DE19533465A1

DE19533465A1 - Measuring system for measuring mass flow value, e.g. liquid or gas flow vol

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Publication number: DE19533465A1
Application number: DE19533465A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr Karl; Bernhard Geyer; Horst Zimmermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-09-12
Filing date: 1995-09-09
Publication date: 1996-03-14

Abstract

A connection is also provided at the cylinder on the other side of the piston (2) for the discharge flow (m2). A measuring unit (5) measures the piston displacement based on the mass flow against the return unit is assigned to the piston. The restricted flow-passage opening (11) has a flow cross-section assigned to the piston displacement and an indicating unit is provided for the mass flow value. The through-flow cross-section along the piston displacement is constant. The return force due to a spring rises with an increasing piston displacement. The measuring unit (7) measures the pressure in the cylinder (1) on one side of the piston (2). The piston displacement measuring unit (5) and the cylinder pressure measuring unit (7) are connected to a self-acting computer (8), which has a storage memory, for a digital filter algorithm and a monitor screen (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Massenstrom- Größe, bei der in einem Zylinder ein Kolbenmittel gegen eine Rückstelleinrichtung hin- und herbewegbar ist, bei der der Zylinder auf einer Seite des Kolbenmittels mit einem Zylinderanschluß zur Zufuhr des Massenstroms versehen ist, das Kolbenmittel eine Durchtrittsöffnung für den Massenstrom begrenzt und der Zylinder auf der anderen Seite des Kolbenmittels mit einem Zylinderanschluß zur Abfuhr des Massenstroms versehen ist, bei der dem Kolbenmittel eine Meßeinrichtung zur Messung des Kolbenwegs aufgrund des Massenstroms gegen die Rückstelleinrichtung zugeordnet ist, und bei der die Rückstelleinrichtung eine dem Kolbenweg zugeordnete Rückstellkraft ausübt, die Durchtrittsöffnung einen dem Kolbenweg zugeordneten Durchströmquerschnitt aufweist und eine Anzeigeeinrichtung der Massenstrom-Größe vorgesehen ist.The invention relates to a device for measuring a mass flow Size in which a piston means against a Reset device can be moved back and forth, with the cylinder on one side of the piston means with a cylinder connection for supplying the Mass flow is provided, the piston means a passage for limits the mass flow and the cylinder on the other side of the Piston means with a cylinder connection for discharging the mass flow is provided in which a measuring device for measuring the piston means of the piston stroke due to the mass flow against the Reset device is assigned, and at which the reset device exerts a restoring force assigned to the piston travel, which Passage opening associated with the piston path Flow cross-section and a display device Mass flow size is provided.

Der Massenstrom ist in der Regel ein Flüssigkeitsstrom oder ein Gasstrom. Die Massenstrom-Größe ist z. B. das Volumen der Masse, die pro Zeiteinheit durch die Durchtrittsöffnung strömt, oder deren Masse pro Zeiteinheit, die in kg/sec angegeben wird. Es läßt sich so durch Integration über die Zeit auch Masse an sich messen.The mass flow is usually a liquid flow or a gas flow. The mass flow size is e.g. B. the volume of mass per Unit of time flows through the passage opening, or its mass per Time unit that is specified in kg / sec. It can be so Integration over time also measure mass per se.

Bei einer bekannten ("Rota Handbuch" der Rota Apparate- und Maschinenbau Dr. Hennig K.-G., S.1-13) Vorrichtung der eingangs genannten Art ist der Durchströmquerschnitt zwischen einem Kolben und einer Zylinderwand so vorgesehen, daß er sich entlang dem Kolbenweg vergrößert. Der Kolben ist ein Schwimmer, der auf einem vertikal aufwärtsströmenden Massenstrom aufliegt und der unabhängig von seiner Auslenkung bzw. dem Kolbenweg mit konstanter Rückstellkraft wirkt. Es wird nur der Kolbenweg gemessen und das Meßergebnis wird über eine fest eingestellte Übertragungseinrichtung an der Anzeigeeinrichtung als jeweilige Massenstrom-Größe angegeben. Die Übertragungseinrichtung setzt in fest eingestellter Weise einen Algorithmus um, durch den der Kolbenweg und die Massenstrom- Größe miteinander verbunden sind.In a known ("Rota manual" of the Rota apparatus and Mechanical engineering Dr. Hennig K.-G., p.1-13) Device of the beginning is the flow cross-section between a piston and a cylinder wall provided so that it extends along the piston path enlarged. The piston is a float that is on a vertical upward flowing mass flow and which is independent of its Deflection or the piston path acts with constant restoring force. It only the piston travel is measured and the measurement result is via a fixed transmission device on the Display device specified as the respective mass flow size. The Transmission device sets in a fixed manner an algorithm by which the piston travel and the mass flow Size are interconnected.

