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Title:
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING A PROCESS PARAMETER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/029947
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for measuring at least one process parameter of a medium (40), whereby the device measures the process parameter at least with a given measurement amplitude (A) and a given cycle rate (T), with a related power requirement (E). According to the invention, a controller (25) is provided which operates the device in a monitoring mode (Pl), or in a measuring mode (P2), whereby the device measures with a first measuring amplitude (Al) and a first cycle rate (Tl) in the monitoring mode (Pl), the device measures with a second measuring amplitude (A2) and a second cycle rate (T2) in the measuring mode (P2), the first cycle rate (Tl) being greater than the second cycle rate (T2) and a first power requirement (El) for the monitoring mode (Pl) and a second power requirement (E2) for the measuring mode (P2) are essentially the same. The invention further relates to a corresponding method.

Inventors:
ZIMMERMANN GERHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP2005/054053
Publication Date:
March 23, 2006
Filing Date:
August 17, 2005
Export Citation:
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Assignee:
FLOWTEC AG (CH)
ZIMMERMANN GERHARD (DE)
International Classes:
G01F1/60; G01F15/00; G01F23/26; (IPC1-7): G01F1/60; G01F15/00; G01F23/26
Foreign References:
EP1193476A12002-04-03
DE102004009032A12005-09-08
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 010, no. 124 (P - 454) 9 May 1986 (1986-05-09)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 006, no. 027 (P - 102) 17 February 1982 (1982-02-17)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2000, no. 01 31 January 2000 (2000-01-31)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 015, no. 180 (P - 1199) 9 May 1991 (1991-05-09)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 10 31 August 1999 (1999-08-31)
Attorney, Agent or Firm:
Andres, Angelika (Holding GmbH PatServ, Colmarer Strasse 6 Weil am Rhein, DE)
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Description:
Beschreibung Vorrichtung und Verfahren zur Messung einer Prozessgröße [001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung mindestens einer Pro¬ zessgröße eines Mediums, wobei die Vorrichtung die Prozessgröße mindestens mit einer vorgebbaren Messamplitude und mit einer vorgebbaren Taktrate misst, wobei mit der Messamplitude und der Taktrate ein Energiebedarf verbunden ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Durchfluss, den Massendurchfluss, den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Temperatur, die Leitfähigkeit oder den pH- Wert des Mediums. Das Medium kann beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut sein. Unter Messamplitude sei im folgenden die Amplitude oder Leistung verstanden, die bei einer Messung aufgewendet wird, um ein Messsignal zu erhalten. Es ist also z.B. die Amplitude des Abfragesignals, auf welches das Medium mit einem Antwortsignal antwortet, und aus welchem dann die Prozessgröße bestimmt wird. Taktrate wiederum ist die Rate, mit der das Abfragesignal erzeugt wird. Eine höhere Taktrate bedeutet also, dass der zeitliche Abstand zwischen den Messungen kleiner ist und die Messzyklen kürzer sind. [002] Messgeräte, Messvorrichtungen oder auch Sensoren überwachen oder messen Pro¬ zessgrößen von Medien, die je nach Art des Prozesses - z.B. das Abfüllen eines Mediums - größeren Änderungen in relativ kleiner Zeit unterliegen. Solche dy¬ namischen Prozesse machen es somit erforderlich, dass der zeitliche Abstand zwischen den Messwerten möglichst gering sein sollte. Es sollte also möglichst oft gemessen werden, um eine möglichst gute zeitliche Auflösung zu erhalten. Dem steht jedoch das Problem des Energiebedarfs für die Messungen entgegen, wobei eine höhere Messge¬ nauigkeit üblicherweise mit einem erhöhten Energiebedarf verbunden ist. Bei 4...20 mA-Messgeräten ist die Energie prinzipiell begrenzt. Je nach Ausgestaltung sind jedoch auch Bauteile - z.B. Netzteile - für höhere Leistungen entsprechend aufwendig oder auch kostenintensiv. Somit ist es also durchaus umständlich, die Anzahl der Messdaten oder Messpunkte zu erhöhen. Eine weitere Begrenzung ist das phy¬ sikalische Messprinzip, das angewendet wird und das somit auch eine untere Grenze für die zeitliche Auflösung vorgibt. Es kann auch vorkommen, dass eine höhere zeitliche Auflösung nicht ständig erforderlich ist, weil z.B. die gemessene Pro¬ zessgröße über einen größeren Zeitraum konstant ist. Der Bedarf kann also von Pro¬ zessbedingung zu Prozessbedingung unterschiedlich sein. [003] Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, unter Beachtung einer begrenzten zur Verfügung stehenden Energiemenge eine Prozessgröße mit einer an die jeweilige Prozessbedingung angepassten zeitlichen Auflösung zu messen. [004] Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung, bei der eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass die Steuereinheit die Vorrichtung mindestens in einer Beobachtungsmode oder in einer Messmode betreibt, wobei in der Beobachtungsmode die Vorrichtung die Prozessgröße mit einer ersten Messamplitude und einer ersten Taktrate misst, wobei in der Messmode die Vorrichtung die Pro¬ zessgröße mit einer zweiten Messamplitude und einer zweiten Taktrate misst, wobei die erste Taktrate und die zweite Taktrate derartig gewählt sind, dass die erste Taktrate größer als die zweite Taktrate ist, und wobei die erste Messamplitude und die erste Taktrate und die zweite Messamplitude und die zweite Taktrate derartig gewählt sind, dass ein erster Energiebedarf der Beobachtungsmode und ein zweiter Energiebedarf der Messmode im Wesentlichen gleich sind. Die Idee der Erfindung besteht also darin, dass das Messgerät - die Vorrichtung - in mindestens zwei unterschiedlichen Moden betrieben wird: eine Beobachtungsmode und eine Messmode. Beide Moden un¬ terscheiden sich hinsichtlich der Taktrate und der Messamplitude. Die Taktraten und die Messamplituden sind dabei so gewählt, dass der jeweils damit verbundene Ener¬ gieverbrauch im Wesentlichen gleich ist. Somit ist also zum einen keine zusätzliche Energie erforderlich und zum anderen wird auch jeweils die bereitgestellte Energie maximal ausgenutzt. Die Taktrate der Beobachtungsmode ist größer als die Taktrate der Messmode. Somit werden in der Beobachtungsmode mehr Messwerte als in der Messmode gewonnen, was gleichzeitig bedeutet, dass die zeitliche Auflösung in der Beobachtungsmode größer ist. Somit lassen sich in der Beobachtungsmode Änderungen der Prozessgröße zeitlich besser überwachen. Mit der Einstellung der Taktraten ist über die Vorgabe der gleichen Energieverbrauche auch verbunden, dass die Messamplitude in der Beobachtungsmode kleiner als in der Messmode ist. Dies bringt in den meisten Fällen mit sich, dass das Messsignal schwächer und somit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis kleiner ist. In der Beobachtungsmode ist also die Si¬ gnalqualität reduziert, wodurch auch der Messwert ungenauer sein wird. Dies wird jedoch dadurch ausgeglichen, dass die zeitliche Auflösung der Messwerte besser ist. Somit kann eben in der Beobachtungsmode z.B. der Beginn eines Abfallens eines Mediums genauer beobachtet werden. In der Messmode wird die Prozessgröße mit einer höheren Messamplitude, also mit einer höheren Genauigkeit, jedoch mit einer geringeren zeitlichen Auflösung gemessen. In der Messmode gibt es also bessere Messwerte mit einem größeren zeitlichen Abstand. Diese Messmode ist beispielsweise dann zu bevorzugen, wenn ein konstanter Wert für die Prozessgröße erreicht ist. [005] Eine vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit derartig aus¬ gestaltet ist, dass die Steuereinheit die Vorrichtung in der Beobachtungsmode oder in der Messmode in Abhängigkeit von der gemessenen Prozessgröße und/oder in Ab¬ hängigkeit vom zeitlichen Verhalten der gemessenen Prozessgröße betreibt. Somit ist kein externes Triggersignal notwendig, sondern durch die Bedürfnisse des Systems selbst wird vorgegeben, mit welcher Mode die Prozessgröße zu messen ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen unteren Wert handeln, ab dem erst der