DE102006058732A1 - Vibration type measurement device i.e. Coriolis measurement device, operating process, involves using phase shift as input for controller so that excitation frequency is automatically adjusted as function of phase shift - Google Patents

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Abstract

The process involves exciting a system to vibration using an adjustable excitation frequency of an exciter arrangement (1). A measurement quantity of a measurement medium of the system is determined from vibration parameters. A response signal of the vibration-capable part is measured, and a phase shift between the response signal and a force of a signal component which oscillates with frequency is determined. The phase shift is used as an input for a frequency controller (4) so that the excitation frequency is automatically adjusted as a function of the phase shift. An independent claim is also included for a vibration type measurement device comprising an exciter arrangement for generating an adjustable excitation frequency.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a method of operating a Coriolis mass flowmeter according to the generic term of claim 1.

In besagten Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtungen werden Schwingungserzeuger eingesetzt. Diese Schwingungserzeuger basieren auf einer genauen Messung zumindest einer Eigenfrequenz des Schwingsystems. Dabei werden mechanische Transducer verwendet. Ein solches System ist aus der EP 1496341 A2 bekannt.Vibration generators are used in said Coriolis mass flowmeters. These oscillators are based on an accurate measurement of at least one natural frequency of the oscillating system. In this case, mechanical transducers are used. Such a system is out of the EP 1496341 A2 known.

Beim Einsatz in Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtungen betrifft das schwingende System die Rohrleitungen, durch die das zu messende Medium hindurch fließt. Dadurch ändert sich die Eigenfrequenz des schwingenden Systems natürlich, und ist somit von Durchfluss und von Dichte der Flüssigkeit abhängig. Dabei gilt aber, dass die Amplitude des gemessenen Schwingungssignals dann maximal ist, wenn das Schwingungssystem auf seiner Eigenfrequenz angeregt wird.At the Use in Coriolis mass flow meters relates to this oscillating system the piping through which the to be measured Medium flows through. This changes Of course, the natural frequency of the oscillating system, and is thus dependent on the flow and the density of the liquid. there but applies that the amplitude of the measured vibration signal then maximum is when the vibration system at its natural frequency is stimulated.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde die Messeinrichtung so zu betreiben, dass diese stets optimal mit einer ihrer Eigenfrequenzen angeregt wird.Of the Invention is therefore the object of the measuring device so to operate, that this always optimally excited with one of its natural frequencies becomes.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betrieb einer Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.The Asked object is in a method for operating a Coriolis mass flowmeter of the generic type according to the invention the characterizing features of claim 1 solved.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.Further advantageous embodiments of the method according to the invention are in the dependent claims explained.

Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist es, dass eine zeitabhängige Kraft f(t) = F sin(ωt) + g(t)mit mindestens einer sinusoidalen Komponente mit einstellbarer Frequenz ω eingesetzt wird, die an mindestens ein Teil des Schwingungsgenerators durchgesteuert wird, und dann das Antwortsignal des Schwingungsgenerators das heißt ihre zeitabhängige Geschwindigkeit v(t) = V sin(ωt + Ψ) + h(t)gemessen und die Phasenverschiebung Ψ zwischen der Geschwindigkeit v und der Kraft f der mit der Frequenz ω oszillierenden Signalkomponente ermittelt wird, und die Phasenverschiebung Ψ als Input für die Frequenzsteuerung verwendet wird, so dass die Anregungsfrequenz des Schwingungssystems in Abhängigkeit von Ψ automatisch geändert wird.The core of the inventive method is that a time-dependent force f (t) = F sin (ωt) + g (t) is used with at least one sinusoidal component with adjustable frequency ω, which is controlled by at least a portion of the vibration generator, and then the response signal of the vibration generator that is their time-dependent speed v (t) = V sin (ωt + Ψ) + h (t) and the phase shift Ψ is determined between the velocity v and the force f of the signal component oscillating at the frequency ω, and the phase shift Ψ is used as input for the frequency control, so that the excitation frequency of the vibration system is automatically changed as a function of Ψ.

Dadurch passt sich das System hinsichtlich seiner Schwingungsanregung auch veränderten Eigenfrequenzen des Schwingungssystemes an.Thereby The system also adapts to its vibration excitation changed Natural frequencies of the vibration system on.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Frequenzregelung im Sinne einer PID-Regelung betrieben wird.In Another advantageous embodiment is specified that the frequency control operated in the sense of a PID control.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der PID Regler im folgenden Sinn betrieben wird ωl+nt = ωt + Δωmit Δω = P·m(Ψt) + I·Σ m(ΨT) + D·(m(Ψt) – m·(m(Ψt-Δt). In a further advantageous embodiment, it is stated that the PID controller is operated in the following sense ω l + nt = ω t + Δω With Δω = P · m (Ψ t ) + I · Σ m (Ψ T ) + D · (m (Ψ t ) - m · (m (Ψ t-.DELTA.t ).