Die bekannte Vorrichtung läßt eine Messung nur bei einer einzigen Strömungsrichtung zu und ist nicht verwendbar, wenn sich die Strömungsrichtung umkehrt. Insbesondere eignet sich diese Vorrichtung nur für stationäre Strömungen, bei denen dm/dt = konstant gilt. Zum Erfassen von instationären Strömungen ist die bekannte Vorrichtung nicht und zwar auch nicht in einem sehr kleinen Meßbereich geeignet. Die bekannte Vorrichtung ist weiterhin nur für laminare und nicht für turbulente Strömungen geeignet.The known device only allows one measurement Flow direction too and cannot be used if the Reverses flow direction. This device is particularly suitable only for steady flows where dm / dt = constant. To the The known device is not detecting unsteady flows and also not suitable in a very small measuring range. The known device is still only for laminar and not for suitable for turbulent flows.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Messung sich umkehrender, instationärer und turbulenter Strömungen zuläßt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist, diese Aufgabe lösend, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmquerschnitt entlang dem Kolbenweg konstant ist, daß die Rückstellkraft federverursacht mit wachsendem Kolbenweg wächst, daß eine Meßeinrichtung zur Messung des Drucks im Zylinder auf einer Seite des Kolbenmittels vorgesehen ist und daß die Kolbenweg-Meßeinrichtung und die Zylinderdruck-Meßeinrichtung an eine selbsttätige Recheneinheit angeschlossen sind, die einen Speicher für einen digitalen Filteralgorithmus aufweist und die Anzeigeeinrichtung speist.An object of the invention is therefore a device of the beginning to create the kind of measurement that is inverse, allows unsteady and turbulent flows. The invention Device is solving this problem, characterized in that the Flow cross section along the piston path is constant that the Restoring force caused by spring with increasing piston travel grows a measuring device for measuring the pressure in the cylinder on one side of the piston means is provided and that the piston travel measuring device and the cylinder pressure measuring device to an automatic computing unit are connected, which is a memory for a digital filter algorithm has and feeds the display device.

Bei dieser Gestaltung der Vorrichtung und dem geeigneten digitalen Filteralgorithmus lassen sich die Massenstrom-Größen auch bei sich umkehrenden, instationären und turbulenten Strömungen messen. Es ist möglich, schnelle Änderungen der Strömungen und instationäre Strömungen innerhalb eines sehr großen Meßbereichs zu messen. Da die zu messenden Massenströme in einem Digitalfilter rekonstruiert werden, gelingt es ohne besonderen Zusatzaufwand durch die numerische Integration auch den Absolutwert der durchgeströmten Massen zu ermitteln. Durch die Konstanthaltung des Durchströmquerschnitts bei veränderter Rückstellkraft und durch die zusätzliche Messung des Drucks im Zylinder ist die Verwendung des digitalen Filteralgorithmus möglich, der die erwünschten Massenstrom-Größen bei den verschiedenen Arten von Strömungen liefert.With this design of the device and the appropriate digital The filter algorithm also allows the mass flow variables to be used reverse, unsteady and turbulent flows. It is possible rapid changes in flows and transient Measure flows within a very large measuring range. Since the mass flows to be measured are reconstructed in a digital filter, succeeds without any special additional effort through the numerical Integration also increases the absolute value of the masses flowed through determine. By keeping the flow cross-section constant changed Restoring force and by the additional measurement of the pressure in the Cylinder is the use of the digital filter algorithm possible of the desired mass flow sizes at the different Types of currents supplies.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn die Anzeigeeinrichtung und/oder die Recheneinheit von der Kolbenweg-Meßeinrichtung und der Zylinderdruck-Meßeinrichtung über lange elektrische Leitungen einen großen Abstand aufweist. Diese vorteilhafte Gestaltung schafft neue Ein satzmöglichkeiten der hier zur Rede stehenden Vorrichtung zum Messen.It is particularly expedient and advantageous if the display device and / or the computing unit of the piston travel measuring device and the Cylinder pressure measuring device over long electrical lines has a large distance. This advantageous design creates new ones Possibilities of the device in question for measuring here.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn die Druckmessung nur auf der Zufuhrseite des Kolbenmittels vorgesehen ist oder wenn auf beiden Seiten des Kolbenmittels je eine Druckmessung vorgesehen ist. Beide Ausführungsformen verbessern die Genauigkeit der Ermittlung der Massenstrom-Größen auch bei komplizierten Strömungsverhältnissen unter Einsatz eines entsprechenden digitalen Filteralgorithmus. Im Falle der Strömungsumkehr wird in der Regel mit beidseitiger Druckmessung gearbeitet.It is also particularly expedient and advantageous if the Pressure measurement is only provided on the feed side of the piston means or if there is a pressure measurement on both sides of the piston means is provided. Both embodiments improve the accuracy of the Determination of the mass flow values even with complicated ones Flow conditions using an appropriate digital Filter algorithm. In the case of flow reversal, the rule is with bilateral pressure measurement worked.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es sodann, wenn das Kolbenmittel eine mit der Wandung des Zylinders verbundene, auslenkbare, elastische Membran ist, die einen Durchbruch als Durchtrittsöffnung aufweist. Dies ist ein konstruktiv vereinfachtes, in der Ansprechgenauigkeit verbessertes Kolbenmittel mit Rückstelleinrichtung. Zur Kolbenweg-Messung werden an der Membran Dehnungsmeßstreifen vorgesehen. Der Durchbruch ist in der Regel von einer Art Verdickung, d. h. einem Rohrstutzen gebildet, durch den eine im wesentlichen laminare Strömung hindurchgehen kann. In der Regel sind zwei solche Membranen mit Abstand voneinander vorgesehen, die gemeinsam ein Rohrstück tragen.It is then particularly expedient and advantageous if that Piston means one connected to the wall of the cylinder, deflectable, elastic membrane that is considered a breakthrough Has passage opening. This is a structurally simplified one Accuracy of improved piston means with reset device. Strain gauges are used on the membrane to measure the piston travel intended. The breakthrough is usually a kind of thickening, d. H. a pipe socket through which a substantially laminar Current can pass through. As a rule, there are two such membranes spaced apart, which together form a piece of pipe carry.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es noch, wenn der Zylinder mit seiner Längsachse unter einem Winkel zu einer Vertikalen angeordnet ist. Diese in vielen Einzelfällen erwünschte, z. B. horizontale Anordnung ist möglich, weil die Rückstellkraft nicht von der Schwerkraft abhängt.It is particularly expedient and advantageous if the cylinder with its longitudinal axis is arranged at an angle to a vertical. This is desired in many individual cases, e.g. B. is horizontal arrangement possible because the restoring force does not depend on gravity.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Strömungsleitungen zur Zufuhr und zur Abfuhr des Massenstroms an den Zylinder unter einem Winkel zur Längsachse des Zylinders angeschlossen sind. Die Strömungsleitungen müssen nicht koaxial an dem Zylinder angeschlossen sein, weil sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch komplizierte Strömungsverhältnisse in dem Zylinder berücksichtigen lassen.It is also particularly expedient and advantageous if the Flow lines for the supply and discharge of the Mass flow to the cylinder at an angle to the longitudinal axis of the cylinder are connected. The flow lines do not have to be connected coaxially to the cylinder, because the device according to the invention also complicated Have the flow conditions in the cylinder taken into account.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es ebenso, wenn eine Meßeinrichtung zur Messung der Temperatur des Massenstroms vorgesehen und an die Recheneinheit angeschlossen ist.It is also particularly expedient and advantageous if one Measuring device for measuring the temperature of the mass flow provided and connected to the computing unit.

