估计流经振动管道的材料的过程参数的方法和装置的制作方法

专利名称：估计流经振动管道的材料的过程参数的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过程参数传感器、运行方法和计算机程序产品， 更具体地说，涉及4^动管道参数传感器、运行方法及其计算机程序产
口
P口 0
背景技术：
科里奥利效应质量流量计通常用于测量流经管道的材料的质量流 量和其它的信息。实例性的科里奥利流量计公开在授予给J. E. Smith 等人的1978年8月29日的美国专利US4， 109， 524、 1985年1月1日 的US4，491， 025和1982年2月11日的Re31， 450。这些流量计通常包 括具有直的或弯曲结构的一个或更多个管道。每个管道具有一组振动 模式，例如包括简单的弯曲型、扭曲型、径向型和耦合型。在典型的 质量流量计的应用中，当材料流经管道时驱动每个管道使其以一种自 然模式谐振。组合的管道质量和刚性特性和在该管道内流动的材料的 特性影响填充有材料的振动系统的振动模式。
科里奥利流量计的典型部分是驱动或激励系统。运行驱动系统以 给管道施加周期性的作用力以使管道振荡。驱动系统通常包括安装在 流量计的管道上的至少一个致动装置。该致动装置包括大家公知的许 多机电装置中的一种，比如具有安装在第一管道的磁体和以相对于该 磁体反向安装在第二管道的线盘的音團设备。驱动器通常给传动线圏 施加周期性的驱动信号比如正弦或方波驱动信号。周期性的驱动信号 使致动装置以相反的周期性模式驱动两个管道。
当实际上为"零"流量流经被驱动的流量计管道时，根据驱动的 振动模式沿着管道的点相对于驱动器趋于以大致相同的相位或"零流 量"相位振动。当材料开始从流量计的入口经过管道并从流量计的出 口流出时，材料流产生的科里奥利力感应在沿着管道上空间间隔开的 点之间的相移，在管道的入口侧的相位通常滞后于致动装置，而在管道的出口侧的相位通常领先于致动装置。所感测的在管道上的两个位 置上相移与流经管道的材料的质量流率大致成比例。
然而不幸的是，应用常规的相移或时间延迟方法的测量精度受到 流量计结构的非线性和非对称性的损害，并且还受到外部力源比如泵 给流量计所施加的振动的影响。例如，通过应用能够降低外部振动源 影响的平衡机械设计和应用频域滤波来消除与不希望的振动相关的频 率分量来降低这些影响。然而，机械设计方法受到几何因子的限制， 而且在消除发生于所研究的谐振频率比如用于激励管道的驱动频率上 或该频率附近的振动的不希望的振动能量方面频域滤波无效。
在质量流率测量中所遇到的一种通常的误差类型是"零偏移"。 如上所述，质量流量测量通常涉及确定在传感器管道结构上的换能器 所产生的运动信号之间的相位和时间差。零偏移表示在这些相位和时 间差测量中的偏移或偏差，因此零质量流率并不产生零相位或时间差。
为降低零偏移和误差，常规的质量流量计测量技术通常测量零偏 差作为在受控制的零质量流的情况下所测量的运动信号之间的相位或 时间差。然后依据所测量的零流量相位或时间差补偿在其它的流量情 况下所产生的相位或时间差测量值以得到更精确的结果。
然而，这些技术具有潜在的缺点。处理温度或传感器安装条件的 变化可能使零偏移随着时间漂移并导致测量误差。为补偿这种漂移， 需要周期性地再测量零偏移。由于常规的零偏移补偿技术要求材料流 动停止以产生并更新零偏移测量值，这就不方便。

发明内容
根据前面的描述，本发明的一个目的是提供一种质量流量传感器 以及确定质量流量的方法，这种传感器和方法对在测量过程和安装条 件中的变化不敏感。
依据本发明通过方法、装置以及计算机程序产品给出本发明的其 它目的、特征和优点，在这些方法、装置以及计算机程序产品中，通 过将质量流量传感器的振动管道的运动分解为实简正模态分量来确定 "剩余挠度"(即，实筒正模式的非共振作用引起的继续运动)。估 计与管道运动的至少一个实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量 并用于产生经剩余挠度补偿的质量流量估计。