eigentliche Prozess relevant ist oder ab dem erst eine genauere Messung durch die Messmode sinnvoll ist. Andererseits wird durch die Auswertung des zeitlichen Verhaltens verhindert, dass bereits durch einen momentanen Ausreißer - z.B. ein Spike - in die jeweils andere Mode gewechselt wird. Gleichzeitig kann auch in einer Ausgestaltung zwischen einem konstanten und einem dynamischen Verhalten getrennt werden, so dass beispielsweise in der konstanten Phase mit der besseren Signalqualität und der verminderten zeitlichen Auflösung gemessen wird. Eine höhere zeitliche Auflösung ist in diesem Fall nicht erforderlich, wenn sich die Prozessgröße per se kaum ändert. Im fluktuierenden Zustand ist dann jedoch die Beobachtungsmode mit der bessern zeitlichen Auflösung sinnvoller, um dem Signalverlauf folgen zu können. [006] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Steuereinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Steuereinheit die Vorrichtung in der Beobachtungsmode betreibt, wenn die gemessene Prozessgröße kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist, und dass die Steuereinheit die Vorrichtung in der Messmode betreibt, wenn die gemessene Prozessgröße größer als der Grenzwert ist. Durch diese Ausgestaltung wird durch die Prozessgröße selbst vorgegeben, in welcher Mode sie gemessen wird. Somit entfällt ein externes Triggersignal und es kann angepasst an die Bedingungen die optimale Mode verwendet werden. Der Grenzwert ist entsprechend dem zu messenden Prozess oder den sonstigen Kriterien zu bestimmen. [007] Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der Vorrichtung um ein magnetisch¬ induktives Durchflussmessgerät handelt. Bei einem magnetisch-induktiven Durchfluss- messgerät (beschrieben beispielsweise in der Offenlegungsschrift EP 0 814 324 Al der Anmelderin) lässt sich der Durchfluss eines elektrisch leitfähigen Mediums mit dem Faraday' sehen Induktionsgesetz messen. Das Medium durchströmt dabei eine Röhre. Senkrecht zur Röhrenachse wird ein Magnetfeld erzeugt und senkrecht zur Röhrenachse und zur Magnetfeldachse sind Messelektroden angebracht, die eine Spannung detektieren, die vom Medium induziert wird. Bei dem Magnetfeld handelt es sich üblicherweise um ein Wechselfeld. Damit ist die folgende Ausgestaltung verbunden. Die Vorrichtung kann auch mit Ultraschallwandlern arbeiten. [008] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Taktrate der Vorrichtung um die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes des magnetisch-induktiven Durchfluss- messgerätes handelt, und dass es sich bei der Messamplitude um die Stromstärke für die Magnetfeldeinheit des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes handelt. Die Taktrate der Moden ist hier konkret die Frequenz, mit welcher das magnetische Wechselfeld umgepolt wird, und die Amplitude ist die Stromstärke, mit der das Magnetfeld erzeugt wird. [009] Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zur Messung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, wobei die Prozessgröße mit einer vorgebbaren Mes¬ samplitude und einer vorgebbaren Taktrate gemessen wird, wobei mit der Mes¬ samplitude und der Taktrate ein Energieverbrauch verbunden ist. Bei dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass die Pro¬ zessgröße mindestens in einer Beobachtungsmode oder in einer Messmode gemessen wird, wobei in der Beobachtungsmode die Prozessgröße mit einer ersten Mes¬ samplitude und einer ersten Taktrate gemessen wird, wobei in der Messmode die Pro¬ zessgröße mit einer zweiten Messamplitude und einer zweiten Taktrate gemessen wird, wobei die erste Taktrate größer als die zweite Taktrate gewählt wird, und wobei die erste Messamplitude und die erste Taktrate und die zweite Messamplitude und die zweite Taktrate derartig gewählt werden, dass der erste Energiebedarf der Beobach¬ tungsmode und der zweite Energiebedarf der Messmode im Wesentlichen gleich sind. Die Idee der Erfindung ist also, dass die Prozessgröße in einer Beobachtungsmode oder in einer Messmode gemessen wird. In der Beobachtungsmode ist die Taktrate größer als in der Messmode, wodurch die zeitliche Auflösung in der Beobach¬ tungsmode besser