专利名称：科里奥利质量流量计和运行科里奥利质量流量计的方法
技术领域：
本发明涉及一种科里奥利质量流量计以及一种用于运行科里奥利质量流量计的方法。
背景技术：
科里奥利质量流量计通常具有一个唯一的测量管或者一定数量的测量管，例如一对测量管，介质流过这个或者说这些测量管，应该确定该介质的质量流量。其中，已知了测量管的不同布置方法和几何形状。例如存在具有一个唯一的直的测量管的科里奥利质量流量计，以及具有两个弯曲的、相互平行延伸的测量管的科里奥利质量流量计。后一种以成对的方式构造相同的测量管是被位于中间区域的励磁装置所激励，以达到质量平衡的目的，从而使其振动，以使得它们相对振动，也就是说，这两个测量管的振动相对彼此180°相移。其中，由两个测量管构成的系统的质心的位置基本上保持恒定，并且尽可能对产生的力进行补偿。正面的后果是，该振动系统几乎不可能对外像这样起作用。在励磁装置的前方或者后方安放振动传感器，在流动时，可以在其输出信号之间评估相位差作为测量信号。相位差是由在流动时主导的科里奥利力引起的，并且因此是由质量流量引起的。介质的密度影响振动系统的谐振频率。于是，除了质量流量之外，也还能够确定流动的介质的密度。科里奥利质量流量计被用在测量各种介质的流量的设备中。测量管中的沉积，例如由于钙化、聚合物的硬化、食物残渣的沉积会影响这些设备的测量准确性，更确切地说，不仅涉及对质量流量的测量，还涉及介质的密度确定。沉积现象尤其是在具有至少两个测量管的科里奥利质量流量计中当这些测量管的构造不对称，以至于流经这两个测量管的流量不均匀时造成问题。由此使得总冲量不再是零(当两个振动管相对称时，在无沉积的状态下，由于质量平衡，所以总冲量是零)。在沉积不对称的情况下，质量流量计就容易受到外界振动的影响，或者自身将振动传递到装上凸缘的加工处理管上。流量不对称的另一个问题是测量管被完全堵塞，例如 被像介质中的水果核这样的固定的部分完全堵塞。由此使得由质量流量计引起的压降大幅度上升。敏感的介质、例如果酱，就可能因为在此期间形成的高压而不能再利用。
发明内容
因此，本发明的目的是实现一种科里奥利质量流量计(Coriolis-Massendurchflussmessgerlt以及一种运行这种质量流量计的方法，这使得质量流量计能够对出现的不对称流量和/或其它的不对称故障进行自诊断。为了实现该目的，开头所述类型的新型的科里奥利质量流量计具有权利要求1的特征部分所述的特征。在从属权利要求中描述了多个有利的改进方案，在权利要求9中描述了一种运行科里奥利质量流量计的方法。本发明具有以下优点，S卩，能够通过自诊断来识别质量流量计在运行期间可能发生的各种各样的不对称故障。这种故障的例子有-两个管道的其中一个管道里有沉积，-分流器中的管道被堵塞，以及-由于两个管道中的不均匀的沉积而引起的故障，或者-管道的振动能力的不对称变化，例如由于裂缝或者破裂。于是，对出现的不对称流量进行自诊断能够向科里奥利质量流量计的操作者提供关于其中使用该仪器的流程的安全性方面的有价值的指示。因为除了传统的振动传感器之外，还额外地在测量管上安放加速度传感器，所以在这种情况下，迈上了功能分离的新道路，使得能够为各个功能使用最佳的组件。这就是说，振动传感器能够像迄今那样针对相位差的测量实现优化，而加速度传感器能够尽可能好地适应其任务，即，探测测量管中的不对称性。用仅具有基于磁柱塞线圈的传统振动传感器的科里奥利质量流量计进行的试验显示，当介质是水的情况下，两个测量管中的其中一个被分流器中的软木塞完全堵塞会导致质量流量的相对测量错误达到2%至3%。于是有一个错误变量，它明显高于例如为0. 15%的详细说明的测量错误。然而，测量时在仪器的评测装置中出现的振动信号，例如振动信号的流通路线、振幅或者差异信号，不能确定出与无干扰情况的显著区别。因此，几乎不可能借助传统振动传感器的振动信号来自诊断故障。