過程測量儀表的製作方法

2023-04-26 11:31:11 7

專利名稱：過程測量儀表的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種過程測量儀表，用於測量在過程容器中容納的或者在過程管道中流動的至少一個物理過程量，特別是質量流量、密度、粘度、壓力等。
在工業過程測量技術中，特別是關於化工自動化或其它工業過程，使用現場(即，靠近現場)安裝的過程測量儀表，即所謂的現場測量儀表生成代表過程量的模擬或數字測量值。這種過程測量儀表的例子對於本領域技術人員是熟知的，在EP-A 984 248，EP-A 1 158 289，US-A 3,878,725，US-A 4,308,754，US-A 4,468,971，US-A 4,524,610，US-A 4,574,328，US-A 4,594,584，US-A 4,617,607，US-A 4,716,770，US-A 4,768,384，US-A 4,850,213，US-A 5,052,230，US-A 5,131,279，US-A 5,231,884，US-A 5,359,881，US-A 5,363,341，US-A 5,469,748，US-A 5,604,685，US-A 5,687,100，US-A 5,796,011，US-A 6,006,609，US-B 6,236,322，US-B 6,352,000，US-B 6,397,683，WO-A 88/02476，WO-A 88/02853，WO-A 95/16897，WO-A 00/36379，WO-A 00/14485，WO-A 01/02816，或WO-A 02/086426中有詳細描述。
待測的各個過程量可以是例如在合適的過程容器，例如管道或罐中導入或存儲的液體、粉末、蒸汽或氣體過程介質的質量流量、密度、粘度、填充或極限水平、壓力、溫度等。
為了檢測各個過程量，過程測量儀表包括合適的通常是物理-電的變換器，其安裝在過程介質存儲容器的壁中或者連接入過程介質引導管道並且儘可能精確地提供代表檢測的過程量的至少一個測量信號，特別是電信號。變換器連接至合適的測量儀表電子裝置，特別是用於處理或分析至少一個測量信號的電子裝置。
經由耦合至測量儀表電子裝置的數據傳輸系統，所述類型的過程測量儀表連接在一起並且/或者處理控制計算機，它們例如經由(4-20mA)電流迴路和/或數字數據總線發送測量信號。對於數據傳輸系統，使用現場總線系統，特別是串行系統，例如PROFIBUS-PA、FOUNDATION FIELDBUS，以及相應的通信協議。利用過程控制計算機，傳輸的測量信號可以進一步被處理並例如在監視器上作為相應的測量結果而可視化，並且/或者被轉換為用於控制過程控制元件(例如電磁閥、電動馬達等)的控制信號。
為了容納測量儀表電子裝置，所述類型的過程測量儀表包括電子裝置外殼，其例如在US-A 6,397,683或WO-A 00/36379中所公開的，可以位於遠離現場測量儀表的位置並且與其通過繩索連接，或者如在EP-A 903 651或EP-A 1 008 836中所顯示的，直接位於變換器或者位於容納變換器的外殼。通常，正如例如EP-A 984 248、US-A 4,594,584，US-A 4,716,770，或US-B 6,352,000中所示，電子裝置外殼也容納變換器的一些機械部件，例如在機械作用下形變或振動的隔膜狀、棒狀、套筒狀或管狀體。
特別在EP-A 1 158 289，US-A 4,768,384，US-A 5,359,881，US-A 5,687,100，WO-A 88/02476，WO-A 95/16897，或WO-A 01/02816中，顯示了用於測量過程管道中流動的介質的至少一個物理過程量，特別是質量流量、密度、粘度、壓力等的過程測量儀表，其中每個變換器包括-用於引導介質，特別是流動介質的測量管；-激勵組件，其與測量儀表電子裝置電連接並且包括用於驅動測量管的特別為電動或電磁的擺動激勵器；和-提供測量信號的傳感器設置，包括響應於物理過程量特別是過程量的改變的至少第一傳感器和第二傳感器元件，並且藉助於傳感器元件提供受物理過程量影響的至少第一測量信號和第二測量信號，
-其中測量儀表電子裝置提供至少用於控制擺動激勵器的激勵信號，使得工作中的測量管至少被暫時振動，-其中兩個傳感器元件對測量管的輸入側或輸出側振動作出反應；並且-其中由傳感器元件提供的測量信號代表振動的測量管受過程介質影響的機械振動。
於是，這種振動型過程測量儀表還包括測量管，其上設置有擺動激勵器和傳感器，還包括容納變換器的變換器外殼的部件。
對于振動型過程測量儀表作為科裡奧利質量流量計的情況，測量儀表電子裝置確定由傳感器元件提供的兩個測量信號，這裡是擺動信號，之間的相差，並且測量儀表電子裝置在其輸出端給出測量值信號，利用該信號確定與相差的時間分布相對應的質量流量測量值。
已知所述類型的過程測量儀表，特別是其各自的變換器，除了受到上面所述的主要的待測過程量之外，還受到其它，特別是不可受影響的物理量的影響，所述物理量特別是過程或介質溫度。
特別是利用振動的測量管工作的過程測量儀表，例如科裡奧利質量流量測量儀表、密度測量儀表和/或粘度測量儀表，測量管也可能由於熱而引起變化膨脹，從而變換器除了對於主要測量量(例如，質量流量、密度和/或粘度)敏感之外，還對於變換器中的瞬時溫度分布不期望的敏感。由於這種對於變換器的振動性能的虛假溫度影響，產生變換器幹擾。因此，如果不考慮這種幹擾，那麼測量儀表電子裝置提供的測量值信號可能是錯誤的。
