DE19939157A1 - Verfahren zum Ansteuern eines Schwingungserzeugers und Versorgungsschaltung für einen Schwingungserzeuger - Google Patents
Verfahren zum Ansteuern eines Schwingungserzeugers und Versorgungsschaltung für einen SchwingungserzeugerInfo
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Abstract
Beschrieben und dargestellt sind ein Verfahren zum Ansteuern eines Schwingungserzeugers, der auf eine Coriolis-Leitung eines Coriolis-Massendurchflußmeßgeräts für strömende Medien einwirkt sowie eine Versorgungsschaltung für einen Schwingungserzeuger eines Massendurchflußmeßgeräts für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Schwingungserzeuger mit einem pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinussignal gespeist wird. Aufgrund von verminderten Wärmeverlusten in einer Verstärkerschaltung wird somit eine bessere Ausnutzung der für die Speisung eines Schwingungserzeugers zur Verfügung stehenden Energie erzielt.
Description
Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Ansteuern eines Schwingungser
zeugers, der auf eine Coriolis-Leitung eines Coriolis-Massendurchflußmeßgeräts für
strömende Medien einwirkt, und andererseits eine Versorgungsschaltung für einen
Schwingungserzeuger eines Massendurchflußmeßgeräts für strömende Medien, das
nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet.
Das Meßverfahren eines Massendurchflußmeßgeräts für strömende Medien, das nach
dem Coriolis-Prinzip arbeitet, beruht darauf, daß die Coriolis-Leitung des Massen
durchflußmeßgeräts mit Hilfe eines Schwingungserzeugers in Schwingung gebracht
wird, wodurch das durch die Coriolis-Leitung hindurchströmende Medium Coriolis-
Kräfte erfährt, deren Erfassung ein Maß für den Massendurchfluß durch die Coriolis-
Leitung hindurch liefert. Der Schwingungserzeuger weist dabei typischerweise ein
System aus einer Spule und einem Magneten auf, wobei entweder die Spule oder der
Magnet mit der Coriolis-Leitung fest verbunden ist, so daß eine alternierende Erre
gung dieses Systems, also eine abwechselnde Bewegung des Magneten in die Spule
hinein bzw. aus dieser heraus, zu einer Schwingungserregung der Coriolis-Leitung
führt.
Die größte Effizienz bei einer solchen Schwingungserregung der Coriolis-Leitung
wird unter anderem dann erzielt, wenn diese schwingungsmäßig im wesentlichen mit
ihrer Eigenfrequenz erregt wird. Die Schwingungsamplitude der Coriolis-Leitung
wird dabei typischerweise mit Hilfe einer analogen Verstärkerschaltung auf die im
Medium zu erzielenden Coriolis-Kräfte eingeregelt. Dazu wird die aktuelle Schwin
gungsamplitude der Coriolis-Leitung mit Hilfe eines an der Coriolis-Leitung ange
brachten Sensors erfaßt, der erfaßte Amplitudenwert wird mit einem Sollwert für den
Amplitudenwert verglichen, und in Abhängigkeit von der Abweichung des erfaßten
Amplitudenwertes von dem Sollwert für den Amplitudenwert wird ein sinusförmiges
Erregungssignal um einen entsprechenden Betrag verstärkt und in die Spule des
Schwingungserzeugers eingespeist.
Bei der Verstärkung des Erregungssignals kommt es jedoch zu nicht unbeträchtlichen
Energieverlusten aufgrund von Wärmeverlusten in der Verstärkerschaltung. Dies
wirkt sich insbesondere in solchen Situationen negativ aus, in denen die verfügbare
elektrische Energie einen begrenzenden Faktor darstellt, wie z. B. bei einem Batterie
betrieb.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines Schwin
gungserzeugers, der auf eine Coriolis-Leitung eines Coriolis-Massendurchflußmeßge
räts für strömende Medien einwirkt, sowie eine Versorgungsschaltung für einen sol
chen Schwingungserzeuger bereitzustellen, mit dem/der eine gute Ausnutzung der
für die Speisung des Schwingungserzeugers vorhandenen elektrischen Energie er
reicht wird.
