CN101625259A - 振动类型的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为振动类型的测量装置，带有激励器装置，该激励器装置用带有可调的激励频率ω的至少一种正弦元件把随时间变化的力F(ω，ψ_F)施加到介质可流经的测量管上，并且由此使该测量管振荡，该测量装置带有第一和第二测量值传感器，该测量值传感器安装在测量管上的不同位置处并输出第一或第二测量信号S1(ω，ψS1)或S2(ω，ψS2)，并且该测量装置带有评估单元，该评估单元确定在第一和第二测量信号之间的相移f并且从中测定介质的测量变量，其特征在于，该测量装置包括相位比较器，该相位比较器确定在力F与从第一和第二传感器信号S1(ω，ψS1)或S2(ω，ψS2)的平均值之间的第二相移Δψ，还包括频率发生器，该频率发生器根据第二相移Δψ调节激励频率ω。

Description

振动类型的测量装置

技术领域

本发明涉及一种振动类型的测量装置，带有激励器装置，该激励器装置把随时间变化的力F(ω，ψ_F)施加到介质可流经的测量管上，并且由此使该测量管振荡。

背景技术

在这种振动类型的测量装置中可以存在一种激励器装置，该激励器装置用带有可调的激励频率ω的至少一种正弦的例如谐波的，或者也可能为非正弦的即非谐波的元件把随时间变化的力F(ω，ψ_F)施加到介质可流经的测量管上，并且由此使该测量管(1)振荡，以及还可以存在第一和第二测量值传感器(Messwertaufnehmer)，该测量值传感器安装在测量管的不同位置上并输出第一或第二测量信号S1(ω，ψ_S1)或S2(ω，ψ_S2)，以及还可以存在评估单元，该评估单元确定在第一和第二测量信号之间的第一相移，并且从中测定(ermitteln)介质的测量变量，这些是根据权利要求1的主题的。

此外，本发明涉及一种用于运行振动类型的测量装置的方法，其中激励器装置把随时间变化的周期的力F(ω，ψ_F)施加到介质可流经的测量管上，并且由此使该测量管振荡，这些是根据权利要求9的主题的。

振动类型的这样一种测量装置也称为科里奥利流量测量传感器(Coriolis-Durchflussmessaufnehmer)。用它可以测量流经测量管的流体介质的流量。也可以要么作为对于流量的补充，要么单独地测量介质的其它参数，比如介质的粘度或密度。

科里奥利流量测量传感器在平衡模式下具有带有非常突出的谐振频率ω₀或f₀的频率特性(已知在ω₀和f₀之间的关联性，通过关系ω₀＝2∏×f₀给出)。在使用这种谐振频率激励的情况下，测量变量的测定有利地进行，因为所测量信号的振幅在谐振频率处最大。

但是在科里奥利流量测量传感器的实际运行中由于外部和内部的影响，首先在测量管之内用介质的密度ρ使谐振频率f₀偏移。此外，谐振频率f₀也可以作为温度的和其他环境条件的函数改变。

因此，科里奥利流量测量传感器具有控制和评估电子设备，其目标是，总是在谐振频率f₀中激励***。

在一种应用中，正如在文件DE 102007059804中所示的，通过在测量管中间的转矩(torsion)引起激励。

传感器(S₁和S₂)关于激励对称地(上游(stroemungsaufwaerts)和下游(stroemungsabwaerts))放置，该传感器记录测量管的偏差(Auslenkung)以及这样取得激励频率f并且用该传感器测量用于激励的这些点的相移。一旦通过促动器(Aktor)I_Aktor的电流与传感器信号的平均相移同相，就达到对于***谐振的条件。通过促动器的电流在经常作为促动器应用的浸没电枢(Tauchankergeber)中作为对于激励的力的度量。

科里奥利流量测量传感器的固有的测量变量是在谐振频率f₀激励时的传感器信号S₁和S₂(在激励的上游或下游)之间的相移f。这个信号与科里奥利流量测量传感器的质量流量(m′)相对应。

当应该获取其他的测量变量，例如测量介质的粘度时，就也许只需要一个传感器。然后测量例如传感器信号的衰减以及从中测定粘度，或者也可以测量涉及激励的力的传感器信号的相位的改变，并且然后从中测定粘度或者也测定密度。

