用于操作共振測(cè)量系統(tǒng)的方法及其相關(guān)共振測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于操作共振測(cè)量系統(tǒng)的方法及其相關(guān)共振測(cè)量系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明涉及一種用于操作共振測(cè)量系統(tǒng)、尤其是科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備的方法，其中共振測(cè)量系統(tǒng)包括至少一個(gè)調(diào)節(jié)器、至少一個(gè)電伺服機(jī)構(gòu)、至少一個(gè)作為振蕩發(fā)生器的電磁驅(qū)動(dòng)器、至少一個(gè)振蕩元件以及至少一個(gè)振蕩接收器，其中所述調(diào)節(jié)器產(chǎn)生用于操控電伺服機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)U1，所述電伺服機(jī)構(gòu)提供用于激勵(lì)電磁驅(qū)動(dòng)器的電激勵(lì)信號(hào)U2，所述電磁驅(qū)動(dòng)器激勵(lì)振蕩元件以至少一個(gè)本征形式進(jìn)行振蕩并且其中振蕩元件的被激勵(lì)的振蕩由振蕩接收器獲取并作為至少一個(gè)輸出信號(hào)y發(fā)出。此外，本發(fā)明也涉及共振測(cè)量系統(tǒng)，可利用該共振測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行上述方法。
[0002]上述類(lèi)型的共振測(cè)量系統(tǒng)自從多年以來(lái)就已知，不僅是以科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備的形式，而且作為根據(jù)音叉-原理的液面觀測(cè)設(shè)備或密度測(cè)量設(shè)備、作為石英輪和帶粘度計(jì)等等。這些共振測(cè)量系統(tǒng)與過(guò)程存在聯(lián)系，其中過(guò)程和共振測(cè)量系統(tǒng)互相影響。
[0003]接下來(lái)，以科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備為例來(lái)探討共振測(cè)量系統(tǒng)，這不必以限制性的方式來(lái)理解。在本文中，將其中以本征頻率對(duì)有關(guān)待確定的過(guò)程量(測(cè)量量)的信息進(jìn)行編碼的系統(tǒng)和/或其中將測(cè)量系統(tǒng)的工作點(diǎn)放在本征頻率上的系統(tǒng)完全總稱(chēng)為共振測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于所有落在該定義下的系統(tǒng)，接下來(lái)的實(shí)施方式是適用的。對(duì)于科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備，量管對(duì)應(yīng)于共振測(cè)量系統(tǒng)的振蕩元件；而且該振蕩元件的特殊構(gòu)型對(duì)于一般性地適用于共振測(cè)量系統(tǒng)的教導(dǎo)沒(méi)有限制。
[0004]構(gòu)造為科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備的共振測(cè)量系統(tǒng)首先應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程測(cè)量技術(shù)中必須以高精度來(lái)確定質(zhì)量流的地方?？评飱W利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備的作用原理基于:至少一個(gè)流有介質(zhì)的量管-振蕩元件-由振蕩發(fā)生器激勵(lì)進(jìn)行振蕩，其中該振蕩發(fā)生器根據(jù)前提條件是電磁驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于這樣的電磁驅(qū)動(dòng)器，線(xiàn)圈通常由電流流過(guò)，其中，在振蕩元件上的力效應(yīng)與該線(xiàn)圈電流直接關(guān)聯(lián)。對(duì)于科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備，作用原理基于:有質(zhì)量的介質(zhì)由于通過(guò)兩個(gè)正交的運(yùn)動(dòng)-流的運(yùn)動(dòng)和量管的運(yùn)動(dòng)-引起的科里奧利-慣性力而反作用于量管壁上。介質(zhì)在量管上的該反作用導(dǎo)致量管振蕩與量管的未通過(guò)流的振蕩狀態(tài)相比發(fā)生變化。通過(guò)獲取通過(guò)流的科里奧利-量管的振蕩的該特性，能夠以高精度確定通過(guò)量管的質(zhì)量流量。
[0005]科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備的本征頻率和/或科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備的有振蕩能力的部分的本征頻率(即，主要是作為振蕩元件的量管的本征頻率)是特別重要的，原因在于:科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備的工作點(diǎn)通常放在量管的本征頻率上，以便能夠以最小的能量消耗施加感應(yīng)科里奧利力所需要的振蕩。因而，由量管執(zhí)行的振蕩具有確定的形式，該形式稱(chēng)為相應(yīng)激勵(lì)的本征形式。
