CN103512625A - 用于运行共振测量系统的方法及其相关共振测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明名称为用于运行共振测量系统的方法及其相关共振测量系统，示出并说明一种用于运行共振测量系统(1)、尤其是科里奥利质量流量计的方法，其中所述共振测量系统(1)包括至少一个电最终控制装置(3)、作为振动发生器的至少一个电磁驱动装置(4)和至少一个与介质相互作用的振动元件(5)，所述电最终控制装置(3)提供电激励信号(u₂)用于激励所述电磁驱动装置(4)，所述电磁驱动装置(4)激励所述振动元件(5)以至少一种本征形式振动，其中设置所述共振测量系统(1)的至少描绘所述振动元件(5)的数学模型(8)，并且所述数学模型(8)的参数通过合适地激励所述振动元件(5)以及分析所述数学模型(8)来识别，并且将所识别参数和/或由此推导出的参量用于运行所述共振测量系统(1)。

Description

用于运行共振测量系统的方法及其相关共振测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于运行共振测量系统、尤其是科里奥利质量流量计的方法，其中所述共振测量系统包括至少一个电最终控制装置（Stelleinrichtung）、至少一个作为振动发生器的电磁驱动装置、至少一个与介质相互作用的振动元件，所述电最终控制装置提供电激励信号u₂用于激励所述电磁驱动装置，所述电磁驱动装置激励所述振动元件以至少一种本征形式（Eigenform）振动，其中设置所述共振测量系统的至少描绘所述振动元件的数学模型并且通过合适地激励所述振动元件以及分析所述数学模型来识别所述数学模型的参数并且将所识别参数和/或由此推导出的参量用于运行所述共振测量系统。

背景技术

先前提到的这种类型共振测量系统自多年来为人所知，不仅以科里奥利质量流量计的形式，而且作为根据音叉原理的密度计或物位控制器、作为石英天平和带式粘度计以及其它等等。这些共振测量系统与过程/过程介质连接，其中过程和过程介质和共振测量系统相互影响。

下文作为示例，共振测量系统是科里奥利质量流量计，这不应理解为限制。涉及具有一个测量管还是多个测量管、具有直的测量管还是弯曲的测量管的科里奥利质量流量计不重要。目前，纯粹概括性地将以下这样的系统-其中关于在固有频率方面待确定的过程参量(测量参量)的信息是加密的（verschlüsselt）-，和/或以下这样的系统-其中工作点被设置为测量系统的固有频率- 称为“共振测量系统”。以下实施可应用于所有属于此定义的系统。在科里奥利质量流量计中，测量管相应于共振测量系统的振动元件；振动元件的特殊扩展方案也不是对一般而言可应用于共振测量系统的示教的限制。

在工业过程测量技术中，被构造为科里奥利质量流量计的共振测量系统主要应用在必须以高准确性来确定质量流的地方。科里奥利质量流量计的操作方式基于以下：是由振动发生器来激励至少一个由介质流过的测量管-振动元件-振动的，其中该振动发生器根据需要是电磁驱动装置。在这样的电磁驱动装置中，通常线圈有电流流过，其中对振动元件的作用力直接与线圈电流有关。在科里奥利质量流量计中，操作方式基于以下：有质量的介质由于通过两个正交的运动-电流的运动和测量管的运动引起的科里奥利惯性力而反作用于测量管的壁。介质对测量管的该反作用导致测量管振动与测量管的没有介质流经的振动状态相比发生改变。通过检测有介质流经的科里奥利测量管振动的该特点，可以以高准确性来确定经过测量管的质量流量。

因此，特别重要的是，科里奥利质量流量计的固有频率或科里奥利质量流量计的能振动的部分的固有频率基本上是作为振动元件的测量管的固有频率，这是因为科里奥利质量流量计的工作点通常设置为测量管的固有频率，以便能够以最小的能量消耗来加上（einpr?gen）用于感应科里奥利力所需的振动。随后由测量管实现的振动具有特定形态，其被称作相应激励的本征形式。科里奥利质量流量计中固有频率特别重要的另一个原因是有介质流经的测量管的固有频率和有效偏转的振动质量(测量管和测量管中介质的质量)之间的直接物理联系；通过这种关联可以确定介质的密度。

由现有技术已知，为了激励振动元件，由调节器产生谐波（harmonisch）基本信号（Basissignal）作为以正弦波电压形式的调节器输出信号并且该正弦波电压控制电最终控制装置，其中电最终控制装置的任务是，在其输出端上提供相应的功率，以便能够以合适的方式且以足够的功率来控制电磁驱动装置；因此，电最终控制装置实际上是调节器和共振测量系统的电磁驱动装置之间在功率方面的连接件。通常，已知的科里奥利质量流量计还配备有振动传感器，借助于振动传感器检测振动元件的振动，这是因为通常关于介质-例如流量、密度和粘性的令人关注的物理信息位于与介质相互作用的振动元件的振动中。

通常，调节器用于共振地运行振动元件，为此必须确定振动元件的输入参量和输出参量是否具有相应于共振的相位差。在科里奥利质量流量计的情况下，这在输入侧是用来激励作为振动元件的测量管的力并且这在输出侧是测量管的速度。当输入侧的作用力和输出侧的测量管速度具有0°的相位差Δφ时，则由于该能振动的系统所基于的关联而出现共振。如果满足此相位条件，则出现期望的共振。出于这个原因，用于运行现有技术中已知的共振测量系统的调节回路在任何情况下也是相位调节回路。