可是如今所有的测量方法都是共同的，即人们想尽可能地在谐振频率时测量。

为了在***中的改变时跟踪谐振频率，控制电路在已知科里奥利流量测量传感器的情况下如此长时间地控制激励频率，直到满足谐振条件，也就是说直到传感器信号的相位的平均值与激励的电流同相。相应地，在只带有一个传感器的粘度测量仪器中如此长时间地控制频率，直到传感器信号的相位与激励的电流同相。对此必须改变频率，直到信号的相位满足条件。

但是由于内部的机械的平衡过程或松驰过程这个过程需要一定时间。当施加新的频率时，仪器就还要长时间地随着属于旧的频率的相位振荡，并且持续一定时间，直到机械振荡的这个“偏移部分”通过衰减消失。直到人们可以可靠地测量属于新频率的新相位时，那么人们就必须等待一些时间，并且***的性能越好，等待时间就越长。那么，通过***的力学松弛限制如下速度，即，可以用来跟踪固有频率的速度。

发明内容

本发明的任务是，给出这种振荡类型的测量装置，在该测量装置中加快了谐振频率的跟踪，以及给出一种用于运行振荡类型的测量装置的方法，通过该方法确保了谐振频率的快速的跟踪。

关于该测量装置根据本发明通过带有权利要求1的区别特征的这种测量装置解决该任务。关于该方法通过根据权利要求9的方法解决该任务。

那么根据本发明该测量装置包括一种相位比较器，该相位比较器确定在力F与传感器信号或者至少一个第一和第二传感器信号S1(ω，ψ_S1)或S2(ω，ψ_S2)的平均值之间的相移Δψ，该测量装置还包括频率发生器，该频率发生器根据相移Δψ调节激励频率ω和/或力F的相位ω_F。有利地控制了激励频率ω和/或力F的相位ω_F，使得***的频率与固有频率相对应，并且在传感器信号或至少第一和第二传感器信号的平均值和力F之间的相位差变为零。

为此，普遍的速度尤其适用于作为传感器信号。因此计划以下方法。在振荡类型的这种测量装置中应用的通常的传感器测量普遍的路径信号(Wegsignal)，即例如管壁的偏差。在谐振情况下这种普遍的路径信号，即偏差是最大的。在激励的力和普遍的路径信号之间的相移在谐振情况下为-90°。假如取代普遍的路径信号，将普遍的速度信号看作是传感器信号，即，例如偏差的随着时间的导数(Ableitung)，谐振情况的特征就在于，随后在激励的力和普遍的速度信号之间的相移变为零。

正如上述已经提及的，对于质量流量的测量通常需要第一和第二传感器。对于密度或粘度的测量一个传感器足够了。这样的一个传感器可以是用于流量测量的两个传感器中的一个。当然也可以是分离的传感器。然后那么，既用于测量质量流量，又用于测量密度和/或粘度的仪器可以具有三个或更多的传感器。力激励的频率和/或相位的根据本发明的和描述的控制可以只依赖于一个传感器信号或者依赖于两个或三个或多个传感器信号的平均值来进行，该控制是进一步在下面更精确地在两个传感器的平均值的仅仅作为要示范性观察的例子中描述的。

在有利的设计方式中测量装置包括至少一个第一测量值传感器和至少一个第二测量值传感器，这些测量值传感器输出第一或第二测量信号S1(ω，ψ_S1)或S2(ω，ψ_S2)，并且该测量装置还包括评估单元，该评估单元确定至少一部分的测量信号的相位。

此外，在十分有利的实施方式中评估单元测定在第一测量信号和第二测量信号S1(ω，ψ_S1)和S2(ω，ψ_S2)之间的第一相移f，并且从中确定介质的测量变量，例如质量流量。

在根据本发明要应用的频率发生器中不仅调节频率、振幅，而且调节相位。

由于可以在谐振频率中激励***，因此可以测量在激励器装置的激励电流与传感器信号的平均值之间的相移，该激励器装置接下来也简称为促动器并且该激励电流是把促动器施加到测量管上的力的度量。

用该测量结果可以直接对频率发生器编程，并且因此***的跟踪可以比只使用关于频率的调节(正如至今在现有技术中它是已知的)明显更快地发生。

因为在调节新频率时可以同时调节激励信号的新相位，使得现存的普遍的速度和激励同相。因此人们不必进行直到异相振荡的机械的振荡器衰减(ausdaempfen)，并从而使***的力学松弛逐渐消失的等待。

一种如下所述修改过的运行方式也是有可能的，即只调节激励的力的相位。由于谐振情况的特征在于，在力与普遍的速度之间的相移变为零，所以关于纯粹的相位调节也可以非常快地达到谐振条件。

