СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И/ИЛИ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРА ПРОЦЕССА
METHOD FOR DETECTION AND/OR CONTROL OF PROCESS PARAMETRE

Изобретение относится к способу определения и/или контроля параметра процесса. Параметр процесса представляет собой предпочтительно объемный или массовый расход среды через трубопровод или канал. Соответствующие ультразвуковые расходомеры предлагаются и распространяются заявителем. Кроме того, параметр процесса может представлять собой также уровень содержимого в резервуаре, определяемый методом времени прохождения ультразвука. В общем, можно сказать, что способ, согласно изобретению, применим во всех измерительных приборах, в которых посылаются и принимаются ультразвуковые измерительные сигналы.
Без ограничения ниже дана ссылка на ультразвуковой расходомер. Врезной ультразвуковой расходомер обычно встроен в трубопровод, в котором течет измеряемая среда. Ультразвуковые расходомеры, работающие по методу разности времени прохождения, содержат, по меньшей мере, одну пару ультразвуковых датчиков, которые посылают и/или принимают ультразвуковые измерительные сигналы вдоль определенных звуковых путей. Регулирующий/обрабатывающий блок определяет объемный и/или массовый расход измеряемой среды в трубопроводе с помощью разности времени прохождения измерительных сигналов в направлении и против направления течения измеряемой среды. Измеряемая среда может представлять собой газообразную или жидкую среду.
Помимо описанных врезных ультразвуковых расходомеров, используются также насадные расходомеры, которые устанавливаются на трубопроводе снаружи и измеряют объемный или массовый расход через стенку трубы.
Ультразвуковые расходомеры описанного рода, определяющие объемный или массовый расход, широко используются в технике автоматизации процессов. Насадные расходомеры имеют то преимущество, что они позволяют определить объемный или массовый расход в емкости, например трубопроводе, без контакта со средой. Насадные расходомеры описаны, например, в ЕР 0686255 Bl, US-PS 4484478, DE 4335369 C1, DE 29803911 Ul, DE 4336370 С1 или US-PS 4598593.
В ультразвуковых расходомерах обоих типов ультразвуковые измерительные сигналы вводятся в трубопровод, в котором течет измеряемая среда, и выводятся из него под заданным углом. В ультразвуковых расходомерах соответствующее положение ультразвуковых преобразователей на измерительной трубке (врезной тип) или на трубопроводе (насадной тип) зависит от внутреннего диаметра измерительной трубки и от скорости звука в измеряемой среде. В насадном ультразвуковом расходомере должны дополнительно учитываться установочные параметры: толщина стенки трубопровода и скорость звука в материале трубопровода.
Обычно в ультразвуковых расходомерах обоих типов ультразвуковые датчики расположены так, что звуковые пути проложены через центральную часть трубопровода или измерительной трубки. Выявленное значение расхода отражает, тем самым, средний расход измеряемой среды. Во многих применениях, в частности при измерениях расхода в трубопроводах большого условного прохода, это усреднение, однако, слишком неточное. Поэтому известно также установить несколько пар датчиков на измерительной трубке или на трубопроводе с распределением по периферии, в результате чего информация о расходе поступает с различных сегментированных угловых зон измерительной трубки или трубопровода.
Важным компонентом ультразвукового датчика является пьезоэлектрический элемент. Важным компонентом пьезоэлектрического элемента является пьезокерамический слой, представляющий собой пленку или мембрану. Пьезокерамика, по меньшей мере, на одном участке металлизирована. За счет приложения электрического возбуждающего сигнала пьезоэлектрический слой приводится в колебания. Ультразвуковой датчик функционировал бы идеально, если бы пьезоэлектрический элемент точно следовал бы за электрическим возбуждающим сигналом, однако этого на практике не случается. Напротив, за счет возбуждающего сигнала обычно возбуждаются также высшие гармоники и резонансы, которые накладываются на собственно так называемый полезный сигнал и изменяют его форму. В результате иногда значительно ограничивается точность измерения метода, основанного на пьезоэлектрическом эффекте.
