测量装置和流量测量方法.pdf

一种测量装置且尤其是涡流计数器，它的测量原理是基于一个非线性的振荡器，其中设有一个传感器用于接收一个测量信号(S(t))，该信号被输送给一个评价单元(2)，其特征在于，由相位增量psi(tau，t)即一个相位提取器(18)里的测量信号(S(t))的相位信号的瞬间值phi(t)同延迟了tau时间的值phi(t－tau)之间的差别，形成一个耦合指示器值(KI)，其做法是，通过与一个耦合参考值(KR)进行比较，可以识别出与另一个振荡器的相位耦合。

1.  一种测量装置如涡流计数器，它的测量原理是基于振荡器，其中设有一个传感器用于接收一个测量信号(S(t))，该信号被输送给一个评价单元(2)，其特征在于，根据相位增量psi(tau，t)即测量信号(S(t))的相位信号的瞬间值phi(t)同延迟了大约tau时间的值phi(t-tau)之差，形成一个耦合指示器值(KI)，其做法是，通过与一个耦合参考值(KR)进行比较，可以在该耦合指示器值中发现存在与另一个振荡器的相位耦合。

2.  根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，有一个信号储存器(16)，用于在一个时间间隔内缓冲寄存相位信号值，由来自该信号储存器的相位信号值来形成相位增量和耦合指示器值(KI)。

3.  根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，该耦合指示器值(KI)是相位增量psi(tau，t)变化的估算值(V)。

4.  根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，该相位增量psi(tau，t)变化的估算值(V)是由相位增量psi(tau，t)函数变化的平均值形成的。

5.  根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，该相位增量psi(tau，t)变化的估算值(V)是由相位增量psi(tau，t)二次幂变化的平均值形成的。

6.  根据权利要求1至5中的任一项所述的测量装置，其特征在于，该耦合参考值(KR)是用在部分延迟时间(psi(tau/I，t)＝phi(t)-phi(t-tau/I))形成的相位增量的变化的估价值(V)的倍数(1倍)。

7.  根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，该耦合指示器(KI)是由相位增量的整数倍(psi’(tau，t)＝K*psi(tau，t)＝K*psi(tau，t)-K*phi(t-tau))的估算分配函数p(psi’)形成的。

8.  根据权利要求7的测量装置，其特征在于，该相位增量的整数倍的估算分配函数p(psi’)是由频率曲线形成的。

9.  根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，耦合参考值(KR)是在一个参考测量中确定的，并被储存在参考值储存器(14)里。

10.  根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，延迟时间(tau)反比于涡流频率(f)。

11.  根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，信号缓冲寄存器(16)是评价单元(2)的一部分。

12.  根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，信号缓冲寄存器(16)布置在评价单元(2)之外。

13.  根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，评价单元(2)包含一个显示单元(20)，用于显示相位耦合的存在。

14.  根据权利要求13所述的测量装置，其特征在于，评价单元(2)包含一个数字接口(22)，以通过中央单元中的相位耦合来输送信息。

15.  一种通过流量器来测量流量的方法，测量效果基于一个振荡器，其中由一个传感器(6)感应到的被测信号(S(t))被输送到一个评估单元(2)，其特征在于，根据相位增量psi(tau，t)即在相位收集器里的测量信号(S(t))的相位信号的瞬间值phi(t)和延迟了tau时间的值phi(t-tau)之间的差异，形成一个耦合指示器值(KI)，其做法是，通过与一个耦合参考值(KR)进行比较，可以在此发现存在与另一个振荡器的相位耦合。

16.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，该相位信号值在一个时间间隔内暂时储存在一个信号储存器(16)内，该信号储存器这样布置在评估单元(2)的内部或外部，即由来自该信号储存器的相位信号值来形成相位增量和耦合指示器值(KI)。

