用于操作共振测量系统的方法及其相关共振测量系统的制作方法
【专利说明】用于操作共振测量系统的方法及其相关共振测量系统
[0001]本发明涉及一种用于操作共振测量系统、尤其是科里奥利质量流量测量设备的方法，其中共振测量系统包括至少一个调节器、至少一个电伺服机构、至少一个作为振荡发生器的电磁驱动器、至少一个振荡元件以及至少一个振荡接收器，其中所述调节器产生用于操控电伺服机构的调节器输出信号U1，所述电伺服机构提供用于激励电磁驱动器的电激励信号U2，所述电磁驱动器激励振荡元件以至少一个本征形式进行振荡并且其中振荡元件的被激励的振荡由振荡接收器获取并作为至少一个输出信号y发出。此外，本发明也涉及共振测量系统，可利用该共振测量系统执行上述方法。
[0002]上述类型的共振测量系统自从多年以来就已知，不仅是以科里奥利质量流量测量设备的形式，而且作为根据音叉-原理的液面观测设备或密度测量设备、作为石英轮和带粘度计等等。这些共振测量系统与过程存在联系，其中过程和共振测量系统互相影响。
[0003]接下来，以科里奥利质量流量测量设备为例来探讨共振测量系统，这不必以限制性的方式来理解。在本文中，将其中以本征频率对有关待确定的过程量(测量量)的信息进行编码的系统和/或其中将测量系统的工作点放在本征频率上的系统完全总称为共振测量系统。对于所有落在该定义下的系统，接下来的实施方式是适用的。对于科里奥利质量流量测量设备，量管对应于共振测量系统的振荡元件；而且该振荡元件的特殊构型对于一般性地适用于共振测量系统的教导没有限制。
[0004]构造为科里奥利质量流量测量设备的共振测量系统首先应用于工业过程测量技术中必须以高精度来确定质量流的地方。科里奥利质量流量测量设备的作用原理基于:至少一个流有介质的量管-振荡元件-由振荡发生器激励进行振荡，其中该振荡发生器根据前提条件是电磁驱动器。对于这样的电磁驱动器，线圈通常由电流流过，其中，在振荡元件上的力效应与该线圈电流直接关联。对于科里奥利质量流量测量设备，作用原理基于:有质量的介质由于通过两个正交的运动-流的运动和量管的运动-引起的科里奥利-惯性力而反作用于量管壁上。介质在量管上的该反作用导致量管振荡与量管的未通过流的振荡状态相比发生变化。通过获取通过流的科里奥利-量管的振荡的该特性，能够以高精度确定通过量管的质量流量。
[0005]科里奥利质量流量测量设备的本征频率和/或科里奥利质量流量测量设备的有振荡能力的部分的本征频率(即，主要是作为振荡元件的量管的本征频率)是特别重要的，原因在于:科里奥利质量流量测量设备的工作点通常放在量管的本征频率上，以便能够以最小的能量消耗施加感应科里奥利力所需要的振荡。因而，由量管执行的振荡具有确定的形式，该形式称为相应激励的本征形式。
[0006]由现有技术已知，为了激励振荡元件，由调节器以正弦状电压形式产生作为调节器输出信号的谐波的基础信号并且该正弦状电压操控电伺服机构，其中电伺服机构具有如下任务:在它的输出端提供对应的功率，以便能够以合适的方式并且有足够的功率来操控电磁驱动器，电伺服机构因此实际上是在调节器和共振测量系统的电磁驱动器之间在功率方面的联系环节。
[0007]调节器用于共振中操作振荡元件，为此必须确定，共振测量系统的输入量和输出量是否具有与共振对应的相位差。在科里奥利质量流量测量设备的情况下，这在输入侧是用于激励作为振荡元件的量管的力，而这在输出侧是量管的速度。由于该具有振荡能力的系统所基于的关系，当输入侧的力效应和输出侧的量管速度具有为O。的相位差△ Φ时，存在共振。如果满足该相位条件，则存在所期望的共振。因此，用于操作由现有技术已知并且这种类型的共振测量系统的调节电路是相位调节电路。
[0008]基于在穿过电磁驱动器的电磁线圈的电流和由此引起的力效应之间的直接关系，带有电磁驱动器的共振测量系统通常具有压控电流源，来作为电伺服机构和/或作为电伺服机构的部分，该压控电流源必须具有大的带宽且几乎不允许在频率工作区域内引起额外的相位偏移。因此，在伺服机构对相位差的影响和/或电磁驱动器本身对相位差的影响可被忽略的条件下，相位调节通常基于量管速度和电伺服机构的操控电压之间的相位测量。这在不同方面是有冋题的。
