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Die
Erfindung betrifft ein Messgerät,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Messung des Durchflusses
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 15.
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Die
Erfindung geht von Messgeräten
aus, deren Messprinzip auf einem Oszillator beruht, wie es beispielsweise
bei Wirbelzählern,
auch Vortex-Durchflussmesser genannt, die zur Bestimmung von Volumenfluss
bzw. Flussgeschwindigkeit strömender
Stoffe benutzt werden, der Fall ist.
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Das
Messprinzip von Vortex-Durchflussmessern beruht darauf, dass die
Ablöse-Frequenz der sich
hinter einem in der Strömung
befindlichen Störkörper ablösenden Wirbel
in einem funktionellen Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit steht.
Aus der Frequenz lässt
sich die Strömungsgeschwindigkeit,
und bei bekannter Rohrgeometrie damit der Durchfluss durch ein Rohr
ermitteln.
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Genauer
betrachtet lässt
sich die Funktionsweise eines Vortex-Durchflussmessers so erklären: Der
durch den Störkörper hervorgerufene
physikalische Effekt ist der, dass an den Kanten des Störkörpers die
Strömung
abreißt
und sich dahinter wechselweise und gegensinnig rotierende Wirbel
bilden, die von der Strömung
mitgenommen werden. Es bildet sich eine Wirbelstraße aus,
die durch Frequenz und Phasenlage der Wirbelablö sung charakterisiert ist. Dieser
Effekt ist seit langem als „Kármánsche
Wirbelstraße" bekannt.
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Das
dem Vortex-Durchflussmesser zugrundeliegende Messprinzip begründet sich
darin, dass die Frequenz der Wirbelablösung ungefähr proportional zur Strömungsgeschwindigkeit
ist.
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Zur
messtechnischen Erfassung der Frequenz der Wirbelablösung macht
man sich die Tatsache zunutze, dass die sich beim Vortexzähler am
Wirbelkörper
wechselseitig ablösenden
Wirbel lokale Geschwindigkeits- und Druckänderungen erzeugen, welche
dann von einem geeigneten Sensor, zum Beispiel einem piezoelektrischen
Drucksensor, erfasst werden können.
Aus dem Messsignal des Sensors lässt
sich also die Frequenz der Wirbelablösung und damit die Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums in der Rohrleitung ermitteln.
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Das
Messsignal liegt meistens in Form eines analogen elektronischen
Signals vor, und es wird einer Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung
und Auswertung zugeführt.
In der Auswerteeinheit wird das analoge elektrische Signal mit einem
an sich bekannten Verfahren diskretisiert und digitalisiert und
dadurch in ein digitales Signal verwandelt.
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Die
das Messprinzip begründende
Wirbelstrasse hinter dem Störkörper stellt
physikalisch einen nichtlinearen Oszillator dar. In dem Wirbelzähler können daneben
noch weitere physikalische Effekte beobachtet werden, die weitere
Oszillationen, hier auch als externe Oszillatoren bezeichnet, welche auch
wieder durch Frequenz und Phasenlage charakterisiert sind, zur Folge
haben. Solche Effekte sind beispielsweise Pulsationen im Leitungsdruck,
Pulsationen des Durchflusses oder mechanische Schwingungen des Rohres.
Charakteristisch für
solche weiteren Oszillatoren ist unter anderem, dass sie plötzlich und
unvorhersehbar auftreten und auch wieder verschwinden können und
einer messtechnischen Erfassung nicht oder nur mit erheblichem Aufwand zugänglich sind.
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Es
ist nun bekannt, dass die Phasenlage der Wirbelablösung in
der Vortex-Strasse dazu neigt, an die Phasenlage solcher weiteren
Oszillationen anzukoppeln (Phasenkopplung), wodurch es zu einer
fehlerhaften Anzeige des Durchflussmessers kommen kann.
