Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstromverhaltnisses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Wirbelströmungsmessgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19.

Aus dem Stand der Technik sind für die Durchflussmessung eines fluiden Mediums, zumeist Gasströmungen oder Dampfströmungen im Hochtemperaturbereich, in Rohrleitungen

verschiedener Messgeräte bekannt. Die Strömungen können zumindest zeitweise als zwei- oder mehrphasige Strömungen des fluiden Mediums vorliegen. Sie beinhalten dabei eine erste und eine zweite Phase, wobei die erste Phase zumeist ein Gas, wie bspw. Wasserdampf, und die zweite Phase ein Kondensat, wie bspw. Wasser, beinhaltet. Diese Art von Strömungen können durch Messvorrichtungen, wie Venturi-Düsen, Blenden oder Konus-Differenzdruckmeter gemessen werden. Dabei wird vornehmlich der Volumenstrom V des Gases in der zumindest zeitweise zwei- oder mehrphasigen Strömung gemessen und ist dabei unmittelbar vom

Massenstrom m _G , der den Transport eines Mediums in einer Zeiteinheit durch einen definierten Querschnitt bezeichnet, und der reziproken Dichte abhängig:

Ferner sind aus dem Stand der Technik Wirbelströmungsmessgeräte bekannt, die auf dem Prinzip der Kärmän'schen Wirbelstraße basieren und bisher für einphasige Strömungen eingesetzt wurden. Jedoch können diese Messgeräte auch für zweiphasige oder mehrphasige Strömungen eingesetzt werden.

Die DE 10 2009 001 525 A1 sowie die DE 10 2009 001 526 A1 beschreiben solche

Wirbelströmungsmessgeräte zum Überwachen und Messen eines in einer Rohrleitung

strömenden, zeitweise zwei- oder mehrphasigen Mediums. Dabei offenbart die DE 10 2009 001 526 A1 ein Messgerät mit einer Rohrleitung, in die zumindest ein Messrohr einsetzbar ist. Ferner sind ein Staukörper und ein Wirbelsensor, der auf die auftretenden Druckschwankungen anspricht und diese in elektrische Signale wandelt.

Die DE 10 2009 001 525 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen bzw. Messen eines vorgenannten Mediums, wobei Kärmän'sche Wirbel im strömenden Medium erzeugt werden. Die Wirbel lösen sich vom Staukörper mit einer Wirbelablösefrequenz f _v (auch Vortexfrequenz genannt) ab, die von einer momentanen Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums abhängt. Die durch die Wirbel erzeugten Druckschwankungen werden vom Wirbelsensor erfasst. Aus der Wirbelablösefrequenz f _v kann der Volumenstrom der gasförmigen, ersten Phase bestimmt werden. Aus dem Sensorsignal S wird ferner eine Nutzsignalkomponente M mit einem schmalen Frequenzband selektiert. Die relative Bandbreite ist dabei kleiner als 50 % der momentanen Wirbelablösefrequenz f _v . Mittels der Nutzsignalkomponente kann basierend auf einer Standardabweichung eines Amplitudenverlaufs und/oder einer Kurtosis der

Nutzsignalkomponente und/oder der Empfindlichkeit des Wirbelsensors ein Volumenstrom der zweiten, flüssigen Phase berechnet werden.

Bei der Durchflussmessung mit einem Wirbelströmungsmessgerät ergibt sich während der Messung einer zumindest zeitweise zwei- oder mehrphasigen Strömung ein vom

Massenstromanteil der Flüssigphase abhängiger Messfehler der bis zu einem Vielfachen der Messunsicherheit des Wirbelströmungsmessgerät und somit mehrere Prozent betragen kann. Dieser Messfehler wird mit ansteigendem vom Massenstromanteil der flüssigen Phase größer, mG,Vortex ^{~ Μ} β

^L m = : . ( ² )

mG,Vortex

wobei E _m den Messfehler, m _{G Vortex} den gemessenen Massenstrom und m _G den Massenstrom der gasförmigen Phase bezeichnet. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Messfehler verursacht durch den Massenstromanteils der Flüssigphase der Gasphase zu reduzieren und eine exakte Messung des Volumenstroms der gasförmigen Phase und hieraus abgeleitete Messgrössen, insbesondere Massenstrom der Gasphase, zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch ein Durchflussmess-Verfahren zur Bestimmung des

Massenstromverhältnisses x mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Die weitere Aufgabe, ein Wirbelströmungsmessgerät bereitzustellen, die eine einfache und dabei schnelle Messung der Durchflussrate einer gasförmigen Phase in einer zumindest zeitweise zwei- oder mehrphasige Strömung ermöglicht, wird durch ein Wirbelströmungsmessgerät mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 19 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen werden durch die Unteransprüche beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des

