WO2016102123A1 - Durchflussmessgerät - Google Patents

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WO2016102123A1
WO2016102123A1 PCT/EP2015/076924 EP2015076924W WO2016102123A1 WO 2016102123 A1 WO2016102123 A1 WO 2016102123A1 EP 2015076924 W EP2015076924 W EP 2015076924W WO 2016102123 A1 WO2016102123 A1 WO 2016102123A1
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Timo KRETZLER
Daniel KOLLMER
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a flowmeter.
  • Flowmeters are differentiated according to different criteria.
  • the most widespread differentiation criterion is the differentiation according to measurement principles. Accordingly, e.g.
  • the present invention solves this problem by a magnetic-inductive flowmeter with the features of claim 1.
  • a flow meter comprises a sensor unit and a measuring and / or evaluation unit for determining a volume flow rate, a mass flow rate and / or a flow rate of a measuring medium in a tube,
  • the flow meter a) the sensor unit for determining the volume flow, the mass flow and / or the flow velocity of the measuring medium, which is arranged on or in the tube and
  • b) has a microphone which is arranged on or in the tube.
  • both the cumulative energy requirement, ie the period in which an available amount of energy is used up, can be controlled.
  • a diagnosis of a change in state of the measuring medium can also take place.
  • a change of state in the sense of the present invention in particular a flow profile change, e.g. by eddies, and / or a change in the
  • Composition of the medium e.g. by changing the content of solids in the medium, in air bubbles in a liquid medium or by changing the viscosity of the medium to understand.
  • Flow rate is not a change of state in the sense of the present invention.
  • the measurement can be carried out with a microphone or a measuring microphone capsule, wherein the lower frequency range up to which the microphone measures measured values is greater than 2.5 Hz and / or that the upper frequency range up to which the microphone measures measured values is less than 130 kHz.
  • the measurement is particularly preferably carried out in frequency ranges of less than 20 kHz.
  • the measuring range is preferably above 10 dB (A) and / or below 250 dB (A).
  • the sensitivity of the microphone in the measurement is preferably in a range 1 mV / Pa to 50 mV / Pa, more preferably in a range of 3 mV / Pa to 8 mV / Pa.
  • the microphone can advantageously transmit via a signal line at least one acoustic signal, in particular a frequency spectrum, to the measuring and / or evaluation unit.
  • This signal line may be formed as a cable or as a wireless connection.
  • Power supply can in the second case, for example, by the sensor element for
  • Flow rate of a measuring medium is carried out at a first sampling rate, ii) in a second of the at least two sub-modes, the determination of the
  • volume flow, the mass flow and / or the flow rate of a measuring medium is carried out at a second sampling rate, wherein the second sampling rate is lower than the first sampling rate
  • a switching from the second to the first sub-mode is performed on the basis of an acoustic signal recorded by the microphone.
  • the recorded acoustic signal does not necessarily have to cover the entire frequency spectrum for the control. It can also be composed much easier.
  • the microphone is used as control in this application.
  • the adjustment of the acoustic signal can be done by comparison with a reference value or a reference spectrum. This comparison can be carried out by the measuring and evaluation unit.
  • the second sampling rate can also be zero. If this is the case, only the
  • Transmitter operated with a minimum of energy while the sensor unit is not powered. It is a sleep or standby mode.
  • Normal mode ie the first sub-mode is based on the determined acoustic signal.
  • the measuring and evaluation unit can also determine, by adjusting the flow values determined by the sensor unit, whether the flow velocity is sufficiently constant to switch to sleep mode or, alternatively, this control can be effected by the acoustic signal of the microphone.
  • the method according to the invention enables an energy-saving mode of operation, both in the case of flowmeters, which are operated by a power supply network, that is to say also particularly preferably in the case of energy-self-sufficient, in particular battery-operated,
  • a microphone is used to control the energy requirement, in particular the cumulative energy requirement, of a flow measuring device.
  • Mass flow and / or the flow rate characterized by the following steps i) recording an acoustic frequency spectrum through the microphone and ii) matching this recorded frequency spectrum with a
  • Mass flow and / or flow rate determination provided that the recorded frequency spectrum deviates from the characteristic of the reference spectrum.
  • Correction factor and a correction of the volume flow, the mass flow rate and / or the flow rate taking into account the correction factor are obtained.
  • a microphone can be used to quantify a change of state, in particular a measurement disturbance, and to compensate for a determined volume flow rate, the mass flow rate and / or the flow rate of a measurement medium on the basis of the preceding quantification.
  • FIG. 1 is a perspective view of a sectional view of a flow meter according to the invention in an embodiment as a magnetic-inductive flowmeter.
  • Fig. 2 simplified circuit diagram of the flowmeter according to the invention.
  • the present invention is applicable to any type of flowmeter.
  • Corresponding flowmeters are, for example, Coriolis flowmeters
  • Flowmeters electromagnetic flowmeters, surface acoustic wave (SAW) flowmeters, V-Cone flowmeters, and variable area flowmeters.
  • SAW surface acoustic wave
  • V-Cone flowmeters variable area flowmeters.
  • the following embodiment describes the application of the present invention in a magnetic-inductive flowmeter. However, it is understood that the invention can be implemented advantageously in another variant of a flowmeter.
