DE10131858A1

DE10131858A1 - Coriolis flow rate sensor interpolates Fourier components

Info

Publication number: DE10131858A1
Application number: DE2001131858
Authority: DE
Inventors: Christian Matt
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2001-06-30
Filing date: 2001-06-30
Publication date: 2003-01-23

Abstract

A Coriolis flow rate sensor uses interpolation of Fourier components to calculate phase shifts of filtered signals from two sensors (17, 18) at the oscillating tube (4) excitation (16) frequency.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis Massedurchflussmessers. The invention relates to a method for determining the Mass flow of a Coriolis mass flow meter.

Coriolis-Massedurchflussmesser werden vielfach in der Prozessautomatisierungstechnik zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Fluids in einem Rohrleitungsabschnitt eingesetzt. Hierbei wird ein Messrohr in dem das Fluid fließt in Schwingung versetzt. Durch das strömende Fluid wird die Schwingungsbewegung des Messrohrs beeinflußt. Die Schwingungsbewegung wird normalerweise mit Hilfe von zwei Schwingungssensoren erfaßt. Die Sensorsignale werden in einer Mess- und Betriebsschaltung ausgewertet. Sie weisen die gleiche Frequenz wie die Rohrschwingung des Messrohrs auf, sie sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Phasenverschiebung ist ein Maß für den Massedurchfluss des Fluids im Meßrohr. In der Mess- und Betriebsschaltung werden die Sensorsignale ausgewertet und ihre Phasenverschiebung bestimmt. Coriolis mass flow meters are widely used in the Process automation technology for determining mass flow of a fluid used in a pipe section. Here is a Measuring tube in which the fluid flows vibrates. By the flowing fluid affects the vibratory movement of the measuring tube. The vibratory motion is usually accomplished with the help of two Vibration sensors detected. The sensor signals are in a measurement and Operating circuit evaluated. They have the same frequency as that Tube vibration of the measuring tube, but they are against each other phase. The phase shift is a measure of that Mass flow of the fluid in the measuring tube. In the measuring and operating circuit the sensor signals are evaluated and their phase shift certainly.

Messrohr und Fluid bilden zusammen ein schwingungsfähiges System. Das normalerweise auf seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Die Resonanzfrequenz hängt einerseits vom Material des Messrohrs und andererseits von der Dichte des Fluids ab. Es gibt auch Anwendungen, wo die Anregung nicht auf der Resonanzfrequenz erfolgt, sondern auf einer zur Resonanzfrequenz benachbarten Frequenz. The measuring tube and fluid together form an oscillatory system. The is normally excited at its resonance frequency. The resonance frequency depends on the material of the measuring tube and on the other hand it depends on the density of the fluid. There are also applications where the suggestion is not on the Resonance frequency takes place, but on a to the resonance frequency neighboring frequency.

Neben dem Massedurchfluss können auch weitere Eigenschaften des strömenden Fluids wie z. B. seine Dichte bestimmt werden. Hierzu wird die Schwingungsfrequenz des Messrohrs ausgewertet. In addition to the mass flow, other properties of the flowing fluids such. B. its density can be determined. For this, the Vibration frequency of the measuring tube evaluated.

In der US-A 4801897 ist eine Erreger-Teilschaltung beschrieben, die nach Art einer analogen Phase-Lock-Loop-Regelung aufgebaut ist. Die Erregerfrequenz stellt sich dabei auch bei veränderlicher Fluiddichte automatisch auf die Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Systems ein. Bekannten Mess-Schaltungen arbeiten entweder analog wie z. B. in der EP- A 698 783 bzw. der US-A 4895030 oder digital wie z. B. in der EP-A 702 212 bzw. der US A 54 29 002 beschrieben. In US-A 4801897 an exciter subcircuit is described, which according to Art an analog phase lock loop control is set up. The Excitation frequency arises even with variable fluid density automatically tunes to the resonant frequency of the vibrating system. Known measuring circuits either work analogously to e.g. B. in the EP A 698 783 or US-A 4895030 or digital such. B. in EP-A 702 212 or the US A 54 29 002 described.

Aus der EP-A 698 783 ist eine Messschaltung beschrieben, die einen analogen Regelkreis aufweist, der die beiden Sensorsignale auf gleiche Amplitude regelt. From EP-A 698 783 a measuring circuit is described, the one has an analog control circuit that the two sensor signals to the same Amplitude controls.