然而，“运行共振测量系统”不必仅仅涉及以共振频率激励振动元件的标准应用情况，而是还可能是所期望的，以其它的频率激励振动元件，例如用于选择性的参数识别，如从DE 10 2008 059 920 A1中已知的那样。在此，使用共振测量系统的振动行为的特定特性，以便能够在激励信号和振动元件的响应信号之间有特定起振相位位置时特别简单地识别共振测量系统的特定参数—在理想的情况下仅仅一个参数。例如可能期望的是，仅仅针对特定起振相位-例如针对-45°、0°和+45°来分析共振测量系统的数学模型—通常情况下即模型化的且所激励的特定本征形式的传递函数。用于运行共振测量系统的数学模型在现有技术中经常是振动元件的结构力学模型，其在公式方面导致二阶的传递函数并且其描述特定激励模式的振动行为，对此还参考DE 10 2005 013 770 A1。

共振测量系统的数学模型的参数识别对于不同的技术应用目的很有吸引力，因此共振测量系统本身的识别对于不同的技术应用目的也很有吸引力。一方面，共振测量系统的物理行为相关的参数—例如振动元件的振动质量、振动元件的弹簧钢性和振动元件的阻尼提供关于共振测量系统状态的概况，使得例如在制成共振测量系统之后能够实现关于如下的判断：所制成的共振测量系统的特性是否位于特定公差之内（质量可靠性）。借助数学模型来重复测量或确定系统参数还可以在运行/安装状态下被用于确定共振测量系统的系统行为变化，还可以推断出可能的错误和初始的缺陷，使得例如该诊断还属于运行共振测量系统。然而，用于初始确定特定系统参数以及持续确定特定系统参数的另一应用情况还是通过在计算时考虑共振测量系统的改变的参数来在线校正测量。

在共振测量系统的所有提到的运行情况中，识别测量参数的准确性、计算实际测量值的准确性和诊断的准确性很大程度上完全取决于，能够多准确地确定和调整共振测量系统的还超出（jenseits）共振点的工作点，即位于使共振测量系统偏转的信号和响应信号之间的相位有多准确。在科里奥利质量流量计的情况下—正如之前已经指出的那样，偏转的参量是由振动发生器施加在振动元件上的力并且响应参量是测量管的偏转或更经常是偏转的第一时间导数、即测量管速度。在共振情况下，作用于测量管上的力和测量管速度之间的相位差是Δφ=0°。

实践中已经发现，在科里奥利质量流量计的情况下，激励振动元件的力和振动元件的令人关注的响应参量之间的预先给定的相位差的准确调准可能引起巨大的困难，更确切地说，不仅在瞬时的过程中—当振动元件的固有频率例如在介质密度变化的情况下发生改变时，而且在共振测量系统的静止状态下。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于运行共振测量系统的方法和共振测量系统，借助其可以以较高的精度实现共振测量系统的期望的工作点，从而整体上还达到系统参数的更精确确定、测量值的更精确确定和共振测量系统的更精确诊断。

先前描述且推导出的任务在一开始描述的用于运行共振测量系统的方法中首先并且基本上通过以下方式解决：借助所述数学模型至少描绘所述电磁驱动装置以及与所述介质相互作用的振动元件，通过测量来检测所述电磁驱动装置的通过所述电激励信号引起的驱动装置端电流i_DrA和通过所述电激励信号引起的驱动装置端电压u_DrA并且至少部分地借助所述电磁驱动装置的所述检测到的驱动装置端电流i_DrA并借助所述检测到的驱动装置端电压u_DrA、通过对所述数学模型进行分析来识别所述电磁驱动装置和所述振动元件的参数。

本发明所基于的知识是，在已知方法中仅仅以不足的准确性检测对在此考虑的共振测量系统关注的、在振动元件的力激励和振动元件的响应参量、即振动元件的偏转或偏转速度之间的相位，这尤其由于缺乏对电磁驱动装置特点的考虑，因此，根据本发明，电磁驱动装置在用于运行共振测量系统的数学模型中被强制地采用。

本发明尤其基于以下知识：在现有技术中经常所做的假设—振动元件的力激励的相位与在电磁驱动装置中流动的电流(驱动装置端电流)的相位相同—不足并且是有错的，这经常导致期望共振测量系统运行时工作点上的不精确调节、导致不准确的参数确定并且导致不精确诊断。以上所描述假设所犯的错误通常没有导致共振测量系统的运行基本上不能够实现，但与期望的相位位置的偏差可以达几度，这负面地影响共振测量系统的运行。

作用于振动元件的力F_m恰恰与流入电磁驱动装置的电流同相—即与驱动装置端电流同相-这一假设经常不能被满足，例如由电磁驱动装置中的涡流损耗本身决定。此外，例如在电压受控的电压源作为用于控制振动发生器的电最终控制装置的情况下，电磁驱动装置的驱动装置端电流的相位位置受到由于振动元件的振动而在电磁驱动装置的驱动线圈上所感应电压的严重影响。因此，结果中可以看出，不能够容易地直接测量对振动元件的偏转负责的力F_m的相位位置，这是因为力F_m作为测量参量在无较大的测量技术开销的情况下无法得到并且在不考虑电磁驱动装置的物理特征的情况下，关于驱动装置端电流的间接确定不充分，因此，根据本发明，借助数学模型不仅描绘与介质相互作用的振动元件，而且至少还描绘电磁驱动装置，其中可以从“数学模型中在公式方面考虑”的意义上理解“描绘”。

