VERFAHREN ZUR KALIBRATION ODER ZUM ABGLEICH EINER METHOD FOR CALIBRATING OR FOR ADJUSTING A
SCHWINGFÄHIGEN EINHEIT VIBRANT UNIT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibration oder zum Abgleich einer beliebigen schwingfähigen Einheit, die in der Prozessautomatisierung zum Einsatz kommt. Die schwingfähige Einheit wechselwirkt zumindest zeitweise mit einem in einem Behälter befindlichen Medium und wird insbesondere zur Ermittlung oder Überwachung von zumindest einem sensor- und/oder systemspezifischen Parameter herangezogen. Hierbei liefern die prozessspezifischen Parameter Information über die Prozessbedingungen, die in dem Prozess herrschen, in dem die schwingfähige Einheit angeordnet ist. Die sensorspezifischen Größen betreffen Einflussfaktoren, die das Verhalten der The invention relates to a method for calibrating or adjusting any oscillatable unit used in process automation. The oscillatable unit interacts at least temporarily with a medium in a container and is used in particular to determine or monitor at least one sensor and / or system-specific parameter. Here, the process-specific parameters provide information about the process conditions that prevail in the process in which the oscillatable unit is arranged. The sensor-specific variables relate to factors influencing the behavior of the sensor
schwingfähigen Einheit in dem Medium charakterisieren. Diese Größen sind Characterize oscillatory unit in the medium. These sizes are
insbesondere geometrische Parameter und/oder sie betreffen die Materialeigenschaften und/oder die Massenverhältnisse der schwingfähigen Einheit. in particular geometric parameters and / or they relate to the material properties and / or the mass ratios of the oscillatory unit.
Der Einsatz von vibronischen Sensoren zur Bestimmung von physikalischen Größen ist in der Automatisierungstechnik - in der Prozess- und in der The use of vibronic sensors for the determination of physical quantities is used in automation technology - in process and process engineering
Fertigungsautomatisierungstechnik - weit verbreitet. Das schwingfähige Element eines vibronischen Sensors ist stoff- und/oder kraftschlüssig mit einer Membran verbunden und kann als beliebig geartete Schwinggabel oder als Einstab ausgestaltet sein. Die Membran und das mit der Membran verbundene schwingfähige Element, also die schwingfähige Einheit, werden über eine Sende-/Empfangseinheit zu Schwingungen angeregt. Bei der Sende-/Empfangseinheit handelt es sich üblicherweise um zumindest ein Factory automation technology - widely used. The oscillatable element of a vibronic sensor is connected with a membrane in a material and / or non-positive manner and can be configured as a tuning fork of any type or as a single rod. The diaphragm and the oscillatory element connected to the diaphragm, ie the oscillatable unit, are excited to oscillate via a transmitter / receiver unit. The transmitting / receiving unit is usually at least one
piezoelektrisches bzw. elektromechanisches Element. Darüber hinaus sind auch sog. Membranschwinger bekannt geworden, bei denen das schwingfähige Element nur aus einer Membran besteht. piezoelectric or electromechanical element. In addition, so-called membrane transducers have become known in which the oscillatory element consists only of a membrane.
Üblicherweise wird ein vibronischer Sensor über eine analoge Elektronik zu Usually, a vibronic sensor is connected via analogue electronics
Schwingungen angeregt, wobei die analoge Elektronik zusammen mit der schwingfähigen Einheit den analogen Schwingkreis bilden. Entsprechende vibronische Sensoren bzw. vibronische Messgeräte werden von der Anmelderin unter den Bezeichnungen Vibrations excited, the analog electronics together with the oscillatory unit form the analog resonant circuit. Corresponding vibronic sensors or vibronic measuring devices are named by the applicant
LIQUIPHANT und SOLIPHANT in vielfältigen Ausgestaltungen angeboten und vertrieben. LIQUIPHANT and SOLIPHANT are offered and distributed in various designs.
Vibronische Sensoren ermöglichen es, einen prozessspezifischen Parameter, wie den Grenzstand einer Flüssigkeit oder eines Feststoffes in einem Behälter zu detektieren. Üblicherweise wird zur Detektion eines vorgegebenen Füllstands (Grenzstand) der Sensor mit der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit betrieben. Durch die Detektion der Frequenzänderung bei einer eingestellten Phase von üblicherweise 90°
lässt sich erkennen, ob die schwingfähige Einheit mit dem Medium in Kontakt ist oder ob sie frei schwingt. Vibronic sensors make it possible to detect a process-specific parameter, such as the level of a liquid or a solid in a container. Usually, the sensor is operated at the resonant frequency of the oscillatable unit to detect a predetermined level (limit level). By detecting the frequency change at a set phase of usually 90 ° It can be detected whether the oscillating unit is in contact with the medium or whether it oscillates freely.