Massenstromverhältnisses (x) eines in einem Messrohr strömenden Mediums bestehend aus mehreren gasförmigen und flüssigen Phasen, wobei zumindest zeitweise neben der gasförmigen Phase eine Phase flüssig sein kann, in einem Wirbelströmungsmessgerät mit einem Sensor zur Erzeugung eines zu einer Wirbelablösefrequenz f _v korrelierten Sensorsignals S. Dabei weist die gasförmige Phase eine erste Dichte (p _G ) auf, die typischerweise von einer zweiten Dichte (p _L ) der flüssigen Phase verschieden ist. In einem ersten Schritt erfolgt ein Erzeugen von Kärmän'schen Wirbelstrasse im strömenden Medium zumindest im Bereich des Wirbelsensors mittels des Staukörpers, wobei die Wirbel mit einer von einer momentanen Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums abhängigen Wirbelablösefrequenz (f _v ) vom Staukörper abgelöst werden. In einem zweiten Schritt erfolgt das Erfassen von durch die Kärmän'schen Wirbel im strömenden Medium verursachten periodischen Druckschwankungen mittels des Wirbelsensors zum Erzeugen eines den Druckschwankungen korrespondierenden Sensorsignals S. Ferner wird in einem dritten Schritt eine Nutzsignalkomponente M aus dem Sensorsignal S selektiert, das ein, insbesondere schmales, die Wirbelablösefrequenz enthaltendes Frequenzband aufweist, insbesondere mit einer relativen Bandbreite kleiner als 50% der momentanen Wirbelablösefrequenz, wobei vorzugsweise die momentane Wirbelablösefrequenz der Mittenfrequenz der Frequenzbandbreite entspricht. Hiernach kann die Nutzsignalkomponente (M) zum Bestimmen eines Massenstromverhältnisses (x) des strömenden Mediums verwendet werden, wobei das Massenstromverhältnis (x) als ein Verhältnis des ersten Massenstroms rh _G der gasförmigen Phase zu einem Gesamtmassenstrom mit dem das Medium strömt definiert ist, insb. gemäss einer Rechenvorschrift: x = — .

m _L + rh _G

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen Messfehler E _m beim Messen des Massen- und Volumenstroms der gasförmigen Phase(n) im Falle einer vorliegenden

mehrphasigen Strömung - im Vergleich zu bisherigen Verfahren deutlich zu reduzieren. Hierbei ist der Vorteil, dass das Massenstromverhältnis dem Anwender nicht bekannt sein muss, da diese Information aus dem Sensorsignal S hervorgeht. Ferner kann eine eindeutige und stabile

Verwertung des Messsignals erfolgen, indem eine Auswertung unabhängig vom Amplitudenwert des Signals durchgeführt werden kann.

Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Bestimmen der ersten Dichte p _G der gasförmigen Phase oder der zweiten Dichte pi_ der flüssigen Phase durch Eingeben oder durch Messen mit der Dichte korrelierender Parameter, insbesondere einer Temperatur oder eines Drucks innerhalb des zweiphasigen Mediums, erfolgen kann. Dazu können beide Dichten p _L , PG extern über eine Datenverarbeitungseinheit, die mit dem Messgerät operativ verbunden werden kann, ein- oder vorgegeben werden, was insbesondere bei bekannten Medien vorteilhaft ist. Alternativ können die Dichten einzeln oder mittels geeigneter Sensoren während einer Kalibrierung vorbestimmt oder auch während der Messung direkt im Messgerät gemessen werden. Damit können auch zeitabhängige Schwankungen der Dichten erfasst werden. Des Weiteren können auch die mit der Dichte korrelierten Messgrössen Dichte und/oder Temperatur in die

Datnenverarbeitungseinheit mittels einer Ein/Ausgabeeinheit über Feldbusschnittstellen (z.B. 4.20mA, HART, PA,FF) von anderen Messgeräten eingelesen werden.

Bevorzugt kann die Wirbelablösefrequenz f _v mittels einer im Messgerät befindlichen Auswerte- Elektronik bestimmt werden, wie es allgemein bei Wirbelströmungsmessgeräten bekannt ist. Über die Wirbelablösefrequenz f _v wiederum kann dann mittels der Auswerte-Elektronik in bekannter Weise die Strömungsgeschwindigkeit der gasförmigen Phase eines in einer Rohrleitung strömenden zweiphasigen Mediums bestimmt werden.

Die Auswerte-Elektronik kann darüber hinaus aber auch eine quantitative Bestimmung der Wandströmung durchführen, wie insbesondere in der DE 10 2009 001 526 A1 beschrieben ist. Auf diese Detektion bzw. quantitative Bestimmung wird hier nicht nochmals explizit eingegangen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen die Nutzsignalkomponente aus dem Sensorsignal S um die Wirbelablösefrequenz f _v herum schmalbandig mittels eines dafür geeigneten Filters zu selektieren, wobei eine relative Bandbreite kleiner als 50 % einer Mittenfrequenz, die der

Wirbelablösefrequenz entspricht, sein kann. Es sind jedoch auch Anpassungen an die Bandbreite je nach Anforderung an die zu verwendende Nutzsignalkomponente möglich. Mittels einer selektiven Filterung können nur die Frequenzbereiche im Bereich um die Wirbelablösefrequenz f _v herum berücksichtigt werden, womit Störanteile mit Frequenzen, die sich von der

Wirbelablösefrequenz f _v unterscheiden, herausgefiltert werden.