为了能够基于涉及电磁驱动装置的模型部分推论内部的以及对于作用力F_m关注的、通过电磁驱动装置的驱动线圈的电流，由电激励信号引起的驱动装置端电流i_DrA以及由电最终控制装置的电激励信号引起的驱动装置端电压u_DrA通过测量来检测，这在测量技术上能够很简单地实现，例如通过直接高阻抗地量取驱动装置端电压u_DrA以及通过量取为此设置的分流电阻上的电压。由此，基本上提供以下可能性：电磁驱动装置的结合到数学模型中的参数-自然还有振动元件的结合到数学模型中的参数-可以在使用以测量技术检测的驱动装置端电压u_DrA和以测量技术检测的驱动装置端电流i_DrA的情况下通过对数学模型的分析来识别。

根据本发明方法的优选扩展方案的特征在于，数学模型描绘电磁驱动装置和与介质相互作用的振动元件，它们整体上作为电最终控制装置的负载，其中所述负载相应于驱动装置端电压u_DrA和驱动装置端电流i_DrA 的比率。尽管所述模型因此整体上考虑电磁驱动装置的电方面、振动元件的机械方面以及介质的机械方面—在科里奥利质量流量计的情况下是介质的流体力学方面，但从电最终控制装置的角度看，模型几乎作为电模型出现，其中有利的是，在谐波激励的情况下，公式化电磁驱动装置的数学模型以及与介质相互作用的振动元件的数学模型作为复数值模型，这是因为在此能够特别简单地实现对不同的参量彼此的相位位置的考虑和检查。

在根据本发明方法的特别优选的扩展方案中，建立数学模型的方式使得它包括由电磁驱动装置包括的驱动线圈的电感L_S、该驱动线圈的欧姆电阻Rs以及优选地还有用于仿真电磁驱动装置中的涡流损耗的欧姆电阻R_W，来作为电磁驱动装置的参数。根据所使用的电磁驱动装置，涡流损耗可能是可忽略的，从而不用考虑欧姆电阻R_W (R_W → ∞)。

作为振动元件的参数，数学模型优选具有有效振动质量m、有效弹簧钢性c和有效阻尼系数d。有效振动质量m在此可理解为整体上振动的质量，所述整体上振动的质量根据所考虑的共振测量系统的类型不仅仅是振动元件的质量本身。在科里奥利质量流量计的情况下，有效振动质量m是振动的科里奥利测量管的质量和引入其中并且同样偏转的介质质量。类似的情况适用于有效弹簧钢性c，所述有效弹簧钢性在科里奥利测量管作为振动元件的情况下可理解为一个测量管或多个测量管和介质的弹簧钢性。同样的情况适用于有效阻尼系数，所述有效阻尼系数在科里奥利质量流量计的情况下可理解为测量管本身的阻尼和测量介质的阻尼，即由过程决定的阻尼。在共振测量系统中，先前提到的用于振动元件的参数大多被采用进二阶的公式中，其中当例如激励不同的振动模式时，能够实现对用于振动元件的数学模型的不同公式化。

为了使数学模型从电最终控制装置角度来看表示为不仅由电磁驱动装置的该部分推导出来的负载，还在电磁驱动装置的模型和振动元件的模型之间设置耦合。为此，在最简单的情况下，引入传输系数k，其包括电磁驱动装置和振动元件之间的耦合，其中传输系数k然后优选地说明作用于振动元件的力F_m和通过具有电感L_S的驱动线圈的电流i_L之间的比率和/或驱动线圈上与速度成比例的感应电压u_ind和振动元件的速度v之间的比率。在此，重要的是，通过电感L_S的电流i_L实际上是阐明（entfalten）对振动元件的作用力的电流分量，它决非必须与驱动装置端电流i_DrA相同或同相。

考虑描述运动的振动元件对驱动线圈的反作用的感应电压u_ind也特别重要，因此，感应电压实际上是由振动元件的运动引起的电压源，其中在此，在理想情况下，可以从测量管的速度v和感应电压u_ind之间成正比（direkte Proportionalitaet）出发。由于在模型中不受欧姆影响的线圈电感L_S，作用于振动元件的力F_m与引起所述力的电流i_L的比率相应于在驱动线圈中的感应电压u_ind与测量管的引起该感应电压的速度v的比率，从而在此，在理想情况下，出现相同的传输系数k或出现唯一的传输系数k。因此，所述传输系数实际上是在电磁驱动装置的数学模型和振动元件的数学模型之间起中介作用的（vermittelnde）耦合因子。

在根据本发明方法的另一个扩展方案中，为了识别电磁驱动装置的欧姆电阻R_S，以直流信号-即例如以直流电压-作为电激励信号u₂加载到电磁驱动装置上，使得仍可以忽略所有瞬时效应；欧姆电阻R_S简单地由驱动装置端电压u_DrA和驱动装置端电流i_DrA的商得出。

根据该方法的另一个优选的扩展方案，为了确定对涡流损耗负责的欧姆电阻R_W和驱动线圈的电感L_S，利用频率比在共振运行情况下的固有频率ω₀小得多的交流信号作为电激励信号加载到电磁驱动装置上，由此可以忽略感应电压u_ind的影响；此外，当然必须考虑电磁驱动装置的欧姆电阻R_S。