Die zuvor aufgezeigte und hergeleitete Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Ver
fahren gelöst, bei dem der Schwingungserzeuger mit einem pulsbreitenmodulierten
gepulsten Sinussignal gespeist wird. Erfindungsgemäß wird somit kein kontinuierli
ches Sinussignal zur Speisung des Schwingungserzeugers verwendet, sondern ein
gepulstes Sinussignal. Dabei erfolgt die Steuerung der mit dem Signal übertragenen
Energie über eine Pulsbreitenmodulation des gepulsten Sinussignals. Da mit dem ge
pulsten Sinussignal insgesamt im wesentlichen die gleiche Energie wie mit einem
kontinuierlichen Sinussignal in den Schwingungserzeuger eingespeist werden muß,
ist die Amplitude des pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinussignals in dessen ge
samten von Null verschiedenen Bereichen jeweils immer größer als die Amplitude des
kontinuierlichen Sinussignals.
Auf die zuvor beschriebene Weise wird einerseits das Erregungssignal im Fall des
pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinussignals immer deutlich näher am maximal mit
der Verstärkerschaltung erzielbaren Signalwert gehalten als das kontinuierliche Si
nussignal. Andererseits wird die optimale Effizienz der Verstärkerschaltung nur im
voll gesperrten bzw. im voll durchgeschalteten Zustand erzielt. In den Verstärkungs
bereichen dazwischen kommt es jedoch zu nicht unbeträchtlichen Energieverlusten
aufgrund von Wärmeverlusten in der Verstärkerschaltung. Diese Energieverluste
nehmen allerdings mit steigendem Durchlaß der Verstärkerschaltung ab. Somit wird
erreicht, daß die Effizienz der Signalverstärkung im Fall des pulsbreitenmodulierten
gepulsten Sinussignals deutlich besser ist als im Fall des kontinuierlichen Sinussignals,
da bei Verwendung des pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinussignals in der Ver
stärkerschaltung geringere Wärmeverluste auftreten. In den Bereichen zwischen den
Impulsen des pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinussignals, also in den Bereichen, in
denen das pulsbreitenmodulierte gepulste Sinussignal Null ist, ist die Effizienz der
Verstärkung ohnehin optimal, da gar kein Strom fließt und somit auch kein Strom in
Verlustwärme umgesetzt werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäße Verfahren,
indem das pulsbreitenmodulierte gepulste Sinussignal mit Hilfe eines Multiplexers er
zeugt wird, mit dem ein Pulsbreitenmodulationssignal multipliziert wird mit einem un
gepulsten Sinussignal, das eine konstante vorbestimmte Frequenz aufweist.
Das Tastverhältnis des Pulsbreitenmodulationssignals, also die Breite der einzelnen
Impulse des Pulsbreitenmodulationssignals im Verhältnis zu deren Abstand voneinan
der, wird vorzugsweise mit Hilfe eines PID-Controllers (Proportional-Integral-Diffe
rential Controller) eingestellt. Dabei wird lediglich die Breite der Impulse verändert;
deren Abstand voneinander bleibt konstant.
Eine besonders effektive Regelung der Pulsbreitenmodulation läßt sich dann erzielen,
wenn die Einstellung des Tastverhältnisses des Pulsbreitenmodulationssignals im PID-
Controller unter Berücksichtigung eines Fehlersignals eingestellt wird, das aus der
Differenz zwischen der von einem Sensor gemessenen Auslenkung der Coriolis-Lei
tung einerseits und einem vorbestimmten Auslenkungssollwert andererseits ermittelt
wird. Diese Regelung wird auf vorteilhafte Weise weiter vereinfacht, wenn die Ampli
tude des Pulsbreitenmodulationssignals konstant gehalten wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Frequenz des Pulsbreitenmodulationssignals deut
lich größer als die Frequenz des ungepulsten Sinussignals ist. Entspricht die Frequenz
des ungepulsten Sinussignals dabei im wesentlichen der Resonanzfrequenz der Co
riolis-Leitung, wird erreicht, daß im Frequenzbereich des Pulsbreitenmodulations
signals praktisch keine Schwingungen auf die Coriolis-Leitung übertragen werden,
was weiteren Energieverlusten aufgrund von Störschwingungen der Coriolis-Lei
tung vorbeugt.
