GROTHEY, Harald (Henri-Dunant-Strasse 28, Göttingen, 37075, DE)
HENCKEN, Kai (Holzgasse 41 A, Lörrach, 79539, DE)
SCHRAG, Daniel (Hinterdorfstrasse 26, Lufingen, CH-8426, CH)
GROTHEY, Harald (Henri-Dunant-Strasse 28, Göttingen, 37075, DE)
HENCKEN, Kai (Holzgasse 41 A, Lörrach, 79539, DE)
| Patentansprüche: 1. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass die Füllhöhe durch die Durchführung zwei oder mehr unabhängiger Messungen bestimmt wird. 2. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllhöhe durch Einspeisung mindestens zweier Stromsignale an unterschiedlichen Elektroden bestimmt wird, und dass an den mindestens zwei anderen Elektroden die Spannungen ermittelt werden, und daraus wiederum Impedanzen ermittelt werden, und daraus eine Füllhöhe bestimmt wird. 3. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass eine Vielzahl von Impedanzen ermittelt werden, und dass aus den Impedanzmustern auf Sedimentation, Elektrodenbeläge, leitfähige Beläge oder Schaum im Messrohr geschlossen wird. 4. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass ein Mehrzahl von Messwiederholungen innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden, derart dass bei unterschiedlichen Ergebnissen unter gleichen Bedingungen/ an denselben Elektroden AUTOMATISCH mindestens eine weitere Messung durchgeführt wird, derart dass auf diese eine Selbstüberwachung des Durchflussmessers durchführbar ist. 5. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass auf diese Weise Schaumbildung und/oder andere Inhomogenitäten im Messmedium ermittelt werden. 6. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und, dass drei Elektroden verwendet werden, derart dass eine obere Top-Elektrode vorgesehen ist , die übrigen beiden Elektroden diesbezüglich nach unten symmetrisch links und rechts der Topelektrode verteilt angeordnet sind, derart, dass die Top-Elektrode durch eine Umschaltung als eine der Standardmesselektroden verwendet werden kann. 7. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass das eingespeiste Signal ein Niederfrequenzsignal ist, im Bereich kleiner 100 Hz. 8. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass eine mindestens zweifache (redundante) Messanordnung in Durchflussrichtung hintereinander angeordnet und derart betrieben wird, dass durch eine Korrelation der Messsignale in den beiden Anordnungen auf eine zusätzliche Durchflussgrösse geschlossen werden kann. 9. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass eine Anzahl von jeweils mindestens 4 Elektroden auf dem Umfang des Messrohres derart verteilt angeordnet sind, dass sie auf der Randlinie einer Querschnittsfläche liegen, die orthogonal zur Durchflussrichtung ist, und dass mindestens eine weitere Anordnung von mindestens Vier Elektroden vorgesehen ist, die auf einer zweiten, zur ersten Querschnittsfläche in Durchflussrichtung verschobenen Querschnittsfläche angeordnet sind, und dass so innerhalb eines Messrohres an zwei versetzt angeordneten Stellen gemessen werden kann. 10. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass eine Multiplexingeinheit für die Elektrodenansteuerung vorgesehen ist, so dass eine Vereinfachung der Verkablung und/oder der Eigensicherheit erreicht wird. 11. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass durch eine Vielzahl von Messungen in Laufe der Zeit zusätzliche Messgrössen bzw. Parameter bestimmt werden, insbesondere die Einbaulage, die Kalibration der Elektrodenposition und der Magnetfeldverteilung. 12. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass durch Kombination einer Füllhöhenbestimmung mit einer Impedanzmessung eine Leitfähigkeitsmessung des Mediums bei Teilfüllung erfolgt. 13. