DE102008059920A1

DE102008059920A1 - Verfahren zum Betreiben eines Resonanzmeßsystems und diesbezügliches Resonanzmeßsystem

Info

Publication number: DE102008059920A1
Application number: DE102008059920A
Authority: DE
Inventors: Kourosh Dr. Kolahi
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: EP2196780A3; US20100139417A1; JP5340122B2; DE102008059920B4; EP2196780B1; EP2196780A2; JP2010133959A; US8104361B2

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Resonanzmeßsystems (1), insbesondere eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts, wobei das Resonanzmeßsystem (1) wenigstens ein Schwingelement (2a, 2b), wenigstens einen Schwingungserzeugenehmer (4a, 4b, 4c) umfaßt, wobei das Schwingelement (2a, 2b) in einer Regelung in wenigstens einem Regelkreis (5) durch den von wenigstens einem Anregungssignal F(t) angeregten Schwingungserzeuger (3a, 3b, 3c) zur Schwingung in wenigstens einer Eigenform angeregt wird und die angeregte Schwingung dnehmer (4a, 4b, 4c) als wenigstens ein Antwortsignal y(t) erfaßt wird. Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Resonanzmeßsystem anzugeben, bei dem eine Identifikation von systembeschreibenden Parametern während des Betriebs - also online - im geschlossenen Regelkreis möglich ist. Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß wenigstens eine Sollgröße des geschlossenen Regelkreises (5) in vorbestimmter Weise variiert wird und durch Auswertung wenigstens eines resultierenden Anregungssignals F(t) und/oder wenigstens eines resultierenden Antwortsignals y(t) mit Hilfe eines mathematischen Modells des Resonanzmeßsystems (1) wenigstens ein Parameter der angeregten Eigenform selektiv identifiziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Resonanzmeßsystems, insbesondere eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts, wobei das Resonanzmeßsystem wenigstens ein Schwingelement, wenigstens einen Schwingungserzeuger und wenigstens einen Schwingungsaufnehmer aufweist, wobei das Schwingelement in wenigstens einer Regelung in wenigstens einem Regelkreis durch den von wenigstens einem Anregungssignal angeregten Schwingungserzeuger zur Schwingung in wenigstens einer Eigenform angeregt wird und die angeregte Schwingung des Schwingelements von dem Schwingungsaufnehmer als wenigstens ein Antwortsignal erfaßt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Resonanzmeßsystem, das gemäß dem vorstehenden Verfahren betrieben werden kann.
Resonanzmeßsysteme der vorgenannten Art sind seit vielen Jahren bekannt, nicht nur in Form von Coriolis-Massedurchflußmeßgeräten, sondern auch als Dichtemeßgeräte oder Füllstandwächter nach dem Stimmgabel-Prinzip, als Quarzwaagen und Bandviskosimeter u. a. m. Diese Resonanzmeßsysteme stehen mit einem Prozeß in Verbindung, wobei sich Prozeß und Resonanzmeßsystem wechselseitig beeinflussen.
Im folgenden werden Resonanzmeßsysteme am Beispiel von Coriolis-Massedurchflußmeßgeräten behandelt, was nicht einschränkend zu verstehen ist. Als Resonanzmeßsysteme werden vorliegend ganz allgemein solche Systeme bezeichnet, bei denen Informationen über die zu bestimmenden Prozeßgrößen (Meßgrößen) in den Eigenfrequenzen verschlüsselt sind oder/und solche Systeme, bei denen Arbeitspunkte auf die Eigenfrequenzen des Meßsystems gelegt werden. Auf alle unter diese Definition fallenden Systeme sind die nachfolgenden Ausführungen anwendbar. Bei Coriolis-Massedurchflußmeßgeräten entspricht das Meßrohr dem Schwingelement des Resonanzmeßsystems; auch diese besondere Ausgestaltung des Schwingelements stellt keine Einschränkung für die allgemein auf Resonanzmeßsysteme anwendbare Lehre dar.
Als Coriolis-Massedurchflußmeßgeräte ausgebildete Resonanzmeßsysteme werden vor allem in der industriellen Prozeßmeßtechnik dort eingesetzt, wo mit hoher Genauigkeit Masseströme bestimmt werden müssen. Die Funktionsweise von Coriolis-Massedurchflußmeßgeräten beruht darauf, daß wenigstens ein von einem Medium durchströmtes Meßrohr – Schwingelement – von einem Schwingungserzeuger zu einer Schwingung angeregt wird, wobei das massebehaftete Medium aufgrund der zwei orthogonalen Geschwindigkeiten – die der Strömung und die des Meßrohres – hervorgerufenen Coriolis-Trägheitskraft auf die Wandung des Meßrohrs rückwirkt. Diese Rückwirkung des Mediums auf das Meßrohr führt zu einer Änderung der Meßrohrschwingung im Vergleich zu dem undurchströmten Schwingungszustand des Meßrohrs. Durch Erfassung dieser Besonderheiten der Schwingungen des durchströmten Coriolis-Meßrohrs kann der Massedurchfluß durch das Meßrohr mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Von besonderer Bedeutung sind die Eigenfrequenzen des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts bzw. der schwingfähigen Teile des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts, im wesentlichen also die Eigenfrequenzen des Meßrohrs, weil die Arbeitspunkte des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts üblicherweise auf Eigenfrequenzen des Meßrohrs gelegt werden, um die erforderlichen Schwingungen für die Induktion der Corioliskräfte mit einem minimalen Energieaufwand einprägen zu können. Die dann von dem Meßrohr ausgeführten Schwingungen weisen eine bestimmte Form auf, die als Eigenform der jeweiligen Anregung bezeichnet wird.
Das Schwingverhalten des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts bzw. des Meßrohres wird durch verschiedene Systemparameter bestimmt, beispielsweise durch die Schwingmassen, die Dämpfungen und die Steifigkeiten der Eigenformen des Meßrohrs. Diese Systemparameter sind in der Praxis in der Regel jedoch zeitvariant und können sich unter Umständen sehr schnell – aber auch schleichend – ändern, was die Güte der Messung direkt beeinflußt, insbesondere dann, wenn die Änderungen dieser Systemparameter unbekannt sind, wovon in der Regel auszugehen ist. Ursachen für die Änderung dieser Parameter können beispielsweise sein eine Änderung der Dichte des Mediums, eine Änderung des Betriebsdrucks, die Betriebszustände beim Füllen, Entleeren oder beim Betrieb mit Teilfüllung, eine Mehrphasenströmung des Mediums – wenn beispielsweise flüssige und gasförmige Medien zusammen transportiert werden – und eine Änderung der Temperatur des strömenden Mediums.
Neben diesen im wesentlichen die Strömung betreffenden Ursachen können auch Umgebungseinflüsse die interessierenden Parameter verändern, wie beispielsweise ein Temperaturgradient im Massedurchflußmeßgerät selbst, die unbeabsichtigte mechanische Berührung der schwingenden Komponenten mit feststehenden Teilen und mechanische Spannungen an den Meßrohren. Während sich einige der vorgenannten ursächlichen Parameter für eine Änderung des Systemverhaltens innerhalb von Sekunden oder sogar Sekundenbruchteilen ändern können, verändern sich andere maßgebliche Faktoren nur sehr langsam, beispielsweise über einen Zeitraum von mehreren Monaten oder Jahren hinweg; hierzu gehören beispielsweise die Erosion, Korrosion von Meßrohren wie auch Ablagerungen an den Meßrohren.
Eine Änderung der Fluiddichte bewirkt beispielsweise eine Änderung der Schwingmasse der Eigenform des Meßrohrs. Das Füllen und Entleeren des Meßrohrs sowie Mehrphasenströmungen führen zur rapiden Änderung der Dämpfung, bedingt vor allem durch Sekundärströmungen, die durch die unterschiedlichen Dichten der Mediumphasen hervorgerufen werden. Außerdem kann die Viskosität des Mediums den Dämpfungskoeffizient des Meßrohrs beeinflussen.