В основе изобретения лежит задача создания способа, с помощью которого можно было бы достичь оптимального отношения сигнал/шум в ультразвуковом датчике.
Эта задача решается посредством способа, включающего в себя следующие этапы:
- ограниченный по времени возбуждающий сигнал, описываемый, по меньшей мере, одной заданной величиной или заданной формой, подается к первому пьезоэлектрическому элементу или его первой поляризованной зоне;
- ответный сигнал, описываемый, по меньшей мере, одной фактической величиной или фактической формой, соответствующей заданной величине или заданной форме, воспринимается вторым пьезоэлектрическим элементом или его второй поляризованной зоной;
- фактическая величина или фактическая форма ответного сигнала и его заданная величина или заданная форма сравниваются между собой;
- в случае отклонения фактической величины или фактической формы ответного сигнала от его заданной величины или заданной формы возбуждающий сигнал модифицируется так, что фактическая величина или фактическая форма измерительного сигнала, посланного первым пьезоэлектрическим элементом или его первой поляризованной зоной, по меньшей мере, приблизительно равна заданной величине или заданной форме ответного сигнала;
- с помощью измерительного сигнала, описываемого определенной заданной величиной или заданной формой, параметр процесса определяется методом звукового сопровождения или эхо-методом.
Способ, согласно изобретению, состоит в обратной связи - либо в реальном времени, либо со сдвигом по времени - отклонения пьезоэлектрического элемента на электрический возбуждающий сигнал. Как уже сказано, ультразвуковой измерительный сигнал формируется за счет использования пьезоэлектрических элементов или пьезоэлектрических пленок или мембран. Известные пьезокерамические элементы поляризованы и состоят обычно из шайбы, металлизированной с обеих сторон. Отклонение поверхности происходит за счет приложения электрического напряжения между обеими металлизированными поверхностями. Прием ультразвукового измерительного сигнала происходит за счет реверсирования описанного выше процесса. Это возможно, поскольку процесс обратимый.
Согласно одному предпочтительному варианту способа, предусмотрено, что формируется возбуждающий сигнал, описанный заданной величиной или заданной формой, возбуждающий сигнал подается к первой поляризованной зоне пьезоэлектрического элемента, описанный, по меньшей мере, одной фактической величиной или фактической формой ответный сигнал снимается во второй поляризованной зоне пьезоэлектрического элемента и в случае отклонения фактической величины или фактической формы ответного сигнала от его заданной величины или заданной формы возбуждающий сигнал модифицируется так, что ответный сигнал, по меньшей мере, приблизительно описывается его заданной величиной или заданной формой. В простейшем случае способ реализуется посредством обратной связи.
Чтобы измерить отклонение пьезоэлектрического элемента за счет приложенного сигнала напряжения, согласно изобретению, в первом варианте на пьезоэлементе предусмотрена, по меньшей мере, одна дополнительная металлизированная и поляризованная зона. В этой дополнительной второй поляризованной зоне измеряется напряжение, зависимое от отклонения пьезоэлемента. За счет линеаризации с помощью опорного измерения приложенного сигнала напряжения относительно отклонения и с помощью фазовой компенсации задержки участвующих в колебании механических и электрических компонентов можно оптимально согласовать колебательную характеристику пьезоэлектрического элемента с желаемой заданной формой сигнала. Для простоты оконечный каскад и компенсационная схема выполняются аналогично.
Кроме того, согласно одному альтернативному варианту, описанный заданной величиной или заданной формой возбуждающий сигнал подается к первому пьезоэлектрическому элементу; затем ответный сигнал, описанный фактической величиной или фактической формой, соответствующей заданной величине или заданной форме, снимается со второго пьезоэлектрического элемента, пространственно отделенного от первого пьезоэлектрического элемента; в случае отклонения фактической величины или фактической формы ответного сигнала от его заданной величины или заданной формы возбуждающий сигнал модифицируется так, что ответный сигнал, по меньшей мере, приблизительно может быть описан заданной величиной или заданной формой.
