CN105324647B - 用于标定或调整任意可振荡单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于标定或调整任意可振荡单元的方法，通过描述可振荡单元的数学模型(model)的方式，其中可振荡单元至少间歇地与一个位于容器内的介质相互作用。根据本发明，通过一个实际输入信号可振荡单元被激励振荡；确定可振荡单元的实际输出信号；将实际输出信号数字化，并产生一个实际输出序列(yu(k))；将实际输入信号数字化并产生数字化输入序列(u(k))，将数字化输入序列(u(k))提供给与介质相互作用的功能模块(模型)，其提供可振荡单元的数学模型(model)，所述模型通过至少两个传感器特定变量(G1，G2)确定；通过数学模型(model)的方式产生虚拟输出序列(ym(k))；将虚拟输出序列(ym(k))与实际输出序列(yu(k))进行比较；如果出现偏差(e(k))，适应性的修改数学模型(model)的传感器特定变量(G1，G2)，直到可振荡单元的虚拟输出序列(ym(k))与实际输出序列(yu(k))之间的偏差处于一个预定可容忍范围内。

Description

用于标定或调整任意可振荡单元的方法

技术领域

本发明涉及一种用于标定或调整过程自动化中所使用的任意可振荡单元的方法。可振荡单元至少有时会与一个位于容器中的介质相互作用，特别是用于确定或者监测至少一个传感器和/或系统特定参数。这种情况下，过程特定参数传送主要存在于过程中的关于过程条件的信息，其中在过程中设置可振荡单元。传感器特定变量涉及多个影响因素，其表征在介质中的可振荡单元的表现。这些变量特别包括几何参数和/或它们涉及可振荡单元的材料特性和/或质量流率。

背景技术

使用振动传感器确定物理变量广泛分布在自动化技术中，特别是过程自动化技术中以及制造自动化技术中。振动传感器的可振荡元件可以与隔膜通过材料粘结剂和/或通过互锁力的方式连接，例如摩擦互锁，并且可以具体化为任意种类的振荡叉或者一个单独的杆。隔膜和与隔膜连接的可振荡元件，也就是可振荡单元，通过发送/接收单元进行激励，从而执行多次振荡。发送/接收单元通常至少为一个压电或者相应的机电元件。另外，所谓的隔膜振荡器是已知的，这种情况下，可振荡元件仅由隔膜构成。

通常，通过模拟电子器件激励振动传感器来实施多次振荡，其中模拟电子元件与可振荡单元共同形成模拟振荡电路。不同实施例中，相应的振动传感器以及对应的振动测量设备是由申请人制造和售卖的，其商标为LIQUIPHANT和SOLIPHANT。

振动传感器可以检测过程特定参数，例如容器中液体或固体的限位。通常，为了检测预定填充高度(限位)，传感器在可振荡单元的谐振频率下工作。通过检测设定相位下频率的变化，该设定相位通常为90°，可以检测到可振荡单元是否与介质接触或者是否正在自由振荡。

另外，公知的可以通过评价振动传感器的振荡行为，确定，相应的监测介质中的多个其他过程特定参数。这些过程特定参数包括特别是介质的密度和粘度，然而，还可以是温度。为了确定液体介质的密度，输入信号和输出信号的相位差(通常也被简称为相位)设定为45°或-135°。设定该相位差的时候，非常清楚频率的变化归因于介质密度的变化，因为流体介质粘度的影响可以排除。WO02/031471A2描述了一种用于测量粘度的设备。从EP2041529B1中可以获知用于确定流体介质密度的设备。

基于上面提到的实施例可以很明显地看出，模拟电子器件具有一个劣势，即相对不太灵活。特别是，模拟电子器件必须与各个传感器，相应的传感器类型，相互匹配，根据其振荡特性，以及进一步根据相应的应用，即传感器是被用于限位高度测量、密度测量还是粘度测量。申请人的申请DE102012113045.0中描述了一种解决方案，避免了上面提到的缺点，申请日为2012年12月12日。DE102012113045.0的内容在此引入作为参考。

振动传感器的类型是变化丰富的。这样的例子是申请人制造和售卖的商标为LIQUIPHANT和SOLIPHANT的产品。因此，需要指出现有已知的和未来的传感器确实会在其几何形状方面差别相对很大。在DE102012113045.0中提到的解决方案的情况下，为了分析性确定具体为振荡叉的可振荡单元和流体介质之间的相互作用，振动叉的两个叉齿通过数学模型近似化。具体情况下，两个叉齿数学近似为理想的椭圆柱面。

