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76 Realisierung des Meßsystems Realisierung des Meßsystems 77 schwingenden Rohre unterscheiden. Der Differenzbetrag der potentiellen Energien der beiden Rohre muß vom Magnetsystem aufgebracht werden. Genau dies geschieht in dem in dieser Arbeit auf gebauten Massendurchflußmesser. 3.1.4 Regelung des Tilgerrohrantriebs Phasenschieber =5°„.75° Bild 3.10 Komparator erzwungene Schwingung des Tilgerrohres; die Schaltung aus Bild 3. 7 wurde um den Phasenschieber und den Komparator erweitert Rohrschwingung kontrolliert. Eine entsprechende Schaltung wurde aufgebaut. Sie führte zu identischen Ergebnissen. Die oben angestellten Überlegungen führen zu einer interessanten und wichtigen Erkenntnis. Zwei vom Ansatz her vollkommen unterschiedliche Konzepte, die Beeinflussung der Resonanzfrequenz des Tilgerrohres durch einen Gleichstrom in der elektrischen Feder, und die erzwungene Schwingung des Tilgerrohres, basieren auf identischen Effekten. Sie stellen nur verschiedene Betrachtungsweisen desselben Sachverhalts dar. Die Manipulation des Tilgerrohres geschieht jeweils durch ein Pendeln von Energie. Kinetische Energie des schwingenden Rohres wird umgewandelt in magnetische Energie im Erregersystem. Bei der elektrischen Feder geschieht dieses Pendeln automatisch: durch die Rohrschwingung ändert sich die Breite des Luftspaltes und damit die Energie im Magnetsystem. Wird die Resonanzfrequenz des schwingenden Rohres durch die Wirkung der Feder um einen bestimmten Wert verschoben, so muß bei einer erzwungenen Schwingung des Rohres bei dieser Frequenz exakt die gleiche magnetische Energie im Erregersystem aufgebaut werden, wie im Falle der elektrischen Feder. Hieraus ergibt sich eine wesentliche Erkenntnis für den Betrieb eines Massendurchflußmessers mit zwei unsymmetrischen Rohren: um ein Verhalten zu erreichen, das einem Massendurchflußmesser mit zwei symmetrischen Rohren entspricht, ist an einem Rohr ein Magnetsystem erforderlich, das den Betrag an Energie "bindet" um den sich die beiden Bislang wurden die Eingriffsmöglichkeiten zur Manipulation des Tilgerrohres beschrieben. Dies sind zum einen der veränderliche Gleichstrom, zum anderen der veränderliche Phasenschieber im Falle der erzwungenen Schwingung. Diese Größen müssen auf einen bestimmten Wert geregelt werden, der genau definierte Kriterien erfüllen muß. Das Ziel besteht darin, die Schwingung des Gehäuses minimal zu halten. Dieser Betriebspunkt muß erkannt werden. Im Kapitel "Simulation", Bild 2.26 ist dieser Betriebspunkt dargestellt. Es ist ein Betriebspunkt, an dem die Phasenlage A8 zwischen Tilgerrohr und Meßrohr genau 183° beträgt. Im gleichen Kapitel, im Abschnitt 2.2.5 "Schwingungsverhalten einer Doppelrohranordnung" wurde diese Phase berechnet. Im Idealfall muß für diese Aufgabe kein zusätzlicher Sensor vorgesehen werden. Zwei Schwingungsaufnehmer am Meßrohr sind bereits vorhanden, um den Massendurchfluß zu bestimmen. Ein Schwingungsaufnehmer am Tilgerrohr ist zwar nicht umbedingt erforderlich, aber dennoch sinnvoll, um eine Kontrolle über die Tilgerrohrschwingung zu haben. Aus diesem Grund wurden die Signale der Schwingungsgeber von Meßrohr und Tilgerrohr ausgewertet, um eine Information über den optimalen Betriebspunkt zu erhalten. Dazu dient die Schaltung nach Bild 3.11. Die Signale der Schwingunggeber