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, in die verteilten Elektroden Signale eingespeist und gemessen werden und über die Permutation jeweiliger Elektrodenpaare Impedanzen und/oder Spannungen gemessen werden und dass durch Kombination der Impedanzwerte mit den Spannungswerten zwischen den Elektroden durch das Magnetfeld und die Strömung des Mediums eine verbesserte Bestimmung des Strömungsprofils erfolgt und diese insbesondere für eine Detektion und Korrektur von Strömungsinhomogenitäten genutzt werden kann. 14. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Durchflussmessers, bei welchem über den Messrohrumfang Elektroden verteilt sind, über die mithilfe eine Magnetfelds eine Durchflussrate bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eine Auswerteeinheit verwendet wird, die Messungen unabhängig bzw. synchronisiert durchführen und dadurch eine Redundanz der Messung erreicht wird. 15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Daten in einem adaptiven Datenfeld abgespeichert werden, dass dabei spezifische Muster für Füllhöhenbestimmung, für Schaumbildung im fließenden Messmedium, für Sedimentationen und für leitfähige Ablagerungen auf der Innenmantelfläche des Messrohres angelegt sind, und aus Mustern von Werten auf Füllhöhen und/oder Schaumbildung im Medium und/oder Sedimentation und/oder leitfähigen Ablagerungen auf der Innenoberfläche des Messrohres geschlossen wird. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines magnetischen
Durchflussmessers, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der DE 196 37 716 C1 sowie der DE 101 18 002 A1 B4?sind Verfahren zum Betrieb von Durchflussmesseinrichtungen bekannt, zum einen zum Betrieb in teilgefüllten Rohren (erstes Patent) zum anderen zur Diagnose von Fehlfunktionen durch Messungen von Impedanzwerten (zweite Patent), dies aber nur bei vollständig gefüllten Rohren, bei welchen ein Zwei-Elektroden-System verwendet wird. Dieses jedoch ist für selektive Ermittlung und Quantifizierung von Störungen, wie sie insbesondere bei teilgefüllten Rohren auftreten können, aber durchaus auch bei vollgefüllten Rohren, nicht ausreichend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zusätzlich zur Messung der Füllstandshöhe im Messrohr eine selektive Unterscheidbarkeit zwischen
Sedimentation, Schaumbildung, falsche Einbaulage zu ermöglichen bzw. durch verbesserte Messungen den Einfluss dieser Störungen zu erkennen oder zu korrigieren.
Bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Weitere Ausführungen und Alternativen der Erfindung sind in den folgenden
Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Eine erste Ausführung ist so ausgestaltet, dass die Füllhöhe durch die Durchführung zweier unabhängiger Messungen bestimmt wird, indem zwei Spannungen zwischen verschiedenen Elektrodenpaaren zeitgleich oder nacheinander (Multiplexbetrieb) gemessen werden bei Einspeisung an anderen Elektroden bzw. gegen Erde. Damit wird das Messergebnis unabhängig von der Leitfähigkeit des Messmediums.
Außerdem kann damit schnell gemessen werden, und zwar bevorzugt nach dem 2- Leitungs-Prinzip, um zusätzlich Leitungen zu vermeiden.
Dazu wird vorteilhaft das Prinzip des Multiplexings und der Stromüberlagerung angewendet. Dabei wird über eine Elektrode und dem Erdpotential das (Spannungsoder Strom-) Signal eingespeist und über eine andere Elektrode gegen Erdpotential die Spannung gemessen. Am Ende werden alle vier möglichen Spannungen (zwei Spannungsmessungen an zwei Elektroden bei jeweils zwei Signaleinspeisungen) zusammen ausgewertet. Siehe hierzu weiter unten Figur 1.
Dabei ist es weiter vorteilhaft, ein Multiplexing anzuwenden, dass möglichst in der Nähe der Elektroden angeordnet ist. So kann mit einer kleineren Zahl von
Verbindungen zu einem Auswertegerät gearbeitet werden. Dies führt zu einer
Reduktion von Kabeln bzw. geringeren Aufwand für Schutzfunktionen zur
Eigensicherheit (ATEX).