Erfindungsgemäß wird die zeitlich abhängige Nutzsignalkomponente M als solches im Ganzen verwendet, und hieraus die oben genannten Größen bestimmt. Die Nutzsignalkomponente M besteht aus einem nach bestimmten Zeitpunkten abgetasteten, amplitudenbezogenen Signal und kann als solches angenähert durch folgenden Zusammenhang betrachtet werden:

M(t) = > (t) - sin(<»(t)) (3) wobei A ₀ die zeitabhängige Amplitude und ω die zeitabhängige Phase der Sinusschwingung bezeichnet, welche hier näherungsweise für die Phase der Vortexschwingung steht.

Insbesondere werden die zeitlichen Schwankungen des sinusförmigen Signals an jedem

Signalwert zu Rate gezogen, wozu in einem weiteren Schritt das Bestimmen wenigstens eines Schwankungswertes der Nutzsignalkomponente (M) über ein Zeitintervall, wobei die

Nutzsignalkomponente (M) im Zeitintervall vorzugsweise mehr als eine Periode der

Druckschwankungen der Strömung umfasst, erfolgen kann. Der Vorteil durch das Verwenden von Schwankungswerten der Nutzsignalkomponente ist, dass diese zeitlichen Schwankungen eine stabilere Information über den Zustand der Strömung liefern als die reine Verwendung der Amplitude des Sensorsignals oder der Nutzsignalkomponente, da das ganze zur Verfügung stehende Signal zur Auswertung herangezogen wird und nicht nur die Maximalwerte oder alternativ die RMS-Werte, wie es bei einem Amplituden-Messverfahren der Fall ist. Alternativ kann auch das Sensorsignal S direkt mit der vollen Bandbreite ausgewertet werden. Jedoch ergeben sich hier Nachteile, da möglichweise zusätzliche Störkomponenten im Signal enthalten sein können, die die Auswertung der Schwankungswerte massgeblich beeinflussen und zu fehlerhafter Bestimmung des Massenstromverhältnisses führen können.

In einem Wirbeldurchflussmesssystem bemisst sich der Volumenstrom V im Wesentlichen aus der Wirbelablösefrequenz f _v . Letztere kann dazu verwendet werden, eine

Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen, die in erster Näherung direkt proportional zum

Volumenstrom V des Mediums ist. Aus dem Volumenstrom kann in einer Weiterbildung der Erfindung auch ein reiner Massenstrom m der gasförmigen Phase bestimmt und ausgegeben werden.

Um zutreffende Aussagen über das Massenstromverhältnis der mehrphasigen Strömung treffen zu können, ist es notwendig, dass zuvor eine statistische Auswertung der aus dem Sensorsignal S selektierten Nutzssignalkomponente erfolgt. Hierbei sieht die Erfindung bevorzugt vor, dass in einem weiteren Schritt die Bestimmung wenigstens eines Schwankungswertes der

Nutzsignalkomponente (M) über ein Zeitintervall, wobei die Nutzsignalkomponente (M) im

Zeitintervall vorzugsweise mehr als eine Periode der Druckschwankungen der Strömung umfasst, insb. eine Standardabweichung (σ) eines Amplitudenverlaufs der Nutzsignalkomponente und/oder einer Kurtosis (Ku) der Nutzsignakomponente, erfolgt.

Zur statistischen Auswertung kann eine Standardabweichung σ eines Amplitudenverlaufs der Nutzsignalkomponente M sowie die Kurtosis Ku der Nutzsignalkomponente M des Sensorsignals S ermittelt werden, wie es auch in der DE 10 2009 001 525 A1 oder der DE 10 2009 001 526 A1 beschrieben wird. Die Standardabweichung σ oder die Kurtosis Ku kann zur Ermittlung des Massenstromverhältnisses (x) der mehrphasigen Strömung herangezogen werden, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten der gasförmigen Phase oberhalb einer zu bestimmenden minimalen Grenz-Strömungsgeschwindigkeit liegt, die ihrerseits abhängig von dem jeweiligen

Wirbelströmungsmessgerät sein kann. Die Kurtosis Ku kann als normiertes viertes zentrales Moment ein Maß für die Steilheit einer statistischen Verteilung sein. Ferner sind auch die

Momente Varianz und Schiefe zur weiteren Auswertung aus dem Messsignal bestimmbar. Bevorzugt kann eine Ausführungsform der Erfindung vorsehen, dass in einem weiteren Schritt unter Verwendung der Nutzsignalkomponente M das Massenstromverhältnis x der gasförmigen Phase zu der flüssigen Phase bestimmt werden kann. Es sind diverse charakteristische Größen gegeben, um die hier vorgenommene Durchflussmessung zu beschreiben. Diese charakteristischen Größen können in Kombination verwendet werden.