17.  根据权利要求16所述的方法，其特征在于，说形成的耦合指示器值(KI)是相位增量psi(tau，t)变化的估算值(V)。

18.  根据权利要求17所述的方法，其特征在于，相位增量psi(tau，t)变化的估算值(V)是由相位增量psi(tau，t)的一个函数变化的平均值形成的。

19.  根据权利要求17所述的方法，其特征在于，相位增量psi(tau，t)变化的估算值(V)是由相位增量psi(tau，t)二次幂变化的平均值形成的。

20.  根据权利要求15至19中的任一项所述的方法，其特征在于，形成的耦合参考值(KR)是在部延迟时间(psi(tau/I，t)＝phi(t)-phi(t-tau/I))形成的相位增量的变化的估价值(V)的倍数(1倍)。

21.  根据权利要求16所述的方法，其特征在于，耦合指示器(KI)是由相位增量的整数倍(psi’(tau，t)＝K*psi(tau，t)＝K*psi(tau，t)-K*phi(t-tau))的估算分配函数p(psi’)形成的。

22.  根据权利要求21所述的方法，其特征在于，相位增量的整数倍的估算分配函数p(psi’)是由频率曲线形成的。

23.  根据上述权利15至22中的任一项所述的方法，其特征在于，耦合参考值(KR)是在一个参考测量中确定的，并被储存在参考值储存器(14)里。

24.  根据上述权利15至23中的任一项所述的方法，其特征在于，延迟时间(tau)反比于涡流频率(f)。

25.  根据上述权利15至24中的任一项所述的方法，其特征在于，相位耦合的存在通过一个数据接口(22)被送往一个中央单元。

26.  根据上述权利15至25中的任一项所述的方法，其特征在于，通过一个显示单元(20)来显示相位耦合的存在。

测量装置和流量测量方法
技术领域
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的测量装置以及如权利要求15前序部分的流量测量方法。
背景技术
本发明以这样的测量装置为出发点，即其测量原理基于振荡器，例如它称为涡流计数器，也称为涡流流量计，其用于确定流动物质的体积流量和流速。
涡流流量计的测量原理基于以下事实，即在流体内在扰流体后分离出的涡流的分离频率与流速存在函数关系。从频率可以确定流速，当管子几何形状已知时，就能确定流经管子的流量。
如果仔细琢磨，可以这样解释涡流流量计的功能方式：由扰流体引起的物理效应是，液流在扰流体的棱边处分裂，在后边形成交替的和反向的旋转涡流，其顺着液流流走。形成一条涡流流道(Wirbelstrasse)，其特征由涡流分离的频率和相位来表示。很早之前，这个效应就被称为卡门涡流流道“KarmanscheWirbelstrasse”。
以涡流流量计为基础的测量原理在于，涡流分离频率大致正比于流速。
为了掌握涡流分离频率，人们利用这样一个事实，即在涡流计数器里在涡流体旁交替分离的涡流会产生局部的速度变化和压力变化，所述变化可以通过合适的传感器来捕获，例如用压电压力传感器来探测。根据传感器的探测信号，也可以确定涡流分离频率和物质在管道内的流速。
测量信号主要以模拟电信号形式出现，该信号被提供给一个评价单元，以进行进一步的处理和评估。在评价单元里，通过已知的方法将模拟电信号离散和数字化，由此转换成数字信号。
以测量原理为基础的、位于扰流体后面的涡流流道在物理学上就是非线性振荡器。此外，在涡流计数器内，还可以考虑其它的物理效应，其导致其它振荡，在这里表示为外部振荡器，它们也以频率和相位来表征。这种效应例如是管路压力波动、流量波动或管子机械振动。此外，这样的其它振荡的特征是瞬间性和不可预测性以及振荡可能重新消失，因此无法用测量设备来探测或非常费事地进行测量。