  • the flowmeter is preferably used in process automation.
  • the structure and the measuring principle of a magnetic-inductive flowmeter are basically known. According to Faraday's law of induction, a voltage is induced in a conductor moving in a magnetic field.
  • the fluid medium corresponds to the moving conductor.
  • a magnetic field of constant strength is generated by a magnet system. This may preferably be two field coils which are arranged diametrically opposite one another at the same height of the measuring tube axis A of a measuring tube on the measuring tube. Perpendicular to this are located on the tube inner wall of the measuring tube, two or more measuring electrodes, which tap the voltage generated when flowing through the medium. The induced voltage is proportional to the flow velocity and thus to the volume flow.
  • the magnetic field built up by the field coils is generated by a clocked DC alternating polarity. This ensures a stable zero point and makes the measurement insensitive to influences by multiphase substances, inhomogeneities in the liquid or low conductivity.
  • Magnetic-inductive flowmeters having coil arrangements with more than two field coils and other geometrical arrangements are known. The Applicant has been magneto-inductive for several decades
  • the flowmeter described above is one of the most common structures.
  • clamp-on measuring devices eg ultrasonic flowmeters
  • a pipe according to the invention can thus both a pipeline eg in a system, as well as a measuring tube.
  • magnetic-inductive flowmeters with more than two field coils and more than two measuring electrodes are known.
  • Fig. 1 shows a flow meter 1 in a form as a magneto-inductive
  • Flowmeter with a measuring tube 2 which has a measuring tube axis A.
  • the measuring tube 2 is usually made of metal and has a protective plastic lining, the so-called liner 3 on. Terminally closes the measuring tube 2 with flanges 4 from.
  • the liner can extend over the connecting surfaces 9 of the flanges 4.
  • a magnet system 6 consisting of two or more field coils is arranged on the measuring tube. Offset by 90 ° are on the measuring tube 2 also two diametrically arranged on the measuring tube measuring electrodes 7 are positioned. These grip the measuring voltage as a function of the flow.
  • Another component of the flowmeter is a microphone 10, which is arranged on or in the measuring tube 2.
  • the microphone may be particularly preferably arranged on the surface of the measuring tube.
  • the invention is based on the fact that flow changes can be detected in the acoustic frequency spectrum. Flow rate changes can be detected via the measured frequency spectrum.
  • a simplified circuit of the flowmeter of Fig. 1 is shown in Fig. 2.
  • the left area I shows simplified the interconnection in the area of the measuring tube.
  • the measuring tube still has a grounding electrode 11.
  • the signals of these three electrodes are fed in the measuring and evaluation unit in the right-hand area II to a measuring amplifier 12, which amplifies the signals and forwards them to a multiplexer 13. Subsequently, the A / D - conversion of the signals by means of an A / D converter 14 and a forwarding to a processing unit, not shown, which processes and outputs the signals.
  • the signal of the microphone 15 is also supplied to the multiplexer 13 by means of a separate signal line 16.
  • a flowmeter provided with a microphone allows operation in two or more modes of operation, which have heretofore been realized in other ways and will be described in detail below. In this case, only one of the two operating modes can be implemented on the respective flowmeter or several operating modes.
  • the first operating mode is a power saving mode.
  • a flowmeter has sampling rates.
  • the flowmeter has at least one sensor unit and a control element.
  • magneto-inductive flowmeters preferably with limited power supply such as e.g. Battery powered flowmeters are commonly used to provide different measurement modes that represent a mix between high sampling rate and battery life.
  • Battery powered flowmeters are commonly used to provide different measurement modes that represent a mix between high sampling rate and battery life.
  • Each data acquisition requires energy for the generation of the magnetic field and the measured value processing. If the sampling rate is high (for example, 10 SAPs), flow changes are detected quickly, but energy consumption is increased. At very low sample rates (for example, 0.05 SAPs), the energy consumption is significantly lower, but the meter responds more slowly to changes in flow, resulting in a larger measurement error.
  • a sensor unit may e.g. be the ultrasonic transducer of an ultrasonic flowmeter or the entirety of magnetic system and measuring electrodes in a magnetic inductive flowmeter.
  • the sensor unit is the entirety of the elements that a flowmeter requires to obtain a flow-related measurement signal. This means that both elements are needed for excitation as well as for the detection of a measurement signal.
  • sampling rate in the sense of the present invention is to be understood such that a measurement pause occurs between each determination of a measured value.
  • the sampling rate indicates how many measured values or measuring points are determined within a predetermined time interval.
  • the meter In energy-saving mode, the meter has at least two sub-modes.
  • a first sub-mode indicates a normal measurement mode in which the sensor unit is operated. In the normal measurement mode, the flow measurement is performed at a first sampling rate. The height of the sampling rate is determined by the respective measuring principle.
  • Ultrasonic flow measurement is the distance between two so-called ultrasonic bursts.
  • Magnetic-inductive flow measurement is the time between two polarity reversals.
  • a second sub-mode indicates a low power consumption mode in which the sensor unit is operated.
  • the flow measurement is performed at a second sampling rate. This second sampling rate is lower, preferably at least 4 times lower than the first sampling rate.
  • This sub-mode is particularly suitable for flow measurement at relatively constant flow rates.
