DE19882238B4

DE19882238B4 - Wirbeldurchflussmesser und Verfahren für einen Wirbeldurchflussmesser

Info

Publication number: DE19882238B4
Application number: DE19882238T
Authority: DE
Inventors: Lowell A. Eden Prairie Kleven
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: US5942696A; CN1251651A; WO1998044317A1; JP4435309B2; GB2338071B; GB2338071A8; CN1135363C; GB2338071A; JP2001517311A; DE19882238T1; GB9921575D0

Abstract

Wirbeldurchflußmesser (10), der einen Druck von Wirbeln in einem strömenden Fluid (14) erfaßt und ein auf einen Massendurchfluß bezogenes Ausgangssignal überträgt, wobei der Wirbeldurchflußmesser (10) aufweist:
einen Wirbelerzeuger zur Erzeugung der Wirbel in dem strömenden Fluid; ein dynamisches Filter (68), das ein Wirbeldrucksignal (78) eines Wirbelsensors filtert und ein erstes gefiltertes Ausgangssignal (82) und ein zweites gefiltertes Ausgangssignal (86) bereitstellt, welches dem ersten gefilterten Ausgangssignal (82) folgt, wobei das dynamische Filter (68) eine steuerbare Übertragungsfunktion aufweist;
eine Steuerschaltung (70, 88, 130), welche die steuerbare Übertragungsfunktion steuert und ein auf einen Massendurchfluß bezogenes Ausgangssignal als eine Funktion sowohl des ersten gefilterten Ausgangssignals (82) als auch des zweiten gefilterten Ausgangssignals (86) bereitstellt; und
eine Übertragungsschaltung (83, 85), welche das auf einen Massendurchfluß bezogene Ausgangssignal empfängt und überträgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbeldurchflussmesser und ein Verfahren für einen Wirbeldurchflussmesser.
Durchflußmesser erfassen den Durchfluß bzw. die Strömung von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohren und erzeugen ein den Durchfluß anzeigendes Signal. Unter bestimmten Umständen bewirkt das Vorhandensein eines Hindernisses, alternativ als Wirbelstange, Stumpfkörper oder Wirbelerzeuger bekannt, in einem Strömungskanal periodische Wirbel in der Strömung. Die Frequenz dieser Wirbel ist direkt proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit in dem Durchflußmesser. Die Ablösungswirbel erzeugen ein wechselnden Differenzdruck über dem Stumpfkörper bei der Ablösungsfrequenz. Dieser Differenzdruck wird mittels piezoelektrischer Kristalle oder anderer Differenzdruckelemente in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Absolutwert des Differenzdrucks oder elektrischen Signals ist proportional zu ρV², wobei ρ die Fluiddichte und V die Fluidgeschwindigkeit ist. Wenn das Verhältnis des Rohrdurchmesser zu der Größe des Stumpfkörpers konstant gehalten wird, ist der Signalabsolutwert proportional zu ρD²F², wobei D der Innendurchmesser des Meßrohres und F die Ablösungsfrequenz ist. Der Wirbeldurchflußmesser erzeugt Impulse mit einer zu der Strömungsrate proportionalen Frequenz. In einem Drall durchflußmesser wird das Fluid, dessen Strömungsrate gemessen werden soll, mittels Drallschaufeln gezwungen, eine Drallkomponente anzunehmen, wobei die Anordnung so ist, daß die Drallbewegung in eine Präzessionsbewegung transformiert wird, um Fluidimpulse zu erzeugen, welche erfaßt werden, um ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zu der Strömungsrate ist. Siehe z. B. die U.S. Patente 3,616,693 und 3,719,080 , welche Beispiele von Dralldurchflußmessern offenbaren und hierin durch Bezugnahme beinhaltet sind. Der Begriff „Wirbeldurchflußmesser" soll, so wie er hierin gebraucht wird, sowohl Wirbelablösungsdurchflußmesser als auch Dralldurchflußmesser umfassen.
Ein Wirbeldurchflußmesser kann auch die Massendurchflußrate durch das Rohr oder den Kanal messen.
Das US Patent 5,351,556 offenbart einen Wirbeldurchflussmesser mit einem Wirbelgenerator und einen Wirbelsensor sowie ein dynamisches Filter um ein erstes gefiltertes und ein zweites, dem ersten folgendes, gefiltertes Ausgangssignal zu liefern.
Das U.S. Patent 5,429,001 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung der Massendurchflusses auf der Basis der Amplitude und Frequenz eines gefilterten Ausgangssignals. Ein Filter in dem Wirbeldurchflußmesser empfängt ein auf den Durchfluß bezogenes Eingangssignal mit einer abhängig von dem Durchfluß variierenden Grundfrequenz. Das Filter filtert das Eingangssignal mit einer selektierten Hochpaß-(HP)-Charakteristik und voreingestellten Tiefpaß-(LP)-Filtern, um das gefilterte Signal mit einer den Durchfluß repräsentierenden Frequenz zu erzeugen. Die Frequenzcharakteristik des HP-Filters wird aus einer Familie vorselektierter HP-Filter mit variierenden Eckfrequenzen selektiert. Jedes HP-Filter in der Familie weist einem im zugewiesenen eindeutigen Aufwärts- und einen eindeutigen Abwärts-Schaltwert auf.