Die Steifigkeit der Eigenform ändert sich dahingegen hauptsächlich in Abhängigkeit von Temperatur und Temperaturgradienten sowie durch die auf das Meßrohr einwirkenden mechanischen Spannungen wie Prozeßdruck und Pulsationen in der Mediumströmung. Dazu kommt, daß sich die Parameter der Coriolis-Massedurchflußmeßgeräte durch weitere Einflußgrößen wie Ablagerungen und Abtragungen (Erosion und Korrosion) ändern.
Die vorgenannten Beispiele machen deutlich, daß es zur Erzielung eines genauen Meßergebnisses erforderlich ist, die wesentlichen systembeschreibenden Parameter des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts zu kennen, da ohne diese Kenntnisse und bei daraus folgender fehlerhafter Annahme der der Messung zugrundeliegenden Voraussetzungen zwangsläufig fehlerhafte Meßresultate erzielt werden.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, um die Parameter eines Systems zu bestimmen. Wenn die Struktur des zu identifizieren den Systems feststeht, oder eben durch eine – vereinfachende – modellmäßige Annahme festgelegt worden ist, dann ist die notwendige Systemidentifikation gleichzusetzen mit der Aufgabe der Parameteridentifikation, nämlich der Identifikation der systembestimmenden Parameter des zugrundegelegten Modells.
Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich Verfahren zur Bestimmung von Parametern eines strukturbehafteten Systems bekannt, die im offenen Regelkreis arbeiten; derartige Identifikationsverfahren sind also nicht dazu geeignet, eine Parameteridentifikation an einem im Betrieb befindlichen Coriolis-Massedurchflußmeßgerät durchzuführen, jedenfalls nicht im geregelten Betrieb. Eine Methode der Parameteridentifikation beruht auf der Frequenzgangmessung am Coriolis-Massedurchflußmeßgerät im offenen Regelkreis mit deterministischen Signalen. Dazu wird der Schwingungserzeuger mit einem harmonischen Anregungssignal beaufschlagt und – nach Abklingen aller Einschwingvorgänge – wird die Schwingung des Meßrohrs als Ausgangssignal des Schwingungsaufnehmers nach Amplitude und Phase erfaßt. Durch Mischen des Ausgangssignals mit einem zum Anregungssignal orthogonalen Signal und nach Durchführung der vorgenannten Messung mit jeweils veränderten Meßfrequenzen ist letztlich der Frequenzgang des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts bzw. dessen schwingfähigen Anteils bestimmbar. Das Verfahren ist zwar sehr genau, aber extrem zeitaufwendig, da die Systemantworten aufgrund der sehr schwachen Dämpfung des Meßrohrs eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts sehr langsam abklingen und entsprechend der Zeitaufwand für die Bestimmung der Parameter sehr hoch ist. Abgesehen davon, ist das Verfahren aufgrund seiner Anwendung im offenen Regelkreis für eine Online-Parameteridentifikation nicht geeignet.
Andere Verfahren beruhen auf der Parameteridentifikation durch Frequenzgangmessung mit stochastischen Signalen, wobei das Coriolis-Massedurchflußmeßgerät zur Identifizierung mit einem Rauschsignal beaufschlagt wird. Die Beschreibung der stochastischen Signale im Zeitbereich erfolgt durch Auto- und Kreuzkorrelationsfunktionen, welche die statistischen Verwandtschaftsgrade von Signalen beschreiben. Ähnlich wie bei den deterministischen Signalen wird durch Anwendung der Fourier-Transformation eine Beschreibung von stochastischen Signalen im Frequenzbereich durchgeführt. Hierzu werden die Korrelationsfunktionen der Fourier-Transformation unterzogen und auf diese Weise die korrespondierenden Leistungsspektren erhalten. Der Zusammenhang der Autokorrelationsfunktion des Ausgangssignals und der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Ausgangs- und Anregungssignal im Zeitbereich ist durch das Faltungsintegral mit der Gewichtsfunktion des Systems gegeben. Dadurch, daß die Faltung im Zeitbereich der Multiplikation im Frequenzbereich entspricht, kann aus dem Verhältnis der entsprechenden Leistungsspektren direkt der komplexe Frequenzgang berechnet und damit entsprechende Parameter identifiziert werden. Zwar ist dieses Verfahren im Vergleich zur Frequenzgangmessung mit deterministischen Signalen schneller aufgrund der simultanen Anregung des zu identifizierenden Massedurchflußmeßgeräts in einem weiten Frequenzbereich, jedoch ist es auch erheblich ungenauer. Aufgrund der hohen Dynamik der Coriolis-Massedurchflußmeßgeräte und aufgrund der Beeinflussung des Meßbetriebs durch die Identifikation ist dieses Verfahren während des regulären Betriebs nur mit erheblichen Einschränkungen anwendbar.
Insgesamt ist festzustellen, daß bekannte – auch hier nicht näher dargestellte – Verfahren zur Parameteridentifikation bei Coriolis-Massedurchflußmeßgeräten nicht – oder nur mit erheblichen Einschränkungen – dazu geeignet sind, während des Betriebes des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts im geschlossenen Regelkreis durchgeführt zu werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb eines Resonanzmeßsystems – insbesondere eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts – anzugeben, bei dem eine Identifikation von systembeschreibenden Parameter während des Betriebs – also online – im geschlossenen Regelkreis möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Resonanzmeßsystems, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Sollgröße des geschlossenen Regelkreises in vorbestimmter Weise variiert wird und durch Auswertung wenigstens eines resultierenden Anregungssignals und/oder wenigstens eines resultierenden Antwortsignals mit Hilfe eines ma thematischen Modells des Resonanzmeßsystems wenigstens ein Parameter der angeregten Eigenform selektiv identifiziert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Resonanzmeßsystems ist in vielerlei Hinsicht besonders vorteilhaft. Dadurch, daß die Identifikation eines Parameters der angeregten Eigenform im geschlossenen Regelkreis bestimmt wird, ist es möglich, daß der vorbestimmte Verlauf der Sollgröße – also die vorbestimmte Trajektorie dieser Sollgröße – mit hoher Dynamik und gleichzeitig geringen Abweichungen von dem vorbestimmten Verlauf eingestellt werden kann und damit die Dynamik der Parameteridentifikation insgesamt sehr hoch ist, insbesondere um Größenordnungen höher sein kann als die im offenen Regelkreis praktizierte Parameteridentifikation.
