DE29622602U1

DE29622602U1 - Durchflußmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE29622602U1
Application number: DE29622602U
Authority: DE
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Siemens AB
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2006-04-11

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH^ *" * !&ldquor;· .·. ..* I

DR.-ING. ANDREAS KNOBLAUCH _6O32o frankfurt/main 7 j_an 1997

PATENTANWÄLTE kühhornshofweg 10

TELEFON: (069) 9 5620 30 TELEFAX: (069) 56 3002

UST-ID/VAT: DE 112012149

DA103 8 GM

DANFOSS A/S, DK-6450 NORDBORG Durchf lußmeßeinrichtuncr

Die Erfindung betrifft eine Durchflußmeßeinrichtung mit einem Durchflußmesser, der eine Meßstrecke, mindestens einen Sensor im Bereich der Meßstrecke und einen Speicher, der Kalibrierungsdaten enthält, aufweist, und mit einer Auswerteeinrichtung, die mit dem Sensor und dem Speicher verbunden ist und aus dem Signal des Sensors und den Kalibrierungsdaten ein Ausgangssignal bildet.

Derartige Durchflußmeßeinrichtungen sind allgemein bekannt.

Aufgrund von Fertigungstoleranzen, die sich sowohl in der Meßstrecke als auch in dem Sensor oder den Sensoren ergeben können, müssen die Durchflußmesser vor ihrer Verwendung kalibriert werden. Hierzu wird eine bekannte Fluidströmung durch die Meßstrecke geleitet. Mit dem dann gewonnenen Sensorsignal kann man einen Koeffizienten errechnen, der in dem Speicher abgelegt wird und die Kalibrierungsdaten bildet.

DRESDNER SANK. FRANKFURT/M 23OO3OBOO (BLZ 50080000) ■ S.W.I.F.T-CODE DRES DE FF POSTBANK FRANKFURT/M. 34 25-605 (BLZ 50010060)

Die damit erreichbare Genauigkeit reicht in vielen Fällen aus, insbesondere dann, wenn die Durchflußmeßeinrichtung in der Nähe des Arbeitspunktes betrieben wird, der auch bei der Kalibrierung verwendet wurde. Abweichungen, die sich aufgrund eines nicht linearen Verhaltens ergeben, werden im Mittel kompensiert, wenn der Durchfluß einmal oberhalb und einmal unterhalb des Arbeitspunktes liegt, vorausgesetzt, daß sich in einem Fall eine positive Abweichung und im anderen Fall eine negative Abweichung des Sensorsignals vom eigentlichen Durchflußwert ergibt.

Problematisch wird die Sache allerdings dann, wenn der Durchflußmesser über einen längeren Zeitraum abweichend von seinem Arbeitspunkt betrieben wird. In diesem Fall können die Abweichungen, auch wenn sie klein sind, auf Dauer das Meßergebnis negativ beeinflussen. Im Grunde genommen wäre dann eine erneute Kalibrierung notwendig, die sich aber in vielen Fällen nur mit viel Mühe durchführen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit einer Durchflußmeßeinrichtung zu verbessern.

5 Diese Aufgabe wird bei einer Durchflußmeßeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kalibrierungsdaten durch mehrere Gruppen von Daten gebildet sind, wobei jede Gruppe einem bestimmten Durchflußmeßbereich zugeordnet ist, und daß die Auswerteeinrich-0 tung eine Auswahleinrichtung zur Auswahl einer Gruppe in Abhängigkeit vom Signal des Sensors aufweist.

Damit läßt sich eine bessere Annäherung der "Übertragungsfunktion" des Durchflußmessers, d.h. dem Zusammenhang zwischen dem tatsächlichen Durchfluß und dem ausgegebenen Durchflußwert, an den idealen Zusammenhang dieser Größen erreichen. Man kann nämlich diese Funk-