  • the electronics of the measuring and evaluation unit can be supplied with energy and no active flow measurement can take place.
  • the flow measurement should be done in the first sub-mode, the normal measurement mode.
  • the microphone 10, 15 is used in this operating mode as a control unit for switching at least from the mode with low energy consumption in the normal measurement mode. It can detect a flow change or multiple flow changes by balancing a current-determined frequency spectrum with a previously-determined frequency spectrum.
  • the measuring and evaluation unit determines a significant deviation from the previous frequency spectrum when adjusting the respectively currently determined frequency spectrum, the measuring and evaluation unit moves the flowmeter from the second sub-mode into the first sub-mode.
  • the measuring and evaluation unit determines no significant deviation when comparing the respectively currently determined frequency spectrum with a number of previous frequency spectra, the measuring and evaluation unit moves the flowmeter from the first to the second sub-mode.
  • the measuring and evaluation unit can carry out a comparison of the respectively determined flow measured values with a number of preceding flow measured values. If no significant deviation between the flow measurements has been determined, the measurement and evaluation unit moves the flowmeter from the first to the second sub-mode. In this case, it is not the frequency spectra of the microphone but the flow readings determined in normal mode that serve as the decision criterion as to whether switching to the mode with low energy consumption is to take place.
  • the second operating mode which can be realized with the aid of the microphone, serves to diagnose the flowing measuring medium.
  • the microphone determines whether due to the frequency spectrum flow disturbances, in particular flow vortex, particles and / or air bubbles are in the medium. If this is the case, it can be an indication that the flow is disturbed.
  • this second operating mode it can be determined by comparison of the determined frequency spectrum with various reference spectra stored in a database as to which type of flow disturbance is involved. These reference spectra are stored for various measuring media. Air bubbles have in water e.g. a different acoustic reference spectrum than particles.
  • the recording of a flow profile can be evaluated with which through the sensor unit determined flow and even corrected in a preferred variant.
  • the two operating modes ie the energy-saving mode and the diagnostic mode, can each be implemented individually in a flow meter or in combination.
  • FIG. 1 shows a metallic measuring tube 2. This also allows a plastic tube instead of a metal tube with liner can be used. The corresponding
  • the measuring tube fulfills the requirements for the measuring principle
  • I first area (sensor and control unit)

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Abstract

Durchflussmessgerät (1) umfassend eine Sensoreinheit und eine Mess- und/oder Auswerteeinheit (8) zur Ermittlung eines Volumendurchflusses, eines Massedurchflusses und/oder einer Fließgeschwindigkeit eines Messmediums (5) in einem Rohr (2), dadurch gekennzeichnet, dassdas Durchflussmessgerät (1) a) die Sensoreinheit zur Ermittlung des Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit des Messmediums aufweist, welche an oder in dem Rohr (2) angeordnet ist und b) ein Mikrofon (10, 15) aufweist, welches an oder in dem Rohr (2) angeordnet ist. Durch das Mikrofon erfolgt ein Umschalten zwischen einem energiesparenden Betriebsmodus und einem normalen Betriebsmodus. Durch das Mikrofon erfolgt ebenfalls die Detektion von Zustandsänderungen des Messmediums.

Description

Durchflussmessgerat
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerat. Durchflussmessgeräte werden nach unterschiedlichen Kriterien differenziert. Das weitverbreitetste Differenzierungskriterium ist die Differenzierung nach Messprinzipien. Entsprechend sind z.B.
Coriolis-Durchflussmessgeräte, Ultraschall-Durchflussmessgeräte, Thermische
Durchflussmessgeräte, Vortex-Durchflussmessgeräte, magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, SAW (surface acoustic wave) - Durchflussmessgeräte, V-Cone Durchflussmessgeräte und
Schwebekörper-Durchflussmessgeräte bekannt. Entsprechende Durchflussmessgeräte sind teilweise von der Anmelderin oder anderen Anbietern im Handel erhältlich.
Die DE 10 2007 007 812 A1 beschreibt einen Sensor, welcher Informationen über die Qualität des Messmediums liefert. Ein Volumenstrom wird nicht detektiert.
Zur Optimierung des Energiebedarfs von Durchflussmessgeräten können verschiedene Methoden der Steuerung angewandt werden. So gibt es beispielsweise batteriebetriebene magnetischinduktive Durchflussmessgeräte, deren wirtschaftlicher Nutzen und deren Laufzeit wesentlich von der Steuerung des Energiehaushaltes der durch die Batterien gespeicherten Energie abhängt. Eine energieoptimierter Betrieb von magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten kann allerdings auch zu erheblichen Kostenersparnissen bei Geräten führen, welche durch ein Versorgungsnetzwerk mit Energie versorgt werden, da solche Geräte in den meisten Fällen mehrere Jahre oder Jahrzehnte in Betrieb sind. Zudem kann es in Rohrleitungen zu Messstörungen kommen, welche durch Luftblasen,
Verunreinigungen, Feststoffe oder aufgrund von Strömungswirbel hervorgerufen werden. Derartige Messstörungen beeinflussen die Durchflussmessung.
