Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Messaufgerätes, welches einen Messaufnehmer mit einem Oszillator aufweist, wobei der Oszillator mindestens ein schwingfähiges Messrohr zum Führen eines Mediums aufweist, wobei das Messgerät insbesondere zur Ermittlung der Massedurchflussrate, der Dichte und/oder der Viskosität des Mediums dient. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messgerät zur Durchführung des Verfahrens. Die Oszillatoren gattungsgemäßer Messaufnehmer werden gewöhnlich mit der Resonanz frequenz einer Nutzmode zu Schwingungen angeregt. Die Amplitude der Schwingung bei Resonanz im Verhältnis zur Erregerleistung ermöglicht Aussagen über die Güte des Oszillators und damit über die Viskosität des Mediums. Die Resonanzfrequenz einer Biegeschwin gungsmode ermöglicht die Bestimmung der Dichte, und die Amplitude einer überlagerten Schwingung im Coriolismode, die in Form eines zeitlichen Versatzes zwischen einem Schwin gungssignal eines einlassseitigen Schwingungssensors und eines auslassseitigen Schwin gungssensors erfassbar ist, ermöglicht die Bestimmung der Massedurchflussrate. Die ermittelten Werte für die beschriebenen Messgrößen, sind valide solange die Annahmen über die mechanischen Eigenschaften des Oszillators zutreffen, die sich in Koeffizienten von Berech nungsmodellen für die Messgrößen niederschlagen. Dies ist bei der Inbetriebnahme eines Messaufnehmers sicher gegeben, aber die mechanischen Eigenschaften können sich abhängig von Einsatzbedingungen aus verschiedenen Gründen ändern. Es besteht daher Interesse da ran, die mechanischen Eigenschaften des Oszillators zu überwachen. Dazu lehrt beispielsweise die internationale Veröffentlichung WO 2012 062551 A1 eine Anregung außer Resonanz.

Bei den üblichen Werten für die Güte des Oszillators von mindestens einigen 100 ist die Amplitude x bei einer Anregung mit dem s-Fachen der Resonanzfrequenz für s > 1 ,05 bzw. s < 0,95 gegeben als x= F/(D*(s ² -1)), wobei F eine modale Erregerkraft und D eine modale Steifig keit ist. Übertragen auf messbaren Observablen Us, le und f erhält man beispielsweise die folgende Gleichung, welche eine geeignete Überwachungsgröße H definiert, beispielsweise:

H:= Us/fle*† ² ) = K/(D *(s ² - 1)), wobei K eine Konstante ist, welche insbesondere Faktoren der Übertragungsfunktionen zwischen dem Erregerstrom le und der Erregerkraft, sowie zwischen der Geschwindigkeit des Oszillators und der Sensorspannung Us der elektromagnetischen Sensoren bündelt. Abgesehen von ggf. zu modellierenden Temperaturabhängigkeiten und/oder Druckab hängigkeiten ändert sich die modale Steifigkeit D bei einem intakten Messaufnehmer nicht. Dem entsprechend sollte bei einem gegebenen Wert für s, das auf der linken Seite der Gleichung gegebene Verhältnis der Observablen sich nicht verändern.

Wenn dagegen Veränderungen im Verhältnis der Observablen festzustellen sind, be deutet dies, dass die modale Steifigkeit D oder der Faktor s oder die der Konstanten K zu grundeliegenden Größen sich verändert haben. Eine veränderte modale Steifigkeit kann bei spielsweise durch Abrasion oder Korrosion verursacht sein, ein abweichender Faktor s, würde einen Fehler in der Frequenzsteuerung implizieren, eine Veränderung im Faktor K würde bei spielsweise Hardwarefehler in der Sensorelektronik indizieren. Was auch immer die Ursachen sind. In jedem Fall sollte eine derartige Abweichung zuverlässig erkannt und signalisiert werden.

