DE102007059804B4

DE102007059804B4 - Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung vom Vibrationstyp

Info

Publication number: DE102007059804B4
Application number: DE102007059804.3A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Friedrichs René; Lothar Deppe; Dr. Keller Steffen; Dr.rer.nat. Gebhardt Jörg; Dr. Kassubek Frank
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: DE102007059804A1; DE102007059804B9; DE102006058732A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung vom Vibrationstyp, bei der mindestens eine Erregeranordnung (1) ein System zur Schwingung anregt und aus den Schwingungsparametern eine Messgröße eines Messmediums in einem Rohrsystem ermittelt wird,wobei eine zeitabhängige Kraft f(t) = F sin(ωt) + g(t) mit mindestens einer sinusoidalen Komponente mit einstellbarer Frequenz ω eingesetzt wird, die auf mindestens ein schwingungsfähiges Teil (2) der Messeinrichtung vom Vibrationstyp einwirkt und mit Hilfe der Erregeranordnung (1) durchgesteuert wird, und dann das Antwortsignal des schwingungsfähigen Teils (2), das heißt, dessen 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 eine Frequenzregelung (4) verwendet wird,dadurch gekennzeichnet, dasseine nichtlineare mathematische Funktion m(ψ) als Input für die Frequenzregelung (4) verwendet wird, wodurch die Relation zwischen m (ψ) und der Anregungsfrequenz linearisiert ist, so dass die Anregungsfrequenz des Systems in Abhängigkeit von ψ automatisch geändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung vom Vibrationstyp, bei der mindestens eine Erregeranordnung das System zur Schwingung anregt und aus den Schwingungsparametern eine Messgröße eines Messmediums in einem Rohrsystem ermittelt wird, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine gattungsgemäße Messeinrichtung vom Vibrationstyp ist auch als Coriolis-Messgerät bekannt, bei dem ein von dem Messmedium durchströmtes Messrohr zu Schwingungen angeregt wird. Mit einer gattungsgemäßen messeinrichtung vom Vibrationstyp kann der Durchfluss eines das messrohr durchströmenden fluiden Mediums gemessen werden. Es können auch, entweder in Ergänzung zum Durchfluss oder allein, andere Parameter des Mediums gemessen werden, wie beispielsweise die Viskosität oder die Dichte des Mediums.
In besagten Messeinrichtung vom Vibrationstypen 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.
Beim Einsatz in Messeinrichtungen vom Vibrationstypen betrifft das schwingende System die Rohrleitungen, durch die das zu messende Medium hindurch fließt. Dadurch ändert sich die Eigenschwingung 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.
Bei bekannten Messeinrichtungen vom Vibrationstypen wird das gemessene Schwingungssignal verstärkt und zu der Erregeranordnung zurückgekoppelt. Das gemessene Schwingungssignal ist dabei verrauscht, so dass Frequenzinstabilitäten und andere unerwünschte nichtlineare Effekte auftreten können.
Die DE 10 2004 007 889 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem die Phasenverschiebung Ψ für eine Frequenzregelung verwendet wird. Dazu ist eine Phasen-Regelschleife vorgesehen, die eine als Phase Locked Loop bekannte Schaltung verwendet, welche als Input das nichtlineare Phasensignal verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung vom Vibrationstyp anzugeben, so dass diese stets optimal mit einer ihrer Eigenfrequenzen angeregt wird.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung vom Vibrationstyp der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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 auf mindestens ein schwingungsfähiges Teil der Messeinrichtung vom Vibrationstyp einwirkt und mit Hilfe der Erregeranordnung durchgesteuert wird, und dann das Antwortsignal des schwingungsfähigen Teils, das heißt, dessen 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, wobei eine nichtlineare mathematische Funktion m(ψ) als Input für die Frequenzregelung (4) verwendet wird, wodurch die Relation zwischen m (ψ) und der Anregungsfrequenz linearisiert ist, so dass die Anregungsfrequenz des Schwingungssystems in Abhängigkeit von Ψ automatisch geändert wird.
Dadurch kann die Relation zwischen dem Input des Frequenzcontrollers bzw Frequenzreglers und der gefahrenen Frequenz dann linear über einen breiten Bereich der betriebenen Frequenzen werden, so dass die Konvergenz der Frequenzsteuerung dadurch verbessert werden kann, und das System sich hinsichtlich seiner Schwingungsanregung auch veränderten Eigenfrequenzen des Schwingungssystemes anpasst.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Frequenzregelung im Sinne einer PID -Regelung betrieben wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der PID Regler im folgenden Sinn betrieben wird: $ω_{l + Δ l} = ω_{l} + Δ ω$
mit $Δ ω = P * m (ψ_{l}) + I * \sum_{τ}^{l - Δ l} m (ψ_{τ}) + D * [m (ψ_{t}) - m (ψ_{t - Δ t})] .$
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung, sowie weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben.
Es zeigen:

1: ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: den Funktionszusammenhang $ψ \approx arcstan [\frac{2}{d} (ω_{0 i} - ω)]$
sowie
3: den Funktionszusammenhang zwischen tan(Ψ) und der gefahrenen Frequenz.

Gemäß dem Verfahrensschema in 1 ist eine Erregeranordnung 1 mit einstellbarer Frequenz ω vorgesehen. Dieser erzeugt eine zeitabhängige Kraft f(t), die auf ein schwingungsfähiges Teil 2 der Messeinrichtung vom Vibrationstyp einwirkt. Das Teil 2 könnte beispielsweise das Messrohr sein.
Das Antwortsignal des schwingungsfähigen Teils 2, d.h., dessen zeitabhängige Geschwindigkeit v(t), wird in einem Sensor 3 gemessen, wobei die Phasenverschiebung Ψ zwischen der Geschwindigkeit v(t) und der Kraft f(t) ermittelt wird.
Die Phasenverschiebung Ψ wird als Input einer Frequenzregelung 4 verwendet. Diese umfasst einen Algorithmus, der in Abhängigkeit von dem Input Ψ die Frequenz ω verändert, mit welcher die Erregeranordnung 1 das schwingungsfähige Teil 2 anregt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist angegeben, dass eine mathematische Funktion m(ψ) als Input für die Frequenzregelung 4 verwendet wird, so dass die Anregungsfrequenz des Schwingungssystems in Abhängigkeit von Ψ automatisch geändert wird.
Die mathematische Funktion kann eine Abbildung von reellen Zahlen in reelle Zahlen sein und ist derart ausgewählt, dass die Frequenzregelung 4 zu einer ihrer Eigenfrequenzen ω_0i des Schwingungssystems konvergiert.
Eine mögliche 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 =ω_0i liegt. Daraus folgt dass Ψ=0 ist.
Ein einfaches Modell für die Schwingung v(t) = x(t) des angeregten Teils der Messeinrichtung vom Vibrationstyp ist gegeben durch die Bewegungsgleichung $\ddot{x} (t) + d * \dot{x} (t) + ω_{0 i}^{2} * x (t) = b * F * sin (ω t) .$
Die Punkte geben in Übereinstimmung mit der pysikalischen Konvention den jeweiligen Grad der Ableitung nach der Zeit an, und d und b sind Modellparameter.
Die dazu bekannte Lösung der Gleichung ist $v (t) = V sin (ω t + ψ),$
mit $V = \frac{b F}{d} cos (ψ)$
und $ψ \approx arctan [\frac{2}{d} (ω_{0 i} - ω)] .$
2 zeigt den Funktionszusammenhang $ψ \approx arctan [\frac{2}{d} (ω_{0 i} - ω)] .$
Daraus ergibt sich, dass jede Eigenfrequenz w_0i der Messeinrichtung vom Vibrationstyp ein Fixpunkt im erfindungsgemäßen Frequenzregler 4 ist, wenn die Funktion m(ψ) die Eigenschaft m(0) = 0 hat.
Weil diese Relation zwischen der Phasenverschiebung ψ und der Frequenz ω stark nichtlinear ist, kann die Konvergenz der vorgeschlagenen Frequenzsteuerung signifikant verbessert werden, wenn die Funktion m(ψ) geeignete Nichtlinearitäten aufweist.
Eine bevorzugte nichtlineare Abbildung ist m(ψ) = tan(ψ).
Mit dieser Funktion ist die Relation zwischen dem Input des Frequenzcontrollers bzw Frequenzreglers tan(Ψ) und der gereglten Eigenschaft, dass heißt die gefahrene Frequenz, dann linear über einen breiten Bereich der betriebenen Frequenzen, wie in der 3 dargestellt ist.
Eine mögliche Realisierung für den Frequenzregler 4 besteht darin dass jeder Input des Frequenzreglers m(ψ,) aus abgetasteten Daten der Kraft f(t) und der Geswchwindigkeit v(t) in dem Zeitintervall (t-Δt,t] berechnet wird, wobei Δt wesentlich größer ist als die Abtastzeit.
In vorteilhafter Weise ist m(ψ,) der Mittelwert von m(ψ) in dem Intervall [t -Δt,t], und Δt ist ein Vielfaches der Periode 2π/ω der von der Erregeranordnung 1 erzeugten Sinusschwingungen.
Eine weitere mögliche Realisierung für den Frequenzregler 4 ist der schon erwähnte PID-Regler. Dieser kann im folgenden Sinn betrieben werden: $ω_{l + Δ l} = ω_{l} + Δ ω mit Δ ω = P * m (ψ_{l}) + I * \sum_{τ}^{l - Δ l} m (ψ_{τ}) + D * [m (ψ_{t}) - m (ψ_{t - Δ t})] .$