Dabei ist neben der Wirbelablösefrequenz f _v der Massenstromanteil x als charakteristische Größe hervorzuheben:

m _L + m _G m _L + m _G

Das Verhältnis der Massenströme m _G der gasförmigen Phase und th _L der flüssigen Phase wird auch als Massenstromanteil x bezeichnet und wird in Dampfströmungen auch oft als

Dampfqualität oder Dampfgehalt benannt. Er drückt das Verhältnis der Massen der beiden

Phasen aus die in einer bestimmten Zeiteinheit durch den Messrohrquerschnitt strömen, wobei m _G die Masse der gasförmigen Phase und m _L die Masse der flüssigen Phase ist. Das

Massenstromverhältnis x kann aus dem mit den Druckschwankungen korrespondierenden Sensorsignal und den allgemeinen Prozessbedingungen gewonnen werden, wobei in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Massenstromverhältnis x eine Funktion einer Funktion der zeitabhängigen Nutzsignalkomponente M, der Dichten p _L , PG und der

Wirbelablösefrequenz f _v sein kann:

X = f(g( (t)), _Pg (t), _Pl (t), fy ( ). (5)

Die charakteristischen Größen sind in der Regel zeitabhängig und können als solche auch zeitabhängig im Messgerät erfasst werden.

Zu Bestimmung des Massenstromverhältnis x ist eine Funktion g( M(t)) notwendig. Die Funktion g(M(t)) stellt ein Mass der Schwankungsgrösse der Nutzsignalkomponente M dar. Als

Schwankungsgrösse kann insbesondere die Kurtosis Ku der Nutzsignalkomponente M oder die Standardabweichung der aus der Nutzsignalkomponente M ermittelten Amplitude A ₀ (t) herangezogen werden. g(M(t)) = Ku(M(t))

(5a) g(M(t)) = a(A ₀ (t))

Zur genaueren Bestimmung von x kann zusätzlich auch die Dichten ,p _G (t),p _L (t) und die

Vortexfrequenz f _v (t) herangezogen werden.

Geeigneter Weise kann x eine Funktion der Kurtosis Ku und einer Froude-Zahl, insbesondere densiometrischen, Froude-Zahl Fr' sein: x = f(Ku,Fr).

(6)

x = f(Ku,Fr')

Beispielsweise kann die Erfindung vorsehen, dass der Massenstromanteil x aus Polynomen höherer Ordnung, der vorgenannten Größen Ku und Fr oder Fr' bzw. auch nur anhand er Kurtosis Ku gebildet wird:

^• Ku + a _n ^■ Ku ² + a _n , - Fr'+a, , - Ku - Fr'+a , ^■ Ku ^2■ Fr'+...

M N

ΣΣ ^α ? ' ^Kui ' ^Fr ' ^J (N > l M > 0)

x = a ₀ + a _{ ^■ Ku + a ₂ - Ku ² + ... = Ύ_ _ι α _ί - Ku ¹ (N > 1)

Die Koeffizienten der einzelnen Terme können in einfacher Weise durch Fit-Funktionen oder andere Approximationsfunktionen angenähert und bestimmt werden.

Die densiometrische Froude-Zahl Fr ist dabei - als Verhältnis von Trägheits- zur Schwerkraft - ein Maß bspw. für die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und bemisst sich gemäß

Dabei ist u _G s eine Leer-Strömungsgeschwindigkeit und D eine charakteristische Länge des Messgeräts und entspricht insbesondere dem Durchmesser des Messrohres. Die Froude-Zahl Fr beinhaltet damit den Einfluss der Leerrohrgeschwindigkeit der gasförmigen Phase. Die Froude- Zahl Fr kann vorteilhaft unter Verwendung der Nutzsignalkomponente bestimmt werden. Dazu kann die Leer-Strömungsgeschwindigkeit u _GS im Rohr mit Querschnittsfläche A _M aus

der Wirbelablösefrequenz f _v bestimmt werden. Die Dichten p _G , pi_ der beiden Phasen spielt ebenfalls eine Rolle.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann alternativ die Empfindlichkeit c eines Sensors als Maß dienen, um das Massenstromverhältnis x aus dem Sensorsignal S erhalten zu können. Dabei kann bei einem sinusförmigen Signal die Empfindlichkeit c aus der Steigung im Nulldurchgang und der Frequenz des Sensorsignals S geschätzt werden. Vorzugsweise wird anstelle des

Sensorsignals hierzu die Nutzsignalkomponente M verwendet:

3 (9)

Aus der Empfindlichkeit c des Sensors lässt sich auch eine Amplitude A' ableiten, selbst wenn das sinusförmige Signal gesättigt ist und eher wie ein Rechtecksignal aussieht. Eine abgeleitete Amplitude A' könnte wie folgt abgeschätzt werden:

(10)

2π

Damit können weiterführende Größen bestimmt werden oder die bisherigen Berechnungen im Vergleich zur herkömmlichen Auswertung über den Amplitudenwert des Messsignals überprüft werden. Durch Nutzen der Empfindlichkeit c kann die Amplitude aus dem

Berechnungsformalismus herausfallen und muss daher für die vorliegend dargestellte

Volumenstrombestimmung nicht herangezogen werden. Der Volumenstrom V kann damit unabhängig von einer Signalsättigung ermittelt werden.

Damit ein Messfehler E _m des gemessenen Volumenstroms der gasförmigen Phase V _G in einer mehrphasigen Strömung reduziert werden kann, wird ein Korrekturwert K _G benötigt. Zur

Bestimmung eines geeigneten Korrekturwerts K _G = f(x, Fr) kann Gleichung (2) zunächst umgestellt werden:

m _G = m _Gyortex - (1 - EJ . (1 1 ) Erfindungsgemäß ist es möglich, den Messfehler E _m rein in Abhängigkeit vom Massenstromanteil x und der Froude-Zahl Fr, insbesondere der densiometrischen Froude-Zahl zu beschreiben, so dass der Messfehler E _m unabhängig von einem Druck p in der Leitung wird.

