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Title:
METHOD FOR REGULATING THE PHASE IN AN TUNED CIRCUIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/004116
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for regulating a phase shift between a transmitted signal and a received signal of an electromechanical transducer unit in a tuned circuit to a specified value. The invention is characterized in that the received signal is scanned at discrete times that are specified with respect to the transmitted signal, in that each scanned voltage value is compared with a target value that the received signal takes on at said time if the specified phase shift is present, and in that the frequency of the transmitted signal is reduced or increased in the event the voltage value deviates from the target value proceeding from the sign of the deviation.

Inventors:
URBAN, Martin (Alemannenweg 12a, Lörrach, 79541, DE)
BRENGARTNER, Tobias (Gabelsbergerstrasse 8, Freiburg, 79111, DE)
Application Number:
EP2011/060204
Publication Date:
January 12, 2012
Filing Date:
June 20, 2011
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS+HAUSER GMBH+CO.KG (Hauptstrasse 1, Maulburg, 79689, DE)
URBAN, Martin (Alemannenweg 12a, Lörrach, 79541, DE)
BRENGARTNER, Tobias (Gabelsbergerstrasse 8, Freiburg, 79111, DE)
International Classes:
H03L7/091; G01F23/296
Foreign References:
US20050073454A12005-04-07
DE10237931A12004-02-26
DE102009028022A12011-02-03
DE102009026685A12010-12-09
DE102009028022A12011-02-03
Other References:
KASHMIRI S M ET AL: "Measuring the thermal diffusivity of CMOS chips", SENSORS, 2009 IEEE, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 25. Oktober 2009 (2009-10-25), Seiten 45-48, XP031618533, ISBN: 978-1-4244-4548-6
Attorney, Agent or Firm:
ANDRES, Angelika (Colmarer Str. 6, Weil am Rhein, 79576, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zur Regelung einer Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal einer elektromechanischen Wandlereinheit in einem Schwingkreis auf einen vorgegebenen Wert,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Empfangssignal zu bezüglich des Sendesignals vorgegebenen diskreten Zeitpunkten abgetastet wird,

dass die abgetasteten Spannungswerte jeweils mit einem Sollwert verglichen werden, welchen das Empfangssignal zu diesem Zeitpunkt annimmt, wenn die vorgegebene Phasenverschiebung (p) vorliegt,

und dass im Falle einer Abweichung eines Spannungswertes von dem

Sollwert zumindest ausgehend von dem Vorzeichen der Abweichung die Frequenz des Sendesignals verringert oder erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die elektromechanische Wandlereinheit zu Beginn der Regelung mit einer Frequenz zu Schwingungen angeregt wird, bei welcher das Sendesignal zumindest näherungsweise die vorgegebene Phasenverschiebung (p) zu dem Empfangssignal aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Abweichung der vorliegenden Phasenverschiebung (pi) von der vorgegebenen Phasenverschiebung (p) quantitativ erfasst wird und

dass die Frequenz entsprechend der quantitativen Abweichung erhöht oder verringert wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass innerhalb einer Schwingungsperiode mindestens ein Spannungswert abgetastet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Empfangssignal zu Zeitpunkten abgetastet wird, zu welchen das Empfangssignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung (p) Nulldurchgänge aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Empfangssignal zu Zeitpunkten abgetastet wird, zu welchen das Empfangssignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung (p) extremal ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass der zu einem Zeitpunkt, zu welchem das Empfangssignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung (p) extremal ist, abgetastete

Spannungswert mit dem zu einem Zeitpunkt, zu welchem das Empfangssignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung (p) einen Nulldurchgang aufweist, abgetasteten Spannungswert verglichen wird, und

dass aus dem Vergleich die Frequenz bestimmt wird, mit welcher

nachgeregelt wird.

8. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer

Prozessgröße, mit einer schwingfähigen Einheit, mit einer Antriebs- /Empfangseinheit, welche die schwingfähige Einheit zu mechanischen

Schwingungen anregt und Schwingungen von dieser empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, welche aus dem Empfangssignal ein Sendesignal für die Antriebs- /Empfangseinheit erzeugt, wobei die Frequenz des Sendesignals derart eingestellt ist, dass zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal im

Wesentlichen eine vorgegebene Phasenverschiebung (p) vorliegt,

dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass sie die Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal auf den vorgegebenen Wert regelt,

wobei die Regel-/Auswerteeinheit das Empfangssignal zu bezüglich des Sendesignals vorgegebenen diskreten Zeitpunkten abtastet,

die abgetasteten Spannungswerte jeweils mit einem Sollwert vergleicht, welchen das Empfangssignal zu diesem Zeitpunkt annimmt, wenn die vorgegebene Phasenverschiebung (p) vorliegt,

und im Falle einer Abweichung zumindest ausgehend von dem Vorzeichen der Abweichung die Frequenz des Sendesignals verringert oder erhöht.

Description:
Verfahren zur Regelung der Phase in einem Schwingkreis

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer

Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal einer

elektromechanischen Wandlereinheit in einem Schwingkreis auf einen vorgegebenen Wert. Die elektromechanische Wandlereinheit ist beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb, welcher eine schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt. Ein derartiges Schwingsystem findet sich beispielsweise in vibronischen Füllstandsoder Durchflussmessgeräten.

Die Anregung von vibronischen Schwingsystemen, bestehend aus schwingfähiger Einheit und elektromechanischer Wandlereinheit, erfolgt meist mittels eines analogen Schwingkreises. Durch den Schwingkreis stellt sich die Schwingung mit der

Frequenz ein, bei welcher die Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal der elektromechanischen Wandlereinheit die

Schwingkreisbedingung erfüllt, d.h. zusammen mit den übrigen im Schwingkreis auftretenden Phasen ein natürliches Vielfaches von 360° ergibt. Die analogen Elektronikbauteile eines derartigen Schwingkreises sind speziell auf das jeweilige Schwingsystem, z.B. auf eine Schwinggabel mit bestimmter Geometrie, abgestimmt, sodass ein Schwingsystem nicht einfach durch ein anderes ersetzbar ist, ohne den Schwingkreis durch einen entsprechend angepassten zu ersetzen.

Ebenfalls bekannt sind Verfahren, bei welchen das Schwingsystem mittels einer so genannten PLL (Phase-Locked-Loop) zu Schwingungen bei einer bestimmten Phasenlage angeregt wird. Diese Regelschleife kann analog oder teilweise oder vollständig digital ausgeführt sein. Eine digitale PLL hat den Vorteil, dass sie an andere Schwingsysteme anpassbar ist. Nachteilig ist jedoch, dass zur Anregung mittels digitaler PLL ein erhöhter Stromverbrauch verbunden ist, da die

Hardwareressourcen gegeben sein müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, welches universell für verschiedene Schwingsysteme einsetzbar ist und dessen Umsetzung mit geringem Stromverbrauch möglich ist, sowie in der Bereitstellung einer Vorrichtung mit einem Schwingsystem, welche das Verfahren umsetzt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Empfangssignal zu bezüglich des Sendesignals vorgegebenen diskreten Zeitpunkten abgetastet wird, dass die abgetasteten Spannungswerte jeweils mit einem Sollwert verglichen werden, welchen das Empfangssignal zu diesem Zeitpunkt annimmt, wenn die vorgegebene Phasenverschiebung vorliegt, und dass im Falle einer Abweichung eines

Spannungswertes von dem Sollwert ausgehend von dem Vorzeichen der

Abweichung die Frequenz des Sendesignals verringert oder erhöht wird. Das

Sendesignal könnte man ebenso als Anregesignal bezeichnen.

Um die eingestellte vorgegebene Phasenverschiebung beizubehalten, bzw. um eine eventuell auftretende Abweichung zu korrigieren, wird die aktuelle

Phasenverschiebung des Empfangssignals überwacht und gegebenenfalls korrigiert. Die Erfindung nutzt aus, dass neben dem Zusammenhang zwischen vorgegebener Phasenverschiebung und Schwingfrequenz auch ein Zusammenhang zwischen dem aktuellen Spannungswert des Empfangssignals und der Phasenverschiebung besteht. Stimmt die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal mit der vorgegebenen Phasenverschiebung überein, kann ausgehend vom Sendesignal eine Aussage darüber getroffen werden, zu welchen Zeitpunkten das

