CN105527192A - 用于测量流体密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于测量流体密度的方法”。本发明涉及用于用弯曲振荡器确定流体介质的密度的方法，其振荡器管由测量流体流过。根据本发明规定，自由并衰减振荡的振荡器管的振荡的周期时间考虑用于密度确定。对此激励放大器的激发借助于开关交替地中断并且再次切换到振荡回路中。衰减的振荡的周期时间与其幅度和或相位一起考虑用于粘性校正的密度的输出。

Description

用于测量流体密度的方法

本发明涉及根据从共振的振荡模式的周期时间得出的弯曲振荡器的周期时间确定密度的方法，其中从自由衰减地振荡的振荡器确定周期时间并且在强迫的无衰减振荡和具有振荡的减小的幅度的自由振荡之间定期转换。用于执行方法的布置或者根据本发明的弯曲振荡器除了激励回路和频率和幅度测量的部件以外还包括定期切换的断路器，该断路器中断用于测量的激励回路。

用弯曲振荡器测量流体介质的密度基于下列事实，用要检查的样本填充的空心体的振荡取决于振荡器管的填充，即质量或者如果体积恒定，取决于填充的接着的密度。

测量元件包括可振动的形状，即空心的，U形弯曲的，玻璃或金属管体。它可以以电气方式激发到振荡。U形管的两个臂形成振荡器的弹性组件。U形的振荡器管的固有频率仅由样本的该部分影响，其实际参与振荡。这个参与振荡的体积V通过静止振荡结节限制在振荡器管的夹紧位置上。如果振荡器管至少用样本填充到这个夹紧位置，总是相同的准确定义的体积V参与振荡，则样本的质量在此可以与其密度成比例地假定。此外振荡器在夹紧位置至少的过填充对于测量是无关紧要的。出于这个原因还可以用振荡器测量流过振荡器的流体的密度。

流体的密度因此确定U形的管振荡的特定频率。如果使用精确-玻璃管或金属管，则根据液体的密度和粘性改变其特性。共振频率通过适当激发并且减小振荡分析并且根据周期时间确定填充的流动样本的密度。振荡器用已知密度的流体校准并且因此可分析测量。

对于周期时间P和密度ρ一般适合

。

这样的密度振荡器或者弯曲振荡器从很久以前就已知了并且在不同的实施方式中关于激发并且减退振荡来制造。用于激发和减退产生的固有振荡的不同部件可以例如借助于电磁线圈和磁体，实现压电元件，电容扫描等等。在此该部件优选如此安装到振荡器，使得其不是检查的固有振荡的结节点。

为了对于该测量得到较高精度的结果，振荡器必须如此实施，使得它经历尽可能小的减弱或者具有高品质。

振荡器的高品质导致共振频率的窄带宽。因此不实用的是，固有频率用无方向的激发(例如噪声)或单独脉冲激发。

激发用周期的信号，例如矩形脉冲或正弦波实现。这可以通过标准调节回路或通过相移的反馈实现。

在调节回路中用减退信号调整到例如最大幅度并且因此弯曲振荡器的固有振荡。振荡器如此激发到以其共振频率的强迫的振荡并且根据确定该振荡的周期时间确定在振荡器中填充的介质的密度。

通过反馈-回线振荡的减退部件的输出信号在机械系统上相移90度，放大并且该周期的信号用于激发振荡器。因此弯曲振荡器以强迫的振荡来振荡。

图1示出这种激励放大器的原理电路图:

弯曲振荡器1固定在保持部件2中。在此激发例如借助于在振荡器的第一臂的夹紧位置附近的压电元件3实现，其用在振荡器的第二臂上的第二压电元件4实现减退。相位转动器6和放大器7组合地形成简单激励放大器。放大减退部件的输出信号并且相位转动90°并且馈入到用于振荡激发的部件。用这种激励放大器振荡器可以在共振振荡的状态中变成“高振荡”。振荡的周期时间或者频率用频率测量器5测量并且对分析单元馈送用于密度确定。