现在知道，在涡流流道内的涡流分离的相位倾向于与其它振荡的相位耦合(相位耦合)，如此可能在流量仪上出现错误指示。相位耦合的影响简单地说会有以下的概括的形式：以非线性振荡器为基础的测量系统常常有这样的倾向，即构成测量系统一部分的一个振荡器(01)的相位phi1(t)倾向于与另一个外部振荡器(02)的相位phi2(t)耦合。相位在这里表示为时间的连续函数，因此，它们不限于2*pi大小的间隔。相位求导时间的平均时间是振荡频率。相位耦合表示这样的效果，即从相对相位phi[n，m]：＝n*phi1(t)-m*phi2(t)形成的周期性的、相对的相位Delta_phi[n，m](t)：＝phi[n，m](t)mod(2*pi)是恒定的，假定只有少数的优选值或只有一个不对等形状的分布。在这种情况下，n和m是小的自然数。如果要规定n和m，人们也提及n：m-相位耦合。
关于涡流流量计，使用者存在一个可以理解的愿望，即能够发现由相位耦合造成对流量测量产生了不良影响，以便不要错误地把有误的流量测量值假定为正确值，否则会对以该值为基础的流量控制或测量系统造成严重的结果。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种测量装置，在这个装置中可以探测出存在着的相位耦合，而且没有任何有关外振荡器的消息，以及研发一种流量测量方法，其中可以没有关于外部振荡器的认识地探测到相位耦合的存在。
关于测量装置，通过权利要求1的特征来完成该任务，关于方法，通过权利要求15的特征来实现。
按照本发明，从测量信号S(t)可以导出相位信号phi(t)，并且根据相位增量psi(tau，t)，即根据瞬间相位值和延迟一段时间tau的延时相位值phi(t)，phi(t，tau)之差，形成一个耦合指示器值，因此通过与一个耦合参考值比较，在耦合指示器值上可以发现是否存在与其它振荡器的相位耦合。相位信号phi(t)是在评价单元里(在数字化之前或之后)在一个功能块(在下文中称为相位提取器)中根据被测量信号导出的，确切地说采用了已知方法如x相位锁定环法(phase-locked-loops)，嵌入延迟空间，计算“分析的信号”，或通过确定相位，在通过适当的复杂值滤波器后，从信号的自变量确定相位。
用根据本发明的装置以非常完美的方式完成任务。利用这样一个事实，即相位耦合存在两种方式，第一方式称为硬相位耦合，在硬相位耦合时，相对相位的变化很少，或完全不会超过大于2*pi的范围，这种变化也称为相位跳。第二方式可以称为软相位耦合，它的相位跳即相对相位的变化大于2*pi的相位跳，经常发生。
现在可以发现，从测量信号的相位增量可以导出一个耦合指示器值，通过与一个耦合参考值比较，在耦合指示器值上可以发现是否存在相位耦合，确切地说，不用进一步了解其它的第二振荡器。
本发明装置的优点在于，为了判定一个相位耦合只需要深入评价存在在测量信号内的信息，也就是通过建立和继续连接相位增量，不必测量其它地振荡和附加其它的测量技术。
在本发明的一个非常优选的实施例中装备了一个信号储存器，它作为另一个功能块在一段时间内寄存相位信号值，因此通过来自这个信号存储器的相位信号值来形成相位增量和耦合指示器值。信号存储器可以作为评价单元的一部分或布置在评价单元的外部。
在一个优选实施例中，耦合指示器值可以是相位增量(psi(tau，t))的变化量的测定值。相位增量(psi(tau，t))的变化量的测定值可以由相位增量(psi(tau，t))的一个函数且尤其由相位增量(psi(tau，t))的二次幂的变化平均值形成。
耦合指示器值是由相位增量的整数倍的估算分配函数p(psi’)形成的，(psi’(tau，t)＝K*psi(tau，t)＝K*psi(tau，t)-K*phi(t-tau))。在这种情况下，根据本发明的一个优选的实施例，相位增量的整数倍的估算分布函数p(psi’)可以由频率曲线形成的。
优选地，在一个参考测量中确定耦合参考值(KR)，并储存在参考值储存器(14)里，以便继续处理。
