CN114375386A

CN114375386A - 用于操作具有至少一个振荡器的测量装置的方法以及用于执行所述方法的测量装置

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Publication number: CN114375386A
Application number: CN202080063461.7A
Authority: CN
Inventors: 雷米·舍雷尔; 罗伯特·拉拉; 赖因哈德·胡贝尔; 马丁·约瑟夫·安克林
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-04-19
Also published as: DE102019124709A1; WO2021047887A1; EP4028731A1; US20220307884A1

Abstract

本发明公开了一种用于操作测量装置的方法，该测量装置具有测量传感器，该测量传感器具有振荡器，该振荡器具有用于引导介质的至少一个振动测量管，该测量传感器尤其是用于确定介质的质量流量、密度和/或粘度的测量传感器；该方法包括以下步骤：确定所述振荡器(110)的振动模式的谐振频率的当前值；以不同于所述谐振频率的当前值的激励频率激励非谐振振动(120)；以及确定代表所述非谐振振动的传感器信号的振幅(130)；其特征在于，为了确定所述非谐振振动的传感器信号的振幅，通过如下低通滤波器来确定所述振荡器的振动传感器的传感器信号：所述低通滤波器的时间常数不小于所述非谐振振动的1000个周期长度，例如不小于所述非谐振振动的10000个周期长度，更具体地，不小于所述非谐振振动的100000个周期长度。本发明还涉及一种用于执行所述方法的测量装置。

Description

用于操作具有至少一个振荡器的测量装置的方法以及用于执行所述方法的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于操作测量装置的方法，该测量装置具有带有振荡器的测量传感器，其中该振荡器具有用于传导介质的至少一个振动测量管，其中该测量装置尤其用于确定介质的质量流量、密度和/或粘度。本发明还涉及一种用于实施该方法的测量装置。通用测量传感器的振荡器通常被激励到具有使用模式的谐振频率的振动。与激励功率相关的谐振时的振动振幅可以说明振荡器的质量，从而说明介质的粘度。弯曲振动模式的谐振频率使得能够确定密度，和科里奥利模式中叠加振动的振幅，使得能够确定质量流量，该叠加振动的振幅可以以入口侧振动传感器的振动信号与出口侧的振动传感器的振动信号之间的时间偏移的形式来检测。只要关于在被测变量的计算模型的系数中所反映的振荡器的机械性质的假设适用，所描述的被测变量的确定值就是有效的。这一点在测量传感器投入运行时得到保证，但是机械性质会因各种原因而改变，这取决于使用条件。因此，监测振荡器的机械性质是有意义的。在这方面，例如，国际公开WO 2012 062551 A1讲授了非谐振激励。

背景技术

在振荡器质量的通常值至少有一些为100的情况下，在s倍的谐振频率的激励的情况下，对于s>1.05或s<0.95，振幅x被给定为x＝F/(D*(s²-1))，其中F是模态激励力，而D是模态刚度。转换成可测量的可观察量Us、Ie和f，例如，获得以下等式，该等式定义了合适的监测变量H，例如：

H:＝Us/(Ie*f²)＝K/(D*(s²-1))，

其中K是常数，它尤其是捆绑激励电流Ie和激励力之间的传递函数以及振荡器的速度和电磁传感器的传感器电压Us之间的传递函数的因子。

除了可能必须建模的温度相关性和/或压力相关性之外，在完整的测量传感器的情况下，模态刚度D不会改变。因此，对于给定的值s，等式左侧给出的可观察量的比率不应改变。

相反，如果在可观察量的比率中发现了变化，那么这意味着模态刚度D或因子s或常数K的基础变量发生了变化。例如，磨损或腐蚀会导致模态刚度发生变化；偏差因子s意味着频率控制存在误差；例如，因子K的变化将表明传感器电子元件中的硬件故障。无论何种原因。在任何情况下，都应该可靠地识别出这种偏差并且发出信号。