相对地，在使用额外的新型加速度传感器的情况下，却能够实现自诊断，并且诊断结果的可靠性明显改善。优选地，可以使用那些在MEMS微电子机械系统技术(MEMS-Micro ElectroMechanical System)中或者在压电信号生成中实现的加速度传感器。在耗费特别小的情况下就能够采用这些加速度传感器。在一个特别有利的实施例中，在至少一个测量管的纵向方向上的自身位置上安放加速度传感器，振动传感器也固定在这个位置上。由此能够避免额外的装配点，并且能够为两个组件使用相同的紧固件。如果在测量管的对称布置的情况下，加速度传感器同样地相互对称布置，就实现了以下优点，即，能够特别简单地对加速度信号进行评估，因为信号的关联可以推导为简单的加法或者减法。在具有两个测量管的质量流量计的另一种特别有利的设计方案中，两个加速度传感器布置在励磁装置的前方，并且另外两个加速度传感器布置在励磁装置的后方，它们都相互对称。这使得这个布置对于不对称故障的灵敏度特别好，并且因此在自诊断中做出的诊断结果的可靠性也特别好。在以成对的方式对称布置加速度传感器的情况下，能够以特别简单的方式对加速度传感器输出的加速度信号进行评估，为此，这些加速度信号相加形成集合信号，将该集合信号与可预定的或者已预定的第一阈值相比较，并且在集合信号超过第一阈值时，通过报告信号显示不对称故障。通过评估能够以特别可靠的方式确定不对称性。在对称振动的情况下，每个成对地相互对称布置的加速度传感器都产生一个属于同一对的另一个传感器。因此，在将两个信号相加的情况下，结果得出的集合信号具有的振幅在无故障的情况下的理想值等于零。如果在两个测量管的其中一个中出现的沉积具有的密度不同于流动的介质的密度，或者相应的测量管的弹性弯曲特性发生变化，那么这会导致当前加速度信号的振幅发生变化，并且因此产生一个非零的集合信号。因此，能够以简单的方式通过集合信号的阈值比较确定在测量管中的沉积或者在两个测量管中的不均匀沉积。为了考虑样本特殊的、在科里奥利质量流量计的制成后几乎无法避免的不对称性，评估装置可以具有存储器，在该存储器中为第一阈值或者集合信号存储了在校准或启动科里奥利质量流量计时样本特殊地确定的校正值。于是能够以有利的方式避免由于管道的不对称或者加速度传感器或评估装置的公差引起的错误诊断。作为上面描述的成对相加的加速度信号的补充或者代替，可以通过评估装置确定两对在相同的测量管上布置在励磁装置的前方和后方的加速度传感器的加速度信号的各个相位差。将两个相位差的差别与可预定的或者已预定的第二阈值进行比较，并且在该差值超过第二阈值时，通过报告信号显示不对称故障。这样评估加速度信号导致灵敏度同样也很高，并且还使得能够确定在分流器区域的测量管的堵塞，因此在这种故障情况下，这两个相位差的区别很大。如果穿流过一对测量管的流量不对称，那么就会导致科里奥利力相互差别很大，并且在评估中评估出在流动方向上由科里奥利力引起的较大的相位差。
借助其中示出本发明的实施例的示图，下面详尽阐述本发明以及设计方案和优点。图中示出图1示出科里奥利质量流量计的透视图，图2示出测量管延伸路径的原理示图，图3示出在另一个视图中的测量管的另一个原理示图，图4示出用于阐明在两个加速度传感器的情况下的信号评估的框图，图5示出用于阐明在四个加速度传感器的情况下的信号评估的框图，以及图6示出用于阐明在四个加速度传感器的情况下的信号评估以及评估相位差的框图。在图中，相同的部件使用相同的附图标记。