為了補償幹擾溫度對於變換器提供的測量信號和/或測量儀表電子裝置從中得到的測量值信號的影響，科裡奧利質量流量計或科裡奧利質量流量密度計通常包括至少一個溫度傳感器，例如用於測量測量管的溫度或環境溫度的傳感器，參見US-A 5,359,881，US-A 5,687,100或WO-A 88/02476。
在這裡顯示的過程測量儀表中，為了補償溫度對於各個測量管的彈性模數的影響，利用安裝在彎曲測量管上的溫度傳感器產生對應於被測介質的溫度的溫度測量電信號，這裡的溫度傳感器例如是Pt100或Pt1000元件或熱偶。然後這個溫度測量信號在測量儀表電子裝置中與恆定的非時變係數相乘，以得到矯正值，其考慮了測量的溫度對於彈性模數的影響，並且因而包含在測量值信號(例如，質量流量信號和/或密度信號)的校正中。為了平滑溫度測量信號或者改進其信噪比，可以使用合適的數位訊號濾波器，例如WO-A 88/02476中所建議的。
除了這種具有彎曲測量管的振動過程測量儀表，本領域技術人員還已知有具有單一直測量管或具有兩個測量管的振動過程測量儀表，特別地參見US-A 4,524,610，US-A 4,768,384，US-A 6,006,609，WO-A00/14485或WO-A 01/02816。在這種具有單一直測量管的過程測量儀表中，為了支持擺動激勵器和傳感器，在變換器中提供了固定至測量管的支持元件，特別是安裝在變換器中以能夠振動運動的元件。支持元件還用於將振動的測量管與所連接的管道進行振動隔離。它可以設計為與測量管同軸的管狀補償圓柱，或者箱狀支持框架。
由於它們的特殊設計，具有直測量管的振動過程測量儀表響應的溫度變化以及所述的彈性模數中的變化，和在測量管和支持元件中由溫度引起的機械應力的改變，並且/或者變換器外殼還引起變換器對於主要過程量的敏感性變化。
這種熱應力，特別是沿測量管的軸作用的應力，可能具有不同原因，這些原因可能單獨發生或者組合發生。甚至即使測量管和支持元件或變換器外殼實際上溫度相同，如果支持管和振動系統由具有不同熱脹係數的不同材料製成，也可能發生熱應力。如果測量管的溫度與支持管的溫度不同，這種溫度對於測量結果的影響甚至更大。如果待測過程介質的溫度與環境溫度不同，特別是這種情況。在非常熱或非常冷的過程介質的情況中，在支持元件或變換器外殼和測量管之間存在非常高的溫度梯度。
在例如US-A 4,768,384，US-A 5,231,884或WO-A 01/02816中記載了補償這種改變變換器對於主要過程量的敏感度的溫度影響的方案。使用附著至變換器外殼的至少一個附加溫度傳感器，通過在測量儀表電子裝置中形成考慮了測量溫度對於變換器中的膨脹或應力分布的影響的另一校正因子並且在形成測量值信號時包含這個校正因子，測量外殼中的熱應力或熱膨脹對於測量值信號的影響得到補償。為了形成這個校正因子，每一溫度信號同時且無延遲地乘以恆定的係數，並且如果需要的話，乘以自身。
然而，在這種所述類型的過程測量儀表的操作期間，溫度分布可能遭受不期望的變化，特別是因為流體溫度通常不能保持恆定，從而在過程測量儀表內部，特別在變換器內部，溫度分布重複發生動態過渡。另一方面，由於變換器的各個部件的不同的特定熱導率或熱容量，溫度分布中的這些時間分布可能以不同速度傳播到變換器的各個敏感度確定部件，使得即使利用兩個或更多的溫度傳感器檢測的溫度曲線或溫度梯度也可能遭受動態變化。
在使用僅考慮瞬時溫度值的靜態算法確定測量信號的相應校正因子的過程測量儀表中，例如US-A 4,768,384或WO-A 01/02816中所示，這導致在溫度分布的不穩定狀態期間，儘管使用在不同位置檢測但是被均勻加權的從不同溫度得到的這種校正因子，在測量值信號中也會發生可觀的不精確。研究已經顯示，溫度分布的這種非穩態過渡區域特別地導致變換器內部機械應力的改變，該區域會持續幾分鐘到幾小時，並且在這個通常較長時間的溫度分布不穩定狀態期間，本地測量的溫度對於測量信號的影響相互之間也發生改變。
在具有振動測量管的變換器中，減少測量信號中這種誤差的一種可能是沿測量管和沿變換器外殼和/或沿為單個測量管提供的支持元件安裝多個溫度傳感器。
這種解決方案的一個缺點是，隨著使用的溫度傳感器的數目增加，製造成本也增加。除了溫度傳感器自身的成本之外，它們的安裝和布線成本也增加。
然而，另外，溫度傳感器數目的增加會導致傳感器設置的故障概率增加，特別是如果溫度傳感器固定至高頻振動的部件，例如固定至測量管或作為防振器設計的支持元件。
因此本發明的一個目的是以這樣的方式改進在開頭提出的類型的過程測量儀表，使得即使在它們的各個變換器內部溫度分布的不穩定過渡區域，也很大程度地補償了測量信號中由溫度引起的誤差，並且需要儘可能少的溫度傳感器來儘可能精確地確定用於溫度對於測量信號的影響的校正因子。
為了達到這個目的，本發明提供了一種過程測量儀表，用於測量過程容器中容納的或過程管道中流動的介質的至少一個物理過程量，特別是質量流量、密度、粘度、壓力等，該測量儀表包括-變換器-該變換器具有提供測量信號的傳感器設置---該傳感器設置包括響應於被測物理過程量，特別是過程量中的變化的第一傳感器元件，並且藉助於該第一傳感器元件提供至少一個受物理過程量影響的第一測量信號，且---該傳感器設置還包括安裝在變換器中的至少第一溫度傳感器，其本地檢測變換器中的第一溫度，並且