Bevorzugt kann eine Ausführungsform der Erfindung nun vorsehen, dass in einem weiteren Schritt ein Korrekturwert K _G in Abhängigkeit des Massenstromverhältnisses x bestimmt wird und hiernach in einem nächsten Schritt der Volumenstrom der gasförmigen Phase V _G mittels dem

Korrekturwert K _G korrigiert wird. Zur Bestimmung des Korrekturwerts K _G kann ferner vorgesehen sein, dass der Korrekturwert K _G aus einem Polynom zweiten Grades des Massenstromverhältnisses x erstellt wird.

K _G = b ₀ + b x + b ₂ - x ² . (12) Die Koeffizienten b ₀ , b-ι und b ₂ sind wiederum einfach mittels bekannter Näherungsverfahren zu bestimmen. In einer Weiterbildung kann der Korrekturwert K _G auch von der Froude-Zahl Fr abhängig sein, wozu weitere Terme der Funktion hinzugefügt werden können. Dazu können weitere von der Froude-Zahl Fr abhängige polynomische Terme, bevorzugt zweiten Grades, an die Korrekturfunktion angehängt werden.

Der Volumenstrom der gasförmigen Phase V _G kann mittels K _G wie folgt in einfacher Weise korrigiert werden:

V' _G = K _G - V _G . (13)

Aus diesem korrigierten Volumenstrom der gasförmigen Phase V' _G lässt sich, auch ein korrigierter Massenstrom m jeweils für die gasförmige Phase bestimmen: m _G = p _G - V' _G . (14)

Damit kann mit der gemessenen Dampfqualität x der Gesamtmassenstrom m = m _G + m _L und somit auch der Massenstrom der flüssigen Phase th _L bestimmt werden. m = ,

x

l - X v,

™ _L = p _G - V _G .

x

Vorteilhaft kann mit diesem Korrekturverfahren die Messunsicherheit des Gesamtmassenstroms in einem großen Messbereich auf ±2% reduziert werden, wodurch eine besonders genaue Messung der D urc hfl uss rate im Vergleich zu einem un korrigierten Durchflussmessgerät erreicht werden kann. Schließlich kann die Erfindung vorsehen, dass zur Information eines Messgerät-Benutzers die ermittelten Werte des Massenstromverhältnisses x oder des korrigierten Volumenstroms der gasförmigen Phase V' _G oder der Massenströme m , m _G und th _L ausgegeben werden. Alternativ können alle Werte ausgegeben werden. Das Ausgeben kann mittels eines am Messgerät befindlichen Displays oder einer separaten Anzeigeeinheit erfolgen. Die Messwerte stehen über eine an eine Ausgabeeinheit angeschlossene elektrische Signalleitung oder Datenleitung, auch weiteren Datenverarbeitungseinheiten, wie bspw. einem oder Computer oder Prozessleitsystem zur weiteren Verwertung zur Verfügung. Die Messdaten sind damit online schnell und einfach darstellbar.

Ferner betrifft die Erfindung ein Wirbelströmungsmessgerät zur Bestimmung des

Massenstromverhältnisses einer mehrphasigen Strömung, wobei das Wirbelströmungsmessgerät einen Staukörper zum Erzeugen von Kärmän'schen Wirbeln in einem strömenden Medium,

einen, insbesondere stromab oder innerhalb des Staukörpers platzierten, Wirbelsensor zum Erfassen von durch Kärmän'schen Wirbel im strömenden Medium verursachten periodischen Druckschwankungen und zum Erzeugen eines mit den Druckschwankungen korrespondierenden Sensorsignals (S),

- sowie eine mit dem Wirbelsensor elektrisch verbundene Datenverarbeitungseinheit, die dafür eingerichtet ist, basierend auf dem Sensorsignal (S) wenigstens einen das Massenstromverhältnis (x) repräsentierenden Ausgabewert zu generieren,

umfasst.

Vorteilhaft ist bei dieser Vorrichtung möglich, den Massenstromanteil x, sowie alle weiteren benötigten oben genannten Größen für den Korrekturwert aus dem Sensorsignal S im Messgerät selbst zu bestimmen. Dies muss bei anderen Messgeräten dagegen durch zusätzliche

Messeinrichtungen erfolgen. Das Messgerät kann vorteilhaft die erforderlichen Messgrößen erfassen, verarbeiten und einem Benutzer schnell und unkompliziert anzeigen oder als Messwert über eine Ausgabeeinheit zur Verfügung stellen..