Darüber hinaus ist es bekannt geworden, durch die Auswertung des Schwingverhaltens von vibronischen Sensoren in einem Medium weitere prozessspezifische Parameter zu bestimmen bzw. zu überwachen. Bei diesen prozessspezifischen Parametern handelt es sich insbesondere um die Dichte und die Viskosität, aber auch um die Temperatur des Mediums. Zwecks Bestimmung der Dichte eines flüssigen Mediums wird die In addition, it has become known to determine or monitor further process-specific parameters by evaluating the vibration behavior of vibronic sensors in a medium. These process-specific parameters are, in particular, the density and the viscosity, but also the temperature of the medium. For the purpose of determining the density of a liquid medium, the
Phasendifferenz (oftmals auch einfach als Phase bezeichnet) zwischen dem Phase difference (often simply referred to as phase) between the
Eingangssignal und dem Ausgangssignal auf 45° oder -135° eingestellt. Bei Einstellung dieser Phasendifferenz ist eine Frequenzänderung eindeutig auf eine Änderung der Dichte des Mediums zurückzuführen, da eine Beeinflussung durch die Viskosität des fluiden Mediums ausgeschlossen werden kann. In der WO 02/031471 A2 ist eine Vorrichtung zur Viskositätsmessung beschrieben. Aus der EP 2 041 529 B1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines flüssigen Mediums bekannt geworden. Input signal and the output signal set to 45 ° or -135 °. When this phase difference is adjusted, a change in frequency is clearly due to a change in the density of the medium, since influence by the viscosity of the fluid medium can be ruled out. In WO 02/031471 A2 a device for measuring viscosity is described. From EP 2 041 529 B1 an apparatus for determining the density of a liquid medium has become known.
Wie anhand der zuvor genannten Beispiele ersichtlich ist, hat eine analoge Elektronik den Nachteil, dass sie relativ unflexibel ist. Insbesondere muss die analoge Elektronik an jeden Sensor bzw. Sensortyp in Abhängigkeit von seinen Schwingungseigenschaften und weiterhin in Abhängigkeit von der jeweiligen Applikation - also ob der Sensor für dieAs can be seen from the examples given above, analogue electronics have the disadvantage of being relatively inflexible. In particular, the analog electronics to each sensor or sensor type depending on its vibration characteristics and further depending on the application - so whether the sensor for the
Füllstands-, Dichte- oder Viskositätsmessung eingesetzt werden soll - angepasst werden. Eine Lösung, die die zuvor genannten Nachteile umgeht, ist in der nicht Level, density or viscosity measurement to be used - be adjusted. One solution that circumvents the aforementioned disadvantages is not
vorveröffentlichten DE 10 2012 1 13 045.0, angemeldet am 21.12.2012, der Anmelderin beschrieben. Der Inhalt der DE 10 2012 1 13 045.0 ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung explizit zuzurechnen. previously published DE 10 2012 1 13 045.0, filed on 21.12.2012, the applicant described. The content of DE 10 2012 1 13 045.0 is explicitly attributable to the disclosure content of the present patent application.
Das Portfolio an vibronischen Sensoren ist sehr variantenreich. Beispiele hierfür sind die Produkte der Anmelderin, die unter den Bezeichnungen LIQUIPHANT und SOLIPHANT angeboten und vertrieben werden. Es lässt sich konstatieren, dass sich die bekannten ebenso wie die zukünftigen Sensoren relativ stark bezüglich ihrer Geometrie The portfolio of vibronic sensors is very varied. Examples include the Applicant's products, which are offered and sold under the names LIQUIPHANT and SOLIPHANT. It can be stated that the known as well as the future sensors are relatively strong in terms of their geometry
unterscheiden. Bei der in der DE 10 2012 1 13 045.0 vorgestellten Lösung werden - zwecks analytischer Bestimmung der Wechselwirkung zwischen der als Schwinggabel ausgestalteten schwingfähigen Einheit und dem fluiden Medium - die beiden Gabelzinken der Schwinggabel über ein mathematisches Modell angenähert. Im konkreten Fall werden die beiden Gabelzinken mathematisch als ideale elliptische Zylinder angenähert. differ. In the solution presented in DE 10 2012 1 13 045.0, for the purpose of analytical determination of the interaction between the oscillatory unit designed as a vibrating fork and the fluid medium, the two forks of the tuning fork are approximated using a mathematical model. In this particular case, the two forks are mathematically approximated as ideal elliptical cylinders.