Ausgehend von der vorbenannten Problemstellung ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Durchflussmessgerät bereitzustellen welches derartige Messstörungen kompensiert und/oder mit verringertem Energieaufwand betrieben werden kann.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät umfasst eine Sensoreinheit und eine Mess- und/oder Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Volumendurchflusses, eines Massedurchflusses und/oder einer Fließgeschwindigkeit eines Messmediums in einem Rohr,
dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussmessgerät a) die Sensoreinheit zur Ermittlung des Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit des Messmediums aufweist, welche an oder in dem Rohr angeordnet ist und
b) ein Mikrofon aufweist, welches an oder in dem Rohr angeordnet ist.
Mittels des Mikrofons kann sowohl der kumulierte Energiebedarf, also der Zeitraum in welcher ein zur Verfügung stehender Energiebetrag aufgebraucht wird, gesteuert werden.
Alternativ oder Zusätzlich kann auch eine Diagnose einer Zustandsänderung des Messmediums erfolgen. Als eine Zustandsänderung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Strömungsprofiländerung, z.B. durch Strömungswirbel, und/oder eine Änderung der
Zusammensetzung des Mediums, z.B. durch Änderung des Gehalts an Feststoffen im Medium, bei Luftblasen in einem flüssigen Medium oder durch Änderung der Viskosität des Mediums, zu verstehen. Eine bloße Änderung des Volumen- oder Massedurchflusses oder der
Fließgeschwindigkeit ist keine Zustandsänderung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei gasförmigen als auch bei flüssigen Medien angewandt werden, wobei die Verwendung bei flüssigen Medien bevorzugt ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
Die Messung kann mit einem Mikrofon bzw. einer Messmikrofonkapsel erfolgen, wobei der untere Frequenzbereich bis zu welchem das Mikrofon Messwerte erfasst größer ist als 2,5 Hz und/oder dass der obere Frequenzbereich bis zu welchem das Mikrofon Messwerte erfasst kleiner ist als 130 kHz. Die Messung erfolgt besonders bevorzugt in Frequenzbereichen von weniger als 20 kHz.
Der Messbereich liegt vorzugsweise oberhalb von 10 dB (A) und/oder unterhalb von 250 dB(A).
Die Empfindlichkeit des Mikrofons bei der Messung liegt vorzugsweise in einem Bereich 1 mV/Pa bis 50 mV/Pa, besonders bevorzugt in einem Bereich von 3 mV/Pa bis 8 mV/Pa.
Das Mikrofon kann vorteilhaft über eine Signalleitung zumindest ein akustisches Signal, insbesondere ein Frequenzspektrum, an die Mess- und/oder Auswerteeinheit übertragen. Diese Signalleitung kann als ein Kabel oder als eine Wireless-Verbindung ausgebildet sein. Die
Stromversorgung kann im zweiten Fall beispielsweise durch das Sensorelement zur
Durchflussmessung erfolgen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Durchflussmessgerates gemäß Anspruch 1 , umfasst zumindest einen Betriebsmodus für den energiesparenden Betrieb des
Durchflussmessgerätes mit zumindest zwei Untermodi bzw. zwei Betriebsarten, wobei
i) in einem ersten der zumindest zwei Untermodi die Ermittlung des
Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der
Fließgeschwindigkeit eines Messmediums mit einer ersten Abtastrate erfolgt, ii) in einem zweiten der zumindest zwei Untermodi die Ermittlung des
Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit eines Messmediums mit einer zweiten Abtastrate erfolgt, wobei die zweite Abtastrate niedriger ist als die erste Abtastrate,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Umschalten von dem zweiten in den ersten Untermodus anhand eines durch das Mikrofon aufgenommenen akustischen Signals erfolgt. Das aufgenommene akustische Signal muss für die Steuerung nicht zwingend das gesamte Frequenzspektrum umfassen. Es kann auch wesentlich einfacher zusammengesetzt sein. Das Mikrofon wird in dieser Anwendung als Steuerorgan eingesetzt. Der Abgleich des akustischen Signals kann durch Vergleich mit einem Sollwert oder ein Referenzspektrum erfolgen. Dieser Vergleich kann durch die Mess- und Auswerteeinheit durchgeführt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der
Unteransprüche
Die zweite Abtastrate kann auch Null sein. Sofern dies der Fall ist, wird lediglich die
Auswerteelektronik mit einer minimalen Energie betrieben, während die Sensoreinheit nicht mit Energie versorgt wird. Es ist ein Schlaf- oder Stand-by Modus.
Zumindest die Umschaltung vom„Schlafmodus", also dem zweiten Untermodus, in den
„Normalmodus", also dem ersten Untermodus erfolgt anhand des ermittelten akustischen Signals.