Das Messgerät kann zur Durchführung der oben beschriebenen Auswertung des Messsignals eine Auswerte-Elektronik aufweisen, die neben der Datenverarbeitungseinheit auch mit dem Sensor verbundene Messschaltungen oder eine separate Mess- und Regelungseinheit zur Erfassung und Berechnung der Messsignale umfassen kann. Die Datenverarbeitungseinheit kann zum Auslesen der berechneten Messdaten auch mit einem separaten Computer oder einem Prozessleitsystem verbunden werden. Die zur Überwachung eines Durchflusses benötigten Daten können hiermit schnell erfasst und weiterverarbeitet werden. Sollte ein Fehler auftreten, kann ein Benutzer zügig eingreifen. Sollten die Werte für das Massenstromverhältnis x oder der Froude-Zahl eine vorbestimmte Grenze überschreiten bzw. nicht mehr dem Messbereich unterfallen, so kann erfindungsgemäß ein im Messgerät integriertes Alarmsystem integriert sein, wobei neben einer akustischen auch eine optische Warnung an dem Display des Messgeräts ausgegeben werden kann. Ein

Beispielhafter Grenz- oder Schwellwert kann etwa eine Dampfqualität von 80% sein. Ferner kann das Alarmsignal auch über die Ausgabeeinheit an die angeschlossenen Feldbusse und damit an das über die Feldbusse verbunden Prozessleitystem mitgeteilt werden. Damit kann ein Benutzer vorteilhaft gewarnt werden, wenn der Messbereich des Messgeräts nicht eingehalten wird, um Schäden in Anlagen zu vermeiden.

Zur korrigierten Volumenstrombestimmung bzw. die Ermittlung der Korrekturfunktion können alle benötigten Größen, so insbesondere die densiometrische Froude-Zahl Fr und der

Massenstromanteil x, im Messgerät selbst gemessen werden. Im Vergleich zum Stand der Technik ist dies damit besonders vorteilhaft, da bei den anderen Messsystemen, wie Venturi Düsen, Blenden oder Konus Differenz-Druckmeter der Massenstromanteil x über ein anderes Messsystem bestimmt werden muss. Die Messung kann dadurch komfortabel und schnell in bestehende Messanlagen integriert oder mobil zur schnellen Messung von Durchflüssen zwei oder mehrphasiger Strömungen eingesetzt werden. Weitere Ausführungsformen, sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren

Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung deutlich und besser verständlich. Unterstützend hierbei ist auch der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung. Gegenstände, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Diagramm des Fehlers des gemessenen Massenstroms der gasförmigen Phase über dem Massenstromverhältnis x,

Fig. 3 ein Diagramm einer Anzahl an Messwerte über Residuen zu einer Korrekturfunktion, und Fig. 4 ein Diagramm der Messunsicherheit des Massenstromverhältnis x in Abhängigkeit der densiometrischen Froude-Zahl Fr.

In Fig. 1 ist ein Ablauf der Messung und der vorzunehmenden Berechnungen in einem

Wirbelströmungsmessgerät dargestellt. Das Wirbelströmungsmessgerät ist im Wesentlichen aus einem Messrohr gebildet, in dem ein Medium fließt. Ein solches fluides Medium kann flüssig oder gasförmig sein, oder aber zweiphasig mit einer gasförmigen ersten Phase und einer flüssigen zweiten Phase sein. Beispiele für zwei Phasengemische sind Luft und Wasser bzw. Dampf und Wasser oder Öldampf und Öl. Auch andere Phasenzusammensetzungen oder mehr als zwei Phasen sind möglich.

In den Rohrabschnitt hinein erstreckt sich ein Staukörper als Strömungshindernis, an dem sich eine Kärmän'sche Wirbelstraße ausbilden kann. Das Wirbelströmungsmessgerät weist zudem einen Mess-Rohrabschnitt auf, der sich in die Strömung erstreckt. Der Mess-Rohrabschnitt weist ferner einen Sensor auf, der als ein mechanisch-elektrischer Wandler arbeitet, wobei in der Regel ein piezoelektrischer oder kapazitiver Wandler verwendet wird.

In Schritt A1 strömt das zu messende Medium durch das Messrohr, wobei sich am

Strömungshindernis, dem Staukörper, eine Karman'sche Wirbelstraße entwickelt und mit der Durchflussgeschwindigkeit korrelierende Druckschwankungen erzeugt werden, die in Schritt A2 von einem im Staukörper oder nachfolgend angeordneten Sensor erfasst wird. Hierbei werden die durch die Kärmän'schen Wirbel verursachten periodischen Druckschwankungen in ein elektrisches Messsignal gewandelt, und einer Auswerte-Elektronikübermittelt. Die Auswerte- Elektronik ist innerhalb des Messgeräts angeordnet und weist eine Datenverarbeitungseinheit auf, welche das Messsignal in das Sensorsignal S vorzugsweise digital wandelt.

In Schritt A3 wird aus dem Sensorsignal S die Nutzsignalkomponente M selektiert. An dieser Stelle wird zunächst ein schmalbandiger Frequenzbereich um die Wirbelablösefrequenz f _v als Nutzsignalkomponente M ausgewählt Diese enthält sowohl die Information der

Wirbelablöseperioden als auch die Information zur Berechnung des Massenstromverhältnisses. In Schritt A4 wird der Auswerteelektronik des Weiteren Druck und Temperatur des Mediums zur Verfügung gestellt. Dies geschieht entweder durch unmittelbare Eingabe von Werten in das Gerät durch den Nutzer oder aber die Grössen Druck und Temperatur werden durch zusätzliche Sensorik im Wirbelströmungsmessgerät gemessen oder aber über eine Feldbusschnittstelle eingelesen (4-20mA Stromeingang, HART, PA, FF).