已知弯曲振荡器根据这个原理用模拟和数字激励放大器运行并且根据振荡器的频率或者周期时间以已知的方式得出要检查的流动介质的密度。

流动介质的实际密度大大地取决于温度。这通常将至少测量和/或全体振荡器或者样本以合适的部件(例如珀尔贴元件)加温到确定测量温度。

如果用弯曲振荡器确定密度，则由于在振荡器中不同粘性的相同密度的样本的不同特性样本的粘性还具有对测量结果的相对大的影响并且必须进行考虑。除了其对得出的密度的影响以外粘性首先还通过其对振荡器的衰减或者品质的影响表现。

用于修正粘性有关的密度值的最不同的方法是已知的，其分析对于这个衰减表达的参数并且校正密度测量。这大多基于附加激发的振荡在所谓的高次波（Oberwellen）的范围中通过考虑用于激发的相位关系实现。备选地已知例如重叠的调节回路的使用，其改变激发信号的幅度，以便获得不变的振荡幅度。通过激发信号带来的能量因此对应于系统的衰减并且可以考虑用于品质确定。

然而品质测量在此还可通过测量衰退的幅度在周期地解开激励器的情况下实现，这在理论上是用于得到品质的优化解决方案。由此避免激发的每个不准确性(例如滤波器的非线性和/或相位干扰，等等)。

在振荡器的高使用的品质的情况下然而它具有长测量时间的缺点，总是表示仅一个单独测量并且还影响强迫的振荡的周期时间。在此优选地在振荡之后不执行振荡器的中断。

在所有这些已知的布置中强迫的基本振荡的周期时间通常用于分析来进行密度测量。

例如在幅度调制的情况下这种的步骤的缺点是，没有准确测量共振频率，这是因为非线性扭曲(电子设备，IIR滤波器)以及ADC(模数转换器)和/或DAC(数模转换器)-信号的时间延迟(时间量化)起了作用。

附加地振荡器的高品质和因此由此导致的小带宽要求在1/1000...1/2000的数量级的固有频率中的非常小的调制频率。

例如对于在300Hz(玻璃振荡器)到5000Hz(金属)的范围中的共振频率，和10…5'000(玻璃)和10..14'000(金属)的品质值，使用在1/3...1/10Hz的范围中的调制频率。因此对于周期经过得出3…10秒。

调制频率越小，品质的衰退测量持续越长，这是因为通常调制频率的每周期一次新测量值可用。因此根据介质每3到10秒。附加地根据要求的精度需要额外的平均。

根据本发明现在提出，组合借助于强迫的振荡的周期时间的确定(持续测量方法，并行相位调整)的优点和用于测量品质的衰退特性的与激发无关的测量的优点并且振荡器的品质和周期时间直接用持续衰退测量检查并且关于粘性校正分析密度。

在此通过衰退特性的周期的测量不再存在仅单独测量的缺点。因为密度和粘性修正的全体确定根据衰退特性实现，来自激励放大器回路的重新振荡升高的周期-或者相位测量的影响还不再是问题。

在此此外可以在振荡器的较小品质的情况下达到较高精度。

图2示出本发明的原理电路图:激发或者激励器单元13将振荡器11置于共振中。这可以通过标准调节回路或通过相移的反馈实现。(例如-90°振荡器的共振条件)。这允许准“无调节器”的激励器的实现，这是因为-90°相位转动表示纯信号变换-相比于调节的振动器其基于相位比较(输出/输入)调节到-90°点。振荡的周期时间或者频率用频率测量器15测量并且对分析单元馈送用于密度确定。

根据本发明现在提出，强迫的共振的振荡的周期时间和幅度仅在退耦激励器之后确定，即仅检查弯曲振荡器的衰退的振荡。因此激发对测量自身没有影响–并且还不需要关于当前测量循环的信息。开关或者断路器19为此定期中断振荡器激发。激励回路对于时期t1通过该开关19中断并且检查振荡器11的衰退特性。之后开关再次封闭并且激励回路13强制在其衰减的自由共振中振荡的振荡器11再次在强迫的无衰减中振荡。优选地激励回路如此封闭直至振荡器的强迫的共振振荡在最大的幅度中振荡或者达到最大幅度。