Um das aus der DE 10 2012 1 13 045.0 bekannt gewordene Verfahren auf schwingfähige Einheiten mit einer abweichenden Geometrie zu übertragen, ist es erforderlich, das mathematische Modell entsprechend abzuändern. Hierbei ist zu beachten, dass die
mathematische Beschreibung der Wechselwirkung bzw. der Interaktion zwischen der schwingfähigen Einheit und dem Medium relativ aufwändig ist. Hinzu kommen zwei weitere Aspekte: In order to transfer the method known from DE 10 2012 1 13 045.0 to oscillatable units with a deviating geometry, it is necessary to modify the mathematical model accordingly. It should be noted that the mathematical description of the interaction or the interaction between the oscillatable unit and the medium is relatively complex. There are also two other aspects:
aufgrund der komplexen Geometrie der schwingfähigen Einheit existieren zwischen der modellhaften und der realen Beschreibung immer geringfügige Due to the complex geometry of the oscillatable unit, there are always minor differences between the model description and the real description
Abweichungen. Deviations.
die Geometrien der schwingfähigen Einheiten eines Sensortyps, z.B. the geometries of the oscillatory units of a sensor type, e.g.
LIQUIPHANT T oder LIQUIPHANT M stimmen üblicherweise z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht hundertprozentig überein. LIQUIPHANT T or LIQUIPHANT M are commonly used e.g. not 100% consistent due to manufacturing tolerances.
Beide Aspekte wirken sich ungünstig auf die angestrebte hohe Messgenauigkeit der vibronischen Sensoren aus. Both aspects have an unfavorable effect on the desired high measuring accuracy of the vibronic sensors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem sich die Messgenauigkeit eines vibronischen Sensors bzw. Messgeräts verbessern lässt. The invention has for its object to propose a method with which the measurement accuracy of a vibronic sensor or measuring device can be improved.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kalibration oder zum Abgleich einer beliebigen schwingfähigen Einheit mit einem die schwingfähige Einheit beschreibenden mathematischen Modell, wobei die schwingfähige Einheit zumindest zeitweise mit einem in einem Behälter befindlichen Medium wechselwirkt und zur Ermittlung oder The object is achieved by a method for calibrating or aligning any oscillatable unit with a mathematical model describing the oscillatable unit, wherein the oscillatable unit interacts at least temporarily with a medium located in a container and for determining or
Überwachung von zumindest einem prozess- und/oder systemspezifischen Parameter in der Automatisierungstechnik herangezogen wird, Monitoring of at least one process- and / or system-specific parameters in the automation technology is used,
wobei die schwingfähige Einheit über ein reales Eingangssignal zu Schwingungen angeregt wird; wherein the oscillatable unit is excited to vibrate via a real input signal;
wobei das reale Ausgangssignal der schwingfähigen Einheit ermittelt wird; wherein the real output of the oscillatable unit is detected;
wobei das reale Ausgangssignal digitalisiert und eine reale Ausgangsfolge erzeugt wird; wobei das reale Eingangssignal digitalisiert und eine digitale Eingangsfolge erzeugt wird; wobei die digitale Eingangsfolge einem Funktionsblock zugeführt wird, der das durch zumindest zwei sensorspezifische Größen definierte mathematische Modell der schwingfähigen Einheit in Wechselwirkung mit dem Medium zur Verfügung stellt; wherein the real output signal is digitized and a real output sequence is generated; wherein the real input signal is digitized and a digital input sequence is generated; wherein the digital input sequence is supplied to a functional block which provides the mathematical model of the oscillatory unit defined by at least two sensor-specific magnitudes in interaction with the medium;
wobei über das mathematische Modell eine virtuelle Ausgangsfolge erzeugt wird; wherein a virtual output sequence is generated via the mathematical model;
wobei die virtuelle Ausgangsfolge mit der realen Ausgangsfolge verglichen wird; wherein the virtual output sequence is compared with the real output sequence;
wobei im Falle einer Abweichung die sensorspezifischen Größen des mathematischenwherein in the case of a deviation, the sensor-specific magnitudes of the mathematical
Modells adaptiv geändert werden, bis die Abweichung zwischen der virtuellen Model adaptively changed until the deviation between the virtual
Ausgangsfolge und der realen Ausgangsfolge der schwingfähigen Einheit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt. Output sequence and the real output sequence of the oscillatory unit is within a predetermined tolerance.