Во втором альтернативном варианте способа используется, следовательно, второй пьезоэлектрический элемент, расположенный на звуковом пути первого пьезоэлектрического элемента. Этот второй пьезоэлектрический элемент выполняет контрольную функцию и измеряет посланную первым пьезоэлектрическим элементом форму сигнала. С помощью измеренной формы сигнала ультразвуковой измерительный сигнал модифицируется так, что первый пьезоэлектрический элемент посылает нужную форму сигнала. Второй пьезоэлектрический элемент используется, следовательно, для непосредственной компенсации нежелательных высших гармоник ультразвукового измерительного сигнала.
В определенных применениях может возникнуть такой случай, что фазовая разность за счет времени прохождения ультразвукового измерительного сигнала между первым пьезоэлектрическим элементом и вторым пьезоэлектрическим элементом, выполняющим контрольную функцию, становится слишком большой, так что непосредственная обратная связь невозможна. В этом случае происходит настройка нужной формы сигнала альтернативным способом, который одновременно позволяет подходящим образом компенсировать высшие гармоники и резонансы посланного ультразвукового измерительного сигнала. Для этого посланный первым пьезоэлектрическим элементом ультразвуковой измерительный сигнал также измеряется вторым пьезоэлектрическим элементом с контрольной функцией. Форма сигнала или иная характеристическая величина измеренного ультразвукового измерительного сигнала сравнивается с заданной формой или заданной величиной. Из разности обоих измерительных сигналов формируется и запоминается новый возбуждающий сигнал. Для следующего возбуждения пьезоэлектрического элемента используется этот заново формированный и запомненный возбуждающий сигнал. Посланный ультразвуковой измерительный сигнал заново измеряется, сравнивается с нужным возбуждающим сигналом и из разности снова формируется и запоминается модифицированный возбуждающий сигнал. Благодаря итеративному применению способа фактическая форма сигнала актуального ультразвукового измерительного сигнала последовательно приближается к его нужной форме.
Одно усовершенствование обоих описанных вариантов способа предусматривает, что фактическая величина или фактическая форма ответного сигнала модифицируется за счет изменения приложенного к первой зоне пьезоэлектрического элемента напряжения или за счет изменения приложенного к первому пьезоэлектрическому элементу напряжения.
Как уже сказано, предложено, что заданное напряжение ответного сигнала сравнивается с его фактическим напряжением и что отклонение между обоими напряжениями корректируется посредством дифференциального усиления.
Один предпочтительный вариант способа предусматривает, что определяется заданная форма ответного сигнала и в зависимости от господствующих в процессе и/или системе условий сохраняется соответственно в виде формы возбуждающего сигнала и что согласованная с господствующими условиями процесса и/или системы форма сигнала используется в качестве возбуждающего сигнала для, по меньшей мере, одной зоны пьезоэлектрического элемента или в качестве возбуждающего сигнала для пьезоэлектрического элемента.
Далее предложено, что выявленная в определенных условиях процесса и/или системы форма сигнала подается в качестве возбуждающего сигнала к первому пьезоэлектрическому элементу и что в случае отклонения формы сигнала второго пьезоэлектрического элемента от запомненной в зависимости от условий процесса и/или системы формы возбуждающего сигнала формируется сообщение об ошибке. Отклонение от предварительно выявленной в заданных условиях корректировки ультразвукового измерительного сигнала привлекается здесь, следовательно, для обнаружения ошибки.
Как уже сказано, в случае пьезоэлектрического элемента речь идет о шайбообразном элементе, имеющем две противоположные торцевые поверхности. Пьезоэлектрический элемент представляет собой пленку или мембрану.