Mit den zur Verfügung stehenden Erregerleistungen ist nicht praktikabel eine Messung eines aktuellen Werts der Überwachungsgröße H durchzuführen und gleichzeitig einen Masse durchflussmesswert mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen. Daher ist es üblich, einen ak tuellen Wert der r Überwachungsgröße nur anlässlich gelegentlicher Überprüfungen zu ermit teln, wenn der Messbetrieb für kurze Zeit unterbrochen werden kann. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren zum Betreiben eines Messaufnehmers gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und den Messaufnehmer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Messgerätes, welches einen Messaufnehmer mit einem Oszillator aufweist, wobei der Oszillator mindestens ein schwingfähiges Messrohr zum Führen eines Mediums aufweist, wobei das Messgerät insbesondere zur Ermittlung mindestens einer der Messgrößen Massedurchflussrate, Dichte und Viskosität des Mediums dient; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Ermitteln eines aktuellen Werts einer Resonanzfrequenz für eine Schwingungsmode des Oszillators;

Anregen einer Schwingung außer Resonanz mit einer Anregungsfrequenz, die sich von dem aktuellen Wert der Resonanzfrequenz unterscheidet; und

Ermitteln der Amplitude des Sensorsignals der Schwingung außer Resonanz; wobei die Amplitude des Erregerstromsignals, mit welcher die Schwingung außer Resonanz angeregt wird, nicht größer ist als die Amplitude des Erregerstromsignals, mit welcher gleichzeitig die Resonanzschwingung angeregt wird; wobei zur Ermittlung der Amplitude des Sensorsignals der Schwingung außer Resonanz ein Sensorsignal eines Schwingungssensors des Oszillators über ein Tiefpassfilter erfasst wird, dessen Zeitkonstante nicht weniger als 1000 Periodendauern, beispielsweise nicht weniger als 10000 Periodendauem und insbesondere nicht weniger als 100000 Periodendauern der Schwingung außer Resonanz beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Schwingung außer Resonanz einer Schwingung bei der Resonanzfrequenz überlagert.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird das Sensorsignal des Schwingungssensors bei der Resonanzfrequenz des Oszillators zur Bestimmung der Amplitude des Sensorsignals der Schwingung außer Resonanz mittels eines Filters unterdrückt, insbesondere mittels eines Kerbfilters bzw. Notch-Filters.

In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Amplitude des Erregerstromsignals, mit welcher die Schwingung außer Resonanz angeregt wird, nicht mehr als 4 mA, beispielsweise nicht mehr als 1 ,5 mA.

In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Amplitude des Erregerstromsignals, mit welcher die Schwingung außer Resonanz angeregt wird, nicht weniger als 0,25 mA, insbeson dere nicht weniger als 0,5 mA und bevorzugt nicht weniger als 0,75 mA.

In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Amplitude des Erregerstromsignals, mit welcher die Schwingung außer Resonanz angeregt wird, nicht mehr als die Hälfte insbesondere nicht mehr als ein Viertel insbesondere nicht mehr als ein Achtel der Amplitude des Erreger stromsignals, mit welcher gleichzeitig die Resonanzschwingung angeregt wird. Diese Verhält nisse der Erregerstromsignalamplituden gelten insbesondere für Messaufnehmer mit einem solch hohen Leistungsbedarf zur Anregung der Resonanzfrequenz, dass bei einer vorgegebe nen zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung ein größerer Stromanteil für die Anregung der Schwingung außer Resonanz eine Beeinträchtigung der Messperformance für die Mess größen Massedurchflussrate und/oder Dichte zur Folge hätte. Dies wäre insbesondere bei Messaufnehmern mit steifen Messrohren der Fall, also tendenziell bei Messaufnehmern mit größeren Nennweiten, beispielsweise ab DN 50. In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt eine Abtastfrequenz, mit welcher die Sen sorsignale abgetastet werden nicht weniger als das Vierfache beispielsweise nicht weniger als das Achtfache und insbesondere nicht weniger als das Sechzehnfache der Resonanzfrequenz des Oszillators.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Wert einer Übertragungsfunktion gebildet, welche die Amplitude des Sensorsignals der Schwingung außer Resonanz mit der Amplitude des Erregersignals der Schwingung außer Resonanz in Beziehung setzt. Die Anregungsfre quenz der Schwingung außer Resonanz unterscheidet sich dabei in einer derzeit bevorzugten Weiterbildung der Erfindung um einen konstanten Faktor s von der Resonanzfrequenz.

