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1. WO2020126287 - VERFAHREN ZUM ERMITTELN EINES PHYSIKALISCHEN PARAMETERS EINER MIT GAS BELADENEN FLÜSSIGKEIT

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Verfahren zum Ermitteln eines physikalischen Parameters einer mit Gas beladenen Flüssigkeit

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines physikalischen Parameters einer mit Gas beladenen Flüssigkeit mittels eines Mess-aufnehmers mit mindestens einem Messrohr zum Führen der mit Gas beladenen Flüssigkeit, wobei das Messrohr einen einlassseitigen Endabschnitt und einen auslassseitigen Endabschnitt aufweist, wobei der Messaufnehmer mindestens eine einlassseitige Fixiervorrichtung und eine auslasseitige Fixiervorrichtung aufweist, mit denen das Messrohr jeweils in einen der Endabschnitte fixiert ist, wobei das Messrohr zwischen den beiden Fixiervorrichtungen zu Schwingungen anregbar ist, wobei aus dem Schwingungsverhalten des Messrohrs Massedurchfluss und Dichte der mit Gas beladenen Flüssigkeit bestimmbar sind. Die Messwerte für Massedurchfluss und Dichte weisen jedoch Querempfindlichkeiten zur Schallgeschwindigkeit bzw. Kompressibilität der mit Gas beladenen Flüssigkeit auf, welche mit zunehmender Gasbeladung steigt. Eine Kompensation dieser Querempfindlichkeiten ist daher erwünscht.

Aus der Veröffentlichung WO 01/01086 A1 ein Verfahren zur Kompressibilitäts kompensation bei der Massedurchflussmessung in einem Coriolis

Massedurchflussmesser offenbart, Dabei wird eine jeweils eine Massedurch flussmessung bei zwei unterschiedlichen Moden durchgeführt, von denen einer ein Biegeschwingungsmode und ein anderer ein Radialmode ist. Aus dem Vergleich der Massedurchflusswerte die mittels dieser beiden Moden ermittelt werden. Dies ist jedoch insofern ein problematischer Ansatz, als die Radialmodeschwingungen erhebliche Abhängigkeit vom Strömungsprofil und vom atatischen Druck aufweisen zudem sind mehr Sensoren als die üblichen zwei erforderlich, um sowohl Biegeschwingungen als auch Radialmodeschwingungen erfassen zu können. Gleichermaßen ist eine komplexere Erregerstruktur erforderlich.

In erster Näherung kann der Zusammenhang eines vorläufigen Dichtewerts p einer mit Gas beladenen Flüssigkeit auf Basis der Eigenfrequenz f eines fi-Modes beschrieben werden als:


wobei Coi, Cii, und Cz, modenabhängige Koeffizienten sind .

Die obige Näherung berücksichtigt jedoch nicht die Einflüsse der schwingenden mit Gas beladenen Flüssigkeit im Messrohr. Je näher die Resonanzfrequenz der schwingenden mit Gas beladenen Flüssigkeit an der Eigenfrequenz eines

Biegeschwingungsmodes liegt, desto stärker ist die Beeinflussung der Eigenfrequenz.

Da die Resonanzfrequenz gewöhnlich oberhalb der Eigenfrequenz der Messrohre liegt, ist der Einfluss auf den f3-Biegeschwingungsmode größer als der Einfluss auf den fi-Biegeschwingungsmode. Dies führt zu unterschiedlichen vorläufigen modenspezifischen Dichtewerten, wobei das Verhältnis zwischen den vorläufigen Dichtewerten die