Aus der EP A 866 319 ist eine weiter Mess- und Betriebsschaltung bekannt. Bei dieser Schaltung werden die beiden Sensorsignale vor der Weiterverarbeitung verstärkt, wobei ein Verstärkungsfaktor eines Verstärkers variabel ist. A further measuring and operating circuit is known from EP A 866 319. With this circuit, the two sensor signals are in front of the Further processing amplified, being a gain factor of an amplifier is variable.

In einem Digitalprozessor werden die Summe und die Differenz der beiden Sensorsignale sowie eines der Sensorsignale ausgewertet. In a digital processor, the sum and the difference of the two Sensor signals and one of the sensor signals evaluated.

Für die Genauigkeit der Messung ist es wesentlich, daß die beiden Sensorsignale nach ihrer Verstärkung gleiche Amplitude besitzen. Die hierfür benötigte Amplitudenregelung wertet die Summe und die Differenz der beiden Sensorsignale aus. For the accuracy of the measurement, it is essential that the two Sensor signals have the same amplitude after their amplification. The one for this The required amplitude control evaluates the sum and the difference between the two Sensor signals off.

Aus der US-4 996 871 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis-Massedurchflussmessers bekannt, bei dem die beiden Sensorsignale einer digitalen Fourier-Transformation unterworfen werden und die Phasenwinkel der jeweiligen Fourier-Komponenten nahe der Anregungsfrequenz der Rohrschwingung bestimmt werden. From US-4 996 871 a method for determining the Mass flow of a Coriolis mass flow meter is known in which the two sensor signals are subjected to a digital Fourier transformation and the phase angles of the respective Fourier components are close to the Excitation frequency of the pipe vibration can be determined.

Nachteilig an diesem Verfahren ist es, daß aufgrund der diskreten Fourier- Transformation, die jeweiligen Fourier-Komponenten nicht exakt auf der Anregungsfrequenz bestimmt werden können, sondern nur in der Nähe der Anregungsfrequenz. Je größer die Frequenzintervalle der diskreten Fourier- Transformation sind, desto größer ist normalerweise die Abweichung zwischen der Frequenz an der die Fourier-Komponenten bestimmt werden und der tatsächlichen Anregungsfrequenz. A disadvantage of this method is that due to the discrete Fourier Transformation, the respective Fourier components are not exactly on the Excitation frequency can be determined, but only in the vicinity of the Excitation frequency. The larger the frequency intervals of the discrete Fourier Transformation, the larger the deviation is usually between the frequency at which the Fourier components are determined and the actual excitation frequency.

Diese Abweichung bewirkt einen Fehler in der Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Sensorsignalen und damit auch einen Fehler in der Bestimmung des Massedurchflusses. This deviation causes an error in the determination of the Phase shift between the two sensor signals and thus also an error in the determination of the mass flow.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Coriolis Massedurchflussmessers vorzuschlagen, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist und das einfach sowie kostengünstig realisierbar ist. The invention has for its object a method for determining the Propose mass flow of a Coriolis mass flow meter, that does not have the disadvantages mentioned above and that is simple as well is inexpensive to implement.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. This object is achieved by a method according to claim 1.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, daß die Phasenverschiebung nicht nur mit Hilfe einer speziellen Fourier-Komponenete bestimmt wird, sondern bei mehreren Fourier-Komponenten zu Frequenzen, die zu der Anregungsrequenz benachbart sind. The essential idea of the invention is that the Phase shift not only with the help of a special Fourier component is determined, but for several Fourier components to frequencies, that are adjacent to the excitation frequency.

Gemäß Anspruch 1 werden zwei Fourier-Komponenten bestimmt und die Phasenverschiebung bei der Anregungsfrequenz durch lineare Interpolation gewonnen. According to claim 1, two Fourier components are determined and the Phase shift at the excitation frequency through linear interpolation won.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous further developments of the invention are in the subclaims specified.

Gemäß Anspruch 2 werden mehrer Fourier-Komponenten bestimmt und die Phasenverschiebung bei der Anregungsfrequenz über einen Polynom-Fit ermittelt. Dadurch kann der Fehler bei der Bestimmung des Massedurchflusses weiter verringert werden. According to claim 2, several Fourier components are determined and the Phase shift at the excitation frequency via a polynomial fit determined. This can cause the error in determining the Mass flow can be further reduced.

In vorteilhafter Weise werden die digitalisierten Sensorsignale gemäß Anspruch 3 vor der eigentlichen Signalauswertung mit Hilfe eines Bandpasses gefiltert um Aliasingeffekte zu minimieren. The digitized sensor signals are advantageously in accordance with Claim 3 before the actual signal evaluation with the help of a band pass filtered to minimize aliasing effects.