Der in dem U.S. Patent 5,429,001 offenbarte Wirbeldurchflußmesser weist auch eine adaptive Antwortschaltung auf, welche eine aktuelle HP-Filtercharakteristik zur Anwendung in dem Filter selektiert. Die adaptive Schaltung nutzt ein erstes Selektionsverfahren bei zunehmendem Durchfluß und ein anderes Selektionsverfahren bei abnehmendem Durchfluß. Eine Berechnungsschaltung in dem Wirbeldurchflußmesser weist eine Gleichrichtungsschaltung, Summierungsschaltung, Periodenzähl- und Zeitgeberschaltung und einen Mikroprozessor auf. Die Gleichrichtungsschaltung richtet das gefilterte Signal gleich und die Summierungsschaltung summiert den Absolutwert des gleichgerichteten Ausgangssignals während die Periodenzähl- und Zeitgeberschaltung die Perioden und die verstrichene Zeit der gezählten Perioden in dem gefilterten Ausgangssignal zählt. Der Mikroprozessor berechnet den Massendurchfluß unter Verwendung der Frequenz und der gemittelten Amplitude des gefilterten Ausgangssignal auf der Basis von Ausgangssignalen aus der Summierungsschaltung, Periodenzählschaltung und einem Systemtakt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Berechnung des Massendurchflusses in dem gefilterten Ausgangssignal bezüglich der Übertragungsfunktion des digitalen Filters fehlerkorrigiert. Das U.S. Patent 5,429,001 offenbart eine Gleichung der Frequenzantwort-Übertragungsfunktion für jedes von den einzelnen Filtern. Der Mikroprozessor berechnet den Massendurchfluß unter Verwendung des gefilterten Ausgangssignals mit einem Korrekturfaktor bezüglich der Übertragungsfunktion jedes Filters. Da jedoch die Übertragungsfunktion bedingt durch die vom Mikroprozessor bereitgestellten sich verändernden Eckfrequenzen variiert, muß der Mikroprozessor die Übertragungsfunktion jedes Filters nachberechnen, um einen genauen Korrekturfaktor anzuwenden. Somit muß der Mikroprozessor für jede Berechnung einer Massendurchflußrate viele mathematische Schritte ausführen, wobei jeder mathematische Schritt eine Anzahl von Taktzyklen erfordert. Dieses begrenzt die Rate, mit welcher berechnete Massendurchflußraten bereitgestellt werden können, oder begrenzt irgendwelche andere Funktionen, welcher der Mikroprozessor während berechneten Massendurchflußraten ausführen kann. Es ist daher wünschenswert die Rechenzeit zu verkürzen, welche der Wirbeldurchflußmesser zum Berechnen der Massendurchflußrate benötigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Wirbeldurchflußmesser erfaßt einen Druck von Wirbeln in einem strömenden Fluid und überträgt ein auf den Massendurchfluß bezogenes Ausgangssignal. Der Wirbeldurchflußmesser enthält ein dynamisches Filter, welches das Wirbeldrucksignal filtert. Das dynamische Filter stellt ein erstes gefiltertes Ausgangssignal und ein zweites gefiltertes Ausgangssignal bereit. Das dynamische Filter weist eine steuerbare Übertragungsfunktion auf. Die Steuerschaltung steuert die steuerbare Übertragungsfunktion und stellt ein auf den Massendurchfluß bezogenes Ausgangssignal als eine Funktion des ersten gefilterten Ausgangssignals und des zweiten gefilterten Ausgangssignals bereit. Eine Übertragungsschaltung empfängt das Ausgangssignal und überträgt ein auf den Massendurchfluß bezogenes Signal.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Berechnung eines auf den Massendurchfluss bezogenen Signals aus einem Wirbelsignal, das in einem Fluid erzeugte Wirbel anzeigt. Das Verfahren weist die Schritte auf: (a) Filtern des Wirbelsignals, um ein erstes gefiltertes Ausgangssignal bereitzustellen; (b) Filtern des ersten gefilterten Ausgangssignals, um ein zweites gefiltertes Ausgangssignal bereitzustellen; und (c) Berechnen der auf die Durchflußrate bezogenen Ausgangsgröße als eine Funktion des ersten gefilterten Ausgangssignals und des zweiten gefilterten Ausgangssignals.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Wirbeldurchflußmessers.
2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Erzielung von Signalen für eine schnelle Berechnung einer Übertragungsfunktion für ein digitales Filter des Wirbeldurchflußmessers.