Einige der Parameter des PID-Reglers könnten auch zu Null warden, beispielsweise der I-Anteil und/oder der D-anteil, so dass als Frequenzregler 4 dann ein P- ode rein PI-Regler verwendet warden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann der Frequenzregler 4 entweder ein neurales Netzwerk, basierend auf der sogenannten fuzzy logic sein oder nach Art eines Stellungsreglers realisiert sein.
Die Erregeranordnung 1 kann eine Tauchspule sein. In diesem Falle wird der Strom durch die Spule geregelt und dadurch ist die Kraftbeaufschlagung auf das schwingungsfähige Teil 2 geregelt.
Auch der Sensor 3 kann eine Tauchspule sein und in diesem Falle ist die induzierte Spannung zu analysieren.
Für die Signalanalyse und/oder die Frequenzregelung und/oder die signalerzeugung der erregeranordnung kann auch ein digitaler Signalprozessor verwentet werden.
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.
Frequenzinstabilitäten und andere nichtlineare Effekte sind verhindert, weil das störpegelbezogene sinusiodale Rückkopplungssignal vom Sensor nicht als Ansteuersignal verwendet wird.
Die vorgeschlagene Frequenzregelung mit der „W=0“ -Kondition gewährleistet für alle Werte des Dämpfungsparameters D, dass die Amplitude des analysierten Signals, das heißt die Geschwindigkeitsamplitude $V = \frac{b F}{d} cos (ψ)$
maximal ist.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung vom Vibrationstyp, bei der mindestens eine Erregeranordnung (1) ein System zur Schwingung anregt und aus den Schwingungsparametern eine Messgröße eines Messmediums in einem Rohrsystem ermittelt wird, wobei eine zeitabhängige Kraft f(t) = F sin(ωt) + g(t) mit mindestens einer sinusoidalen Komponente mit einstellbarer Frequenz ω eingesetzt wird, die auf mindestens ein schwingungsfähiges Teil (2) der Messeinrichtung vom Vibrationstyp einwirkt und mit Hilfe der Erregeranordnung (1) durchgesteuert wird, und dann das Antwortsignal des schwingungsfähigen Teils (2), das heißt, dessen 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 eine Frequenzregelung (4) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine nichtlineare mathematische Funktion m(ψ) als Input für die Frequenzregelung (4) verwendet wird, wodurch die Relation zwischen m (ψ) und der Anregungsfrequenz linearisiert ist, so dass die Anregungsfrequenz des Systems in Abhängigkeit von ψ automatisch geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mathematische Funktion m(ψ) = tan(ψ) als Input für die Frequenzregelung (4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzregelung (4) im Sinne einer PID-Regelung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PID-Regelung im folgenden Sinn erfolgt: $ω_{l + Δ l} = ω_{l} + Δ ω mit Δ ω = P * m (ψ_{l}) + I * \sum_{τ}^{l - Δ l} m (ψ_{τ}) + D * [m (ψ_{t}) - m (ψ_{t - Δ t})] .$
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler zur Frequenzregelung (4) aus einem neuralen Netzwerk auf Basis von fuzzy logic oder nach Art eines Stellungsreglers realisiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregeranordnung (1) eine Tauchspule ist, wobei der Strom durch die Spule auf die beschriebene Weise geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungssensor eine Tauchspule verwendet wird, wobei die induzierte Spannung der entsprechend zu analysierende Sensorwert ist.
Messeinrichtung vom Vibrationstyp, die dazu eingerichtet ist, mit einem Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche betrieben zu werden.