为了将DE102012113045.0中获知的方法转化为具有不同几何形状的可振荡单元，有必要相应地修改数学模型。这种情况下，需要注意的是相互作用的数学描述，相应的可振荡单元和介质之间的相互作用相对比较复杂。对此补充的有另外两个考虑：

-由于可振荡单元的复杂几何形状，建模的和实际情况之间总是存在很小的不一致；以及

-传感器类型例如LIQUIPHANT T或者LIQUIPHANT M的可振荡单元的几何形状通常绝不会百分之百的相符合，例如由于制造容差。

这两个方面对于期望的高精度振动传感器测量值都是不利的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法，采用该方法可以改善振动传感器测量值的准确性，相应的振动测量设备的准确性。

该目标是通过利用一种描述可振荡单元的数学模型标定或调整任意可振荡单元的方法实现的，其中可振荡单元至少有时与位于容器中的介质相互作用，并且用于确定或者监测自动化技术中的至少一个过程和/或系统特定参数，

其中通过实际输入信号激励可振荡单元从而执行多次振荡；

其中确定可振荡单元的实际输出信号；

其中将实际输出信号数字化，并且产生一个实际输出序列；

其中将实际输入信号数字化，并且产生一个数字输入序列；

其中将数字输入序列馈送到功能模块，其提供与介质相互作用的可振荡单元的数学模型，

其中通过至少两个传感器特定变量确定数学模型；

其中通过数学模型生成虚拟输出序列；

其中将虚拟输出序列与实际输出序列比较；

其中产生偏差的情况下，适应性地改变数学模型的传感器特定变量，直到可振荡单元的虚拟输出序列和实际输出序列之间的偏差位于预定的可容忍范围内。

振动传感器的差分方程为-例如DE102012113045.0中导出的-一个二阶方程：

对于本征角频率ω₀和莱尔(Lehr)阻尼质量D，产生如下方程：

由流体介质施加在主体上的总作用力F_F通过加和压力F_D和摩擦力F_R得到。这种情况下，各个作用力的方向在各个情况下都被认为是正的：

F_F＝F_D+F_R

m_F被解释为补充耦合质量，d_F被解释为补充作用阻尼：

G1，G2为参数，其排他性的取决于可振荡体的几何形状。

在可振荡系统近似为两个椭圆叉齿的情况下，获得如下等式：

可振荡单元的刚度由c(T)给出，m_s为质量，d_s为可振荡单元自由振荡的阻尼，D为莱尔(Lehr)阻尼质量，以及ω₀为本征频率。通过参数估计法可以确定传感器特定变量，特别是几何参数。

用于确定本征频率和谐振频率的信息现在给出：

谐振频率ω_r总是最大幅值发生处的频率；

本征频率ω_d为可振荡单元自由振荡的频率。

无阻尼情况下，当可振荡单元受到本征频率的激励时，发送和所接收信号之间会发生90°相位差。在这种特殊情况下，本征频率被称为ω₀。

另外，在阻尼情况下，本征和谐振频率互不相同。

振动传感器情况下，总是采用无阻尼振荡的可振荡单元的本征频率激励，其中发生90°相位差。采用如下公式可以确定本征频率：

无阻尼以及也在有阻尼情况下，采用上面公式能计算ω₀。这些情况下，可以获得频率，其中产生90°相位差。有阻尼的情况下，然而对应的既不是谐振频率ω_r，也不是阻尼系统的本征频率ω_d。这些定义如下，其中c为刚度，m为质量，ω₀为无阻尼本征频率，ω_d为阻尼本征频率，ω_r为谐振频率，并且D为莱尔(Lehr)阻尼质量。

优选的自动化运行本发明标定方法结束后，通过后续调整方法中的参数估计方法可以确定过程特定参数，特别是流体参数，密度ρ，粘度η和温度T。尽管在实施DE102012113045.0所述用于确定和/或监测过程参数的方法情况下，传感器特定参数G1，G2保持为常量，但是本发明解决方案的情况下，特别是上面提到的过程特定参数保持为常数。那么，根据本发明，改变传感器特定参数直到可振荡单元的虚拟输出序列和实际输出序列之间的偏差落入预定的可容忍范围内或者优选达到零。为此，可振荡单元，相应的振动传感器，必须在处于常温的确定介质中运行。

本发明的方法优选置于DE102012113045.0所述方法之前。本发明所提供对每个模型的调整使得至少两个决定性的影响可振荡单元和介质之间的相互作用的传感器特定变量与可振荡单元的实际表现相匹配。术语传感器特定变量这里指的是除了已经多次提到的几何参数，还有决定传感器与介质之间作用表现的变量，例如可振荡单元的材料特性或者可振荡单元的质量流率。