在根据本发明方法的完全特别有利的扩展方案中规定，至少在使用检测的驱动装置端电流i_DrA和检测的驱动装置端电压u_DrA的情况下借助用于电磁驱动装置的参数化数学模型，至少在相位方面计算感应电压u_ind和电流i_L，因此，两个对于共振测量系统的运行重要的参量可供使用，尤其因为所计算的线圈电流i_L与直接的作用力F_m关联，并且因为计算的感应电压u_ind与振动元件的偏转速度v直接关联。两个参量一起提供关于共振测量系统的运行或运动状态的全面概况。

因此，计算通过“模型线圈”的电流i_L的可能性值得注意，这是因为通过所述模型可以考虑电磁驱动装置内的、引起与驱动装置端电流i_DrA的偏差的效应，从而对由电磁驱动装置施加在振动元件上的力F_m的相位位置存在至少一个准确的概念，更确切地说，借助很简单地实现的工具。因此，实际上，在没有任何额外测量技术耗费的情况下，能够实现对力F_m的检测，即对其直接测量原本与巨大耗费相关的参量的检测。

此外，值得注意的是，通过计算感应电压u_ind，同样对振动元件的速度、尤其是速度的相位位置存在很准确的概念，这对于共振测量系统的运行比较重要；速度的绝对值对于相位调节而言不太重要。在没有原本对此所需要的、用于测量管速度或测量管偏转的单独传感器的情况下，存在关于振动元件速度的信息。这开辟了许多用于共振测量系统的新扩展方案的—不用振动传感器的可能性以及用于利用振动传感器对已知共振测量系统的额外监视的可能性，其例如通过比较振动元件速度的两个彼此独立地获得的值。

因为对于许多共振测量系统而言，重要的恰恰是作用于振动传感器的力F_m和由所述作用于振动传感器的力造成的振动元件速度v之间的相位差（因为它是用于与共振点的偏差的直接度量），所以借助根据本发明的方法，优选计算所计算电流i_L和所计算感应电压u_ind之间的相位差Δφ(i_L, u_ind)，这是因为该相位差恰恰包含所寻找的相位信息。为了例如实现相位调节，共振测量系统在根据本发明方法的改进方案中首先配备有调节器并且给调节器提供预先给定的相位差Δφ_S1和实际相位差Δφ(i_L, u_ind)之间的差作为调节偏差e，其中调节器随后产生用于控制电最终控制装置的调节器输出信号u₁。

在该方法的另一个优选扩展方案中规定，共振测量系统额外配备有振动传感器，所述振动传感器检测振动元件的被激励振动并且作为至少一个输出信号y输出该被激励振动，其中优选地根据输出信号—如果这原本还不是速度信号—间接地确定传感器速度v_y，然而至少在用于振动元件速度的相位方面。然后，通过所述措施可能的是，对感应电压u_ind和传感器速度v_y至少在其相位方面进行相互比较，其中例如在超过预先给定的最大相位偏差的情况下输出干扰信号，这是因为显然存在错误，由此通过冗余为共振测量系统提供诊断可能性，所述冗余可以在没有额外的设备技术耗费的情况下实现。

在该方法的备选变型方案中，还可以计算所计算电流i_L和传感器速度v_y之间的相位差Δφ(i_L, v_y)，这当传感器速度v_y比所计算感应电压u_ind具有更高品质的时候可能有利。然后规定，为额外设置的调节器提供再次预先给定的相位差Δφ_S1和相位差Δφ(i_L, v_y)之间的差作为调节偏差e，其中调节器随后产生用于控制电最终控制装置的调节器输出信号u₁。然后，如原则上由用于相位调节回路的现有技术已知那样，选择预先给定的相位差的方式使得共振测量系统的期望的运行状态被调准，在科里奥利质量流量计的情况下，例如，对于共振情况，Δφ_S1= 0°，并且Δφ_S1 = +- 45°用于频率选择性的参数识别。

此外，本发明还涉及共振测量系统、尤其是科里奥利质量流量计，其中所述共振测量系统具有至少一个调节器、至少一个电最终控制装置、作为振动发生器的至少一个电磁驱动装置和至少一个振动元件，其中在所述共振测量系统运行时，调节器产生调节器输出信号u₁用于控制电最终控制装置，电最终控制装置提供电激励信号u₂用于激励电磁驱动装置，电磁驱动装置激励振动元件以至少一种本征形式振动，其中由计算单元计算共振测量系统的至少描绘所述振动元件的数学模型并且通过合适地激励所述振动元件以及分析所述数学模型来识别所述数学模型的参数，并且将所识别参数和/或由此推导出的参量用于运行所述共振测量系统，其中实现调节回路的方式使得其执行先前描述的方法和先前描述的方法的变型方案。所述方法在共振测量系统上的实现借助计算单元—例如借助数字信号处理器-进行，数字信号处理器的优点是，已经具有所需元件中的许多元件，例如A/D转换器、D/A转换器、多路复用器和用于信号处理的功能。

附图说明

现在详细地给出扩展和改进根据本发明的方法和根据本发明的共振测量系统的不同可能性。为此，参考从属于权利要求1和12的权利要求并且参考结合附图对优选实施例的描述。附图中：