Wie oben beschrieben, werden nun die Messsignale ausgewertet; die Schritte B1 bis B4 der Schrittfolge B werden parallel oder in einer vorbestimmten Reihenfolge durchgeführt. Die

Nutzsignalkomponente M wird nach der Wirbelablösefrequenz f _v analysiert und letztere bestimmt (Schritt B1 ) und in der weiteren Auswertung verwendet. Dem Fachmann ist die Bestimmung der Wirbelablösefrequenz f _v aus der Nutzssignalkomponente M bekannt. .

Die Nutzsignalkomponente M wird über die Zeit aufgenommen, so dass die zeitliche Schwankung aufgezeichnet werden kann. Die Nutzsignalkomponente wird hiernach über ein Zeitintervall einer statistischen Auswertung unterzogen, wobei neben einer Standardabweichung σ auch die Kurtosis Ku in Schritt B4 berechnet wird. Daneben können mittels weiterer Sensoren, die im Mess- Rohrabschnitt angeordnet sind, Messgrößen wie Temperatur T (Schritt B2) oder optional auch der Druck p (Schritt B3) gemessen oder eingegeben werden. Aus dem Messsignal M und der Temperatur T und ggf. dem Druck p können im weiteren

Zusammenhang in Schritt B5 physikalische Größen, wie die Dichte p des Mediums, Dichte der gasförmigen Phase p _G sowie Dichte der flüssigen Phase p _L bestimmt werden. Die Dichten der beiden Phasen können je nach Anforderung entweder intern im Messgerät oder extern mittels geeigneter Sensoren gemessen werden. Die Dichten können aber auch von außen eingegeben werden oder vorbestimmt in der Auswerte-Elektronik implementiert sein, falls die

durchströmenden Medien und deren Dichten bekannt sind.

Im darauffolgenden Schritt C2 wird die Froude-Zahl Fr, insbesondere die densiometrische Froude- Zahl Fr' unter Zuhilfenahme der in Schritt B1 bestimmen Wirbelablösefrequenz f _v errechnet, wie auch aus Gleichung (8) ersichtlich ist. Vorrangig wird eine densiometrische Froude-Zahl Fr ^' bestimmt, die durch die spezifischen Werte des Messgeräts an die jeweilige Messsituation angepasst wird.

Berechnungsschritte C3 und B6 überprüfen, ob jeweils die Kurtosis Ku bzw. die densiometrische Froude-Zahl Fr in einem vorbestimmten Messbereich liegen.

Sind die Werte außerhalb der Messbereiche, so bspw. bei einer Ku grösser als 3, der Wert „Massenstromanteil unter Minimum" (Schritt H) zurückgegeben. Dies zeigt an, dass der

Massenstromanteil x zu klein ist. Die Meldung kann als Warnmeldung zurückgegeben werden, wobei das Messgerät eine akustische oder optische Warnmeldung ausgibt. Dazu können die Werte auf einer Anzeigeeinheit, wie einem Display direkt an dem Messgerät ausgegeben werden. Ferne kann auch ein Alarmsignal über eine an die Ausgabeeinheit angeschlossene

Feldbusschnittstelle (4-20mA, HART, PA, FF) ausgegeben werden. Für eine Froude-Zahl außerhalb des Messbereichs wird ebenfalls der Wert„außerhalb des

Messbereichs" in Schritt C4 ausgegeben. In beiden Fällen ist die Auswertung zu Ende und es wird ebenfalls eine Warnung ausgegeben.

Sind in beiden Abfragefällen (Schritte C3 und B6) die Werte innerhalb des vorbestimmten Messbereichs, wird die Berechnung fortgeführt und der Schritt J als nächstes ausgeführt.

Ferner wird in Schritt C1 der Volumenstrom V _G aus der Wirbelablösefrequenz f _v bestimmt. In

Schritt D wird daraufhin, unter Verwendung der Frequenz f _v , der Dichten p _G , Pi_ der beiden Phasen oder auch der Froude-Zahl Fr insbesondere der densiometrischen Froude-Zahl Fr' und der Kurtosis Ku, der Massenstromanteil x berechnet, wie in Gleichungen (5) bis (7) beschrieben ist.

In Schritt J erfolgt eine Abfrage, ob der berechnete Wert des Massenstromanteils x unterhalb eines Minimums fällt. Falls ja, wird ebenfalls zu Schritt H geleitet (siehe oben), anderenfalls wird der Wert des Massenstromanteils x in Schritt G2 zurückgegeben und der Ermittlung der Funktion zur Ermittelung des Korrekturwerts K _G in Schritt E1 zur Verfügung gestellt.

In den Schritten E1 und E2 können jeweils Korrekturwerte für den gasförmigen Volumenstrom V _G aus dem Massenstromanteil x und der densiometrischen Froude-Zahl Fr ^' , wie es in Gleichung (12) gezeigt wurde, oder aus der Kurtosis Ku und der densiometrischen Froude-Zahl Fr ^' , berechnet werden. Die verwendete Korrekturfunktion kann nach den jeweiligen Anforderungen an die Messfehler ausgewählt oder auch in Kombination verwendet werden.