von Meßrohr und Tilgerrohr werden zunächst in Rechtecksignale umgewandelt. Ein Signal wird um die Laufzeit topt verzögert. Mit dieser Zeitverzögerung wird der Punkt minimaler Gehäuseschwingung eingestellt. Die Auswertung dieser Signale geschieht ganz einfach mittels eines D-Flipflops. Dessen Ausgang "Q" geht dann auf "High", wenn der Nulldurchgang des Meßrohrsignales nach dem Nulldurchgang des verzögerten Tilgerrohrsignales erfolgt. Anderenfalls geht der Ausgang auf "Low". Dieses durch das Rauschen statistische. Signal wird anschließend geglättet und dient direkt zur Ansteuerung der entsprechenden, das Tilgerrohr beeinflussenden Komponenten, also der "elektrischen" Feder oder dem steuerbaren Phasenschieber aus Bild 3.10. Bei der folgenden Messung Bild 3.12 wurde die Phasenlage A8 zwischen Tilgerrohr und Meßrohr über 6 Stunden aufgezeichnet. Durch die Regelung gelingt es, den Arbeitspunkt ausreichend stabil zu halten. Beim Autbau weicht der Phasenwinkel etwas von den 183 ° aus der Simulation ab (A8 8 em=183,5°), stimmt aber dennoch recht gut mit den simulier-
78 Realisierung des Meßsystems Realisierung des Meßsystems 79 Schwingungssignal Tilgerrohr Verzögerungsglied Flüssigkeit im Meßrohr wirkt sich aus. Die Untersuchungen zeigten jedoch, daß für übliche Werte der Dichte und der Dämpfung des Meßstoffes eine nur unwesentlich stärkere Gehäuseschwingung resultiert. In Kapitel 4 "Eigenschaften des Meßsystems" sind derartige Messungen aufgezeigt. 3.1.5 Messung der Gehäuseschwingung mit einem Beschleunigungssensor Schwingungssignal Meßrohr Bild 3.11 ten Werten überein. Phase fl.q> Phasendetektor zur Regelung der Tilgerrohrschwingung Um den Erfolg der Vibrationskompensation zu überprüfen, wurde am Gehäuse in der Ebene der Rohrschwingung ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer montiert. Zwei Messungen wurden durchgeführt. Einmal schwingen beide Rohre gleichphasig. Bild 3.13 zeigt die Meßrohrschwingung und darunter die Schwingung des Gehäuses. Beide Kurven sind normiert, da die absoluten Amplituden keine Rolle spielen. ll (\ [\ [\ [\ [\ / -~ ~ VV V V V V Meßrohrschwingung, normiert 185° 184° Gehäuseschwingung, normiert 2 Zeit 183° 182° Bild 3.13 O -t--r--;-~r-~-t-----.r---~1----t~---1~-+~--+~-+-~--+-~~- -l Zeit Gehäuseschwingung ohne Kompensation; beide Rohre schwingen gleichphasig 0 2 4 Stunden 6 Bild 3.12 Phasenlage A9 gemessen über 6 Stunden Die Phasenlage A9 zwischen den beiden Rohren ist eine einfache Möglichkeit einen Arbeitspunkt mit minimaler Gehäuseschwingung eizustellen. Leider ist dieser Winkel keine invariante Größe. Wie die Berechnung zeigte, gehen in A9 die Dichte des Stoffes im Meßrohr und die Koppelsteifigkeit zwischen den Rohren ein. Auch die Dämpfung der Bei der nächsten Messung schwingen die Rohre gegenphasig. Das Gerät befindet sich in seinem normalen Betriebszustand. Die Regelung des Tilgerrohres arbeitet. Die Vibration des Gehäuses ist stark unterdrückt. Die Schwingung ist etwa um den Faktor 30 kleiner. Auch das deckt sich mit den Simulationen und Berechnungen aus Abschnitt 2.2.4. Bei der Simulation ergab sich ein Phasenwinkel A9=183 °, der zu einer Verringerung der Gehäuseschwingung um den Faktor 38 führte. Der tatsächliche Phasenwinkel A9gem beträgt nun etwa 183,5°. Rechnerisch ergibt sich damit eine Verringerung der
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