图1以科里奥利质量流量计的形式示意性地示出共振测量系统的结构，如由现有技术已知的那样，但它也能够用于根据本发明的方法，

图2示出电磁驱动装置和测量管形式的经耦合振动元件的数学模型的等效电路图，

图3以电路框图示出根据本发明的用于运行共振测量系统的方法，以及

图4同样以电路框图示出根据本发明的用于运行共振测量系统的方法的扩展实施例。

具体实施方式

图1以科里奥利质量流量计的形式示出共振测量系统1，其中所述共振测量系统1具有在信号处理器中实现的调节器2、电最终控制装置3和作为振动发生器的电磁驱动装置4。

电磁驱动装置4的任务是，激励振动元件5—振动元件5目前是介质可流过的测量管—以本征形式振动。为此，根据本征形式的类型，仅仅需要唯一的电磁驱动装置4、如果还要激励更高的模式，还可能需要两个或更多个电磁驱动装置4；这对于下文描述的用于运行共振测量系统1的方法来说并不重要。

图1中分两部分示出以科里奥利质量流量计形式的共振测量系统1。实际上构成一个单元的科里奥利质量流量计一半在该图的右边缘上结束并且出于清晰表示的原因另一半又在图的左边缘上开始。在此可以看出，共振测量系统1此外还具有振动传感器6，所述振动传感器6输出输出信号y，输出信号y目前是速度信号y的形式，所述速度信号y提供关于测量管运动速度的信息—即关于振动元件5的速度的信息。振动传感器6对于实施下文表示的方法而言不是强制必需的。基本上用于信号准备的多个传输元件连接到振动传感器6上—传输元件例如是由放大器组成的适配电子设备7a、用于实现可切换的不同测量通道的硬件多路复用器7b、另一个适配电子设备7c和模拟/数字转换器7d，所述模拟/数字转换器7d又以数字信号的形式将所测量的模拟信号输送到调节器2。调节器2产生用于控制电最终控制装置3的调节器输出信号u₁，并且电最终控制装置3随后产生用于激励电磁驱动装置4的电激励信号u₂。

已知如下不同方法，其中设置所述共振测量系统1的至少描绘所述振动元件5的数学模型8并且通过合适地激励所述振动元件5以及分析所述数学模型8来识别数学模型8的参数，并且将所识别参数和/或由此推导出的参量用于运行共振测量系统1。数学模型1在图1中表示为调节器2的组成部分，其中所有用于运行科里奥利质量流量计的所有方法实际上以程序的形式在一个或多个计算单元上实现。

图2中以等效电路图的形式示出根据本发明的用于运行共振测量系统1的方法。图2的上部分中首先绘出作为共振测量系统1的科里奥利质量流量计的略图，其中两个测量管标示为振动元件5。此外标示了电磁驱动装置4，可以借助电磁驱动装置4来使测量管彼此相对地偏转并且因此激励其振动。在图2的下部分中示出电磁驱动装置4的所实现等效电路图（左侧）以及与介质相互作用的振动元件5的所实现等效电路图（右侧），使得电磁驱动装置4和振动元件5整体上借助数学模型8以等效电路图的形式描绘。此外示出，电最终控制装置3产生电激励信号u₂用于激励电磁驱动装置4。

通过测量来检测电磁驱动装置4的由电激励信号u₂引起的驱动装置端电流i_DrA以及由电激励信号u₂引起的驱动装置端电压u_DrA，这在此未详细示出，其中电激励信号u₂与驱动装置端电压u_DrA相同，这是因为电最终控制装置3是电压受控的电压转换器。例如，驱动装置端电流i_DrA可以通过欧姆电阻上的电压降来量取，驱动装置端电压u_DrA可以直接由数字信号处理器的模拟测量输入端高阻抗地检测或由单独的模拟/数字转换器数字化。

与由现有技术已知的其它数学模型相反，数学模型8还仿真电磁动装置4的物理特性，使得在计算时可以一起包括电磁驱动装置4的迄今未被考虑的效应。在目前情况下，借助通过测量技术检测的驱动装置端电流i_DrA并且借助电磁驱动装置4的所检测驱动装置端电压u_DrA、通过分析数学模型8来识别电磁动装置4和振动元件5的参数。

由图2中示出的等效电路图形式的数学模型8可以看出，数学模型8描绘电磁驱动装置4以及与介质相互作用的振动元件5，它们整体上作为电最终控制装置3的负载，其中所述负载相应于驱动装置端电压u_DrA和驱动装置端电流i_DrA的比率。下式成立：

在前面提到的公式方面的描述中，从如下出发：电激励信号u₂是谐波激励信号，使得提供复值的公式化。在考虑图2时明显的是，复数电阻整体上取决于振动发生器4(线圈的电感、线圈的欧姆电阻和涡流损耗)的特性、取决于测量管形式的振动元件5的机械特性并且还取决于与振动元件5相互作用的介质的特性、目前取决于流过测量管的介质。因此，该复数电阻取决于电磁驱动装置4以及与介质相互作用的振动元件5的电特性、机械特性和流体力学特性。

在图2中示出的等效电路图中，等效参量整体上有以下含义：

u_DrA   :=功率放大器的输出端上的电压(驱动线圈上的电压)，

i_DrA        :=功率放大器的输出端上的电流(通过驱动线圈的电流)，

i_L       :=通过等效电感的电流，

k        :=传输系数，

R_S     :=驱动线圈的欧姆电阻，

R_W   :=电磁驱动装置中的涡流损耗，

L_S      := 驱动线圈的电感，

u_ind     :=线圈上与速度成比例的感应电压，

v        :=测量管速度，

m       :=测量管和测量介质的振动质量(有效振动质量)，

c        :=测量管和测量介质的弹簧钢性(有效弹簧钢性)，

d       :=测量管和测量介质的阻尼系数(由过程决定的阻尼)，以及

F_m     :=驱动力。

电阻Rs描述电磁驱动装置4所包括的驱动线圈的欧姆电阻。电阻R_W描述电磁振动发生器中的涡流损耗并且驱动线圈的电感通过L_S来描述。为了评价共振测量系统1的运动状态，特别令人关注的是，通过电感L_S的电流i_L和振动元件5的速度之间的相位位置。仅仅流经电感L_S的电流i_L在振动元件5上引起成比例的作用力F_m。由根据图2的等效电路图立即可以看出，电流i_L不必与驱动装置端电流i_DrA同相。为了根据公式(1)计算复数负载，可以从图2中推导出以下公式：