具体实施例方式图1示出根据本发明的优选实施例的科里奥利质量流量计I。该质量流量计I按照科里奥利原理测量介质的质量流量和密度。第一测量管2和第二测量管3基本上相互平行布置。它们通常由一个部件通过折弯制成。测量管的延伸路线基本上是U形的。一种能流动的介质沿着一部分4流入质量流量计1，并且因此流入位于在图中不可见的入口分流器中的测量管2和3的两个入口部段中，并且沿着箭头5从出口部段和位于后方的、同样在图中不可见的出口分流器中再次流出。与入口分流器或者与出口分流器固定连接的凸缘6用于将质量流量计I固定到图1中未示出的管路中。通过加固框架7最大程度地保持测量管2和3的几何形状不变，使得其中安装着质量流量计的管路系统的变化(例如由于温度波动)总是导致零点稍微推移。在图1中示意性示出的励磁装置8 (其例如可以由固定在测量管2上的磁线圈和安放在测量管3上的、没入磁线圈中的磁体构成)用于产生两个测量管2和3的彼此相对的振动，振动的频率等于测量管2和3的基本上为U形的中间部段的固有频率。在图1中同样示意性示出的振动传感器9a和9b用于获知科里奥利力和/或测量管2和3的基于科里奥利力的振动，它们是由于流过的介质的质量形成。它们同样也设计为柱塞线圈。通过振动传感器9a或者9b产生的振动信号IOa和IOb是由评估装置11评估的。为了进行评估，评估装置11包括执行必要的计算步骤的数字信号处理器。评估结果、尤其是质量流量和密度的测量值以及诊断报告在显示器13上输出，或者通过在图中未示出的输出端、例如现场总线传输给上一级的控制站。除了评估振动信号10a，IOb之外，评估装置11在所示实施例中也还负责对励磁装置8进行控制，以及进行评估，以便实现科里奥利质量流量计I的自诊断。借助由四个加速度传感器提供的四个加速度信号14a，14b，14c和14d实现自诊断,在图1中仅能看到其中的加速度传感器15a和15c。两个加速度传感器15b和15d位于测量管3的背对的一侧上，并且因此在图1中不可见。不同于所示的实施例，测量管当然也可以具有其它的几何形状，例如设计成V形的或者Q形的中间部段，或者可以选择不同数量的以及不同布局的励磁装置、振动传感器和/或加速度传感器。可替换地，科里奥利质量流量计可以具有其它数量的测量管，例如一个测量管或者两个以上的测量管。在评估装置11的存储器12中存储了在校准科里奥利质量流量计I时查明的参数，例如样本特殊地确定的、用于调整第一和第二阈值的校正值，它们在自诊断中用于推导出诊断结果。借助图2和3再次阐述在测量管上使用加速度传感器的原理性类型。其中不重要的是，加速度传感器15a-15d是否应用在测量管的外侧上，正如图2中所示的那样，或者应用在测量管2和3的相面对的一侧上，正如图3中所示的那样。相反地，在评估加速度信号时使用的关联是有意义的，因为加速度传感器15a-15d在相同的方向上是灵敏的。这是通过选择合适类型的加速度传感器以及通过合适地应用在测量管2和3上实现的。在一种特别有利的设计方案中，加速度传感器分别具有它们的灵敏度的优选方向，该方向平行于测量管2和3的振动方向。在图2中用箭头20示出测量管的振动方向。加速度传感器15a-15d的灵敏度的合适的优选方向相应地用部分21a，21b，21c或21d标记。分别利用加速度传感器15a-15d测量出的加速度可以被视为与方向相关的矢量。如果采用的加速度传感器的敏感方向不同于所示出的实施例，那么当然要相应地调整评估时的关联性。如果例如加速度传感器15b的敏感方向与加速度传感器15a的敏感方向相反，那么用减法取代在评估时进行的加速度信号14a和14b (图1)的加法。振动传感器9a和9b像励磁装置8 一样实现为柱塞线圈。通过励磁装置8激励测量管2和3进行相位相对的振动。这两个振动传感器9a和9b与测量管2和3的中间部分对称，并且因此布置在与励磁装置8的间距相同处。其中，对由振动传感器9a和9b提供的振动信号IOa或IOb (图1)的扫描频率通常比励磁装置8的驱动频率要高出15倍。然而，作为振动传感器9a和9b能够非常准确地探测相位差的柱塞线圈几乎不适合识别不对称的流量，这是因为它们探测两个测量管2和3的相对运动。为了更好地探测不对称性，并且因此提高相关诊断结果的可靠性，除了振动传感器9a和9b之外还在测量管2和3的纵向方向上的同一个高度上运用加速度传感器15c和15d或15a和15b。