3 ist ein Blockschaltbild eines Abschnittes des Wirbeldurchflußmessers in 1.
4 ist ein Blockschaltbild einer Schaltung, die zum Berechnen des Massendurchflusses gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 stellt eine Ausführungsform eines Wirbeldurchflußmessers 10 der vorliegenden Erfindung dar. Im allgemeinen weist der Wirbeldurchflußmesser 10 einen Wirbelsensor 11 auf, welcher Wirbel 15 in einem Fluid 14 erfaßt, das durch einen Kanal 16 strömt. Der Wirbelsensor 11 ist für den Betrieb mit einer elektronischen Schaltung 12 verbunden. Die elektronische Schaltung 12 erzeugt sowohl einen Strom von 4 bis 20 mA in einer Stromschleife 17, der einen Durchfluß anzeigt, als auch ein Rechteckwellensignal F_AUS mit einer zum Fluiddurchfluß proportionalen Frequenz.
Der Wirbeldurchflußmesser 10 weist ein Wirbeldurchflußmessergehäuse 22 mit einem darin angeordneten Stumpfkörper 24 auf. Wenn das Fluid 14 hinter den Stumpfkörper 24 strömt, werden Ablösungswirbel 15 mit einer die Durchflußrate anzeigenden Frequenz erzeugt. Ein bevorzugt bei dem Stumpfkörper 24 angeordneter Wirbelsensor 26 erfaßt die den Ablösewirbeln 15 zugeordnete Druckdifferenz. Der Wirbelsensor 26 kann beispielsweise einen piezoelektrischen Sensor aufweisen. Der Sensor 26 besitzt Eigenschaften welche durch eine Potentialquelle E_S und einen Serienkondensator C_S angenähert werden. Der Absolutwert des Ausgangssignals aus dem piezoelektrischen Sensor 26 ist proportional zu dem Differenzdruck, welcher proportional zu ρV² ist, wobei ρ die Fluiddichte und V die Geschwindigkeit des Fluids 14 ist, und auch proportional zu ρD²F², wobei D der Innendurchmesser des Gehäuses 22 ist und F die Ablösungsfrequenz der Wirbel 15 ist.
Der Ausgang des piezoelektrischen Sensors 26 ist mit einem Eingang eines Verstärkers 28 verbunden, welcher einen Kondensator C_F und einen Widerstand R_F aufweist. Der Verstär ker 28 liefert ein analoges Ausgangssignal auf einer Leitung 30. Das Signal auf der Leitung 30 wird einer Eingangsschaltung 60 zugeführt, welche ein Anti-Aliasing-Filter 62 und einen bei 64 dargestellten Analog/Digital-(Sigma/Delta)-Wandler aufweist. Das Anti-Aliasing-Filter 62 filtert das Signal von der Leitung 30, um unerwünschtes Hochfrequenzrauschen zu entfernen und führt eine Anti-Aliasing-Filterung durch.
Der Analog/Digital-Wandler 64 tastet das Signal aus dem Filter 62 bei etwa 307,2 kHz ab und gibt einen Einzelbitdatenstrom bei 307,2 kHz aus, welcher die Amplitude und Frequenz der Wirbel 15 anzeigt. Es gibt keine Wortbegrenzungen in dem Datenstrom. Die relative Anzahl von Einsen und Nullen, welche manchmal als die Bitdichte bezeichnet wird, repräsentiert die Amplitude der Wirbel 15. Der Analog/Digital-Wandler 64, welcher bevorzugt in einem CMOS-ASIC implementiert wird, um Stromverbrauch, Kosten und Größe zu minimieren, ist speziell für die Digitalisierung von analogen Signalen in dem Bereich von 1 bis 10 kHz geeignet, welcher ein typischer Frequenzbereich für Wirbeldurchflußmesser ist. Der digitale Datenstrom wird über eine elektrische Isolationsbarriere 66 übertragen, die für Sensoren erforderlich ist, welche geerdet sind oder einen Leckstrom nach Erde aufweisen. Derartige Sensoren werden typischerweise in Wirbeldurchflußmessern verwendet, um Kosten zu verringern und Verbindungen zu vereinfachen. Der Einzelbitdatenstrom erlaubt die Verwendung eines preiswerten kompakten Transformators oder Kondensators in der Isolationsbarriere 66. Weitere Isolationsmedien, wie z. B. optische, piezoelektisch/akustische und magnetostriktive Isolationseinrichtungen sind zulässig.