Anstatt eines Bandpasses ist auch ein Tiefpassfilter denkbar. Instead of a bandpass, a lowpass filter is also conceivable.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt The invention is described below with reference to one of the drawings illustrated embodiment explained in more detail. It shows

Fig. 1 Messaufnehmer eines Coriolis-Massedurchflußmessers in schematischer Darstellung, Fig. 1 sensor of a Coriolis mass flow meter in a schematic representation;

Fig. 2 Blockschaltbild einer Mess- und Betriebsschaltung für einen Coriolis- Massedurchflußmessers Fig. 2 block diagram of a measuring and operating circuit for a Coriolis mass flow meter

Fig. 3 Diagramm der Phasenverschiebung über der Frequenz Fig. 3 diagram of the phase shift over the frequency

In Fig. 1 ist ein Messaufnehmer 1 für einen Coriolis-Massedurchflußmesser in schematischer Darstellung gezeigt. Der Messaufnehmer 1 ist in einer nicht dargestellten Rohrleitung angeordnet in der ein Fluid F strömt, dessen Massedurchfluss eine der interessierenden Grössen ist. Die Verbindung mit der Rohrleitung erfolgt über die beiden Flansche 2, 3. In Fig. 1, a sensor 1 for a Coriolis mass flow meter is shown in a schematic representation. The sensor 1 is arranged in a pipe, not shown, in which a fluid F flows, the mass flow rate of which is one of the variables of interest. The connection to the pipeline is made via the two flanges 2 , 3 .

Der Messaufnehmer 1 weist ein einziges gerades Messrohr 4 auf, das einlaßseitig über eine Endplatte 13 am Flansch 2 und auslaßseitig über eine Endplatte 14 am Flansch 3 fixiert ist. The sensor 1 has a single straight measuring tube 4 , which is fixed on the inlet side via an end plate 13 to the flange 2 and on the outlet side via an end plate 14 on the flange 3 .

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf diesen speziellen Messaufnehmer 1 mit einem einzigen geraden Messrohr beschränkt. Es kann auch in Verbindung mit weiteren bekannten Messaufnehmern eingesetzt werden. Zu erwähnen sind z. B. Messaufnehmer mit einem Messrohr mit Auslegermasse, wie z. B. in der EP 97 81 0559 beschrieben, Messaufnehmer mit einem gebogenen Messrohr (EP 96 10 9242) sowie Messaufnehmer mit zwei parallelen geraden oder gebogenen Messrohren (US 4793191 bzw. US 41 27 028). The method according to the invention is not restricted to this special measuring sensor 1 with a single straight measuring tube. It can also be used in conjunction with other known sensors. To mention are z. B. Sensor with a measuring tube with cantilever mass, such as. B. described in EP 97 81 0559, sensor with a curved measuring tube (EP 96 10 9242) and sensor with two parallel straight or curved measuring tubes (US 4793191 or US 41 27 028).

Die Flansche 2, 3 und die Endplatten sind an oder in einem Trägerrohr 15 befestigt. The flanges 2 , 3 and the end plates are attached to or in a support tube 15 .

Zur Erzeugung der Messrohrschwingung ist in der Mitte zwischen den beiden Endplatten 13, 14 am Messrohr 4 ein Schwingungserreger 16 angeordnet. Bei dem Schwingungserreger 16 kann es sich z. B. um einen elektromagnetischen Antrieb bestehend aus einem Permanentmagnet 161 und einer Spule 162 handeln. To generate the measuring tube vibration, a vibration exciter 16 is arranged in the middle between the two end plates 13 , 14 on the measuring tube 4 . In the vibration exciter 16 , it can be such. B. an electromagnetic drive consisting of a permanent magnet 161 and a coil 162 .

Die Spule 162 ist am Tragrohr 15 und der Permanentmagnet 161 am Messrohr 4 fixiert. The coil 162 is fixed on the support tube 15 and the permanent magnet 161 on the measuring tube 4 .

Über den in der Spule 162 fließenden Strom läßt sich die Amplitude und die Frequenz der Biegeschwingung des Messrohrs 4, die in der Zeichenebene verläuft, steuern. The amplitude and frequency of the bending vibration of the measuring tube 4 , which runs in the plane of the drawing, can be controlled via the current flowing in the coil 162 .