利用可用的激励功率，测量监测变量H的当前值同时以足够的精度确定质量流量测量值是不切实际的。因此，习惯上只在偶尔检查时才确定监测变量的当前值，此时测量操作可能会被中断短的时间。本发明的目的是找到这方面的补救措施。

发明内容

根据本发明，该目的通过根据独立权利要求1的用于操作测量传感器的方法以及通过根据独立权利要求8的测量传感器来实现。

根据本发明的方法用于操作测量装置，该测量装置具有带有振荡器的测量传感器，其中该振荡器具有用于引导介质的至少一个振动测量管，其中该测量装置尤其用于确定介质的质量流量、密度和粘度的被测变量中的至少一个；其中该方法具有以下步骤：

确定振荡器的振动模式的谐振频率的当前值；

以不同于谐振频率的当前值的激励频率来激励非谐振振动；以及

确定非谐振振动的传感器信号的振幅；

其中，激励非谐振振动的激励电流信号的振幅不大于同时激励谐振振动的激励电流信号的振幅；

其中，为了确定非谐振振动的传感器信号的振幅，经由如下低通滤波器来检测振荡器的振动传感器的传感器信号：该低通滤波器的时间常数不小于非谐振振动的1000个周期长度，例如，不小于非谐振振动的10,000个周期长度，尤其是不小于非谐振振动的100,000个周期长度。

在本发明的改进方案中，非谐振振动叠加在处于谐振频率的振动上。

在本发明的改进方案中，振动传感器的传感器信号在振荡器的谐振频率处受到抑制，以便借助于滤波器，尤其是借助于陷波滤波器来确定非谐振振动的传感器信号的振幅。

在本发明的改进方案中，通过其激励非谐振振动的激励电流信号的振幅不超过4mA，例如，不超过1.5mA。

在本发明的改进方案中，通过其激励非谐振振动的激励电流信号的振幅不小于0.25mA，尤其是不小于0.5mA，优选不小于0.75mA。

在本发明的改进方案中，通过其激励非谐振振动的激励电流信号的振幅不超过通过其同时激励谐振振动的激励电流信号的振幅的一半，尤其是不超过其四分之一，尤其是不超过其八分之一。激励电流信号振幅的这些比率尤其适用于如下测量传感器：这些测量传感器具有用于激励谐振频率的高功率需求，使得在预定的可用电功率的情况下，用于激励非谐振振动的更大电流份额会导致质量流量和/或密度的被测变量的测量性能受损。尤其是在具有刚性测量管的测量传感器的情况下，即一般而言，对于具有较大标称宽度(例如DN50及以上)的测量传感器而言，情况尤其如此。

在本发明的改进方案中，以其对传感器信号进行采样的采样频率不小于振荡器的谐振频率的四倍，例如不小于其八倍，尤其是不小于其十六倍。

在本发明的改进方案中，形成传递函数的值，该传递函数的值将非谐振振动的传感器信号的振幅与非谐振振动的激励信号的振幅相关联。在本发明的当前优选改进方案中，非谐振振动的激励频率与谐振频率相差常数因子s。

在替代实施例中，非谐振振动的激励频率可以与谐振频率相差尤其是恒定的偏移。在这种情况下，为了实现正确解释非谐振振动的传感器信号的振幅与非谐振振动的激励信号的振幅之间的关系，仍然需要确定哪个因子s对应于激励频率和谐振频率的比率。

在本发明的改进方案中，非谐振振动的激励频率与当前谐振频率相差当前谐振频率的至少5％。

在本发明的改进方案中，传递函数的值代表振荡器的模态刚度或挠度。

在本发明的改进方案中，在确定传递函数的过程中，关于振荡器相对于温度的和在振荡器的测量管中传导的介质的压力的交叉敏感性以及振动传感器和激励器相对于温度的交叉敏感性得以补偿。