Hierdurch ist berücksichtigt, daß viele Eigenschaften der zu messenden Massen von der Temperatur abhängig sind und die interessierenden Massen-Größen sich mit der Temperatur ändern.This takes into account the fact that many properties of those to be measured Masses depend on the temperature and the ones of interest Mass sizes change with temperature.

Es erfolgt eine digitale Meßwerterfassung. Die Meßeinrichtungen können auch als Sensoren bezeichnet werden. Die Vorrichtung läßt sich zur Messung von Flüssigkeits- und Gasmassenströmen und entsprechenden Massen verwenden. Der Massenstrom durch die Durchtrittsöffnung läßt sich als eine Art Leckstrom bezeichnen. Die Durchtrittsöffnung ist z. B. durch einen Abstand zwischen einem Kolbenrand und der Zylinderwand verwirklicht oder eine im Kolben selbst vorgesehene Durchtrittsöffnung.A digital measured value acquisition takes place. The measuring devices can also referred to as sensors. The device can be Measurement of liquid and gas mass flows and corresponding Use masses. The mass flow through the passage opening describe themselves as a kind of leakage current. The passage opening is z. B. by a distance between a piston rim and the cylinder wall realized or a passage opening provided in the piston itself.

Die Recheneinheit, die den digitalen Filteralgorithmus realisiert, ist ein Computer, ein Mikroprozessor, ein Signalprozessor oder Hardware. Der digitale Filteralgorithmus ermittelt aus den zugeführten Meßwerten den interessierenden Massenstrom und/oder den absoluten Wert der durchgeströmten Masse. Der vom Filteralgorithmus ermittelte Massenstrom wird numerisch integriert, wodurch sich die interessierende Masse ergibt, so daß eine Massenmessung verwirklicht ist.The computing unit that realizes the digital filter algorithm is a Computer, a microprocessor, a signal processor or hardware. Of the digital filter algorithm determines the from the supplied measured values mass flow of interest and / or the absolute value of the flowed mass. The one determined by the filter algorithm Mass flow is integrated numerically, which makes the interested Mass results, so that a mass measurement is realized.