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Dieser
gerade geschilderte Effekt der Phasenkopplung lässt sich folgendermaßen abstrakt
verallgemeinern: Messsysteme, die auf nichtlinearen Oszillatoren
beruhen, haben oft die Tendenz, dass die Phase phi1(t) eines Oszillators
(O1), der Teil des Messsystems ist, dazu neigt, an die Phase phi2(t)
eines anderen, externen Oszillators (O2) zu koppeln. Die Phasen
werden hier als kontinuierliche Funktionen der Zeit aufgefasst,
sie sind also nicht auf ein Intervall der Größe 2*pi beschränkt. Das
zeitliche Mittel der Zeitableitung der Phase ist die Oszillationsfrequenz.
Als Phasenkopplung bezeichnet man den Effekt, dass die aus der relativen
Phase phi[n,m]: = n·phi1(t) – m·phi2(t)
gebildete zyklische, relative Phase Delta_phi[n,m](t): = phi[n,m](t)mod(2·pi) konstant ist,
nur einige wenige, bevorzugte Werte annimmt oder auch nur eine ungleichförmige Verteilung
aufweist. n und m sind dabei kleine natürliche Zahlen. Wenn n und m
spezifiziert werden sollen, spricht man auch von n:m-Phasenkopplung.
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Bezogen
auf den Vortex-Durchflussmesser besteht der verständliche
Wunsch des Anwenders, das Auftreten einer durch Phasenkopplung induzierten,
störenden
Beeinflussung der Durchflussmessung zu erkennen, um die dann fehlerhaften
Durchflussmesswerte nicht irrtümlich
als richtig anzunehmen mit möglicherweise
fatalen Folgen für
auf diesen Werten basierenden Steuer- oder Regelsystemen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messgerät zu schaffen,
in dem ein Vorliegen von Phasen-Kopplung erkennbar ist, und zwar ohne
Kenntnis über
den externen Oszillator, sowie ein Verfahren zur Messung von Durchflüssen zu
entwickeln, bei dem ein Vorliegen von Phasen-Kopplung ohne Kenntnis über den
externen Oszillator erkannt wird.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des Messgerätes
gelöst
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, und bezüglich des
Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 15.
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Erfindungsgemäß also ist
aus dem Messsignal S(t) ein Phasensignal phi(t) ableitbar, und aus
den Phaseninkrementen psi(tau,t), d.h. aus den Differenzen zwischen
momentanen und um eine Verzögerungszeit
tau zeitverzögerten
Werten des Phasensignals phi(t), phi(t-tau), ist ein Kopplungsindikatorwert gebildet,
derart, dass an diesem durch Vergleich mit einem Kopplungsreferenzwert
das Bestehen einer Phasenkopplung mit einem weiteren Oszillator
erkennbar ist. Das Phasensignal phi(t) ist in der Auswerte einheit – vor oder
nach der Digitalisierung – in einem
Funktionsblock, der im Folgenden auch als Phasenextraktor bezeichnet
wird, aus dem Messsignal abgeleitet, und zwar unter Verwendung an
sich bekannter Methoden, wie z.B. Phase-Locked-Loops, Einbettung
im Verzögerungsraum,
Berechnung des "analytischen
Signals" oder durch
Ermittlung der Phase aus dem Argument des Signals nach Durchgang
durch einen geeigneten komplexwertigen Filter.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird die Aufgabe auf sehr elegante Weise gelöst. Man nutzt dabei die Erkenntnis,
dass Phasenkopplung auf zwei Arten vorliegen kann, einmal als sog.
harte Phasenkopplung, bei der sich die relativen Phasen nur selten
oder gar nicht über
Bereiche von mehr als 2·pi ändern – solche Änderungen
werden auch als Phasensprünge
bezeichnet. Zweitens kann sog. weiche Phasenkopplung vorkommen,
bei der Phasensprünge,
also Änderungen
der relativen Phasen von mehr als 2·pi, häufig auftreten.