Empfangssignal Nulldurchgänge und Extrema aufweist. Weicht die vorliegende Phasenverschiebung von der vorgegebenen Phasenverschiebung ab, nimmt das Empfangssignal zu diesen Zeitpunkten Werte an, welche nicht den Sollwerten entsprechen, d.h. nicht Null und nicht maximal bzw. minimal sind. Ist die

Phasenverschiebung beispielsweise geringer als die vorgegebene

Phasenverschiebung, dann weist das Empfangssignal zum Zeitpunkt des

eigentlichen ersten Nulldurchgangs einen positiven und zum Zeitpunkt des zweiten einen negativen Spannungswert auf. Aus dem Vergleich der gemessenen

Spannungswerte des Empfangssignals mit den Sollwerten kann daher bestimmt werden, ob die Anregungsfrequenz verringert oder erhöht werden muss, um die vorgegebene Phasenverschiebung zu erreichen. Die Regelung der

Phasenverschiebung bzw. der Frequenz erfolgt rein digital. Dies ermöglicht eine Platz sparende Ausführung der Elektronikeinheit bei der Anwendung in einem Messgerät. Weiterhin ist der digitale Schwingkreis individuell an das anzuregende Schwingsystem anpassbar und somit universell einsetzbar.

In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird die

elektromechanische Wandlereinheit zu Beginn der Regelung mit einer Frequenz zu Schwingungen angeregt, bei welcher das Sendesignal zumindest näherungsweise die vorgegebene Phasenverschiebung zu dem Empfangssignal aufweist. Um die Phasenverschiebung zuverlässig regeln zu können muss die Phasenverschiebung eines Ausgangspunkts ungefähr der vorgegebenen Phasenverschiebung

entsprechen. Hierzu wird die zugehörige Frequenz bevorzugt mittels eines

Frequenzsuchlaufs - Sweep - aufgesucht und eingestellt. Die Durchführung eines Frequenzsuchlaufs ist in der bislang noch nicht veröffentlichten deutschen

Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 102009026685.2 beschrieben. Eine vorteilhafte Weiterbildung des dort beschriebenen Verfahrens findet sich in der bislang noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der

Anmeldenummer 102009028022.7.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die

Abweichung der vorliegenden Phasenverschiebung von der vorgegebenen

Phasenverschiebung quantitativ erfasst und die Frequenz entsprechend der quantitativen Abweichung erhöht oder verringert. Ist die Amplitude des

Empfangssignals bekannt, lässt sich z.B. über den Spannungswert zu dem Zeitpunkt, zu welchem ein Empfangssignal der vorgegebenen Phasenverschiebung einen Extremwert annimmt, bestimmen, wie stark die Phasenverschiebung von der vorgegebenen Phasenverschiebung abweicht, bzw. der Wert der

Phasenverschiebung bestimmen. Hieraus kann ungefähr ermittelt werden, wie stark die Frequenz korrigiert werden muss, um die vorgegebene Phasenverschiebung zu erhalten. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird innerhalb einer Schwingungsperiode mindestens ein Spannungswert abgetastet. Bevorzugt werden ein oder zwei

Spannungswerte abgetastet. Ist die Amplitude des Empfangssignals konstant und bekannt, reicht das Abtasten eines Punktes pro Schwingungsperiode aus, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit welcher gegebenenfalls nachzuregeln ist. Ändert sich die Amplitude des Empfangssignals sind hierzu mindestens zwei abgetastete Punkte pro Schwingungsperiode notwendig, bevorzugt ein potentieller Nulldurchgang und das potentielle Maximum des Empfangssignals. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Empfangssignal zu Zeitpunkten abgetastet, zu welchen das Empfangssignal bei Vorliegen der

vorgegebenen Phasenverschiebung Nulldurchgänge aufweist. Es können ein

Nulldurchgang pro Periode oder zwei Nulldurchgänge pro Periode abgetastet werden. In Anwendungen mit geringeren Anforderungen an die Schnelligkeit der Regelung ist es auch möglich, nicht in jeder Periode Punkte abzutasten.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Empfangssignal zu Zeitpunkten abgetastet wird, zu welchen das Empfangssignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung extremal ist. Mit anderen Worten entspricht der abgetastete Punkt dem Maximum oder dem Minimum des Empfangssignals, falls die aktuelle Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal der vorgegebenen Phasenverschiebung entspricht.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der zu einem Zeitpunkt, zu welchem das Empfangssignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung extremal ist, abgetastete Spannungswert mit dem zu einem Zeitpunkt, zu welchem das Empfangssignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung einen Nulldurchgang aufweist, abgetasteten Spannungswert verglichen, und aus dem Vergleich die Frequenz bestimmt, mit welcher nachgeregelt wird. Das Abtasten sowohl bei Nulldurchgängen, als auch bei Extremwerten, ist bei variierender