---該傳感器設置利用至少一個溫度傳感器提供代表變換器中的第一溫度的至少第一溫度測量信號；和-測量儀表電子裝置，其使用至少第一測量信號以及對於至少第一測量信號的第一校正值，得到當前代表物理量的至少一個測量值，特別是質量流量測量值、密度測量值、粘度測量值或壓力測量值，-其中在工作期間，測量儀表電子裝置考慮第一溫度傳感器過去檢測的溫度值，根據至少第一溫度測量信號的時間變化確定第一校正值。
在本發明的第一優選實施例中，測量儀表電子裝置在工作中在一段延時之後以第一校正值的改變對於第一溫度測量信號中與第一溫度變化相應的變化作出反應。
在本發明的第二優選實施例中，傳感器設置包括安裝在變換器中的至少第二溫度傳感器，其特別地與第一溫度傳感器間隔，用於本地檢測變換器中的第二溫度，並且傳感器設置利用第二溫度傳感器提供代表第二溫度的至少溫度測量信號。
在本發明的第三優選實施例中，測量儀表電子裝置還使用第二溫度測量信號確定第一校正值。
在本發明的第四優選實施例中，測量儀表電子裝置從至少第二溫度測量信號的時間分布中確定第二校正值，並且還使用第二校正值得到測量值。
在本發明的第五優選實施例中，測量儀表電子裝置包括濾波器級，用於得到至少第一校正值，其中第一溫度測量信號被施加至濾波器級的第一信號輸入端。
在本發明的第六優選實施例中，濾波器級包括第一A/D轉換器，用於將第一溫度測量信號轉換為第一數位訊號。
在本發明的第七優選實施例中，濾波器級包括用於第一數位訊號的第一數位訊號濾波器。
在本發明的第八優選實施例中，第一數位訊號濾波器是遞歸濾波器。
在本發明的第九優選實施例中，第一數位訊號濾波器是非遞歸濾波器。
在本發明的第十優選實施例中，第一數位訊號濾波器將第一校正值提供給濾波器級的第一信號輸出端。
在本發明的第十一優選實施例中，濾波器還用於得到第二校正值，在這種情況中，第二溫度測量信號被施加至濾波器級的第二信號輸入端，並且濾波器級包括第二A/D轉換器，用於將第二溫度測量信號轉換至第二數位訊號。
在本發明的第十二優選實施例中，濾波器級包括用於第二數位訊號的第二數位訊號濾波器。
在本發明的第十三優選實施例中，變換器包括至少一個測量管，用於引導特別是流動的介質。
在本發明的第十四優選實施例中，兩個溫度傳感器中的至少一個安裝在測量管上或者其附近。
在本發明的第十五優選實施例中，變換器包括至少部分圍繞測量管的變換器外殼。
在本發明的第十六優選實施例中，兩個溫度傳感器中的至少一個固定至變換器外殼或者至少位於其附近。
在本發明的第十七優選實施例中，變換器還包括特別為電動或電磁的擺動激勵器，其電連接至測量儀表電子裝置，用於驅動測量管，並且測量儀表電子裝置提供用於控制擺動激勵器的至少一個激勵信號，使得在操作中，測量管至少間歇振動。
在本發明的第十八優選實施例中，第一傳感器響應於測量管的振動，特別是入口側或出口側的振動，並且第一傳感器提供的測量信號代表受過程介質影響的振動的測量管的機械振動。
在本發明的第十九優選實施例中，變換器包括固定至測量管的支持元件，其特別是可擺動地懸掛在變換器外殼內，用於支持擺動激勵器，並且變換器還包括至少第一傳感器元件。
在本發明的第二十優選實施例中，至少一個溫度傳感器固定至支持元件或位於至少其附近。
在本發明的第二十一優選實施例中，傳感器設置包括至少第二傳感器，其響應於待測物理過程量而提供至少第二測量信號，在這種情況中，測量儀表電子裝置還使用第二測量信號得到測量值。
本發明的基本思想是，一方面基於瞬時內部溫度分布確定變換器對於待測過程量的瞬時敏感度並且相應地補償受其影響的測量信號；另一方面基於過去測量的溫度而充分精確地估計變換器中的瞬時溫度分布，特別是使用儘可能少的溫度傳感器。
除了溫度測量的較低電路複雜度，本發明還具有這樣的優點由於現在在對提供的溫度測量信號分析的過程中校正將可以影響溫度傳感器的各個位置，所以對於變換器內溫度傳感器的就位創建了更多的自由度。於是，溫度傳感器可以被最優地放置，特別是從組裝和/或布線技術的角度來看。
例如在上述振動型過程測量儀表的情況中，還具有這樣的優點為了估計測量管和/或可選的支持元件的有效溫度分布，溫度傳感器還可以已經固定至變換器的非振動部件，諸如變換器外殼。
在附圖中

圖1是過程測量儀表的透視圖；圖2以框圖顯示了適於圖1的過程測量儀表的測量儀表電子裝置，其與振動型變換器聯結；圖3是適於圖1的過程測量儀表的振動型變換器的實施例的第一透視圖，其部分為截面；圖4是圖2的變換器的第二透視圖；圖5顯示了圖2的變換器的電機激勵組件的實施例；圖6是適於圖2的測量儀表電子裝置的分析電路的框圖；圖7示意性顯示了圖2的變換器內部的可能的溫度變化的例子；和圖8是圖6的分析電路的實施方式的框圖。
在圖1和2中，顯示了過程測量儀表的一個實施例，例如科裡奧利流量計、密度計和/或粘度計1，其包括優選地容納在變換器外殼100內的振動型變換器10，以及電子裝置外殼200，電子裝置外殼200中容納了與變換器10電連接的測量儀表電子裝置50。
過程測量儀表1用於檢測管道中流動的流體的過程量，例如質量流量、密度和/或粘度，並且用於將這個過程量映射為當前代表它的測量值信號；為了清楚，沒有顯示管道。