Schließlich kann in Schritt F der gasförmige Volumenstrom V _G mit dem Korrekturwert K _G nach Gleichung (13) korrigiert werden und hiernach als korrigierter gasförmiger Volumenstrom

V' _G ausgegeben werden (Schritt G1 ).

Aus dem korrigierten gasförmigen Volumenstrom V' _G können ferner die Massenströme m _G und th _L jeweils der einzelnen Phasen sowie der Gesamtmassenstrom m _Tot berechnet und ausgegeben werden (Figurativ nicht dargestellt).

Die Schrittabfolge ist hierbei nicht unbedingt sequentiell durchzuführen, sondern kann auch parallel implementiert werden.

In Fig. 2 sind die Messwerte für Froude-Zahlen Fr von 1 bis 1 ,9 dargestellt. In diesem Bereich ist der Einfluss der Froude-Zahl so gering, so dass diese Messwerte zusammen in einem Diagramm dargestellt werden können. Dazu wurde der Verlauf einer Nähe der Korrekturfunktion für Fr = 1 ,4 aufgezeichnet. Zudem sind ein 95 % Vertrauensband VB und ein Prognoseband PB dargestellt. Das Vertrauensband VB sagt dabei aus, welcher Verlauf der Korrekturfunktion anhand der vorhandenen Messwerte plausibel ist. Das Prognoseband PB definiert die Grenzen worin zukünftige Messwerte mit einer 95%-igen Wahrscheinlichkeit streuen werden. Dem Fachmann ist die Bestimmung dieser Bänder aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei wurde bei

Messungen beobachtet, dass es keinen systematischen Einfluss vom Druck des im Messgerät fließenden Mediums gibt, weshalb er in diesen Berechnungen lediglich optional gemessen werden kann.

Um ein Maß für die Reduzierung des Fehlers im Gesamten zu erhalten, kann der Fehler FE _m des korrigierten Volumenstroms V' _G durch einfache Fehlerrechnung abgeschätzt werden und mit dem vorher gemessenen Fehler E _m verglichen werden. In Fig. 3 sind die Residuen r der

Korrekturfunktion gezeigt, die die Abweichungen des gemessenen Fehlers E _m zu dem mit der Korrekturfunktion berechneten Fehlers FE _m darstellen. r = E . - FE . (15)

Die Werte der Residuen r liegen im Bereich von ±1 ,5% und haben eine relative

Standardabweichung σ von ca. 0,6%.

Die Standardmessunsicherheit des Massenstromanteiles x ist hierbei in Fig. 4 dargestellt. Dabei ist der Massenstromanteil x über der Froude-Zahl Fr aufgetragen, wobei vorzugsweise ein Messbereich von 0,75 - 1 für den Massenstromanteil x verwendet wird (gestrichelte Linie). Die Standardmessunsicherheit ist dabei als durchgezogene Linien für unterschiedliche

Massenstromanteilwerte erkennbar. Zur unteren Grenze 0,75 hin erhöht sich der Messfehler E _m leicht um bis zu 0,5 % Punkte.

Es kann auch eine totale Messunsicherheit gemäß DIN13005:1999 betrachtet werden, wobei für den berechneten Korrekturwert die gesamte Messunsicherheit nach dem Gauß'schen

Fehlerfortpflanzungsgesetz berechnet werden kann. Die totale Messunsicherheit wird in der Regel auf einem 2-Sigma Niveau angegeben; diese Angabe bedeutet, dass von den durchgeführten Messungen 95 % innerhalb dieser angegebenen Messunsicherheit liegen.

Dazu wird der korrigierte Massenstrom der gasförmigen Phase m _G = m _G - (1 - E (16) mit dem Massenstromanteil x zum Gesamtmassenstrom m _G , m,

(17) berechnet, woraus die Messunsicherheit des Gesamtmassenstroms folgt:

Hierbei ergibt sich, dass die totale Messunsicherheit bei einem Massenstromanteil von x = 0,9 bei ungefähr bei 2% liegt. Mit sinkendem Massenstromanteil steigt diese auf 2,7% an. Der Grund für diesen Anstieg ist die höhere Messunsicherheit des Massenstromanteiles x in diesem Bereich.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die, unter Bezugnahme auf die Figuren erläuterten

Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können auch alternative, statistische Auswertemöglichkeiten angewendet werden.. Daneben bestehen auch noch weitere, dem Fachmann geläufige Methoden zur Auswertung der oben genannten Messsignalkomponenten sowie zur Bestimmung der Wirbelablösefrequenz aus dem Messsignal.

Bezugszeichenliste

M Nutzsignalkomponente

S Sensorsignal

fv Wirbelablösefrequenz

E _m Messfehler Massenstrom

X Massenstromanteil

T Temperatur

P Druck

PG, PL Dichte, gasförmige und flüssige Phase σ (relative) Standardabweichung

Ku Kurtos is

Fr Froude-Zahl

Fr' Densiometrische Froude-Zahl

V Volumenstrom

m Massenstrom

A - J Verfahrens- und Berechnungsschritte