Der Einzelbitdatenstrom wird durch die Isolationsbarriere 66 hindurch einem digitalen Nachlauffilter 68 zugeführt. Das digitale Nachlauffilter 68 minimiert das in dem Analog/Digital-Wandler 64 vorhandene Frequenzquantisierungsrauschen und wandelt auch die Amplitude und Frequenz des Wirbelsensorsignals 30 in eine einen Massendurchfluß anzeigende Durchflußmesserausgangsgröße um. Das digitale Filter 68 empfängt ein durch Rauschen beeinträchtigtes auf den Durchfluß bezogenes Eingangssignal mit einer Grundfrequenz, die abhängig von dem Durchfluß variiert. Das digitale Filter 68 filtert das Eingangssignal mit Hochpaß-(HP)-Charakteristiken und voreingestellten Tiefpaß-(LP)-Filtern, um ein den Durchfluß repräsentierendes gefiltertes Signal zu erzeugen. Die Frequenzcharakteristik des HP-Filters wird aus einer Familie vorselektierter HP-Filter mit unterschiedlichen Eckfrequenzen selektiert. In einer bevorzugten Ausführungsform werden mehrere HP-Filter verwendet. Ein Mikroprozessor 70 selektiert geeignete Eckfrequenzen des digitalen Filters 68, oder es ist eine geeignete Steuerung in dem digitalen Filter 68 zur Selektion der Eckfrequenzen vorgesehen. Das digitale Filter 68 liefert ein auf die Amplitude des Signals auf der Leitung 30 bezogenes Signal, welches zu der Dichte ρ_V des Fluids grob proportional ist. Das Signal ρ_V wird wiederum zum Berechnen der Massendurchflußrate M verwendet. Das ρ_V-Signal wird gegenüber dem anderen Signal ρV bevorzugt, das ebenfalls aus dem digitalen Filter 68 zur Verfügung steht, da das digitale Filter 68 von dem ρ_V-Signal mehr Rauschen entfernt hat.
Das ρ_V-Signal wird von dem Mikroprozessor 70 empfangen. Bevorzugt wird das ρ_V-Signal unter Verwendung eines Korrekturfaktors bezüglich der Übertragungsfunktion des digitalen Filters 68 korrigiert. Das U.S. Patent 5,429,001 beschreibt von dem Mikroprozessor benutzte Gleichungen zum Berechnen der Übertragungsfunktion. Die Berechnung der Gleichungen durch den Mikroprozessor 70 verbraucht jedoch Rechenzeit.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Wirbeldurchflußmesser 10 ein digitales Filter 68 auf, welches das auf den Durchfluß bezogene Eingangssignal 78 empfängt und gefilterte Ausgangssignale liefert, welche zum Berechnen der Übertragungsfunktion des digitalen Filters 68 verwendet werden.
Gemäß 2 weist das digitale Filter 68 eine erste Filterungsschaltung 80 für den Empfang des auf den Durchfluß bezogenen Eingangssignals 78 auf. Die erste Filterungsschaltung 80 filtert das Eingangssignal 78 und liefert ein erstes gefiltertes Ausgangssignal 82. Die erste Filterungsschaltung 80 ist durch eine erste Übertragungsfunktion H₁(f_V) charakterisiert, wobei f_V die Grundfrequenz des Eingangssignals 78 ist. Eine zweite Filterungsschaltung 84 empfängt das erste gefilterte Ausgangssignal 82 und liefert ein zweites Ausgangssignal 86. Die zweite Filterungsschaltung 84 ist durch eine zweite Übertragungsfunktion H₂(f_V) charakterisiert, wobei die zweite Übertragungsfunktion H₂(f_V) eine bekannte Beziehung zu der ersten Übertragungsfunktion H₁(f_V) aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Filterungsschaltung 80 und die zweite Filterungsschaltung 84 im wesentlichen identisch, da sie in einem CMOS-ASIC in der Weise implementiert sind, daß die erste Übertragungsfunktion H₁(f_V) im wesentlichen mit der zweiten Übertragungsfunktion H₂(f_V) identisch ist.
Eine Verarbeitungsschaltung 88 (4) enthält Summierungsschaltungen 90 und 92. Die Summierungsschaltung 90 empfängt das erste gefilterte Ausgangssignal 82, während die zweite Summierungsschaltung 92 das zweite gefilterte Ausgangssignal 86 empfängt. In der dargestellten Ausführungsform wird das erste gefilterte Ausgangssignal 82 mit dem Verstärker 94 verstärkt. Der Verstärker 94 weist einen Multiplizierer auf, wenn das Signal 82 digital ist, und weist einen analogen Verstärker auf, wenn das Signal 82 analog ist. Der Verstärker 94 wird typischerweise für ein Ganzzahlen-System benötigt, wie es hierin offenbart ist, damit signifikante Bits nicht durch die Abschwächung der ersten Filterungsschaltung 80 verlorengehen. Wie vorstehend beschrieben, berechnet die Verarbeitungsschaltung 88 den die Durchflußrate des strömenden Fluids repräsentierenden Ausgangswert, typischerweise die Massendurchflußrate, als eine Funktion des ersten gefilterten Ausgangssignal 82 und des zweiten gefilterten Ausgangssignals 86.