依据本发明的一个方面，从表示在基本为零的质量流情况下的管道运动的信号中估计实简正模态剩余挠度分量。依据相关的"动态调 零，，的方面，确定两个实简正剩余挠度分量，包括在零流量下所测量 的"静态，，实筒正模态剩余挠度分量和在非零质量流下可测量的"动 态，，实简正模态剩余挠度分量。结合两种实简正模态剩余挠度分量以 产生用于得到剩余挠度补偿质量流量估计的剩余挠度估计。因为当材 料流经该传感器时可以估计动态实简正模态剩余挠度分量，所以可以 更新剩余挠度估计以补偿在传感器的结构动力学中的变化而不需要中 断流动》
依据本发明的另一方面，确定在实简正模式下的振动管的运动和 频率的函数关系。然后应用所确定的函数并将实际的管道运动测量值 例如在非零的质量流率下的运动测量拟合到所确定的函数来估计与实 简正模式相关的剩余实简正模态分量。例如，在所选择的许多频率下
测量在实简正模式中的传感器管道的运动的许多值，应用这些值以确 定实筒正模式的模式比例以使能够估计在实简正模式中在非共振频率 例如传感器的激励频率下管道的运动。然后应用这种剩余运动的测量 值来产生流经传感器的质量流量的剩余挠度补偿估计。
本发明源于在质量流量传感器中剩余挠度是由传感器结构的各种 振动模式的非共振作用引起的。应用实简正模态的分解技术，本发明 能够精确地测量与非共振实简正模态运动相关的管道运动，由此提供 剩余挠度的精确测量以应用于产生更精确的质量流量测量。依据本发 明某些方面，可以估计非共振管道运动但不要求在传感器管道中的零 质量流量。
具体地说，依据本发明通过估计与管道的运动的实简正模式相关 的实简正模态剩余挠度分量来估计与在管道中所包含的材料相关的过 程参数。接收表示管道运动的许多运动信号。从所接收的许多运动信 号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中产生质量流量的剩余挠度补 偿估计。
依据本发明的一个方面，以激励频率激励管道。估计在该激励频 率下与实筒正模式相关的实简正模态剩余挠度分量。接收表示该管道 响应该激励的运动的许多运动信号并从所接收的许多运动信号中确定 在该激励频率下管道的运动。从在该激励频率下所确定的运动和所估 计的实筒正模态剩余挠度分量中产生质量流量的剩余挠度补偿估计。依据本发明的另一方面，接收表示在基本为零的质量流的情况下 的管道运动的第一系列信号并对其进行处理以将在基本为零的质量流 的情况管道的运动分解为许多实简正模态分量。从所分解的许多实筒 正模态分量中估计实简正模态剩余挠度分量。接收表示管道运动的第 二系列运动信号并从所接收的第二系列运动信号和所估计的实简正模 态剩余挠度分量中产生质量流量的剩余挠度补偿估计。
在物理坐标域或模态坐标域中进行剩余挠度和质量流量的估计。 对第一系列运动信号进行模式选通滤波以产生在基本为零的质量流量 的情况下管道运动的模式选通滤波表示，以及从管道运动的模式选通 滤波表示中产生与实简正模式相关的剩余物理运动的估计。可替换的 是，处理第一系列运动信号以估计在基本为零的质量流量的情况下的 剩余实简正模态。
依据本发明所涉及的"动态调零"方面，估计与在基本为零的质 量流量的情况下管道运动的第一实简正模式相关的第一实简正模态剩 余挠度分量。估计与在非零的质量流量的情况下管道运动的第二实简 正模式相关的第二实简正模态剩余挠度分量。从所接收的第二系列运 动信号、所估计的第一实简正模态剩余挠度分量和所估计的第二实筒 正模态剩余挠度分量中得出质量流量的剩余挠度补偿估计。第 一 实简 正模式优选比第二实简正模式与在管道中的材料流更相关。
依据本发明的另一方面，确定以频率函数描述在实简正模式下管 道运动的函数。确定表示在所选择的频率下振动管道的运动的第一值。 通过将第 一值拟合到所确定函数中估计与实简正模式相关的实简正模 态剩余挠度分量。接收表示管道运动的许多运动信号并从所接收的许 多运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中得出质量流量的剩 余挠度补偿估计。