根据一个特别有利的实施例，评价单元包含一个显示单元，用于显示存在的相位耦合。流量计的使用者得到存在相位耦合的指示。向使用者提示，由于相位耦合的原因，确定的流量测量值有可能会是错误的。所有可以这样设计显示单元，即能显示出存在相位耦合和不存在相位耦合，通过这种显示方式，告知使用者的流量测量总是准确可信的。
评价单元当然可以包含一个数据接口，用来向一个中央单元传送关于存在相位耦合的信息。最好中央单元是同一个也继续处理流量测量值的程序控制计算机。在中央单元里，例如可以一直忽视流量测量值，直至传来关于存在相位耦合的信息为止，以避免错误发生。
根据本发明的流量测量方法的特征在于，根据相位增量psi(tau，t)，也就是说，来自相位收集器里的测量信号(S(t))的相位信号的瞬间值phi(t)和延迟了tau时间的值phi(t-tau)之差，形成一个耦合指示器值，通过这种方法，通过与一个耦合参考值进行比较，可以在该耦合指示器值上发现是否存在与另一个振荡器的相位耦合。
由此，相位信号值可以在一个时间间隔内暂时储存在信号储存器内，信号储存器布置在评估单元的内部或外部，通过这个方式，用来自信号储存器的相位信号值形成相位增量和耦合指示器值。
形成相位增量psi(tau，t)变化的估算值，作为耦合指示器值。
耦合指示器也可以由相位增量的整数倍(psi’(tau，t)＝K*psi(tau，t)＝K*psi(tau，t)-K*phi(t-tau))的估算的分配函数p(psi’)形成的。
本发明的其它有利结构布置和改进集中描述在从属权利要求中。
附图示出了本发明的两个实施例，按照视图对本发明，以及其它具有有利的结构布置和改进，以及本发明的优点进行详细解释。
附图说明
图1一个涡流计数器的基本结构和根据本发明的处理测量信号，以获得有关存在相位耦合信息为目的的方框图。
图2一个涡流计数器的基本结构和根据本发明的测量信号处理第一变型方案的框图，在这里获得有关存在硬相位耦合的信息。
图3一个涡流计数器的基本结构和根据本发明的测量信号处理第二变型方案的框图，在这里获得有关存在软相位耦合的信息。
具体实施方式
图1表示一个涡流计数流量表，它呈涡流计数器形式。液体物质3流过测量管1，撞到扰流体4上，这里的扰流体为梯形截面并被放置在管的中心位置上。当然，本发明的实施形式不限于这种扰流体形式，以前的所有已知形式和布置方式都可采用。此外，在扰流体4后面形成涡流，称为卡门涡流流道5。一个压电传感器6测量出由涡流分离产生的周期性压力波动，由此产生测量信号S(t)，这个信号被传给评价装置2。
该评价装置包含一个相位提取器10，一个信号缓冲寄存器16，一个耦合指示器值形成器18，一个耦合参考值寄存器14，一个比较装置12，一个相位耦合显示器40和一个数字接口42。
在相位提取器10，从测量信号S(t)获得相位信号Phi(t)。然后把相位信号Phi(t)提供给信号缓冲寄存器16，在这里用一段时间T储存相位信号。在信号缓冲寄存器为相位信号phi(t)提供一个超过时间段T的时间。因此在时间段T中的一个时间点t，有可能从信号缓冲寄存器中索取这个时间点的相位信号phi(t)，以及在这个时间点前面和后面一个时间段tau内的相位信号值phi(t-tau)。
一个相位信号值phi(t)和相对于这个值延迟的相位信号值phi(t-tau)从信号缓冲寄存器16输给耦合指示器值形成器18。在耦合指示器值形成器里形成耦合指示器值KI，在比较装置12根据设置的规则与来自耦合参考值寄存器14的一个耦合参考值KR进行比较。耦合参考值KR事先由外部确定后被储存在耦合参考值寄存器14。比较结果确定存在相位耦合或没有相位耦合。
关于存在相位耦合的信息将从比较装置12被送到一个相位耦合显示器40，在那里以合适方式向使用者显示。例如可以显示原文信息，例如“相位耦合”。其他的还可以点亮或闪烁警示灯，也可以采用听觉的警示。