Die Differentialgleichung eines vibronischen Sensors ergibt sich - wie in der DE 10 2012 1 13 045.90 hergeleitet - als Gleichung zweiter Ordnung:
υε * ω = φ + 2 * Ο * ω0 * φ + ω * φ The differential equation of a vibronic sensor results - as derived in DE 10 2012 1 13 045.90 - as an equation of the second order: υ ε * ω = φ + 2 * Ο * ω 0 * φ + ω * φ
Mit der Eigenkreisfrequenz ω0 und dem Lehr'schen Dämpfungsmaß D ergeben sich folgende Formeln: With the natural angular frequency ω 0 and the Lehr's damping measure D, the following formulas result:
c(70 C (70
Wn = ■ Wn = ■
ms + mF m s + m F
ds + dF d s + d F
D =■ D = ■
2 * (m5 + mF) * ω0 2 * (m 5 + m F ) * ω 0
Die durch das fluide Medium auf den Körper wirkende Gesamtkraft FF ergibt sich durch Summation der Druckkraft FD und der Reibungskraft FR. Dabei ist die Richtung der Einzelkräfte jeweils positiv zu nehmen: The total force F F acting on the body by the fluid medium results from the summation of the pressure force F D and the frictional force F R. The direction of the individual forces should be positive:
FF = FD + FR F F = F D + F R
du you
FF = mF ■— + dF ■ u F F = m F ■ - + d F ■ u
dt mF ist als zusätzlich ankoppelnde Masse und dF als zusätzlich wirkende Dämpfung zu interpretieren:
dt m F is to be interpreted as additionally coupling mass and d F as additional acting damping:
G1 , G2 sind Parameter, die ausschließlich von der Geometrie des schwingfähigen Körpers abhängen. G1, G2 are parameters that depend exclusively on the geometry of the oscillatory body.
Für den Fall, dass das schwingfähige System durch zwei elliptische Gabelzinken angenähert wird, ergeben sich folgende Gleichungen: In the event that the oscillatory system is approximated by two elliptical prongs, the following equations result:
mF = 2■ l■ b■ X■ 2 ρη . h l 1■ p■ a 2 · π m F = 2 ■ l ■ b ■ X ■ 2 ρη . hl 1 ■ p ■ a 2 · π
ω ω
dF = 2■ l■ b■ X■ ^2ωρη d F = 2 ■ l ■ b ■ X ■ ^ 2ωρη
Die Steifigkeit der schwingfähigen Einheit ist durch c(T) gegeben, ms ist die Masse, ds die Dämpfung der frei schwingenden schwingfähigen Einheit, D das Lehrsche The stiffness of the oscillatory unit is given by c (T), m s is the mass, d s is the damping of the freely oscillating oscillatable unit, D is the Lehrsche
Dämpfungsmaß und ω0 die Eigenfrequenz. Die sensorspezifischen Größen, insbesondere die geometrischen Parameter, können über ein Parameterschätzverfahren bestimmt werden.
Nachfolgend ist Information zur Definition der Eigenfrequenz und der Resonanzfrequenz angeführt: Attenuation and ω 0 the natural frequency. The sensor-specific variables, in particular the geometric parameters, can be determined via a parameter estimation method. The following is information for defining the natural frequency and the resonance frequency:
Die Resonanzfrequenz ωγ ist immer die Frequenz, bei der die maximale Amplitude auftritt. The resonance frequency ω γ is always the frequency at which the maximum amplitude occurs.
Die Eigenfrequenz ωά ist die Frequenz, mit der eine schwingfähige Einheit frei schwingt. The natural frequency ω ά is the frequency with which an oscillatable unit freely oscillates.
Im ungedämpften Fall stellt sich eine Phase von 90° zwischen Sende- und In the undamped case, there is a phase of 90 ° between transmission and
Empfangssignal ein, wenn die schwingfähige Einheit mit der Eigenfrequenz angeregt wird. In diesem Sonderfall wird die Eigenfrequenz mit ω0 bezeichnet. Receive signal when the oscillatory unit is excited at the natural frequency. In this special case, the natural frequency is designated by ω 0 .
Die Eigen- und Resonanzfrequenz unterscheiden sich zudem im gedämpften Fall voneinander. The natural and resonant frequencies also differ from each other in the damped case.