因此，为了运用加速度传感器15a-15d，可以使用相同的紧固件，这些紧固件也被用于安放振动传感器9a和9b。例如，这些加速度传感器可以直接地固定在柱塞线圈上。由此可以避免测量管2和3上有额外的装配点。虽然原理上说，一对加速度传感器(例如加速度传感器15a和15b)就足以进行探测，然而却能够通过使用两对传感器明显提升灵敏度。在装配加速度传感器15a…15d时必须考虑到，当加速度传感器例如设计为压电的或者以MEMS技术设计时，则具有优选的测量方向。如果选择如图2和3中所示的加速度传感器15a-15d的测量方向，那么加速度传感器15a在两个测量管2和3对称地偏转时提供一个加速度信号，该加速度信号大致等同于加速度传感器15b的倒转的加速度信号。相应地，对于由加速度传感器15c和15d输出的加速度信号亦是如此。然而，当由于故障状态形成不对称时，例如由于两个测量管2或3中的任一个中产生沉积时，这就不符合事实。如果例如在测量管2中出现的沉积大于测量管3中形成的沉积，那么测量管2以微小的振幅振动，并且加速度传感器15a和15c提供的加速度信号的振幅因此也同样小于由加速度传感器15b和15d提供的加速度信号的振幅。这在下面借助图4阐述的评估中得到利用。两个加速度传感器15a和15b向评估装置(图1中的11)提供加速度信号14a或14b。在那里，两个加速度信号14a和14b首先经过一次带通滤波，其中，使得测量管的固有振动的信号分量40a或40b通过。这是由两个带通滤波器41a或41b实现的。通过带通滤·波将干扰性的频率分量从加速度信号14a和14b中去除。这是选择性的，并且能够在一定情况下在一种可替换的实施方式中省去。信号分量40a和40b被输送给加法器42，该加法器从中计算出集合信号43。在测量管理想地对称时，集合信号43正如之前已经说过的那样等于零。因此，借助集合信号43的大小就能够以简单的方式探测测量管的不对称故障。在所示出的实施例中，集合信号43为了进行评估被输送给振幅探测器44，其输出信号45紧接着在一个功能组块46中经历一次标准化。这样获得的标准化信号47在功能组块48中通过与第一阈值49进行比较得到评估。如果信号大于阈值49，那么通过显示信号50输出出现的不对称的故障状态。为了处理信号，作为振幅探测器44和在功能组块46中进行标准化的可替换方案，同样可以对集合信号43进行整流，并且紧接着进行低通过滤。于是能够以多种方式为集合信号43的振幅或能力确定评估参数。等同于功能组块51，可以额外地对第一阈值49或者评估参数进行校正。于是，在校准质量流量计时或者在启动质量流量计时，可以使用当前的样本特殊的(exemplarspezif isch)或者应用特殊的(anwendungsspezifisch)情况。其优点是,可以在查明诊断结果时考虑到可能发生的、测量管的因生产过程造成的不对称或者加速度传感器的公差或者评估装置在处理测量值中的偏差。当流经两个测量管的流量完美对称的情况下，集合信号43的值为零。如果标准化的振幅47超过第一阈值49，那么测量管出现不对称的情况。这利用所述方法或者说通过新式的科里奥利质量流量计可靠地得到诊断并得以显示。借助图4所示的诊断是以评估两个相互对称布置的加速度传感器的信号为基础的。然而，如果取而代之使用四个加速度传感器，就能够提高灵敏度。图5示出一种诊断方法，其中，借助于减法器52，为了形成差异信号53，将加速度传感器15a或15c的加速度信号14a和14c相互关联。借助于第二减法器55,利用加速度传感器15b或15d的加速度信号14b和14d计算第二个差异信号54。由此获得差异信号53和54，它们不具有可能在不流动的质量流量测量中获得的加速度分量。这两个差异信号53和54分别通过放大器56或57进行处理，并且紧接着重新借助于另一个减法器58计算出一个差异信号59，该差异信号在功能组块60中进行评估，评估方法在原则上等同于上面已经借助功能组块44…51在图4中所描述的评估。