通过传输系数k，电磁驱动装置4的数学子模型和振动元件5的数学子模型彼此耦合，其中，同样地，一方面通过等效图中电感为L_S的线圈的电流i_L和由此引起的力F_m之间成比例，另一方面在作为振动元件5的测量管的速度v和由此产生的感应电压u_ind形式的反作用之间成比例。因为两种效应由同一电磁驱动装置4来产生，所以相同传输系数k实际上适用于两个公式。对于确定作为绝对值的许多令人关注的参量，传输系数k不是强制必需的，这是因为经常仅仅考虑值彼此的关系，因为特定值仅仅在其相位位置方面是令人关注的、而在其绝对值方面不太令人关注，并且因为实践中可以在初始校准时确定k的相应值。虽然如此，当然可能的是，为k指定准确的值，尽管所述确定也意味着一定的测量技术耗费。

根据电最终控制装置3在其输出端上驱动电流还是电压，并且因此根据作为输出参量调整驱动装置端电流i_DrA还是驱动装置端电压u_DrA，来产生不同的传递函数。对于作为对由电最终控制装置提供的驱动装置端电压u_DrA的响应而调整驱动装置端电流i_DrA的这种情况（U-U-功率放大器），在拉普拉斯变换空间中作为电导得出下式(公式3)：

。

对于电最终控制装置3驱动驱动装置端电流i_DrA并且作为响应调整驱动装置端电压的这种情况，对于复数电阻(电最终控制装置3作为U-I-功率放大器工作)得出：

这两个传递函数描述复数电导G和复数电阻Z，借助其在整体上、即电、机械和流体力学上给电最终控制装置3加负荷。可以用非常不同的方式来识别这些传递函数的参数，例如其方式是，在不同的频率下考虑传递函数并且在这些频率下检测驱动装置端电流i_DrA的测量值和驱动装置端电压u_DrA的测量值，并且将这些测量值用于分析公式，并因此将这些测量值用于分析数学模型8。

在借助直流信号来激励共振测量系统的情况下，可以确定电最终控制装置3的欧姆电阻。对于ω = 0，由公式(3)例如得出：

随后示出，在使用所检测的驱动装置端电流i_DrA和所检测的驱动装置端电压u_DrA的情况下，借助由公式(3)得出的数学模型8，可以如何计算感应电压u_ind和电流i_L。为此，以很小的频率、尤其是比系统的第一固有频率小很多的频率来激励电磁驱动装置4。通过所述措施确保：通过测量管的运动在电磁驱动装置的线圈中感应的电压u_ind实际上可忽略，从而使u_ind = 0成立；由此得出：

然后借助说明（Vereinbarung）

得出：

并且因此首先得出用于仿真涡流损耗的欧姆电阻R_W的确定公式和电磁驱动装置的线圈电感L_S的确定公式：

如果已如上提出的那样确定了参数R_S、R_W和L_S，则可以通过所测量的驱动装置端电压u_DrA和所测量的驱动装置端电流i_DrA来计算感应电压u_ind和通过等效电路图的线圈的电流i_L：

和

在此必须考虑的是，电流i_L和感应电压u_ind同样是彼此处于特定相位关系的参量。在谐波激励的情况下，电流i_L和电压u_ind也再次是数学上可以特别简单地作为复数相量（komplexe Zeiger）被处理的谐波参量。因此，由公式(9)和(10)得出感应电压的相位位置-并且因此得出速度的相位位置- 以及电流i_L的相位位置-并且因此得出力激励的相位位置。为了得到振动元件5的运动速度和驱动力F_m之间的令人关注的传递函数，对于系统的谐波激励又得出：

公式(11)允许在合适地激励共振测量系统的情况下且在使用计算的电流i_L和计算的感应电压u_ind的情况下对机械的系统参数进行确定。如果相移Δφ(i_L, u_ind)调节到0，则在振动元件5的固有频率ω₀ = c/m的情况下激励振动元件5。随后，可以通过下式来确定阻尼系数d：

如果激励科里奥利质量流量计形式的共振测量系统1使得相移Δφ(u_ind, i_L)是+45°，则根据定义在频率ω₊₄₅时激励振动元件5。由公式(11)可以导出，随后可以通过所计算的电流i_L和所计算的感应电压u_ind - 并且因此通过所测量的驱动装置端电压u_DrA和所测量的驱动装置端电流i_DrA - 按照下式确定有效弹簧钢性c：

类似地，可以计算有效振动质量m，即按照下式计算：

在此示例性确定的用于有效阻尼常数d、有效起作用的弹簧钢性c和有效振动质量m的参数全部借助恒定的因子k²归一化。如已经实施的那样，在必要时可以确定所述因子，例如通过使用补偿补偿天平。