In einer alternativen Ausgestaltung kann sich die Anregungsfrequenz der Schwingung außer Resonanz um einen insbesondere konstanten Offset von der Resonanzfrequenz unter scheiden. In diesem Fall ist dann noch zu ermitteln, welchem Faktor s das Verhältnis von An regungsfrequenz und Resonanzfrequenz entspricht, um dann eine sachgerechte Interpretation der Beziehung zwischen der Amplitude des Sensorsignals der Schwingung außer Resonanz und der Amplitude des Erregersignals der Schwingung außer Resonanz zu erreichen.

Die Anregungsfrequenz der Schwingung außer Resonanz unterscheidet sich in einer Weiterbildung der Erfindung von der aktuellen Resonanzfrequenz um mindestens 5% der aktuellen Resonanzfrequenz.

In einer Weiterbildung der Erfindung repräsentiert der Wert Übertragungsfunktion eine modale Steifigkeit bzw. Nachgiebigkeit des Oszillators.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden bei der Ermittlung der Übertragungsfunktion Querempfindlichkeiten hinsichtlich des Oszillators hinsichtlich der Temperatur, und des Drucks des in dem Messrohr des Oszillators geführten Mediums, sowie Querempfindlichkeiten des Schwingungssensors und des Erregers hinsichtlich der Temperatur kompensiert.

Das erfindungsgemäße Messgerät mit einem Messaufnehmer; und einer Mess- und Betriebsschaltung dient zum Bestimmen einer Massedurchflussrate, einer Dichte und/oder einer Viskosität eines Mediums, wobei der Messaufnehmer umfasst: einen Oszillator mit mindestens einem schwingfähigen Messrohr zum Führen des Mediums; mindestens einen Erreger zum An regen von Messrohrschwingungen; mindestens einen Sensor zum Erfassen von Messrohr schwingungen; wobei die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, den Erreger zu treiben, Signale des mindestens einen Sensors zu erfassen, und das erfindungsgemäße Ver fahren durchzuführen. Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a: Resonanzkurven für Oszillatoren verschiedener Güten Q.

Fig. 1b: Differenzen zwischen den Resonanzkurven aus Fig. 1a Fig. 1c: Differenzen zwischen Resonanzkurven von Oszillatoren gleicher Güte, aber veränderter Steifigkeit.

Fig. 2a: Ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden

Erfindung;

Fig. 2b: Ein detailliertes Flussdiagramm zur Ermittlung der Amplitude der Schwingung außer Resonanz im Ausführungsbeispiel aus Fig. 2a;

Fig. 3: Eine schematische Darstellung einer Filterstufe die im obigen

Ausführungsbeispiel eingesetzt wird; und

Fig. 4: Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines

Erfindungsgemäßen Messgeräts. Anhand von Fign. 1a bis 1c wird das grundsätzliche Vorgehen bei der Überwachung des

Oszillatorzustands erläutert.

Die in Fig. 1a dargestellten Resonanzkurven stammen von Oszillatoren, die sich nur in ihrer Güte unterscheiden, welche Werte von Q = 200, Q = 1000 bzw. Q = 5000 annimmt. Dies sind typische Werte die beim Betrieb eines Coriolis Massedurchflussmesser auftreten können. Die Amplitude A(X) ist hier im Verhältnis zur Amplitude A(0) bei statischer Auslenkung mit der gleichen Kraft dargestellt. Auf der Abszisse ist die normierte Erregerfrequenz X = f/fO aufge tragen, wobei fO die Eigenfrequenz der betrachteten Schwingungsmode des Oszillators ist.