In der Zeichenebene treten auch die Corioliskräfte auf, die bewirken, daß nicht mehr alle Punkte entlang des Messrohrs 4 in Phase schwingen. Die Schwingungsbewegung des Messrohrs 4 wird mit Hilfe zweier Schwingungssensoren 17 bzw. 18, die etwa symmetrisch zum Schwingungserrereger 16, ebenfalls am Tragrohr 15 angeordnet sind, aufgenommen. Bei den Schwingungssensoren 17 bzw. 18 kann es sich z. B. um elektromagnetische Wandler handeln, die ähnlich der Anordnung Permanentmagnet-Spule des Schwingungserregers 16 aufgebaut sind. The Coriolis forces also occur in the plane of the drawing, which cause all points along the measuring tube 4 to no longer oscillate in phase. The vibration movement of the measuring tube 4 is recorded with the aid of two vibration sensors 17 and 18 , which are arranged approximately symmetrically to the vibration exciter 16 , also on the support tube 15 . In the vibration sensors 17 and 18 , it can be, for. B. are electromagnetic transducers, which are constructed similar to the arrangement of the permanent magnet coil of the vibration exciter 16 .

Die beiden Permanentmagnet 171, 181 sind am Messrohr 4 und die beiden Spulen 172, 182 am Tragrohr 15 fixiert. Die Bewegung des Messrohrs 4 bewirkt über die Magnete 171, 181 eine Induktionsspannung in der jeweiligen Spule 172, 182, die als analoges Sensorsignal X17 bzw. X18 abgegriffen wird. The two permanent magnets 171 , 181 are fixed on the measuring tube 4 and the two coils 172 , 182 on the support tube 15 . The movement of the measuring tube 4 causes an induction voltage in the respective coil 172 , 182 via the magnets 171 , 181 , which is picked up as an analog sensor signal X17 or X18.

Fig. 2 zeigt die Mess- und Betriebsschaltung als Blockschaltbild. Fig. 2 shows the measuring and operating circuit as a block diagram.

Die Schwingungssensoren 17, 18 sind jeweils mit zwei Verstärkern V1, V2 verbunden, denen jeweils ein analog-digital Wandler A/D1, A/D2 nachgeschaltet ist. Die beiden Wandler A/D1 bzw. A/D2 sind jeweils mit je einem Eingang eines digitalen Signalprozessors DSP verbunden. The vibration sensors 17 , 18 are each connected to two amplifiers V1, V2, each of which is followed by an analog-digital converter A / D1, A / D2. The two converters A / D1 and A / D2 are each connected to an input of a digital signal processor DSP.

Ein Ausgang A3 des digitalen Signalprozessors DSP ist über einen D/A- Wandler D/A3 mit einem U/I-Wandler U/I3 verbunden. Der U/I-Wandler U/I3 liefert das Erregersignal für den Schwingungserreger 16. An output A3 of the digital signal processor DSP is connected to a U / I converter U / I3 via a D / A converter D / A3. The U / I converter U / I3 supplies the excitation signal for the vibration exciter 16 .

Nachfolgend ist die Signalverarbeitung der beiden Sensorsignale X17, X18 näher erläutert. The following is the signal processing of the two sensor signals X17, X18 explained in more detail.

Die beiden Sensorsignale X17, X18 werden in den Verstärkern V1 bzw. V2 verstärkt und in den analog/digital Wandern A/D1 bzw. A/D2 in digitale Sensorsignale S1 bzw. S2 umgewandelt. The two sensor signals X17, X18 are in the amplifiers V1 and V2 reinforced and in the analog / digital hiking A / D1 or A / D2 in digital Sensor signals S1 or S2 converted.

Die digitalen Sensorsignale S1 bzw. S2 werden im digitalen Signalprozessor DSP weiter verarbeitet. The digital sensor signals S1 and S2 are in the digital signal processor DSP processed further.

Zuerst werden die beiden Signale S1, S2 mit einem identischen Bandpassfilter BP gefiltert. Durch die Filterung werden Frequenzen diskriminiert, die bei der weiteren Signalverarbeitung Aliasingeffekte verursachen können. Der Bandpassfilter kann auch als Tiefpassfilter ausgeführt sein. First, the two signals S1, S2 are identical Bandpass filter BP filtered. Filtering turns frequencies discriminated, the aliasing effects in further signal processing can cause. The band pass filter can also act as a low pass filter be executed.

Für die Bestimmung der Phasenverschiebung dφ der beiden Sensorsignale S1, S2 werden jeweils N Signalwerte im zeitlichen Abstand, der Abtastzeit Ta, abgespeichert. For the determination of the phase shift dφ of the two sensor signals S1, S2 are N signal values at intervals, the sampling time Ta, saved.