Wenn davon die Rede ist, daß ein Parameter der angeregten Eigenform ”selektiv identifiziert” wird, dann ist damit gemeint, daß die Sollgröße des geschlossenen Regelkreises so vorbestimmt wird, daß die Antwort des Resonanzmeßsystems nur noch von wenigen Parametern – günstigstenfalls nur noch von einem Parameter – abhängt, das Antwortsignal also selektiv sensitiv bezüglich dieser Parameter bzw. bezüglich dieses Parameters ist. Die Selektivität bezieht sich folglich auf die Auswahl der Parameter, die einen Einfluß auf das gemessene Antwortsignal haben sollen. Durch die Vorgabe der Sollgröße und Anwendung im geschlossenen Regelkreis wird der vorbestimmte Verlauf der Sollgröße dem Resonanzmeßsystems bzw. dem Schwingelement aufgeprägt, das Anregungssignal für den Schwingungserzeuger zur Anregung des Schwingelements zu einer Schwingung in der Eigenform wird durch den geschlossenen Regelkreis quasi automatisch generiert.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sollgröße während des Regelbetriebs fortwährend variiert, insbesondere wobei die Identifizierung des interessierenden Parameters – bzw. der interessierenden Parameter – der angeregten Eigenform fortwährend durchgeführt wird. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren gestattet die Identifizierung der Parameter der Eigenform im geschlossenen Regelkreis eine Aufnahme der Parameter ohne Unterbrechung des normalen Betriebes des Resonanzmeßsystems in der zum ordnungsgemäßen Betrieb notwendigen Regelung, es ist eine fortwährende, umfassende Überwachung der relevanten Zustandsgrößen des Resonanzmeßsystems, seiner Wechselwirkung mit dem Prozeß und seiner Umgebung möglich. Der ”Wechselwirkung mit dem Prozeß” entspricht bei als Coriolis-Massedurchflußmeßgerät ausgestalteten Resonanzmeßsystemen die Strömung durch das als Meßrohr ausgebildeten Schwingelements.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Regelung als Mehrgrößenregelung bzw. als Mehrgrößenregelkreis ausgestaltet, insbesondere für jede angeregte Eigenform, vorzugsweise für wenigstens zwei der Regelgrößen Frequenz, Phase und Amplitude der angeregten Schwingung des Schwingelements in der gewünschten Eigenform. Der Begriff Mehrgrößenregelkreis ist hier nicht einschränkend hinsichtlich irgend einer Reglerstruktur zu verstehen, vielmehr kann dies eine mehrfach verschleifte Regelung sein, in der mehr als eine Sollgröße und/oder mehr als eine Ausgangsgröße vorliegt, es kann sich um eine anderweitige Regelung handeln, in der mehrere Größen simultan beeinflußt werden, die durch die physikalische Beschaffenheit der Strecke miteinander verkoppelt sind, es kann sich dabei aber auch beispielsweise um eine Zustandsregelung handeln, die keine klassische Reglerstruktur aufweist, in der also kein direkter Vergleich von Soll- und Istwert stattfindet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird in vorbestimmter Weise als variierte Sollgröße des geschlossenen Regelkreises die Phase φ_i zwischen dem Anregungssignal F_i(t) und dem Antwortsignal y_i(t) der jeweiligen Eigenform verwendet. Dies hat sich deshalb als besonders vorteilhaft herausgestellt, weil sich die Phase zwischen dem Anregungssignal F_i(t) und dem Antwortsignal y_i(t) bei vielen Resonanzmeßsystemen, insbesondere aber bei Coriolis-Massedurchflußmeßgeräten, mit hoher Dynamik ändern kann und daher auch die Dynamik eines Phasenregelkreises der jeweiligen Eigenform aufgrund der schwachen Dämpfung der Eigenform sehr hoch ist und deshalb letztlich die Soll-Trajektorie für diese Phase φ_i mit hoher Geschwindigkeit eingeregelt werden kann, was die Identifikationszeit für den oder die interessierenden Parameter entscheidend verringert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Solltrajektorie der Sollphase zwischen wenigstens zwei Werten der Phasenwerte –45°, 0° und +45° variiert, vorzugsweise nämlich sprunghaft variiert. Vorliegend wird davon ausgegangen, daß die Phasendifferenz quasi definiti onsgemäß 0° beträgt, wenn die Anregung genau mit der Eigenkreisfrequenz ω_0i erfolgt. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil je nach verwendetem Anregungssignal F_i(t) und verwendetem Antwortsignal y_i(t) sich bei Anregung des Systems mit der Eigenkreisfrequenz ω_0i auch tatsächlich eine andere Phasendifferenz einstellen kann. Denkbar ist beispielsweise, daß es sich bei dem Anregungssignal F_i(t) tatsächlich um eine direkt auf das Meßrohr einwirkende Kraft handelt und es sich bei dem festgestellten Antwortsignal y_i(t) um ein Geschwindigkeitssignal – also um die zeitliche Ableitung der Auslenkung des Meßrohres – handelt.
Unabhängig von anderen mit einem Regelkreis eingeregelten Größen hat es sich in jedem Fall als vorteilhaft herausgestellt, wenn in einem Amplitudenregelkreis das Anregungssignal F_i(t) so angepaßt wird, daß die Amplitude der Schwingung des Schwingelements im wesentlichen konstant ist, insbesondere auf einen solchen Wert eingeregelt wird, der einen deformations- und zerstörungsfreien Betrieb des Schwingelements gestattet, vorzugsweise bei größtmöglicher Amplitude der Schwingung des Schwingelements. Diese Maßnahme ermöglicht die Anpassung der Antriebsleistung an den aktuellen Zustand der jeweiligen Eigenform. Dadurch wird sichergestellt, daß die Antriebsleistung im Resonanzbereich der eingestellten Eigenform trotz einer möglichen starken zeitlichen Varianz der Eigenform nicht zu groß wird, womit eine Deformation oder sogar eine Zerstörung des Schwingelements vermieden wird; dies ist von besonderer Bedeutung bei als Coriolis-Massedurchflußmeßgerät ausgestalteten Resonanzmeßsystemen mit einem Meßrohr als Schwingelement. Außerdem wird dadurch außerhalb der Resonanzstellen sichergestellt, daß die verfügbare Antriebsleistung voll ausgenutzt wird und damit eine ausreichend hohe Anregung der Eigenformen zum Zweck der Parameteridentifikation vorhanden ist. Die Amplitudenregelung sorgt dafür, daß der Signal-Rausch-Abstand aufgrund der – im Rahmen der Verträglichkeit – maximalen Auslenkung des Schwingelements vergrößert wird und daher der interessierende Parameter der angeregten Eigenform genau bestimmbar ist.
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Resonanzmeßsystems ist es hilfreich, die hier relevanten Eigenschaften in Form einer mathematisch-physikalischen Beschreibung darzustellen, insbe sondere auch deshalb, weil die Bestimmung der Parameter der angeregten Eigenform ohnehin modellbasiert erfolgen soll.
Das Schwingverhalten eines Resonanzmeßsystems kann mathematisch grundsätzlich durch eine Lagrange-Gleichung 2. Art beschrieben werden, wobei jede interessierende Eigenform der Schwingungen einen verallgerneinerten Freiheitsgrad darstellt. Nachfolgend wird die mathematische Beschreibung eines Resonanzmeßsystems am Beispiel und mit der Terminologie eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts aufgezeigt, was nichts daran ändert, daß das mathematische Modell ohne weiteres auch auf andere Resonanzmeßsysteme übertragbar ist. Bei Coriolis-Massedurchflußmeßgeräten entspricht eine Schwingung in der ersten Eigenform beispielsweise der gleichphasigen, translatorischen Bewegung der Massen des Meß- bzw. Trägerrohres. Eine Rotation der Massen um den Mittelpunkt der Meßrohre entspricht einer Schwingung in der zweiten Eigenform. Das Differentialgleichungssystem für alle betrachteten n Eigenformen lautet allgemein: Mẍ(t) + Dẋ(t) + Cx(t) = F(t) (Glg. 1)dabei sind M die Trägheitsmatrix, D die Dämpfungsmatrix, C die Steifigkeitsmatrix und F das Anregungssignal in Form einer Kraftanregung.
Die Anwendung der Fourier-Transformation auf Glg. 1 für die Anfangsbedingungen x(0) = 0 bewirkt eine Algebraisierung der Bewegungsgleichungen. Werden zur Erfassung der Bewegung des Resonanzmeßsystems z. B. Geschwindigkeitssensoren (z. B. Magnet/Spule) für die Messung der Bewegungen verwendet, dann ist ẋ(t) der gemessene Antwortvektor und der Frequenzgang des Resonanzmeßsystems lautet:
Sinngemäßes gilt, wenn als Schwingungsaufnehmer Auslenkungs- oder Beschleunigungssensoren verwendet werden. Mit den Gleichungen 1 und 2 ist das physikalisch-mathematische Modell des interessierenden Teils des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts gegeben, zum einen im Zeitbereich, zum anderen im Frequenzbereich, dessen Parameter in der Trägheitsmatrix M der Dämpfungsmatrix D und der Steifigkeitsmatrix C enthalten sind. Diese Pa rameter sind zu bestimmen, da sie eine Auskunft über die interessierenden Eigenschaften des Systems geben. Ganz allgemein sind also die Elemente des folgenden Vektors gesucht: θ = f(M, D, C). (Glg. 3)
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als mathematisches Modell für das Coriolis-Massedurchflußmeßgerät bzw. für das schwingfähige Meßrohr ein analytisches mechanisches Modell für jede angeregte Eigenform verwendet. Mögliche Kopplungen der Eigenform werden durch Elemente der Matrizen M, D, C außerhalb der Hauptdiagonalen charakterisiert. Die Parameter und ihre physikalische Bedeutung, insbesondere für die Kopplung, lassen sind anhand der ausgeschriebenen Bewegungsgleichungen für die erste und die zweite Eigenform eines Coriolis-Meßrohres veranschaulichen:
Dabei ist m_i die Schwingmasse der jeweiligen Eigenform, d_i die Dämpfungskonstante der jeweiligen Eigenform, c_i die Federkonstante der jeweiligen Eigenform, k_xxx sind Beschleunigung-, Geschwindigkeit- und Weg-Kopplung der Eigenformen (k_corxx sind geschwindigkeitsproportionale Kopplungen, die proportional dem Massestrom sind) und F_i ist die Anregungskraft der jeweiligen Eigenform.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts ist nicht auf eine modellhafte Beschreibung der angeregten Eigenformen gemäß den vorstehenden Gleichungen beschränkt, vielmehr läßt sich das Verfahren auf alle zutreffenden physikalisch-mathematischen Modelle des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts sinngemäß anwenden.