In dem digitalen Filteralgorithmus ist ein digitales mathematisches Modell der Meßanordnung realisiert, wozu z. B. der Zylinder, das Kolbenmittel, die Durchtrittsöffnung, Zufluß und Abfluß gehören. Es werden als Bestandteile des Filteralgorithmus sogenannte Störmodelle realisiert. Im Rahmen der Ermittlungen der Recheneinheit findet gleichzeitig eine Berechnung der Fehlerkovarianz statt, wodurch ein Maß für die Güte einer Schätzung vorliegt. Unerwünschte Nebenströme, die z. B. durch mehrere Undichtigkeiten treten, werden in mathematischen Modellen des Filteralgorithmus berücksichtigt. Der eingesetzte Filteralgorithmus ist in der Regel mit einem Extended Kalman- Filter versehen.In the digital filter algorithm is a digital mathematical model the measuring arrangement realized what z. B. the cylinder, the piston means, the Passage opening, inflow and outflow belong. There are components the filter algorithm realizes so-called interference models. As part of the Determinations of the computing unit find one at the same time Calculation of error covariance takes place, which is a measure of the Goodness of an estimate. Undesirable side streams that e.g. B. through several leaks are in mathematical Models of the filter algorithm are taken into account. Of the The filter algorithm used is usually with an Extended Kalman Provide filter.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und zeigtIn the drawing are preferred embodiments of the invention shown and shows

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Messung einer Massenstrom-Größe, Fig. 1 shows a device for measuring a mass flow size,

Fig. 2 einen Teil einer weiteren Vorrichtung zur Messung einer Massenstrom-Größe, Fig. 2 shows a part of a further device for measuring a mass flow size,

Fig. 3 eine ein Meßprinzip verdeutlichende Skizze, Fig. 3 is an illustrative measuring principle a sketch

Fig. 4 eine Blockdarstellung eines Zylinder-Kolben-Federsystems und eines angeschlossenen Extended Kalman-Filters und Fig. 4 is a block diagram of a cylinder-piston spring system and a connected Extended Kalman filter and

Fig. 5 ein Strukturbild zu dem Meßprinzip gemäß Fig. 3 und der Blockdar stellung gemäß Fig. 4. Fig. 5 is a structural diagram for the measuring principle according to FIG. 3 and the Blockdar position according to Fig. 4.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt einen Zylinder 1, in dem ein als Kolben ausgebildetes Kolbenmittel 2 an den Zylinderwandungen gleitbar geführt ist. Von dem Kolbenmittel 2 ragt eine Kolbenstange 3 weg, die außerhalb des Zylinders 1 von einer federnden Rückstelleinrichtung 4 beaufschlagt ist. Über die Kolbenstange 3 wird auch eine Meßeinrichtung 5 zur Messung des Kolbenwegs betätigt. Auf der einen Seite des Kolbenmittels 2 ist im Zylinder 1 eine Meßeinrichtung 7 zur Messung des Drucks im Zylinder angeordnet. Die beiden Meßeinrichtungen sind über je einen Digital-Analog-Umsetzer 6.1 bzw. 6.2 an eine Recheneinheit 8 angeschlossen, an die sich eine Anzeigeeinrichtung 12 anschließt. Der Zylinder 1 ist mit einem Zylinderanschluß 9 zur Zufuhr und mit einem Zylinderanschluß 10 zur Abfuhr der Massenströmung versehen und das Kolbenmittel 2 ist mit einer Durchtrittsöffnung 11 versehen.The apparatus of Fig. 1 comprises a cylinder 1 in which a piston designed as piston means is slidably guided on the cylinder walls. 2 A piston rod 3 projects from the piston means 2 and is acted upon by a resilient return device 4 outside the cylinder 1 . A measuring device 5 for measuring the piston travel is also actuated via the piston rod 3 . On one side of the piston means 2 , a measuring device 7 for measuring the pressure in the cylinder is arranged in the cylinder 1 . The two measuring devices are each connected via a digital-to-analog converter 6.1 or 6.2 to a computing unit 8 to which a display device 12 is connected. The cylinder 1 is provided with a cylinder connection 9 for supply and with a cylinder connection 10 for discharging the mass flow, and the piston means 2 is provided with a passage opening 11 .

Der Wegaufnehmer 5 liefert ein dem aktuellen Kolbenweg "x" proportionales Signal u_x (t). Dieses wird dem Digital-Analog-Umsetzer 6.1 zugeführt. Der Kammerdruck p₁ (t) (und ggf. auch der Kammerdruck p₂ (t)) wird mit dem Druckmesser 7 ebenfalls erfaßt und von diesem in ein druckproportionales Signal u_p (t) verwandelt. u_p (t) wird dem Digital-Analog-Umsetzer 6.2 zugeführt. Die digitalisierten Abbilder von x (t) und von p₁ (t) werden in ein digitales Filter eingelesen. In Fig. 1 ist dieses digitale Filter in einem Computer realisiert. Der zu messende Massenstrom wird über den Zylinderanschluß 9 an den Zylinder angeschlossen und über den Zylinderanschluß 10 weitergeleitet. Dabei muß der zu messende Massenstrom als "Leckstrom" durch eine Durchtrittsstelle 11 im Kolben (z. B. durch eine Bohrung im Kolben) hindurchtreten und dabei einen Widerstand überwinden. Bei hinreichend langen zylindrischen Durchtrittsstellen (Bohrungen) hängt dieser Widerstand wesentlich von der Geometrie der Durchtrittsstelle ab und legt den Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Kammerdrücken p₁ (t) und p₂ (t) und dm/dt fest. Dieser Zusammenhang ist bei laminaren Strömungen als Gesetz von Hagen-Poiseuille bekannt. Die unterschiedlichen Kammerdrücke p₁ (t) und p₂ (t) resultieren über die Kolbenflächen A1 und A2 in eine resultierende Kraft, welche den Kolben in x-Richtung beschleunigt. Gegen die Kolbenaktion wirkt die Rückstellein richtung 4.The displacement sensor 5 supplies a signal u _x (t) proportional to the current piston travel "x". This is fed to the digital-to-analog converter 6.1 . The chamber pressure p₁ (t) (and possibly also the chamber pressure p₂ (t)) is also detected by the pressure gauge 7 and converted by this into a pressure-proportional signal u _p (t). u _p (t) is fed to the digital-to-analog converter 6.2 . The digitized images of x (t) and p₁ (t) are read into a digital filter. In Fig. 1, this digital filter is implemented in a computer. The mass flow to be measured is connected to the cylinder via the cylinder connection 9 and passed on via the cylinder connection 10 . The mass flow to be measured must pass as a "leakage flow" through a passage point 11 in the piston (eg through a bore in the piston) and thereby overcome a resistance. With sufficiently long cylindrical passage points (bores), this resistance depends essentially on the geometry of the passage point and defines the relationship between the different chamber pressures p 1 (t) and p 2 (t) and dm / dt. This relationship is known as the law of Hagen-Poiseuille in laminar flows. The different chamber pressures p₁ (t) and p₂ (t) result via the piston surfaces A1 and A2 in a resulting force which accelerates the piston in the x direction. The Rückstellein device 4 acts against the piston action.