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Es
wurde nun gefunden, dass aus den Phaseninkrementen des Messsignals
ein Kopplungsindikatorwert ableitbar ist, dergestalt, dass an diesem durch
Vergleich mit einem Kopplungsreferenzwert das Vorliegen einer Phasenkopplung
erkennbar ist, und zwar ohne nähere
Kenntnis des zweiten, weiteren Oszillators.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt darin, dass zum Erkennen einer Phasenkopplung lediglich eine
weitergehende Verwertung der in dem Messsignal vorliegenden Information, nämlich durch
Bildung und weitere Verknüpfung
der Phaseninkremente, erfolgen muss, ohne dass die weitere Oszillation
messtechnisch zugänglich
sein und erfasst werden muss.
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Als
weiterer Funktionsblock kann in einer sehr vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ein Signalspeicher zur Zwischenspeicherung der Phasensignalwerte über ein
Zeitintervall vorhanden sein, derart dass die Phaseninkremente und
der Koppelindikatorwert mit Phasensignalwerten aus diesem Signalspeicher
bildbar sind. Der Signalspeicher kann dabei als Teil der Auswerteeinheit
oder außerhalb
der Auswerteeinheit angeordnet sein.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann der Koppelindikatorwert der Schätzwert der Varianz der Phaseninkremente
(psi(tau, t)) sein. Der Schätzwert
der Varianz der Phaseninkremente (psi(tau, t) kann dabei aus einer
Funktion der Phaseninkremente psi(tau, t), insbesondere aus einem
gleitenden Mittelwert der Quadrate der Phaseninkremente psi(tau, t)
gebildet sein.
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Der
Koppelindikatorwert kann auch aus der geschätzten Verteilungsfunktion p(psi') des ganzzahligen
Vielfachen der Phaseninkremente psi'(tau, t) = K·psi(tau, t) = K·phi(t) – K·phi(t-tau)
gebildet sein. In diesem Fall kann gemäß einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
die geschätzte
Verteilungsfunktion p(psi')
des ganzzahligen Vielfachen der Phaseninkremente aus einem Histogramm
gebildet sein.
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Der
Kopplungsreferenzwert ist vorteilhafterweise in einer Referenzmessung
bestimmt und in einem Referenzwertspeicher zur weiteren Verarbeitung
gespeichert.
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Gemäß einer
sehr vorteilhaften Ausführungsform
umfasst die Auswerteeinheit eine Anzeigeeinheit zur Anzeige des
Vorliegens einer Phasenkopplung. Der Benutzer des Durchflussmessers
erhält
damit einen Hinweis auf das Vorliegen einer Phasenkopplung. Er ist
gewarnt, dass die ermittelten Messwerte für den Durchfluss aufgrund der
Phasenkopplung fehlerhaft sein können.
Die Anzeige kann so gestaltet sein, dass sie das Vorliegen und auch das
Nicht-Vorliegen von Phasenkopplung anzeigt, so dass der Benutzer
durch die Anzeige immer genau über
die Vertrauenswürdigkeit
der Durchflussmessung unterrichtet ist.
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Die
Auswerteeinheit kann selbstverständlich auch
eine Datenschnittstelle zur Übermittlung
der Information über
das Vorliegen einer Phasenkopplung an eine Zentraleinheit umfassen.
Die Zentraleinheit ist vorteilhafterweise dieselbe, die auch die
Messwerte des Durchflusses weiterverarbeitet, etwa ein Prozessrechner.