在模态坐标域实施例中，通过确定将第一值与所确定的函数相关 的比例变换并且从所确定的函数和所确定的比例变换中估计与实筒正 模式相关的实简正模态剩余挠度分量来估计实简正模态剩余挠度分 量。在模态坐标域中从所估计的实简正模态剩余挠度分量中得出质量 流量的剩余挠度补偿估计。
在模式选通滤波的实施例中，从频率响应函数中估计与实简正模 式相关的剩余物理运动。通过对所接收的许多运动信号进行模式选通滤波以产生当材料流流经管道时管道运动的模式选通滤波表示并且从 该模式选通滤波表示和所估计的剩余物理运动中得出质量流量的剩余 挠度补偿估计而得出质量流量的剩余挠度补偿估计。
本发明还描述了产生在振动管中的材料的剩余挠度补偿质量流量 估计的相关的装置以及计算机程序产品。


附图1所示为实例性的传感器管道结构。
附图2-4所示为附图1的实例性管道结构的实简正模式的频率响 应函数。
附图5-6所示为依据本发明的振动管参数传感器的实施例。
附图7-11所示为依据本发明产生质量流量的剩余挠度补偿估计
的操作的流程图和示意图。
附图12A-B所示为实例性的传感器结构的模式频率响应。
附图13-16所示为依据本发明产生剩余挠度补偿的质量流量估计
的操作的流程图和示意图。
具体实施例方式
下文参考附图全面描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。 在本领域中熟练的技术人员会理解到本发明可以不同的形式实施，并 不局限于所示的实施例，提供这些实施例只是为了更完整地公开本发 明和完整地向本领域的熟练技术人员表述本发明的范围。在附图中， 相同的参考标号总是表示相同的部件。
在此所描述的实施例中，处理表示传感器管道运动的运动信号以 将管道运动分解为许多实简正模态分量(real normal modal component),分解实简正模态可以以i午多方式实施。例如，可以应用 模式选通滤波器以通过与一组所需的实筒正相关的传感器管道运动分 量。虽然不需要明确地确定对应于管道运动的模态响应，但是模式选 通滤波将管道的运动分解成为与相应的实简正模式相对应的分量。可 替换的是，实简正模态运动即在许多单自由度(SD0F)系统的坐标系、 中的运动都可以从运动信号中明确地估计并用于产生过程参数估计。
1.概述
A.传感器管道的模态特性
如在题为"应用实简正模态分解的振动管参数传感器、方法和计算机程序产品"的美国专利申请(1998年申请，授予给本申请的受让 人)所描述，从具有相关的自然振动频率的一个或多个自然或实简正 模式方面描述振动结构的特性比如科里奥利流量计管道的特性。通过 特征向量和相关的特征值数学地描述这些实筒正模式和相关的自然频
率，该特征向量在相对幅值但不是绝对值中是惟一的，并相对于结构 的质量和刚性正交。应用矢量的线性独立组作为分解描述结构的运动 的方程的变换。
具体地说，结构对激励的响应可以表示为成比例的模式的叠加， 所述比例表示每种模式对结构运动的贡献。根据激励， 一些模式的贡 献比另一些模式的贡献大. 一些模式可能是不希望的，因为它们的贡 献能量处于所需的模式的谐振频率，因此可能恶化在所需的模式的谐 振频率上获得的测量值，比如在激励频率上所作的相位差测量。
假设传感器管道结构的阻尼可忽略并为零流量以实现完全的实自 然或简正模式振动，即在每种模式中结构上的每个点都同时达到最大 的位移。然而，具有不可忽略的阻尼和有材料流过的实际管道通常具 有复杂的激励响应，即该结构的点通常并不同时达到最大的幅值。即 将该管道结构运动描述为具有实分量和虚分量或说幅值和相位分量的 复模式。流动材料所施加的科里奥利力使传感器管道的运动变得复杂。