tion zerlegen in eine Reihe von Abschnitten, die getrennt voneinander und jeder für sich kalibriert werden können. In einem derartigen Abschnitt, zu dem dann eine Gruppe von Kalibrierungsdaten gehört, kann man wiederum von einem etwas vereinfachten Modell ausgehen. Abweichungen, die sich dann von dem tatsächlichen Durchfluß ergeben, sind so klein, daß sie das Meßergebnis nicht mehr nennenswert stören. Auf jeden Fall wird eine verbesserte Genauigkeit erreicht. Diese verbesserte Genauigkeit bedingt einen erhöhten Aufwand beim Kalibrieren. Man muß nämlich nicht mehr nur einen bekannten Fluidstrom durch die Meßeinrichtung leiten und den oder die dazu gehörigen Koeffizienten oder Daten ermitteln, sondern diesen Vorgang für mehrere bekannte Fluidströme wiederholen und für jeden dieser Ströme den oder die entsprechenden Koeffizienten ermitteln. Diese Kalibrierung läßt sich jedoch weitgehend automatisieren, so daß der zusätzliche Aufwand beherrschbar bleibt. Die damit verbundenen Vorteile, insbesondere die verbesserte Genauigkeit, gleichen den erhöhten Aufwand bei weitem aus. Insbesondere kann man dann die Durchflußmeßeinrichtung wesentlich flexibler einsetzen, denn man ist nicht mehr darauf festgelegt, daß man zum Erzielen genauer Ergebnisse möglichst genau am Arbeitspunkt bleiben muß. Diese Vorgabe läßt sich in vielen Anwendungsbereichen ohnehin nicht mit der notwendigen Strenge einhalten. Die Auswahleinrichtung wählt dann anhand des Sensorsignals die Datengruppe aus, die für den jeweiligen Kalibrierungsabschnitt bestimmend ist. Anhand der 0 Daten dieser Gruppe läßt sich dann mit einer erhöhten Genauigkeit der Meßwert ermitteln. Für die Meßwertermittlung sind daher im Grunde genommen nur zwei weitere Schritte notwendig. Die Auswerteeinrichtung muß ermitteln, welche Datengruppe für das entsprechende Aus-5 gangssignal des Sensors "zuständig" ist. Diese Datengruppe muß dann aus dem Speicher ausgelesen oder auf andere Weise gewonnen werden. Die übrige Verarbeitung

in der Auswerteeinrichtung bleibt so, wie sie bisher bekannt war.

In einer bevorzugten Auswertung weist jede Gruppe neben einem Indexwert ein Datenpaar auf, und die Auswerteeinrichtung weist einen linearen Interpolierer auf. Anhand des Indexwertes läßt sich dann die Gruppe bestimmen. Die richtige Gruppe ist beispielsweise diejenige, deren Indexwert dem Ausgangssignal des Sensors am nächsten benachbart ist. Gegebenenfalls kann man zusätzlich einschränken, daß der Indexwert der nächstkleinere oder nächstgrößere Wert zum Ausgangssignal des Sensors zu sein hat. Sobald die Gruppe bestimmt ist, kann man mit einer linearen Interpolation den Meßwert bestimmen.

Wenn beispielsweise das Datenpaar durch zwei Koeffizienten a, b gebildet ist, läßt sich der Meßwert Q_L aus dem Signalwert Q bestimmen zu

Q₁ = a · Q + b

Eine derartige Interpolation ist sehr schnell durchführbar, so daß das Meßergebnis in Echtzeit erhalten werden kann.

Eine alternative Ausfuhrungsform läßt sich dadurch realisieren, daß jede Gruppe ein Datenpaar aus Signalwert und Ausgangswert aufweist und die Auswahleinrichtung für jeden Meßwert die benachbarten Datenpaare ermittelt und einen linearen Interpolierer aufweist. Wenn man beispielsweise die Signalwerte der benachbarten Daten-0 paare als Q₁₅ und Q₂₅ und die Ausgangswerte als Q_1A und Q_2A bezeichnet, dann ergibt sich ein Meßwert Q_L aus einem Signalwert Q zu

L-Qu⁺ (O O₁₅) ————

Der lineare Interpolierer bildet sozusagen den Quotienten aus den einzelnen Datenpaar-Differenzen und fügt gegebenenfalls noch einen konstanten Term hinzu.

Vorzugsweise ist der Speicher mit der Meßstrecke und dem mindestens einen Sensor als Baueinheit ausgebildet. Man kann dann die Kalibrierung mit mehreren Kalibrierungswerten unmittelbar nach der Herstellung vornehmen und den Speicher mit der Meßstrecke und dem Sensor oder den Sensoren zusammen ausliefern. Damit ist eine feste Zuordnung zwischen den einzelnen Kalibrierungswerten und der Meßstrecke mit dem zugehörigen Sensor geschaffen. Als Auswerteeinrichtung kann dann eine Standard-Einrichtung verwendet werden, die nicht mehr speziell an die einzelnen Meßstrecken angepaßt werden muß.