Empfangsamplitude vorteilhaft, da so die bei einem Nulldurchgang gemessene

Abweichung von Null in Relation zu der aktuellen Amplitude gesetzt werden kann. Hierdurch ist bestimmbar, wie stark die Frequenz nachgeregelt werden muss. Bei konstanter Amplitude des Empfangssignals genügt die Kenntnis über den

Spannungswert im Nulldurchgang um zu bestimmen, wie stark nachgeregelt werden muss.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder

Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit einer schwingfähigen Einheit, mit einer Anthebs-/Empfangseinheit, welche die schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt und Schwingungen von dieser empfängt und in ein

elektrisches Empfangssignal umwandelt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, welche aus dem Empfangssignal ein Sendesignal für die Antriebs-/Empfangseinheit erzeugt, wobei die Frequenz des Sendesignals derart eingestellt ist, dass zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal im Wesentlichen eine vorgegebene Phasenverschiebung vorliegt. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Regel-/Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass sie die Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal auf den vorgegebenen Wert regelt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit das Empfangssignal zu bezüglich des

Sendesignals vorgegebenen diskreten Zeitpunkten abtastet, die abgetasteten Spannungswerte jeweils mit einem Sollwert vergleicht, welchen das Empfangssignal zu diesem Zeitpunkt annimmt, wenn die vorgegebene Phasenverschiebung vorliegt, und im Falle einer Abweichung ausgehend von dem Vorzeichen der Abweichung die Frequenz des Sendesignals verringert oder erhöht. Die Regelung der Phase ist digital implementiert, sodass die Regel-/Auswerteeinheit an verschiedene

schwingfähige Einheiten und Anwendungen ohne Umgestaltung der Hardware anpassbar ist. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 a-c zeigen ein typisches Sendesignal, zwei zu diesem jeweils

phasenverschobene Empfangssignale und die Abtastzeitpunkte; Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 a zeigt ein Sendesignal SA in Form einer Rechteckspannung. Fig.1 b und 1 c zeigen jeweils ein sinusförmiges Empfangssignal SE. Das in Fig. 1 b dargestellte Empfangssignal weist relativ zum Sendesignal eine Phasenverschiebung pi von 90° auf. In Fig. 1 c ist ein Empfangssignal mit einer von pi abweichenden

Phasenverschiebung p 2 dargestellt.

Die dargestellten Zeitpunkte T, sind diejenigen auf das Sendesignal bezogenen Zeitpunkte, zu welchen das Empfangssignal abgetastet wird, d.h. zu welchen Nullstellen, Maxima oder Minima erwartet werden. Sie hängen von der vorgegebenen Phasenverschiebung p ab und ergeben sich bezüglich einer als Startwert gewählten Nullstelle T 0 des Sendesignals und der Periodendauer P des Sendesignals folgendermaßen: T. = r 0 + p + (/~1)"9Q °- wobei i e N und l < < 4

0 360°

Für den dargestellten Fall wird angenommen, die vorgegebene Phasenverschiebung p sei 90°. Das Empfangssignal wird zumindest zu dem Zeitpunkt Ti und/oder T 3 abgetastet, da zu diesen Zeitpunkten eine Nullstelle erwartet wird. Das in Fig. 1 b dargestellte Empfangssignal weist zu Ti und T 3 tatsächlich Nullstellen auf, d.h.

dessen Phasenverschiebung pi entspricht der vorgegebenen Phasenverschiebung p = 90° und die Sendefrequenz ist korrekt eingestellt. Der Spannungswert des in Fig.1 c dargestellten Empfangssignals ist jedoch zum Zeitpunkt Ti positiv und zum Zeitpunkt T 3 negativ. Mit anderen Worten befindet sich das Empfangssignal zu Ti im Anstieg in Richtung des Maximums, d.h. die Nullstelle wurde bereits zu einem früheren