Die Kopplungen der Eigenformen kommen durch die Elemente der Matrizen M, D und C außerhalb der Hauptdiagonalen zustande. Die Kopplungen kommen physikalisch/konstruktiv entweder durch eine nicht beabsichtigte Asym metrie im Aufbau des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts oder durch einen Massestrom zustande. Diese für die Kopplung verantwortlichen Elemente werden aus den Differenzen der Schwingmassen und Dämpfungs- und Federkonstanten der Meßrohrhälften gebildet und sind üblicherweise gegenüber den entsprechenden Parameter m_i, d_i und c_i sehr klein.
Zu Gunsten der Einfachheit werden im Falle mehrere angeregter Eigenformen zur selektiven Bestimmung der Parameter der Eigenformen zunächst die Kopplungen der Eigenformen vernachlässigt, wodurch die Matrizen M, D und C zu Diagonalmatrizen werden. Dann lassen sich die einzelnen Eigenformen jeweils durch eine Übertragungsfunktion zweiter Ordnung beschreiben, weshalb die Übertragungsfunktion der i-ten Eigenform lautet:
Die Übertragungsfunktion für die i-te Eigenform gemäß Gleichung 5 besitzt drei Parameter, die durch die Federkonstante c_i, die schwingende Masse m_i und den Dämpfungskoeffizienten d_i bestimmt sind.
Eine für die selektive Identifikation geschickte Art der Anregung des Meßrohrs zu Schwingungen in den jeweiligen Eigenformen ist die vorbestimmte Variation und Vorgabe der Phase φ_i zwischen dem Anregungssignal F_i(t) und dem Antwortsignal y_i(t), wobei in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Solltrajektorie der Sollphase φ_i,soll zwischen wenigstens zwei Werten der Phasenwerte –45°, 0° und +45° variiert wird, vorzugsweise sprunghaft variiert wird. Die Sollphase kann in ihrer zeitlichen Abfolge beispielsweise die Werte 0°, +45°, 0°, –45°, 0° etc. annehmen, wobei die Sollphase jeweils eine vorgegebene Zeit auf dem jeweiligen Wert verharrt und dann sprungförmig auf den nächsten Wert variiert wird. Die Wahl einer Solltrajektorie ausgerechnet für die Phase ist deshalb bevorzugt, weil die Eigenformen sehr schwach gedämpft sind und die Phasenverläufe in der Nähe der Eigenfrequenzen (Phasenwert 0°) sehr steil am Wendepunkt einer trigonometrischen arctan-Funktion verlaufen und die korrespondierenden Phasenregelungen demzufolge sehr schnell sind.
Dem vorangehenden Beispiel folgend, werden die Übertragungsfunktionen der Eigenformen gemäß Gleichung 5 nur für die drei eingeschwungenen Phasen –45°, 0° und +45° ausgewertet, wozu sich die nachstehend angegebene umgeformte Übertragungsfunktion anbietet:
Für die drei Phasen –45°, 0° und +45° ergeben sich dann die folgenden Zusammenhänge:
Anhand der vorstehenden Gleichungen ist zu erkennen, daß die Sollphasen φ_i,soll der jeweiligen Eigenform durch Variation der Frequenz der angeregten Schwingung erzielt wird, vorliegend vorzugsweise durch Variation der Frequenz des Anregungssignals um die Eigenkreisfrequenz ω_0i, wobei hier insbesondere die zur Erzielung der jeweiligen Sollphase φ_i,soll eingestellte Phasenkreisfrequenz
und
zur Ermittlung eines Parameters der angeregten Eigenform herangezogen wird.
Anhand Gleichung 8 ist zu erkennen, daß bei einer Vorgabe für die Phase φ_i von 0° eine sehr gute selektive Anregung bezüglich des Parameters d_i gegeben ist, da die rechte Seite der Gleichung 8 reellwertig ist, wodurch sich der Dämpfungsparameter d_i direkt aus den gemessenen Anregungssignalen und Antwortsignalen berechnen läßt und zwar zu:
Bezüglich der Anregung des Schwingelements bzw. des Meßrohrs mit eingeregelten Phasenwerten von –45° und +45° zwischen dem Anregungssignal und dein Antwortsignal weisen die Gleichungen 7 und 9 ebenfalls besondere Eigenschaften auf, die die Anregung bezüglich des Parameters der Dämpfung ebenfalls wiederum als selektiv erscheinen läßt. In beiden Gleichungen sind bei diesen speziellen Anregungen die Beträge der Real- und der Imaginärteile gleich. Damit läßt sich der Dämpfungsparameter d_i wiederum direkt aus den Gleichungen 7 und 9, wie nachfolgend angegeben, berechnen:
Aufgrund der einfachen selektiven Bestimmung der Dämpfung als Parameter wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß die Dämpfung als erster Parameter selektiv identifiziert wird, so daß weitere Parameter in Kenntnis der ermittelten Dämpfung einfacher bestimmt werden können.
Die Parameter m_i und c_i lassen sich mittels der Gleichungen 7 bis 9 und den zugehörigen, sich zur Herstellung der jeweiligen Soll-Phasenlage notwendigen Frequenzen – Eigenkreisfrequenz ω_0i und Phasenkreisfrequenzen
und
–, gemäß den nachfolgenden Gleichungen bestimmen
Alternativ ist auch eine Bestimmung der Federkonstanten c_i der jeweiligen Eigenform anhand der gemessenen Anregungs- und Antwortsignale ermittelbar und zwar nach den nachfolgenden Zusammenhängen:
Sinngemäß ist auch der Parameter der Schwingmasse m_i aus den gemessenen Anregungs- und Antwortsignalen bei den vorgegebenen Sollphasen ermittelbar, beispielsweise durch:
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung erfolgt die selektive Identifizierung des jeweils interessierenden Parameters der angeregten Eigenformen im eingeschwungenen Zustand, da dies die Auswertung allgemein erleichtert. Dies ist vorteilhaft insbesondere dann möglich, wenn als variierte Sollgröße die Phase zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal der jeweiligen Eigenform verwendet wird, da sich die Phase aufgrund der eingangs beschriebenen Zusammenhänge sehr dynamisch ändern kann und daher mit einer hohen Regelgeschwindigkeit einstellbar ist.