為了引導流體，變換器10包括測量管13，其在操作中優選地以彎曲模式這樣振動，使得在其中流動的流體中產生具有足夠強度的反作用力，例如科裡奧利力、加速力和/或摩擦力，該反作用力依賴於過程量並且以可測量的方式，即可以使用傳感器檢測且可電分析的方式作用於變換器10。
圖3和4顯示了適於用作變換器10的振動型物理-電轉換器組件。這種變換器組件的結構在例如US-A 6,006,609中有詳細描述。
為了引導被測流體，變換器10包括至少一個測量管13，其具有可預定的在工作中可彈性形變的測量管內腔13A以及可預定的額定直徑。測量管13具有入口端11和出口端12。
測量管內腔13A的彈性形變在這裡意味著為了在流體中產生描述流體的上述反作用力，在測量管13的彈性範圍內，以可預定的方式循環地特別是周期地改變測量管內腔13A的三維形狀和/或空間位置；參見例如US-A 4,801,897，US-A 5,648,616，US-A 5,796 011或US-A6,006,609。如果需要，正如例如EP-A 1 260 798所示，測量管可以彎曲。還有可能例如使用兩個彎曲的或直的測量管代替單一測量管。適於用作變換器10的轉換器組件的其它實施例在例如US-A 5,301,557，US-A 5,357,811，US-A 5,557,973，US-A 5,602,345，US-A 5,648,616或US-A 5,796,011中有所描述。
特別適於圖3和4中的直測量管13的材料是例如鈦合金。代替鈦合金，也可以使用這種類型的特別是彎曲測量管常用的其它材料，例如不鏽鋼、鉭或鋯等。
測量管13以常見的方式在入口端和出口端與引導流體的管道相通，並且被能夠擺動地夾持在支持框架14中，支持框架14是剛性的特別是彎曲且扭轉剛性的並且被裝入變換器外殼100。
支持框架14利用入口板213固定至入口端並且利用出口板223固定至出口端，兩個板被測量管13的各個相應延伸件131、132穿透。支持框架14還具有第一側板24和第二側板34，它們分別被固定至入口板213和出口板223，以基本平行於測量管13且與測量管13相距地延伸，參見圖3。於是，兩個側板24、34的相對的側面也相互平行。
用作吸收測量管13的擺動的平衡質量的縱條25與測量管13相距地固定至側板24、34。如圖4所示，縱條25基本平行於測量管13的整個可擺動長度；這並不是必須的，如果需要，縱條25當然可以更短。
於是，具有兩個側板24、34、入口板213、出口板223和縱條25的支持框架14具有重力縱軸，該縱軸基本平行於連接入口端11和出口端12的測量管中心軸13B。
在圖3和4中，以螺絲頭顯示，前面所述的側板24、34到入口板213、到出口板223和到縱條25的固定可以利用螺絲完成；還有可能使用本領域技術人員熟悉的其它合適的緊固形式。
如果變換器10要可與管道鬆開地安裝，那麼第一法蘭19和第二法蘭20分別在入口端和出口端形成在測量管13上，參見圖1；可以使用其它管道聯結件，諸如圖3中所示的所謂的三通(Triclamp)連接代替法蘭19、20，以提供與管道的可鬆開連接。然而，如果需要，測量管13也可以通過焊接或銅焊而與管道直接連接。
為了產生上述的反作用力，在變換器10的工作期間，令由與測量管聯結的電機激勵組件16驅動的測量管13以可預定的擺動頻率，特別是固有諧振頻率以所謂的有效模式振動，從而測量管以可預定的方式彈性形變。正如前面所述，這個諧振頻率還依賴於流體的瞬時密度。
在所示的實施例中，正如這種彎曲擺動型轉換器組件所常見的，振動的測量管13從靜態靜止位置空間偏轉，特別是橫向偏轉；對於其中一個或多個彎曲測量管圍繞虛擬連接入口端和出口端的相應縱軸執行懸臂擺動的轉換器組件或者對於其中一個或多個直測量管僅圍繞它們的測量管縱軸執行平面彎曲擺動的轉換器組件，同樣是這樣的。在其它情況中，例如在上面提到的WO-A 95/16897中所述，作為變換器10使用徑向擺動型轉換器組件並且振動的測量管的橫截面以常見的方式對稱形變，其中測量管縱軸離開了其靜態靜止位置。
激勵組件16用於通過轉換由測量儀表電子裝置50提供的激勵電能Pexc而產生對於測量管13的激勵力Fexc。當以固有諧振頻率激勵測量管13時，激勵能量Pexc實際上僅用於補償在振動系統中由於機械和流體摩擦而損失的能量成分。為了達到儘可能高的效率，優選地這樣儘可能精確地調節激勵能量Pexc，使得測量管13的擺動基本上保持在期望的有效模式，例如基本諧振頻率的模式。
為了將激勵力Fexc傳遞到測量管13，如圖5所示，激勵組件16具有剛性的電磁和/或電動驅動的槓桿組件15，該槓桿組件15具有懸臂154和軛163，懸臂154牢固地固定至測量管13。軛163牢固地固定至懸臂154遠離測量管13的一端，使得它位於測量管13之上並且橫著測量管13延伸。
懸臂154可以是例如金屬板，其在孔中接收測量管13。對於槓桿組件15的其它合適的實施例，參見上述US-A 6,006,609。槓桿組件15是T形並且大約在入口端11和出口端12中間作用於測量管13，參見圖5，使得在操作中，測量管13將在其中點經受其最大的橫向偏轉。
為了驅動槓桿組件15，如圖5所示，激勵組件16包括第一激勵線圈26和相關聯的第一永磁體電樞27，以及第二激勵線圈和相關聯的第二永磁體電樞37。優選地串聯連接的兩個激勵線圈26和36在軛163之下，在測量管13的兩側上固定至支持框架14，特別是可鬆開地固定，以在操作中分別與它們相關的電樞27或37交替作用。如果需要，兩個激勵線圈26、36當然可以並聯連接。