Vorzugsweise weist die Auswerteeinrichtung einen Meßwertgeber auf, der mit dem mindestens einen Sensor einerseits und der Auswahleinrichtung andererseits verbunden ist. Dieser Meßwertgeber bereitet das Signal von dem Sensor oder den Sensoren so auf, daß es einfacher von der Auswahleinrichtung verwendet werden kann. Im einfachsten Fall handelt es sich hierbei um einen Meßverstärker, der gegebenenfalls aber noch mit einem Signalformer verbunden sein kann.

Vorzugsweise ist die Auswahleinrichtung als mehrstufiger Vergleicher ausgebildet. Der Vergleicher überprüft dann, ob das vom Sensor bzw. dem Meßwertgeber gelieferte Signal in einen bestimmten Wertebereich paßt und kann dann die entsprechende Datengruppe auswerten.

Vorzugsweise enthält jede Gruppe zusätzlich zu dem Datenpaar weitere Daten zur Beschreibung eines Polynoms 5 höherer Ordnung, und anstelle des linearen Interpolierers ist ein Interpolierer höherer Ordnung vorgesehen. Hiermit läßt sich die Meßgenauigkeit weiter verbessern.

Durch ein Polynom höherer Ordnung läßt sich in vielen Fällen eine bessere Angleichung des Meßwerts an den Ausgangswert des Sensors erzielen. Allerdings ist hierfür auch ein höherer Aufwand beim Erstellen der Übertragungsfunktion und beim Errechnen des Meßwerts notwendig. Man muß dementsprechend abwägen, welchen Aufwand man zu treiben bereit ist.

Mit Vorteil ist der Durchflußmesser als Ultraschall-Durchflußmesser ausgebildet. Derartige Durchflußmesser liefern mit relativ wenig Aufwand bereits gute Meßergebnisse. Wenn man zusätzlich noch die Verbesserung durch die Unterteilung in einzelne Kalibrierungsabschnitte vornimmt, kann man mit relativ wenig Aufwand sehr genaue Meßergebnisse erzielen.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, daß die Durchflußmeßbereiche unterschiedliche Größen aufweisen. Damit nimmt man Rücksicht auf die Tatsache, daß man bestimmte Bereiche hat, in denen man das Meßergebnis besonders genau haben will. Wenn man hier eine sehr feine Auflösung vornimmt, kann man die einzelnen Meßwerte mit einer entsprechend höheren Genauigkeit ermitteln. In anderen Bereichen, die größerer sind, können auch die Abweichungen der Meßergebnisse von dem tatsächlichen Durchfluß größer sein. Wenn aber derartige Meßbereiche nur seltener erreicht werden, kann man den dadurch entstehenden Fehler in Kauf nehmen.

0 Dies ist besonders dann bevorzugt, wenn die Größe der Durchflußmeßbereiche ausgehend von einem Soll-Durchflußmeßbereich zu Meßgrenzen hin zunimmt. Man legt dabei einen Soll-Durchflußmeßbereich fest, in dessen Umgebung die Messung mit erhöhter Auflösung und damit erhöhter Genauigkeit durchgeführt werden kann. Zu den Meßgrenzen des Durchflußmessers hin, also einem minimalen Durchfluß und einem maximalen Durchfluß, der vom

Durchflußmesser noch verkraftet werden kann, werden die Korrekturmöglichkeiten dann etwas schwächer. Dies ist aber hinnehmbar, wenn diese Grenzen nicht so oft erreicht werden. Durch diese Ausgestaltung wird Speicherkapazität und Rechenleistung gespart.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Durchflußmeßeinrichtung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Interpolierers.

Eine Durchflußmeßeinrichtung 1 weist einen Durchflußmesser 2 und eine Auswerteeinrichtung 3 auf, die man auch als Signalwandler bezeichnen kann.

Der Durchflußmesser 2 weist eine Meßstrecke 4 auf, die im vorliegenden Fall als Rohr ausgebildet ist und einen Strömungspfad für ein zu messendes Fluid, d.h. eine Flüssigkeit oder ein Gas, bildet. Gegebenenfalls kann man hier auch pastöse Medien hindurchleiten und deren Volumenstrom messen.

Der Durchflußmesser 2 weist ferner mindestens einen Sensor 5 auf, der im Bereich der Meßstrecke angeordnet ist. In Fig. 1 ist dies lediglich schematisch dargestellt. Der Sensor kann eine Reihe unterschiedlicher Ausbildungen haben. Er kann beispielsweise als Meßrad ausgebildet sein, das sich in Abhängigkeit vom durchfließenden Volumenstrom dreht. Die Meßstrecke 4 kann auch als Coriolis-Meßstrecke ausgebildet sein, bei der die Sensoren 5 Kraft und/oder Beschleunigung messen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch der Durch-

flußmesser 2 ein Ultraschall-Durchflußmesser, bei dem der Sensor als Untraschall-Meßkopf ausgebildet ist.