Im„Normalmodus" kann die Mess- und Auswerteeinheit durch Abgleich der durch die Sensoreinheit ermittelten Durchflusswerte auch feststellen, ob die Strömungsgeschwindigkeit hinreichend konstant ist, um in den Schlafmodus umzuschalten. Alternativ kann allerdings auch diese Steuerung durch das akustische Signal des Mikrofons erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine energiesparende Betriebsweise sowohl bei Durchflussmessgeräten, welche durch ein Energieversorgungsnetz betrieben werden, also auch besonders bevorzugt bei energieautarken, insbesondere batteriebetriebenen,
Durchflussmessgeräten. Erfindungsgemäß wird ein Mikrofon zur Steuerung des Energiebedarfs, insbesondere des kumulierten Energiebedarfs, eines Durchflussmessgerates verwendet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Durchflussmessgerätes gemäß Anspruch 1 , umfasst zumindest einen Betriebsmodus zur Detektion von Zustandsänderungen eines
Messmediums während, vor oder nach der Ermittlung des Volumendurchflusses, des
Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit gekennzeichnet durch die folgenden Schritte i) Aufnehmen eines akustischen Frequenzspektrums durch das Mikrofon und ii) Abgleich dieses aufgenommenen Frequenzspektrums mit einem
Referenzspektrum
iii) Ausgabe einer Zustandsmeldung bezogen auf die Volumendurchflusses-,
Massedurchflusses- und/oder Fließgeschwindigkeitsermittlung, sofern das aufgenommene Frequenzspektrum von der Charakteristik des Referenzspektrums abweicht.
Zustandsänderungen können oftmals zu Messfehlern führen. Daher ist es von Vorteil, wenn bei einem ermittelten Durchfluss auch zusätzlich eine Angabe der Zustandsänderung dem Nutzer mitgeteilt wird. Dann kann dieser besser die Verlässlichkeit der Messwerte einschätzen. Besonders bevorzugt kann eine Quantifizierung der Abweichung des aufgenommenen
Frequenzspektrums von der Charakteristik des Referenzspektrums unter Ermittlung eines
Korrekturfaktors und eine Korrektur des Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit unter Einbeziehung des Korrekturfaktors erfolgen. Somit wird ein genauerer Durchflussmesswert erhalten.
Ein Mikrofon wird erfindungsgemäß in einem Durchflussmessgerät zur Ermittlung
Zustandsänderung, insbesondere einer Messstörung verwendet.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Mikrofons zur Quantifizierung einer Zustandsänderung, insbesondere einer Messstörung, und zur Kompensation eines ermittelten Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit eines Messmediums auf Grundlage der vorangegangenen Quantifizierung verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Perspektivansicht einer Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes in einer Ausprägung als magnetisch-induktives Durchflussmessgerät; und Fig. 2 Vereinfachtes Schaltbild des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes.
Die vorliegende Erfindung lässt sich auf jede Art von Durchflussmessgeräte anwenden.
Entsprechende Durchflussmessgeräte sind beispielsweise Coriolis-Durchflussmessgeräte,
Ultraschall-Durchflussmessgeräte, Thermische Durchflussmessgeräte, Vortex-
Durchflussmessgeräte, magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, SAW (surface acoustic wave) - Durchflussmessgeräte, V-Cone Durchflussmessgeräte und Schwebekörper- Durchflussmessgeräte. Das nachfolgende Ausführungsbeispiel beschreibt die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät. Es ist jedoch verständlich, dass die Erfindung auch bei einer anderen Variante eines Durchflussmessgerätes vorteilhaft umgesetzt werden kann.
Als Durchflussmessgerät im Sinne der vorliegenden Erfindung sind auch Anordnungen, so z.B. Ultraschall-Clamp on Anordnungen zu verstehen, bei welchen kein Messrohr vorhanden ist, sondern die Sensoren direkt auf ein Prozessrohr aufgesetzt werden.
Das Durchflussmessgerät wird vorzugsweise in der Prozessautomatisierung eingesetzt.
Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind grundsätzlich bekannt. Gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Beim magnetisch-induktiven Messprinzip entspricht der fließende Messstoff dem bewegten Leiter. Ein Magnetfeld mit konstanter Stärke wird durch ein Magnetsystem erzeugt. Dabei kann es sich vorzugsweise um zwei Feldspulen handeln, die diametral zueinander auf gleicher Höhe der Messrohrachse A eines Messrohres am Messrohr angeordnet sind. Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres zwei oder mehr Messelektroden, welche die beim Durchfließen des Messstoffes erzeugte Spannung abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch die Feldspulen aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen bekannt und anderer geometrischer Anordnung bekannt. Die Anmelderin stellt seit mehreren Jahrzehnten magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte in unterschiedlichen Abmessungen und Ausgestaltungen beispielsweise unter dem Namen„Promag" her.
Das vorbeschriebene Durchflussmessgerät stellt eines der üblichsten Aufbauten dar. Im Fall von Clamp-On Messgeräten (z.B. bei Ultraschall-Durchflussmessgeräten) ist kein Messrohr sondern eine Rohrleitung eines Prozesssystems vorgesehen. Ein Rohr im Sinne der Erfindung kann somit sowohl eine Rohrleitung z.B. in einer Anlage sein, als auch ein Messrohr. Darüber hinaus sind auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit mehr als zwei Feldspulen und mehr als zwei Messelektroden bekannt. Fig. 1 zeigt ein Durchflussmessgerät 1 in einer Ausprägung als magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät mit einem Messrohr 2, welches eine Messrohrachse A aufweist. Das Messrohr 2 ist üblicherweise aus Metall und weist als Schutz eine Kunststoffauskleidung, den sogenannten Liner 3, auf. Endständig schließt das Messrohr 2 mit Flanschen 4 ab. Der Liner kann sich dabei über die Anschlussflächen 9 der Flansche 4 erstrecken. In bautypischer Weise ist auf dem Messrohr ein Magnetsystem 6, bestehend aus zwei oder mehr Feldspulen angeordnet. Um 90° versetzt sind am Messrohr 2 zudem zwei diametral am Messrohr angeordnete Messelektroden 7 positioniert. Diese greifen die Messspannung in Abhängigkeit vom Durchfluss ab.