Предпочтительно пьезоэлектрический элемент имеет в разных зонах независимую друг от друга поляризацию; кроме того, предпочтительно, если зоны с независимой друг от друга поляризацией расположены на одной и той же торцевой поверхности пьезоэлектрического элемента. Это упрощает во многих случаях проводное соединение.
Подходящее для осуществления способа устройство содержит сигнальный генератор, который подает ограниченный по времени, описанный величиной или формой возбуждающий сигнал к первой поляризованной зоне пьезоэлектрического элемента. Далее предусмотрена корректирующая схема, которая снимает соответствующую фактическую величину или соответствующую фактическую форму ответного сигнала со второй поляризованной зоны пьезоэлектрического элемента и сравнивает с заданной величиной или заданной формой ответного сигнала; корректирующая схема подает к первой поляризованной зоне в случае отклонения заданной и фактической величин или заданной и фактической форм ответного сигнала компенсирующий сигнал, рассчитанный так, что фактическая величина или фактическая форма ответного сигнала приблизительно равна его заданной величине или заданной форме.
Вместо оказания влияния на один пьезоэлектрический элемент с поляризованными по-разному зонами один альтернативный вариант устройства предусматривает два пьезоэлектрических элемента, расположенных в непосредственном соседстве друг с другом. В целом, можно сказать, что второй пьезоэлектрический элемент расположен на звуковом пути первого пьезоэлектрического элемента. Во избежание отражений в этой связи считается предпочтительным, если между обоими пьезоэлектрическими элементами расположена связующая среда.
При применении способа, в котором предложено итеративное согласование посланного ультразвукового измерительного сигнала с ультразвуковым измерительным сигналом заданной формы, предусмотрен блок памяти, в котором записаны величины или формы ответного сигнала в зависимости от господствующих в процессе и/или системе условий.
В этой связи можно тогда привлечь устройство, согласно изобретению, для обнаружения ошибок в системе или процессе. Для этого предусмотрен блок обработки, который обнаруживает отклонение фактической величины или фактической формы ответного сигнала от его соответствующей, записанной в определенных условиях процесса и/или системы заданной величины или заданной формы и формирует соответствующее сообщение об ошибке.
Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью прилагаемых чертежей, на которых изображено:
- фиг.1: вид сверху на торцевую поверхность пьезоэлектрического элемента из уровня техники;
- фиг.1a: сечение по линии А-А на фиг.1;
- фиг.2: сигнал напряжения, используемый для возбуждения пьезоэлектрического элемента из уровня техники;
- фиг.3: ответный сигнал на сигнал напряжения из фиг.2;
- фиг.4: первый вариант пьезоэлектрического элемента с двумя по-разному поляризованными зонами;
- фиг.4а: сечение по линии А-А на фиг.4;
- фиг.5: второй вариант пьезоэлектрического элемента с двумя по-разному поляризованными зонами;
- фиг.5а: сечение по линии А-А на фиг.5;
- фиг.6: первая схема, подходящая для управления пьезоэлектрическим элементом с двумя по-разному поляризованными зонами;
- фиг.7: вторая схема, подходящая для управления пьезоэлектрическим элементом с двумя по-разному поляризованными зонами;
- фиг.8: схема управления первым пьезоэлектрическим элементом, к которому подключен второй пьезоэлектрический элемент с компенсирующей функцией;
- фиг.9: блок-схема для осуществления предпочтительного варианта способа.
На фиг.1 показан вид сверху на торцевую поверхность 6 известного из уровня техники пьезоэлектрического элемента 1. На фиг.1а пьезоэлектрический элемент 1 показан в сечении по линии А-А. Такой пьезоэлектрический элемент 1 является важным компонентом ультразвукового датчика, используемого, например, для измерения расхода или уровня и расстояния. Образующий пьезоэлектрический элемент 1 пьезокерамический слой представляет собой пленку или мембрану с нанесенным с обеих сторон проводящим покрытием. Из уровня техники известно, например, что обе противоположные торцевые поверхности 5, 6 пьезоэлектрического элемента 1 поляризованы по-разному. Толщина Т пьезоэлектрического слоя определяет собственную частоту пьезоэлектрического элемента.