Möglichkeit eröffnet, den Einfluss der schwingenden mit Gas beladenen Flüssigkeit zu ermitteln und zu korrigieren. Dies ist in der Offenlegungsschrift mit dem Aktenzeichen DE 10 2015 122 661 A1 beschrieben. Wenn jedoch die Resonanzfrequenz der mit Gas beladenen Flüssigkeit mit einer Eigenfrequenz eines Biegeschwingungsmodes übereinstimmt, wird dieser vollständig unterdrückt. Damit kann in dieser Situation mit dem zuvor beschriebenen Ansatz nicht gearbeitet werden. Die Offenlegungsschrift DE 10 2016 005 547 A1 schlägt in dieser Situation vor, einen Wert für die Eigenfrequenz des unterdrückten Biegeschwingungsnutzmodes durch Multiplikation der Eigenfrequenz des anregbaren Biegeschwingungsnutzmodes mit einem Faktor zu ermitteln. Dies ermöglicht zwar eine gewisse Verbesserung der Messgenauigkeit, da aber die auszuwertende Information gerade in dem Frequenzverhältnis enthalten ist, bedeutet die Ermittlung der unbekannten zweiten Frequenz durch die Multiplikation einer ersten Eigenfrequenz mit einem zu schätzenden nicht exakt verfügbaren Faktor, dass man letztlich mit einer mehr oder weniger zutreffenden Modell das Messergebnis beeinflusst.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für diese Situation eine verbesserte Lösung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 .

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Ermitteln eines physikalischen Parameters einer Flüssigkeit, welche eine Gasbeladung aufweist, wobei das Gas insbesondere in Form von suspendierten Blasen in der Flüssigkeit vorliegt, mittels eines Messaufnehmers mit mindestens einem Messrohr zum Führen des Mediums, wobei das mindestens eine Messrohr einen einlassseitigen Endabschnitt und einen auslassseitigen Endabschnitt aufweist, wobei der Messaufnehmer mindestens eine einlassseitige Fixiervorrichtung und eine auslassseitige Fixiervorrichtung aufweist, mit denen das Messrohr jeweils in einen der Endabschnitte fixiert ist, wobei das Messrohr zwischen den beiden Fixiervorrichtungen zum Schwingen in mindestens einem Biegeschwingungsmode

anregbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anregen des

Messrohrs mit einer Eigenfrequenz eines Biegeschwingungsmodes, insbesondere des Biegeschwingungsnutzmodes bzw. fi-Modes; Ermitteln einer unterdrückten

Anregungsfrequenz, bei welcher die Schwingungsamplitude des Messrohrs minimal ist bzw. verschwindet; Identifizieren der unterdrückten Anregungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz der mit Gas beladenen Flüssigkeit; Ermitteln eines

Dichtekorrekturterms als Funktion der Resonanzfrequenz zur Korrektur eines vorläufigen Dichtemesswerts und/oder eines Massedurchflusskorrekturterms als Funktion der Resonanzfrequenz zur Korrektur eines vorläufigen Massedurchflussmesswerts, und/oder Ermitteln der Schallgeschwindigkeit der mit Gas beladenen Flüssigkeit im Messrohr als Funktion der Resonanzfrequenz.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die unterdrückte Anregungsfrequenz durch Abtasten eines Frequenzbereichs ermittelt, wobei das Abtasten des Frequenzbereichs, insbesondere das Ausgeben von Erregersignalen mit einer Folge von Anre-gungsfrequenzen in dem Frequenzbereich zum Anregen von Messrohrschwingungen, und das Erfassen der frequenzabhängigen Schwingungsamplituden umfasst.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die unterdrückte Anregungsfrequenz ermittelt mittels: Anregen von Schwingungen mit einem Anregungssignal in Form von weißem Rauschen; Erfassen der resultierenden zeitabhängigen Auslenkung des Messrohrs; Transformieren der zeitabhängigen Auslenkung des Messrohrs in den Frequenzraum, insbesondere mittels einer FFT; Ermitteln der Frequenz eines

Amplitudenminimums; und Identifizieren der ermittelten Frequenz mit der unterdrückten Anregungsfrequenz.