Über eine Signalleitung, Kabel oder wireless, wird die Messspannung an eine Mess- und
Auswerteeinheit 8 übertragen.
Weiterer Bestandteil des Durchflussmessgerätes ist ein Mikrofon 10, welches am oder im Messrohr 2 angeordnet ist. Das Mikrofon kann besonders bevorzugt an der Oberfläche des Messrohres angeordnet sein.
Es kann allerdings teilweise mediumsberührend sein. Letztere Variante ist allerdings weniger bevorzugt, da diese Messstelle dann abgedichtet werden muss. Zudem müssen die
mediumsberührenden Teile des Mikrofons 10 mediumsbeständig gegenüber dem Messmedium 5 sein.
Die Erfindung beruht auf der Tatsache, dass sich Durchflussänderungen im akustischen Frequenzspektrum erkennen lassen. Über das gemessene Frequenzspektrum lassen sich Durchflussänderungen detektieren. Eine vereinfachte Schaltung des Durchflussmessgerätes der Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Der linke Bereich I zeigt vereinfacht die Verschaltung im Bereich des Messrohres. Zusätzlich zu den Messelektroden 7.1 und 7.2 weist das Messrohr noch eine Erdungselektrode 11 auf. Die Signale dieser drei Elektroden werden in der Mess- und Auswerteeinheit im rechten Bereich II einem Messverstärker 12 zugeführt, welcher die Signale verstärkt und an einen Multiplexer 13 weiterleitet. Anschließend erfolgt die A/D - Wandlung der Signale mittels eines A/D-Wandlers 14 und eine Weiterleitung zu einer nicht näher dargestellten Recheneinheit, welche die Signale aufarbeitet und ausgibt. Zusätzlich zu den Signalen der Messelektroden 7.1 , 7.2 und der Erdungselektrode 11 wird auch das Signal des Mikrofons 15 mittels einer gesonderten Signalleitung 16 dem Multiplexer 13 zugeführt.
Ein mit einem Mikrofon versehenes Durchflussmessgerat ermöglicht den Betrieb in zwei oder mehr Betriebsmodi, welche bislang in anderer Weise realisiert wurden und im Einzelnen nachfolgend erläutert werden. Dabei kann auf dem jeweiligen Durchflussmessgerät nur einer der beiden Betriebsmodi implementiert sein oder mehrere Betriebsmodi.
Der erste Betriebsmodus ist ein Energiesparmodus. Üblicherweise verfügt ein Durchflussmessgerät über Abtastraten. Dabei weist das Durchflussmessgerät zumindest eine Sensoreinheit auf und ein Steuerelement.
Für Durchflussmessgeräte, insbesondere magnetisch induktive Durchflussmessgeräte, vorzugsweise mit limitierter Energieversorgung wie z.B. batteriebetriebene Durchflussmessgeräte ist es üblich verschiedene Messmodi anzubieten die einen Mix zwischen hoher Abtastrate und Batterielebensdauer darstellen. Jede Messwerterfassung benötigt für die Erzeugung des Magnetfeldes und der Messwertverarbeitung Energie. Ist die Abtastrate hoch (z.B. 10 SAPs), werden Durchflussänderungen schnell erkannt, dafür ist der Energieverbrauch erhöht. Bei sehr kleinen Abtastraten (z.B. 0.05 SAPs) ist der Energieverbrauch deutlich geringer, dafür reagiert das Messgerät langsamer auf Durchflussänderungen, wodurch ein größerer Messfehler entsteht.
Es ist daher wünschenswert ein Messmodus zu implementieren welcher abhängig von dem Durchflussprofil die Abtastrate variiert. Bei Durchflussänderungen wird häufig abgetastet/gemessen und bei konstanten Durchflüssen selten.
Eine Sensoreinheit können z.B. die Ultraschalltransducer eines Ultraschall-Durchflussmessgerätes sein oder aber die Gesamtheit aus Magnetsystem und Messelektroden in einem magnetischinduktiven Durchflussmessgerät. Bei anderen Messprinzipien ist die Sensoreinheit die Gesamtheit der Elemente, welche ein Durchflussmessgerät benötigt, um ein durchflussbezogenes Messsignal zu erhalten. Das heißt es sind sowohl Elemente die zur Anregung als auch zur Detektion eines Messsignals benötigt werden.
Der Begriff Abtastrate im Sinne der vorliegenden Erfindung ist derart zu verstehen, dass zwischen jeder Ermittlung eines Messwertes eine Messpause auftritt. Die Abtastrate gibt an wie viele Messwerte bzw. Messpunkte innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls ermittelt werden.