Der wirkungsmäßige Zusammenhang zwischen Massenströmen, Kammerdrücken und Kolbenbewegung gegen die Rückstelleinheit wird durch ein System von nichtlinearen, gekoppelten Differentialgleichungen beschrieben. Dieses Differentialgleichungssystem ist in diskreter Nachbildung (diskretes mathematisches Modell) ein Bestandteil des Filteralgorithmus. Der Filteralgorithmus liest die digitalen Abbilder von x (t) und p₁ (t) ein und bildet unter Zuhilfenahme des diskreten mathematischen Modells eine Voraussage (Prädiktion) über alle inneren physikalischen Größen - also auch von dm₁/dt und von dm₂/dt - zum nächsten Abtastzeitpunkt. Auch die zu erwartenden Meßwerte x und p₁ werden für den nächsten Abtastzeitpunkt vorausgesagt und anschließend mit den tatsächlichen Meßwerten verglichen; schließlich findet in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs eine Korrektur aller vorausgesagten Werte statt. Die soeben beschriebene Vorgehensweise der rechnergestützten Ermittlung von unzugänglichen physikalischen Größen ist unter dem Namen Extended Kalman-Filter bekannt. Eine weitere Eigenschaft dieses Algorithmus ist es, daß gleichzeitig eine Angabe über die Fehlerkovarianz der Filterung und damit über die Güte der Messung gegeben werden kann. Die laufenden Ergebnisse der Messung können auf dem Monitor dargestellt werden.The effective connection between mass flows, Chamber pressure and piston movement against the return unit will through a system of nonlinear, coupled differential equations described. This system of differential equations is discrete Replication (discrete mathematical model) is part of the Filter algorithm. The filter algorithm reads the digital images of x (t) and p₁ (t) and forms with the aid of the discrete mathematical model a prediction (prediction) about all inner physical quantities - also from dm₁ / dt and from dm₂ / dt - to next sampling time. The expected measured values x and p₁ are predicted for the next sampling time and then compared with the actual measured values; finally takes place in Depending on the result of the comparison, a correction of all predicted values instead. The procedure of the just described computer-aided determination of inaccessible physical quantities is known as the Extended Kalman filter. Another The property of this algorithm is that an indication of the error covariance of the filtering and thus the quality of the Measurement can be given. The current results of the Measurements can be displayed on the monitor.

Eine hohe Dynamik der zu messenden Massenströme wird bei diesem Verfahren dadurch berücksichtigt, daß man für dm₁/dt und dm₂/dt sogenannte Störmodelle mit in den Filteralgorithmus aufnimmt. Durch zusätzliche numerische Integration des vom Filteralgorithmus geschätzten Massenstroms dm₂/dt kann man die aus der Meßeinrichtung ausströmende Masse m₂ bestimmen und zusätzlich auf dem Monitor zur Anzeige bringen. Dasselbe gilt für die einströmende Masse m₁.A high dynamic of the mass flows to be measured is with this The method takes into account that for dm₁ / dt and dm₂ / dt includes so-called interference models in the filter algorithm. By additional numerical integration of that estimated by the filter algorithm Mass flow dm₂ / dt you can from the measuring device Determine outflowing mass m₂ and also on the monitor Bring ad. The same applies for the inflowing mass m₁.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist das Kolbenmittel 2 von einer Membran gebildet, die mittig mit einem die Durchtrittsöffnung 11 bildenden Durch bruch versehen ist und mit Dehnungsmeßstreifen 13 belegt ist. Hier ist die Rückstelleinrichtung in die elastisch dehnbare Membran integriert. Die Ausführungen zu Fig. 1 treffen im übrigen auch auf Fig. 2 zu.In the device according to FIG. 2, the piston means 2 is formed by a membrane which is provided in the middle with a breakthrough forming the passage opening 11 and is covered with strain gauges 13 . Here the reset device is integrated into the elastically stretchable membrane. The remarks on FIG. 1 also apply to FIG. 2.

