WO2022111941A1 - Verfahren zum bestimmen eines zustands eines coriolis-messgeräts - Google Patents

Verfahren zum bestimmen eines zustands eines coriolis-messgeräts Download PDF

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Rémy SCHERRER
Johan POHL
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Definitions

  • the invention relates to methods for determining a state of a Coriolis measuring device
  • Coriolis measuring devices such as those shown in DE102015120087A1, have measuring tubes through which a medium flows whose density or mass flow rate is to be measured. Measuring tube vibrations are generated by means of an exciter, which are detected by sensors, whereby measured values for density and mass flow can be derived from vibration properties.
  • the measuring tube vibrations generated by the exciter and the measuring signals generated by the sensors depend on the electrical and magnetic properties of the Coriolis measuring device, which, however, are not stable.
  • the object of the invention is to propose a method for determining a state of the Coriolis measuring device.
  • the Coriolis measuring device comprises at least the following: at least one measuring tube for guiding the medium; at least one exciter for generating measuring tube vibrations; at least two sensors for detecting the measuring tube vibrations; an electronic measuring/operating circuit for operating the exciter, for detecting measurement signals from the sensors and providing measured values of the measured variable, the exciter having at least one coil and at least one magnet, the coil and the magnet being activated by applying an electrical excitation voltage to the coil cause a relative movement to each other and thus generate a measuring tube vibration, wherein the coil has a coil inductance, wherein a magnetic environment of the coil has a magnetic effect on the coil, wherein a reference value of the magnetic effect is determined in a first method step, wherein an actual value of the magnetic effect is determined in a second method step, wherein in a third method step,
  • the statement on the condition is a feature from the following list:
  • the actual value is determined during a stable measuring tube oscillation.
  • the actual value is calculated during an unstable measuring tube oscillation from a ratio of an expected value of the imaginary part of an excitation impedance and an expected value of a measuring tube oscillation frequency, with the excitation impedance being formed from a ratio of an excitation voltage and an excitation current.
  • the presence of an asymmetry of the measuring tube vibration is checked and, if necessary, measured from the vibration amplitudes determined by the sensors and the vibration amplitude determined by means of the exciter.
  • FIG. 1 describes a structure of an exemplary Coriolis measuring device with an exemplary Coriolis measuring transducer; figs 2 a) and 2 b) outline arrangements of an exemplary exciter on at least one measuring tube;
  • Fig. 1 outlines the structure of an exemplary Coriolis measuring device 1 according to the invention with an exemplary Coriolis measuring sensor 15 according to the invention, the Coriolis measuring sensor being a vibration system with two measuring tubes 10 each with an inlet and an outlet, a carrier body 14 for carrying the measuring tubes, a Exciter 11, and two sensors 12 has.
  • the exciter is set up to excite the two measuring tubes to oscillate perpendicularly to a longitudinal measuring tube plane defined by the curved measuring tubes.
  • the sensors are set up to detect the vibration imposed on the measuring tubes.
  • the Coriolis sensor is connected to an electronics housing 80 of the Coriolis measuring device, which is set up to house an electronic measurement/operation circuit 13, which measurement/operation circuit is set up to operate the exciter and the sensors and based on to determine and provide flow measurement values and/or density measurement values measured by means of the sensors of the vibration properties of the measuring tube.
  • the exciter and the sensors are connected to the electronic measuring/operating circuit by means of electrical connections 19 .
  • the electrical connections 19 can each be combined by cable guides.
  • a medium located in the measuring tubes influences the vibrations of the measuring tubes depending, among other things, on a mass flow of the medium through the measuring tubes. By evaluating measurement signals generated by the sensors, measurement values for measurement variables of the medium, such as mass flow or density, can be determined.
  • a Coriolis measuring device is not limited to the presence of two measuring tubes.
  • the invention can thus be implemented in a Coriolis measuring device with any number of measuring tubes, for example also in a one-tube or four-tube measuring device in which the four-tube measuring device has two pairs of measuring tubes.
  • the measuring tubes can also be designed straight and, for example, be set up to carry out lateral or torsional vibrations.
  • FIG. 2a outlines an exemplary arrangement of an exciter of a Coriolis measuring device with two measuring tubes 10, the exciter 11 having a coil 11.1 and a magnet 11.2, with the coil and magnet each being arranged or attached to a measuring tube.