Eine weitere Alternative ist, dass die Füllhöhe durch Einspeisung zweier Stromsignale an unterschiedlichen Elektroden bzw. Elektrodenkombinationen bestimmt wird, und dass an den zwei anderen Elektroden die Spannungsverhältnisse ermittelt werden, und daraus wiederum Impedanzen ermittelt werden, und daraus eine Füllhöhe bestimmt wird. Hierzu ist die 4-Elektrodenanordnung wiederum wichtig.
Eine weitere Alternative ist, dass eine Vielzahl von Impedanzen ermittelt wird, und dass aus den Impedanzmustern auf Sedimentation im Messrohr geschlossen wird. Dabei ist wichtig, dass MEHR als zwei verschiedene Impedanzen gemessen werden, die miteinander ins Verhältnis gesetzt werden. So können zum Beispiel in einer
Querschnittsposition Elektroden mehr niedrig positioniert werden, die mehr sensitiv sind in Bezug auf Leitfähigkeit am Boden des Messmediums, und welche die höher positioniert sind in Bezug auf die Leitfähigkeit des Mediums inmitten des Stoffstromes selbst. Beides kann dabei gut ins Verhältnis gesetzt werden und ergibt aussagekräftige Ergebnisse in Bezug auf sowohl Sedimentation als auch Ablagerungen. ln einer Ausgestaltung ist angegeben, dass auf diese Weise Schaumbildung und/oder andere Inhomogenitäten im Messmedium ermittelt werden, die oberhalb des
Stoffstromes selber vorhanden sind. Hierbei kehrt sich die Rolle der Elektroden in Bezug auf die Messung der Störung um.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung im Betriebsverfahren ist, dass ein Mehrzahl von Messwiderholungen innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden, derart dass bei unterschiedlichen Ergebnissen unter gleichen Bedingungen/ an denselben Elektroden AUTOMATISCH mindestens eine weitere Messung durchgeführt wird, derart dass auf diese eine Selbstüberwachung des Durchflussmessers durchführbar ist. Vorzugsweise werden mehr als drei Messungen durchgeführt. Auf diese Weise können auch hochgradig selbstüberprüfende Parameter ermittelt werden. So wird das
Auswertesystem unabhängig von temporären Störungen.
Eine weitere Ausführung ist, dass vier Elektroden bzw, drei und eine Erdung verwendet werden, derart dass eine obere Top-Elektrode vorgesehen ist, und eine untere gegenüberliegende Erdungselektrode bzw. eine Erdung ausserhalb des Flowmeters, die übrigen beiden Elektroden diesbezüglich nach unten symmetrisch links und rechts der Topelektrode verteilt angeordnet sind, derart, dass diese gegenüberliegend angeordneten Elektroden als Standardmesselektroden verwendet wird, und jeweils gegenüberstellende Messungen an der linken und der rechten Elektrode durchgeführt werden. Dabei kann aber auch vorgesehen sein, dass die Top-Elektrode durch ein Umschalten der Ansteuerung derselben auch als normale Mess-Elektrode ansteuerbar ist. So wird durch eine betriebsweise Umschaltung die Top-Elektrode in einem Fall zu einer Füllstandselektrode und in einem anderen Fall zu einer Messelektrode für Signaleinspeisung oder Messignalabnahme. Dabei kann insbesondere ein
Durchflusswert unter Verwendung der Topelektrode und einer der beiden
Seitenelektroden ermittelt werden. Dieser kann als Ersatz der eigentlichen Messung dienen, bzw. zur Ueberprüfung. Zusätzlich kann auch die Leitfähigkeit im linken und rechten Teil des Messrohres bzw. im gesamten Messrohr ermittelt werden und so auf Inhomogenitäten des Feldes bzw. des Strömungsmediums geschlossen werden.
Eine weitere Ausführung besteht darin, dass das eingespeiste Signal ein Niederfrequenzsignal ist, im Bereich von 1 mHz bis 100 Hz. Über diese
Verfahrensweise ist es möglich eine definitive Unterscheidung zwischen typisch frequenzabhängigen Störungen zu mehr frequenzunabhängigen Störungen
vorzunehmen.