如圖3和5所示，兩個電樞27、37以這樣的間距固定至軛163，使得在變換器10的操作期間，電樞27將被激勵線圈26的磁場基本穿透，而電樞37將被激勵線圈36的磁場基本穿透，從而兩個電樞將由於相應的電動和/或電磁力的作用而移動。
由激勵線圈26、36的磁場產生的電樞27、37的運動被軛163和懸臂154傳遞至測量管13。這樣構造電樞27、37的這些運動，使得軛163在側板24的方向和側板34的方向上交替偏離其靜止位置。槓桿組件15的相應的旋轉軸與上面提到的測量管中心軸13B平行，並且例如穿過懸臂154。
用作激勵組件16的支持元件的支持框架14還包括用於支持激勵線圈26、36和磁力制動器組件217(下面將對其進行說明)的各個部件的支架29。支架29優選地可送開地與側壁24、34相連。
在變換器10的實施例中，在入口端11和出口端12牢固地夾持的振動測量管13的橫向偏轉同時引起其測量管內腔13A的彈性形變；這個彈性形變基本上在測量管13的整個長度上延伸。
另外，在測量管13中由於經由槓桿組件15作用的轉矩，與橫向偏轉同時至少在截面上引起圍繞測量管中心軸13B的扭轉，從而測量管13以混合的彎曲擺動-扭轉模式擺動，這個模式用作有效模式。測量管13的扭轉可以是這樣的懸臂154的遠離測量管13的一端的橫向偏轉的方向與測量管13的橫向偏轉的方向或者相同，或者相反。於是，測量管13可以執行對應於前一情況的第一彎曲擺動-扭轉模式的扭轉擺動，或者對應於後一情況的第二彎曲擺動-扭轉模式的扭轉擺動。在根據實施例的變換器10中，第二彎曲擺動-扭轉模式的固有基本諧振頻率，例如900Hz，大約是第一彎曲擺動-扭轉模式的二倍。
對於測量管13僅以第二彎曲擺動-扭轉模式執行擺動的情況，激勵組件16包含基於渦流原理的磁力制動器組件217，其用於穩定上述旋轉軸的位置。利用磁力制動器組件217，可以保證測量管13總是以第二彎曲擺動-扭轉模式擺動，從而任何對於測量管13的外部擾動影響都不會導致到另一彎曲擺動-扭轉模式，特別是第一彎曲擺動-扭轉模式的自發改變。這種磁力制動器組件的細節在US-A 6,006,609中有所描述。
在這一點，應當注意，在以這種方式根據第二彎曲擺動-扭轉模式偏轉的測量管13中，測量管中心軸13B輕微形變，從而在擺動期間，這個軸展現輕微彎曲的表面，而不是平面。另外，位於這個表面中且由測量管中心軸的中點描述的路徑曲線具有測量管中心軸所描述的所有路徑曲線中的最小曲率。
為了振動測量管13，為激勵組件16提供相同的振蕩電流iexc，其特別地具有可調的振幅和可調的頻率fexc，從而在工作中，這個電流通過激勵線圈26、36，並且以相應的方式產生移動電樞27、37所必需的磁場。如圖2中示意性顯示的，激勵電流iexc由測量儀表電子裝置50中提供的工作電路50A提供，並且可以是例如諧波交流電流。在這裡所示的實施例中，激勵電流iexc的頻率fexc優選地這樣選擇或自我調節，使得橫向擺動的測量管13儘可能僅以第二彎曲擺動-扭轉模式擺動。
為了檢測測量管13的形變，變換器10具有傳感器設置60，如圖2和3所示，其藉助於響應於測量管13的振動的至少第一傳感器元件17而生成代表它的第一特別是模擬測量信號s1。傳感器17可以例如由永磁體電樞形成，該電樞固定至測量管13並且與支持框架14支持的傳感器線圈相互作用。
特別適合於傳感器17的傳感器類型是基於電動原理檢測測量管的偏轉速度的那些傳感器。也可以使用加速度測量電動或位移測量電阻或光學傳感器。還可以使用本領域人員熟悉且適用於檢測這種振動的其它傳感器，例如用於檢測傳感器13的旋轉的傳感器。
傳感器設置60還包括第二傳感器元件18，其特別地與第一傳感器元件17相同，該第二傳感器元件18提供代表測量管13的振動的第二測量信號s2。在這個實施例中，兩個傳感器元件17、18在變換器10中沿測量管13相距給定距離放置，特別是距離測量管13的中點相同的距離，使得傳感器設置60本地檢測測量管13的入口側和出口側的振動，並且提供相應的測量信號s1或s2。
如圖2所示，通常各自具有與測量管13的瞬時擺動頻率相應的信號頻率的第一和可能的第二測量信號s1、s2被送給測量儀表電子裝置50中優選為數字的分析電路50B，其用於特別是數字地確定當前代表待測過程量(這裡是質量流量、密度、粘度、壓力)的測量值X，並將這個測量值轉換為在分析電路的輸出端可提供的相應的測量值信號。
在本發明的優選實施例中，使用測量儀表電子裝置50中提供的微計算機實現分析電路50B，該微計算機被以相應的方式編程，以從傳感器設置60提供的測量信號確定測量值X。可以使用例如現有的微處理器或現有的信號處理器實現微計算機。
儘管所示的變換器可以基於測量信號s1、s2中的一個信號確定密度或粘度，但是對於要檢測質量流量的情況，以本領域技術人員熟悉的方式使用兩個測量信號s1、s2，從而例如以信號時域中的實數或信號頻域中的複數形式確定依賴於質量流量的相差。
過程測量儀表還具有這樣的裝置，使得可以補償溫度對於所使用的測量信號s1和/或s2的影響，並且從而在較寬的溫度範圍並且甚至在變換器內部的溫度分布改變期間，提供測量值信號的高精確度。
為此，傳感器設置60還包括第一溫度傳感器40，用於檢測變換器中第一測量位置處的第一溫度T1並且生成與這個檢測溫度T1相應的第一溫度測量電信號θ1，其特別是連續信號。溫度傳感器40優選地這樣位於變換器中，使得至少在變換器內部穩定溫度分布時，這個提供的溫度測量信號θ1被儘可能好地以過程介質的溫度校正；在這一點，應當注意，溫度測量信號θ1儘管優選地代表絕對測量的第一溫度，但是如果需要，也可以例如代表相對於恆定參考溫度測量的溫差。