根据本发明的测量装置用于确定介质的质量流量、密度和/或粘度，该测量装置具有测量传感器以及测量和操作电路，其中该测量传感器包括：振荡器，该振荡器具有用于传导介质的至少一个振动测量管；至少一个激励器，所述至少一个激励器用于激励测量管振动；至少一个传感器，所述至少一个传感器用于检测测量管振动；其中该测量和操作电路被配置用以驱动激励器，用以检测至少一个传感器的信号，以及用以执行根据本发明的方法。

附图说明

现在根据附图中所示的示例性实施例解释本发明。示出如下：

图1a：各种质量Q的振荡器的谐振曲线；

图1b：图1a的谐振曲线之间的差异；

图1c：相同质量但刚度改变的振荡器的谐振曲线之间的差异；

图2a：本发明的示例性实施例的流程图；

图2b：用于确定图2a的示例性实施例中的非谐振振动的振幅的详细流程图；

图3：上述示例性实施例中使用的滤波器级的示意图；以及

图4：根据本发明的测量装置的示例性实施例的示意图。

具体实施方式

参照图1a至图1c，解释监测振荡器状态的基本过程。

图1a中所示的谐振曲线源自仅在质量上有差异的振荡器，其中假设Q＝200、Q＝1,000或Q＝5,000的值。这些是在科里奥利质量流量计的运行期间可能出现的典型值。在静态偏转的情况下，在此处示出振幅A(X)相对于振幅A(0)具有相同的力。归一化的激励频率X＝f/f0被绘制在横坐标上，其中f0是所考虑的振荡器的振动模式的固有频率。

图1b示出图1a的谐振曲线的差异，其中，在每种情况下，从Q＝5,000的曲线中减去Q＝200和Q＝1,000的曲线。在由X＝1处谐振峰上方和下方的阴影框标记的区域中，质量的变化实际上不再有影响；即使Q＝5,000到Q＝200的质量变化也只导致小于0.1％的振幅变化。

图1c示出质量为Q＝1,000的不同测量管刚度(为参考刚度的99.5％或99.0％)的谐振曲线的差异。差异曲线被归一化为具有100％初始刚度的振荡器的静态偏转(X＝0)。从图1b和图1c的差异曲线的比较可以看出，在距谐振峰足够远的地方，所描述的刚度变化的影响比质量变化的影响要强几个数量级。因此，通过观察振动振幅，例如在标记的频率范围内，可以监测振荡器的机械完整性。然而，由于在提到的频率范围内的振幅的绝对值非常小，如图1a所示，所以根据现有技术的振幅测量仅针对特定诊断过程加以执行，在这些特定诊断过程中，测量操作充其量可能在有限的范围内。在诊断过程中，为X>1.1或X<0.9的频率范围内的振动提供大的激励功率，以达到足以在诊断过程期间进行测量的振幅。这是不利的，因为故障只能较晚被识别到，即，只有在故障发生之后才执行诊断时。此外，统计分析的数据基础非常小。

相比之下，根据本发明的方法基于以非常小的功率激励非谐振振动，因此在谐振频率下进行的测量操作首先实际上不被干扰，其次可以连续监测振荡器。只要传感器信号中的非谐振振动的信号分量比谐振振动的信号分量低大约80分贝，就采取特殊措施来确定所需的信息，即，非谐振振动的振幅。

在图2a中示出根据本发明的方法100的示例性实施例。通过根据谐振标准调节弯曲振动使用模式的激励来连续确定110振荡器的当前谐振频率。例如，这可以是振幅最大化或激励信号与振荡器偏转之间的90°相位角或激励信号与振荡器的速度信号之间的0°相位角。谐振处的激励与尤其是具有恒定振幅的非谐振激励连续地被叠加120，其中非谐振激励以与谐振频率相差恒定因子s的激励频率发生，其中例如，s≤0.9或s≥1.1。非谐振激励的激励力例如不大于谐振处的激励的激励力的十分之一。