即使很复杂，管道的结构运动还是可以描述为成比例的自然或"简 正"模式的叠加。为表示复运动，在综合实筒正模式的各种组成部分 中使用复比例系数。某些实筒正模式与复模式的虚分量密切相关但与 复模式的实分量明显不相关。因此，这些实简正模式与在传感器管道 中的材料相对应的科里奥利力更紧密地相关，由此提供与材料相关的 参数例如质量的精确的估计。
如在实施例中所示，根据实验分析3-英寸科里奥利流量计的双曲 线管。在附图1中示出了该流量计的管道结构的原理模型。测量在z 方向上的速度的常规的速度换能器105A、 105B、 105C分别设置在管道 组件10上的左边、右边和驱动位置上。相应的加速度计105D、 105E 分别放置在距右换能器位置附近的管道103A、 103B的相应的管道上， 并将其设置成测量沿方向x上的横向加速度。积分加速度计105D、105E 的输出以得出横向绝对速度信息。
从运动换能器105A-E的输出中构造响应矢量{xrespDnse}:<formula>formula see original document page 14</formula>(1)
这里斜交的横向响应是指相对于x和z轴45度方向的响应。按下
式确定实筒正模态矩阵M)]，即将物理运动矢量(Xres,J(在"物理"
坐标系中)与实简正模态运动矢量(T1)(在"模态"坐标系中)相关
起来的实简正模态变换矩阵
<formula>formula see original document page 14</formula> ( 2 )
实简正模态变换矩阵[(|)]可以通过许多方法确定。例如，可以应用 在如下专利申请的所描述的试错法或反演技术1997年7月11日申 请并转让给本申请的受让人的申请号为08/890, 785的美国专利申请 和1998年1月25日申请并转让给本申请的受让人的申请号为09/030， 453的美国专利申请。
对于在附图1中所描述的实例性的管道结构，实简正模态变换矩 阵[小]通过实验确定为
<formula>formula see original document page 14</formula>(3)
从左至右，实简正模态变换矩阵[(|>]的列分别对应于管道结构10
的第一异相弯曲模式、同相横向模式、异相横向模式、异相扭曲模式 和第二异相弯曲模式。
可以应用模态变换矩阵[(|)]来将由运动矢量{xresp。nse}所表示的物 理运动分解为实简正模态分量。例如，通过对方程式(2)左乘模态变 换矩阵[小]的逆阵，方程式(2)可以确定模态运动矢量(Tih
<formula>formula see original document page 14</formula> ( 4 )
对于附图1所示的示例性的结构，这里0.0056 0.0498 0.0326 0.0135 —0.0063
一0.08 0.0002 _0.1999 0.6436 0.24S5
- -0.0035 0.0002 —0.0916 0.3109 —0.1591
-0.418 0.0 0.0394 0.0044 0.0021
0.0391 -0.0245 0.0223 0細1 謹19
lib. sec2
m
(5)
如前文提到的题为"应用实简正模态分解的振动管参数传感器、 方法和计算机程序产品"的专利申请所述，直接应用实简正模态运动 (T!)来估计与管道结构的一种或多种实简正模式(例如与科里奥利力 相关的模式)相关的过程参数。可替换的是，应用模态变换矩阵[小] 来确定"模式选通滤波器"，将该"模式选通滤波器，，应用到物理运
动{xresprase}中以确定经滤波的物理域响应，该物理域响应优选包括与
管道的一种或多种模式相关的物理运动(Xm拜e)分量。应用这种经滤
波的响应来估计过程参数。
应用有选择性的逆实简正模态变换矩阵[令，]将实简正模态运动矢
量fn}变换到滤波的运动矢量{x ltered},在滤波的运动矢量{xfilterej中
将与不希望的实筒正模式相关的分量衰减掉
{Xfmered} = [(|)，] (Tl) ， ( 6 )