图3示出振荡器的这种衰退。在退耦激励回路之后在时间点t振荡的幅度随着时间根据振荡器的品质更快或更慢衰退。实际共振频率或者周期时间P0在此从强迫的振荡(周期时间P1)轻微偏离，这是因为在这里忽略激励回路的非线性和时间误差并且自由振荡器在其共振频率振荡。在此为了清楚附图示出周期时间的大大夸张描绘的差异。

图4示出激励器的周期的接通和切断的视图(开关在位置S0–振荡器在共振中高振荡)，其具有根据时间的幅度A的对应的信号。

幅度随着振荡过程增加。在此幅度曲线在激发的情况下跟随类型的函数。

在时间点t1打开开关(开关在位置S1)，在此振荡器衰减地振荡，幅度示出衰退特性并且在这个时间段中关于频率和幅度分析振荡。在时间点t2开关再次封闭，振荡器再次高振荡并且强迫的振荡再次激发。这个过程定期重复(t3，t4，…)

这个周期的控制可例如分别通过振荡的幅度信号实现，不但在起振中而且在衰退中可以考虑确定幅度值的达到并且由此考虑周期用于切换开关19。必须地还可以直接进行激励放大的非严格的周期的接通和切断。幅度不一定下降到0(完全结束)而是可以已经较早再次耦合。

因此可能的是振荡器的周期或者频率在衰退过程期间测量，并且同时消除激发的所有实现有关的偏离，因为这个在衰退测量期间不被施加到振荡器。

此外振荡器的频率的测量可以用频率比较测量执行，其非常准确。(颤动的相漂)。

因为激发是测量无变化的，所以可以非常快地在衰退和激发模式之间转换(每秒多次)。

在本发明的有利的实施方式的情况下可以规定，衰退过程在预定的时间间隔之后或在达到预定的幅度值的情况下中断并且通过推断得出的幅度值计算品质和/或衰退窗口的宽度或者选择用于衰退的时间间隔保持或者选择为不变。

因此衰退过程不必完全实现，因为还可以通过用小幅度下降推断幅度值计算品质。因此衰退窗口可以具有恒定的与振荡器的填充无关的宽度。品质测量的精度因此随下降的品质上升，因为固定衰退窗口内的幅度差别变大-并且因此关于固定噪声的差别。

优选对于相应振荡器确定接通和切断的间隔。根据检查的共振振荡的品质和幅度通过衰退激发的时间间隔的持续时间Δτ0:Δτ1可位于比例1:1到1:3中。这还由提供的“激发-能量”，即在压电晶体上的电压，通过线圈的电流，影响，因为通过较高带来的能量可实行较短的起振时间)。

在此优选规定，中断激励放大的断路器或者开关19，仅安装到激励放大器回路的输出。因此激励放大的振荡回路还可以在中断的情况下与弯曲振荡器的周期彼此在同相并且在激励放大的在此接通的情况下可以通过相位正确地激发再次快速达到原来的幅度。在此激励放大器可以位于DAC之前或之后。

衰退的振荡或者其衰退的正弦根据频率和幅度分析并且从这两个值在分析-和显示单元中得出位于在振荡器中的介质的密度。通过进一步处理信号可以执行例如粘性修正和填充错误识别。对此所需的校准曲线和校准常数根据已知密度和粘性的标准上的校准测量保存在控制和分析单元中。

衰退曲线的测量在此可以通过任意长的周期实现，例如在具有4...5kHz共振频率(对应于大约200…250μs的周期时间)的金属振荡器的情况下在具有大约65毫秒的衰退时期Δτ1的填充空气的振荡器的情况下实现测量。

通常小于1秒的衰退周期是优选的，以便可以足够快速地执行测量。在高品质的情况下产生长测量时间，因为通过小衰减振荡器的幅度仅缓慢改变。衰退测量的持续时间的选择还根据精度电气组件和计算能力实现。

频率和幅度的确定可以例如借助于傅立叶分析实现，频率确定还例如直接通过混合局部振动器与测量信号或确定测量信号的过零来实现。幅度可以例如借助于平滑极大值等等直接频率无关并且立即测量。在直接测量幅度的情况下可以对每个个体ADC样本，也就是ADC的每个个体测量值，分配自己的幅度值。