Ferner weist der Durchflußmesser 2 einen Speicher 6 auf. Der Speicher 6 enthält Kalibrierungsdaten, die weiter unten näher beschrieben werden.

Die Auswerteeinrichtung 3 weist zunächst einen Meßwertgeber 8 auf, der über eine Leitung 12 mit dem Sensor 5 verbunden ist. Der Meßwertgeber 8 ist seinerseits über eine Leitung 9 mit einem Interpolierer 10 verbunden, an dessen Ausgang 11 das eigentliche Durchflußmengenmeßsignal Q_L abgenommen werden kann.

Der Meßwertgeber 8 dient dazu, die vom Sensor 5 {oder von den Sensoren) stammenden Signale in eine Form umzusetzen, die von dem Interpolierer 10 verarbeitet werden kann.

0 Ferner ist der Meßwertgeber 8 verbunden mit einer Auswahleinrichtung 13, die ihrerseits über eine Leitung 14 mit dem Speicher S verbunden ist. Die Leitung 14 kann gegebenenfalls in beide Richtungen betrieben werden, d.h. die Auswahleinrichtung 13 erhält über die Leitung 14 Informationen über den Inhalt des Speichers 6 und ist andererseits in der Lage, über die Leitung 14 ein bestimmtes Ausleseverhalten des Speichers 6 zu bewirken. Die ausgelesenen Daten aus dem Speicher 6 gelangen über eine Leitung 7 zum Interpolierer 10.

Im Speicher 6 sind nun verschiedene Gruppen von Kalibrierungsdaten abgelegt, die nach der Herstellung des Durchflußmessers 2 durch verschiedene Kalibrierungsvorgänge erzeugt werden. Jede Datengruppe kann dabei so erzeugt werden, wie das von einer herkömmlichen Kalibrierung her bekannt ist, d.h. man leitet eine bekannte Menge Q_R durch die Meßstrecke 4 und ermittelt dabei das

vom Sensor 5 erzeugte Signal Q. Wenn man nun diesen Vorgang für verschiedene Durchflußmengen Q_R wiederholt, kann man einen Graphen ermitteln, der aus einzelnen geraden Abschnitten zusammengesetzt ist. Je nach dem, wie stark sich die einzelnen bekannten Durchflußmengen Q_R voneinander unterscheiden, gibt dieser Graph, also die Funktion, die man nötigenfalls aufzeichnen kann, die Übertragungsfunktion der Meßstrecken-Sensor-Anordnung mehr oder weniger genau wieder. Jeder gerade Abschnitt dieses Graphs läßt sich nun durch einen konstanten Term b und eine Steigung a beschreiben. So ergibt sich die tatsächliche Meßgröße Q_L aus dem Sensorsignal Q nach folgender Gleichung:

Q_L = b + a ■ Q

Da man aber zuvor wissen muß, welchen Abschnitt man verwendet, d.h. welche Koeffizienten a, b für diese Übertragung richtig sind, wählt die Auswahlstation 13 anhand des Sensorausgangssignals Q und einem entsprechenden Indexwert Q₁, Q₂, Q₃ ... Q_n diejenige Größe aus, die für das augenblickliche Sensorausgangssignal Q auf der Leitung 12 die richtige ist. Mit den dort verfügbaren Koeffizienten, die als Datenpaar a_u b_1; a₂, b₂ ... a_n, b_n vorliegen, laßt sich nun die entsprechende Umformung erreichen, wie dies schematisch in Fig. 2 anhand des Interpolierers 10 dargestellt ist.

Natürlich kann man auch andere Funktionen verwenden, 0 beispielsweise Polynome höherer Ordnung, wenn die entsprechende Anzahl von Koeffizienten zur Verfügung steht. In diesem Fall ist auch der Aufwand beim Kalibrieren etwas größer.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Interpolation kann man natürlich auch jeweils die Endwertepaare eines jeden Kalibrierungsabschnitts verwenden, wie dies im Zu-

sammenhang mit der Beschreibungseinleitung beschrieben worden ist.