也可以这样形成根据本发明的测量装置，即除了谐振频率以外也针对性地运行测量***。然后正如上文所描述的，对激励的力的频率和/或相位进行调节，即条件只是，“调节已定义的、预先给定的与谐振频率的差异和/或调节已定义的、预先给定的与零不同的相位”。

可以根据有利的设计方式通过下述方式实现相位突变，即对于振荡器的阶段(Durchgang)(采样)设置一个数值，该数值对应于当前相位与要发生的相位突变的总和。

根据本发明的其它有利的设计，函数发生器可以是大约相当于有限脉冲响应过滤器(IIR)的反馈***，该反馈***在预先给定的频率中振荡。附加地，可以根据其它优选的实施方式使振荡器的振幅保持到恒定的数值上，其中如此控制频率发生器的SIN输出和COS输出的平方和，使得这个数值总是为1。

从从属权利要求中得到本发明的其它有利的设计和改进以及其它优点。

附图说明

利用其中描述本发明实施例的附图，更详细地阐述和描述本发明、本发明的有利的设置和改进以及其它优点。

唯一的附图显示了根据本发明的测量装置10的示意图。这个测量装置包括测量管1和电子单元9。

参考标号列表

1测量管

1E测量管输入

1A测量管输出

2激励器装置，促动器

3传感器，测量值传感器

4传感器，测量值传感器

5带有平均值生成器(Mittelwertbildner)的评估单元

6相位比较器

7频率发生器

8指示单元

9电子单元

10测量装置

P流动方向

具体实施方式

在测量管1中流体介质可以在箭头P的方向上从测量管输入1E流动到测量管输出1A。测量管1在入口侧和出口侧上还具有其它的安装件，尤其具有凸缘(Flansche)，采用该凸缘可以把测量管安装在处理装置(Prozessanlage)的管道***中，例如在化学装置或食品工厂的管道***中。附加地，在测量管1上也可以安装其它的安装件，例如平衡元件(Balanzierungselement)或外壳的部分。所有这些附加部分为了清楚起见而没有在这里描述。

激励器装置2大约位于测量管1的中间，激励器装置2也称为促动器2。这个激励器装置激励测量管1机械振荡。激励器装置2经常通过可动线圈(Tauchspule)实现。通过可动线圈的电流I(t)是对于促动器2将其施加到测量管1上的力的度量。促动器2可以这样作用于测量管1，使得对测量管1进行产生弯曲振荡的激励，或者产生扭转振荡的激励，或者在必要时在与在这里没有描述的特定的其它安装件的共同作用中产生弯曲振荡和扭转振荡的组合的激励。用激励频率ω进行激励。由频率发生器7将激励频率ω预先给予促动器，该频率发生器是电子单元9的部分。在下面还继续更进一步讨论频率发生器7。促动器2的电流信号I(t)有相对于激励偏移的相位ψ₁：I(t)＝I(ω，ψ₁)。

关于激励器装置2对称地在上游放置第一测量值传感器3并且在下游放置第二测量值传感器4。测量值传感器3、4在这里也称为传感器3、4。传感器3、4记录测量管1的偏差和偏差的时间导数，即速度。传感器3的信号在这里用S₂(ω，ψ_S2)表示。该信号具有激励频率ω，但是相对于激励信号有相位ψ_S2的相移。传感器2的信号在这里用S₁(ω，ψ_S1)表示。该信号具有激励频率ω，但是相对于激励信号有相位ψ_S1的相移。两个传感器信号都输送给评估单元5，该评估单元是电子单元9的部分。在评估单元5中形成第一相移这个相移是科里奥利流量测量设备的固有的测量变量，它与科里奥利流量测量设备的质量流量m′相对应。在指示单元8中，从第一相移中测定和指示质量流量，或者通过数据接口(这里未示出)转发给测量值获取***或控制***以便进一步处理。

此外，在评估单元5中形成传感器3、4的相位ψ_S2和ψ_S1的平均值。在附图中该平均值例如作为算术平均值ψ＝¹/₂(ψ_S2+ψ_S1)给出。但是也可以应用其它的平均值确定方式，例如均方值。

传感器3、4的相位ψ_S2和ψ_S1的平均值输送给相位比较器6。在相位比较器6中由传感器3、4的相位ψ_S2和ψ_S1的平均值和促动器2的电流信号的相位ψ₁形成差值。