Посредством электрического возбуждающего сигнала U(t) возбуждаются колебания пьезоэлектрического элемента 1. Функционирование ультразвукового датчика можно назвать идеальным, если посланный пьезоэлектрическим элементом 1 ультразвуковой измерительный сигнал по своей форме точно следует за электрическим возбуждающим сигналом U(t), однако на практике этого не случается. Напротив, за счет возбуждающего сигнала U(t), помимо основной частоты, обычно возбуждаются также высшие гармоники и резонансы, которые накладываются на собственно так называемый полезный сигнал и изменяют его форму. Пример схематично изображен на фиг.2 и 3.
a
Изображенный на фиг.3 ответный сигнал U(t) поясняет, что по сравнению с возбуждающим сигналом U(t) он имеет заметно более длительное время затухания. Возбуждающий сигнал U(t) формируется сигнальным генератором 7. Понятно, что это изменение формы сигнала ведет к значительным ошибкам измерений, если время прохождения ультразвуковых измерительных сигналов мало по сравнению с измерительным сигналом.
На фиг.4 изображен первый вариант пьезоэлектрического элемента 1 с двумя поляризованными по-разному зонами 2, 4, подходящего для осуществления первого варианта способа. На фиг.5 изображен второй вариант пьезоэлектрического элемента 1, подходящего для осуществления способа. На фиг.4а и 5а изображены соответствующие сечения по линии А-А на фиг.4 и 5.
a
В обоих вариантах на торцевой поверхности 5 пьезоэлектрического элемента 1 предусмотрены две зоны 2, 4 с разной поляризацией. В то время как поляризованные по-разному зоны 2, 4 в варианте на фиг.4 расположены концентрично, зоны 2, 4 в варианте на фиг.5 имеют асимметричное строение. За счет подачи возбуждающего сигнала U(t) первая зона 2 посылает ответный сигнал U(t), принимаемый в реальном времени второй зоной 4 пьезоэлектрического элемента 1.
a
a
Как видно в изображенной на фиг.6 схеме, принятый второй зоной 4 ответный сигнал U(t) подается к корректирующей схеме 8, представляющей собой предпочтительно дифференциальное усиление, и через оконечный каскад/усилитель 12 снова подается на первую зону 2 пьезоэлектрического элемента 1. За счет этой схемы обратной связи достигается то, что ответный сигнал U(t) в состоянии размаха, по меньшей мере, приблизительно имеет форму возбуждающего сигнала U(t).
a
На фиг.8 изображена аналогичная схема обратной связи для управления первым пьезоэлектрическим элементом 1, к которому подключен второй пьезоэлектрический элемент 3 с компенсирующей функцией. Между обоими пьезоэлектрическими элементами 1, 3 находится связующая среда 9, свойства которой в отношении, например, демпфирования или отражательной способности согласованы со свойствами обоих пьезоэлектрических элементов 1, 3. В этом выполнении второй пьезоэлектрический элемент 3, расположенный на звуковом пути первого пьезоэлектрического элемента 1, подает, следовательно, на дифференциальную усилительную схему 8 ответный сигнал U(t).
a
i
i
i
i
Схема на фиг.7 отличается от схемы на фиг.6 дополнительным блоком 10 памяти и блоком 11 обработки. Эта схема подходит для осуществления предпочтительного варианта способа, в котором процесс размаха системы сокращен. Согласно этому варианту, определяется заданная форма ответного сигнала U(t) и в зависимости от господствующих в процессе и/или в системе условий X записывается в память соответственно в качестве формы возбуждающего сигнала U(t; X); эта форма сигнала, оптимально согласованная с соответственно господствующими условиями X процесса и/или системы и уже предварительно определенная, используется затем в качестве ответного сигнала U(t; X), по меньшей мере, для одной зоны 2 пьезоэлектрического элемента 1 или в качестве возбуждающего сигнала для первого пьезоэлектрического элемента 1.