Zeitpunkt durchlaufen. Hieraus folgt, dass die Phasenverschiebung p 2 dieses

Empfangssignals geringer ist als 90°. Die Phasenverschiebung liegt für niedrige Frequenzen bei 0° und steigt für hohe Frequenzen auf 180°, wobei bei der

Eigenfrequenz die geforderte Phasenverschiebung von 90° vorliegt. Um die geforderte Phasenverschiebung p = 90° zu erreichen muss die Frequenz des

Sendesignals daher erhöht werden.

Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 1 wird das Schwingsystem mittels eines Frequenzsweeps zu Schwingungen angeregt. Hierdurch wird die Frequenz für das Sendesignal eingestellt, welche der vorgegebenen Phasenverschiebung p entspricht, beispielsweise die Eigenfrequenz bei 90° Phasenverschiebung zwischen

Sendesignal und Empfangssignal. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung des Schwingsystems, beispielsweise bei der Schwingung im viskosen Medium in Abhängigkeit von der Viskosität, kann die Vorgabe einer anderen

Phasenverschiebung p notwendig sein.

In Schritt 2 wird das Empfangssignal zu bestimmten ausgehend vom Sendesignal vorgegebenen Zeitpunkten abgetastet. In dieser Ausgestaltung weist die Amplitude des Empfangssignals gegenüber der Amplitude des Sendesignals keine Abschwächung auf. In diesem Fall wird das Empfangssignal zu den Zeitpunkten abgetastet, zu welchen es bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung p Nulldurchgänge aufweisen müsste. Es kann auch nur ein Nulldurchgang innerhalb einer Periodendauer abgetastet werden. In einer alternativen Ausgestaltung, insbesondere bei variierender Amplitude des Empfangssignals, wird zusätzlich das potentielle Maximum und/oder Minimum abgetastet.

In Schritt 3 werden die gemessenen Spannungswerte mit dem jeweiligen Sollwert verglichen und das Vorzeichen und die Höhe einer Abweichung bestimmt. Die Höhe der Abweichung ist hier durch die bekannte Amplitude bestimmbar. Bei variierender Amplitude dient hierzu der mindestens eine zusätzliche Abtastpunkt im potentiellen Maximum und/oder Minimum. Hieraus wird die vorliegende Phasenverschiebung pi bestimmt.

In Schritt 4 wird bestimmt, ob die vorliegende Phasenverschiebung pi mit der vorgegebenen Phasenverschiebung p übereinstimmt. Entsprechend des

Ergebnisses dieses Vergleichs wird im nächsten Schritt die Frequenz des

Sendesignals nachgeführt, d.h. verringert oder erhöht, falls die aktuell vorliegende Phasenverschiebung pi von der vorgegebenen Phasenverschiebung p abweicht.

Falls die vorliegende Phasenverschiebung pi den Wert der vorgegebenen

Phasenverschiebung p unterschreitet, wird in Schritt 5a eine Erhöhung der

Sendefrequenz vorgenommen. Falls die vorliegende Phasenverschiebung pi höher ist als die vorgegebene Phasenverschiebung p, wird in Schritt 5b eine Verringerung der Sendefrequenz vorgenommen. Da die vorliegende Phasenverschiebung pi bekannt ist, kann die Frequenz direkt um den entsprechend notwendigen Betrag nachgeführt werden, um die vorgegebene Phasenverschiebung p zu erhalten.

Andernfalls, d.h. falls nur die Richtung der notwendigen Frequenzkorrektur bekannt ist, kann die Frequenz um einen festen Betrag nachgeführt werden. In diesem Fall wird die vorgegebene Phasenverschiebung p erst nach entsprechend vielen

Durchgängen erreicht. Bevorzugt wird das Verfahren ohne Unterbrechung fortlaufend ab Schritt 2 wiederholt, sodass die Phase ständig geregelt wird. Bezugszeichenliste

Sendesignal

Empfangssignal

Vorgegebene Phasenverschiebung Vorliegende Phasenverschiebung