Kurz gefaßt ist die Grundgleichung, welche den von der Wirbelablösung bewirkten Differenzdruck beschreibt, gleich: Ein = V0sin(2πfVt) Gl. 1wobei E_in ein in das digitale Filter 68 eingegebenes Sinuswellensignal ist, V₀ eine numerische Darstellung einer Signalamplitude, f_V die Wirbelablösungsfrequenz (Hz) ist und t die verstrichene Zeit in Sekunden ist. Die Amplitude V₀ des Sensorsignals ist proportional zu dem wechselnden Differenzdruck der Wirbel 15 und kann zur Bestimmung des Massendurchflusses und der Dichte ρ_V gemäß nachstehender Beschreibung benutzt werden. Die Amplitude des Drucksignals V₀ auf der Leitung 30 kann ausgedrückt werden als: V0 = K0ρVV2 Gl. 2wobei K₀ eine (von der Sensorverstärkung, der Verstärkung des Ladungsverstärkers, der Verstärkung des Anti-Alias-Filters, der Sigma/Delta-Verstärkung und Strömungseffekten beeinflußte) Proportionalitätskonstante ist, V die Geschwindigkeit des Fluids ist und ρ_V wie vorstehend definiert ist.
Das erste gefilterte Ausgangssignal (A₁) 82 und das zweite gefilterte Ausgangssignal (A₂) 86 können ausgedrückt werden als: A1 = GH1(fV)K0ρVV2sin(2πfVt) Gl. 3 A2 = GH1(fV)H2(fV)K0ρVV2sin(2πfVt) Gl. 4
Unter Verwendung einer gemittelten Amplitude zur Darstellung des ersten gefilterten Ausgangssignals A₁ und des zweiten gefilterten Ausgangssignals A₂ können die vorstehenden Gleichungen geschrieben werden als:
wobei
gemittelte Übertragungsfunktionen bezeichnen.
Eine Division der Gleichung 6 durch die Gleichung 5 ergibt:
Da die Übertragungsfunktionen H₁(f_V) und H₂(f_V) gleich sind, ergibt sich durch Einsetzen der folgenden Ausdrücke:
in Gleichung 5:
wobei F_V die Wirbelablösungsfrequenz ist, K_f der K-Faktor (Impulse pro ft³) und A_m die Spulfläche (spool area) (ft²) ist. Ein Einsetzen der nachstehenden Ausdrücke:
in die Gleichung 9 ergibt den Massendurchfluß als:
wobei N_p die Anzahl der Perioden in der Periodenunterbrechung für die Verarbeitungsschaltung 88 ist, N_T die Anzahl von Zeitgeberzählimpulsen bei der Abtastfrequenz f_s (307,20 kHz) ist, Σ|A₁| die Summierung des Absolutwertes der Amplitudenwerte A₁ bei der Abtastfrequenz f_s ist, wobei N_T gleich der Anzahl der Unterbrechungen in der Periodenunterbrechung ist, und Σ|A₂| die Summierung des Absolutwertes der Amplitudenwerte A₂ bei der Abtastfrequenz f_s ist, wobei N_T gleich der Anzahl der Unterbrechungen in der Periodenunterbrechung ist. (Man, beachte daß sich N_T in Gleichung 11 herauskürzt).
Ein Schmitt-Trigger 98 empfängt das erste gefilterte Ausgangssignal 82 und liefert ein Rechteckwellensignal bei der Wirbelablösungsfrequenz f_V, um den bei 102 dargestellten Periodenzähler N_p und den Periodenzeitgeber N_T/f_s zu beliefern.
Zusätzlich ist ρ_V durch die nachstehende Gleichung gegeben:
Bei gegebener tatsächlicher Dichte ρ_a kann K₀ jedoch kalibriert werden als:
Somit wird durch Verwendung von zwei identischen Filterungsschaltungen 80 und 84 eine schnelle Bestimmung der Übertragungsfunktion der Filterungsschaltungen 80 und 84 aus den ersten und zweiten gefilterten Ausgangssignalen 82 und 86 gemäß Darstellung durch die Gleichung 7 erzielt.
3 stellt eine Ausführungsform des digitalen Nachlauffilters 68 dar. Wie vorstehend festgestellt, empfängt das digitale Nachlauffilter 68 einen Einzelbitdatenstrom, der die Amplitude und Frequenz der Ausgangsgröße des Wirbelsensors 11 darstellt, über den Isolator 66. In der dargestellten Ausführungsform liefert eine Energieversorgung 100 Energie an ein Systemtakt 101, dessen Ausgangssignal 100 über den Isolator 66 an eine nicht dargestellte Energieversorgung geführt wird, welche das Taktsignal rechteckig macht und das Rechtecksignal und Energie an den Wirbelsensor 11 und die Eingangsschaltung 60 (1) liefert. Durch die Verwendung eines gemeinsamen Taktsignals wird eine Synchronisation auf beiden Seiten des Isolators 66 bereitgestellt.