i
i
a
i
i
i
a
i
Далее предусмотрено, что выявленная в определенных условиях X процесса и/или системы форма сигнала в качестве ответного сигнала U(t; X) подается к первому пьезоэлектрическому элементу 1 и что в случае отклонения формы посланного вторым пьезоэлектрическим элементом 1 ответного сигнала U(t; X) от хранящейся в памяти в определенных условиях X процесса и/или системы формы возбуждающего сигнала U(t; X) создается сообщение об ошибке. Отклонение между ответным сигналом U(t; X), посланным вторым пьезоэлектрическим элементом 1 или второй зоной 3 пьезоэлектрического элемента 1, привлекается, тем самым, для обнаружения ошибки.
На фиг.9 изображена блок-схема осуществления предпочтительного варианта способа, в которой фактическая форма возбуждающего сигнала итеративно приближается к заданной форме. Этим способом можно производить измерение демпфирования или импеданса или в сочетании с измерением скорости звука - измерение плотности. Описанный ниже способ позволяет также обнаруживать износ или вообще дефект выполненного в виде передатчика пьезоэлектрического элемента 1.
В целом, в этом выполнении достигается итеративное приближение формы посланного для определения параметра процесса ультразвукового измерительного сигнала к нужной заданной форме возбуждающего сигнала U(t). Если фактическая форма возбуждающего сигнала совпадает с его заданной формой, то более поздние изменения позволяют судить о возможных ошибках системы или процесса.
a
Запуск программы происходит на этапе 20. На этапе 21 нужная заданная форма сигнала в качестве сигнала U(t) напряжения прикладывается к первому пьезоэлектрическому элементу 1. Он выполняет, тем самым, функцию передатчика. Второй пьезоэлектрический элемент 3 принимает на этапе 22 ответный сигнал U(t). Таким образом, второй пьезоэлектрический элемент 3 выполняет функцию микрофона.
На этапе 23 заданная форма сигнала анализируется и описывается подходящими параметрами. Эти параметры на этапе 25 записываются в память. Далее заданная форма сигнала дискретизируется, записывается в память, или эти данные уже хранятся в памяти в цифровой форме на этапе 24.
К первому пьезоэлектрическому элементу 1 на этапе 26 подается сигал U(t) напряжения, имеющий хранящуюся в памяти форму. На этапе 28 второй пьезоэлектрический элемент 3 измеряет фактическую временную характеристику хранящейся в памяти заданной формы сигнала. На этапе 29 фактическая форма ответного сигнала дискретизируется и записывается в память. Затем дискретизированная и записанная в память заданная форма возбуждающего сигнала и фактическая форма ответного сигнала сдвигаются по фазе и сравниваются или коррелируются между собой. Фазовый сдвиг необходим, поскольку ответный сигнал смещен по времени относительно возбуждающего сигнала за счет времени прохождения между первым 1 и вторым 3 пьезоэлектрическими элементами. За счет подходящего алгоритма, например быстрого преобразования Фурье, на этапе 31 определяется корректированная заданная форма сигнала. Эта корректированная заданная форма сигнала возвращается на этап 25 и записывается в память. Этапы 26-31 последовательно отрабатываются до тех пор, пока фактическая и заданная формы сигнала не совпадут.
Перечень ссылочных позиций
1 - первый пьезоэлектрический элемент
2 - первая поляризованная зона
3 - второй пьезоэлектрический элемент
4 - вторая поляризованная зона
5 - первая торцевая поверхность
6 - вторая торцевая поверхность
7 - сигнальный генератор
8 - корректирующая схема
9 - связующая среда
10 - блок памяти
11 - блок обработки
12 - оконечный каскад/усилитель