ist. Als weiteres Kriterium kommt hinzu, dass der Energieverbrauch der Beobachtungsmode im Wesentlichen dem Energieverbrauch der Messmode entspricht, woraus sich ergibt, dass die Messamplitude in der Beobachtungsmode kleiner als in der Messmode ist. In der Beobachtungsmode ist die Leistung, mit der das Messsignal erzeugt wird, also geringer als in der Messmode. Dafür ist die Taktrate höher und die Werte für die Prozessgröße haben eine höhere zeitliche Auflösung, was besonders für Änderungen beim Prozess mit einer kleinen Zeitskala relevant ist. Die Bedingung, dass der Energieverbrauch in beiden Moden im Wesentlichen gleich ist, bewirkt, dass keine zusätzliche Anforderung an die Energieversorgung oder an die Bauteile gestellt werden muss. Der Nachteil des geringeren Signal- zu-Rausch- Verhältnisses der Beobachtungsmode wird durch die höhere zeitliche Auflösung kompensiert. Wird beispielsweise die Prozessgröße Durchfluss mit einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät gemessen, so handelt es sich bei der Mes¬ samplitude um den Spulenstrom für die Magneteinheit, welche das Magnetfeld erzeugt, und bei der Taktrate handelt es sich um die Frequenz, mit welcher das Magnetfeld umgepolt wird. [010] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass in Ab¬ hängigkeit von der gemessenen Prozessgröße und/oder in Abhängigkeit vom zeitlichen Verhalten der gemessenen Prozessgröße zwischen den beiden Moden gewechselt wird. Das System gibt in dieser Ausgestaltung selbst vor, welche Mode optimaler ist. Für die Trennung kann ein Grenzwert vorgesehen sein, es kann jedoch auch das zeitliche Verhalten als Kriterium herangezogen werden, so z.B. die Trennung zwischen einer im Wesentlichen konstanten Prozessgröße und einer fluktuierenden Prozessgröße. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht dabei darin, dass kein externer Trigger notwendig ist, sondern dass das System selbst vorgibt, welche Mode adäquater ist. Für eine optimale Ausnutzung sind daher die Grenzwerte entsprechend zu bestimmen. [011] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Pro¬ zessgröße in der Beobachtungsmode gemessen wird, wenn die gemessene Pro¬ zessgröße kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist, und dass die Prozessgröße in der Messmode gemessen wird, wenn die gemessene Prozessgröße größer als der Grenzwert ist. Der Grenzwert ist dabei so festzulegen, dass er einen signifikanten Übergang beschreibt zwischen dem Bereich, in welchem die Prozessgröße noch einer größeren Dynamik unterliegt, und dem Bereich, in welchem die Prozessgröße - wenn überhaupt - langsameren Schwankungen unterliegt, so dass mehr Wert auf die Ge¬ nauigkeit der Messungen gelegt werden kann. Mit einem solchen Grenzwert findet dann eine automatische Umschaltung zwischen den beiden Moden statt. [012] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: [013] Fig. 1: eine schematische erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Durchflusses, [014] Fig. 2: ein schematischer zeitlicher Verlauf der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung in Fig. 1, und [015] Fig. 3: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung. [016] Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur magnetisch-induktiven Messung des Durchflusses. Das - hier nicht dargestellte - Medium durchströmt die Messröhre 1. Die Magnetfeldeinheit 5 erzeugt ein ma¬ gnetisches Wechselfeld senkrecht zur Achse des Messrohres 1. Ist das Medium elektrisch leitfähig, so induziert es nach dem Faraday' sehen Induktionsgesetz beim Durchgang durch das Magnetfeld eine elektrische Spannung in den Messelektroden 10, die senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Messrohrachse angeordnet sind. Bei den Elektroden 10 handelt es sich hier um sog. galvanische Elektroden, die im direkten Kontakt mit dem Medium stehen. Aus der induzierten Spannung kann in der Regel- /Auswerteeinheit 30 der Durchfluss des Mediums berechnet werden. Die Magnet¬ feldeinheit 5 wird von einer Energiequelle 20 mit dem nötigen Strom zu Erzeugung des Magnetfeldes versorgt. Die Steuereinheit 25 gibt die Taktrate T und die Mes¬ samplitude A für die Magnetfeldeinheit 5 vor. Konkret