于是，能够以良好的灵敏度探测测量管2和3中的不对称流动。穿过两个测量管的流动的严重不对称会导致差异信号59的能量相应地增大。在一种诊断方法的在图6中所示的实施例中，在功能组块61中计算振动传感器15a或15c的振动信号14a和14c之间的相位差62，并且在功能组块63中计算加速度传感器15b或15d的加速度信号14b和14d之间的相位差64。相位差62和64是分别穿过测量管2或3的质量流量的衡量尺度。在连接在后面的功能组块65中，计算相位差62和64的差值66。差值66又是获取关于存在不对称性的诊断结果的评估参量并且在功能组块67中以像原则上已经借助功能组块44…51在图4中所描述的方法和方式那样被评估。也就是说，差值66可以经过标准化并且可以通过校正变量考虑到因生产过程造成的不对称性。然后与阈值进行比较。如果超过阈值，那么测量管存在不允许的不对称性并且显示出。借助图6描述的、在使用四个加速度传感器时对相位差进行的评估具有以下优点，即，其特点是具有特别好的灵敏度。两个测量管都被励磁装置以其谐振频率驱动，使得两个测量管的固有振动相位相反且振幅相同。在两个测量管中，通过分别主导的流动产生科里奥利力。如果流动在此是不对称的 ，则在两个测量管中的科里奥利力也不一样大。在使用仅两个加速度传感器时，正如借助图4所阐述的那样，就已经能够评估加速度信号的区别。然而因为出现的科里奥利力相对较小，所以两个加速度信号的差值同样地小。如果正如借助图6所描述的那样，使用四个加速度传感器的加速度信号，就能够评估由科里奥利力造成的、在流动方向上的相位差，其大出多倍。在附图4至6中阐明了各个不相同的诊断方法。输入信号总是加速度信号，它们是在实现质量流量计时通过扫描加速度传感器的类似的输出信号获得的。评估的各个不同步骤是在信号处理器或微控制器的固件中实现的。不言而喻地，对此可替换地可以在扫描前通过类似的硬件电路布置实现部分的信号处理、例如带通滤波或者相加。相对于纯数字的测量值处理，这种实施方式具有以下优点，即，必要的扫描频率和所需的计算功率更小。
权利要求
1.一种科里奥利质量流量计(1)，具有至少一个被介质流过的测量管(2，3);至少一个励磁装置(8)，所述励磁装置布置在所述至少一个测量管的中间区域中并且设计用于，激励所述测量管振动；至少两个振动传感器(9a，9b)，所述振动传感器在所述至少一个测量管的纵向方向上布置在所述至少一个励磁装置的前方和后方；和评估装置(11)，所述评估装置设计用于，控制所述至少一个励磁装置，从所述至少两个振动传感器接收振动信号(10a, 10b)并且为了确定质量流量的测量值对所述振动信号进行评估，其特征在于，所述至少两个测量管额外地分别配有至少一个加速度传感器(15a…15d)，所述加速度传感器在所述至少一个测量管的纵向方向上布置在所述至少一个励磁装置的前方和/或后方，并且所述评估装置设计用于，从所述加速度传感器接收加速度信号(14a…14d)并且为了诊断所述测量管的不对称性对所述加速度信号进行评估。
2.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述加速度传感器(15a··· 15d)设计为压电的和/或以MEMS技术设计。
3.根据权利要求1或2所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，在使用振动传感器(9a，9b)的情况下，在所述至少一个测量管(2，3)的纵向方向上安放所述加速度传感器(15a··· 15d)。
4.根据权利要求3所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，在所述测量管对称布置的情况下，所述加速度传感器(15a, 15b ；15c, 15d)同样地相互对称布置。