Die vorstehend gleichungsmäßig erläuterten Beispiele für eine selektive Identifizierung eines Parameters der angeregten Eigenform stehen nur stellvertretend für andere Möglichkeiten der selektiven Identifizierung interessierender Parameter einer angeregten Eigenform. So ist das erfindungsgemäße Verfah ren ganz allgemein weder beschränkt auf die vorbestimmte Variation der Phase zwischen Anregungssignal und Antwortsignal des Schwingelements bzw. des Meßrohres, genauso wenig wie auf die hier beispielhaft genannten Werte –45°, 0° und +45° der eingestellten Phase, noch auf die Auswertung lediglich stationär eingestellter Werte. Es gibt weitere vorteilhafte Werte als Vorgabe für die Phase zwischen Anregungssignal und Antwortsignal, die eine selektive Identifikation von Parametern der angeregten Eigenform gestatten, genauso wie auch die Auswertung transienter, also noch im Übergang befindlicher Vorgänge für die selektive online Parameteridentifikation möglich sind.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auch darin, daß die Ermittlung von Parameter der angeregten Eigenform während des in der Regelung befindlichen Betriebes des Coriolis-Massedurchflußmeßgerät zusätzlich auch eine weitergehende Analyse des Zustandes des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts gestattet. So wird in einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus den selektiv identifizierten Parametern wenigstens ein abgeleiteter Parameter identifiziert, insbesondere ein Strömungsparameter wie Massedurchfluß, Dichte, Druck, Viskosität, Mehrphasenströmung und/oder ein Geräteparameter für Erosion, Korrosion, Ablagerung, Teilfüllung und mechanische Berührung der schwingenden Komponenten mit feststehenden Teilen und/oder ein Umgebungsparameter wie die Pulsation einer Pumpe während des Betriebs des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts.
Neben den vorgenannten Parameter kann als interessierender Parameter auch die Eigenkreisfrequenz ω_0i der jeweiligen Eigenform bestimmt werden, wobei die ermittelte Eigenkreisfrequenz ω_0i insbesondere bei der Anregung des Meßrohrs zur Schwingung in der korrespondierenden Eigenform berücksichtigt wird.
Ein besonders aussagekräftiger abgeleiteter Parameter für ein schwingfähiges System ist dessen Güte. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher als abgeleiteter Parameter der Güte-Faktor Q_i der angeregten Eigenform des Meßrohrs bestimmt, wobei ganz allgemein der Güte-Faktor Q_i gegeben ist durch das Verhältnis der in ihm gespeicherten Energie zu der pro Periode dissipierten – also verlorenen – Energie:
Angewendet auf das Meßrohr eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts, das zur Schwingung in einer Eigenform angeregt wird, ergibt sich auf Grundlage des zuvor erläuterten Modellansatzes ohne Berücksichtigung der Kopplung der folgende Zusammenhang für den Güte-Faktor:
Gemäß Gleichung 22 wird der Güte-Faktor Q_i der angeregten Eigenform aus den Werten für die schwingende Masse m_i, die Dämpfung d_i und die Eigenkreisfrequenz ω_0i der angeregten Eigenform ermittelt. Wenn die schwingende Masse m_i und die Dämpfung d_i durch die oben angegebenen Bestimmungsgleichungen ersetzt werden, werden die nachfolgenden Bestimmungsgleichungen für die Güte-Faktoren der Eigenformen erhalten, die ausschließlich von der Eigenkreisfrequenz ω_0i und den Phasenkreisfrequenzen
und
abhängen:
Gemäß den vorstehenden Bestimmungsgleichungen läßt sich der Güte-Faktor Q_i der angeregten Eigenform also auch bestimmen aus dem Verhältnis der ermittelten Eigenkreisfrequenz ω_0i zur Bandbreite der ermittelten Phasenkreisfrequenzen – Differenz der ermittelten Phasenkreisfrequenzen – oder aus einer anderen geeigneten Kombination aus dem Wert für die Eigenkreisfrequenz ω_0i und wenigstens einem ermittelten Wert für eine Phasenkreisfrequenz. Hervorzuheben ist hier, daß die Bestimmung der Güte-Faktoren der angeregten Eigenformen unabhängig von den Eigenschaften der Meß- und Stellglieder ist, da die Gleichungen 23 bis 25 keine Werte der gemessenen Anregungs- und Antwortsignale enthalten und die Phasenverschiebung durch die Meßglieder vernachlässigbar klein sind.
Die berechneten Güte-Faktoren Q_i können sowohl für die Korrektur der Strömungsparameter verwendet werden als auch zur Quantifizierung des Zustandes des Durchflußmeßgeräts in seinem gesamten Lebenszyklus von der Produktion bis zur Ausmusterung. Als aussagefühiger abgeleiteter Systemparameter kann der ermittelte Güte-Faktor Q_i außerdem zum Zweck der Diagnose beispielsweise in der Instandhaltung herangezogen werden. Die Gleichungen 23 bis 25 für die Berechnung der Güte-Faktoren Q_i liefern im Falle der Stationarität des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts – also wenn alle Parameter der Eigenformen konstant sind – identische Ergebnisse. Ist das Coriolis-Massedurchflußmeßgerät aufgrund von Umgebungs- und/oder Prozeßeinflüssen, wie z. B. der Temperatur, nicht stationär, so liefert Gleichung 23 einen Mittelwert für den Güte-Faktor Q_i der angeregten Eigenform und die Differenz der Gleichungen 24 und 25 gemäß Gleichung 26 ein Maß für die Instationarität des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts:
Die Instationarität kann beispielsweise durch verschiedene Parametervariationen – beispielsweise in Folge von Temperatureinflüssen – oder durch Inhomogenitäten in der Strömung zustande kommen.
Insgesamt können die so berechneten Güte-Faktoren Q_i sowohl verwendet werden für die Korrektur der Strömungsparameter als auch zur Einstellung – Balancierung – des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts in bestimmten Phasen der Produktion – z. B. bei der Kalibrierung – oder in der Anwendung, beispielsweise zur Detektion von Luftblasen, oder bei der Diagnose, beispielsweise zur Erkennung eines Kontakts der Schwingungskomponenten mit der Aufhängung.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung auch die Identifikation der Parameter für die Coriolis-Kopplung k_Cor12 und/oder für die Beschleunigungskopplung k_b12 der ersten an geregten Eigenform auf die zweite angeregte Eigenform, wobei die Parameter insbesondere frequenz- und phasenselektiv identifiziert werden.
Zur Identifizierung der Coriolis-Kopplung k_Cor12 und der Beschleunigungskopplung k_b12 von der ersten Eigenform auf die zweite Eigenform wird zunächst davon ausgegangen, daß die Kopplungen der Bewegungen der zweiten Eigenform auf die erste Eigenform aufgrund der erzwungenen Anregung der ersten Eigenform näherungsweise vernachlässigt werden können. Die Bestimmungsgleichungen lauten dann:
Die erste durch den Parameter k_Cor12 beschriebene Kopplung – Coriolis-Kopplung – ist für die Massedurchflußmessung maßgebend und die zweite, durch den Parameter k_b12 beschriebene Kopplung – Beschleunigungskopplung – beschreibt die Asymmetrie der Massen der beiden Meßrohrhälften, unabhängig davon, wie die Asymmetrie der Massen zustande gekommen ist. Diese Kopplung ist ein Qualitätsmerkmal für die Ausgewogenheit des Meßrohres und kann zur Balancierung der zweiten Eigenform des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts verwendet werden. Zur Bestimmung der beiden Kopplungen werden die erste und die zweite Eigenform des Meßrohrs – beispielsweise mit den zuvor dargestellten Phasenverläufen – angeregt und die Antwortsignale frequenz- und phasenselektiv ausgewertet. Die Parameter für die jeweiligen Schwingmassen m₁, m₂, die Dämpfungen d₁, d₂ und die Steifigkeiten c₁, c₂ lassen sich beispielsweise bestimmen mit den oben dargestellten Gleichungen (Gleichungen 10 bis 20). Die Bestimmungsgleichungen für die Parameter der Kopplungen k_Cor12 und k_b12 ergeben sich aus dem Zusammenhang gemäß Gleichung 28:
Aus diesem Zusammenhang können zwei Bestimmungsgleichungen erhalten werden, wenn die Real- und Imaginärteile der gemessenen Größen eingesetzt werden:
Dabei ist
der Realteil der Geschwindigkeit der ersten Eigenform bei der Resonanzfrequenz der ersten Eigenform, und
ist der Realteil und
ist der Imaginärteil der Geschwindigkeit der zweiten Eigenform bei der Resonanzfrequenz der ersten Eigenform.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß Gleichung 29 auch bei der Resonanzfrequenz der ersten Eigenform mit einer Phase von +/–45° ausgewertet wird, so daß jeweils zwei weitere Bestimmungsgleichungen für die Kopplungen erhalten werden. Die aus den verschiedenen Bestimmungsgleichungen erhaltenen Werte für die Kopplungen können durch Mittelwertbildung zu gewichteten Mittelwerten der Kopplungen zusammengefaßt werden.
