用于標定或調整任意可振蕩單元的方法
【專利說明】用于標定或調整任意可振蕩單元的方法
[0001] 本發明設及一種用于標定或調整過程自動化中所使用的任意可振蕩單元的方法。 可振蕩單元至少有時會與一個位于容器中的介質相互作用，特別是用于確定或者監測至少 一個傳感器和/或系統特定參數。運種情況下，過程特定參數傳送主要存在于過程中的關 于過程條件的信息，其中在過程中設置可振蕩單元。傳感器特定變量設及多個影響因素，其 表征在介質中的可振蕩單元的表現。運些變量特別包括幾何參數和/或它們設及可振蕩單 元的材料特性和/或質量流率。
[0002] 使用振動傳感器確定物理變量廣泛分布在自動化技術中，特別是過程自動化技術 中W及制造自動化技術中。振動傳感器的可振蕩元件可W與隔膜通過材料粘結劑和/或通 過互鎖力的方式連接，例如摩擦互鎖，并且可W具體化為任意種類的振蕩叉或者一個單獨 的桿。隔膜和與隔膜連接的可振蕩元件，也就是可振蕩單元，通過發送/接收單元進行激 勵，從而執行多次振蕩。發送/接收單元通常至少為一個壓電或者相應的機電元件。另外， 所謂的隔膜振蕩器是已知的，運種情況下，可振蕩元件僅由隔膜構成。
[0003] 通常，通過模擬電子器件激勵振動傳感器來實施多次振蕩，其中模擬電子元件與 可振蕩單元共同形成模擬振蕩電路。不同實施例中，相應的振動傳感器W及對應的振動測 量設備是由申請人制造和售賣的，其商標為LI卵IPHANT和S0LIPHANT。
[0004] 振動傳感器可W檢測過程特定參數，例如容器中液體或固體的限位。通常，為了檢 測預定填充高度（限位），傳感器在可振蕩單元的諧振頻率下工作。通過檢測設定相位下頻 率的變化，該設定相位通常為90°，可W檢測到可振蕩單元是否與介質接觸或者是否正在 自由振蕩。 陽0化]另外，公知的可W通過評價振動傳感器的振蕩行為，確定，相應的監測介質中的多 個其他過程特定參數。運些過程特定參數包括特別是介質的密度和粘度，然而，還可W是溫 度。為了確定液體介質的密度，輸入信號和輸出信號的相位差（通常也被簡稱為相位）設 定為45°或-135°。設定該相位差的時候，非常清楚頻率的變化歸因于介質密度的變化， 因為流體介質粘度的影響可W排除。W002/031471A2描述了一種用于測量粘度的設備。從 EP2041529B1中可W獲知用于確定流體介質密度的設備。
[0006] 基于上面提到的實施例可W很明顯地看出，模擬電子器件具有一個劣勢，即相對 不太靈活。特別是，模擬電子器件必須與各個傳感器，相應的傳感器類型，相互匹配，根據其 振蕩特性，W及進一步根據相應的應用，即傳感器是被用于限位高度測量、密度測量還是粘 度測量。申請人的申請DE102012113045.0中描述了一種解決方案，避免了上面提到的缺 點，申請日為2012年12月12日。DE102012113045. 0的內容在此引入作為參考。
[0007] 振動傳感器的類型是變化豐富的。運樣的例子是申請人制造和售賣的商標為 LI卵IPHANT和S0LIPHANT的產品。因此，需要指出現有已知的和未來的傳感器確實會在其 幾何形狀方面差別相對很大。在DE102012113045.0中提到的解決方案的情況下，為了分析 性確定具體為振蕩叉的可振蕩單元和流體介質之間的相互作用，振動叉的兩個叉齒通過數 學模型近似化。具體情況下，兩個叉齒數學近似為理想的楠圓柱面。
[0008] 為了將DE102012113045.0中獲知的方法轉化為具有不同幾何形狀的可振蕩單 元，有必要相應地修改數學模型。運種情況下，需要注意的是相互作用的數學描述，相應的 可振蕩單元和介質之間的相互作用相對比較復雜。對此補充的有另外兩個考慮：
[0009] -由于可振蕩單元的復雜幾何形狀，建模的和實際情況之間總是存在很小的不一 致；化及
[0010] -傳感器類型例如LI卵IPHANTT或者LI卵IPHANTM的可振蕩單元的幾何形狀通 常絕不會百分之百的相符合，例如由于制造容差。
[0011] 運兩個方面對于期望的高精度振動傳感器測量值都是不利的作用。
[0012] 本發明的目的在于提供一種方法，采用該方法可W改善振動傳感器測量值的準確 性，相應的振動測量設備的準確性。
[0013] 該目標是通過利用一種描述可振蕩單元的數學模型標定或調整任意可振蕩單元 的方法實現的，其中可振蕩單元至少有時與位于容器中的介質相互作用，并且用于確定或 者監測自動化技術中的至少一個過程和/或系統特定參數，
[0014] 其中通過實際輸入信號激勵可振蕩單元從而執行多次振蕩；
[0015] 其中確定可振蕩單元的實際輸出信號；