[0006]由現(xiàn)有技術(shù)已知，為了激勵(lì)振蕩元件，由調(diào)節(jié)器以正弦狀電壓形式產(chǎn)生作為調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的諧波的基礎(chǔ)信號(hào)并且該正弦狀電壓操控電伺服機(jī)構(gòu)，其中電伺服機(jī)構(gòu)具有如下任務(wù):在它的輸出端提供對(duì)應(yīng)的功率，以便能夠以合適的方式并且有足夠的功率來(lái)操控電磁驅(qū)動(dòng)器，電伺服機(jī)構(gòu)因此實(shí)際上是在調(diào)節(jié)器和共振測(cè)量系統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)器之間在功率方面的聯(lián)系環(huán)節(jié)。
[0007]調(diào)節(jié)器用于共振中操作振蕩元件，為此必須確定，共振測(cè)量系統(tǒng)的輸入量和輸出量是否具有與共振對(duì)應(yīng)的相位差。在科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備的情況下，這在輸入側(cè)是用于激勵(lì)作為振蕩元件的量管的力，而這在輸出側(cè)是量管的速度。由于該具有振蕩能力的系統(tǒng)所基于的關(guān)系，當(dāng)輸入側(cè)的力效應(yīng)和輸出側(cè)的量管速度具有為O。的相位差△ Φ時(shí)，存在共振。如果滿(mǎn)足該相位條件，則存在所期望的共振。因此，用于操作由現(xiàn)有技術(shù)已知并且這種類(lèi)型的共振測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)節(jié)電路是相位調(diào)節(jié)電路。
[0008]基于在穿過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)器的電磁線(xiàn)圈的電流和由此引起的力效應(yīng)之間的直接關(guān)系，帶有電磁驅(qū)動(dòng)器的共振測(cè)量系統(tǒng)通常具有壓控電流源，來(lái)作為電伺服機(jī)構(gòu)和/或作為電伺服機(jī)構(gòu)的部分，該壓控電流源必須具有大的帶寬且?guī)缀醪辉试S在頻率工作區(qū)域內(nèi)引起額外的相位偏移。因此，在伺服機(jī)構(gòu)對(duì)相位差的影響和/或電磁驅(qū)動(dòng)器本身對(duì)相位差的影響可被忽略的條件下，相位調(diào)節(jié)通?；诹抗芩俣群碗娝欧C(jī)構(gòu)的操控電壓之間的相位測(cè)量。這在不同方面是有冋題的。
[0009]在具有線(xiàn)圈的電磁驅(qū)動(dòng)器中施加電流必然在驅(qū)動(dòng)器線(xiàn)圈上導(dǎo)致過(guò)高且有噪聲的電壓，原因在于，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)中的階躍-并且其也只取決于數(shù)字/模擬-轉(zhuǎn)換器的量化級(jí)-作為通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)器的電流中的階躍而出現(xiàn)并且在此通過(guò)驅(qū)動(dòng)器線(xiàn)圈“微分”(u =L*di/dt);這尤其適用于帶有高轉(zhuǎn)換速率的伺服機(jī)構(gòu)，即，適用于電流上升速度高的伺服機(jī)構(gòu)。這在電磁兼容方面是有問(wèn)題的，并且也導(dǎo)致信噪比的減少，因而導(dǎo)致測(cè)量不同過(guò)程量-在科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備情況下的質(zhì)量流量-時(shí)以及在確定共振測(cè)量系統(tǒng)的不同參數(shù)-在科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備情況下例如量管的剛性-時(shí)測(cè)量不可靠性的增大?；谶@些事實(shí)，驅(qū)動(dòng)器電流的快速測(cè)量也是不可能的，這是因?yàn)橄啾榷孕◎?qū)動(dòng)器電流是噪聲非常大的，這使得直到獲得足夠平滑信號(hào)的長(zhǎng)平均時(shí)間是必要的。
[0010]本發(fā)明的任務(wù)是，提供用于操作共振測(cè)量系統(tǒng)的方法，所述方法使得作為共振測(cè)量系統(tǒng)的工作點(diǎn)的共振位置的快速且可靠的啟動(dòng)、停止和追蹤能夠?qū)崿F(xiàn)。
[0011]根據(jù)該發(fā)明用于操作共振測(cè)量系統(tǒng)的方法(在該方法中之前推導(dǎo)出且示出的任務(wù)得以解決)-首先且主要特征在于，在調(diào)節(jié)電路中獲取在振蕩接收器的輸出信號(hào)y和調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)U1之間的調(diào)節(jié)器-振蕩接收器-相位差Λ φ (y，Ul)，由預(yù)規(guī)定相位差Λ φ81和調(diào)節(jié)器-振蕩接收器-相位差Λ φ (y, U1)計(jì)算出調(diào)節(jié)偏差e并且調(diào)節(jié)偏差e作為輸入信號(hào)提供給調(diào)節(jié)器。通過(guò)選擇合適的預(yù)規(guī)定相位差△ Φ31，對(duì)振蕩元件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間經(jīng)常被忽視的相位偏移進(jìn)行修正。