在本發明的優選實施例中，溫度傳感器40這樣放置在變換器中，使得它基本測量測量管13的溫度並且提供與這個測量溫度相應的第一溫度測量電信號θ1。溫度傳感器40可以例如直接安裝在測量管13上，但是那樣它將持續經受管的機械擺動，這將導致有關疲勞強度的溫度。於是，在所示的實施例中，溫度傳感器40優選地安裝在測量管13的擺動相對較弱的延伸件131、132之一上，這裡安裝在出口側。
在本發明的另一優選實施例中，為了提高測量精度，傳感器設置60包括第二溫度傳感器41，其這樣放置在變換器10中，以檢測遠離第一測量位置的第二測量位置的第二溫度T2。為此溫度傳感器41優選地安裝在變換器外殼100的壁內側上，使得它檢測變換器外殼100的溫度作為第二溫度T2。溫度傳感器41也可以例如固定至支持框架14。
應當注意，僅考慮測量信號的溫度補償，對於溫度傳感器40、41在變換器內部的設置幾乎無需考慮任何限制，從而放置至少一個溫度傳感器40有許多可能性並且可以提供任何其它溫度傳感器。使用的溫度傳感器可以是本領域技術人員熟悉的溫度傳感器，特別是在現有變換器中使用的設備。優選地，由金屬，例如Pt 100或Pt 1000或者半導體材料製成的熱敏電阻可以用於以上應用。如果需要，除了溫度傳感器40、41，在補償溫度對於至少一個測量信號的影響時可以考慮其它測量儀表中提供的其它溫差傳感器，例如在電子裝置外殼附近。
如圖2或6所示，由溫度傳感器40、41生成並從傳感器設置60輸出的可測的溫度測量信號θ1、θ1同樣施加於分析電路50B，並且因而可以進一步處理，特別是用於補償測量信號s1、s2。
在本發明的優選實施例中，如圖6中示意性示出的，測量信號s1首先被利用分析電流50B中提供的測量級MS改變為非溫度補償的或未校正的中間測量值X』。然後利用分析電路50B，使用傳感器設置60提供的至少一個溫度測量信號θ1校正這個中間測量值X』，並將其轉換為測量值X。然而，優選地，至少也由傳感器設置60提供的溫度測量信號θ2同樣用於中間測量值X』的校正。
為了校正中間測量值X』，在分析電路50B的相應校正級KS內部確定至少第一模擬或數字校正值K1，其用於從至少一個測量信號s1得到的未校正的中間測量值X』。這樣確定的校正值K1可以在校正級KS中進一步以簡單的方式，根據以下的簡單函數，乘以未校正的測量值X』X＝K1X』 (1)通過考慮溫度測量信號θ1，但是優選地考慮由傳感器設置60提供的至少兩個溫度測量信號θ1、θ2，形成由校正級KS形成的校正值K1，正如圖6所示。
在這之前，根據本發明，至少用於確定至少一個校正值K1的溫度測量信號θ1被轉換為溫度估計信號θ1』。溫度估計信號θ1』的生成用於儘可能好地估計並映射由溫度測量信號θ1的時間分布影響的瞬時溫度分布，其中不僅考慮溫度測量信號θ1的瞬時信號值，例如在上述US-A 4,768,384，US-A 5,687,100，WO-A 88/02476或WO-A01/02816中所描述的，而且考慮來自過去的信號值。於是，溫度傳感器40以前對於溫度T1檢測的溫度值也被考慮。在圖7中示意性描述了在時間段t2-t1的過渡範圍期間，溫度T1、T2的可能的變化的例子。如果需要，除了溫度估計信號θ1』，在測量值X的形成中當然也考慮溫度測量信號θ1的瞬時信號值。
在本發明的另一優選實施例中，利用測量儀表電子裝置50，基於以下數學關係生成溫度估計信號θ1』θ1』＝G10+G11*θ1..， (2)其中G10是可變或恆定係數，特別是與測量溫度無關的係數；G11是信號濾波器的加權函數，傳感器設置提供的溫度測量信號θ1利用它而疊加。
現在可以使用簡單的特別是線性的數學關係，從溫度估計信號θ1』計算校正值K1，數學關係如下K1＝1+k11*θ1』 (3)其中K11是第一係數，其體現了以溫度估計信號θ1』估計的有效溫度和校正值K1之間的關係，並且其基於實際上考慮了敏感度影響的第一參數，例如沿測量管13作用的變化的機械應力。
如果需要，對於確定溫度估計信號θ1』，也可以考慮G12*θ12形式的幅度自調製的溫度測量信號θ1或者G13*θ1θ2形式的以溫度測量信號θ2進行了幅度調製的溫度測量信號θ1。
根據本發明的進一步發展，為了確定校正值K1，之前至少溫度測量信號θ2也被例如基於以下數學關係轉換為相應的第二溫度估計信號θ2』θ2』＝G20+G21*θ2..， (4)忽律任何高階項，等式(3)中表達的校正值K1的計算法則僅依賴於溫度測量信號θ1，可以修改如下K1＝1+k11θ1』+k12θ2』，(5)從而校正值K1現在也依賴於溫度測量信號θ2。類似於等式(3)，在等式(5)中引入的第二係數k12是代表溫度估計信號θ2』和校正值K1之間的關係的係數，這個係數也基於實際上被考慮的第一參數。
使用等式(5)，等式(1)中的用於測量值X的計算法則可以修改如下X＝(1+k11θ1』+k12θ2』)X』 (6)在本發明的優選實施例中，特別是對於瞬時溫度分布同時作用在影響變換器敏感度的多個參數的情況，除了校正值K1以外還確定第二校正值K2，用於未校正的中間測量值X』。