Fig. 3 verdeutlicht das im vorliegenden Fall angewendete Meßprinzip. Es werden der Druck des zufließenden Gasstroms und der Weg x erfaßt, die der Kolben eines angeschlossenen Zylinders unter dem Einfluß dieses Gasstroms zurücklegt. Zu der Versuchsanordnung gemäß Fig. 3 gilt:
Während man normalerweise versucht, in Pneumatikzylindern den Leckfluß zu vermeiden, wird dieser hier gerade zur kennzeichnenden Eigenschaft. Durch eine Bohrung im Kolben kann der eintretende Massenstrom vom Eingang zum Ausgang durchgelassen werden. Die an den Kolbenflächen auftretenden Druckunterschiede resultieren in einer "Kolbenkraft". Diese wirkt gegen eine Druckfeder und beschleunigt den Kolben. Der gemessene Kolbenweg ist also ein Maß für die aktuelle Druckdifferenz zwischen den Kolbenflächen; daraus berechnet sich im einfachsten Fall der laminaren Rohrströmung nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille auch der "Leckfluß". Diese Wegmessung würde im stationären Fall bereits ausreichen, um den Gasmengenstrom zu messen. Für Gasmengenmeßverfahren sehr hoher Dynamik muß aber auch die Eigendynamik der Meßeinrichtung mit berücksichtigt werden. Und das heißt:
Berücksichtigung der Massenträgheit des Kolbens, der Kontinuitätsgleichungen usw. Damit ist folgendes Meßkonzept nötig:
Man erstellt ein mathematisches Modell (also ein System von nichtlinearen, gekoppelten Differentialgleichungen) des Gesamtsystems "Pneumatikzylinder". Dieses Modell simuliert man auf einem Rechner und versorgt das Modell mit denselben "Ausgangsgrößen", die auch an der realen Anlage zur Verfügung stehen, also dem Kolbenweg und dem Druck der Zuluft. Unter sehr allgemeinen Voraussetzungen - die hier erfüllt sind - stimmen bei Gleichheit von gemessenen und simulierten "Ausgangsgrößen" auch alle "inneren Größen" von Modell und Versuchsaufbau überein, also insbesondere auch der "Leckstrom". Aus der Systemtheorie sind für solche Meßverfahren die sogenannten Kalmanbeobachter bekannt. Diese setzen aber, damit sie einwand freifunktionieren, voraus, daß der zu beobachtende Versuchsaufbau durch ein lineares mathematisches Modell hinreichend genau beschrieben werden kann und daß kein Meßrauschen auftritt. Beide Voraussetzungen sind hier nicht gegeben. Alternativ zum Kalmanbeobachter gibt es u. a. auch das Extended Kalman-Filter (EKF). Dieses arbeitet unter den "verschärften" Bedingungen der Nichtlinearität und der Anwesenheit von Rauschprozessen. Die Skizze gemäß Fig. 4 verdeutlicht das Vorhergehende. Schließlich wird durch numerische Integration von dm₂/dt die tatsächlich durchgeströmte Gasmenge angegeben. Fig. 3 illustrates the measurement principle applied in this case. The pressure of the inflowing gas stream and the path x which the piston of a connected cylinder travels under the influence of this gas stream are recorded. The following applies to the experimental arrangement according to FIG. 3:
While attempts are usually made to avoid leakage in pneumatic cylinders, this is becoming a characteristic feature. The incoming mass flow from the inlet to the outlet can be let through a bore in the piston. The pressure differences occurring on the piston surfaces result in a "piston force". This acts against a compression spring and accelerates the piston. The measured piston travel is therefore a measure of the current pressure difference between the piston surfaces; in the simplest case of laminar pipe flow, the "leakage flow" is also calculated from the Hagen-Poiseuille law. In the stationary case, this distance measurement would already be sufficient to measure the gas flow. For gas quantity measuring methods with very high dynamics, however, the inherent dynamics of the measuring device must also be taken into account. And that means:
Consideration of the inertia of the piston, the continuity equations etc. The following measurement concept is necessary:
A mathematical model (ie a system of non-linear, coupled differential equations) of the overall system "pneumatic cylinder" is created. This model is simulated on a computer and the model is supplied with the same "output variables" that are also available in the real system, ie the piston travel and the pressure of the supply air. Under very general conditions - which are fulfilled here - if the measured and simulated "output variables" are the same, all the "internal variables" of the model and the test set-up also agree, in particular the "leakage current". The so-called Kalman observer is known from system theory for such measurement methods. However, in order for them to function properly, these presuppose that the experimental setup to be observed can be described with sufficient accuracy using a linear mathematical model and that no measurement noise occurs. Both conditions are not met here. As an alternative to the Kalman observer, there is also the Extended Kalman filter (EKF). This works under the "tightened" conditions of non-linearity and the presence of noise processes. The sketch of FIG. 4 illustrates the foregoing. Finally, the amount of gas actually flowed through is indicated by numerical integration of dm₂ / dt.