与此平行，有关存在相位耦合的信息被传递到一个数字接口42上，它以适当的编码形式传递给一个高级数字处理系统或程序控制系统。数字接口42可以是各种已知的和程序工业上使用的数字接口，尤其是串联的或并联的接口，或一个场总线接口(Feldbusankopplung)，还有无线数字接口如蓝牙接口。
图2表示，根据本发明的评价单元2为辨认硬相位耦合进行测量信号处理的一个特别实施例的框图。
为了更好了解，在此先给出辨认硬相位耦合的方法一些基本想法：
理想情况，一个去耦合的振荡器的相位随着时间而线性增长，就是说，例如phi(t)＝omega 1*t。在这个情况下，omega 1被定义为长时间的导出phi(t)的时间的平均值。从振荡器获得的测量信号所确定的相位是典型的与振荡器所相位不一致，但是差别很小。偏差被限制。对于真的、去耦合的非线性振荡器，相位的这种线性漂移与随机游动(random walk)叠加，随机游动可以例如由在振荡器内的动态噪音或由振荡器非线性动态引起。这个随机游动导致|phi(t)-omega 1*t|的增加超过长的时间段超过所有的限定。
在一个外部的振荡器02上硬耦合的情况下，随机游动将被抑制。
对随机游动的抑制是通过在图2的框图中给出的方法来测定，现在描述其功能。
为了合理选择延迟tau，首先估算当前相位增加的变化psi(tau，t)：＝phi(t)-phi(t-tau)。为了估算变化量，可以使用例如在此前的一段短时间的psi(tau，t)的平均平方波动。另外，可以使用一个相应变动的平均值。
把估算出的psi(tau，t)的变化量V与储存在测量装置内的参考值KR进行比较，对于去耦合的振荡器，KR相当于期望值V。耦合外部振荡器造成对随机游动的抑制是通过V值(即使考虑测量不定性)低于KR的事实而被知道的。
为了合理选择Tau，采用以下方法：为了有可能探测弱耦合，应把tau选成这样大，即KR至少是2*pi^2的数量级。为了改善相应探测方法，选择较小的tau值也是合理的。
在涡流流量表中，选择延迟tau反比于涡流分离的频率是适当的，频率取长度T的时间间隔的平均值。按动态考虑，V0只取决于管流的雷诺数Re，这种依赖性很微弱。因此，计算一个大概的Re值来确定KR。雷诺数可以由已知的流量和流体算出，或直接从信号来确定。
另外，KR理论值可以用下面一种部分-方法确定：
a)理论值由制造者在一次参考测量中确定，并电储存在测量装置内。
b)使用者在一个训练相位(Trainingsphase)确定理论值。为此，使用者在固定的或使用者确定的运行时间内在去耦合情况下开始一个训练程序。从在运行时间内接收的数据中算出理论值V0。
c)利用以下的事实，即在去耦合情况下，psi(tau，t)的变化基本随tau线性增加。例如选择KR作为当前phi(tau/I，t)变化评价值的1倍，其中I＞1，例如I＝2。
按照图2的本发明的安排，对上面所说的方法要采取以下措施：
在一个频率形成器20里从相位信号phi(t)形成涡流频率，由这个涡流频率在一个延迟形成器22里形成延迟时间tau。延迟时间tau与相位信号phi(t)一起输向信号缓冲寄存器16。从信号缓冲寄存器16向KI-形成器18内的一个增量形成器24输送二个信号，相位信号phi(t)和时间延迟相位信号phi(t-tau)，KI-形成器形成相位增量phi(tau，t)。变化评价器26利用相位增量phi(tau，t)形成相位增量的评价值。这是耦合指示器值KI，在这特殊情况这里也用V表示。
来自KR-储存器14的耦合参考值KR，来自变化评价26的耦合指示器值V被输送到比较装置12里。在里面进行比较，KR是大于还是小于V。当KR大于V时出现相位耦合，否则没有相位耦合。
如上面a)和b)所述，耦合参考值KR可以从比较测量中得到，并把它储存在参考值储存器14里。如上面c)所述，也可以选择当前phi(tau/I，t)变化评价值的1倍，其中I＞1，例如I＝2。在这种情况下，在部分形成器23从延迟时间tau形成新的延迟时间tau′＝tau/I，用来在信号缓冲寄存器16中形成相位增量。然后变化评价器26形成变化V(psi(tau，t))的评价值，把这个数乘于I，然后将这个数值输给比较装置12作为参考值。在这种情况下参考值KR也不来自KR-储存器，而是同样来自变化—评价器26。