  • Fig. 2b outlines an exemplary arrangement of an exciter of a Coriolis measuring device with a measuring tube 10, in which the magnet 11.2 is arranged or attached to the measuring tube and the coil 11.1 is attached to a holder 11.4.
  • the magnet can also be attached to the holder and the coil to the measuring tube.
  • the coil is as shown in Figs.
  • An effect or inductance L of the coil on the measuring circuit is made up of a known self-inductance Ls and an effect Lu resulting from a magnetic interaction of the coil with an immediate environment, for example with a wall of the at least one measuring tube.
  • a connection between an excitation voltage U and an excitation current I can be described, for example, as follows:
  • FR(S) is a factor describing the response of the at least one measuring tube to the excitation current.
  • FR(S) is composed as follows:
  • FR(S) (A * E L 2 * N) / (1 + s / (U)R * Q) + s A 2 / w L 2) with A as the number of measuring tubes, E as the excitation efficiency, N as the compliance of at least one measuring tube, ÜJR as the resonant frequency of a fundamental mode of the at least one measuring tube, Q as the quality factor of the measuring tube and w as the excitation frequency.
  • E the excitation efficiency
  • N the compliance of at least one measuring tube
  • ÜJR the resonant frequency of a fundamental mode of the at least one measuring tube
  • Q the quality factor of the measuring tube
  • w excitation frequency
  • the flexibility is inversely proportional to a measuring tube stiffness, in particular a modal measuring tube stiffness.
  • Q describes a vibration quality of the measuring tube.
  • the vibration quality improves and Q increases the longer the decay time of a measuring tube excited to resonance frequency.
  • the resonant frequency is determined from the material used to manufacture the measuring tube, possibly the manufacturing process and geometric parameters of the measuring tube such as measuring tube diameter and wall thickness.
  • X(s) FR(S) * l(s) / A with X(s) as the mechanical deflection of a measuring tube in relation to a rest position without the effect of force.
  • a person skilled in the art can also take into account other influences such as, for example, a temperature dependency of R or possibly higher-order influences of the excitation current.
  • a statement about a state of the Coriolis measuring device is derived.
  • This can relate to the following, for example: aging of the magnetic environment.
  • a time profile of the actual value is included when comparing the actual value and the reference value. It is thus possible to differentiate the statement on the condition from the course. For example, a gradual change can indicate aging, for example an abrupt change can indicate a change in positioning.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Betreiben eines Coriolis-Messgeräts (1), wobei das Coriolis-Messgerät folgendes umfasst: mindestens ein Messrohr (10); mindestens einen Erreger (11); mindestens zwei Sensoren (12); eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (13) zum Betreiben des Erregers, zum Erfassen von Messsignalen der Sensoren und Bereitstellen von Messwerten der Messgröße, wobei der Erreger mindestens eine Spule (11.1) und mindestens einen Magnet (11.2) aufweist, wobei die Spule und der Magnet durch Anlegen einer elektrischen Anregespannung an die Spule eine Relativbewegung zueinander verursachen und somit eine Messrohrschwingung erzeugen, wobei die Spule eine Spuleninduktivität aufweist, wobei eine magnetische Umgebung (11.3) der Spule eine magnetische Wirkung auf die Spule aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt (101) ein Referenzwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (102) ein Istwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt (103) eine Aussage zum Zustand des Coriolis-Messgeräts abgeleitet wird.

Description

Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Coriolis-Messgeräts
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Coriolis- Messgeräts
Coriolis-Messgeräte wie beispielsweise in der DE102015120087A1 gezeigt, weisen Messrohre auf, durch welche ein Medium strömt, dessen Dichte bzw. Massedurchfluss gemessen werden soll. Mittels eines Erregers werden dabei Messrohrschwingungen erzeugt, welche von Sensoren erfasst werden, wobei aus Schwingungseigenschaften Messwerte für Dichte und Massedurchfluss hergeleitet werden können.