Aus der Anregungsfrequenz f und der Abtastzeit Ta werden diejenigen Frequenzen fi ausgewählt, für die die Fourier-Komponenten bestimmt werden. Im einfachsten Fall sind dies gerade die oberhalb und unterhalb der Anregungsfrequenz f gelegenen Stützstellen f1, f2 im Frequenzspektrum. The excitation frequency f and the sampling time Ta become those Frequencies fi selected for which the Fourier components are determined. In the simplest case, these are just above and below the Excitation frequency f support points f1, f2 in the frequency spectrum.

Die entsprechenden Fourier-Komponenten zu den zwei Frequenzen f1, f2 werden bestimmt und ausgewertet. The corresponding Fourier components for the two frequencies f1, f2 are determined and evaluated.

Die Frequenz f liegt somit im Intervall zwischen f1 und f2. Der Frequenzabstand zwischen f1 und f2 entspricht der Auflösung der diskreten Fourier-Transformation. The frequency f is therefore in the interval between f1 and f2. The Frequency distance between f1 and f2 corresponds to the resolution of the discrete Fourier transform.

Aus den Fourier-Komponenten der beiden Signale S1 und S2 für die Frequenz f1 wird eine erste Phasenverschiebung dφ1 der beiden Signale zueinander bestimmt. From the Fourier components of the two signals S1 and S2 for the Frequency f1 becomes a first phase shift dφ1 of the two signals determined to each other.

Aus den Fourier-Komponenten der beiden Signale S1 und S2 für die Frequenz f2 wird eine zweite Phasenverschiebung dφ2 der beiden Signale zueinander bestimmt. From the Fourier components of the two signals S1 and S2 for the Frequency f2 becomes a second phase shift dφ2 of the two signals determined to each other.

Da die beiden Frequenzen f1, f2 unterschiedlich zur Anregungsfrequenz f sind, stimmen die Phasenverschiebungen dφ1 bzw. dφ2 nicht mit der gesuchten Phasenverschiebung dφ bei der Anregungsfrequenz f überein. Zur Bestimmung der Phasenverschiebung dφ wird zwischen den beiden Werten dφ1 und dφ2 linear interpoliert. Since the two frequencies f1, f2 differ from the excitation frequency f are, the phase shifts dφ1 or dφ2 do not agree with the sought phase shift dφ at the excitation frequency f. To determine the phase shift dφ is between the two Values dφ1 and dφ2 linearly interpolated.

Dies ist im Diagramm nach Fig. 3 dargestellt. Der interpolierte Wert dφ bei der Frequenz f entspricht sehr genau dem exakten Wert der Phasenverschiebung. Aus der Phasenverschiebung dφ läßt sich in einfacher Weise der Massedurchfluss m bestimmen. This is shown in the diagram in FIG. 3. The interpolated value dφ at frequency f corresponds very precisely to the exact value of the phase shift. The mass flow m can be determined in a simple manner from the phase shift dφ.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung werden nicht nur die Fourier-Komponenten für zwei Frequenzen sondern, für mehrere Frequenzen fi bestimmt und die entsprechende Phasenverschiebung dφi ermittelt. Durch einen Polynom-Fit durch die ermittelten Werte dφi kann die gesuchte Phasenverschiebung dφ gewonnen werden. In an advantageous further development of the invention, not only the Fourier components for two frequencies but for multiple frequencies fi determined and the corresponding phase shift dφi determined. With a polynomial fit through the determined values dφi, the one sought Phase shift dφ can be obtained.

Claims

1. Method for determining the mass flow of a Coriolis mass flow meter with the following method steps: generation of an oscillating movement of a measuring tube with the frequency f
Detecting the vibration movement of the measuring tube at two different measuring points with two vibration sensors. Converting the sensor signals of the two sensors into digital sensor signals S1 and S2
Determination of the Fourier components of the sensor signals S1, S2 at two frequencies f1, f2 each above and below the excitation frequency f. Determination of the phase shift of the two Fourier components dφ1 and dφ2
Calculation of the phase shift of the two sensor signals dφ at the excitation frequency f by interpolation of the two phase shifts dφ1 and dφ2.

2. Method for determining the mass flow of a Coriolis mass flow meter with the following method steps: generation of an oscillating movement of a measuring tube with the frequency f
Detecting the oscillation movement of the measuring tube at two different measuring points with two sensors. Converting the sensor signals of the two sensors into digital sensor signals S1 and S2
Determination of several Fourier components of the two sensor signals S1, S2 and their phase shifts dφi and calculation of the phase shift of the two sensor signals dφ at the excitation frequency f by a polynomial fit due to the phase shifts dφi.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor signals S1 and S2 before the Processing to be filtered.

4. The method according to claim 3, characterized in that the filter is a bandpass filter.

5. The device according to claim 3 characterized in that the filter is a low pass filter.