Es sind für eine Ausführungsform die definierenden Gleichungen des, dem Filteralgorithmus zugrundeliegenden (vereinfachten) Prozeßmodells angegeben: Für die Modellierung der Massenströme gilt, daß sich in Abhängigkeit davon, ob es sich gerade um laminare oder turbulente Blenden- oder Rohrströmung handelt, hierfür qualitativ unterschiedliche mathematische Modelle herangezogen werden müssen. Diese unterschiedlichen Modelle werden hier auch "Störmodelle" genannt. Diese unterschiedlichen Störmodelle werden in Kalman-Filter gleichzeitig simuliert und das Filter entscheidet - durch Vermessung der Residuenprozesse -, welches Modell und damit welcher Strömungszustand gerade vorliegt. Auf der Grundlage des aktuellen Modells wird die aktuelle Schätzung durchgeführt. Auf eine Herleitung der definierenden Gleichungen wird hier verzichtet. Man kann alle notwendigen Systemgleichungen, wie in der Regelungstechnik üblich, zu einem Strukturbild gemäß Fig. 5 zusammenhängen, und daraus dann das mathematische Modell in Form von gekoppelten, nichtlinearen Differentialgleichungen erster Ordnung anschreiben. Man spricht hierbei auch von einem Zustandsmodell.The defining equations of the (simplified) process model on which the filter algorithm is based are given for one embodiment: For the modeling of the mass flows, depending on whether it is laminar or turbulent orifice or tube flow, the mathematical quality is different Models must be used. These different models are also called "interference models" here. These different perturbation models are simulated in Kalman filters at the same time and the filter decides - by measuring the residual processes - which model and thus which flow state is present. The current estimate is made based on the current model. The defining equations are not derived here. All of the necessary system equations, as is customary in control engineering, can be connected to form a structure according to FIG. 5, and the mathematical model can then be written from them in the form of coupled, non-linear first-order differential equations. One speaks here of a state model.

Aus diesem Strukturbild liest man das nichtlineare mathematische Modell (Zustandsmodell) ab. Mit den Zwischengrößen:
x₁ = x
x₂ = x
x₃ = p₁
x₄ = p₂
x₅ = ₁
x₆ = ₂The nonlinear mathematical model (state model) can be read from this structure picture. With the intermediate sizes:
x₁ = x
x₂ = x
x₃ = p₁
x₄ = p₂
x₅ = ₁
x₆ = ₂

lautet es sodann:then it reads:

V₁ (t) und V₂ (t) sind entweder deteriministische Signale oder zeitliche Realisierungen im stochastischen Prozessen (und als solche durch ein Störmodell nachbildbar) - je nachdem ob es sich um laminare oder turbulente Massenströme handelt.V₁ (t) and V₂ (t) are either deterministic signals or temporal Realizations in stochastic processes (and as such through a Interference model can be reproduced) - depending on whether it is laminar or turbulent mass flows.

Dieses kontinuierliche mathematische Modell werde nach dem Eulerschen Polygonzugverfahren diskretisiert. Die Schrittweite für die dabei notwendigen Zeitschritte stellt die Abtastzeit T_ab dar mit der der EKF- Algorithmus die gemessenen Größen einliest. Wir erhalten: This continuous mathematical model is discretized using the Euler polygon process. The step size for the time steps required represents the sampling time T _ab with which the EKF algorithm reads in the measured quantities. We obtain:

Hierfür sei abkürzend geschrieben: x _k+1 = f(x_k)For this it should be abbreviated: x _{k + 1} = f (x _k )

Im obigen nichtlinearen Zustandsmodell bedeutenMean in the nonlinear state model above

V₁(x_{1, k}) = V_tot+A₁x_{1, k}
V₂(x_{1, k}) = V_tot+l_zylA₂-A₂x_{1, k} V₁ (x _{1, k} ) = V _tot + A₁x _{1, k}
V₂ (x _{1, k} ) = V _tot + l _cyl A₂-A₂x _{1, k}

die Volumina in den beiden Zylinderkammern.the volumes in the two cylinder chambers.

Als Meßgrößen stehen die (verrauschte) Kolbenposition x_{1, k} und der (verrauschte) Kammerdruck - also x_{3, k} - zur Verfügung. Diese seien im 2-dimensionalen "Meßvektor"The (noisy) piston position x _{1, k} and the (noisy) chamber pressure - i.e. x _{3, k} - are available as measured variables. These are in the 2-dimensional "measurement vector"

bzw.respectively.