Die weiter oben aufgezeigte und hergeleitete Aufgabe ist erfindungsgemäß ferner
durch eine Versorgungsschaltung gelöst, bei der der Schwingungserzeuger des Mas
sendurchflußmeßgeräts von der Versorgungsschaltung mit einem pulsbreitenmodu
lierten gepulsten Sinussignal ansteuerbar ist. Dabei weist die Versorgungsschaltung
vorzugsweise ausgangsseitig einen Verstärker auf, über den der Schwingungserzeu
ger gespeist wird.
Ferner wird die Versorgungsschaltung erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch ausge
staltet, daß die Versorgungsschaltung einen Multiplexer aufweist, mit dem ein Puls
breitenmodulationssignal multiplizierbar ist mit einem ungepulsten Sinussignal, das
eine konstante vorbestimmte Frequenz aufweist.
Vorzugsweise ist schließlich in der Versorgungsschaltung ein Gate-Array mit einem
PID-Controller vorgesehen, mit Hilfe dessen das Tastverhältnis des Pulsbreitenmodu
lationssignals einstellbar ist.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Ver
fahren zum Ansteuern eines Schwingungserzeugers bzw. die erfindungsgemäße Ver
sorgungsschaltung für einen Schwingungserzeuger auszugestalten und weiterzubil
den. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen
nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die Beschreibung eines be
vorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung
zeigt
Fig. 1 schematisch eine Versorgungsschaltung für einen Schwingungserzeuger
gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 schematisch den Aufbau des frei programmierbaren Gate-Arrays gemäß
dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 ein ungepulstes Sinussignal,
Fig. 4 ein Pulsbreitenmodulationssignal,
Fig. 5 ein mit einem Multiplexer erzeugtes pulsbreitenmoduliertes gepulstes Si
nussignal und
Fig. 6 ein kontinuierliches Sinussignal und ein pulsbreitenmoduliertes gepul
stes Sinussignal mit jeweils gleicher Gesamtamplitude im Vergleich.
Aus Fig. 1 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch eine Ver
sorgungsschaltung für einen Schwingungserzeuger eines Coriolis-Massendurchfluß
meßgeräts für strömende Medien ersichtlich. Die schwingungsmäßige Erregung der
Coriolis-Leitung erfolgt mittels eines Schwingungserzeugers 1, der eine nicht gezeig
te Spule und einen an der Coriolis-Leitung befestigten, ebenfalls nicht gezeigten
Magneten aufweist. Gespeist wird der Schwingungserzeuger 1 über einen in der Ver
sorgungsschaltung ausgangsseitig vorgesehenen Verstärker 2. Dem Verstärker 2 sei
nerseits wird ein in einem Multiplexer 3 erzeugtes Signal zugeführt.
Der Multiplexer 3 wird zum einen angesteuert von einem frei programmierbaren Gate-
Array 4, dessen Aufbau schematisch aus Fig. 2 ersichtlich ist. Das frei programmier
bare Gate-Array 4 weist einen PID-Controller 5, eine Vergleichseinheit 6 und einen
digitalen Gleichrichter 7 auf. Über einen A/D-Wandler 8 und einen in der Versor
gungsschaltung eingangsseitig vorgesehenen Verstärker 9 ist das Gate-Array 4 mit
einem an der Coriolis-Leitung angebrachten Sensor 10 verbunden.