So sind bspw Korrosionseffekte typischerweise eher niederfrequent und sind daher bei solch niedrigen Frequenzen deutlich besser detektierbar, oder selektierbar, also von anderen Störungen zu unterscheiden. Andererseits ist eine frequenzbasierte Messung deutlich unempflindlicher gegenüber Störungen insbesondere von triboelektrischen Effekten bei einer Messung mit Gleichspannungen bzw -strömen.
Eine weitere Ausführung besteht darin, dass ein zweifache (redundante)
Elektrodenanordnung in Durchflussrichtung hintereinander angeordnet und derart betrieben wird, dass die beiden Durchflussmesser signaltechnisch synchronisiert betrieben werden. Werden diese beiden Elektrodenanordnungen synchronisiert betrieben, so werden Interferenzen vermieden. Hiermit kann neben der
Durchflussmessung des Mediums durch eine Korrelation in der Zeit eine
Durchflussgeschwindigkeit eines zweiten Mediums, z.B. von Feststoffen ermittelt werden. Dies ist dann wichtig, wenn das Medium als Träger des zweiten Mediums dient, bzw. mehrere Phasen enthält, die unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.
Eine Ausführung hierzu besteht darin, dass eine Anzahl von jeweils 4 Elektroden auf dem Umfang des Messrohres derart verteilt angeordnet sind, dass sie auf der
Randlinie einer Querschnittsfläche liegen, die orthogonal zur Durchflussrichtung ist, und dass mindestens eine weiterer Vier-Elektrodenanordnung vorgesehen ist, die auf einer zweiten, zur ersten Querschnittsfläche in Durchflussrichtung verschobenen Querschnittsfläche angeordnet sind, und dass so innerhalb eines Messrohres an zwei versetzt angeordneten Stellen gemessen werden kann.
Eine Ausführung hierzu besteht darin, dass eine Reihe von Messungen im Laufe der Zeit durchgeführt wird, die dazu benutzt wirde zusätzliche Parameter zu bestimmen. Durch die Vielzahl der Messungen, bzw. die Messungen bei bestimmten Bedingungen (Füllhöhe, Durchflussrate) kann so eine deutlich genauere Bestimmung durchgeführt werden. Dies ist insbesondere von Interesse für Parameter, die mit der Kalibration des Flowmeters zusammenhängen, z.B. die Kalibration der Elektrodenpositionen, eine Bestimmung der Einbaulage (Winkel) aber auch eine Kalibration von Magnetfeldabweichungen.
Eine Ausführung hierzu besteht darin, dass eine Leitfähigkeitsmessung des Mediums auch bei teilgefüllten Rohren durchgeführt werden kann. So kann eine der oben erwähnten Methoden dazu benutzt werden die Füllhöhe zu bestimmen. Alternativ können auch unabhängige Füllstandsmessungen benutzt werden (Kapazitive, Ultraschall, Radar ...). Aus der Kenntnis der Abhängigkeit eines Impedanzwertes von der Füllhöhe und der Leitfähigkeit kann dann ein Wert für die Leitfähigkeit berechnet werden. Für die Impendanzmessung kann dabei eine der bereits bestimmten
Impedanzen, aber auch eine weiter Impedanzmessmessung verwendet werden, z.B. eine Zwei- oder Vierelektrodenmessung.
Eine Ausführung hierzu besteht darin, dass Messungen der durch das Magnetfeld und die Mediumströmung induzierten Spannungen an den zwei oder mehr Elektroden mit einer Messung der Impedanzen kombiniert wird. So kann sowohl die Leitfähigkeits- als auch die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Messrohres geschlossen werden, und z.B. bei Sedimenten oder bei Schaumbildung diese zuverlässiger erkannt werden bzw. korrigiert werden.
Weiterhin ist ausgeführt, dass durch die Verwendung von mehr als einer
Auswerteeinheit und die kontrollierte Ansteuerung der Messelektroden eine
Redundanz der Messungen erreicht werden kann. So können die beiden
Auswerteeinheiten nacheinander Durchflusswerte bestimmen und diese verglichen werden. Ein Ausfall einer der beiden Einheiten würde trotzdem weiter zu einer zuverlässigen Messung führen.