Einleitend ist bereits dargestellt worden, daß die identifizierten Parameter bei bestimmten Ausgestaltungen des Verfahrens dazu verwendet werden, verschiedene abgeleitete Parameter zu ermitteln, nämlich Strömungsparameter, Geräteparameter und/oder Umgebungsparameter.
Als Indikator für eine symmetrische Korrosion und Erosion werden in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens die Steifigkeiten der Eigenformen gemäß den Gleichungen 15 bis 17 genutzt. Eine asymmetrische Ablagerung der Meßrohre wird gemäß einer weiteren Weiterentwicklung des Verfahrens über Beschleunigungskopplungen – beispielsweise über den Parameter k_b12 nach Gleichung 29 – bestimmt. Asymmetrische Korrosion und Erosion werden ferner über die Identifikation der auslenkungsproportionalen Kopplungen der Eigenformen – beispielsweise über den Parameter k_s12 – bestimmt.
Das zuvor beschriebene Verfahren zum Betrieb eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts mit einer online-Parameter-Identifikation läßt sich beliebig erweitern. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist beispielsweise vorgesehen, daß zur Bestimmung aller Parameter der ersten und der zweiten Eigenform die erste und die zweite Eigenform mit den beschriebenen Soll-Phasenverläufen – sprungförmige Variation der Werte für die Sollphasen – angeregt werden und alle Antwortsignale frequenz- und phasenselektiv ausgewertet werden. Dabei ergeben sich aus den von der vorhergehenden Darstellung insgesamt 24 Bestimmungsgleichungen für alle Parameter der ersten und der zweiten Eigenform. Hieraus können die interessierenden Parameter mit verschiedenen Algorithmen berechnet werden, in einer bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise mit dem Rekursive Least Square-Verfahren (RLS).
Wie bereits angedeutet worden ist, können auch andere Trajektorien für die Phasen, Amplituden und ganz allgemein für die Ausgangssignale der jeweiligen Eigenform realisiert werden, wobei auch nicht nur stationäre Zustände der Anregungssignale und der Ausgangssignale ausgewertet werden können, sondern vielmehr können auch die in der Dynamik der Anregungs- und Antwortsignale enthaltenen Informationen mittels verschiedener Algorithmen zur selektiven Parameteridentifikation herangezogenen werden, wie beispielsweise das erweiterte Kalman-Filter (EKF) oder das Moving-Horizon-Verfahren.
Die hergeleitete Aufgabe wird ferner bei dem eingangs beschriebenen Coriolis-Massedurchflußmeßgerät dadurch gelöst, daß dieses Coriolis-Massedurchflußmeßgerät so ausgestaltet ist, daß es mit einem der zuvor beschriebenen Verfahren betrieben werden kann.
Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 die schematische Darstellung eines als Coriolis-Massedurchflußmeßgerät ausgestalteten Resonanzmeßsystems mit angedeuteten Ersatzschaltgrößen zur Modellbildung,
2 ein mechanisches Ersatzschaltbild mit konzentrierten Parameter in Form eines Feder-Masse-Systems des in 1 dargestellten Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts als mathematisch-physikalisches Modell,
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum geregelten Betrieb eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts in Form eines Blockschaltbildes,
4 eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Blockschaltbildes, gestützt auf 3, mit die Parameteridentifikation betreffenden Ergänzungen.
5 der exemplarische Verlauf der Soll-Trajektorie zur Variation der Phase zwischen einem Anregungssignal und einem Antwortsignal als Sollgröße des geschlossenen Regelkreises.
1 zeigt die schematische Darstellung eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts 1, das hier stellvertretend für ein allgemeines Resonanzmeßsystem behandelt wird und das mit dem hier in Rede stehenden Verfahren betrieben wird. Das Coriolis-Massedurchflußmeßgerät 1 verfügt vorliegend über zwei im wesentlichen mit dem Mediumstrom wechselwirkende Meßrohre 2a, 2b als Schwingelemente, drei Schwingungserzeuger 3a, 3b, 3c und drei Schwingungsaufnehmer 4a, 4b, 4c. Die Meßrohre 2a, 2b werden durch die Schwingungserzeuger 3a, 3b, 3c in einer Regelung in einem – erst in 3 näher dargestellten – Regelkreis 5 durch den von einem Anregungssignal F_i(t) angeregten Schwingungserzeugern 3a, 3b, 3c zur Schwingung in wenigstens einer Eigenform angeregt, und die angeregte Schwingung des Meßrohrs 2a, 2b wird von den Schwingungsaufnehmern 4a, 4b, 4c als ein Antwortsignal y_i(t) bzw. als Mehrzahl von Antwortsignalen y _i(t) erfaßt. Die erste Eigenform der angeregten Schwingungen besteht bei den Meßrohren 2a, 2b in einer lediglich einen Bauch ausbildenden Schwingung und besteht in einer zweiten Eigenform in einer Schwingung, bei der zusätzlich ein mittlerer Knotenpunkt der Schwingung ausgebildet ist.
Die Anzahl der Schwingungserzeuger 3a, 3b, 3c und der Schwingungsaufnehmer 4a, 4b, 4c hängt allgemein davon ab, welche Eigenformen der Schwingung der Meßrohre 2a, 2b anregbar und beobachtbar sein soll. Die in 1 dargestellte Anordnung ermöglicht es jedenfalls, die Coriolis-Meßrohre in einer ersten Eigenform und in einer zweiten Eigenform der Schwingung anzuregen und diese Schwingungen zu beobachten.
Ein hier nicht explizit dargestellter Mediumstrom wird von den Meßrohren 2a, 2b, geführt, wobei das massebehaftete Medium aufgrund der durch die Schwingung der Meßrohre 2a, 2b entstehenden Coriolis-Kräfte auf die Meßrohre 2a, 2b rückwirkt. Der Massedurchfluß kann bestimmt werden über die Messung einer Zeitdifferenz der Schwingung in der jeweiligen Eigenform im ein- und auslaufseitigen Bereich der Meßrohre 2a, 2b.
In 1 ist neben der Struktur des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts 1 auch überlagert angedeutet das korrespondierende Feder-Masse-Ersatzschaltbild. Angedeutet sind die Massen der Meßrohre 2a, 2b des zusammenführenden Flansches. Die federnden Ankopplungen der Massen untereinander sind durch Feder-Dämpfer-Elemente symbolisiert. Das in 1 angedeutete Feder-Masse-Ersatzschaltbild des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts 1 bzw. der schwingenden Meßrohre 2a, 2b ist in 2 nochmals deutlich mit Formelzeichen dargestellt.
In 1 ist durch die mit einem Richtungssinn versehenen Signallinien angedeutet, daß die Anregungssignale F_i(t) und die von den Schwingungsaufnehmern 4a, 4b, 4c erzeugten Antwortsignale y_i(t) zwischen einer nicht näher bezeichneten zentralen Steuereinheit des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts 1 und den Schwingungserzeugern 3a, 3b, 3c einerseits und den Schwingungsaufnehmern 4a, 4b, 4c andererseits ausgetauscht werden können.
Als Parameter des in 2 graphisch dargestellten mathematisch-physikalischen Modells treten die schwingfähigen Massen m, die Dämpfungen d und die Steifigkeitsparameter c auf. Eine mögliche mathematische Formulie rung des in 2 dargestellten Modells ist im allgemeinen Teil bereits ausführlich dargestellt worden und läßt sich ohne weiteres auf das hier dargestellte Coriolis-Massedurchflußmeßgerät 1 mit zwei geraden Meßrohren 2a, 2b übertragen, die jeweils zu Schwingungen in verschiedenen Eigenformen angeregt werden können.