Zum anderen wird dem Multiplexer 3 über einen vorgeschalteten Verstärker 11 ein
von dem an der Coriolis-Leitung angebrachten Sensor 10 erfaßtes und von dem ein
gangsseitigen Verstärker 9 verstärktes Signal zugeführt. Dieses Signal entspricht im
wesentlichen einem kontinuierlichen, ungepulsten Sinussignal, wie aus Fig. 3 ersicht
lich. Das dem Multiplexer 3 von dem frei programmierbaren Gate-Array 4 her zuge
führte Signal ist ein Pulsbreitenmodulationssignal mit konstanter Frequenz, wie aus
Fig. 4 ersichtlich.
Das von dem Sensor 10 erfaßte und von dem eingangsseitigen Verstärker 9 verstärkte
Signal wird von dem A/D-Wandler 8 digitalisiert und dann in das frei programmierba
re Gate-Array 4 eingespeist. Dort wird das Signal zuerst mit Hilfe des digitalen
Gleichrichters 7 gleichgerichtet und dann in der Vergleichseinheit 6 mit einem Soll
wert für die Amplitude der Schwingung der Coriolis-Leitung verglichen. Die Ver
gleichseinheit 6 erzeugt in Abhängigkeit von der Differenz zwischen diesem Sollwert
und dem erfaßten tatsächlichen Wert der Schwingungsamplitude einen Fehlerwert F.
In dem PID-Controller 5 wird der Fehlerwert F dann gemäß der Vorschrift
weiterverarbeitet und ein Wert für die Pulsbreitenmodulation errechnet, wobei A das
Ausgangssignal des PID-Controllers, 5 das Signal zur Aufrechterhaltung des Soll
werts, K der Verstärkungsfaktor, Ti die Integrationszeit und Td die Differenzierungs
zeit ist.
Mit Hilfe des für die Pulsbreitenmodulation errechneten Wertes wird schließlich in ei
nem ebenfalls im Gate-Array 4 vorgesehenen Pulsbreitenmodulationserzeuger 12 das
Pulsbreitenmodulationssignal erzeugt und von da aus in den Multiplexer 3 einge
speist. Im Multiplexer 3 schließlich wird das aus Fig. 3 ersichtliche kontinuierliche Si
nussignal mit dem aus Fig. 4 ersichtlichen Pulsbreitenmodulationssignal multipliziert.
Als Ergebnis ergibt sich das aus Fig. 5 ersichtliche pulsbreitenmodulierte gepulste Si
nussignal, das über den ausgangsseitigen Verstärker 2 zur Speisung des Schwin
gungserzeugers 1 verwendet wird.
Durch die beschriebene Schaltung ist ein Steuerkreis realisiert, mit Hilfe dessen die
Breite der einzelnen Impulse des pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinussignals in
Abhängigkeit von der tatsächlichen Schwingungsamplitude der Coriolis-Leitung ei
nerseits und der gewünschten Schwingungsamplitude der Coriolis-Leitung anderer
seits erzeugt wird.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist die Effizienz dieser Schaltung, d. h. die Effizienz beim
pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinussignal, wesentlich höher als bei der herkömm
lichen Schaltung, bei der ein kontinuierliches Sinussignal zur Speisung des Schwin
gungserzeugers 1 verwendet wird. In allen Bereichen, in denen das pulsbreitenmodu
lierte gepulste Sinussignal von Null verschieden ist, liegt dessen Amplitude deutlich
über der des kontinuierlichen Sinussignals. Wie oben schon angesprochen, tritt die
größte Effizienz aufgrund der geringsten Wärmeverluste in der Verstärkerschaltung
dann auf, wenn der Verstärker - gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein
auf Transistoren basierender Verstärker - vollständig sperrt bzw. vollständig auf
Durchlaß geschaltet ist, und die Effizienz des von Null verschiedenen Signals ist um
so größer, je größer das Signal ist.