形成耦合参考值KR选择用哪条路径是由评价单元2内部控制所决定的。所说的控制系统关系到当前在评价单元2内的所有功能框，考虑到改进的原因，这些功能框没有在图1至3展示。
图3的框图示出了另一个特殊实施例，根据本发明在评价单元2处理测量信号，这里是为了识别一个软的相位耦合。
在这里，同样为了更好了解，首先介绍有关识别软相位耦合方法的一些基本想法。
这方法利用这样一个事实，即在软相位耦合时经常出现相位跳出的现象。通过探测相位挑出识别软相位。利用以下的方法探测相位跳：
从被评价的相位phi(t)计算大小phi’(t)：＝K phi(t)，其中K通过以下的规则确定：对于n：m相位耦合没有对称性，K＝n。如果，考虑到对称性，相位phi 1(t)equivariant相位移动大约2pi/I，这样选择n和I的最小共倍数作为K。
首先为了选择适当的延迟Tau，估算相位增量的分布函数(几率密度)psi(tau，t)：＝phi’(t)-phi(tau，t)。为了估算分布函数例如可以利用一个频率曲线，它例如通过平均的方法确定的。
此外，人们研究估算的分布函数p(psi)是否具有相位跳特征的最大距离大约为2pi的多波形结构。
例如通过计算eta的大小，具体的公式为
eta = 1 / u ( 0 ) * Σ k = - ∞ k = + ∞ [ u ( 2 * k * pi ) - u ( 2 * k - 1 ) * pi ) ] ]]>
其中，
u ( beta ) : = Σ - ∞ + ∞ p ( psi ) * p ( psi + beta ) dpsi ]]>
用这样方法计算出来的值与一个储存在测量装置内的理论值eta0行比较，对于去耦合振荡器，理论值eta0相当于eta的评价值。通过耦合一个外部振荡器所出现的相位跳动由下面的事实而被探测到，即eta的值(即使考虑到测量误差)处在eta0之上。
为了合理的选择tau值，与上面考虑硬耦合的情况类似。
此外，理论值eta0用下面的一个方法确定：
a)理论值由制造者方在一次参考测量中确定，并电储存在测量装置内。
b)使用者在一个训练相位(Trainingsphase)确定理论值。为此，使用者在固定的或使用者确定的运行时间内在去耦合情况下开始一个训练程序。从运行时间内所接收的数据中计算出理论值V0。
下面对根据本发明图3的布置所实施方法的说明只提及与在这之前图2和图3所述的布置的不同之处
在根据图3的布置中，为了形成相位增量，向信号缓冲寄存器16提供在相位乘法装置30乘了因数K的相位函数：phi’(t)＝K*phi(t)。相反，延迟时间tau则来源于原始的相位信号phi(t)，如同上面在图2所描述过的。替代在图2的变量—评价器，根据图3实施例，KI-形成器有一个分配函数评价器28，它确定由相位增量psi(tau，t)评量的分布函数p(phi’(tau，t)。被估价了的分布函数p(phi’(tau，t)进一步送到功能块，这里称之为eta-形成器，它，如上所述，确定eta的大小，由eta显示耦合指示器值KI。
在比较装置12内，耦合指示器值KI，这里也就是eta，与一个来自KR储存器14的耦合参考值KR，这里也称之为eta0，进行比较，当eta的值大于参考值eta0时，出现相位耦合。
一般，评价单元2与它包含的功能块可以由一个电路或微机的程序来实施。对于电路或程序的设置以及实施详情，专业人员都熟悉；它们都基于以前的公知电路和程序技术。
另外，在这里没有用图示出，评价单元2不仅含有用于识别硬相位耦合的功能块，而且还有用于识别软相位耦合功能块。用这样一种评价单元2，人们可以完全覆盖所有的相位耦合区域。