在這裡顯示的變換器中，瞬時溫度分布例如影響測量管13的彈性模數以及甚至以另一方式影響變換器10內，特別是測量管13內的機械應力的瞬時分布。相應地，這個瞬時溫度分布還以不同的方式影響測量管13的擺動特性，例如關於測量管13的固有諧振頻率或關於有效模式和科裡奧利模式的振幅之間的比率。
考慮這一點，校正級中測量值X的確定優選地基於以下數學關係，它是等式(1)的擴展X＝K1K2X』 (7)測量信號s1到中間測量值X』的轉換以及後者與優選為數字的校正值K1或校正值K1、K2的結合具有以下優點對於這種從中間測量值X』和校正值K1、K2確定測量值X的方式，在所述類型的現有過程測量儀表中迄今使用的測量和分析方法中不需要特別大的變化。
基於等式(1)、(3)、(5)、(6)和/或(7)，現在可以容易地考慮其它影響敏感度的參數而校正中間測量值X』。例如，考慮影響變換器的敏感度的第二參數，可以以簡單的方式獲得測量值XX＝(1+k11θ1』+k12θ2』)(1+k21θ1』)X』 (8)其中K21是第三係數，其代表估計的溫度估計信號θ1』和校正值K1之間的關係，其中第三係數基於實際上考慮了例如變化的彈性模數的第二參數。
等式(6)和等式(8)之間的係數比較顯示，校正值K2可以例如從下式計算K2＝1+k21θ1』 (9)為了生成至少一個溫度估計信號θ1』，根據本發明另一優選實施例的測量儀表電子裝置包括在校正級KS前連接的濾波器級FS，用於濾波傳感器設置60提供的溫度測量信號，濾波器級FS包括用於溫度測量信號θ1的至少第一信號濾波器SF1，參見圖6。對於校正電路還使用第二溫度估計信號θ2』的優選情況，在濾波器級FS中還提供用於溫度測量信號θ2的至少第二信號濾波器SF2。
這樣設計並相互匹配濾波器級FS的信號濾波器SF1、SF2，特別是這樣調整它們的濾波器階數和濾波器參數，使得對於這樣定義的各個加權函數G11、G21以及在其上疊加的各個溫度測量信號θ1、θ2，變換器10內的影響測量信號s1和可能的第二測量信號s2的瞬時溫度分布被儘可能精確地複製或模擬，不僅考慮各個溫度信號θ1或θ2的瞬時信號值，而且考慮相應溫度信號θ1、θ2的過去的信號值。另外，信號濾波器SF1、SF2被這樣設計，特別是關於它們的信號放大係數和信號延遲，使得至少精確地估計的瞬時溫度對於敏感度的影響也被以補償的方式得到考慮。
優選地，信號濾波器SF1的加權函數G11被這樣選擇，使得響應於溫度信號θ1中的變化，例如增高，溫度估計信號θ1』的值將在明顯的延遲之後與溫度信號θ1的瞬時信號值成比例。然後測量儀表電子裝置50B以相應的方式，響應於第一溫度測量信號θ1中的第一溫度對應變化，在相應的時間延遲之後在第一校正值k1中有變化。為此，例如加權函數G11除了具有成比例放大的成分之外，還具有隨時間積分的至少一個一階或高階成分。因此，信號濾波器SF1可以是例如低通濾波器。
適用於各個變換器類型的濾波器階數最好可以在過程測量儀表的設計和發展期間使用測量儀表的原型確定。這可以通過實驗完成或者使用計算機輔助數字計算(例如使用有限元方法的算法)完成。基於特別為經驗確定的濾波器階數，實際上適於各個過程測量儀表的濾波器參數可以例如通過測量儀表特定的或測量儀表類型特定的標定方法，特別是結合數字確定濾波器參數的計算算法而確定，並且通過例如最小方差或概括的方法而將它們優化。
根據本發明的另一優選實施例，傳感器設置60提供的第一溫度信號θ1在被分析電路處理之前，在校正值K1的計算之前被第一A/D轉換器AD1時間離散地採樣並轉換為第一數位訊號θ1D如圖7和9示意性示出的。類似地，如圖8示意性示出的，優選地類似地使用的第二溫度信號θ2被第二A/D轉換器AD2轉換為第二數位訊號θ2D。
在這個發展的優選實施例中，對於溫度測量信號θ1的信號濾波器是數位訊號濾波器SF1D，其實現用於計算溫度估計信號θ1』的以下數字算法1,t=k=0Mak1,t-kt-k=1Nbk1,t-kt---(10)]]>其中至少兩個，但是優選為M個可能的係數ak非零。類似地，第二數位訊號濾波器SF2D可以用於溫度測量信號θ2，參見圖8。
在等式(10)給出的一般計算法則中，如果N個可能的係數bk中至少一個非零，那麼這樣實現的數位訊號濾波器SF1D將是具有至少理論上無限脈衝響應的遞歸濾波器；否則，數位訊號濾波器SF1D將是具有有限脈衝響應的非遞歸濾波器。
對於溫度測量信號θ1、θ2被數位化的上述情況，即，如果它們被以採樣順序的形式使用，並且如果使用具有合適容量的微處理器，特別是信號處理器，那麼濾波器級FS實際上可以由上述微計算機和相應的軟體完全實現，該軟體中也包括用於數位訊號濾波器的計算算法。另外，校正值K1和測量值X都具有優點地通過微計算機執行合適的電腦程式而確定。
根據本發明的公開，本領域熟練技術人員將非常容易地設計合適的數字或混合模擬數字分析電路，特別是合適的濾波器級，其使用有效的溫度測量信號θ1、θ2和對於過程量的相應的比較方法，以這樣的方式處理測量信號S1或多個測量信號，使得未校正的測量值X』與至少一個校正值K1結合，導致測量值X具有足夠的精度。
權利要求