图5示出根据本发明的弯曲振荡器的电路构造的实施方式:在开始状态中开关9封闭。在此弯曲振荡器有利地设计有以用于激发3和减退4的两个压电元件形式的用于激发的单元和用于减退的单元。激发和减退通过模拟电压信号实现。减退单元4的信号通过模拟数字转换器(ADC)数字化并且传导到在可编程的数字构件8中，其在这里承担中央控制和调节任务。

数字实施的这个中央构件8必须确保尽可能快速的信号处理，其可以例如借助于μ-控制器或DSP(数字信号处理器)转化。基于可达到的调节速度优选使用FPGA(现场可编程逻辑阵列)。

在图1中描述的激励放大器电路的原理用这个构件和另外的数字模拟处理器（其控制信号驱动激励器单元3）实现。放大的输出信号对于输入信号相移90°并且激发振荡器到强迫的振荡。

备选地代替压电元件可以使用任意的电组件来用于振荡的激发和减退例如甚至电流流过的线圈和永磁体的组合。激发和减退还可以在振荡器的其他位置，例如在臂上的侧方，实现。在此作为输出和控制信号使用线圈的线圈电流。

布置的中央构件此时是电气开关9，其同样由中央构件8控制，即定期打开和封闭。

弯曲振荡器的振荡的频率-或者周期时间确定通过与局部振动器的信号比较或者直接通过混合局部振动器与测量信号或者局部振动器的振荡信号与测量信号进行比较来确定。

对此输入信号ω1与局部振动器的信号ω2的频率比较实现，所述输入信号是来自压电元件4（其提供弯曲振荡器的周期时间）的减退信号。

将两个信号彼此相乘，则适用:

局部振动器如此调节，使得两个频相同大小并且因此第一项是纯幅度(DC-信号)，第二项可以通过信号的大差异简单滤波出。对于4kHz振荡器的高次波在此在8kHz的情况下具有ω1=ω2。

为了提高精度和/或得出具有两个不同的共振的振荡的粘性修正，可以期望，振荡器不仅在共振的模式中激发，而且同时第二共振的模式（例如第一高次波）用激励放大器激发。这可以在数字激励放大器的情况下时间相同地通过叠加相应的激发信号实现。

为了分析这两个振荡可以设置附加的滤波器10，其弯曲振荡器的应答信号再次分离成两个频率。

频率无关的和即时的幅度测量对每个个体ADC-样本分配自身的幅度值，使得不必在整个振荡周期上测量。

这通过如下方式实现，局部振动器取代通常的实正弦表示作为复杂转子实现:

信号幅度借助于将ADC-信号的笛卡尔表示变换为极坐标得出的:

此外当前相位的幅度无关的确定是可能的:

因为对于每个个体输入样本可以分配相应的复杂数据点，振荡器的相位的即时确定也是有可能的。因此借助于相位的简单区别可以计算周期或者频率。该测量由此独立于幅度测量或者当前振荡器频率。

此外根据本发明提供根据本发明的用于根据弯曲振荡器的共振的振荡模式的周期时间测量密度的方法，其中振荡器用激励放大器电路置于共振的无衰减振荡中，该方法其特征在于，振荡器在时间间隔Δt₁期间通过激励放大器置于强迫的无衰减振荡中，定期中断强迫的振荡的激发，其中振荡器之后在时间间隔Δt₂期间自由并且根据其品质衰减地振荡，其中自由衰减的振荡的周期考虑用于密度确定，并且在测量振荡器之后再次激发到无衰减振荡。该方法设计成具有权利要2-8所述的特征。

此外对于上述类型的用于密度测量的方法的控制和/或调节回路特征可在于，在激励器电路（其将振荡器激发到无衰减振荡）中设置断路器，断路器以定义的时间间隔可重复地在用于弯曲振荡器的无衰减振荡的激励回路和无预给定激发地衰减地振荡的弯曲振荡器之间切换并且测量振荡的周期用于在打开激励回路的情况下获得密度。该控制或者调节回路设计成具有权利要9-13所述的特征。

优选地断路器或者开关19（其中断激励放大）安装到激励放大器回路的输出。因此激励放大的振荡回路还可以在中断的情况下与弯曲振荡器1的周期彼此同相并且在重新接通的情况下激励放大器可以通过相位正确的激发快速地再次达到原始幅度。在此激励放大器可以位于DAC之前或之后。