Für den Betrieb des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts ist es wichtig, jederzeit über den Zustand des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts informiert zu sein und Veränderungen an dem Coriolis-Massedurchflußmeßgerät – vor allem auch im geregelten Betrieb – unmittelbar zu erkennen, sei es, um Strömungsparameter in Kenntnis dieser Veränderungen richtig ermitteln zu können, sei es um Geräteparameter beispielsweise im Rahmen der Diagnose und Wartung überhaupt in Erfahrung bringen zu können, oder sei es, um Umgebungsparameter, wie z. B. die Pulsation einer Pumpe, zeitnah erfassen zu können.
Dazu ist vorgesehen, daß eine Sollgröße des geschlossenen Regelkreises 5a, 5b, 5c in vorbestimmter Weise variiert wird und durch Auswertung wenigstens eines resultierenden Anregungssignals F_i(t) und/oder wenigstens eines resultierenden Antwortsignals y_i(t) mit Hilfe eines mathematischen Modells des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts 1 wenigstens ein Parameter der angeregten Eigenform selektiv identifiziert wird.
Die Ansteuerung des Meßrohrs 2a, 2b bzw. des zur Schwingung anregbaren Teils des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts 1 durch eine Regelung in einem Regelkreis 5 ist zunächst in 3 dargestellt, wobei das Coriolis-Massedurchflußmeßgerät 1 lediglich als ein Block dargestellt ist, der als Eingangsgröße das Anregungssignal F_i(t) erhält und auf die Anregung mit dem Antwortsignal y_i(t) als Ausgangssignal antwortet. Bei dem Anregungssignal F_i(t) kann es sich auch um mehrere Anregungssignale F _i(t) handeln, wenn es erforderlich ist, zur Anregung einer bestimmten Eigenform mehrere der Schwingungserzeuger 3a, 3b, 3c anzusprechen. Das Anregungssignal F_i(t) wird von einem Signalgenerator 6 erzeugt.
Die in 3 dargestellte Regelung ist eine Mehrgrößenregelung in insgesamt drei Regelkreisen 5a, 5b, 5c, wobei der Amplitudenregler 7 im Amplitudenre gelkreis 5a die über die Amplitudenmessung 8 erfaßte Amplitude A_i der angeregten Eigenform dem vorgegebenen Wert A_i,soll angleicht. In gleicher Weise gleicht der Phasenregler 9 den vorgegebenen Wert für die Soll-Phase φ_i,soll zwischen dem Anregungssignal F_i(t) und dem Antwortsignal y_i(t) dem Wert der durch den Phasenermittler 10 ermittelten Ist-Phase φ_i, an.
Durch einen Schätzer 11 für die Resonanzfrequenzen der angeregten Eigenformen werden die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Eigenformen geschätzt – z. B. über die Erfassung von Null-Durchgängen oder mittels Beobachterverfahren – und es wird eine Vorsteuerung 12 der jeweiligen Eigenform vorgenommen. Die Vorsteuerung 12 der Signalgeneratoren 6 erfolgt unter Verwendung von a-priori-Wissen über das verwendete Coriolis-Massedurchflußmeßgerät, das beispielsweise in theoretisch berechnetem oder experimentell ermittelten Wertbereichen für die Modellparameter besteht –, so daß durch die Vorsteuerung 12 jedenfalls eine der anzuregenden Eigenform geeignete Anregung des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts erreicht wird, wenn dieses ungestört betrieben wird (also z. B. bei Nenndurchfluß und bei Nenntemperatur betrieben wird und keine sonstigen Abweichungen von den zugrundeliegenden Annahmen vorliegen). Durch diese Vorsteuerung 12 wird zum einen eine Vorauswahl der angeregten Eigenformen getroffen und zum anderen die Dynamik der Ausregelung der Regelabweichungen erhöht.
In 4 ist die in 3 dargestellte geregelte Strecke – also das geregelte Coriolis-Massedurchflußmeßgerät 1 lediglich als ein Block 13 dargestellt. Das mit einer Regelung versehene Coriolis-Massedurchflußmeßgerät 13 wird durch Vorgabe von Soll-Trajektorien, in denen im vorliegenden Fall der Sollwert φ_i, in vorbestimmter Weise variiert wird, von einem Soll-Trajektoriengenerator 14 beaufschlagt.
Daß Parameter der angeregten Eigenform selektiv identifiziert werden können, liegt in der geschickten Wahl der vorbestimmten Variation der Sollgröße, hier also der Sollphase φ_i,soll zwischen dem Anregungssignal F_i(t) und dem Antwortsignal y_i(t) der jeweiligen Eigenform, wobei vorliegend die Soll-Trajektorie der Sollphase φ_i,soll zwischen den Phasenwerten –45°, 0° und +45° variiert wird, so wie dies in 5 angegeben ist. Die Sollphase φ_i,soll der jeweiligen Eigenform wird hier durch geeignete Anpassung der Frequenz der angeregten Schwingung einfestellt, nämlich durch die Variation der Frequenz des Anregungssignals F_i(t) um die Eigenkreisfrequenz ω_0i.
Dem in 4 durch ein Blockschaltbild dargestellten Verfahren zur selektiven online-Identifizierung von Parametern der angeregten Eigenformen liegt ein mathematisches Modell 15 zugrunde, das gebildet wird aus einer bestimmten Modellstruktur 16 – Modellierung der Eigenschwingungen der Meßrohre 2a, 2b durch Lagrange-Gleichungen zweiter Ordnung – und konkreten Werten für die in der Struktur auftretenden Parameter. Die Parameter des zugrundeliegenden mathematischen Modells werden mittels eines Identifiktionsalgorithmus 17 – ggf. unter Vorgabe von a-priori-Informationen 18 – ermittelt, in dem die tatsächlichen Antwortsignale y_i(t) mit den Antwortsignalen y_M(t) des Modells in einer Vergleichsstelle 19 miteinander verglichen werden und die Abweichung r(t) zur weiteren Identifikation der interessierenden Modellparameter – und damit der tatsächlichen Parameter des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts – herangezogen werden.
Im Rahmen der im allgemeinen Beschreibungsteil dargestellten Ableitung von Bestimmungsgleichungen für die Parameter Dämpfung d_i, schwingfähige Masse m_i und Steifigkeit c_i der jeweils angeregten Eigenform ist ersichtlich, wie einfach eine Parameteridentifikation bei dem in der Regelung befindlichen Coriolis-Massedurchflußmeßgerät 13 möglich ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird dazu die Sollgröße der Phase während des Regelbetriebs fortwährend – wie in 5 dargestellt – variiert und die Identifizierung der Parameter der angeregten Eigenform simultan durchgeführt.
Die in 3 dargestellte Regelung und die in 4 dargestellte angeschlossene Auswertung zur Bestimmung der interessierenden Parameter der angeregten Eigenformen sind jeweils separat für jede angeregte Eigenform realisiert, was durch den Index i für die i-te Eigenform angedeutet ist.
Mit der in 5 dargestellten Vorgabe der Sollgröße für die Phase φ_i wird die Bestimmung der Dämpfung d_i der angeregten Eigenform durch den Zusammenhang gemäß Gleichung 10 durchgeführt, wozu die Anregung mit der Eigenkreisfrequenz ω_0i ausreicht. Zusätzlich läßt sich der Dämpfungsparameter d_i jedoch auch bei anderen Werten für die Sollphase nach den Zusammenhän gen gemäß den Gleichungen 11 und 12 berechnen, wobei dazu die Phasenkreisfrequenzen
und
verwendet werden müssen, diese Kreisfrequenzen stehen jedoch unmittelbar zur Verfügung, da sie ja atuomatisch eingeregelt werden. Die weiteren Parameter der angeregten Eigenformen werden dann anhand der Gleichungen 13 bis 20 ermittelt und die auf verschiedenen Wegen erhaltenen Werte für diese Parameter ggf. gemittelt.