Die vom Erreger erzeugten Messrohrschwingungen sowie die von Sensoren erzeugten Messsignale sind von elektrischen sowie magnetischen Eigenschaften des Coriolis- Messgeräts abhängig, welche jedoch nicht stabil sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands des Coriolis-Messgeräts vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Coriolis-Messgeräts zum Erfassen von mindestens einer Messgröße eines Mediums umfasst das Coriolis-Messgerät zumindest folgendes: mindestens ein Messrohr zum Führen des Mediums; mindestens einen Erreger zum Erzeugen von Messrohrschwingungen; mindestens zwei Sensoren zum Erfassen der Messrohrschwingungen; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben des Erregers, zum Erfassen von Messsignalen der Sensoren und Bereitstellen von Messwerten der Messgröße, wobei der Erreger mindestens eine Spule und mindestens einen Magnet aufweist, wobei die Spule und der Magnet durch Anlegen einer elektrischen Anregespannung an die Spule eine Relativbewegung zueinander verursachen und somit eine Messrohrschwingung erzeugen, wobei die Spule eine Spuleninduktivität aufweist, wobei eine magnetische Umgebung der Spule eine magnetische Wirkung auf die Spule aufweist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Referenzwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt ein Istwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt aus dem Istwert eine Aussage zum Zustand des Coriolis-Messgeräts abgeleitet wird.
In einer Ausgestaltung ist die Aussage zum Zustand ein Merkmal aus folgender Liste ist:
Alterung der magnetischen Umgebung,
Änderung einer Positionierung der Spule und/oder des Magnets relativ zu einer Ausgangsposition auf einer Zeitskala größer als eine Sekunde.
In einer Ausgestaltung wird der Istwert während einer stabilen Messrohrschwingung bestimmt.
In einer Ausgestaltung wird der Istwert während einer instabilen Messrohrschwingung aus einem Verhältnis eines Erwartungswerts des Imaginärteils einer Erregerimpedanz und eines Erwartungswerts einer Messrohrschwingungsfrequenz berechnet, wobei die Erregerimpedanz aus einem Verhältnis einer Erregerspannung und einem Erregerstrom gebildet wird.
In einer Ausgestaltung wird aus von den Sensoren bestimmten Schwingungsamplituden und der mittels des Erregers bestimmten Schwingungsamplitude ein Vorliegen einer Asymmetrie der Messrohrschwingung überprüft und gegebenenfalls vermessen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Fig. 1 beschreibt einen Aufbau eines beispielhaften Coriolis-Messgeräts mit einem beispielhaften Coriolis-Messaufnehmer; Figs. 2 a) und 2 b) skizzieren Anordnungen eines beispielhaften Erregers an mindestens einem Messrohr;
Fig. 3 beschreibt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 1 skizziert den Aufbau eines beispielhaften erfindungsgemäßen Coriolis- Messgeräts 1 mit einem beispielhaften erfindungsgemäßen Coriolis-Messaufnehmer 15, wobei der Coriolis-Messaufnehmer ein Schwingungssystem mit zwei Messrohren 10 mit jeweils einem Einlauf und einem Auslauf, einen Trägerkörper 14 zum Tragen der Messrohre, einen Erreger 11, und zwei Sensoren 12 aufweist. Der Erreger ist dazu eingerichtet, die beiden Messrohre senkrecht zu einer jeweils durch die bogenförmig ausgestalteten Messrohre definierten Messrohrlängsebene zum Schwingen anzuregen. Die Sensoren sind dazu eingerichtet, die den Messrohren aufgeprägte Schwingung zu erfassen. Der Coriolis-Messaufnehmer ist mit einem Elektronikgehäuse 80 des Coriolis- Messgeräts verbunden, welches dazu eingerichtet ist, eine elektronische Mess- /Betriebsschaltung 13 zu behausen, welche Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, den Erreger sowie die Sensoren zu betrieben und auf Basis von mittels der Sensoren gemessenen Schwingungseigenschaften des Messrohrs Durchflussmesswerte und/oder Dichtemesswerte zu ermitteln und bereitzustellen. Der Erreger sowie die Sensoren sind mittels elektrischer Verbindungen 19 mit der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung verbunden. Die elektrischen Verbindungen 19 können jeweils durch Kabelführungen zusammengefasst sein. Ein in den Messrohren befindliches Medium beeinflusst unter anderem in Abhängigkeit von einem Massedurchfluss des Mediums durch die Messrohre die Schwingungen der Messrohre. Durch Auswertung von durch die Sensoren erzeugten Messsignalen können Messwerte zu Messgrößen des Mediums wie beispielsweise Massedurchfluss oder Diche bestimmt werden.