Die einzelnen Abszissenwerte zwischen aufeinanderfolgenden Werten Q₁, Q₂ ... Q_n müssen nicht alle gleich lang sein. Man kann sogar bewußt unterschiedlich lange Abschnitte wählen, wobei dann die kürzensten Abschnitte in der Umgebung eines Arbeitspunktes liegen, an dem der Durchflußmesser hauptsächlich betrieben werden soll. In der näheren Umgebung dieses Arbeitspunktes kann man dann die Meßwerte Q_L mit einer höheren Genauigkeit gewinnen als weiter entfernt davon. Dies ist aber ohne weiteres hinzunehmen, weil ein Betrieb mit einer größeren Abweichung von dem Sollwert am Arbeitspunkt nur selten vorkommen. Wie man diese Kalibrierungswerte aufbereitet und im Speicher 6 ablegt, ist abhängig von dem gewünschten Anwendungsfall.

Man kann die Durchflußmeßeinrichtung 1 so aufbauen, daß 0 der Durchflußmesser 2 mit Meßstrecke 4, Sensor 5 und Speicher 6 zusammen eine Baueinheit bildet. Diese Baueinheit enthält alle Informationen, die zu ihrem Betrieb notwendig sind. Für die Auswerteeinrichtung 3 kann man dann einheitlich für alle derartigen Durchflußmesser 2 eine einheitliche Ausführung verwenden. Dies ist insbesondere deswegen möglich, weil die Auswahleinrichtung 13 auch die Information enthält, welche Meß- bzw. Kalibrierungsbereiche im Speicher 6 abgelegt sind.

Im Betrieb arbeiten immer Sensor 5 und Speicher 6 zusammen und machen eine Baueinheit aus. Bei Herstellung beim Produzenten ist es aber auch möglich, daß die Speichereinheit erst nach Lieferung der Durchflußmeß-5 einrichtung mit den gemessenen Daten programmiert und dann nachgesandt wird. Beim Aufbau des Systems werden dann die Speichereinheit und der Durchflußmesser zusam-

mengebaut. Damit ist es möglich, die Kalibrierung in einem Kalibrierungslabor durchzuführen, das getrennt von der Elektronikproduktion liegt, und danach die Daten der spezifischen Durchflußmeßeinrichtung zu liefern, wobei die dazugehörige Speichereinheit in der Elektronikfabrik hergestellt wird. Erst bei der Inbetriebnahme werden Druchflußmeßeinrichtung und Speichereinheit zusammengebaut.

Claims

·&diams; DÄ1038 GM Schutzansprüche

1. Durchflußmeßeinrichtung mit einem Durchflußmesser, der eine Meßstrecke, mindestens einen Sensor im Bereich der Meßstrecke und einen Speicher, der Kalibrierungsdaten enthält, aufweist, und mit einer Auswerteeinrichtung, die mit dem Sensor und dem Speicher verbunden ist und aus dem Signal des Sensors und den Kalibrierungsdaten ein Ausgangssignal bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierungsdaten (Q₁, a._lt b_lr ...Q_n, a_n, b_n) durch mehrere Gruppen von Daten gebildet sind, wobei jede Gruppe einem bestimmten Durchflußmeßbereich zugeordnet ist, und daß die Auswerteeinrichtung (3) eine Auswahl einrichtung (13) zur Auswahl einer Gruppe in Abhängigkeit vom Signal (Q) des Sensors (5) aufweist .

2. Durchflußmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe neben einem Indexwert (Q) ein Datenpaar (a, b) aufweist und die Auswerteeinrichtung einen linearen Interpolierer aufweist .

3. Durchflußmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe ein Datenpaar aus Signalwert und Ausgangswert aufweist und die Auswahleinrichtung (13) für jeden Meßwert die benachbarten Datenpaare ermittelt und einen linearen Interpolierer (10) aufweist.

4. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (6) mit der Meßstrecke (4) und dem mindestens einen Sensor (5) als Baueinheit ausgebildet ist.

5. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (3) einen Meßwertgeber (8) aufweist, der mit dem mindestens einen Sensor (5) einerseits und der Auswahleinrichtung (13) andererseits verbunden ist.

6. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahleinrichtung (13) als mehrstufiger Vergleicher ausgebildet ist.

7. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe zusätzlich zu dem Datenpaar weitere Daten zur Beschreibung eines Polynoms höherer Ordnung enthält und anstelle des linearen Interpolierers (10) ein Interpolierer höherer Ordnung vorgesehen ist.

8. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmesser (2) als Ultraschall-Durchflußmesser ausgebildet ist.

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9. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmeßbereiche unterschiedliche Größen aufweisen.

10. Durchflußmeßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Durchflußmeßbereiche ausgehend von einem Soll-Durchflußmeßbereich zu Meßgrenzen hin zunimmt.