In der Zentraleinheit kann dann beispielsweise der Messwert des
Durchflusses so lange ignoriert werden, wie die Information über das
Vorliegen einer Phasenkopplung übermittelt
wird, um so Fehler zu vermeiden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Messung von Durchflüssen
ist dadurch gekennzeichnet, dass aus den Phaseninkrementen psi(tau,t),
d.h. aus den Differenzen zwischen momentanen und um eine Verzögerungszeit
tau zeitverzögerten
Werten des in einem Phasenextraktor aus dem Messsignal S(t) abgeleiteten
Phasensignals phi(t), phi(t-tau) ein Kopplungsindikatorwert gebildet
wird derart, dass an diesem durch Ver gleich mit einem Kopplungsreferenzwert
das Bestehen einer Phasenkopplung mit einem weiteren Oszillator
erkannt wird.
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Die
Phasensignalwerte können
dabei über ein
Zeitintervall in einem innerhalb oder außerhalb der Auswerteeinheit
angeordneten Signalspeicher zwischengespeichert werden, derart dass
die Phaseninkremente und der Koppelindikatorwert mit Phasensignalwerten
aus diesem Signalspeicher gebildet werden.
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Als
Koppelindikatorwert kann der Schätzwert der
Varianz der Phaseninkremente psi(tau, t) gebildet werden.
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Der
Koppelindikator kann aber auch aus der geschätzten Verteilungsfunktion p(psi') des ganzzahligen
Vielfachen der Phaseninkremente psi'(tau, t) = K·psi(tau, t) = K·phi(t) – K·phi(t-tau)
gebildet werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und
weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie Vorteile der Erfindung
näher erläutert und
beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 den
Prinzipaufbau eines Wirbelzählers
und Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Verarbeitung des Messsignals
zur Ableitung der Information über
Vorliegen einer Phasenkopplung,
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2 den
Prinzipaufbau eines Wirbelzählers
und Blockschaltbild einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Verarbeitung
des Messsignals, hier zur Ableitung der Information über Vorliegen
einer harten Phasenkopplung, und
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3 den
Prinzipaufbau eines Wirbelzählers
und Blockschaltbild einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Verarbeitung
des Messsignals, hier zur Ableitung der Information über Vorliegen
einer weichen Phasenkopplung.
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1 zeigt
einen Wirbelzähldurchflussmesser,
der als Vortex-Zähler
ausgebildet ist. Ein strömendes
Medium 3 durchströmt
das Messrohr 1 und trifft auf den Störkörper 4, der hier einen
trapezförmigen
Querschnitt aufweist und zentrisch in der Rohrmitte angeordnet ist.
Selbstverständlich
ist die Ausführbarkeit
der Erfindung nicht auf diese spezielle Störkörperform beschränkt, es
können
vielmehr alle im Stand der Technik bekannten Formen und Anordnungen
von Störkörpern verwendet
werden. Daraufhin bilden sich hinter dem Störkörper 4 Wirbel aus, die
als Kármánsche
Wirbelstrasse 5 bezeichnet werden. Ein piezoelektrischer
Sensor 6 misst die periodischen Druckschwankungen, die
durch die Wirbelablösung
entstehen und erzeugt somit ein Messsignal S(t), das an eine Auswerteeinheit 2 weitergeleitet wird.
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Diese
Auswerteeinheit umfasst einen Phasenextraktor 10, einen
Signalzwischenspeicher 16, einen Kopplungsindikatorwertbildner 18,
einen Kopplungsreferenzwertspeicher 14, eine Vergleichsvorrichtung 12,
eine Phasenkopplungsanzeige 40 und eine Datenschnittstelle 42.
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Im
Phasenextraktor 10 wird aus dem Messsignal S(t) das Phasensignal
phi(t) abgeleitet. Das Phasensignal phi(t) wird dann dem Signalzwischenspeicher 16 zugeführt, in
dem es während
eines Zeitintervalls T gespeichert wird. Es steht somit im Signalzwischenspeicher
der zeitliche Verlauf des Phasensignals phi(t) über ein Zeitintervall T zur
Verfügung.