[0016] 其中將實際輸出信號數字化，并且產生一個實際輸出序列；
[0017] 其中將實際輸入信號數字化，并且產生一個數字輸入序列；
[0018] 其中將數字輸入序列饋送到功能模塊，其提供與介質相互作用的可振蕩單元的數 學模型，
[0019] 其中通過至少兩個傳感器特定變量確定數學模型；
[0020] 其中通過數學模型生成虛擬輸出序列；
[0021] 其中將虛擬輸出序列與實際輸出序列比較；
[0022] 其中產生偏差的情況下，適應性地改變數學模型的傳感器特定變量，直到可振蕩 單元的虛擬輸出序列和實際輸出序列之間的偏差位于預定的可容忍范圍內。
[0023] 振動傳感器的差分方程為-例如DE102012113045. 0中導出的-一個二階方程：
[0025] 對于本征角頻率CO。和萊爾化e虹）阻尼質量D，產生如下方程：
[0028] 由流體介質施加在主體上的總作用力Fp通過加和壓力FD和摩擦力FK得到。運種 情況下，各個作用力的方向在各個情況下都被認為是正的： W29]Ff=Fd+Fr
[0031] HV被解釋為補充禪合質量，dp被解釋為補充作用阻尼：
[0034] Gl，G2為參數，其排他性的取決于可振蕩體的幾何形狀。
[0035] 在可振蕩系統近似為兩個楠圓叉齒的情況下，獲得如下等式：
[0038] 可振蕩單元的剛度由C燈）給出，m,為質量，d,為可振蕩單元自由振蕩的阻尼，D為 萊爾化ehr)阻尼質量，W及為本征頻率。通過參數估計法可W確定傳感器特定變量， 特別是幾何參數。
[0039] 用于確定本征頻率和諧振頻率的信息現在給出：
[0040] 諧振頻率當是最大幅值發生處的頻率； 陽041] 本征頻率為可振蕩單元自由振蕩的頻率。
[0042] 無阻尼情況下，當可振蕩單元受到本征頻率的激勵時，發送和所接收信號之間會 發生90°相位差。在運種特殊情況下，本征頻率被稱為《。。
[0043] 另外，在阻尼情況下，本征和諧振頻率互不相同。
[0044] 振動傳感器情況下，總是采用無阻尼振蕩的可振蕩單元的本征頻率激勵，其中發 生90°相位差。采用如下公式可W確定本征頻率：
[0046] 無阻尼W及也在有阻尼情況下，采用上面公式能計算《。。運些情況下，可W獲得 頻率，其中產生90°相位差。有阻尼的情況下，然而對應的既不是諧振頻率Of,也不是阻尼 系統的本征頻率《4。運些定義如下，其中C為剛度，m為質量，為無阻尼本征頻率，Od 為阻尼本征頻率，COf為諧振頻率，并且D為萊爾化e虹）阻尼質量。
[0049] 優選的自動化運行本發明標定方法結束后，通過后續調整方法中的參數估計 方法可W確定過程特定參數，特別是流體參數，密度P，粘度n和溫度T。盡管在實施 DE102012113045. 0所述用于確定和/或監測過程參數的方法情況下，傳感器特定參數G1， G2保持為常量，但是本發明解決方案的情況下，特別是上面提到的過程特定參數保持為常 數。那么，根據本發明，改變傳感器特定參數直到可振蕩單元的虛擬輸出序列和實際輸出序 列之間的偏差落入預定的可容忍范圍內或者優選達到零。為此，可振蕩單元，相應的振動傳 感器，必須在處于常溫的確定介質中運行。
[0050] 本發明的方法優選置于DE102012113045. 0所述方法之前。本發明所提供對每個 模型的調整使得至少兩個決定性的影響可振蕩單元和介質之間的相互作用的傳感器特定 變量與可振蕩單元的實際表現相匹配。術語傳感器特定變量運里指的是除了已經多次提到 的幾何參數，還有決定傳感器與介質之間作用表現的變量，例如可振蕩單元的材料特性或 者可振蕩單元的質量流率。
[0051] 本發明的方法具有決定性的優點，一個現成的模型，例如DE102012113045. 0中詳 細描述的用于兩個楠圓叉齒的模型可W與任意W及最多變的傳感器特定參數，相應的幾何 參數相匹配，而無需要求對此投入精力重寫數學模型。盡管DE102012113045.0中，例如幾 何參數保持為常量，本發明解決方案情況下的幾何參數或者其他傳感器特定變量可W適應 性的被改變直到模型的表現和實際可振蕩單元的表現高度精確一致。該適應性近似的過程 自動運行。根據本發明，有可能首次不依賴可振蕩單元的實際實施例，總是能夠獲得任意可 振蕩單元和相應數學模型之間的高度一致。
[0052] 正如已經早先指示的，可振蕩單元與傳感器或者自動化技術的測量設備相關聯， 特別是用于確定容器中介質的填充高度，相應的限位，密度或粘度。
[0053] 另一個有利的對本發明方法的進展給出可振蕩單元工作在本征頻率下。然而，當 可振蕩單元的振蕩頻率處于