1.過程測量儀表，用於測量過程容器中容納的或過程管道中流動的介質的至少一個物理過程量，特別是質量流量、密度、粘度、壓力等，該測量儀表包括-變換器(10)--該變換器具有提供測量信號(s1，s2)的傳感器設置(60)，---該傳感器設置包括主要對物理過程量，特別是過程量的變化作出反應的第一傳感器元件(17)，並且藉助於該第一傳感器元件(17)提供受物理過程量影響的至少一個第一測量信號(s1)，且---該傳感器設置還包括放置在變換器(10)中的至少一個第一溫度傳感器(40)，其本地檢測變換器(10)中的第一溫度T1，並且---該傳感器設置利用至少一個溫度傳感器(40)提供代表變換器(10)中的第一溫度T1的至少一個第一溫度測量信號(θ1)；和-測量儀表電子裝置(50)，其使用至少第一測量信號(s1)以及對於至少第一測量信號(s1)的第一校正值(K1)，生成代表當前物理量的至少一個測量值(X)，特別是質量流量測量值、密度測量值、粘度測量值或壓力測量值，-其中在工作期間，測量儀表電子裝置(50)考慮第一溫度傳感器(40)過去檢測的溫度值，根據至少第一溫度測量信號(θ1)的時間分布確定第一校正值(K1)。
2.根據權利要求1所述的過程測量儀表，其中測量儀表電子裝置在工作中在一段延時之後以第一校正值(K1)的改變對於第一溫度測量信號(θ1)中與第一溫度變化相應的變化作出反應。
3.根據權利要求1或2所述的過程測量儀表，-其中傳感器設置(60)包括放置在變換器(10)中且特別地與第一溫度傳感器(40)間隔的至少一個第二溫度傳感器(41)，其本地檢測變換器(10)中的第二溫度T2，並且-其中傳感器設置(60)利用第二溫度傳感器(41)提供代表第二溫度T2的至少一個第二溫度測量信號(θ2)。
4.根據權利要求3所述的過程測量儀表，其中測量儀表電子裝置(50)還使用第二溫度測量信號(θ2)確定第一校正值(K1)。
5.根據權利要求3或4所述的過程測量儀表，-其中測量儀表電子裝置(50)根據至少第二溫度測量信號(θ2)的時間分布確定第二校正值(K2)，並且-其中測量儀表電子裝置(50)還使用第二校正值(K2)生成測量值(X)。
6.根據前述任一權利要求所述的過程測量儀表，其中測量儀表電子裝置(50)包括用於生成至少第一校正值(K1)的濾波器級(FS)，其中第一溫度測量信號(θ1)被施加至濾波器級(FS)的第一信號輸入端。
7.根據權利要求6所述的過程測量儀表，其中濾波器級(FS)包括第一A/D轉換器(AD1)，其用於將第一溫度測量信號(θ1)轉換為第一數位訊號(θ1D)。
8.根據權利要求7所述的過程測量儀表，其中濾波器級包括用於第一數位訊號(θ1D)的第一數位訊號濾波器(SF1D)。
9.根據權利要求8所述的過程測量儀表，其中第一數位訊號濾波器(SF1D)是遞歸濾波器。
10.根據權利要求8所述的過程測量儀表，其中第一數位訊號濾波器是非遞歸濾波器。
11.根據權利要求5所述的過程測量儀表，-其中濾波器級(FS)還用於生成第二校正值(K2)，其中第二溫度測量信號(θ2)被施加至濾波器級(FS)的第二信號輸入端，並且-濾波器級(FS)包括第A/D轉換器(AD2)，其用於將第二溫度測量信號(θ2)轉換至第二數位訊號(θ2D)。
12.根據權利要求7所述的過程測量儀表，其中濾波器級包括用於第二數位訊號(θ2D)的第二數位訊號濾波器。
13.根據前述任一權利要求所述的過程測量儀表，其中變換器包括至少一個測量管(13)，用於引導特別是流動的介質。
14.根據權利要求13所述的過程測量儀表，其中兩個溫度傳感器(40，41)中的至少一個放置在測量管上或者其附近。
15.根據權利要求13-19中任一條所述的過程測量儀表，其中變換器(10)包括包圍測量管(13)的變換器外殼(100)。
16.根據權利要求15所述的過程測量儀表，其中兩個溫度傳感器(40，41)中的至少一個固定至變換器外殼(100)或者至少位於其附近。
17.根據權利要求13-16中任一條所述的過程測量儀表，-其中變換器(10)還包括特別為電動或電磁的擺動激勵器(16)，其與測量儀表電子裝置(50)電連接，機械地作用於測量管(13)，用於驅動測量管(13)，並且-其中測量儀表電子裝置(50)提供用於控制擺動激勵器(16)的至少一個激勵信號(iexc)，使得測量管(13)在操作中至少間歇振動。
18.根據權利要求17所述的過程測量儀表，-其中第一傳感器元件(17)對測量管(13)特別是入口側或出口側的振動作出反應，並且-其中從第一傳感器元件(17)提供的測量信號(s1)代表振動的測量管(13)的受過程介質影響的機械擺動。
19.根據權利要求17或18所述的過程測量儀表，其中變換器(10)包括固定至測量管(13)的支持元件(14)，其特別是可擺動地懸掛在變換器外殼(100)內，用於支持擺動激勵器(16)，並且變換器(10)還包括至少第一傳感器元件(17)。
20.根據權利要求19所述的過程測量儀表，其中至少溫度傳感器(40)固定至支持元件(14)或至少位於其附近。
21.根據權利要求1-20中任一條所述的過程測量儀表，-其中傳感器設置(60)包括主要對物理過程量作出反應的至少一個第二傳感器元件(18)，並且藉助於第二傳感器元件(18)提供受物理過程量影響的至少一個第二測量信號(s2)，並且-其中測量儀表電子裝置還使用第二測量信號生成測量值。
全文摘要
過程測量儀表用於測量過程容器中容納的或過程管道中流動的介質的物理過程量。其包括變換器(10)，其具有提供測量信號(s
文檔編號G01F15/02GK1720428SQ200380105288
公開日2006年1月11日 申請日期2003年12月2日 優先權日2002年12月6日
發明者沃爾夫岡·德拉赫姆, 奧爾弗雷德·裡德 申請人:恩德斯+豪斯流量技術股份有限公司