Fig. 1b zeigt Differenzen von Resonanzkurven aus Fig. 1a wobei jeweils die Kurven für Q = 200 und Q = 1000 von der Kurve für Q = 5000 abgezogen wurden. In den durch schraffierte Kästen gekennzeichneten Bereichen oberhalb und unterhalb des Resonanzpeaks bei X = 1 , wirken sich Änderungen der Güte praktisch nicht mehr aus selbst eine Änderung der Güte von Q = 5000 auf Q = 200 bewirkt eine Amplitudenänderung um weniger als 0,1 %.

Fig. 1c stellt Differenzen von Resonanzkurven bei einer Güte von Q = 1000 für unter schiedliche Messrohrsteifigkeiten dar die 99,5 % bzw. 99,0 % der Referenzsteifigkeit betragen. Die Differenzkurven sind normiert auf die statische Auslenkung (X = 0) eines Oszillators mit einer Ausgangssteifigkeit von 100%. Aus einem Vergleich der Differenzkurven von 1b und 1c wird ersichtlich, dass der Effekt der beschrieben Steifigkeitsänderungen bei hinreichendem Ab stand von Resonanzpeak um einige Größenordnungen stärker ist als der Effekt der Güteände rungen. Daher kann durch Beobachtung der Schwingungsamplituden, beispielsweis in den ge kennzeichneten Frequenzbereichen, die mechanische Integrität des Oszillators überwachen. Da jedoch der Absolutwert der Amplitude in den genannten Frequenzbereichen, wie in Fig. 1a dargestellt sehr niedrig ist, erfolgt nach dem Stand der Technik eine Amplitudenmessung nur zu besonderen Diagnoseprozeduren, bei denen der Messbetrieb allenfalls eingeschränkt möglich ist. Bei einer Diagnoseprozedur wird die Schwingung in einem Frequenzbereich von X > 1 ,1 bzw. X < 0,9 mit einer großen Erregerleistung gespeist um eine zur Vermessung während der Diagnoseprozedur ausreichende Amplitude zu erreichen. Das ist insoweit nachteilig, als Fehler ggf. nur verspätet erkannt werden können, nämlich erst dann, wenn eine Diagnose nach dem Auftreten eines Fehlers detektiert werden können. Zudem ist die Datenbasis für statistische Analysen sehr gering.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt dagegen darauf, die Schwingung außer Reso nanz mit sehr geringer Leistung anzuregen, wodurch erstens der laufende Messbetrieb bei der Resonanzfrequenz dadurch praktisch nicht gestört wird, und zweitens eine kontinuierliche Über wachung des Oszillators möglich ist. Insofern als der Signalanteil der Schwingung außer Reso nanz in den Sensorsignalen um beispielsweise etwa achtzig Dezibel niedriger ist als der Signal anteil der Resonanzschwingung, werden besondere Maßnahmen ergriffen, um die gewünschte Information, nämlich die Amplitude der Schwingung außer Resonanz zu ermitteln.

Ein Ausführungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Verfahren 100 ist in Fig. 2a darge stellt. Die aktuelle Resonanzfrequenz des Oszillators wird fortlaufend ermittelt 110, indem die Erregung einer Biegeschwingungsnutzmode auf nach einem Resonanzkriterium geregelt wird. Dies kann beispielsweise die Amplitudenmaximierung oder ein Phasenwinkel von 90° zwischen Erregersignal und Auslenkung des Oszillators bzw. 0° zwischen Erregersignal und Geschwindigkeitssignal des Oszillators sein. Der Anregung bei Resonanz wird fortlaufend eine Anregung außer Resonanz überlagert 120, insbesondere mit konstanter Amplitude, wobei die Erregung außer Resonanz bei einer Anregungsfrequenz erfolgt, die sich um einen konstanten Faktor s von der Resonanzfrequenz unterscheidet, wobei beispielsweise gilt s < 0,9 oder s >

1 ,1. Die Erregerkraft für die Anregung außer Resonanz beträgt nicht mehr als beispielsweise ein Zehntel der Erregerkraft der Anregung bei Resonanz. Anschließend wird ein Amplitudensignal der Oszillatorschwingung außer Resonanz ermittelt 130.