Zu einem Zeitpunkt t aus dem Zeitintervall T lassen sich also der
Wert des Phasensignals phi(t) zu diesem Zeitpunkt, sowie die diesem
Zeitpunkt t um ein Zeitintervall tau vorhergehenden, also um das Zeitintervall
tau zeitverzögerten,
Phasensignalwerte phi(t-tau), aus dem Signalzwischenspeicher abrufen.
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Ein
Phasensignalwert phi(t) und die diesem gegenüber zeitverzögerten Phasensignalwerte phi(t-tau)
werden aus dem Signalzwischenspeicher 16 dem Kopplungsindikatorwertbildner 18 zugeführt. In
diesem wird der Kopplungsindikatorwert KI gebildet und in der Vergleichsvorrichtung 12 nach
dort abgelegten Regeln mit einem Kopplungsreferenzwert KR aus dem
Kopplungsreferenzwertspeicher 14 verglichen. Der Kopplungsreferenzwert
KR wurde zuvor extern ermittelt und in dem Kopplungsreferenzwertspeicher 14 abgelegt.
Das Ergebnis des Vergleichs ist die Feststellung, dass eine Phasenkopplung
vorliegt, oder dass keine Phasenkopplung vorliegt.
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Die
Information über
das Vorliegen einer Phasenkopplung wird von der Vergleichsvorrichtung 12 an
eine Phasenkopplungsanzeige 40 geleitet und dort in geeigneter
Art und Weise dem Benutzer angezeigt. Beispielsweise kann auf einem
Display eine Textmeldung erfolgen, etwa „Phasenkopplung". Es kann auch alternativ
oder zusätzlich
eine Warnleuchte aufleuchten oder blinken. Zusätzlich kann auch eine akustische
Warnung erfolgen.
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Parallel
dazu wird die Information über
das Vorliegen einer Phasenkopplung an eine Datenschnittstelle 42 übertragen,
die sie dann in geeignet kodierter Form an ein übergeordnetes Datenverarbeitungs-
oder Prozessleitsystem weitergibt. Es kann sich bei der Datenschnittstelle 42 um
jede bekannte und in der Prozessindustrie gebräuchliche Datenschnittstelle
handeln, insbesondere etwa um eine serielle oder parallele Schnittstelle
oder eine Feldbusankopplung, aber auch um eine drahtlose Datenschnittstelle,
wie beispielsweise eine Bluetooth-Schnittstelle.
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2 zeigt
als Blockschaltbild eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verarbeitung
des Messsignals in der Auswerteeinheit 2 zum Erkennen einer
harten Phasenkopplung.
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Zum
besseren Verständnis
seien hier zunächst
einige grundsätzliche Überlegungen
zum Verfahren zur Erkennung einer harten Phasenkopplung dargestellt:
Idealerweise
wächst
die Phase eines ungekoppelten Oszillators linear mit der Zeit an,
das heißt
z.B. phi(t) = omega1·t.
Dabei ist omega1 definiert als der langfristige zeitliche Mittelwert
der Zeitableitung von phi(t). Die aus einem vom Oszillator abgeleitetem Messsignal
bestimmte Phase ist typischerweise nicht identisch mit der Phase
des Oszillators, weicht aber nur geringfügig davon ab. Die Abweichungen
sind beschränkt.
Für reale,
ungekoppelte, nichtlineare Oszillatoren ist diese lineare Drift
der Phase jedoch überlagert
von einer Zufallsbewegung (engl. "random walk"), die z.B. durch dynamisches Rauschen
im Oszillator oder auch durch die nichtlineare Dynamik des Oszillators
selbst hervorgerufen werden kann. Diese Zufallsbewegung führt dazu,
dass über
große
Zeitintervalle |phi(t)-omega1·t| über alle
Grenzen wächst.
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Im
Falle einer harten Kopplung an einen externen Oszillator O2 wird
diese Zufallsbewegung unterdrückt.