In dem aus Fig. 6 ersichtlichen Beispiel weist das pulsbreitenmodulierte gepulste Si
nussignal eine Effizienz von 78% auf, während das kontinuierliche Sinussignal le
diglich eine Effizienz von 55% aufweist. Je geringer die insgesamt erforderliche
Energie zur Speisung des Schwingungserzeugers 1 ist, umso stärker verschiebt sich
dieses Verhältnis sogar noch zugunsten des pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinus
signals.
Claims (15)
1. Verfahren zum Ansteuern eines Schwingungserzeugers (1), der auf eine Coriolis-
Leitung eines Coriolis-Massendurchflußmeßgeräts für strömende Medien einwirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger (1) mit einem pulsbreiten
modulierten gepulsten Sinussignal gespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulsbreitenmodu
lierte gepulste Sinussignal vor der Einspeisung in den Schwingungserzeuger (1) von
einem Verstärker (2) verstärkt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
pulsbreitenmodulierte gepulste Sinussignal mit einem Multiplexer (3) erzeugt wird,
mit dem ein Pulsbreitenmodulationssignal multipliziert wird mit einem ungepulsten Si
nussignal, das eine konstante, vorbestimmte Frequenz aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsbreitenmodula
tionssignal mit Hilfe eines frei programmierbaren Gate-Arrays (4) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis des
Pulsbreitenmodulationssignals im frei programmierbaren Gate-Array (4) mit Hilfe eines
PID-Controllers (5) eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des
Tastverhältnisses des Pulsbreitenmodulationssignals im PID-Controller (5) unter Be
rücksichtigung eines Fehlersignals eingestellt wird, das aus der Differenz zwischen
der von einem Sensor (10) gemessenen Auslenkung der Coriolis-Leitung und einem
vorbestimmten Auslenkungssollwert ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis mit
tels der Vorschrift
eingestellt wird, wobei A das Ausgangssignal des PID-Controllers (5), S das Signal zur Aufrechterhaltung des Sollwerts, F das Fehlersignal, K der Verstärkungsfaktor, Ti die Integrationszeit und Td die Differenzierungszeit ist.
eingestellt wird, wobei A das Ausgangssignal des PID-Controllers (5), S das Signal zur Aufrechterhaltung des Sollwerts, F das Fehlersignal, K der Verstärkungsfaktor, Ti die Integrationszeit und Td die Differenzierungszeit ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Amplitude des Pulsbreitenmodulationssignals konstant ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Frequenz des Pulsbreitenmodulationssignals deutlich größer als die Frequenz des un
gepulsten Sinussignals ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Frequenz des ungepulsten Sinussignals im wesentlichen der Resonanzfrequenz der
Coriolis-Leitung entspricht.
11. Versorgungsschaltung für einen Schwingungserzeuger eines Massendurchfluß
meßgeräts für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger (1) des Massendurchflußmeßgeräts
von der Versorgungsschaltung mit einem pulsbreitenmodulierten gepulsten Sinussi
gnal ansteuerbar ist.
12. Versorgungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver
sorgungsschaltung ausgangsseitig einen Verstärker (2) aufweist und der Schwin
gungserzeuger (1) über den Verstärker (2) gespeist wird.
13. Versorgungsschaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Versorgungsschaltung einen Multiplexer (3) aufweist, mit dem ein Pulsbreitenmo
dulationssignal multiplizierbar ist mit einem ungepulsten Sinussignal, das eine kon
stante, vorbestimmte Frequenz aufweist.
14. Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Versorgungsschaltung ein frei programmierbares Gate-Array (4)
aufweist, mit Hilfe dessen ein Pulsbreitenmodulationssignal erzeugbar ist.
15. Versorgungsschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate-
Array (4) einen PID-Controller (5) aufweist, mit Hilfe dessen das Tastverhältnis des
Pulsbreitenmodulationssignals einstellbar ist.
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