Bei vibronischen Sensoren erfolgt die Anregung immer mit der Eigenfrequenz der ungedämpft schwingenden schwingfähigen Einheit, bei welcher sich eine Phase von 90° einstellt. Die Eigenfrequenz kann mit folgender Formel ermittelt werden:
Im ungedämpften - wie auch im gedämpften Fall - kann wO mit obiger Formel berechnet werden. In diesen Fällen erhält man die Frequenz, bei der sich eine Phase von 90° einstellt. Im gedämpften Fall entspricht diese jedoch weder der Resonanzfrequenz ωγ, noch der Eigenfrequenz ωά des gedämpften Systems. Diese sind wie folgt definiert, wobei c die Steifigkeit, m die Masse, ω0 die ungedämpfte Eigenfrequenz, ωά die gedämpfte Eigenfrequenz, ωγ die Resonanzfrequenz und D das Lehrsche For vibronic sensors, the excitation always takes place with the natural frequency of the undamped vibrating unit, in which a phase of 90 ° is established. The natural frequency can be determined with the following formula: In the undamped - as well as in the muted case - wO can be calculated with the above formula. In these cases, one obtains the frequency at which a phase of 90 ° occurs. In the damped case, however, this corresponds neither to the resonance frequency ω γ nor to the natural frequency ω ά of the damped system. These are defined as follows, where c is the stiffness, m is the mass, ω 0 is the unattenuated natural frequency, ω ά is the damped natural frequency, ω γ is the resonance frequency, and D is the learning curve
Dämpfungsmaß ist. Damping is.
Nach Abschluss des erfindungsgemäßen, bevorzugt automatisch ablaufenden After completion of the invention, preferably automatically running
Kalibrationsverfahrens können in einem nachgeschalteten Abgleichsverfahren die prozessspezifischen Parameter, insbesondere die Fluidparameter Dichte p, Viskosität η und Temperatur T über ein Parameterschätzverfahren ermittelt werden. Während bei der Durchführung des in der DE 10 2012 1 13 045.0 beschriebenen Verfahrens zur Calibration method, the process-specific parameters, in particular the fluid parameters density p, viscosity η and temperature T can be determined via a parameter estimation method in a downstream adjustment. While in the implementation of the method described in DE 10 2012 1 13 045.0 for
Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessparametern die sensorspezifischenDetermination and / or monitoring of process parameters the sensor-specific
Parameter G G2 konstant gehalten werden, werden bei der erfindungsgemäßen Lösung
insbesondere die o.g. prozess-spezifischen Parameter konstant gehalten. Anschließend werden erfindungsgemäß die sensorspezifischen Parameter solange variiert, bis die Abweichung zwischen der virtuellen Ausgangsfolge und der realen Ausgangsfolge der schwingfähigen Einheit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt oder bevorzugt gegen Null geht. Hierzu muss die schwingfähige Einheit bzw. der vibronische Sensor in einem definierten Medium bei einer konstanten Temperatur betrieben werden. Parameter GG 2 are kept constant, be in the inventive solution In particular, the above-mentioned process-specific parameters kept constant. Subsequently, according to the invention, the sensor-specific parameters are varied until the deviation between the virtual output sequence and the real output sequence of the oscillatable unit is within a predetermined tolerance range or preferably approaches zero. For this, the oscillatable unit or the vibronic sensor must be operated in a defined medium at a constant temperature.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt dem in der DE 10 2012 1 13 045.0 beschriebenen Verfahren vorgelagert. Der erfindungsgemäße Modellabgleich ermöglicht es, zumindest zwei sensorspezifische Größen, die die Interaktion zwischen der schwingfähigen Einheit und dem Medium maßgeblich beeinflussen, adaptiv an das reale Verhalten der schwingfähigen Einheit anzugleichen. Unter sensorspezifischen Größen sind hier neben den bereits mehrfach erwähnten geometrischen Parametern auch Größen zu verstehen, die das interagierende Verhalten des Sensors mit dem Medium bestimmen, wie die Materialeigenschaften der schwingfähigen Einheit oder die The process according to the invention is preferably preceded by the process described in DE 10 2012 1 13 045.0. The model comparison according to the invention makes it possible to adapt at least two sensor-specific variables, which significantly influence the interaction between the oscillatable unit and the medium, adaptively to the real behavior of the oscillatable unit. In this case, sensor-specific quantities are to be understood as meaning, in addition to the geometrical parameters already mentioned several times, variables which determine the interacting behavior of the sensor with the medium, such as the material properties of the oscillatable unit or sensors
Massenverhältnisse an der schwingfähigen Einheit. Mass ratios on the oscillatory unit.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den entscheidenden Vorteil, dass ein bestehendes Modell, z.B. das Modell, das in der DE 10 2012 1 13 045.0 im Detail für zwei elliptische Gabelzinken beschrieben ist, an beliebige und unterschiedlichste sensorspezifische Größen bzw. geometrische Parameter angepasst werden kann, ohne dass hierzu Aufwand in die Umschreibung des mathematischen Modells investiert werden muss. Während in der DE 10 2012 1 13 045.0 z.B. die geometrischen Parameter konstant gehalten werden, werden die geometrischen Parameter oder anderweitige The method according to the invention has the distinct advantage that an existing model, e.g. the model, which is described in detail in DE 10 2012 1 13 045.0 for two elliptical forks, can be adapted to any and a wide variety of sensor-specific variables or geometrical parameters, without having to invest effort in the rewriting of the mathematical model. While in DE 10 2012 1 13 045.0 e.g. the geometric parameters are kept constant, the geometric parameters or otherwise
sensorspezifischen Größen bei der erfindungsgemäßen Lösung adaptiv solange geändert, bis das Modellverhalten und das Verhalten der realen schwingfähigen Einheit hochgenau übereinstimmen. Dieser adaptive Annäherungsprozess läuft automatisch ab. Erfindungsgemäß ist es erstmals möglich - unabhängig von der tatsächlichen sensor-specific variables in the inventive solution adaptively changed until the model behavior and the behavior of the real oscillatory unit match highly accurately. This adaptive approach process runs automatically. According to the invention it is possible for the first time - regardless of the actual
Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit -, stets eine hohe Übereinstimmung zwischen einer beliebigen schwingfähigen Einheit und dem verwendeten mathematischen Modell zu erzielen. Embodiment of the oscillatory unit - to always achieve a high degree of correspondence between any oscillatable unit and the mathematical model used.