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Die
Unterdrückung
der Zufallsbewegung wird durch ein als Blockschaltbild in 2 dargestelltes
Verfahren erkannt, dessen Funktionsweise nun beschrieben wird:
Zunächst wird
für eine
geeignet gewählte
Verzögerung
tau die aktuelle Varianz des Phaseninkrements psi(tau,t): = phi(t) – phi(t-tau)
geschätzt.
Zur Schätzung
der Varianz kann z.B. die mittlere quadratische Schwankung von psi(tau,t)
in einem kurze Zeit zurückliegenden
Zeitintervall benutzt werden. Alternativ kann ein entsprechender
gleitender Mittelwert benutzt werden.
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Der
Schätzwert
V der Varianz von psi(tau,t) wird mit einem im Messgerät gespeicherten
Sollwert KR verglichen, der, für
den ungekoppelten Oszillator, dem Erwartungswert von V entspricht.
Eine Unterdrückung
der Zufallsbewegung durch die Kopplung an einen externen Oszillator
wird dadurch erkannt, dass dann der Wert von V (auch unter Berücksichtigung
der Messunsicherheit) unterhalb von KR liegt.
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Für die geeignete
Wahl von tau gilt folgendes: Um auch schwache Kopplungen detektieren
zu können,
sollte tau etwa so groß gewählt werden, dass
KR mindestens von der Größenordnung
2·pi^2 ist.
Um das Ansprechverhalten des Detektionsverfahren zu verbessern,
kann es sinnvoll sein, kleinere Werte von tau zu wählen.
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In
Vortex-Durchflussmessern wählt
man die Verzögerung
tau geeigneterweise umgekehrt proportional zur Frequenz der Vortex-Ablösung, wobei
die Frequenz etwa durch Mittelung über das Intervall der Länge T berechnet
wird. Wie aus hydrodynamischen Überlegungen
folgt, hängt
V0 dann nur von der Reynolds-Zahl Re der Rohr-Strömung ab,
und diese Abhängigkeit
ist schwach. Deshalb reicht eine ungefährer Wert von Re zur Bestimmung
von KR. Die Reynolds-Zahl lässt
sich entweder bei bekanntem Durchfluss und Fluid berechnen, oder
direkt aus dem Signal bestimmen.
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Der
Sollwert KR kann unter anderem mit einem der folgenden Teil-Verfahren
bestimmt werden:
- a) Der Sollwert wird herstellerseitig
in einer Referenzmessung bestimmt und elektronisch im Messgerät gespeichert.
- b) Der Nutzer bestimmt den Sollwert in einer Trainingsphase.
Dazu startet der Nutzer im ungekoppelten Fall eine Trainingsroutine
mit fester oder nutzerbestimmter Laufzeit. Aus den in der Laufzeit
aufgenommenen Daten wird der Sollwerte V0 errechnet.
- c) Man nutzt die Tatsache aus, dass die Varianz von psi(tau,t)
im ungekoppelten Fall ungefähr
linear mit tau wächst.
Beispielsweise wählt
man KR als das I-fache eines aktuellen Schätzwertes der Varianz von psi(tau/I,t),
wobei I > 1, z.B.
I = 2.
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In
der erfindungsgemäßen Anordnung
nach 2 ist das oben geschilderte Verfahren folgendermaßen implementiert:
Aus
dem Phasensignal phi(t) wird in einem Frequenzbildner 20 die
Vortex-Frequenz und aus dieser in einem Verzögerungsbildner 22 die
Verzögerungszeit
tau gebildet. Zusammen mit dem Phasensignal phi(t) wird die Verzögerungszeit
tau dem Signalzwischenspeicher 16 zugeführt. Das Phasensignal phi(t) und
das zeitverzögerte
Phasensignal phi(t-tau) werden beide aus dem Signalzwischenspeicher 16 einem
Inkrementbildner 24 innerhalb des KI-Bildners 18 zugeleitet,
der das Phaseninkrement psi(tau, t) bildet. Der Varianz-Schätzer 26 bildet
aus dem Phaseninkrement psi(tau,t) den Schätzwert des Phaseninkrements.