随后，确定130振荡器非谐振振动的振幅信号。

形成所确定的振幅信号与激励信号的比率，并且在140处，如果需要，则执行关于诸如传感器或激励器的温度、压力和/或老化等的交叉敏感性的校正。例如，在文件号为DE10 2019 122 094.7的尚未公开的德国专利申请中公开了合适的校正函数。以这种方式准备的数据被记录并且可用于进一步评估，诸如趋势分析和阈值比较150。

现在参照图2b更详细地解释振幅信号130的确定。

以例如32kHz的采样频率对模拟传感器信号S1(t)进行采样，该模拟传感器信号的振幅与测量管的振动振幅成比例。在以因子2进行抽取之后，借助于正交混合器提供具有16kHz的重复频率的两个数字值序列(X,Y)，所述序列相对于彼此相对于非谐振激励的频率相移90°。这两个序列借助于类型为T(Z,w)＝((1-w)/(1-wZ^-1))的滤波器序列来使用，其中w＝a、b、c、d是不同的加权系数。

在第一滤波器级(T(Z,a))²和第二滤波器级T(Z,b)之间，在2KHz或1KHz的频率处发生进一步的抽取。

在第三滤波器级T(Z,c)之后，使用陷波滤波器来抑制在谐振频率处振动的情况下的信号，该谐振频率比感兴趣的非谐振振动的信号强一些数量级，例如约80dB。

随后，在54Hz的频率下进行进一步的时间平均值形成。

在一秒钟内检测平均值X、Y，并且确定它们的标准偏差。如果标准偏差小于阈值，则在一秒内被取平均的平均值，并且可选地，在对交叉敏感性进行进一步补偿之后，被馈送用于进一步的长期分析；否则，将丢弃所述平均值。长期分析包括滤波器级T(Z,d)，并且考虑1,000秒数量级的一段时间内的值。基于这样为X和Y准备的值，最终根据A＝(X²+Y²)^1/2确定非谐振振动信号的振幅A。这个振幅相对于非谐振振动的激励信号应该是恒定的。

要考虑的交叉敏感性例如与激励器或传感器和/或测量管的温度以及测量管中存在的介质压力有关。最后，如果振动传感器是电磁传感器，则密度或谐振频率也会对传感器信号产生影响。在这种情况下，振动信号代表的速度首先与偏转的期望振幅成比例，其次与密度相关的振动频率成比例。

陷波滤波器上游的滤波器级可以被实现为定点滤波器，尤其是32位或64位的滤波器，而浮点滤波器级目前是最后一个滤波器级的首选。

在图3中示出了滤波器级T(Z,w)的实现方式。这种布置从滤波器级的前一个输出值out_n-1和第n个输入值in_n中得到该滤波器级的第n个输出值out_n：

out_n＝(1-w)x(in_n-out_n-1)+out_n-1

因子1-w在定点计算中可以被表示为

1–w＝(2^L–2^N)/2^L,

例如，其中L＝32和N＝18…24。

使用所描述的方法，可以足够精确地确定非谐振振动的振幅与在例如仅1mA的最小值下的相关联的激励电流之间的比率，以便能够由此识别在早期阶段测量管中的变化。由于此监测功能的低功耗，仍有足够的功率可用于激励在谐振处的测量管振动，从而完成测量传感器的实际测量任务。

