerteeinrichtung Mittel zum Ermitteln von Störsignalen in den erfassten Frequenzbereichen umfasst.4. Coriolis mass flowmeter (1) according to claim 3, wherein the evaluation device comprises means for determining interference signals in the detected frequency ranges.
5. Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 4, umfassend einen digitalen Signalprozessor (12) der eingerichtet ist, um die ermittelten Störsignale abzutasten und zu korrelieren. 5. Coriolis mass flowmeter (1) according to claim 4, comprising a digital signal processor (12) which is adapted to sample the detected interference signals and to correlate.
6. Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 4, umfassend einen digitalen Signalprozessor (12) der eingerichtet ist, um die Störsignale zu ermitteln und zu korrelieren.6. Coriolis mass flowmeter (1) according to claim 4, comprising a digital signal processor (12) which is adapted to determine and correlate the interference signals.
7. Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei Messrohre (2, 3) und jeweils zwei Beschleunigungssensoren (9) in Längsrichtung der Messrohre (2, 3) vor und hinter der Erregeranordnung (8).7. Coriolis mass flowmeter (1) according to one of the preceding claims, comprising two measuring tubes (2, 3) and two acceleration sensors (9) in the longitudinal direction of the measuring tubes (2, 3) in front of and behind the exciter assembly (8).
8. Anlage mit mindestens einer Rohrleitung, an welche mindestens ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeflanscht ist.8. System with at least one pipe to which at least one Coriolis mass flowmeter (1) is flanged according to one of the preceding claims.
9. Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Massendurchfluss- messgeräts (1) mit mindestens einem Messrohr (2, 3), welches von einem Medium durchströmt wird, mindestens einer Erregeranordnung (8), welche im mittleren Bereich des mindestens einen Messrohrs (2, 3) angeordnet ist und dieses zu Schwingungen anregt, mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (9), welche in Längsrichtung des mindestens einen Messrohrs (2, 3) vor und hinter der mindestens einen Erregeranordnung (8) angeordnet sind, und einer Auswerteeinrichtung (11), welche die mindestens eine Erregeranordnung (8) ansteuert und Schwingungssignale (10) von den mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (9) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schwingungsaufnehmer (9) einen Frequenzbereich um eine Anregungsfrequenz für die Erregeranordnung (8) und Frequenzbereiche oberhalb und/oder unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs erfassen.9. A method for operating a Coriolis mass flowmeter (1) with at least one measuring tube (2, 3) through which a medium flows, at least one excitation arrangement (8), which in the central region of the at least one measuring tube (2, 3 is arranged and this excites to vibrations, at least two vibration sensors (9) which are arranged in the longitudinal direction of the at least one measuring tube (2, 3) in front of and behind the at least one exciter assembly (8), and an evaluation device (11), which activating at least one exciter arrangement (8) and receiving oscillation signals (10) from the at least two oscillation recorders (9), characterized in that the at least two oscillation receivers (9) have a frequency range around an excitation frequency for the excitation arrangement (8) and frequency ranges above and / or below the excitation frequency range.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Frequenzbereich um die Anregungsfrequenz zwischen 500 und 750 Hz liegt, der Frequenzbereich oberhalb des Anregungsfrequenzbereichs zwischen 800 Hz und 30 kHz liegt und der Frequenzbereich unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs zwischen 0 und 400 Hz liegt. 10. The method of claim 9, wherein the frequency range is around the excitation frequency between 500 and 750 Hz, the frequency range above the excitation frequency range between 800 Hz and 30 kHz and the frequency range below the excitation frequency range between 0 and 400 Hz.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei Störsignale in dem erfassten Frequenzbereich oberhalb des Anregungsfrequenzbereichs mittels Hüllkurvenbildung ermittelt werden.11. The method of claim 9 or 10, wherein spurious signals are detected in the detected frequency range above the excitation frequency range by means of envelope formation.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei Störsignale in dem erfassten Frequenzbereich unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs mittels Tiefpassfilterung ermittelt werden.12. The method according to any one of claims 9 to 11, wherein spurious signals are detected in the detected frequency range below the excitation frequency range by means of low-pass filtering.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Auswerteeinrichtung (11) die Erregeranordnung (8) für eine vorbestimmte Zeitdauer abschaltet und in diesem Zeitintervall Störsignale in dem erfassten Anregungsfrequenzbereich ermittelt werden.13. The method according to any one of claims 9 to 12, wherein the evaluation device (11) switches off the exciter arrangement (8) for a predetermined period of time and interference signals in the detected excitation frequency range are determined in this time interval.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Frequenzbereich um die Anregungsfrequenz zwischen 400 und 800 Hz liegt.14. The method of claim 13, wherein the frequency range is around the excitation frequency between 400 and 800 Hz.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die ermittelten Störsignale abgetastet und korreliert werden. 15. The method according to any one of claims 11 to 14, wherein the detected interference signals are sampled and correlated.
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