[0009]在具有线圈的电磁驱动器中施加电流必然在驱动器线圈上导致过高且有噪声的电压，原因在于，调节器输出信号中的阶跃-并且其也只取决于数字/模拟-转换器的量化级-作为通过电磁驱动器的电流中的阶跃而出现并且在此通过驱动器线圈“微分”(u =L*di/dt);这尤其适用于带有高转换速率的伺服机构，即，适用于电流上升速度高的伺服机构。这在电磁兼容方面是有问题的，并且也导致信噪比的减少，因而导致测量不同过程量-在科里奥利质量流量测量设备情况下的质量流量-时以及在确定共振测量系统的不同参数-在科里奥利质量流量测量设备情况下例如量管的刚性-时测量不可靠性的增大。基于这些事实，驱动器电流的快速测量也是不可能的，这是因为相比而言小驱动器电流是噪声非常大的，这使得直到获得足够平滑信号的长平均时间是必要的。
[0010]本发明的任务是，提供用于操作共振测量系统的方法，所述方法使得作为共振测量系统的工作点的共振位置的快速且可靠的启动、停止和追踪能够实现。
[0011]根据该发明用于操作共振测量系统的方法(在该方法中之前推导出且示出的任务得以解决)-首先且主要特征在于，在调节电路中获取在振荡接收器的输出信号y和调节器输出信号U1之间的调节器-振荡接收器-相位差Λ φ (y，Ul)，由预规定相位差Λ φ81和调节器-振荡接收器-相位差Λ φ (y, U1)计算出调节偏差e并且调节偏差e作为输入信号提供给调节器。通过选择合适的预规定相位差△ Φ31，对振荡元件的输入信号和输出信号之间经常被忽视的相位偏移进行修正。
[0012]根据本发明的方法首先有意地完全放弃以有问题的方式对电磁驱动器状态量-如线圈电流-的获取，而是代之用熟知的调节器输出信号工作，所述调节器输出信号已知的原因是它由调节器来产生，所述调节器通常在微处理器或者微控制器中通过数字调节算法和接下来的信号发生器来实施，并且因此是用户可以得到的。
[0013]根据本发明的方法是快速的，这是因为能够避免在低通滤波和平滑化的范围中具有比较大时间常数的测量时间，为此考虑到，调节结果可能在共振点上达不到如同共振测量系统的与共振点关联的量直接通过测量技术获取时那样精确。可能的不精确性尤其是起因于:调节器和电磁驱动器之间的传递环节的传递行为仍被忽略，因而调节器和电磁驱动器之间的传递环节的相位影响也仍被忽略。
[0014]为了能够进行适宜的修正并且尤其是为了能够在振荡元件的输入信号和输出信号之间以尽可能快的方式来实现预规定的相位偏移，在一种优选的方法扩展方案中，调节电路的除了振荡元件的元件之外的全部元件的相位偏移根据频率来获取并且在用仪器实现该方法的计算单元(例如DSP)中存放所述相位偏移(频率特性)。于是，优选首先从中推导出静态修正，所述静态修正能够在技术上以不同方式实现。一方面，例如通过在调节电路中补充额外的传递环节-其进行对应的相位修正，或者通过针对调节器的输出信号1^和振荡接收器的输出信号y之间的相位偏移预规定对应额定值。
[0015]根据共振测量系统的传递行为以及调节器输出信号1^和振荡接收器的输出信号y的比例选出预规定相位差△ Φ31。对于起初描述的科里奥利质量流量测量设备作为共振测量系统-其利用作为电伺服机构的压控电流源来工作，预规定相位差△ Φ31在第一次逼近时设为零，以便于所获取的调节器-振荡接收器-相位差实际上能够直接作为调节偏差返回到调节器中。
[0016]如果此外还已知电伺服机构在工作点中引起特定的平均相位偏移，则在根据本发明的方法的第一次优化中，为了引起对相位偏移的对应补偿，能够精确地将预规定相位差Δ Φ31设为该值。已表明，根据本发明的方法基于调节器-振荡接收器-相位差在共振工作点中和/或在共振工作点附近以能量上完全可接受的偏差导致良好的调节结果。
[0017]在正常情况下，预规定相位差Λ (i>sl被选择成使得激励振荡元件以至少一个本征形式在共振中或者在共振点附近进行振荡。然而，出于诊断目的，也能够绝对被期望的是，相位差△ Φ31以完全不同的方式选出，例如出于选择性的参数标识目的，在此例如为+/-45° 的值。
[0018]在根据本发明的方法的一种特别优选的实施方案中规定:构成额外的调节器-驱动器-相位差Δ φ (is，U1),也就是电磁驱动器的状态量“和调节器输出信号之间的相位差，其中，该调节器-驱动器-相位差于是用作预规定相位差Δ φ81。通过该额外的措施，有可能获得有关如下传递元件的相位偏移的信息，所述传递元件位于调节器和电磁驱动器之间，其中这些元件、当前是电伺服机构为了实施之前描述的快速但是有意保持稍微不准确的调节电路而有意地被忽略。
[0019]