DE102006039726A1

DE102006039726A1 - Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung des Q-Faktors bei Durchflussmessgeräten

Info

Publication number: DE102006039726A1
Application number: DE102006039726A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Kassubek; Günter Petri; Jörg Dr. rer. nat. Gebhardt; Lothar Deppe; Rene Dr. rer. nat. Friedrichs; Steffen Dr. KELLER
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: US20080047362A1; DE102006039726B4

Abstract

Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung des Q-Faktors bei einem Durchflussmessgerät (1), mit einer an einem Messrohr (2) anbringbaren Erregereinheit (3) zur Erzeugung einer gleichförmigen Schwingbewegung und einer Sensoreinheit (4) zum Messen der strömungsbeeinflussten Schwingbewegung des Messrohres (2), deren Messwert eine nachgeschaltete Auswerteeinheit (5) zur Bestimmung des gewünschten Durchflussparameters sowie des Q-Faktors nach Maßgabe eines hinterlegten Rechenalgorithmus analysiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Ermittlung des Q-Faktors bei einem Durchflussmessgerät, insbesondere bei einem Coriolis-Durchflussmesser, dessen messmediumdurchströmtes Messrohr über mindestens eine eine gleichförmige Schwingbewegung erzeugende Erregereinheit angeregt wird, deren strömungsbeeinflusste Schwingbewegung über mindestens eine Sensoreinheit erfasst und anschließend mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung des gewünschten Durchflussparameters analysiert wird, wobei zu Diagnosezwecken zusätzlich der Q-Faktor rechentechnisch bestimmt wird.
Der Q-Faktor, auch bezeichnet als Gütefaktor, ist ein Maß für bestimmte Eigenschaften eines schwingenden Systems und wird vorwiegend im Bereich der Elektrotechnik im Zusammenhang mit Schwingkreisen oder der Mechanik bei mechanischen Schwingsystemen genutzt. Der Kehrwert des Gütefaktors Q wird als Verlustfaktor d bezeichnet. Diagnostisch wird der Zusammenhang derart genutzt, dass bei einem schwach gedämpft schwingenden System von einem System hoher Güte, also mit einem großen Q-Faktor, ausgegangen wird. Ein Q-Faktor von 0,5 entspricht in der Physik dem aperiodischen Grenzfall.
Durch folgende Energiebetrachtung bei einem schwingenden System lässt sich der Q-Faktor bestimmen (angenommen wird, dass das System in der Eigenresonanz omega_0 (Eigenfrequenz des ungedämpften Systems) schwingt):
Auf dem technischen Gebiet der Durchflussmesstechnik, bei denen Durchflussmesser mechanische Schwingsysteme bilden, wird der Q-Faktor als Betriebsparameter bei der Bestimmung von Massendurchfluss, Dichte und/oder Viskosität herangezogen. Dies erfolgt beispielsweise, um Dämpfungsprobleme bei Durchflussmessgeräten in Folge von zunehmenden Ablagerungen im Messrohr zu lösen. Eine Änderung des Q-Faktors kann zur Korrektur der Messwerte für Dichte oder Durchfluss benutzt werden.. Insoweit wird der Q-Faktor zur Kalibrierung des Durchflussmessgeräts genutzt.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik auf dem Gebiet von Durchflussmessgeräten sind Verfahren zur Bestimmung des Q-Faktors bekannt, welcher das Verhältnis von Resonanzfrequenz zu Bandbreite nutzen. Diese Eingangswerte lassen sich jedoch nur recht aufwendig aus den gemessenen Schwingungsverläufen ermitteln.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Ermittlung des Q-Faktors bei einem Durchflussmessgerät zu schaffen, mit welchem/welcher eine hinreichend genaue Bestimmung des Q-Faktors in rechentechnisch einfacher Weise möglich ist.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 2 durch die jeweils kennzeichnenden Merkmale gelöst. Einrichtungstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 6 gelöst. Anspruch 10 gibt ein geeignetes Computerprogrammprodukt zur rechentechnischen Durchführung des Verfahrens an.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur Bestimmung des Q-Faktors das Verhältnis zwischen Schwingungsamplitude und Schwingkraft des Messrohres gemessen wird, wobei der Q-Faktor aus dem Verhältnis von statischer und dynamischer Auslenkung berechnet wird.
Alternativ hierzu lässt sich die der Erfindung zu Grund liegende Aufgabe auch dadurch lösen, dass zur Bestimmung des Q-Faktors die Phasenlage zwischen Antriebskraft und Systemgeschwindigkeit ermittelt wird, wobei über einen Frequenzänderungsalgorithmus charakteristische Änderungen der internen Phasenlage bestimmt werden, um hieraus den Q-Faktor direkt zu berechnen.
Der Vorteil beider alternativen Lösungsvarianten liegt insbesondere darin, dass sich die hierin zum Ausdruck kommenden rechentechnischen Schritte auf einfache Weise gerätetechnisch umsetzen lassen. Hierzu sind die erfindungsgegenständlichen Verfahrensalternativen vorzugsweise durch ein Computerprogrammprodukt verkörpert, das eine Routine zur Bestimmung des Q-Faktors durch entsprechende in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle umsetzt. Diese Software ist vorzugsweise lauffähig auf einem Mikroprozessor einer zugeordneten elektronischen Einrichtung mit einer an einem Messrohr eines Durchflussmessers anbringbaren Erregereinheit zur Erzeugung einer gleichförmigen Schwingbewegung und einer Sensoreinheit zum Messen der strömungsbeeinflussenden Schwingbewegung des Messrohres, deren Messwerte eine nachgeschaltete Auswerteeinheit zur Bestimmung des gewünschten Durchflussparameters sowie des Q-Faktors nach Maßgabe eines hinterlegten Rechenalgorithmus analysiert.
Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit eine Speichereinheit zum Abspeichern von jeweils mit Zeitstempeln versehenen Q-Faktoren aufweist. Zu Lebenszeitbeginn des Durchflussmessgeräts lässt sich der anfängliche Q-Faktor innerhalb dieser Speichereinheit abspeichern, wobei außerdem in definierten nachfolgenden Zeitabständen während der Lebenszeit des Durchflussmessgeräts weitere Q-Faktoren mit zugeordnetem Zeitstempel abgespeichert werden, um die so gewonnene Zeitreihe zu Diagnosezwecken auszuwerten. Durch diese Maßnahme lässt sich eine unerwünschte Änderung, meist eine Reduzierung des Q-Faktors, welche auf einen internen Systemfehler hindeutet, diagnostizieren, so dass bei Erreichen eines bestimmten Grenzwertes Wartungs- oder Reparaturmaßnahmen eingeleitet werden können. So kann beispielsweise rechtzeitig ein Austausch eines Messrohres bei zunehmendem Verschleiß oder Zusetzen oder andere geeignete Maßnahmen eingeleitet werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, den Q-Faktor bei Durchflussmessgeräten zum Testen der geometrischen Symmetrie des Messrohres zwecks Qualitätskontrolle nach der Herstellung heranzuziehen. Hierdurch lässt sich ein neu hergestelltes Durchflussmessgerät ein einfacher Weise kalibrieren.
Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernde Maßnahme wird vorgeschlagen, dass Änderungen des Q-Faktors während der Lebenszeit des Durchflussmessgeräts über eine Monitoringeinheit zu Überwachungszwecken dem Bedienpersonal angezeigt werden, um aufgrund einer ungewöhnlichen Reduzierung des Q-Faktors auf einen Systemsfehler schließen zu können. Neben der direkten Anzeige des Q-Faktors oder einen diesen symbolisierenden Wert oder Piktogramm auf einer Monitoringeinheit direkt am Durchflussmessgerät ist es auch denkbar, diese Information über ein Kommunikationsnetzwerk zu einer zentralen Monitoringeinheit eines übergeordneten Steuerungssystems weiterzuleiten oder dort rechentechnisch weiterzuverarbeiten.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung beider erfindungsgegenständlichen Verfahrensalternativen zur Ermittlung des Q-Faktors bei einem Durchflussmessgerät.
Gemäß Figur weist ein Durchflussmessgerät 1, hier ein Coriolis-Durchflussmesser, ein Messrohr 2 auf, welches in an sich bekannter Weise von einem fließfähigen Messstoff durchströmt ist. Das Messrohr 2 wird über eine Erregereinheit 3 in gleichförmige Schwingbewegung versetzt, hier in eine Sinusschwingung. Diese gleichförmige Schwingbewegung wird durch die Strömung des Messmediums innerhalb des Messrohres 2 beeinflusst und das sich hieraus ergebende Schwingungssignal wird über eine am Messrohr 2 angeordnete Sensoreinheit 4 erfasst, welche hier zwecks Erzielung einer hohen Signalgüte als Mittlerer Sensor bezüglich des Messrohres 2 ausgebildet ist. Die von der Sensoreinheit 4 erfasste Schwingbewegung des Messrohres 2 wird in Form eines elektronischen Signals einer elektronischen Auswerteeinheit 5 eingangsseitig zu Verfügung gestellt.
Die Auswerteeinheit 5 dient in erster Linie der Bestimmung des gewünschten Durchflussparameters, hier des Massendurchflusses des Strömungsmediums durch das Messrohr 2.
Daneben dient die Auswerteeinheit 5 auch der Bestimmung des Q-Faktors des mechanischen Schwingsystems, welcher zu Diagnosezwecken herangezogen wird. Zu diesem Zwecke beinhaltet die Auswerteeinheit 5 hardwaretechnisch einen Mikroprozessor, welcher entsprechende, in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle zu dem angegebenen Zweck umsetzt.
In diesem Sinne lässt sich gemäß einer ersten Alternative der Q-Faktor durch Bestimmung des Verhältnisses zwischen Schwingungsamplitude und Schwingungskraft des Messrohres 2 ermitteln, wobei der Q-Faktor aus dem Verhältnis von statischer und dynamischer Auslenkung berechnet wird. Gemäß einer zweiten Alternative lässt sich der Q-Faktor auch aus der Phasenlage zwischen Antriebskraft und Systemgeschwindigkeit ermitteln, wobei über einen Frequenzänderungsalgorithmus charakteristische Änderungen der internen Phasenlage bestimmt wird, woraus sich direkt der Q-Faktor berechnen lässt.
Die Auswerteeinheit 5 umfasst eine Speichereinheit 6, auf der unter anderem der Q-Faktor zu Lebenszeitbeginn des Durchflussmessgeräts 1 abgespeichert ist. Außerdem wird der Q-Faktor während der Lebenszeit des Durchflussmessgeräts 1 mit den jeweils zugeordneten Zeitstempeln hierin abgespeichert, um die so gewonnene Zeitreihe zu Diagnosezwecken auszuwerten.
Der Auswerteeinheit 5 ist eine Monitoringeinheit 7 nachgeschaltet. Die Monitoringeinheit 7 dient zu Überwachungszwecken für den aktuell bestimmten Q-Faktor. Dieser wird so dem Bedienpersonal vor Ort angezeigt, so dass sich aufgrund einer ungewöhnlichen Reduzierung des Q-Faktors auf ein Systemfehler schließen lässt, um diesen dann durch geeignete Wartungs- oder Reparaturmaßnahmen beheben zu können.