In einer Weiterbildung der der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin das Ermitteln eines vorläufigen Dichtemesswerts und/oder eines vorläufigen

Massedurchflussmesswerts bei der Eigenfrequenz des angeregten Biegeschwingungsmodes, und Ermitteln eines korrigierten Dichtemesswerts und/oder eines korrigierten Massedurchflussmesswerts unter Verwendung des Dichtekorrekturterms und/oder des Massedurchflusskorrekurterms, wobei der Dichtekorrekturterm und/oder der

Massedurchflusskorrekurterm eine Funktion der Resonanzfrequenz und der

Eigenfrequenz des angeregten Biegeschwingungsmodes sind bzw. ist, bei welcher der vorläufige Dichtemesswert und/oder der vorläufige Massedurchflussmesswert ermittelt wurden bzw. wurde.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind bzw. ist der Dichtekorrekturterm K , für einen vorläufigen Dichtewert und/oder der Massedurchflusskorrekturterm eine Funktion eines Quotienten aus der Resonanzfrequenz der mit Gas beladenen Flüssigkeit und der Eigenfrequenz des angeregten Biegeschwingungsmodes, bei welcher der vorläufige Dichtemesswert und / oder Massedurchflussmesswert ermittelt wurden bzw. wurde.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Dichtekorrekturterm K ) für die vorläufigen Dichtewerte p auf Basis der Eigenfrequenz des i-Modes folgende Form auf:


wobei


wobei reine medienunabhängige Konstante ist, fres die Resonanzfrequenz der mit Gas beladenen Flüssigkeit ist, i die Eigenfrequenz des angeregten

Biegeschwingungsmodes ist, pcorr, y>, die korrigierte und die vorläufige Dichte sind, und b eine Skalierungskonstante ist. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung gilt: r/b < 1 , insbesondere r/b < 0,9, wobei insbesondere gilt: b = 1.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist g ein vom Durchmesser des Messrohrs abhängiger Proportionalitätsfaktor zwischen einer Resonanzfrequenz fres der mit Gas beladenen Flüssigkeit und der Schallgeschwindigkeit der mit Gas beladenen Flüssigkeit, wobei gilt,

c =—

9

und ein gemäß der Gleichung ermittelter Wert der Schallgeschwindigkeit ausgegeben wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der vorläufige Dichtewert auf Basis der Eigenfrequenz des fi-Modes mittels eines Polynoms in 1/i , insbesondere in \/†2 bestimmt, wobei die Koeffizienten des Polynoms modenabhängig sind.

In einer Weiterbildung der Erfindung gilt für einen Dichtefehler Ep eines vorläufigen Dichtewerts auf Basis der Eigenfrequenz des fi-Modes:

Epi := Kt ~ 1,

wobei ein Massedurchflussfehler Em eines vorläufigen Massedurchflusswerts proportional zu dem Dichtefehler Epi des ersten vorläufigen Dichtewerts ist, also:

Em -= k E

wobei der Proportionalitätsfaktor k nicht weniger als 1 ,9 und nicht mehr als 2, 1 beträgt,

wobei der Proportionalitätsfaktor k insbesondere 2 beträgt,

wobei für den Massedurchflusskorrekturterm Kmfür den Massendurchfluss gilt:

Km -= 1 + Em,

wobei der korrigierte Massendurchfluss mCorr ermittelt wird als


wobei rhy der vorläufige Massedurchflusswert ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden der fi-Mode und der f3-Mode angeregt, wobei deren Eigenfrequenzen ermittelt, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Eigenfrequenzen ein Frequenzbereich festgelegt wird, in dem nach der unterdrückten Anregungsfrequenz zu suchen ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Referenzdichte, insbesondere für die flüssige Phase das Mediums bereitgestellt, wobei in Abhängigkeit von der

Referenzdichte und ggf. der Eigenfrequenz des fi-Modes ein Frequenzbereich festgelegt wird, in dem nach der unterdrückten Anregungsfrequenz zu suchen ist.

Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen beschriebenen

Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 : Ein Flussdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2a: Ein Flussdiagramm eine erste Ausgestaltung zur Ermittlung einer unterdrückten Anregungsfrequenz im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ; und

Fig. 2b: Ein Flussdiagramm eine zweite Ausgestaltung zur Ermittlung einer unterdrückten Anregungsfrequenz im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahren 100 zum Bestimmen eines Dichtewertes beginnt in einem Schritt 1 10 mit dem Anregen eines Biegeschwingungsmodes, welches insbesondere der fi-Mode ist, der auch als Biegeschwingungsnutzmode bezeichnet wird.