Dieser ist der Kopplungsindikatorwert KI, in diesem speziellen Fall
hier auch mit V bezeichnet.
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Aus
dem KR-Speicher 14 wird der Kopplungsreferenzwert KR, aus
dem Varianz-Schätzer 26 der
Kopplungsindikatorwert V der Vergleichsvorrichtung 12 zugeführt. Darin
wird verglichen, ob KR größer oder
kleiner als V ist. Eine Phasenkopplung liegt dann vor, wenn KR größer als
V ist, andernfalls liegt keine Phasenkopplung vor.
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Der
Kopplungsreferenzwert KR kann, wie oben unter a) und b) beschrieben,
aus Vergleichsmessungen gewonnen und im Referenzwertspeicher 14 abgespeichert
werden. Er kann aber auch, wie oben unter c) beschrieben, als das
I-fache eines aktuellen Schätzwertes
der Varianz von psi(tau/I,t), mit I > 1, z.B. I = 2, gewählt werden. In diesem Fall
wird aus der Verzögerungszeit
tau in dem Bruchteilsbildner 23 die neue Verzögerungszeit
tau' = tau/I gebildet und
zur Bildung des Phaseninkrements im Signalzwischenspeicher 16 verwendet.
Der Varianzschätzer 26 bildet
dann den Schätzwert
der Varianz V(psi(tau/I,t), multipliziert diesen mit I und leitet
diesen Wert der Vergleichsvorrichtung 12 als Referenzwert
zu. In diesem Fall kommt also der Referenzwert KR nicht aus dem
KR-Speicher 14, sondern ebenfalls aus dem Varianz-Schätzer 26.
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Welcher
Weg zur Bildung des Kopplungsreferenzwertes KR beschritten wird,
ist in der internen Steuerung der Auswerteeinheit 2 festgelegt.
Diese steht mit allen innerhalb der Auswerteeinheit 2 vorhandenen
Funktionsblöcken
in Verbindung, ist aber in den 1 bis 3 aus
Gründen
der besseren Übersichtlichkeit
nicht eingezeichnet.
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3 zeigt
als Blockschaltbild eine weitere besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verarbeitung
des Messsignals in der Auswerteeinheit 2, hier zum Erkennen
einer weichen Phasenkopplung.
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Auch
hier seien zum besseren Verständnis zunächst einige
grundsätzliche Überlegungen
zum Verfahren zur Erkennung einer weichen Phasenkopplung dargestellt:
Das
Verfahren macht sich zunutzen, dass bei weicher Phasenkopplung häufig Phasensprünge auftreten.
Durch die Detektion von Phasensprüngen wird die weiche Phasenkopplung
erkannt. Zur Detektion von Phasensprüngen wird folgendes Verfahren
benutzt:
Aus der geschätzten
Phase phi(t) berechnet man die Größe phi'(t): = K phi(t), wobei K durch folgende
Regel bestimmt wird: für
n:m Phasenkopplung ohne Symmetrie ist K = n. Ist, aufgrund von Symmetrien, die
Phase phi1(t) equivariant bezüglich
einer Phasenverschiebung um 2 pi/I, so ist für K das kleinste gemeinsame
Vielfache von n und I zu wählen.
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Zunächst wird
für eine
geeignet gewählte Verzögerung tau
die Verteilungsfunktion (Wahrscheinlichkeitsdichte) des Phaseninkrements psi(tau,t):
= phi'(t) – phi'(t-tau) geschätzt. Zur
Schätzung
der Verteilungsfunktion kann z.B. ein Histogramm benutzt werden,
das beispielsweise durch gleitende Mittelung bestimmt werden kann.
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Die
geschätzte
Verteilungsfunktion p(psi) untersucht man nun daraufhin, ob sie
die für
Phasensprünge
charakteristische multimodale Struktur mit Maxima im Abstand von
ca. 2 pi aufweist.