Die mathematische Funktion kann eine Abbildung von realer Zahl in reale Zahl sein und ist in derart ausgewählt, dass die Frequenzregelung zu einer ihrer Eigenfrequenzen des Schwingungserzeugers ω0i konvergiert. Eine gute Wahl für eine gewünschte Konvergenz für jedwede Eigenfrequenz ist z. B. die sehr einfache Funktion m(Ψ) = Ψ, soweit bekannt ist, dass gemäß der Theorie der harmonischen Oszillation die Antriebskraft f(t) und die Geschwindigkeit v(t) genau in Phase mit der Resonanzfrequenz ω = ω0i liegt. Daraus folgt dass Ψ = 0 ist.The mathematical function may be an image of real number in real number and is selected in such a way that the frequency control converges to one of its natural frequencies of the vibrator ω 0i . A good choice for a desired convergence for any natural frequency is z. As the very simple function m (Ψ) = Ψ, as far as is known that according to the theory of harmonic oscillation, the driving force f (t) and the velocity v (t) is exactly in phase with the resonance frequency ω = ω 0i . It follows that Ψ = 0.

Ein einfaches Modell für die Schwingung ist V(t) = dx(t)/dtbezüglich des angeregten Teils des Schwingungserzeugers, so resultiert dies in der d2x(t)/dt2 = D·dx(t)/dt + ω2 0i·x(t) = B·F·sin(ωt) A simple model for the vibration is V (t) = dx (t) / dt with respect to the excited part of the vibrator, this results in the d2x (t) / dt 2 = D × dx (t) / dt + ω 2 0i X (t) = B * F * sin (ωt)

D und B sind ModelparameterD and B are model parameters

Die dazu bekannte Lösung der Gleichung ist V(t) = V sin(ωt + Ψ) mit V = (BF/D)·cos(Ψ) und Ψ = arctan((2/D)·(ω0i – ω)) The known solution of the equation is V (t) = V sin (ωt + Ψ) with V = (BF / D) · cos (Ψ) and Ψ = arctane ((2 / D) · (ω 0i - ω))

Daraus ergibt sich, dass jede Eigenfrequenz ω0i des Schwingungserzeugers ein Fixpunkt im erfindungsgemäßen Frequenzregler ist, wenn die Funktion m(Ψ) die Eigenschaft m(0) = 0 hat.It follows that each natural frequency ω 0i of the vibrator is a fixed point in the frequency controller according to the invention, if the function m (Ψ) has the property m (0) = 0.

Soweit diese Relation zwischen der Phasenverschiebung Ψ und der Frequenz ω stark nichtlinear konvergent ist, woraus sich eine Signifikanz ergibt. Eine bevorzugte nicht lineare Abbildung ist m(Ψ) = tan(Ψ) Insofar as this relation between the phase shift Ψ and the frequency ω is strongly nonlinearly convergent, this results in a significance. A preferred non-linear mapping is m (Ψ) = tan (Ψ)

Mit dieser Funktion ergibt die Relation zwischen der Eingabe also der Input des Frequenzcontrollers bzw Frequenzreglers tan(Ψ) und die gereglte Eigenschaft, dass heißt die gefahrene Frequenz ist dann linear über einen breiten Bereich der betriebenen Frequenzen.With This function gives the relation between the input and the Input of the frequency controller or frequency controller tan (Ψ) and the regulated property that means the driven frequency is then linear over a wide range of operated frequencies.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Regler zur Frequenzregelung aus einem neuralen Netzwerk auf der Basis von fuzzy logic oder mit Stellungsregler betrieben wird.In Another advantageous embodiment is specified that the controller for frequency control from a neural network based on fuzzy logic or operated with positioner.

Weiterhin ist vorgeschlagen, dass der Antrieb eine Tauchspule ist, wobei der Strom durch die Spule auf die beschriebene Weise geregelt wird.Farther is proposed that the drive is a plunger coil, wherein the Current through the coil is controlled in the manner described.

In letzter vorteilhafter Ausgestaltungen ist angegeben, dass der Schwingungssensor ebenfalls eine Tauchspule ist, wobei die induzierte Spannung der entsprechend zu analysierende Sensorwert ist.In Last advantageous embodiments, it is stated that the vibration sensor is also a plunger, the induced voltage of the is to be analyzed accordingly sensor value.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.The The invention is illustrated in the drawing and described in more detail below.

Es zeigt 1 ein Diagramm Phasenverschiebung in Bezug auf Frequenz.It shows 1 a diagram phase shift with respect to frequency.

Hier ist der oben beschriebene Verlauf deutlich zu sehen und die entsprechende Signifikanz auch sichtbar.Here the course described above is clearly visible and the corresponding one Significance also visible.

Damit die Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung in dieser Form arbeiten kann, bedarf es einer entsprechenden Regel- und Steuereinrichtung, die auf die oben genannte Weise programmierbar ist.In order to the Coriolis mass flowmeter operate in this form can, it requires a corresponding control and regulating device, the is programmable in the above manner.