对于附图1所示的示例性的结构，从实简正模态变换矩阵[(j)]中如
下构造有选择性的逆实简正模态变换矩阵[(|)，]:将与不希望的实简正 模式相关的实简正模态变换矩阵[(|)]的那些元素替换为零来
'5.893 0 0 -11.958 0
14.973 0 0 - 7.666 0= 6.024 0 0 12.312 0
1.891 0 0 3.6 0
0.124 0 00.19S 0
/6/ 'see2
(7)
I"
如在等式(6)和(7)中所示，通过应用有选择性的逆实简正模 态变换矩阵[(j)，]衰减了与不希望的实简正模式相关的管道运动矢量 {xresp。nse}的分量，该有选择性的逆实筒正模态变换矩阵[f]对应于以零 替换与实简正模态变换矩阵[(l)]的不希望的实简正模式相关的那些元素的实简正模态变换矩阵[(|)]。然而，在本领域的熟练技术人员会理 解到对有选择性的逆实简正模态变换矩阵[f]的这些元素应用非零值 也可以实现对这些分量的衰减。
综合方程式(4)和(6):
{xfil tercd response }=[甲]{x response }， (8)
这里模式选通滤波矩阵[甲]为
m = [d>，] [ (|)〗—\ (9) 模式选通滤波器矩阵[甲]处理管道运动矢量{xresp。DSe}以使经滤波
的输出运动矢量(Xnu^cJ优选表示与一个或多个所需的模式相关的管
道运动矢量{xresp。nse}的分量。模式选通滤波矩阵[还可以表示为为一种非对角线上的元素为零的"对角线"矩阵，对应于 所需的模式的所选择的对角线上的元素设置为1，例如，为-[(J)〗[A〗[cpr1， (16)
这里[A]是一种对角线矩阵，将其设计成通过如上文所描述的所选 择的模式，[令]是模式形状矩阵，其列对应于模式形状而行对应于物 理响应的位置，[cp广是模态矩阵的广义逆矩阵。
由驱动模式引起的物理管道运动部分表示如下 {xdrive} = mdrive{x} ， (17)
这里[^k^为设计成仅通过驱动或激励模式的模式选通滤波器。 将方程式(16)和(17)代入方程式(15)，得
{Xresidual} = [I] — [ drive W (18)
参考附图10，通过下式从在未知流量的情况下的物理响应{x} 。w 和在基本为零的质量流量的情况下的物理响应{x}n。flDW中估计在未知 : 危量的情况下的物理运动的剩余挠度^卜寸尝#"计{x} now, compensated
flow, compensated
={x}flow — ( [I]- [Y] drive )(X) noflow， ( 19 )
因此，剩余挠度补偿处理包含计算在基本为零的流量下的剩余挠 度矢量和从在未知的流量的下的物理响应{x} 。w中抽取该矢量。然后
利用剩余挠度补偿估计{x} 。w, ted即消除了剩余挠度相位差的响应
并应用例如采用相位测量技术的常规质量估计器1010产生质量流量 的估计45。
附图11所示为依据这种基于模态滤波的技术产生剩余挠度补偿质量流量估计的示例性操作1100。接收表示管道在基本为零的质量流
量的情况下的运动信号(块iiio),对所接收的信号按如上描述进行
模式选通滤波以估计在基本为零的质量流量的情况下的剩余物理运动
(块1120)。然后接收表示管道在未知的质量流量的情况下管道运动 的运动信号(块1130)。确定在未知的质量流量的情况下的物理运动
(块1140)，并从所估计的剩余物理运动和所估计的在未知质量流量 的情况下的物理运动中产生剩余挠度补偿质量流量估计(块1150)。 B.动态调零
依据本发明的另一方面，估计两个实简正模态剩余挠度分量并用 其产生剩余挠度补偿质量流量估计。如上所述从表示在基本为零的质 量流量的情况下的运动的运动信号中产生第一实简正模态剩余挠度分 量。在非零的质量流量的情况下估计笫二 "动态"实简正模态剩余挠 度分量，由此当应用传感器来更新传感器的零偏移校准时可以周期性 地重新估计而不要求停止质量流。应用该第一和笫二实简正模态剩余 挠度分量来产生剩余挠度补偿质量流量估计。