Wie bereits zuvor angedeutet, ist die schwingfähige Einheit einem Sensor oder einem Messgerät der Automatisierungstechnik zugeordnet, welches insbesondere dazu verwendet wird, den Füllstand bzw. den Grenzstand, die Dichte oder die Viskosität des Mediums in dem Behälter zu bestimmen. As already indicated above, the oscillatable unit is associated with a sensor or a measuring device of automation technology, which is used in particular to determine the fill level or the limit level, the density or the viscosity of the medium in the container.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass die schwingfähige Einheit auf einer Eigenfrequenz betrieben wird. Allerdings ist es völlig
ausreichend, wenn die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit in der Umgebung der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingsystems liegt. Diese muss nicht mit der Eigenfrequenz identisch sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt der Abgleich bzw. die Kalibration der schwingfähigen Einheit im Medium unter definierten prozess- bzw. systemspezifischen Bedingungen. Insbesondere wird die Temperatur des Kalibriermediums konstant gehalten. Gleiches gilt für die Viskosität und die Dichte des Kalibriermediums. Zudem muss dafür Sorge getragen werden, dass der An advantageous development of the method according to the invention suggests that the oscillatable unit is operated at a natural frequency. However, it is completely sufficient if the oscillation frequency of the oscillatory unit is in the vicinity of the resonance frequency of the mechanical oscillatory system. This does not have to be identical to the natural frequency. According to a preferred embodiment of the solution according to the invention, the adjustment or the calibration of the oscillatable unit in the medium takes place under defined process or system-specific conditions. In particular, the temperature of the calibration medium is kept constant. The same applies to the viscosity and the density of the calibration medium. In addition, care must be taken that the
mediumsberührende Teil der schwingfähigen Einheit während des Abgleichs stets bis zu einer definierten Eintauchtiefe mit dem Medium in Kontakt ist. medium contacting part of the oscillatory unit during the adjustment is always in contact with the medium up to a defined immersion depth.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die während des Abgleichs oder der Kalibration ermittelten sensorspezifischen Größen, insbesondere die geometrischen Parameter, in einen Speicher des Sensors bzw. des Messgeräts übertragen werden. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, werden die ermittelten sensorspezifischen Größen bzw. die geometrischen Parameter der zuvor abgeglichenen bzw. kalibrierten schwingfähigen Einheit nachfolgend im regulären Messbetrieb des Messgeräts bzw. des Sensors für die Ermittlung der prozess- und/oder systemspezifischen Parameter herangezogen werden. Ein bevorzugtes Verfahren, wie dies zu geschehen hat, ist detailliert in der bereits mehrfach zitierten DE 10 2012 1 13 045.0 beschrieben. Furthermore, it is provided that the sensor-specific variables determined during the adjustment or the calibration, in particular the geometric parameters, are transmitted to a memory of the sensor or of the measuring device. As already mentioned above, the determined sensor-specific variables or the geometrical parameters of the previously calibrated or calibrated oscillatable unit will subsequently be used in the regular measuring operation of the measuring device or the sensor for determining the process and / or system-specific parameters. A preferred method, as has to be done, is described in detail in the already cited several times DE 10 2012 1 13 045.0.