Von besonderer Bedeutung ist hier, daß bei dem gemäß den 3 und 4 dargestellten Verfahren zum Betrieb des Coriolis-Massesdurchflußmeßgeräts gemäß 1 aus den selektiv identifizierten Parametern nachfolgend abgeleitete Parameter identifiziert werden. Im vorliegenden Fall wird als abgeleiteter Parameter u. a. der Güte-Faktor Q_i der angeregten Eigenform bestimmt, nämlich aus den Werten für die schwingende Masse m_i, die Dämpfung d_i und die Eigenkreisfrequenz ω_0i der angeregten Eigenform. Durch die Ermittlung des Güte-Faktors Q_i ist es möglich, Veränderungen des Zustandes des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts zu erfassen, beispielsweise bei der Produktion, Kalibrierung und der laufenden Diagnose.
1 zeigt insgesamt ein Coriolis-Massedurchflußmeßgerät, in dem die zuvor beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts realisiert sind, nämlich realisiert sind gemäß den 3 und 4.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Resonanzmeßsystems (1), insmesondere eines Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts (1), wobei das Resonanzmeßsystem (1) wenigstens ein Schwingelement (2a, 2b), wenigstens einen Schwingungserzeuger (3a, 3b, 3c) und wenigstens einen Schwingungsaufnehmer (4a, 4b, 4c) umfaßt, wobei das Schwingelement (2a, 2b) in wenigstens einer Regelung in wenigstens einem Regelkreis (5) durch den von wenigstens einem Anregungssignal F_i(t) angeregten Schwingungserzeuger (3a, 3b, 3c) zur Schwingung in wenigstens einer Eigenform angeregt wird und die angeregte Schwingung des Schwingelements (2a, 2b) von dem Schwingungsaufnehmer (4a, 4b, 4c) als wenigstens ein Antwortsignal y_i(t) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Sollgröße des geschlossenen Regelkreises (5) in vorbestimmter Weise variiert wird und durch Auswertung wenigstens eines resultierenden Anregungssignals F_i(t) und/oder wenigstens eines resultierenden Antwortsignals y_i(t) mit Hilfe eines mathematischen Modells des Resonanzmeßsystems (1) wenigstens ein Parameter der angeregten Eigenform selektiv identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollgröße während des Regelbetriebes fortwährend variiert wird, insbesondere wobei die Identifizierung des Parameters der angeregten Eigenform fortwährend durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung als Mehrgrößenregelkreis (5a, 5b, 5c) ausgestaltet ist, insbesondere für jede angeregte Eigenform, vorzugsweise für wenigstens zwei der Regelgrößen Frequenz, Phase und/oder Amplitude der angeregten Schwingung des Schwingelements (2a, 2b).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Amplitudenregelkreis (5a) das Anregungssignal F_i(t) so angepaßt wird, daß die Amplitude A_i der angeregten Schwingung des Schwingelements (2a, 2b) im wesentlichen konstant ist, insbesondere einem Amplitudenwert entspricht, der einen deformations- und zerstörungsfreien Betrieb des Schwingelements (2a, 2b) gestattet, vorzugsweise bei größtmöglicher Amplitude.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sollgröße des geschlossenen Regelkreises die Phase φ_i zwischen dem Anregungssignal F_i(t) und dem Antwortsignal y_i(t) der jeweiligen Eigenform verwendet wird, insbesondere wobei die Solltrajektorie der Sollphase zwischen wenigstens zwei Werten der Phasenwerte –45°, 0° und +45° variiert wird, vorzugsweise sprunghaft variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollphase φ_i, der jeweiligen Eigenform durch Variation der Frequenz der angeregten Schwingung erzielt wird, vorzugsweise durch Variation der Frequenz des Anregungssignals um die Eigenkreisfrequenz ω_0i, insbesondere wobei die zur Erzielung der Sollphase eingestellte Phasenkreisfrequenz
zur Ermittlung eines Parameters der angeregten Eigenform herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Identifizierung des Parameters der angeregten Eigenform im eingeschwungenen Zustand erfolgt, insbesondere wenn als variierte Sollgröße die Phase zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal der jeweiligen Eigenform verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als mathematisches Modell für das Resonanzmeßsystem (1) ein analytisches mechanisches Modell für jede angeregte Eigenform verwendet wird, insbesondere für jede Eigenform eine Differentialgleichung zweiter Ordnung verwendet wird, insbesondere mit den Parametern Federkonstante, schwingende Masse und Dämpfungskoeffizient, insbesondere wobei im Falle mehrerer angeregter Eigenformen zur selektiven Bestimmung der Parameter der Eigenform zunächst die Kopplungen der Eigenformen vernachlässigt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Parameter selektiv die Dämpfung identifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus den selektiv identifizierten Parametern abgeleitete Parameter identifiziert werden, insbesondere im Fall eines als des Coriolis-Massedurchflußmeßgerät ausgebildeten Resonanzmeßsystems Strömungsparameter wie Massedurchfluß, Dichte, Druck, Viskosität, Mehrphasenströmung und/oder Geräteparameter für Erosion, Korrosion, Ablagerung, Teilfüllung und mechanische Berührung der schwingenden Komponenten mit feststehenden Teilen und/oder Umgebungsparameter wie Pulsation einer Pumpe während des Betriebs des Coriolis-Massedurchflußmeßgeräts (1).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als abgeleiteter Parameter die Eigenkreisfrequenz ω_0i der jeweiligen Eigenform bestimmt wird, insbesondere wobei die ermittelte Eigenkreisfrequenz ω_0i bei der nachfolgenden Anregung des Schwingelements (2a, 2b) zur Schwingung in der korrespondierenden Eigenform berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß als abgeleiteter Parameter der Güte-Faktor Q_i der angeregten Eigenform bestimmt wird, insbesondere aus den Werten für die schwingende Masse, die Dämpfung und die Eigenkreisfrequenz ω_0i der angeregten Eigenform, oder aus dem Verhältnis der ermittelten Eigenkreisfrequenz ω_0i zur Bandbreite der ermittelten Phasenkreisfrequenzen oder aus einer anderen geeigneten Kombination aus den Werten für die Eigenkreisfrequenz ω_0i und wenigstens einem ermittelten Wert für Phasenkreisfrequenz
.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als abgeleiteter Parameter die Instationarität des Resonanzmeßsystems (1) ermittelt wird, insbesondere aus einer geeigneten Kombination aus den Werten für die Eigenkreisfrequenz ω_0i und wenigstens einem ermittelten Wert für die Phasenkreisfrequenz
.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des als Coriolis-Massedurchflußmeßgerät (1) ausgebildeten Resonanzmeßsystems (1) die Coriolis-Kopplung k_b12 und/oder die Beschleunigungskopplung k_b12 der ersten angeregten Eigenform auf die zweite angeregte Eigenform selektiv, insbesondere frequenz- und phasenselektiv, identifiziert werden bzw. wird.
Resonanzmeßsystems (1) mit einem Schwingelement (2a, 2b), insbesondere als Coriolis-Massedurchflußmeßgerät ausgebildetes Resonanzmeßsystem (1) mit wenigstens einem von einem Medium durchströmbaren Meßrohr (2a, 2b) als Schwingelement, wenigstens einem Schwingungserzeuger (3a, 3b, 3c) und wenigstens einem Schwingungsaufnehmer (4a, 4b, 4c) wobei das Meßrohr (2a, 2b) in wenigstens einer Regelung in wenigstens einem Regelkreis (5) durch den von wenigstens einem Anregungssignal angeregten Schwingungserzeuger (3a, 3b, 3c) zur Schwingung in wenigstens einer Eigenform anregbar ist und die angeregte Schwingung des Schwingelements (2a, 2b) von dem Schwingungsaufnehmer (4a, 4b, 4c) als wenigstens ein Antwortsignal erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzmeßsystem (1) so ausgestaltet ist, daß es mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 betrieben werden kann.