本发明的方法具有决定性的优点，一个现成的模型，例如DE102012113045.0中详细描述的用于两个椭圆叉齿的模型可以与任意以及最多变的传感器特定参数，相应的几何参数相匹配，而无需要求对此投入精力重写数学模型。尽管DE102012113045.0中，例如几何参数保持为常量，本发明解决方案情况下的几何参数或者其他传感器特定变量可以适应性的被改变直到模型的表现和实际可振荡单元的表现高度精确一致。该适应性近似的过程自动运行。根据本发明，有可能首次不依赖可振荡单元的实际实施例，总是能够获得任意可振荡单元和相应数学模型之间的高度一致。

正如已经早先指示的，可振荡单元与传感器或者自动化技术的测量设备相关联，特别是用于确定容器中介质的填充高度，相应的限位，密度或粘度。

另一个有利的对本发明方法的进展给出可振荡单元工作在本征频率下。然而，当可振荡单元的振荡频率处于机械振荡系统的谐振频率附近时这就完全足够了。并不需要与本征频率一致。

本发明解决方案的优选实施中，对介质中可振荡单元的调整，相应的标定按照指定过程，相应的系统特定条件下发生。特别是，标定介质的温度保持恒定。同样适用于标定介质的粘度和密度。另外，必须注意调整过程中可振荡单元的介质接触部分总是在指定浸入深度处与介质接触。

另外，其给出了在调整或标定过程中确定的传感器特定变量，特别是几何参数，被传送到传感器，相应的测量设备的存储器中。正如上面已经提到的，之前调整，或标定的振荡单元的所确定的传感器特定变量，，相应的几何参数，都会在测量设备，相应的传感器的常规测量操作中被后续使用，用于确定过程和/或系统的特定参数。优选的操作这个的方法详细如上面所引用的DE102012113045.0所述。

既是用于确定传感器特定变量，相应的几何参数，也同样是为了确定过程和/或系统特定参数，在状态空间中描述的可振荡单元或者作为传递函数的可振荡单元，都用于作为数学模型，描述可振荡单元作为线性或非线性系统。特别是，其中将可振荡单元描述为线性或非线性系统的数学模型，可以通过待确定的变量扩展，以便使用参数估计方法。可用数学模型通过传递函数或传递矩阵的方式描述了输入信号和输出信号之间的关系。用于传递函数形式的数学模型的参数估计方法包括：最小二乘法，广义最小二乘法，递推最小二乘法，辅助变量法，最大概率法。优选作为状态空间数学模型的参数估计法为扩展卡尔曼滤波器，无迹卡尔曼滤波器或者子空间方法。

附图说明

本发明经基于附图进行更详细的解释，如图所示如下：

附图1：框图，表示本发明的方法，

附图2：流程图，表示本发明的方法的各方法步骤以及DE102012113045.0中提出的方法，以及

附图2a：附图2中所示本发明方法各个方法步骤的放大图。

具体实施方式

附图1示出一个框图，说明本发明用于确定和/或监测至少一个传感器特定变量，特别是两个几何参数的方法。为了执行本发明的方法，可振荡单元至少有时与位于容器中的介质，相应的流体接触。与介质，相应的流体相接触的可振荡单元在附图1中使用标记“过程”来表示。

通过模拟输入信号激励可振荡单元实施多次振荡。确定实际输出信号作为可振荡单元的输出信号然后数字化，从而产生实际输出序列yu(k)。所示情况中，干扰变量n(k)也被使用，从而产生实际输出序列yp(k)。

与此并行的，将实际输入信号数字化；从而产生数字输入序列u(k)。将该数字输入序列u(k)馈送到功能块，这里标记为Model，其提供至少一个与介质相互作用的可振荡系统的数学模型。通过大量的过程和/或系统特定参数确定该数学模型。数学模型产生一个虚拟输出序列ym(k)。然后，将虚拟输出序列ym(k)与实际输出序列yu(k)，相应的yp(k)进行比较。如果出现偏差e(k)，适应性的改变数学模型的至少一个参量，其中在DE102012113045.0方法情况下改变过程或系统特定变量中的一个，或者本发明方法情况下改变传感器特定变量中的一个，直到可振荡单元的虚拟输出序列ym(k)与实际输出序列yu(k)，相应的yp(k)之间的偏差处于一个预定可容忍范围内。此后，提供适应性确定的参数G1，G2；η，ρ，T。