当促动器2用来激励测量管1的频率ω与机械***的固有频率ω₀对应时，这样获取的第二相移Δψ＝ψ-ψ₁是零。

第二相移Δψ＝ψ-ψ₁输送给上面已经提及的频率发生器7。在这个频率发生器中不仅可以调节频率、振幅，而且可以调节相位。

调节过程进行如下。首先在积分区间T0的持续时间期间测定第二相移Δψ＝ψ-ψ₁。现在频率发生器7确定激励信号I(t)的新频率ω，使得激励信号的新相位相对于原有的相位减少了数值Δψ。人们也可以说，频率发生器7确定激励信号I(t)的新频率ω，使得新相位对应于当前相位与要发生的相位突变Δψ的总和。

现在对激励信号施加这样确定的新频率ω，并且在第二持续时间T₁期间重新测定第二相移Δψ＝ψ-ψ₁。假如该第二相移还没有变为零，就重复先前的步骤。

以这种方式人们成功地用很少的迭代步骤实现激励频率，其中机械***在其固有频率ω₀中振荡。由于在调节新频率时同时调节新相位，使得第二相移Δψ消失，并由此使促动器2用来激励测量管1的频率ω与机械***的固有频率ω₀相对应，。

函数发生器是反馈***，大约相当于有限脉冲响应过滤器(IIR)，该反馈***在预先给定的频率中振荡。此外，该函数发生器有SIN输出和COS输出。振荡器的振幅保持到恒定的数值上，这是通过如此控制频率发生器7的SIN输出和COS输出的平方和使得这个数值总是为1来实现的。

Claims (11)

1.一种振动类型的测量装置(10)，带有激励器装置(2)，该激励器装置把随时间变化的周期的力F(ω，ψ_F)施加到介质可流经的测量管(1)上，并且由此使所述测量管(1)振荡，其特征在于，所述测量装置包括相位比较器(6)，该相位比较器确定力F与传感器信号或至少一种第一传感器信号和第二传感器信号S1(ω，ψ_S1)或S2(ω，ψ_S2)的平均值之间的相移Δψ，所述测量装置还包括频率发生器(7)，该频率发生器根据所述相移Δψ调节激励频率ω和力F的相位ψ_F。

2.根据权利要求1所述的测量装置(10)，带有至少一种第一测量值传感器和第二测量值传感器(3，4)，所述测量值传感器输出第一测量信号或第二测量信号S1(ω，ψ_S1)或S2(ω，ψ_S2)，并且该测量装置带有评估单元(5)，该评估单元确定测量信号的至少一个部分的相位。

3.根据权利要求2所述的测量装置(10)，其中，所述评估单元(5)确定第一测量信号和第二测量信号S1(ω，ψ_S1)和S2(ω，ψ_S2)之间的相移

并且从中测定介质的测量变量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(10)，其中，在所述频率发生器(7)中不仅频率、振幅是可调节的，而且相位也是可调节的。

5.根据权利要求4所述的测量装置(10)，其中可直接使用第二相移Δψ的测量值对所述频率发生器编程。

6.根据前面权利要求中任一项所述的测量装置(10)，其中，所述频率发生器(7)是反馈***，该反馈***在可预先给定的频率中振荡。

7.根据权利要求6所述的测量装置(10)，其中，所述频率发生器(7)具有SIN输出和COS输出，并且振荡器的振幅保持在恒定的数值上，这通过如此控制所述频率发生器的SIN输出和COS输出的平方和，使得这个数值总是为1。

8.根据前面权利要求中任一项所述的测量装置(10)，其中，如此控制相位和频率，使得该频率与机械测量***的固有频率相对应并且使得传感器信号或至少第一传感器信号和第二传感器信号的平均值和力F之间的相位差变为零。

9.一种用于运行振动类型的测量装置(10)的方法，其中激励器装置(2)把随时间变化的周期的力F(ω，ψF)施加到介质可流经的测量管(1)上，并且由此使所述测量管(1)振荡，该方法的特征在于，确定在力F与传感器信号或至少一种第一传感器信号和第二传感器信号S1(ω，ψ_S1)和S2(ω，ψ_S2)的平均值之间的相移Δψ，并且根据第二相移Δψ调节激励频率ω和/或它的相位。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，测量相移Δψ，并且用该测量结果直接对频率发生器编程，使得***对谐振频率的跟踪比只关于频率的控制的情况下明显更快地发生，在所述频率发生器中不仅可以调节频率、振幅，而且可以调节相位。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，通过如下方式实现相位突变，即对于振荡器的阶段(采样)设置数值，该数值对应于当前相位与要发生的相位突变的总和。

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