Ein Verhältnis des ermittelten Amplitudensignals zum Erregersignal wird gebildet und zur 140. Ggf. erfolgt noch eine Korrektur bezüglich Querempfindlichkeiten, wie Temperatur, Druck und/oder Alterung der Sensoren bzw. Erregers. Geeignete Korrekturfunktionen sind bei spielsweise in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2019 122 094.7 offenbart. Die solchermaßen aufbereiteten Daten werden aufgezeichnet und stehen für weitere Auswertungen, wie Trendanalysen und Schwellwertvergleiche 150 zur Verfügung.

Die Ermittlung des Amplitudensignals 130 wird nun anhand von Fig. 2b näher erläutert.

Ein analoges Sensorsignal S 1 (t) , dessen Amplitude proportional zur Schwingungsampli tude des Messrohrs ist wird mit einer Abtastfrequenz von beispielsweise 32 kHz abgetastet. Nach einer Dezimation um einen Faktor 2 werden mittels eines Quadraturmischers zwei Folgen (X, Y) digitaler Werte mit einer Folgefrequenz von 16 kHz bereitgestellt, die zueinander um 90°, bezogen auf die Frequenz der Anregung außer Resonanz, phasenverschoben sind. Die beiden Folgen werden mittels einer Filterfolge, des Typs T (Z, w) = ((1 - w) / (1 - w Z ¹ )) verwendet wobei, w = a, b, c, d unterschiedliche Gewichtungskoeffizienten sind.

Zwischen einer ersten Filterstufe (T (Z, a)) ² und einer zweiten Filterstufe T (Z, b) erfolgt eine weitere Dezimation zu einer Frequenz von 2 KHz bzw. 1 KHz.

Nach einer dritten Filterstufe T (Z, c) erfolgt der Einsatz eines Kerbfilters um das Signal bei Schwingung bei der Resonanzfrequenz zu unterdrücken, welches um einige Größenord nungen, beispielsweise etwa 80 dB) stärker ist, als das Signal der interessierenden Schwingung außer Resonanz.

Anschließend erfolgt eine weitere zeitliche Mittelwertbildung mit einer Frequenz von

54 Hz.

Die Mittelwerte X, Y werden über eine Sekunde erfasst, und deren Standardabweichung wird ermittelt. Wenn die Standardabweichung unterhalb eines Schwellwerts liegt, werden die über eine Sekunde gemittelten Mittelwerte, ggf. nach weiteren Kompensationen von Queremp findlichkeiten, einerweiteren Langzeitanalyse zugeführt, anderenfalls werden sie verworfen. Die Langzeitanalyse umfasst eine Filterstufe T (Z, d) und berücksichtigt Werte über eine Zeitspanne in der Größenordnung von 1000 Sekunden. Auf Basis der solchermaßen aufbereiteten Werte für X und Y wird schließlich die Amplitude A des Schwingungssignals außer Resonanz ermittelt gemäß A = (X ² + Y ² ) ^1/2 . Diese Amplitude sollte im Verhältnis zum Erregersignal der Schwingung außer Resonanz konstant sein.

Die zu beachtenden Querempfindlichkeiten betreffen beispielsweise die Temperatur der Erreger bzw. Sensoren und/oder des Messrohrs, sowie den im Messrohr herrschenden Medien druck. Schließlich haben auch die Dichte bzw. die Resonanzfrequenz einen Einfluss auf das Sensorsignal, wenn der Schwingungssensor ein elektromagnetischer Sensor ist. In diesem Fall repräsentiert das Schwingungssignal eine Geschwindigkeit welche proportional ist zu erstens der gesuchten Amplitude der Auslenkung und zweitens zur dichteabhängigen Schwingungs frequenz.