Ein Dezimierungsfilter 108 empfängt den seriellen Bitdatenstrom 78. Das Dezimierungsfilter 108 vergrößert die Breite des Datenwortes von einer Breite von einem Bit auf eine Breite von zehn Bit und reduziert die Abtastfrequenz um einen Faktor von Zehn auf 30,72 kHz. Das Filter 108 reduziert die Amplitude des Quantisierungsrauschens und verhindert ein Aliasing durch die Dezimierung bewirkter höherer Frequenzsignale. Der Dezimierungsfaktor ist so gewählt, daß die Dezimierungsabtastrate fünf bis acht mal größer als die höchste Frequenz des Wirbelsignals ist, um einfache digitale Filter in anschließenden Stufen zu verwenden. Ein Ausgangssignal des Dezimierungsfilters 108 wird von einem LP-Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR) (elliptisches Filter) 110 empfangen, das auf die ungefähre maximale Betriebsfrequenz der Wirbelablösung eingestellt ist. Das elliptische Filter minimiert in dem Analog/Digital-Wandler 64 vorhandenes unerwünschtes hochfrequentes Quantisierungsrauschen und Sensorresonanzfrequenzen. Das vorstehend beschriebene Dezimierungsfilter 108 ist nicht erforderlich, wenn andere Verfahren zur Analog/Digital-Wandlung benutzt werden.
Eine kaskadierte Filterungsschaltung 111 empfängt das Ausgangssignal des elliptischen Filters 110. Die kaskadierte Filterungsschaltung 111 weist in Reihe geschaltete Filter in der nachstehenden Reihenfolge auf: ein Hochpaßfilter (HP) 112, ein Tiefpaßfilter (LP) 116, ein HP-Filter 113, ein LP-Filter 117, ein HP-Filter 114, und dann ein HP-Filter 115. Jedes Filter approximiert ein Ein-Pol-Tiefpaßfilter oder ein Ein-Pol-Hochpaßfilter. Eine analoge Implementation der kaskadierten Filterungsschaltung 111 würde ebenfalls zwei LP- Filter und vier HP-Filter mit jeweils nur eine Polstelle verwenden. Die HP- und LP-Filter 112 bis 117 sind in dieser Art in Reihe geschaltet, um Transienten zu reduzieren, die ausgelöst werden, wenn HP-Filtercharakteristiken von dem Mikroprozessor 70 umgeschaltet werden, da HP-Filtertransienten Hochfrequenzkomponenten aufweisen, die nicht durch nachfolgende HP-Filter abgeschwächt werden. Andererseits kann das digitale Äquivalent des Schmitt-Trigger 98 unerwünschte Extra-Ausgangsimpulse erzeugen. Durch das Verschachteln der HP- und LP-Filter 112 bis 117 wird dieser Transienteneffekt ausreichend unterdrückt, um im wesentlichen den Effekt zu beseitigen. Der Schmitt-Trigger 98 empfängt das Ausgangssignal des Filters 115, welches ein Rechteckwellen-Wirbelsignal 124 mit im wesentlichen derselben Frequenz wie die Frequenz der Ausgangsgröße des Wirbelsensorsignals 30 erzeugt. Der Periodenzeitgeber und Periodenzähler 102 liefern die verstrichene Zeit seit einer letzten Periodenbegrenzung des Signals 100 an eine Filtersteuerung 130 und die Zeit zwischen Periodenbegrenzungen des Signals 100. Die Filtersteuerung 130 arbeitet wie in dem U.S. Patent 5,429,001 beschrieben, welches hierin durch Bezugnahme beinhaltet ist, wobei die Filtersteuerung 130 Aufwärts- und Abwärts-Schaltwerte empfängt, die jeweils mehreren vorselektierbaren HP-Filtercharakteristiken aus dem Mikroprozessor 70 entsprechen. Die Filtersteuerung 130 erkennt auch, welche HP-Filtercharakteristik derzeit in jedem von den HP-Filtern 112 bis 115 benutzt wird.
Der Mikroprozessor 70 berechnet geeignete Eckfrequenzen für die Filter 112 bis 115 und sendet die geeignete HP-Filtercharakteristik repräsentierende Eckfrequenz-Selektionsbefehle an die Filtersteuerung 130 und diese wiederum an einen Filterselektions-Zwischenspeicher 138. Der Zwischenspeicher 138 verteilt die Filterselektionswerte an die Filter 112 bis 115. Das Ausgangssignal aus dem Filter 115 ist das erste gefilterte Ausgangssignal 82 (A₁). Das erste gefilterte Ausgangssignal 82 wird bevorzugt mit dem Verstärker 94 verstärkt und an eine zweite kaskadierte Filterungsschaltung 111A geliefert. Der Verstärker 94 wird typischerweise für ein Ganz zahlen-System, wie es hierin offenbart ist, benötigt, damit keine signifikanten Bits aufgrund der Abschwächung der LP-Filter 116 und 117 verlorengehen. Bevorzugt ist die Verstärkung des Verstärkers 94 einstellbar, um die Zahlen innerhalb des gewünschten numerischen Bereiches ohne einen Verlust signifikanter Digits oder eines Überlaufs zu halten. Der Mikroprozessor 70 stellt den Verstärker 94, falls erforderlich, über ein Steuersignal 137 ein.