在此示出的用于参数识别的操作方式应该示例性地来理解，其它操作方式也是可容易想到的。也可以简化地使用所提出的数学模型8（例如在没有涡流电阻R_W的情况下），然而，还可以补充所述数学模型8。其它频率和相位位置也可以用于参数识别，这可以发生在几乎静止的状态中、在多频率的激励中以及动态运行状态中。

借助所示的方法，能够很简单地识别数学模型8的相关参数。根据该方法的优选扩展方案规定，电磁驱动装置4和振动元件5的数学模型8的所识别参数中的至少一个被用于生产监视和/或用于维护和/或用于提供诊断数据，其中，尤其对于所使用的参数预先给定公差带并且对离开公差带进行信令化。例如，识别作为电磁驱动装置的所选择参数的电感L_S并且检查所述电感是否位于预先确定的公差带内。离开公差带例如可以用作对线圈绕组中短路的指示。另一个例子是振动元件5的第一本征形式的有效弹簧钢性c。如果弹簧钢性c的已识别的并且清理了温度影响的（von Temperatureinfluessen bereinigte）值离开预先确定的公差带，则输出告警并且通知维护（例如关于振动元件5(测量管)的腐蚀）。在特定的前提下，甚至可以确定以及显示测量管的当前壁厚。

此外，例如将有效弹簧钢性c的已识别的值与在工厂校准时弹簧钢性c_cal的值比较并且将所得出的差通过预先确定的函数用于校正质量流量的测量值和流体密度的测量值。在此，还可以考虑可能存在的温度传感器和/或条形应变仪（Dehnungsmessstreifen），以便降低质量流量的测量值和流体密度的测量值的测量不可靠性；不同校正方法的组合同样是优选实现。另一个例子是识别阻尼系数d及其方差。这些值可以用于探测和校正多相流。

图3中示出科里奥利质量流量计形式的共振测量系统1，其中所述共振测量系统1具有调节器2以及电最终控制装置3，调节器2是在数字信号处理器(DSP)中实现的，电最终控制装置3具有数字/模拟转换器3a和电压受控的电压源3b作为功率件。电磁驱动装置4具有使振动元件5偏转并且激励其振动的线圈。在所示的实施例中，由电最终控制装置3产生的电激励信号u₂是等于电磁驱动装置4的驱动装置端电压u_DrA的电压。根据所施加电压u_DrA的条件、根据电磁驱动装置4和振动元件5的参数的条件以及根据振动元件5结合介质的运动状态的条件来符合逻辑地调整驱动装置端电流i_DrA。驱动装置端电压u_DrA和驱动装置端电流i_DrA在任何情况下都通过测量技术来检测并且借助模拟/数字转换器10a、10b转换。

图3中而且图4中分解地示出调节器2。在调节器部分2a中存放数学模型8，从而在此可以进行所有涉及模型8的计算。在调节器部分2b中实现真正的调节器，在最顶部例如用于相位调节，在中间用于振幅调节并且在下面用于振幅控制。调节器2b的输出是将由随后的信号发生器2c转换的调整参量。为了激励振动元件5，在信号发生器2c中首先生成两个正交的谐波激励信号，由它们一起产生调节器输出信号u₁。通过模拟/数字转换器10a、10b再次输送到DSP的同样谐波的测量参量在解调器11a、11b中借助信号发生器2c的正交的基本信号分解成信号分量，所述信号分量允许关于基本信号来确定这些信号的相位位置，使得在解调之后，出现有关信号发生器2c的输出信号的相位信息。然后通过分析数学模型8的模型公式b将绝对值和相位已知的驱动装置端电压u_DrA和驱动装置端电流i_DrA用于计算线圈电流i_L和感应电压u_ind及其相互的相位位置。

与根据图3的共振测量系统相比较，根据图4的共振测量系统1还具有振动传感器6，所述振动传感器6通过测量技术检测振动元件5的偏转并且作为输出信号y输出该偏转。然后，由该偏转来确定速度信号v_y-如果所述速度信号还不直接是振动传感器的输出信号-并且速度信号v_y随后通过模拟/数字转换器10c数字化并且被引向DSP。在此，速度信号也是通过解调器11c关于基本信号u₁来解调的，使得关于所述信号的相位是已知的。与由现有技术已知的共振测量系统不同，在图3和4中所示的共振测量系统1的情况下，并非强制性地需要振动传感器6，这是因为速度信息可以根据所计算的感应电压u_ind来获得。来自额外振动传感器的、关于速度信号v_y的额外信息可以被用于将通过两种不同的方式获得的速度信息彼此补偿。在偏差位于公差带之外的情况下，输出错误信号。

Claims (13)

1. 一种用于运行共振测量系统(1)、尤其是科里奥利质量流量计的方法，其中所述共振测量系统(1)包括至少一个电最终控制装置(3)、作为振动发生器的至少一个电磁驱动装置(4)和至少一个与介质相互作用的振动元件(5)，所述电最终控制装置(3)提供电激励信号(u₂)用于激励所述电磁驱动装置(4)，所述电磁驱动装置(4)激励所述振动元件(5)以至少一种本征形式振动，其中，设置所述共振测量系统(1)的至少描绘所述振动元件(5)的数学模型(8)并且通过合适地激励所述振动元件(5)以及分析所述数学模型(8)来识别所述数学模型(8)的参数并且将所识别参数和/或由此推导出的参量用于运行所述共振测量系统(1)，其特征在于，