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Dies
geschieht beispielsweise durch Berechnung einer Größe eta,
definiert durch
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Der
so berechnete Wert eta wird mit einem im Messgerät gespeicherten Sollwert eta0
verglichen, der, für
den ungekoppelten Oszillator, dem Erwartungswert von eta entspricht.
Das Auftreten von Phasensprüngen
durch die Kopplung an einen externen Oszillator wird dadurch erkannt,
dass dann der Wert von eta (auch unter Berücksichtigung des Messfehlers)
oberhalb von eta0 liegt.
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Für die geeignete
Wahl von tau gelten ähnliche Überlegungen
wie oben für
den Fall harter Kopplung dargestellt.
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Der
Sollwert eta0 kann unter anderem mit einem der folgenden Verfahren
bestimmt werden:
- a) Der Sollwert wird herstellerseitig
einer Referenzmessung bestimmt und elektronisch im Messgerät gespeichert.
- b) Der Nutzer bestimmt den Sollwert in einer Trainingsphase.
Dazu startet der Nutzer im ungekoppelten Fall eine Trainingsroutine
mit fester oder nutzerbestimmter Laufzeit. Aus den in der Laufzeit
aufgenommenen Daten wird der Sollwerte eta0 errechnet.
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Zur
Beschreibung der Implementierung dieses Verfahrens in der erfindungsgemäßen Anordnung
nach 3 werden im folgenden lediglich die Unterschiede
zu den vorher bereits beschriebenen Anordnungen nach 1 und 2 betrachtet.
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In
der Anordnung nach 3 wird dem Signalzwischenspeicher 16 zum
Zwecke der Phaseninkrementbildung die in einem Phasen-Multiplikator 30 mit
dem Faktor K multiplizierte Phasenfunktion phi'(t) = K·phi(t) zugeführt. Die
Verzögerungszeit
tau wird dagegen aus dem ursprünglichen
Phasensignal phi(t) abgeleitet, wie oben bei 2 bereits
beschrieben. Anstelle des Varianz-Schätzers in 2 enthält der KI-Bildner
in der Ausführungsform
nach 3 einen Verteilungsfunktionsschätzer 28,
der die geschätzte
Verteilungsfunktion p(psi'(tau,t)
des Phaseninkrements psi(tau,t) ermittelt. Die geschätzte Verteilungsfunktion
p(psi'(tau,t) wird
dann einem weiteren Funktionsblock, hier eta-Bildner genannt, zugeführt, der,
wie oben beschrieben, die Größe eta bestimmt,
welche dann den Kopplungsindikatorwert KI darstellt.
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Innerhalb
der Vergleichsvorrichtung 12 wird der Kopplungsindikatorwert
KI, oder hier auch eta, mit einem Kopplungsreferenzwert KR, hier
auch eta0 genannt, aus dem KR-Speicher 14 verglichen.
Phasenkopplung liegt vor, wenn der Wert von eta größer als
der Referenzwert eta0 ist.
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Generell
kann die Auswerteeinheit 2 mit den in ihr enthaltenen Funktionsblöcken als
elektronische Schaltung oder als Programm innerhalb eines Mikrocomputers
realisiert sein. Einzelheiten, wie solche elektronischen Schaltungen
oder Programme aufzubauen und zu realisieren sind, sind dem Fachmann bekannt;
sie basieren auf den im Stand der Technik bekannten Schaltungen
und Programmiertechniken.
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In
einer weiteren, hier nicht durch eine Figur dargestellten Variante,
kann die Auswerteeinheit 2 sowohl die Funktionsblöcke zur
Erkennung der harten Phasenkopplung, als auch diejenigen zur Erkennung
der weichen Phasenkopplung enthalten. Mit einer solchen Auswerteeinheit 2 kann
man den ganzen Bereich der Phasenkopplung vollständig abdecken.