Im Energiesparmodus verfügt das Messgerät über zumindest zwei Untermodi. Ein erster Untermodus kennzeichnet einen Normalmessmodus in welchem die Sensoreinheit betrieben wird. Im Normalmessmodus erfolgt die Durchflussmessung mit einer ersten Abtastrate. Die Höhe der Abtastrate bestimmt sich nach dem jeweiligen Messprinzip. Bei der Ultraschall- Durchflussmessung handelt es sich um den Abstand zweier sogenannter Ultraschall-Bursts. Bei der magnetisch-induktiven Durchflussmessung handelt es sich um den Zeitpunkt zwischen zwei Umpolungen.
Ein zweiter Untermodus kennzeichnet einen Modus mit geringem Energieverbrauch in welchem die Sensoreinheit betrieben wird. Hier erfolgt die Durchflussmessung mit einer zweiten Abtastrate. Diese zweite Abtastrate ist dabei niedriger, vorzugsweise zumindest 4-mal niedriger als die erste Abtastrate.
Das heißt, es werden weniger Messpunkte in einem Zeitintervall ermittelt. Zugleich wird auch weniger Energie benötigt, da eine Durchflussmessung stets Anregungsenergie benötigt und stets Energie zum Erhalt der Rechenleistung bei der Auswertung der Messsignale. Diese Energie kann im zweiten Untermodus zum Nachteil einer schlechteren Messperformance eingespart werden. Dieser Untermodus ist besonders geeignet zur Durchflussmessung bei relativ konstanten Durchflüssen.
Im zweiten Untermodus kann lediglich die Elektronik der Mess- und Auswerteeinheit mit Energie versorgt werden und keine aktive Durchflussmessung erfolgen.
Bei einer Strömung mit sich schnell ändernden Durchflussraten gelingt keine genaue Bilanzierung des Durchflusses aus Einzelmesswerten, da zu wenig Messpunkte erfasst werden. Hier sollte die Durchflussmessung im ersten Untermodus, dem Normalmessmodus, erfolgen.
Das Mikrofon 10, 15 dient in diesem Betriebsmodus als Steuereinheit zur Umstellung zumindest vom Modus mit geringem Energieverbrauch in den Normalmessmodus. Es kann eine Durchflussänderung oder mehrere Durchflussänderungen ermitteln, durch Abgleich eines aktuellermittelten Frequenzspektrums mit einem vorhergehend-ermittelten Frequenzspektrum.
Sofern die Mess- und Auswerteeinheit beim Abgleich des jeweils aktuell-ermittelten Frequenzspektrums eine signifikante Abweichung vom vorhergehenden Frequenzspektrum ermittelt, so versetzt die Mess- und Auswerteeinheit das Durchflussmessgerät vom zweiten Untermodus in den ersten Untermodus.
Sofern die Mess- und Auswerteeinheit beim Abgleich des jeweils aktuell-ermittelten Frequenzspektrums mit einer Anzahl an vorhergehenden Frequenzspektren keine signifikante Abweichung ermittelt, so versetzt die Mess- und Auswerteeinheit das Durchflussmessgerät vom ersten in den zweiten Untermodus. Alternativ kann die Mess- und Auswerteeinheit einen Abgleich des jeweils ermittelten Durchflussmesswerten mit einer Anzahl an vorhergehenden Durchflussmesswerten vornehmen. Sofern keine signifikante Abweichung zwischen den Durchflussmesswerten ermittelt wurde, so versetzt die Mess- und Auswerteeinheit das Durchflussmessgerat vom ersten in den zweiten Untermodus. In diesem Fall dienen nicht die Frequenzspektren des Mikrofons, sondern die im Normalmodus ermittelten Durchflussmesswerte als Entscheidungskriterium, ob ein Umschalten in den Modus mit geringem Energieverbrauch erfolgen soll.
Der zweite Betriebsmodus, welcher sich mit Hilfe des Mikrofons realisieren lässt, dient der Diagnose des strömenden Messmediums. In diesem Diagnosemodus ermittelt das Mikrofon, ob sich aufgrund des Frequenzspektrums Strömungsstörungen, insbesondere Strömungswirbel, Partikel und/oder Luftblasen im Messmedium befinden. Ist dies der Fall so kann ein Hinweis erfolgen, dass die Strömung gestört ist. In einer weiterentwickelten Ausführungsvariante dieses zweiten Betriebsmodus können durch Vergleich des ermittelten Frequenzspektrums mit verschiedenen in einer Datenbank hinterlegten Referenzspektren ermittelt werden, um welche Art von Strömungsstörung es sich handelt. Diese Referenzspektren sind für verschiedene Messmedien hinterlegt. Luftblasen haben in Wasser z.B. ein anderen akustisches Referenzspektrum als Partikel.
Es ist sogar über die Quantifizierung einzelner Frequenzen möglich, eine Tendenz über den Umfang der Strömungsstörung zu ermitteln und diese Tendenz in Form eines Korrekturwerts bei dem ermittelten Durchfluss zu berücksichtigen.
Somit gelingt durch den Einsatz eines Mikrofons 15 in einem Durchflussmessgerat die Aufnahme eines Durchflussprofils mit welchem durch die Sensoreinheit ermittelte Durchfluss evaluiert und in einer bevorzugten Variante sogar korrigiert werden kann.