Dann erfolgt die Bestimmung der Eigenfrequenz des angeregten

Biegeschwingungsmodes, beispielsweise des fi-Modes, beispielsweise durch

Maximieren des Verhältnisses von der Schwingungsamplitude zur modenspezifischen Erregerleistung. Durch Variieren der Anregungsfrequenzen können die gesuchten Eigenfrequenzen ermittelt werden.

Anhand der ermittelten Eigenfrequenz f wird dann in einem Schritt 120 ein vorläufiger Dichtemesswert pi bestimmt als:


wobei Coi, Cü, und Cz, modenabhängige Koeffizienten sind.

In einem Schritt 130, der weiter unten anhand von Fign. 2a und 2b näher erläutert wird, erfolgt die Bestimmung einer unterdrückten Anregungsfrequenz, welche in einem Schritt 140 als Wert der Resonanzfrequenz fres der mit Gas beladenen

Flüssigkeit im Messrohr angesetzt wird.

In einem Schritt 150, erfolgt auf Basis der Eigenfrequenz f des Messrohrs und der Resonanzfrequenz fres die Bestimmung eines Dichtekorrekturterms für die

Dichtemessung.

Schließlich wird in einem Schritt 160 mittels des Korrekturterms ein korrigierter Dichtewert bestimmt.

Fig. 2a stellt eine erste Ausgestaltung 130a für den Verfahrensschritt zur Ermittlung der unterdrückten Anregungsfrequenz dar.

Es werden Schwingungen mit einer Folge von Anregungsfrequenzen 131 a über einen Frequenzbereich angeregt, in dem die unterdrückte Anregungsfrequenz zu erwarten ist. Um den Frequenzbereich zu identifizieren kann beispielsweise auf Basis der vorläufigen Dichte und einem Referenzwert für die Dichte der Flüssigkeit eine grobe Schätzung der Resonanzfrequenz des Mediums erfolgen, wobei um den Schätzwert dann ein Frequenzbereich gewählt wird. In ähnlicher Weise kann aus dem Verhältnis der Eigenfrequenzen, beispielsweise des fi-Modes und des f3-Modes eine

Resonanzfrequenz abgeschätzt werden.

Für jede der angeregten Frequenzen wird eine frequenzabhängige

Schwingungsamplitude erfasst 132a.

In dem auf diese Weise erstellten Spektrum der Schwingungsamplituden wird dann ein Amplitudenminimum ermittelt, das als die unterdrückte Anregungsfrequenz identifiziert wird 133a.

Fign. 2b stellt eine zweite Ausgestaltung 130b für den Verfahrensschritt zur Ermittlung der unterdrückten Anregungsfrequenz dar.

Hier werden simultan Schwingungen aller Frequenzen mit einem

Anregungssignal in Form von weißem Rauschen angeregt 131 b, wobei dann eine zeitliche Folge von Schwingungsauslenkungen zu erfassen ist 132b. Eine

Fouriertransformation, insbesondere FFT 133b überführt die zeitliche Folge in die Frequenzdomäne, in der dann wie zuvor ein Amplitudenminimum als Funktion der Frequenz ermittelt und als unterdrückte Anregungsfrequenz identifiziert wird 134b. Für jede der angeregten Frequenzen wird eine frequenzabhängige Schwingungsamplitude erfasst 132a.

Zum Bestimmen des Dichtekorrekturterms K, gemäß Schritt 150 werden die Resonanzfrequenz fres und die zur Ermittlung des vorläufigen Dichtewerts verwendete Eigenfrequenz fi in die folgende Gleichung eingesetzt:

wobei f, die Eigenfrequenz des nicht unterdrückten Biegeschwingungsmodes ist, mit welcher der vorläufige p Dichtemesswert bestimmt wurde. Und wobei r eine Konstante ist, die hier den Wert 0,84 aufweist.

Der korrigierte Dichtemesswert ^orr wird schließlich im Schritt 160 des

Verfahrens in Fig. 1 berechnet gemäß:

P_

Pc orr

Ki

Der vorläufige Dichtewert p wird also durch den Korrekturterm geteilt, um den korrigierten Dichtewert zu erhalten.