本发明的本方面如下实现传感器管道的实简正模式总可以分为 "与流量较强相关"或"与流量较弱相关"。与流量较强相关的模式 是那些具有对流经传感器管道的流率敏感的响应的模式，而与流量较 弱相关的模式是对流率非常不敏感的模式。与流量较弱相关的模式包 括例如如上所描述的实验地分析的传感器的横向模式。
与流量较强相关的模式对在基本为零的流量下的剩余挠度有作 用。在许多情况下，比较合理的是假设与流量较强相关的模式相应的 剩余挠度是时间的相对不变量，这意味着在流量模式中的变化可能不 产生零漂移。然而，与流量较弱相关的模式可以对流率相对不敏感， 但对边界条件的变化敏感。当这些模式变化时边界条件的变化导致较 短或较长的零失调漂移。例如，边界条件的变化可以造成如上所描述 的示例性传感器的横向模式频率的移动，导致该模式对剩余挠度或零 偏移的变化。
为了说明，应用如上所描述的三英寸传感器的实验数据，该传感 器的模态(或"模式形状")矩阵[伞]可以减小为3列，分别对应于 在125赫兹的驱动(异相弯曲)模式、在132赫兹的同相横向模式以 及异相扭曲模式0.445 0.002 -0.904
1.131 0.006 —0.029
0.445 - 0.011 0.904
0.143 0.064 0.272
0.009 0.131 0.015
模态矩阵[ ]的行对应于右边、驱动和左边的换能器位置以及如上 所描述的随后的斜交的和横向的加速度计。
应用N的实简正模式r的模态矩阵[命]、模式比例系数Qr和极点 l来确定频率响应函数矩阵[H]:
。r .2,.①/ +^ '①7
JO) — 、
(20)
响应矢量(x)可以从频率响应函数矩阵[H]和驱动力{F}中计算，调 用下式
W = [H〗{F}， (21) 三种模式的模态响应可以应用模态滤波器提取，应用例如反演法 从模态矩阵N)]中构造该模态滤波器。附图12A-B所示分别为示例性
系统的物理响应X和模态响应Tl^d， Tltwist, TKter"的幅值和相位的频率函数。
通过计算在左右换能器产生的运动信号之间的相位角度并除以激 励频率ad以确定时间差At来计算物理响应的剩余挠度引起的时间延 迟。对于在附图12A-B中给定的数据
CO,
可以确定两种不同的模式选通滤波器，包括第一模式选通滤波器和第二模式选通滤波器，该第一模式选通滤波器通过弯曲的和横向的
模式以产生物理响应矢量wbl，而该第二模式选通滤波器通过弯曲的
和扭曲的模式以产生物理响应矢量(x) bt:
1 0 0 0 1 0 0 0 0
(n( "，和
K,K,)) = [o]
i o o ooo o o i
这里(Xb, ( d) }、 {Xbt ((Dd) }和{" ( d))分别是综合的弯曲的和 横向的模式的物理响应矢量、综合的弯曲的和扭曲的模式的物理响应 矢量以及模态响应矢量，所有这些都在激励频率(Dd下得出。
计算实验分析的传感器在零流量下的每个模式的带通滤波的分量
{xbl( d)}、 {xbt ( d))的零偏移的作用
=-1-^ = 1
nsec ,和
=-^-^~ = 135 nsec ,

即，横向模式响应对应于11纳秒的零偏移，而扭曲模式的响应对 应于135纳秒的零偏移。
与流量相关的扭曲模式响应通常与流量混淆，因此很难确定在流 动的情况下的由这种模式引起的零偏移。然而，与流量相关的扭曲模 式通常与边界条件去耦并可以认为是时间的不变量。与流量较弱相关 的横向模式分量可以认为对流率不敏感，但对边界条件变化相当大。
例如，如果由于边界条件的改变引起横向模式的振动频率降低4 赫兹，则相应的模态对零偏移的贡献为<formula>formula see original document page 27</formula>,和
<formula>formula see original document page 27</formula>.