Die beiden Betriebsmodi, also der Energiesparmodus und der Diagnosemodus können jeweils einzeln in einem Durchflussmessgerat realisiert werden oder in Kombination.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zeigt ein metallisches Messrohr 2. Dadurch kann aber auch ein Kunststoffrohr anstelle eines Metallrohres mit Liner eingesetzt werden. Das entsprechende
Messrohr erfüllt zudem die für das Messprinzip notwendigen Anforderungen an die
Diffusionsdichtigkeit, mechanische Festigkeit und elektrische Isolierung, so dass fertige Messrohr keine Nachteile gegenüber anderen marktüblichen Messrohren für Durchflussmessgeräte aufweist. Bezugszeichen
1 Durchflussmessgerät
2 Rohr, insbesondere Messrohr
3 Liner
4 Flansch
5 Messmedium
6 Magnetsystem
7 Messelektrode
8 Mess- und Auswerteeinheit
9 Anschlussfläche
10 Mikrofon
1 1 Erdungselektrode (Ground)
12 Messverstärker
13 Multiplexer
14 Analog/Digitalwandler
15 Mikrofon
16 Signalleitung
A Messrohrachse
I erster Bereich (Sensor- und Steuereinheit)
II zweiter Bereich (Transmitter bzw. Mess- und Auswerteeinheit)

Claims

Patentansprüche
1 . Durchflussmessgerät (1 ) umfassend eine Sensoreinheit und eine Mess- und/oder
Auswerteeinheit (8) zur Ermittlung eines Volumendurchflusses, eines Massedurchflusses und/oder einer Fließgeschwindigkeit eines Messmediums (5) in einem Rohr (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussmessgerät (1 )
a) die Sensoreinheit zur Ermittlung des Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit des Messmediums aufweist, welche an oder in dem Rohr (2) angeordnet ist und
b) ein Mikrofon (10, 15) aufweist, welches an oder in dem Rohr (2) angeordnet ist.
2. Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der untere
Frequenzbereich bis zu welchem das Mikrofon Messwerte erfasst größer ist als 2,5 Hz und/oder dass der obere Frequenzbereich bis zu welchem das Mikrofon Messwerte erfasst kleiner ist als 130 Hz.
3. Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon (10, 15) über eine Signalleitung (16) zumindest ein akustisches Signal, insbesondere ein Frequenzspektrum, an die Mess- und/oder Auswerteeinheit (8) überträgt.
4. Verfahren zum Betreiben eines Durchflussmessgerätes (1 ) gemäß Anspruch 1 ,
umfassend zumindest einen Betriebsmodus für den energiesparenden Betrieb des Durchflussmessgerätes (1 ) mit zumindest zwei Untermodi, wobei
i) in einem ersten der zumindest zwei Untermodi die Ermittlung des
Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der
Fließgeschwindigkeit eines Messmediums mit einer ersten Abtastrate erfolgt, ii) in einem zweiten der zumindest zwei Untermodi die Ermittlung des
Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der
Fließgeschwindigkeit eines Messmediums mit einer zweiten Abtastrate erfolgt, wobei die zweite Abtastrate niedriger ist als die erste Abtastrate,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Umschalten von dem zweiten in den ersten Untermodus anhand eines durch das Mikrofon (10, 15) aufgenommenen akustischen Signals erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abtastrate Null ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten vom zweiten in den ersten Untermodus durch Abgleich des aufgenommenen akustischen Signals gegenüber ein Referenzsignal erfolgt und das Umschalten der
Unterbetriebsmodi erfolgt, sofern das akustische Signal von der Charakteristik des Referenzsignals abweicht.
7. Verwendung eines Mikrofons (10, 15) zur Steuerung des Energiebedarfs, insbesondere des kumulierten Energiebedafs, eines Durchflussmessgerätes (1 ).
8. Verfahren zum Betreiben eines Durchflussmessgerätes (1 ) gemäß Anspruch 1 ,
umfassend zumindest einen Betriebsmodus zur Detektion von Zustandsänderungen eines Messmediums (5) während, vor oder nach der Ermittlung des
Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit eines Messmediums (5) in einem Rohr (2) gekennzeichnet durch die folgenden Schritte i) Aufnehmen eines akustischen Frequenzspektrums durch das Mikrofon (10, 15) und
ii) Abgleich dieses aufgenommenen Frequenzspektrums mit einem
Referenzspektrum
iii) Ausgabe einer Zustandsmeldung bezogen auf die Volumendurchflusses-, Massedurchflusses- und/oder Fließgeschwindigkeitsermittlung, sofern das aufgenommene Frequenzspektrum von der Charakteristik des
Referenzspektrums abweicht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, dass
eine Quantifizierung der Abweichung des aufgenommenen Frequenzspektrums von der Charakteristik des Referenzspektrums unter Ermittlung eines Korrekturfaktors erfolgt, eine Korrektur des Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit unter Einbeziehung des Korrekturfaktors erfolgt.
10. Verwendung eines Mikrofons (10, 15) in einem Durchflussmessgerät (1 ) zur Ermittlung Zustandsänderung, insbesondere einer Messstörung eines Messmediums (5) in einem Rohr (2).
1 1. Verwendung eines Mikrofons (10, 15) zur Quantifizierung Zustandsänderung,
insbesondere einer Messstörung, und zur Kompensation eines ermittelten
Volumendurchflusses, des Massedurchflusses und/oder der Fließgeschwindigkeit eines Messmediums (5) in einem Rohr (2).
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