Ein erfindungsgemäßes Coriolis-Messgerät ist nicht auf das Vorhandensein zweier Messrohre beschränkt. So kann die Erfindung bei einem Coriolis-Messgerät mit beliebig vielen Messrohren, beispielsweise auch bei einem Einrohr- oder Vierrohr-Messgerät umgesetzt werden, bei welchem das Vierrohr-Messgerät zwei Messrohrpaare aufweist. Anders als hier gezeigt, können die Messrohre auch gerade ausgestaltet sein und beispielsweise dazu eingerichtet sein laterale oder torsionale Schwingungen durchzuführen.
Fig. 2 a) skizziert eine beispielhafte Anordnung eines Erregers eines Coriolis- Messgeräts mit zwei Messrohren 10, wobei der Erreger 11 eine Spule 11.1 und einen Magnet 11.2 aufweist, wobei Spule und Magnet jeweils an einem Messrohr angeordnet bzw. befestigt sind. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung werden über magnetische Kräfte zwischen Magnet und Spule Schwingungen der Messrohre gegeneinander erzeugt. Fig. 2 b) skizziert eine beispielhafte Anordnung eines Erregers eines Coriolis- Messgeräts mit einem Messrohr 10, bei welchem der Magnet 11.2 am Messrohr angeordnet bzw. befestigt ist und die Spule 11.1 an einer Halterung 11 .4 befestigt ist. Alternativ kann auch der Magnet an der Halterung und die Spule am Messrohr befestigt sein. Die Spule ist dabei wie in Figs. 2 a) und 2 b) gezeigt mittels elektrischer Leitungen 19 mit der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung verbunden, womit eine elektronische Messschaltung gebildet ist. Eine Wirkung bzw. Induktivität L der Spule auf die Messchaltung setzt sich zusammen aus einer bekannten Selbstinduktivität Ls und einer Wirkung Lu entstehend aus einer magnetischen Wechselwirkung der Spule mit einer unmittelbaren Umgebung, beispielsweise mit einer Wandung des mindestens einen Messrohrs.
Ein Zusammenhang zwischen einem Erregerspannung U und einem Erregerstrom I lässt sich dabei beispielsweise folgendermaßen beschreiben:
U(s) = R * l(s) + L * s * l(s) + FR(S) * s * l(s) = l(s) * (R + L * s + FR(S) * s), wobei R ein ohmscher Widerstand der Messschaltung, s = j * w mit j als komplexe
Einheit, und FR(S) ein Faktor ist, der die Reaktion des mindestens einen Messrohrs auf den Erregerstrom beschreibt.
FR(S) setzt sich dabei beispielsweise folgendermaßen zusammen:
FR(S) = (A * EL2 * N) / (1 + s / (U)R * Q) + sA2 / wL2) mit A als Anzahl der Messrohre, E als Erregereffizienz, N als Nachgiebigkeit des mindestens einen Messrohrs, ÜJR als Resonanzfrequenz einer Grundmode des mindestens einen Messrohrs, Q als Qualitätsfaktor des Messrohrs und w als Anregefrequenz. Für w = ÜJR gilt s = j * WR und somit FR(S) = - A * EL2 * N * j * Q.
Die Nachgiebigkeit ist dabei antiproportional zu einer Messrohrsteifigkeit, insbesondere einer modalen Messrohrsteifigkeit. Q beschreibt eine Schwingungsgüte des Messrohrs. Die Schwingungsgüte wird dabei besser und Q größer, je länger eine Abklingzeit eines auf Resonanzfrequenz angeregten Messrohrs ist. Die Resonanzfrequenz bestimmt sich dabei aus dem zur Herstellung des Messrohrs verwendeten Materials, gegebenenfalls dem Herstellungsverfahren sowie aus geometrischen Parametern des Messrohrs wie beispielsweise Messrohrdurchmesser und Wandstärke.
Es gilt dabei: X(s) = FR(S) * l(s) / A mit X(s) als mechanische Auslenkung eines Messrohrs bezüglich einer Ruheposition ohne Krafteinwirkung.
Ein Fachmann kann dabei auch weitere Einflüsse wie beispielsweise eine Temperaturabhängigkeit von R oder gegebenenfalls Einflüsse höherer Ordnung des Erregerstroms berücksichtigen.