图4所示的根据本发明的测量装置1的示例性实施例包括振荡器10，该振荡器10包括平行引导的一对振动测量管14，所述一对振动测量管14在入口侧法兰11和出口侧法兰12之间延伸，其中所述法兰各自包括分流器或收集器，测量管14通入到该分流器或收集器中。所述分流器通过刚性壳体15彼此连接，使得容纳测量管的分流器的振动在振荡器的有用弯曲振动模式的振动频率范围内得到有效抑制。测量管10刚性连接到入口侧节点板20和出口侧节点板21，其中所述节点板限定了由两个测量管14形成的振荡器10的振动节点，从而很大程度上建立了有用的弯曲振动模式的频率。振荡器10被作用在两个测量管14之间的电动激励器17激励以振动，其中借助于两个振动传感器18、19来检测振动，所述两个振动传感器18、19检测测量管14相对于彼此的相对运动。激励器17通过操作和评估电路30运行，其中操作和评估电路30还检测和评估振动传感器的信号以便确定密度测量值以及可选地质量流量测量值。根据本发明，操作和评估电路30同样被配置用以执行根据本发明的方法，即，尤其是用以确定非谐振振动的振幅并且将该振幅与表示激励力的激励信号相关联。与图4中所示的不同，操作和评估电路还可以包括几个空间分离的模块。因此，也可以在远程计算模块中计算非谐振振动的振幅，所需的原始数据例如被无线地传输到该远程计算模块。

Claims

1.一种用于操作测量装置的方法，所述测量装置具有测量传感器，所述测量传感器具有至少一个振荡器，其中所述振荡器具有用于传导介质的至少一个振动测量管；

其中，所述方法具有以下步骤：

确定所述振荡器的振动模式的谐振频率的当前值(110)；

以不同于所述谐振频率的当前值的激励频率来激励非谐振振动(120)；以及

确定代表所述非谐振振动的传感器信号的振幅(130)；

其特征在于，

为了确定所述非谐振振动的传感器信号的振幅，经由如下低通滤波器来检测所述振荡器的振动传感器的传感器信号：所述低通滤波器的时间常数不小于所述非谐振振动的1,000个周期长度，例如，不小于所述非谐振振动的10,000个周期长度，尤其是不小于所述非谐振振动的100,000个周期长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过其激励所述非谐振振动的激励电流信号的振幅不大于通过其同时激励所述谐振振动的激励电流信号的振幅；

其中，尤其是通过其激励所述非谐振振动的激励电流信号的振幅不超过4mA，例如不超过1.5mA。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述非谐振振动被叠加在处于所述谐振频率的振动上。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述振动传感器的传感器信号在所述振荡器的谐振频率处受到抑制，以便借助于滤波器，尤其是借助于陷波滤波器，来确定所述非谐振振动的传感器信号的振幅。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，通过其激励所述非谐振振动的激励电流信号的振幅不小于0.25mA，尤其不小于0.5mA，并且优选不小于0.75mA。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，通过其激励所述非谐振振动的激励电流信号的振幅不超过通过其同时激励所述谐振振动的激励电流信号的振幅的一半，尤其是不超过其四分之一，并且尤其是不超过其八分之一。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，以其对所述传感器信号进行采样的采样频率不小于所述振荡器的谐振频率的四倍，例如不小于其八倍，并且尤其是不小于其十六倍。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，形成传递函数的值，所述传递函数的值将所述非谐振振动的传感器信号的振幅与所述非谐振振动的激励信号的振幅相关联。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述传递函数的值代表所述振荡器的模态刚度或挠度。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，在确定所述传递函数时，关于所述振荡器相对于温度的和在所述振荡器的测量管中传导的介质的压力的交叉敏感性以及所述振动传感器和所述激励器相对于温度的交叉敏感性得以补偿。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述非谐振振动的激励频率与所述谐振频率相差所述谐振频率的至少5％。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述非谐振振动的激励频率与所述谐振频率的当前值相差恒定因子s。

13.一种用于确定介质的质量流量、密度和/或粘度的测量装置(1)，所述测量装置(1)包括：

测量传感器；以及

测量和操作电路(30)，

其中所述测量传感器具有：

振荡器，所述振荡器具有用于传导所述介质的至少一个振动测量管(10)；

至少一个激励器(17)，所述至少一个激励器(17)用于激励测量管振动；

至少一个传感器(18、19)，所述至少一个传感器(18、19)用于检测测量管振动；

其中，所述测量和操作电路(30)被配置用以驱动所述激励器(17)，用以检测所述至少一个传感器(18、19)的信号，以及用以执行根据前述权利要求中的一项所述的方法。