Die zweite kaskadierte Filterungsschaltung 111A ist im wesentlichen mit der kaskadierten Filterungsschaltung 111 identisch, wobei Filter 112A bis 117A den Filtern 112 bis 117 entsprechen. Gemäß Darstellung wird die zweite kaskadierte Filterungsschaltung 111A der kaskadierten Filterungsschaltung 111 entsprechend gesteuert, da die zweite kaskadierte Filterungsschaltung 111A dieselben Steuersignale aus dem Zwischenspeicher 138 erhält. Das Filter 115A liefert das zweite gefilterte Ausgangssignal 86 (A₂). Bevorzugt implementiert man die kaskadierten Filterungsschaltung 111 und 111A in einem ASIC, um eine im wesentlichen identische Übertragungsfunktion zu erhalten. Der gestrichelte Rahmen 150 zeigt eine weitere Schaltung an, die bevorzugt in das ASIC implementiert wird, um Energie zu sparen und einen leichten Zusammenbau zu ermöglichen.
4 stellt ein Technik zum Erzielen der Werte ΣA₁ und ΣA₂ der Gleichung 11 dar. Das gefilterte Ausgangssignal 82 wird einem Absolutwertgenerator 160 zugeführt, wo alle negativen Zahlen positiv gemacht werden und die positiven Zahlen positiv belassen werden und dadurch das Signal effektiv gleichgerichtet wird, um ein Absolutwertsignal zu erzeugen. Der Absolutwertgenerator 160 liefert ein Absolutwertsignal an eine Addiererschaltung 164. Die Addiererschaltung 164 summiert den Absolutwert mit dem Inhalt eines Summenregisters 162 und plaziert die sich ergebende Summe in dem Register 162. Der Periodenzeitgeber und Periodenzähler 102 zählt effektiv Perioden in dem ersten gefilterten Ausgangssignal 82 auf der Basis des Signals aus dem Schmitt-Trigger 98 und gibt eine Unterbrechung an einem Ende der "Mittelungsperiode" aus, welches den Wert im Summenregister 162 in einen Zwischenspeicher 168 überträgt. Ein Absolutwertgenerator 160A, ein Summenregister 162A, eine Addiererschaltung 164A und ein Zwischenspeicher 168A verarbeiten das zweite gefilterte Ausgangssignal 86 in ähnlicher Weise.
Der Wert des Periodenzeitgebers und des Periodenzählers 102 (die Länge der "Mittelung") wird an einen Zwischenspeicher 170 geliefert. Die "Mittelungsperiode" ist die Zeit, die der Schmitt-Trigger 98 benötigt, um zumindest einen oder eine geradzahlige Anzahl von Zyklen auszugeben, der 0,1 Sekunden überschreitet, was die Aktualisierungsrate des Mikroprozessors 70 ist. Die Aktualisierungsrate des Mikroprozessors 70 ist die Rate mit welcher der Mikroprozessor 70 die Massendurchflußberechnung aktualisiert. Die Unterbrechung setzt auch die Summenregister 162 und 162A für die nächste Summierungsperiode auf Null. Diese Unterbrechung signalisiert auch dem Mikroprozessor 70, die Werte aus den Zwischenspeichern 168 und 168A, und dem Zwischenspeicher 170 auszulesen. Der zeitliche Ablauf all dieser Operationen wird von dem Systemtakt 101 synchronisiert. Bei der Unterbrechung enthalten die Zwischenspeicher 168 und 168A Werte, welche die nachstehenden Gleichung repräsentieren: Σ|A1| und Σ|A2| Gl. 14
Der Mikroprozessor 70 berechnet dann ein auf den Fluiddurchfluß bezogenes Ausgangssignal aus den Gleichungen 11 bis 13 gemäß vorstehender Beschreibung. Gemäß nochmaligem Bezug auf 1 liefert der Mikroprozessor 70 den gewünschten Ausgangswert an einen Digital/Analog-Wandler 83 zum Umwandeln des digitalen Wertes in einen den Durchfluß repräsentieren Strom von 4 bis 20 mA. Eine digitale Kommunikationsschaltung kann ebenfalls den Endausgangswert zur Übertragung auf die Stromschleife 17 unter Verwendung bekannter Formate aufneh men. Falls gewünscht, kann ein Generator 87 ebenfalls den Wert des Massendurchflusses empfangen und über einen Isolator 89 ein Frequenzausgangssignal F_AUS aus einer Impulsschaltung 95 ausgeben. Eine Anzeige 73 stellt eine Benutzerschnittstelle für den Wirbeldurchflußmesser 10 zur Verfügung
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, daß Änderungen in Form und Detail ohne Abweichung von der Idee und dem Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können.