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的方法首先有意地完全放棄以有問(wèn)題的方式對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)量-如線(xiàn)圈電流-的獲取，而是代之用熟知的調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)工作，所述調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)已知的原因是它由調(diào)節(jié)器來(lái)產(chǎn)生，所述調(diào)節(jié)器通常在微處理器或者微控制器中通過(guò)數(shù)字調(diào)節(jié)算法和接下來(lái)的信號(hào)發(fā)生器來(lái)實(shí)施，并且因此是用戶(hù)可以得到的。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的方法是快速的，這是因?yàn)槟軌虮苊庠诘屯V波和平滑化的范圍中具有比較大時(shí)間常數(shù)的測(cè)量時(shí)間，為此考慮到，調(diào)節(jié)結(jié)果可能在共振點(diǎn)上達(dá)不到如同共振測(cè)量系統(tǒng)的與共振點(diǎn)關(guān)聯(lián)的量直接通過(guò)測(cè)量技術(shù)獲取時(shí)那樣精確。可能的不精確性尤其是起因于:調(diào)節(jié)器和電磁驅(qū)動(dòng)器之間的傳遞環(huán)節(jié)的傳遞行為仍被忽略，因而調(diào)節(jié)器和電磁驅(qū)動(dòng)器之間的傳遞環(huán)節(jié)的相位影響也仍被忽略。
[0014]為了能夠進(jìn)行適宜的修正并且尤其是為了能夠在振蕩元件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間以盡可能快的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)規(guī)定的相位偏移，在一種優(yōu)選的方法擴(kuò)展方案中，調(diào)節(jié)電路的除了振蕩元件的元件之外的全部元件的相位偏移根據(jù)頻率來(lái)獲取并且在用儀器實(shí)現(xiàn)該方法的計(jì)算單元(例如DSP)中存放所述相位偏移(頻率特性)。于是，優(yōu)選首先從中推導(dǎo)出靜態(tài)修正，所述靜態(tài)修正能夠在技術(shù)上以不同方式實(shí)現(xiàn)。一方面，例如通過(guò)在調(diào)節(jié)電路中補(bǔ)充額外的傳遞環(huán)節(jié)-其進(jìn)行對(duì)應(yīng)的相位修正，或者通過(guò)針對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)1^和振蕩接收器的輸出信號(hào)y之間的相位偏移預(yù)規(guī)定對(duì)應(yīng)額定值。
[0015]根據(jù)共振測(cè)量系統(tǒng)的傳遞行為以及調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)1^和振蕩接收器的輸出信號(hào)y的比例選出預(yù)規(guī)定相位差△ Φ31。對(duì)于起初描述的科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量設(shè)備作為共振測(cè)量系統(tǒng)-其利用作為電伺服機(jī)構(gòu)的壓控電流源來(lái)工作，預(yù)規(guī)定相位差△ Φ31在第一次逼近時(shí)設(shè)為零，以便于所獲取的調(diào)節(jié)器-振蕩接收器-相位差實(shí)際上能夠直接作為調(diào)節(jié)偏差返回到調(diào)節(jié)器中。
[0016]如果此外還已知電伺服機(jī)構(gòu)在工作點(diǎn)中引起特定的平均相位偏移，則在根據(jù)本發(fā)明的方法的第一次優(yōu)化中，為了引起對(duì)相位偏移的對(duì)應(yīng)補(bǔ)償，能夠精確地將預(yù)規(guī)定相位差Δ Φ31設(shè)為該值。已表明，根據(jù)本發(fā)明的方法基于調(diào)節(jié)器-振蕩接收器-相位差在共振工作點(diǎn)中和/或在共振工作點(diǎn)附近以能量上完全可接受的偏差導(dǎo)致良好的調(diào)節(jié)結(jié)果。
[0017]在正常情況下，預(yù)規(guī)定相位差Λ (i>sl被選擇成使得激勵(lì)振蕩元件以至少一個(gè)本征形式在共振中或者在共振點(diǎn)附近進(jìn)行振蕩。然而，出于診斷目的，也能夠絕對(duì)被期望的是，相位差△ Φ31以完全不同的方式選出，例如出于選擇性的參數(shù)標(biāo)識(shí)目的，在此例如為+/-45° 的值。
[0018]在根據(jù)本發(fā)明的方法的一種特別優(yōu)選的實(shí)施方案中規(guī)定:構(gòu)成額外的調(diào)節(jié)器-驅(qū)動(dòng)器-相位差Δ φ (is，U1),也就是電磁驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)量“和調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)之間的相位差，其中，該調(diào)節(jié)器-驅(qū)動(dòng)器-相位差于是用作預(yù)規(guī)定相位差Δ φ81。通過(guò)該額外的措施，有可能獲得有關(guān)如下傳遞元件的相位偏移的信息，所述傳遞元件位于調(diào)節(jié)器和電磁驅(qū)動(dòng)器之間，其中這些元件、當(dāng)前是電伺服機(jī)構(gòu)為了實(shí)施之前描述的快速但是有意保持稍微不準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)電路而有意地被忽略。
[0019]