Die Filterstufen vor dem Notch-Filter können als Fixed-Point-Filter, insbesondere mit 32 Bit oder 64 Bit realisiert werden, während für die letzte Filterstufe derzeit eine floating point Filterstufe bevorzugt wird.

Eine Realisierung der Filterstufe T (Z, w) ist in Fig. 3 dargestellt. Mit dieser Anordnung ergibt sich der n-te Ausgangswert out _n der Filterstufe aus dem vorhergehenden Ausgangswert out _n -i und dem n-ten Eingangswert in _n der Filterstufe zu: outn = (1 - w) X (in _n - outn- _l ) + OUtn- ₁ .

Der Faktor 1-w ist in der Fixed-Point-Rechnung darstellbar als

1 - w = (2 ^L - 2 ^N ) / 2 ^L , wobei beispielsweise L = 32 und N = 18 ... 24).

Mit dem Beschriebenen Verfahren kann das Verhältnis zwischen der Amplitude der Schwingung außer Resonanz und dem zugehörigen bei einem minimalen Erregerstrom von beispielsweise nur 1 mA hinreichend genau bestimmt werden um daraus Veränderungen des Messrohrs frühzeitig zu können. Aufgrund der Geringen Leistungsaufnahme für diese Über wachungsfunktion, bleibt hinreichend Leistung zur Verfügung, um die Messrohrschwingungen bei Resonanz anzuregen, und damit die eigentlichen Messaufgaben des Messaufnehmers zu erfüllen.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mess geräts 1 umfasst einen Oszillator 10 der ein Paar von parallel geführten schwingfähigen Messrohren 14 umfasst, die sich zwischen einem einlassseitigen Flansch 11 und einem auslassseitigen Flansch 12 erstrecken, wobei die Flansche jeweils einen Strömungstei ler bzw. Sammler umfassen, in den die Messrohre 14 münden. Die Strömungsteiler sind durch ein starres Gehäuse 15 miteinander verbunden, so dass Schwingungen der die Messrohre aufnehmenden Strömungsteiler im Bereich von Schwingungsfrequenzen von Biegeschwingungsnutzmoden des Oszillators wirksam unterdrückt sind. Die Messrohre 10 sind mit einer einlassseitigen Knotenplatte 20 und einer auslassseitigen Knotenplatte 21 starr verbunden, wobei die Knotenplatten Schwingungsknoten des durch die beiden der Messrohre 14 gebildeten Oszillators 10 definieren, und damit die Frequenzen der Biegeschwingungsnutzmoden weitgehend festlegen. Der Oszillator 10 wird mit einem zwischen den beiden Messrohren 14 wirkenden elektrodynamischen Erregers 17 zum Schwingen angeregt, wobei die Schwingungen mittels zweier Relativbewegungen der Messrohre 14 zueinander erfassender Schwingungssensoren 18, 19 detektiert werden. Der Erreger 17 wird von einer Betriebs- und Auswerteschaltung 30 betrieben, wobei letztere auch die Signale der Schwingungssensoren erfasst und auswertet, um einen Dichtemesswert und ggf. einen Massedurchflussratenmesswert zu ermitteln. Die

Betriebs- und Auswerteschaltung 30 ist erfindungsgemäß ebenfalls dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, also insbesondere eine Amplitude einer Schwingung außer Resonanz zu ermitteln und zu einem Erregersignal, welches eine Erregerkraft repräsentiert in Beziehung zu setzen. Die Betriebs- und Auswerteschaltung kann, anders als in Fig 4 dargestellt, auch mehrere, räumlich getrennte Module umfas sen. So kann die Berechnung der Amplitude der Schwingung außer Resonanz auch in einem abgesetzten Rechenmodul erfolgen, dem die erforderlichen Rohdaten übermittelt werden, beispielsweise drahtlos.