此外优点还在于，断路器在激励放大器电路中集成在激励放大器之后并且用于放大器电路的放大的输出信号与弯曲振荡器保持同相。因此确保，激励放大器电路与振荡器保持同相。如果开关再次封闭，则强迫的振荡的频率不必再次新设定，而是“迫使”与正确的相位关系相同。

Claims (15)

1.用于根据弯曲振荡器的共振的振荡模式的周期时间测量流体的密度的方法，其中所述振荡器用激励放大器电路置于共振的无衰减振荡中，其特征在于，

-振荡器在时间间隔Δt₁期间通过激励放大器置于强迫的无衰减振荡中，

-对于时间间隔Δt₂定期中断强迫的振荡的激发，

-让所述振荡器在中断的时间间隔Δt₂的期间自由并且根据其品质衰减地振荡，

-将在这个时间间隔Δt₂中这个自由衰减的振荡的周期考虑用于密度确定，并且

-在测量自由衰减的振荡的周期之后再次激发振荡器到共振的无衰减振荡。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述自由衰减的振荡还关于其相位和/或幅度进行分析，并且用该参数进行得出的密度值的粘性修正。

3.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述振荡的周期时间的确定通过与局部振动器的频率比较实现。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述幅度确定直接借助于测量信号的坐标变换实现。

5.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述激励回路的周期的接通和切断对于预定的，固定的，优选相同长度的时间间隔实现和/或激励回路的接通和切断借助于衰减的和/或无衰减振荡的幅度值调节。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，激励放大的时间间隔Δt₁与周期测量的时间间隔Δt₂成固定比例，

其中比例Δt₁:Δt₂优选位于在1:1到1:3的范围。

7.如权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，

-所述激励回路保持封闭，直至振荡器的强迫的共振振荡达到其最大的幅度，和/或

-强迫的共振的振荡的幅度和周期时间仅在退耦激励器之后确定。

8.如权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，

衰退过程在预定的时间间隔之后或在达到预定的幅度值的情况下中断并且通过得出的幅度值的推断计算品质和/或衰退窗口的宽度或者选择用于衰退的时间间隔保持或者选择为恒定的。

9.控制和/或调节回路，尤其是用于执行如权利要求1-8中任一项的用于密度测量的方法，

其中对所述弯曲振荡器接通激励器电路，

其特征在于，

-在将振荡器激发到无衰减振荡的激励器电路中设置断路器或开关(9，19)，所述断路器或开关重复弯曲振荡器(1)到无衰减振荡的激励或者对于定期定义的时间间隔(Δt₂)中断，在所述时间间隔(Δt₂)中弯曲振荡器(1)衰减地自由振荡而没有预给定激发，以及

-设置测量和分析单元，所述测量和分析单元测量衰减的自由振荡的周期用于确定要检查的流体的密度并且考虑用于确定流体的密度。

10.如权利要求9所述用于弯曲振荡器的控制和调节回路，其特征在于，为了转换到强迫的振荡在激励回路中分别设置调节回路(8)，所述调节回路(8)在达到对于衰减的自由振荡的确定的幅度值的情况下进行所述转换。

11.如权利要求9或10所述用于弯曲振荡器的控制和/或调节回路，其特征在于，控制用于所述转换的控制或者测量和分析单元预给定确定的时间间隔Δt₁和/或Δt₂。

12.如上述权利要求之一所述的控制和/或调节回路，其特征在于，

-接通激励放大器和弯曲振荡器(1)或者其激励器之间的断路器(9，19)，和/或

-中断激励放大的断路器或者开关(19)安装到所述激励放大器回路的输出和/或用于放大器电路的振荡回路和弯曲振荡器(1)同相振荡。

13.如权利要求9-12之一所述控制和/或调节回路，其特征在于，强迫的共振的振荡的周期时间和幅度仅在退耦激励器之后确定。

14.弯曲振荡器，其具有如权利要求9-13中任一项所述的控制和/或调节回路。

15.一种测量装置，其具有弯曲振荡器，所述弯曲振荡器具有如权利要求9-14中任一项所述的控制和/或调节回路。