借助所述数学模型(8)至少描绘所述电磁驱动装置(4)和所述与所述介质相互作用的振动元件(5)，通过测量来检测所述电磁驱动装置(4)的通过所述电激励信号u₂引起的驱动装置端电流i_DrA和通过所述电激励信号u₂引起的驱动装置端电压u_DrA，并且所述电磁驱动装置(4)和所述振动元件(5)的所述参数至少部分地借助所述电磁驱动装置(4)的所检测驱动装置端电流i_DrA以及借助所检测驱动装置端电压u_DrA、通过分析所述数学模型(8)来识别。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数学模型(8)描绘所述电磁驱动装置(4)和所述与所述介质相互作用的振动元件(5)，它们整体上作为所述电最终控制装置(3)的负载，其中所述负载相应于所述驱动装置端电压u_DrA和所述驱动装置端电流i_DrA的比率。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述数学模型(8)包括驱动线圈的电感L_S、所述驱动线圈的欧姆电阻Rs，尤其还包括用于仿真所述电磁驱动装置(4)中的涡流损耗的欧姆电阻R_W，来作为所述电磁驱动装置(4)的参数，所述数学模型(8)包括有效振动质量m、有效弹簧钢性c和有效阻尼系数d，来作为所述振动元件(5)的参数，尤其其中所述数学模型(8)包括至少一个传输系数k，所述至少一个传输系数k用于描述所述电磁驱动装置(4)和所述振动元件(5)之间的耦合，其中所述传输系数k优选说明作用于所述振动元件(5)的力F_m和通过所述具有电感L_S的驱动线圈的电流i_L之间的比率和/或所述驱动线圈上与速度成比例的感应电压u_ind和所述振动元件(5)的速度v之间的比率。

4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为了识别所述欧姆电阻R_S，以直流信号作为电激励信号u₂加载到所述电磁驱动装置(4)上，和/或为了确定所述欧姆电阻R_W和所述驱动线圈的电感L_S，以频率比在共振运行情况下的固有频率小得多的交流信号作为电激励信号u₂加载到所述电磁驱动装置(4)上。

5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在使用所述所检测驱动装置端电流i_DrA和所述所检测驱动装置端电压u_DrA的情况下、至少借助用于所述电磁驱动装置的所述参数化数学模型(8)，至少在相位方面计算所述感应电压u_ind和所述电流i_L，尤其计算所述电流i_L和所述感应电压u_ind之间的相位差Δφ(i_L, u_ind)。

6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述共振测量系统(1)具有至少一个调节器(2)，向所述调节器提供预先给定的相位差Δφ_S1和所述相位差Δφ(i_L, u_ind)之间的差作为调节偏差e，并且所述调节器(2)产生用于控制所述电最终控制装置(3)的调节器输出信号u₁。

7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述共振测量系统(1)具有振动传感器(6)，所述振动传感器检测所述振动元件(5)的被激励振动并且作为至少一个输出信号y输出所述被激励振动，其中，尤其根据所述输出信号y至少在用于所述振动元件(5)的相位方面直接地或间接地确定传感器速度v_y。

8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所计算感应电压u_ind和所述传感器速度v_y至少在其相位方面相互比较，尤其在超过预先给定的相位偏差的情况下输出干扰信号。

9. 根据权利要求5和7所述的方法，其特征在于，计算所述传感器速度v_y和所计算电流i_L之间的相位差Δφ(v_y, i_L)，尤其向所述调节器(2)提供预先给定的相位差Δφ_S1和所述相位差Δφ(v_y, i_L)之间的差作为调节偏差e，并且所述调节器(2)产生用于控制所述电最终控制装置(3)的调节器输出信号u₁。

10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述电磁驱动装置(4)和所述振动元件(5)的所述数学模型(8)的所识别参数中的至少一个被用于生产监视和/或用于维护和/或用于提供诊断数据，尤其是其中对于所使用的参数预先给定公差带并且对离开所述公差带进行信令化。

11. 根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述驱动装置端电流i_DrA的相位位置φ(i_DrA)和/或为了确定所述驱动装置端电压u_DrA的相位位置φ(u_DrA)，由所述调节器(2)产生谐波基本信号作为调节器输出信号u₁，其中相应相位位置φ(i_DrA)、φ(u_DrA)借助所述谐波基本信号以及由所述调节器(2)提供的、与所述谐波基本信号正交的其它谐波基本信号、通过解调分别令人关注的信号(i_DrA, u_DrA)来确定。

12. 一种共振测量系统(1)、尤其是科里奥利质量流量计，其中所述共振测量系统(1)具有至少一个调节器(2)、至少一个电最终控制装置(3)、至少一个作为振动发生器的电磁驱动装置(4)和至少一个振动元件(5)，其中，在所述共振测量系统(1)运行时，所述调节器(2)产生调节器输出信号u₁用于控制所述电最终控制装置(3)，所述电最终控制装置(3)提供电激励信号u₂用于激励所述电磁驱动装置(4)，所述电磁驱动装置(4)激励所述振动元件(5)以至少一种本征形式振动，其中由计算单元计算所述共振测量系统(1)的至少描绘所述振动元件(5)的数学模型(8)，并且所述数学模型(8)的参数通过合适地激励所述振动元件(5)以及分析所述数学模型(8)来识别，并且将所识别参数和/或由此推导出的参量用于运行所述共振测量系统(1)，

其特征在于，

实现调节回路的方式使得根据权利要求1至9中任一项所述的方法可由所述共振测量系统具体执行。

13. 根据权利要求12所述的共振测量系统(1)，其特征在于，所述电最终控制装置(3)是电压受控的电压转换器。

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