1: Durchflussmessgerät
2: Messrohr
3: Erregereinheit
4: Sensoreinheit
5: Auswerteeinheit
6: Speichereinheit
7: Monitoringeinheit

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Q-Faktors bei einem Messgerät (1), insbesondere einem Durchflussmessgerät, insbesondere bei einem Coriolis-Durchflussmesser, dessen messmediumdurchströmtes Messrohr (2) über mindestens eine eine Schwingbewegung erzeugende Erregereinheit (3) angeregt wird, deren strömungsbeeinflusste Schwingbewegung über mindestens eine Sensoreinheit (4) erfasst und anschließend mit einer Auswerteeinheit (5) zur Bestimmung des gewünschten Durchflussparameters analysiert wird, wobei zu Diagnosezwecken auch ein Q-Faktor rechentechnisch bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Q-Faktors das Verhältnis zwischen Schwingungsamplitude und Schwingkraft des Messrohres (2) gemessen wird, wobei der Q-Faktor aus dem Verhältnis von statischer und dynamischer Auslenkung berechnet wird.
Verfahren zur Ermittlung des Q-Faktors bei einem Durchflussmessgerät (1), insbesondere bei einem Coriolis-Durchflussmesser, dessen messmediumdurchströmtes Messrohr (2) über mindestens eine eine Schwingbewegung erzeugende Erregereinheit (3) angeregt wird, deren strömungsbeeinflusste Schwingbewegung über mindestens eine Sensoreinheit (4) erfasst dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Q-Faktors die Phasenlage zwischen Antriebskraft und Systemgeschwindigkeit am Messrohres (2) ermittelt wird, wobei über einen Frequenzänderungsalgorithmus charakteristische Änderungen der internen Phasenlage bestimmt werden, um hieraus den Q-Faktor direkt zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Q-Faktor zum Testen der geometrischen Symmetrie des Messrohres (2) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Q-Faktor zu Lebenszeitbeginn des Durchflussmessgeräts (1) innerhalb einer Speichereinheit (6) der Auswerteeinheit (5) abgespeichert wird, und außerdem in definierten Zeitabständen während der Lebenszeit des Durchflussmessgeräts (1) hierin abgespeichert wird, um die so gewonnene Zeitreihe zu Diagnosezwecken auszuwerten.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen des Q-Faktors während der Lebenszeit des Durchflussmessgerätes (1) über eine Monitoringeinheit (7) zu Überwachungszwecken dem Bedienpersonal angezeigt werden, um aufgrund einer ungewöhnlichen Reduzierung des Q-Faktors auf einen Systemfehler schließen zu können.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer an einem Messrohr (2) eines Durchflussmessers (1) anbringbaren Erregereinheit (3) zur Erzeugung einer gleichförmigen Schwingbewegung und einer Sensoreinheit (4) zum Messen der strömungsbeeinflussten Schwingbewegung des Messrohres (2), deren Messwert eine nachgeschaltete Auswerteeinheit (5) zur Bestimmung des gewünschten Durchflussparameters sowie des Q-Faktors nach Maßgabe eines hinterlegten Rechenalgorithmus analysiert.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) eine Speichereinheit (6) zum Abspeichern von jeweils mit Zeitstempeln versehenen Q-Faktoren aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) mit einer Monitoringeinheit (7) zu Überwachungszwecken für den aktuell bestimmten Q-Faktor ausgestattet ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (4) als Mittelsensor bezüglich des Messrohres (2) ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt für eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 welche nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 betreibbar ist, wobei die Routine zur Bestimmung des Q-Faktors durch entsprechende in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle umgesetzt ist.