Claims

Wirbeldurchflußmesser (10), der einen Druck von Wirbeln in einem strömenden Fluid (14) erfaßt und ein auf einen Massendurchfluß bezogenes Ausgangssignal überträgt, wobei der Wirbeldurchflußmesser (10) aufweist: einen Wirbelerzeuger zur Erzeugung der Wirbel in dem strömenden Fluid; ein dynamisches Filter (68), das ein Wirbeldrucksignal (78) eines Wirbelsensors filtert und ein erstes gefiltertes Ausgangssignal (82) und ein zweites gefiltertes Ausgangssignal (86) bereitstellt, welches dem ersten gefilterten Ausgangssignal (82) folgt, wobei das dynamische Filter (68) eine steuerbare Übertragungsfunktion aufweist; eine Steuerschaltung (70, 88, 130), welche die steuerbare Übertragungsfunktion steuert und ein auf einen Massendurchfluß bezogenes Ausgangssignal als eine Funktion sowohl des ersten gefilterten Ausgangssignals (82) als auch des zweiten gefilterten Ausgangssignals (86) bereitstellt; und eine Übertragungsschaltung (83, 85), welche das auf einen Massendurchfluß bezogene Ausgangssignal empfängt und überträgt.
Wirbeldurchflußmesser (10) nach Anspruch 1, wobei das dynamische Filter (68) aufweist: eine erste Filterungsschaltung (80) zum Empfangen des Wirbeldrucksignals (78); und eine zweite Filterungsschaltung (84) zum Empfangen des ersten gefilterten Ausgangssignals (82) und Bereitstellen des zweiten gefilterten Ausgangssignals (86).
Wirbeldurchflußmesser (10) nach Anspruch 2, wobei die erste Filterungsschaltung (80) eine erste steuerbare Übertragungsfunktion aufweist und die zweite Filterungsschaltung (84) eine zweite steuerbare Übertragungsfunktion aufweist.
Wirbeldurchflußmesser (10) nach Anspruch 3, wobei die erste steuerbare Übertragungsfunktion mit der zweiten steuerbaren Übertragungsfunktion angenähert identisch ist.
Wirbeldurchflußmesser (10) nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Filterungsschaltung (80, 84), jeweils mit einem Filterparameter anpassbar sind.
Wirbeldurchflußmesser (10) nach Anspruch 5, wobei die Steuerschaltung (70, 88, 130) ein Steuersignal an die erste und zweite Filterungsschaltung (80, 84) liefert, um den anpaßbaren Filterparameter anzupassen.
Wirbeldurchflußmesser (10) nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Filterungsschaltung (80, 84) jeweils mehrere kaskadierte Filter aufweisen.
Wirbeldurchflußmesser (10) nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Filterungsschaltung (80, 84) jeweils ein Tiefpaßfilter und ein Hochpaßfliter aufweisen.
Wirbeldurchflußmesser (10) nach Anspruch 1, ferner mit einem Verstärker (94) zum Empfangen und Verstärken des ersten gefilterten Ausgangssignals (82).
Verfahren zum Berechnen einer auf eine Massendurchflußrate bezogenen Ausgangsgröße aus einem Wirbelsignal (78), das in einem Fluid durch einen Wirbelerzeuger erzeugte Wirbel anzeigt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Filtern des Wirbelsignals (78) eines Wirbelsensors, um ein erstes gefiltertes Ausgangssignal (82) bereitzustellen; (b) Filtern des ersten gefilterten Ausgangssignals, (82) um ein zweites gefiltertes Ausgangssignal (86) bereitzustellen; (c) Steuern der Filterung im Schritt (b) in Übereinstimmung mit der Filterung im Schritt (a); und (d) Berechnen der auf eine Massendurchflußrate bezogenen Ausgangsgröße als eine Funktion sowohl des ersten gefilterten Ausgangssignals (82) als auch des zweiten gefilterten Ausgangssignals (86).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt (a) eine Filterung mit einer ersten steuerbaren Übertragungsfunktion aufweist, und der Schritt (b) eine Filterung mit einer zweiten steuerbaren Übertragungsfunktion aufweist, wobei die erste steuerbare Übertragungsfunktion und die zweite steuerbare Übertragungsfunktion eine bekannte Beziehung besitzen, und das Verfahren ferner die Anpassung der ersten und zweiten Übertragungsfunktion beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste steuerbare Übertragungsfunktion mit der zweiten steuerbaren Übertragungsfunktion angenähert identisch ist.
Verfahren nach Anspruch 10, welches ferner eine Verstärkung des ersten gefilterten Ausgangssignals vor dem Schritt (b) aufweist.