Sowohl zur Ermittlung der sensorspezifischen Größen bzw. der geometrischen Parameter als auch zur Ermittlung der prozess- und/oder systemspezifischen Parameter wird als mathematisches Modell, das die schwingfähige Einheit als lineares oder nicht lineares System beschreibt, eine Beschreibung der schwingfähigen Einheit in einem Both for determining the sensor-specific quantities or the geometric parameters and for determining the process and / or system-specific parameters, a description of the oscillatable unit in a mathematical model describing the oscillatable unit as a linear or non-linear system
Zustandsraum oder als Übertragungsfunktion verwendet. Insbesondere wird das mathematisches Modell, in dem die schwingfähige Einheit als lineares oder nicht lineares System beschrieben wird, um die zu bestimmenden Größen erweitert, um ein State space or used as a transfer function. In particular, the mathematical model in which the oscillatable unit is described as a linear or nonlinear system is extended by the quantities to be determined
Parameterschätz-verfahren zum Einsatz zu bringen. Das einsetzbare mathematischeParameter estimation method to use. The usable mathematical
Modell beschreibt die Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal durch Übertragungsfunktionen oder Übertragungsmatrizen. Als Model describes the relationship between the input signal and the output signal through transfer functions or transfer matrices. When
Parameterschätzverfahren für mathematische Modelle in Form einer Parameter estimation method for mathematical models in the form of a
Übertragungsfunktion sind bevorzugt zu nennen: die Methode der kleinsten Quadrate, das verallgemeinerte LS Verfahren, das RLS Verfahren, die Methode der Hilfsvariablen oder die Methode der Maximalen Wahrscheinlichkeit. Bevorzugt wird als Transfer functions are preferred: the least squares method, the generalized LS method, the RLS method, the auxiliary variable method, or the maximum likelihood method. Preferred is as
Parameterschätzverfahren für mathematische Modelle im Zustandsraum das Extended Kaiman Filter, der Unscented Kaiman Filter oder ein Subspace Verfahren verwendet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: Parameter estimation methods for mathematical models in state space using the Extended Kalman Filter, the Unscented Kalman Filter, or a subspace method. The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
Fig. 1 : ein Blockdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren visualisiert, Fig. 2: ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen 1 is a block diagram illustrating the method according to the invention, FIG. 2 is a flow chart showing the method steps of the invention
Verfahrens und des in der DE 10 2012 1 13 045.0 vorgestellten Verfahrens verdeutlicht, und Method and the method presented in DE 10 2012 1 13 045.0 illustrated, and
Fig. 2a: eine vergrößerte Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Verfahrens. FIG. 2 a shows an enlarged representation of the individual method steps of the method according to the invention shown in FIG. 2.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung und oder Überwachung von zumindest einer sensorspezifischen Größe, insbesondere von zwei geometrischen Parametern, visualisiert. Zur Durchführung des 1 shows a block diagram which visualizes the method according to the invention for the determination and / or monitoring of at least one sensor-specific variable, in particular of two geometric parameters. To carry out the
erfindungsgemäßen Verfahrens ist die schwingfähige Einheit zumindest zeitweise mit einem in einem Behälter befindlichen Medium bzw. Fluid in Kontakt. Die schwingfähige Einheit in Kontakt mit dem Medium bzw. Fluid ist in Fig. 1 mit dem Begriff According to the invention, the oscillatable unit is at least temporarily in contact with a medium or fluid in a container. The oscillatable unit in contact with the medium or fluid is in Fig. 1 with the term
"Prozess" gekennzeichnet. Labeled "process".
Die schwingfähige Einheit wird über ein analoges Eingangssignal zu Schwingungen angeregt. Das reale Ausgangssignal wird als Ausgangssignal der schwingfähigen Einheit ermittelt und anschließend digitalisiert, so dass eine reale Ausgangsfolge yu(k) erzeugt wird. Im gezeigten Fall wird noch eine Störgröße n(k) berücksichtigt, so dass sich die reale Ausgangsfolge yp(k) ergibt. The oscillatable unit is excited via an analog input signal to vibrate. The real output signal is determined as an output signal of the oscillatable unit and then digitized, so that a real output sequence yu (k) is generated. In the case shown, a disturbance n (k) is taken into account, so that the real output sequence yp (k) results.