5.根据权利要求4所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，设有两个测量管(2，3)，并且两个所述加速度传感器(15a，15b)在所述测量管的纵向方向上布置在所述励磁装置(8)的前方，并且另外两个加速度传感器(15c，15d)布置在所述励磁装置的后方。
6.根据权利要求4或5所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述评估装置(11)设计用于，为了形成集合信号(43)将至少一对相互对称布置的加速度传感器(15a，15b;15c, 15d)的所述加速度信号(14a, 14b ；14c, 14d)相加,将所述集合信号与可预定的或者已预定的第一阈值(49)相比较，并且在超过所述第一阈值时，通过报告信号(50)显示对称故障。
7.根据权利要求6所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述评估装置(11)具有存储器(12)，在所述存储器中为所述第一阈值存储了在校准或启动所述科里奥利质量流量计时样本特殊地确定的校正值(51)。
8.根据权利要求5所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述评估装置设计用于，确定两对在相同的测量管(2，3)上布置在所述励磁装置(8)的前方和后方的加速度传感器(15a，15c ；15b, 15d)的所述加速度信号(14a，14c ； 14b，14d)的各个相位差(62，64)，将两个相位差的差别与可预定的或者已预定的第二阈值进行比较，并且在超过所述第二阈值时，通过报告信号显示不对称故障。
9.一种用于运行科里奥利质量流量计(I)的方法，所述科里奥利质量流量计具有至少一个被介质流过的测量管(2，3);至少一个励磁装置(8)，所述励磁装置布置在所述至少一个测量管的中间区域中并且设计用于，激励所述测量管振动；至少两个振动传感器(9a，9b)，所述振动传感器在所述至少一个测量管的纵向方向上布置在所述至少一个励磁装置的前方和后方；和评估装置(11)，所述评估装置控制所述至少一个励磁装置(8)，并且从所述至少两个振动传感器接收振动信号(10a，IOb)并且为了确定质量流量的测量值对所述振动信号进行评估，其特征在于，所述评估装置还从加速度传感器(15a…15d)接收加速度信号(14a…14d)，所述加速度传感器在所述至少一个测量管的纵向方向上布置在所述至少一个励磁装置的前方和/或后方，并且所述评估装置为了诊断所述测量管的不对称性对所述加速度信号(14a…14d )进行评估。
全文摘要
本发明涉及一种科里奥利质量流量计以及一种用于运行科里奥利质量流量计(1)的方法。科里奥利质量流量计(1)包括至少一个被介质流过的测量管(2，3)；至少一个励磁装置(8)，其布置在至少一个测量管的中间区域中并且激励测量管振动；和至少两个振动传感器(9a，9b)，该振动传感器在至少一个测量管的纵向方向上布置在至少一个励磁装置的前方和后方。至少两个测量管(2，3)额外地分别配有至少一个加速度传感器(15a…15d)，该加速度传感器在至少一个测量管的纵向方向上布置在至少一个励磁装置的前方和/或后方。评估装置(11)设计用于，从加速度传感器接收加速度信号(14a…14d)并且为了诊断测量管的不对称性对该加速度信号进行评估。因此，能够以有利的方式探测到多个故障状态，例如两个测量管的其中一个中的沉积、分流器中的管道堵塞或者测量管的振动能力发生不对称的变化，例如因为裂缝或者破裂。
文档编号G01F25/00GK103052868SQ201080068414
公开日2013年4月17日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者艾伦·尤尔·克里斯滕森, 托马斯·比尔魏勒, 马丁·博尔曼 申请人:西门子公司