handelt es sich hier also um die Frequenz des Wechselfeldes und um die Amplitude des Spulenstromes (dies ist also die Messamplitude) und somit auch um die Stärke des Magnetfeldes. Für das Umschalten zwischen der Beobachtungs- und der Messmode ist die Regel- /Auswerteeinheit 30 mit der Steuereinheit 25 verbunden und übermittelt dieser den jeweils gemessenen Wert der Prozessgröße. Liegt der Wert oberhalb eines Grenzwerts, so wird die Magnetfeldeinheit 5 mit der Messmode betrieben. Ist der Wert kleiner als der Grenzwert, so wird mit der Beobachtungsmode gemessen. [017] Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1. In der unteren Zeile ist der Durchfluss Q über der Zeit t dargestellt. Die gestrichelte Horizontale gibt die sog. Schleichmengenunterdrückung an. Dies ist der Durchfluss, unterhalb dessen nicht gemessen wird oder gemessen werden kann. Als Grenzwert ist hier dieser Schleich¬ mengenwert gewählt. Wie zu sehen, steigt der Durchfluss an, ist dann über eine längere Zeit konstant und geht dann wieder auf Null zurück. Hierbei handelt es sich beispielsweise um den Durchfluss, wie er bei einer Abfüllung des Mediums auftreten kann: Ein Ventil wird geöffnet, das Medium beginnt zu fließen und langsam baut sich der maximale Durchfluss auf. Aus dem Durchfluss und der Abfüllzeit wird dann die abgefüllte Menge errechnet. Hat die abgefüllte Menge einen bestimmten Wert erreicht, so wird das Ventil geschlossen und die Durchflussmenge geht auf den Wert Null zurück. In der oberen Zeile sind die Beobachtungsmode Pl und die Messmode P2 dargestellt. Wie zu sehen ist die Taktrate der Beobachtungsmode Pl größer als die Taktrate der Messmode P2. In der Zeit, in welcher der Durchfluss Q erst langsam zunimmt, werden mehr Messwerte gewonnen, wodurch der Punkt genauer erkannt wird, an welchem der Durchfluss über der Schleichmenge liegt. Hat der Durchfluss seinen optimalen Wert erreicht, so genügt die geringere Taktrate der Messmode P2. Mit dieser geringeren Taktrate ist gleichzeitig bei gleichem Energiebedarf eine höhere Messamplitude möglich, so dass die Messwerte entsprechend genauer bestimmt werden können als in der Beobachtungsmode Pl mit der kleineren Amplitude. In der Beobachtungsmode Pl ist hier die sog. Übersteuerung dargestellt. Dabei handelt es sich darum, dass kurzzeitig die Spulenspannung auf seinen maximalen Wert eingestellt wird und dass er anschließend wieder reduziert wird. Durch diese Übersteuerung wird erreicht, dass das Magnetfeld sich schneller aufbaut. [018] Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert also in diesem Beispiel wie folgt: Der Durchfluss Q wird mit der Beobachtungsmode Pl solange gemessen, bis der Durchfluss größer als die Schleichmenge - in einer Erweiterung wird auch das zeitliche Verhalten des Durchflusses ausgewertet - ist. Anschließend erfolgt die Messung mit der Messmode P2, wobei bei der Abnahme des Durchflusses Q - hier jedoch nicht dargestellt - wieder in die Beobachtungsmode Pl gewechselt wird. Für den Wechsel zwischen den Moden können dabei Grenzwerte für die gemessene Pro- zessgröße vorgesehen sein, es kann jedoch auch das zeitliche Verhalten der gemessenen Prozessgröße bzw. eine Kombination aus Prozessgröße und der zeitlichen Ableitung verwendet werden. Eine externes Steuer- oder Triggersignal ist weiterhin für das Umschalten zwischen den Moden möglich. In der Fig. 3 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine kapazitive Messvorrichtung zur Messung des Füllstandes des Mediums 40 im Behälter 50. Die Wand des Behälters 50 und die Sondeneinheit 55 bilden einen Kondensator, bei welchem das Medium das Di¬ elektrikum ist. Da die Kapazität dieses Kondensators u.a. vom Füllstand abhängt, kann aus dem gemessenen Füllstand umgekehrt auf den Füllstand geschlossen werden. Eine Möglichkeit, die Kapazität zu messen, besteht darin, die Sondeneinheit mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen und den Strom, der durch den Kondensator fließt, zu messen. In diesem Beispiel handelt es sich bei der Taktrate um die Rate, mit der die Messwerte gewonnen werden, und die Messamplitude ist die Amplitude der Spannung, mit welcher die Kapazität gemessen wird.