附图2示出流程图，其表示本发明方法的程序步骤1-3，同样还可以参见附图2a的放大图以及DE102012113045.0所述方法的程序步骤10,20,30,40,50。

本发明的使用描述可振荡单元的数学模型的用于任意可振荡单元标定或调整的方法在程序点1处开始。程序点2处，标定，相应的调整开始，初始化传感器。此后，程序点3处，传感器特定变量，这里是几何参数G1，G2通过上述参数估计法的其中一种自动确定。

方法开始后，在程序点10处，确定是否直接或间接通过参数估计法确定介质的特性，相应的过程特定参数ρ，η，T。如果选定直接路径，那么过程特定参数ρ，η，T的参数估计发生在程序点20。

如果选定间接路径，那么程序点30处，莱尔(Lehr)阻尼质量D和本征角频率ω₀的估计被执行。此后，程序点40处，执行计算介质的特性，相应的过程特定参数ρ，η，T。程序点50处输出所要求的过程特定参数ρ，η，T。

Claims (14)

1.一种使用描述可振荡单元的数学模型标定或调整任意可振荡单元的方法，

其中所述可振荡单元至少间歇地与位于容器中的介质相互作用，并且用于确定或者监测自动化技术中的所述介质的至少一个过程特定参数和/或系统特定参数，所述过程特定参数和/或系统特定参数是所述介质的填充高度、密度ρ、粘度η或温度T，

其中通过实际输入信号激励所述可振荡单元从而执行多次振荡；

其中确定所述可振荡单元的实际输出信号；

其中将所述实际输出信号数字化，并且产生一个实际输出序列(yu(k))；

其中将所述实际输入信号数字化，并且产生一个数字输入序列(u(k))；

其中将所述数字输入序列(u(k))馈送到功能模块(Model)，其提供与介质相互作用的所述可振荡单元的数学模型(Model)，

其中通过至少两个传感器特定变量(G1，G2)确定所述数学模型，其中所述传感器特定变量是所述可振荡单元的几何参数、材料特性或者质量流率；

其中通过所述数学模型(Model)生成虚拟输出序列(ym(k))；

其中将所述虚拟输出序列(ym(k))与所述实际输出序列(yu(k))比较；

其中产生偏差(e(k))的情况下，适应性地改变所述数学模型(Model)的所述传感器特定变量(G1，G2)，直到所述可振荡单元的所述虚拟输出序列(ym(k))和所述实际输出序列(yu(k))之间的偏差位于预定的可容忍范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可振荡单元与传感器相关联，所述传感器用于确定所述容器中所述介质的所述填充高度、所述密度(ρ)或所述粘度(η)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述可振荡单元与测量设备相关联，所述测量设备用于确定所述容器中所述介质的所述填充高度、所述密度(ρ)或所述粘度(η)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在本征频率下操作所述可振荡单元。

5.根据权利要求1所述的方法，其中可振荡单元的调整或标定在处于确定的过程特定条件或系统特定条件下的介质中实施。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，调整或标定过程中，介质的粘度(η)和密度(ρ)保持为常量，并且其中所述可振荡单元的介质接触部分与介质接触至确定的浸入深度。

7.根据权利要求2所述的方法，其中调整或标定过程中确定的传感器特定变量被传送到传感器的存储器中。

8.根据权利要求3所述的方法，其中调整或标定过程中确定的传感器特定变量被传送到测量设备的存储器中。

9.根据权利要求1所述的方法，其中早先经过调整或标定的可振荡单元的传感器特定变量，在测量操作中被使用，用于确定所述过程特定参数和/或系统特定参数。

10.根据权利要求1或9所述的方法，其中为了确定传感器特定变量，相应的几何参数(G1，G2)，以及为了确定过程和/或系统特定参数(ρ，η，T)，状态空间中可振荡单元的描述或者作为传递函数被用做数学模型(Model)，其将所述可振荡单元描述为一个线性或非线性系统。

11.根据权利要求10所述的方法，其中数学模型(Model)中作为适应性算法来确定未知参数的是参数估计方法，其中可振荡单元被描述为一个线性或非线性系统，并且其通过传递函数或传递矩阵的方式说明输入信号和输出信号之间的关系。

12.根据权利要求11所述的方法，其中传递函数形式的用作数学模型参数估计的方法为最小二乘法。

13.根据权利要求11所述的方法，其中传递函数形式的用作数学模型参数估计的方法为广义最小二乘法，递推最小二乘法，辅助变量法或最大概率法。

14.根据权利要求10所述的方法，其中用于状态空间的数学模型的参数估计方法为扩展卡尔曼滤波器，无迹卡尔曼滤波器或者子空间方法。