Dabei kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Frequenzregler entweder ein neurales Netzwerk, basierend auf der sogenannten fuzzy logic sein oder nach Art eines Stellungsreglers. Der Antrieb ist eine Tauchspule. In diesem Falle wird der Strom durch die Spule geregelt und dadurch ist die Kraftbeaufschlagung auf den Schwingungserzeuger gegeben.there can be in an advantageous embodiment of the frequency controller either a neural network, based on the so-called fuzzy logic or in the manner of a positioner. The drive is a plunger coil. In this case, the current is regulated by the coil and thereby is the force applied to the vibrator.

Auch der Sensor kann eine Tauchspule sein und in diesem Falle ist die induzierte Spannung zu analysieren.Also the sensor can be a plunger and in this case the analyze induced voltage.

Die Bestimmung der Eigenfrequenzen und die Regelung auf Dieselben ist eine sehr schnelle und sehr präzise Verfahrensweise. Zum Beispiel ist die Auflösung und der Störpegel des Messignales bei einer solchen erfindungsgemäßen Verfahrensweise kleiner als 0,0001 Hz.The Determining the natural frequencies and the scheme is the same a very fast and very precise Procedure. For example, the resolution and noise level of the Messignales in such a method according to the invention is smaller as 0.0001 Hz.

Frequenzinstabilitäten und andere nichtlineare Effekte sind verhindert, solange das störpegelbezogene sinusiodale Rückkopplungssignal vom Sensor nicht als Ansteuersignal verwendet wird.Frequency instabilities and other nonlinear effects are prevented as long as the noise level related sinusoidal feedback signal is not used by the sensor as a drive signal.

Die vorgeschlagene Frequenzregelung mit der „Ψ=0"-Kondition gewährleistet für alle Werte des Dämpfungsparameters D, dass die Amplitude des analysierten Signals, das heißt die Geschwindigkeitsamplitude V = (BF/D)·cos(Ψ)maximal ist.The proposed frequency control with the "Ψ = 0" condition ensures for all values of the damping parameter D that the amplitude of the analyzed signal, that is the velocity amplitude V = (BF / D) · cos (Ψ) is maximum.

Claims (6)

Verfahren zum Betrieb einer Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung, bei der mindestens ein Schwingungsgenerator das System zur Schwingung anregt und aus den Schwingungsparametern der Durchfluss eines Messmediums durch ein Rohrsystem ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitabhängige Kraft f(t) = F sin(ωt) + g(t)mit mindestens einer sinusoidalen Komponente mit einstellbarer Frequenz ω eingesetzt wird, die an mindestens ein Teil des Schwingungsgenerators durchgesteuert wird, und dann das Antwortsignal des Schwingungsgenerators das heißt ihre zeitabhängige Geschwindigkeit v(t) = V sin(ωt + Ψ) + h(t)gemessen und die Phasenverschiebung Ψ zwischen der Geschwindigkeit v und der Kraft f der mit der Frequenz ω oszillierenden Signalkomponente ermittelt wird, und die Phasenverschiebung Ψ als Input für die Frequenzsteuerung verwendet wird, so dass die Anregungsfrequenz des Schwingungssystems in Abhängigkeit von Ψ automatisch geändert wird.Method for operating a Coriolis mass flow measuring device, wherein at least one vibration generator excites the system to vibrate and from the vibration parameters of the flow of a measured medium is determined by a pipe system, characterized in that a time-dependent force f (t) = F sin (ωt) + g (t) is used with at least one sinusoidal component with adjustable frequency ω, which is controlled by at least a portion of the vibration generator, and then the response signal of the vibration generator that is their time-dependent speed v (t) = V sin (ωt + Ψ) + h (t) and the phase shift Ψ is determined between the velocity v and the force f of the signal component oscillating at the frequency ω, and the phase shift Ψ is used as input for the frequency control, so that the excitation frequency of the vibration system is automatically changed as a function of Ψ. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzregelung im Sinne einer PID-Regelung betrieben wird.Method according to claim 1, characterized in that that the frequency control operated in the sense of a PID control becomes. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der PID Regler im folgenden Sinn betrieben wird ωl+Δt = ωt + Δωmit Δω = P·m(Ψt) + I·Σm(ΨT) + D·(m(Ψt) – m·(m(Ψt-Δt). A method according to claim 2, characterized in that the PID controller is operated in the following sense ω l + .DELTA.t = ω t + Δω With Δω = P · m (Ψ t ) + I · Σm (Ψ T ) + D · (m (Ψ t ) - m · (m (Ψ t-.DELTA.t ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler zur Frequenzregelung aus einem neuralen Netzwerk auf der Basis von fuzzy logic oder mit Stellungsregler betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the controller for frequency control from a neural Network based on fuzzy logic or with positioner is operated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb eine Tauchspule ist, wobei der Strom durch die Spule auf die beschriebene Weise geregelt wird.Method according to one of the preceding Claims, characterized in that the drive is a plunger coil, wherein the current through the coil is controlled in the manner described. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor ebenfalls eine Tauchspule ist, wobei die induzierte Spannung der entsprechend zu analysierende Sensorwert ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration sensor is also a plunger coil is, wherein the induced voltage of the corresponding to be analyzed Sensor value is.
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