Parallel hierzu wird das reale Eingangssignal digitalisiert; es wird eine digitale Parallel to this, the real input signal is digitized; it becomes a digital one
Eingangsfolge u(k) erzeugt. Die digitale Eingangsfolge u(k) wird einem Funktionsblock - hier mit Modell bezeichnet - zugeführt, der zumindest ein durch mehrere prozess- und/oder systemspezifische Parameter definiertes mathematisches Modell des schwingfähigen Systems in Wechselwirkung mit dem Medium zur Verfügung stellt. Über das mathematische Modell wird eine virtuelle Ausgangsfolge ym(k) erzeugt. Anschließend wird die virtuelle Ausgangsfolge ym(k) mit der realen Ausgangsfolge yu(k) bzw. yp(k) verglichen. Im Falle einer Abweichung e(k) wird zumindest einer der prozess- oder systemspezifischen Parameter - beim Verfahren der DE 10 2012 1 13 045.0 - oder der sensorspezifischen Größen - beim erfindungsgemäßen verfahren - des mathematischen Modells adaptiv geändert, bis die Abweichung e(k) zwischen dem virtuellen Input sequence u (k) generated. The digital input sequence u (k) is fed to a function block - here referred to as model - which provides at least one mathematical model of the oscillatory system in interaction with the medium, defined by a plurality of process and / or system-specific parameters. The mathematical model generates a virtual output sequence ym (k). Subsequently, the virtual output sequence ym (k) is compared with the real output sequence yu (k) or yp (k). In the case of a deviation e (k), at least one of the process- or system-specific parameters-in the method of DE 10 2012 1 13 045.0-or the sensor-specific variables-in the method according to the invention-of the mathematical model is adaptively changed until the deviation e (k) between the virtual
Ausgangssignal ym(k) und dem realen Ausgangssignal yu(k) bzw. yp(k) der
schwingfähigen Einheit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt. Output signal ym (k) and the real output signal yu (k) or yp (k) of the oscillatory unit is within a predetermined tolerance.
Anschließend werden die adaptiv ermittelten Parameter G1 , G2; η, p, T bereitgestellt. Subsequently, the adaptively determined parameters G1, G2; η, p, T provided.
Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das die Programmschritte 1 -3 des erfindungs-gemäßen Verfahrens - siehe auch die Vergrößerung in Fig. 2a - und die Programmschritte 10, 20, 30, 40, 50 des in der DE 10 2012 1 13 045.0 beschriebenen Verfahrens verdeutlicht. 2 shows a flowchart which describes the program steps 1 -3 of the method according to the invention - see also the enlargement in FIG. 2 a - and the program steps 10, 20, 30, 40, 50 of the method described in DE 10 2012 1 13 045.0 Clarified procedure.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibration oder zum Abgleich einer beliebigen schwingfähigen Einheit mit einem die schwingfähige Einheit beschreibenden The method according to the invention for the calibration or comparison of any oscillatable unit with a vibratory unit descriptive
mathematischen Modell wird unter dem Programmpunkt 1 gestartet. Bei Programmpunkt 2 startet die Kalibrierung bzw. der Abgleich, der Sensor wird initialisiert. Anschließend werden bei Programpunkt 3 die sensorspezifischen Größen, hier die geometrischen Parameter G1 , G2, automatisch über z.B. eines der zuvor bereits genannten mathematical model is started under program item 1. At program point 2, the calibration or adjustment starts, the sensor is initialized. Subsequently, at program point 3, the sensor-specific quantities, here the geometrical parameters G1, G2, are automatically transmitted via e.g. one of the previously mentioned
Parameterschätz-verfahren ermittelt. Parameter estimation method determined.
Nach dem Start des Verfahrens wird bei Programmpunkt 10 entschieden, ob die Mediumseigenschaften bzw. die prozessspezifischen Parameter p, η, T direkt oder indirekt über das Parameterschätzverfahren ermittelt werden. Wird der direkte Weg gewählt, so erfolgt die Parameterschätzung der prozessspezifischen Parameter p, η, T unter dem Programmpunkt 20. After starting the method, it is decided at program point 10 whether the medium properties or the process-specific parameters p, η, T are determined directly or indirectly via the parameter estimation method. If the direct path is selected, the parameter estimation of the process-specific parameters p, η, T takes place under the program point 20.
Wird der indirekte Weg gewählt, so wird unter dem Programmpunkt 30 eine If the indirect route is selected, then under program item 30 a
Parameterschätzung des Lehrschen Dämpfungsmaßes D und der Eigenkreisfrequenz ω0 vorgenommen. Anschließend wird bei dem Programmpunkt 40 die Berechnung der Mediumseigenschaften bzw. der prozessspezifischen Parameter p, η, T vorgenommen. Die benötigten prozessspezifischen Parameter p, η, T werden bei Programmpunkt 50 ausgegeben.
Parameter estimation of the Lehr's damping measure D and the natural angular frequency ω 0 made. Subsequently, the program point 40 is used to calculate the medium properties or the process-specific parameters p, η, T. The required process-specific parameters p, η, T are output at program point 50.