Aus dem oben aufgeführten Zusammenhang lässt sich für den Fall, dass w = üjRgilt folgendes herleiten:
U(s) / l(s) = R + L * s + FR(S) * s = T(s) = R + L * j * ÜJR + A * EL2 * N * Q.
Daraus folgt, dass L = lm(T(j * ÜJR)) / ÜJR, also, dass die Wirkung L der Spule aus dem Imaginärteil der Impedanz U(s) / l(s) = T(s) bei w = ÜJR berechnet werden kann.
Aus der somit bestimmten Wirkung L kann aus der bekannten Selbstinduktivität Ls auf die Wirkung Lu der unmittelbaren Umgebung rückgeschlossen werden. Falls beispielsweise der Magnet oder die Umgebung altert und somit seine Wirkung ändert, kann dies über ein verändertes Lu erkannt werden. Fig. 3 beschreibt den Ablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens 100, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt 101 mittels der Erregerspannung U und dem Erregerstrom I ein Referenzwert der magnetischen Wirkung Lu der magnetischen Umgebung 11.3 bestimmt wird. In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird ein Istwert von Lu bestimmt, welcher anschließend mit dem Referenzwert verglichen wird.
In einem dritten Verfahrensschritt 103 wird eine Aussage zu einem Zustand des Coriolis-Messgeräts abgeleitet. Dies kann beispielsweise folgendes betreffen: eine Alterung der magnetischen Umgebung, In einer Ausgestaltung wird beim Vergleich von Istwert und Referenzwert ein zeitlicher Verlauf des Istwerts mit einbezogen. So ist aus dem Verlauf eine Differenzierung der Aussage zum Zustand möglich. Beispielsweise kann eine graduelle Änderung auf eine Alterung hindeuten, beispielsweise kann eine abrupte Änderung auf eine Änderung der Positionierung hindeuten.
Bezugszeichenliste
1 Coriolis-Messgerät
10 Messrohr
11 Erreger 11.1 Spule
11.2 Magnet
11.3 magnetische Umgebung
11.4 Halterung 12 Sensor 13 elektronische Mess-/Betriebsschaltung
14 Trägerkörper
15 Coriolis-Messaufnehmer 19 elektrische Leitungen 80 Elektronikgehäuse 100 Verfahren

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (100) Bestimmen eines Zustands eines Coriolis-Messgeräts (1) zum Erfassen von mindestens einer Messgröße eines Mediums, wobei das Coriolis-Messgerät folgendes umfasst: mindestens ein Messrohr (10) zum Führen des Mediums; mindestens einen Erreger (11) zum Erzeugen von Messrohrschwingungen; mindestens zwei Sensoren (12) zum Erfassen der Messrohrschwingungen; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (13) zum Betreiben des Erregers, zum Erfassen von Messsignalen der Sensoren und Bereitstellen von Messwerten der Messgröße, wobei der Erreger mindestens eine Spule (11.1) und mindestens einen Magnet (11.2) aufweist, wobei die Spule und der Magnet durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Spule eine Relativbewegung zueinander verursachen und somit eine Messrohrschwingung erzeugen, wobei die Spule eine Spuleninduktivität aufweist, wobei eine magnetische Umgebung (11.3) der Spule eine magnetische Wirkung auf die Spule aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt (101) ein Referenzwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (102) ein Istwert der magnetischen Wirkung bestimmt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt (103) aus dem Istwert eine Aussage zum Zustand des Coriolis-Messgeräts abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Aussage zum Zustand ein Merkmal aus folgender Liste ist: Alterung der magnetischen Umgebung (11.3),
Änderung einer Positionierung der Spule und/oder des Magnets relativ zu einer Ausgangsposition auf einer Zeitskala größer als eine Sekunde.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Istwert während einer stabilen Messrohrschwingung bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Istwert während einer instabilen Messrohrschwingung aus einem Verhältnis eines Erwartungswerts des Imaginärteils einer Erregerimpedanz und eines Erwartungswerts einer Messrohrschwingungsfrequenz berechnet wird, wobei die Erregerimpedanz aus einem Verhältnis einer Erregerspannung und einem Erregerstrom gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei aus von den Sensoren (12) bestimmten Schwingungsamplituden und einer mittels des Erregers (11) bestimmten Schwingungsamplitude ein Vorliegen einer Asymmetrie der Messrohrschwingung überprüft und gegebenenfalls vermessen wird.
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