Beim Kalmanfilter handelt es sich bekanntlich um ein sogenanntes Optimalfilter. Es werden die inneren Größen, d. h. die Zustandsgrößen eines dynamischen Systems auf der Grundlage von verrauschten Ein- und Ausgangsgrößen geschätzt, wobei die Varianz des Schätzfehlers ein Minimum ist. Diese Schätzmethode läßt sich auch auf den nichtlinearen Fall erweitern. Man spricht dann von einem erweiterten Kalmanfilter oder dem Extended Kalman-Filter. Grob gesprochen handelt es sich beim Kalmanfilter und auch beim Extended Kalman-Filter um einen Algorithmus, der in Echtzeit die gesamte Systemdynamik des betrachteten Systems, dessen inneren Größen beschätzt werden sollen, simuliert. Außerdem werden die Eingangsgrößen und die zugänglichen Ausgangsgrößen des betrachteten Systems abgetastet und dem Filteralgorithmus zugeführt.The Kalman filter is known to be a so-called Optimal filter. The inner sizes, i.e. H. the state variables a dynamic system based on noisy inputs and Output variables are estimated, taking the variance of the estimation error Minimum is. This estimation method can also be applied to the non-linear one Expand case. One then speaks of an extended Kalman filter or the Extended Kalman filter. Roughly speaking, it is Kalman filter and also with the Extended Kalman filter around an algorithm, the real-time system dynamics of the system under consideration, whose inner sizes are to be estimated. also the input variables and the accessible output variables of the considered system and fed to the filter algorithm.

Der Filteralgorithmus besteht zunächst aus dem diskreten mathematischen Modell d. h. den definierenden Differenzen-Gleichungen des betrachteten Systems "Zylinder-Kolbenanordnung mit Leckströmung". Auf der Grundlage der Messungen liefert dieses diskrete mathematische Modell eine Vorhersage, eine Prädiktion für die Zustandsgrößen und für die zu erwartenden Ausgangsgrößen zum nächsten Zeitpunkt. Die prädizierten Ausgangsgrößen werden anschließend mit den tatsächlich anfallenden Ausgangsgrößen verglichen und es wird ein Fehlersignal, der Residuenprozeß, gebildet. Dieses Fehlersignal wird zur Korrektur der ursprünglichen prädizierten Zustandsgrößen verwendet. Zum Zwecke der Korrektur wird dieses Fehlersignal mit einer sogenannten Kalmanverstärkung multipliziert, die ebenfalls mit jedem Abtastschritt neu berechnet wird. Eine weitere Zwischengröße, die in jedem Schritt des Filteralgorithmus berechnet werden muß, ist die sogenannte Fehlerkovarianzmatrix. Diese liefert ein Maß für die Streuung der gefilterten Werte um den tatsächlichen Wert. Damit wird auch eine Qualitätsaussage über die gemessenen Werte möglich.The filter algorithm initially consists of the discrete mathematical one Model d. H. the defining difference equations of the considered Systems "cylinder-piston arrangement with leakage flow". On the This discrete mathematical model provides the basis for the measurements a prediction, a prediction for the state variables and for the expected output variables at the next point in time. The predicted Output variables are then compared with the actual ones Output variables are compared and an error signal is generated Residual process, formed. This error signal is used to correct the original predicted state variables used. For the purpose of correction multiplies this error signal by a so-called Kalman gain, which is also recalculated with each sampling step. Another Intermediate size that is calculated in each step of the filter algorithm is the so-called error covariance matrix. This delivers Measure of the spread of the filtered values around the actual value. This also provides a quality statement about the measured values possible.

Claims

1. Device for measuring a mass flow quantity,
in which a piston means can be moved back and forth against a return device in a cylinder,
in which the cylinder is provided on one side of the piston means with a cylinder connection for supplying the mass flow, the piston means delimits a passage opening for the mass flow and the cylinder is provided on the other side of the piston means with a cylinder connection for discharging the mass flow,
in which the piston means a measuring device for measuring the Kol benweg is assigned due to the mass flow against the return device, and
in which the restoring device exerts a restoring force assigned to the piston path, the passage opening has a flow cross-section assigned to the piston path and a display device of the mass flow size is provided,
characterized,
that the flow cross-section along the piston path is constant,
that the restoring force is caused by the spring as the piston travel increases,
that a measuring device ( 7 ) for measuring the pressure in the cylinder ( 1 ) is provided on one side of the piston means ( 2 ), and
that the piston travel measuring device ( 5 ) and the cylinder pressure measuring device ( 7 ) are connected to an automatic computing unit ( 8 ) which has a memory for a digital filter algorithm and feeds the display device ( 12 ).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the display device ( 12 ) and / or the computing unit ( 8 ) from the piston travel measuring device ( 5 ) and the cylinder pressure measuring device ( 7 ) have a large distance over long electrical lines.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure measurement ( 7 ) is only provided on the feed side of the piston means ( 2 ).

4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that a pressure measurement ( 7 ) is provided on both sides of the piston means ( 2 ).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piston means ( 2 ) with the wall of the cylinder ( 1 ) is connected, deflectable, elastic membrane which has an opening as a passage opening ( 11 ).

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder ( 1 ) is arranged with its longitudinal axis at an angle to a vertical.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that flow lines ( 9 , 10 ) for supplying and discharging the mass flow to the cylinder ( 1 ) are connected at an angle to the longitudinal axis of the cylinder.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a measuring device for measuring the Temperature of the mass flow provided and to the computing unit connected.