Schnelle Amplituden- und Phasenregelung schwach gedämpfter Schwingungssysteme mit zeitvariabler Eigenfrequenz und Dämpfung am Beispiel eines Coriolis-Massendurchflussmessers

Koschmieder, Felix

Coriolis-Massendurchflussmesser (CMD) können infolge eines direkten Messprinzips den Massendurchfluss und die Dichte des Messmediums simultan mit geringer Messunsicherheit messen, indem sie die Änderung der Schwingungseigenschaften eines vom Messmedium durchströmten Messrohres analysieren. Mithilfe von modellbasierten Methoden und neuronalen Netzen zur Messwertkorrektur können heutzutage Mehrphasenströmungen gemessen werden. Sogar unter schwierigen Einsatzbedingungen in Pipelines der Öl- und Gasindustrie werden zur Messung eines Öl-Wassergemisches mit Gasphasen Coriolisgeräte eingesetzt. Damit die Geräte schwierigen Betriebsbedingungen stets zuverlässig arbeiten, ist eine robuste Amplituden- und Phasenregelung unerlässlich, die eine konstante Schwingungsamplitude des Messrohres sowie eine Anregung in der Eigenfrequenz unabhängig von den Betriebsbedingungen garantiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Amplituden- und Phasenregelkreises, der unempfindlich gegenüber dynamischen Änderungen der Regelstrecke ist. Insbesondere die Eigenfrequenz und die Dämpfung des Schwingungssystems unterliegen bei Gasanteilen im Messmedium schnellen Änderungen. Es bietet sich aufgrund der harmonischen Anregung eine Zeigergrößenbeschreibung der Messrohrschwingung an. Jedoch ist die aus der Wechselstromtechnik bekannte Zeigergrößendarstellung auf eine Beschreibung für Systeme mit einer zeitvariablen Anregungs- frequenz zu erweitern, damit sie den hohen Anforderungen am CMD genügt. Das adaptive, nichtlineare Zeigerregelungskonzept basiert auf einem vorsteuerungsbasierten Folgeregelungskonzept mit einem optimalen Trajektorienfolgeregler. Die zeitveränderliche Eigenfrequenz und Dämpfung wird mithilfe eines erweiterten Kalman-Filters geschätzt. Auch bei einer geringen Dämpfung von 10e−4(Güte Q ≈ 5000) beträgt die Ausregelzeit nur wenige Schwingungsperioden. Abschließend werden in dieser Arbeit praktische Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt, die das Potenzial des neuen Regelkonzeptes aufzeigen. Da sowohl die Messrohrschwingung im ersten und zweiten Eigenmode geregelt wird, ist ein Kompensations- verfahren zur Messung des Massendurchflusses realisierbar. Hierbei liegt die Messinformation in der zur Schwingungskompensation erforderlichen Aktorkraft der zweiten Eigenform. Des Weiteren werden neue modellbasierte Verfahren zur Empfindlichkeits- und Nullpunktkorrektur vorgestellt, welche die zwei Kennlinien für den Massendurchfluss verwenden. Sogar die simultane Messung der beiden Kennlinien bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen ist zur Vermeidung eines zyklischen Arbeitspunktwechsels möglich.

Coriolis mass flow meters measure mass flow and density of a fluid simultaneously. Mass flow is measured by analysing changes in the oscillation properties of the measuring pipe carrying the flow. Due to direct measurement, the measurement uncertainty is small. Using model based methods together with neural networks, even measurement of multiphase flow is feasible. Exploiting these techniques, Coriolis meters can operate even under bad operating conditions as for example in pipelines of the gas and oil industry, where mixtures of of oil, gas and water. To operate the meter under these conditions, a robust amplitude and phase control is mandatory, stabilising the amplitude and stimulating the oscillating pipe in its eigenfrequency regardless of the operating conditions. In the thesis a new method for amplitude and phase control is presented, allowing fast changes in damping and eigenfreqency of the oscillating pipe which will occur in situations with multiphase flow, when gas bubbles are present in the flow. The new approach is based on a phasor notation describing the oscillation of the measuring pipe. But as we have to deal with rapid changes in the dynamic properties of the oscillating system, the excitation frequency has to be adjusted very rapidly in order to allow permanent stimulation the device in its eigenfrequency. So the well known phasor description for linear RLC-networks has to be extended to handle time varying excitation frequencies. The adaptive, nonlinear amplitude and phase control is based on a two degree of freedom controller together with optimal trajectory control. The time varying eigenfrequency and damping are estimated by an extended Kalman filter. The settling time of the closed loop system can be adjusted arbitrarily, depending only on the maximum control effort, which can be provided. In the experimental system, the settling time is approximately two periods of oscillation for a system with a damping factor of 10e−4 and a quality factor of approx. 5000. In the last section of the thesis practical applications are presented in order to show the potential of the new control scheme. Since the oscillation of the first and second eigenmode is controlled simultaneously, a compensation method for measuring mass flow can easily be realised. In this regime of operation the mass flow is represented by a force compensating the oscillation of the pipe in its second eigenmode. Furthermore new methods for model based estimation of sensitivity and zero point are shown, using two different characteristics of the meter for measuring mass flow in a cyclic procedure. This cyclic regime of operation can be avoided when two different excitation frequencies for the first and second eigenmode are used. In this case, both characteristics can be exploited simultaneously.

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Koschmieder, Felix: Schnelle Amplituden- und Phasenregelung schwach gedämpfter Schwingungssysteme mit zeitvariabler Eigenfrequenz und Dämpfung am Beispiel eines Coriolis-Massendurchflussmessers.

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