Weiterhin ist ausgeführt, dass eine Vielzahl von Daten in einem adaptiven Datenfeld abgespeichert werden, dass dabei spezifische Muster für Füllhöhenbestimmung, für Schaumbildung im fließenden Messmedium, für Sedimentationen und für leitfähige Ablagerungen auf der Innenmantelfläche des Messrohres angelegt sind, und aus Mustern von Werten auf Füllhöhen und/oder Schaumbildung im Medium und/oder Sedimentation und/oder leitfähigen Ablagerungen auf der Innenoberfläche des Messrohres geschlossen wird. Mit der zuvor angegebenen Messelektrodenanordnung kann daher zwischen den verschiedenen Betriebsweise umgeschaltet, bzw hin und her geschaltet werden.
Für jede spezifische Messaufgabe, d.h. Störungen wie Füllstand, Schaum, Partikel, Sedimentation etc kann ein eigenes Datenfeld vorgesehen sein, so dass mit der Umschaltung der Elektroden auch eine Umschaltung der Auswerte-Algorithmen erfolgt.
Dies führt zu einem hoch sensitiven, selektiven und wegen der
Selbstkalibriermöglichkeiten zu einem erheblich robusteren Durchflussmesssystem.
Figur 1 zeigt schematisch den Querschnitt durch dass Messrohr.
Hierbei werden vier Einzelmessungen durchgeführt, Messung 1 bis 4.
Über eine Elektrode wird ein Strom eingespeist, und eine Elektrode misst eine
Spannung. Dadurch kann eine Impedanzbestimmung für eine beliebige
Elektrodenkombination mit nur zwei Messleitungen erreicht werden.
Die Impedanzen werden hernach wie folgt im Ganzen ausgewertet:
Figur 2 zeigt wie durch die Kombination zweier Stromeinspeisemuster auch bei Vier- Elektroden eine Füllhöhenbestimmung bei Spannungsmessungen an unbelasteten Elektroden erfolgen kann
Figur 3 zeigt die Optimierung durch die Auswertung von mehr als zwei
Spannungswerten oder -differenzen. Eine erste Möglichkeit besteht darin, mehr als zwei Widerstände/Impedanzen zu berechnen oder aus den Messungen zu bestimmen: R1=U1/I, R2=U2/I, R3=U3/I
Aus diesen drei wird durch ein Optimierungsverfahren eine Füllhöhe bestimmt. Hierzu gilt folgender Formalzusammenhang :
h = argmin fci(i0 T [Ä ; - a 0 Si(h)] 2 i
Die Kurven zeigen auch den Fehlerbereich bei Messung mit zwei Impedanzwerten (gestrichelt) und mit drei Werten (durchgezogen). Figur 4 zeigt eine Möglichkeit wie durch die Kombination der Messung über eine längere Zeit die Einbaulage bestimmt werden kann:
- Beispiel der Winkelbestimmung (Winkel a) aus der Asymmetrie der beiden
Widerstände R1 (U1 ) und R2 (U2)
- Kombination der Messungen über die Zeit (a als Funktion der Zeit als Plot).
Figur 5 zeigt die Erkennung von„Durchflussstörungen". Dabei wird neben der Sedimentationsdetektion eine Erweiterung auf die Detektion von leitfähigen Belägen und die Schaumbildung an der Oberfläche gezeigt.
Weiter unten in Figur 6 ist schematisch die Messung der Leitfähigkeit in einem teilgefüllten Rohr dargestellt. Durch eine Füllhöhenbestimmung (hier dargestellt durch ein Radarsystem) und einer Impedanzmessung (linke Figur) sowie der bekannten Abhängigkeit der Impedanz von der Füllhöhe (rechte Figur) bei einer
Referenzleitfähigkeit kann auf die Leitfähigkeit des Mediums geschlossen werden.