利用来自新的横向模式频率的影响总的零偏移为158纳秒，即由
于横向模式的振动频率的变化造成了变化。由于横向模式频率移动不 影响扭曲模式，与扭曲模式的响应相关的零偏移AUt为135纳秒，即
未变化。
可以明显地看出，可以跟踪与流量较弱相关的模式的变化以监测 边界条件的变化。在非零的流量的情况下可以监测与流量较弱相关的 模式的变化，由此补偿剩余挠度以动态地更新而不需要流量停止。
附图13所示为依据动态调零的技术产生剩余挠度补偿质量流量 估计的实例性操作1300。估计在基本为零的质量流量的情况下的与流 量较强相关的实简正模式(例如如上所描述的传感器的扭曲模式)相 关的第一实简正模态剩余挠度分量(块1310)。估计在非零质量流量 的情况下的与流量较弱相关的模式(例如上文所描述的传感器的横向 模式)相关的第二实简正模态剩余挠度分量(块1320 )。然后接受表 示管道运动的运动信号(块1330 )，并应用第一和第二实简正模态剩 余挠度分量从该运动信号中估计剩余挠度补偿质量流量的估计(块 1340 )。随后，更新第二实筒正模态剩余挠度分量(块1320 )，接受
附加的运动信号(块1330 )以及应用所更新的笫二实简正模态剩余挠 度分量从所接受的运动信号中产生新的剩余挠度补偿质量流量估计 (块1340 )。可以理解的是应用上文中参考附图5-11所描述的技术 和装置在附图13中所示的估计过程可以在模态域中或在物理域中执 行。
应用该模式的预定的频率响应函数而不测量实际管道运动从理想 模式的极点估计中计算特定的实筒正模式例如上文描述的横向模式的 模态响应。例如，不测量横向模式的模态响应，对于已知的力(F)应用方程式(20 )和(21)并设定r=2可以计算横向模式的模态响应估计。 通过估计振动型比例估计实简正剩余运动
依据本发明的另一方面，在除了给定的频率(例如激励频率)以 外的频率上的实筒正模式中的所测量的运动中估计在给定的频率上的 实简正模式相关的剩余挠度，在该激励频率上测量相位或时间差。例 如，在激励频率附近的频率上测量实筒正模态运动，并应用所测量的 运动在激励频率上内插剩余挠度。依据本发明，各种线性的、多项式
上;斤效;量的实简正模态i动中产生在激励频率上的实简正模态运动估 计。
依据本发明的一个方面，应用最小二乘法技术将在实简正模式中 所测量的表示运动的数据拟合到所假设的应用在其上响应更容易测量 的频率上的测量值的频率响应或"脉冲"函数，对于所研究的模式r 而言单自由度的频率响应或"脉冲，，函数通常采用如下的形式
<formula>formula see original document page 28</formula>
这里、为模式r的特征值，"r表示在模式r中的运动，Nr为在模 式r中的模态激励，Kr为测量模态响应Ar的标量，以及*表示复共扼。
从测量值中设定或估计特征值、。例如，应用许多公知的极点估计技
术比如D. J. Ewing在"模态测试理论和实践"(John Wiley和Sons, Inc. ( 1984 ))中所描述的技术估计特征值入r。
特征值是一种具有表示模式r的阻尼的实部和表示模式r的衰减 的自然频率ffiM的虚部的复数。模式的阻尼很难测量，但是对于典型的 科里奥利质量流量计，可以认为阻尼很低。假设忽略该阻尼
(23)如上文所描述，与流量相关的模式的响应比如附图所示的实例性 的传感器的扭曲模式的响应通常与流量混淆，这就使得很难测量在非 零流量的情况下与在激励频率附近的模式相连的剩余挠度。然而，以
仏r)表示响应流量高度相关的实简正模式的脉冲函数的矢量，应用最
小二乘方方法计算"比例矩阵"[k]，该"比例矩阵"[k]将在远离该
激励频率的频率下的流量相关的模式中的所测量运动关联到脉冲函数
矢量{Ar}。然后通过将比例变换[k]应用到脉冲函数矢量仏r)中应用 "比例矩阵"[k]产生由流量相关的模式引起的在激励频率下的精确的 剩余挠度估计。
具体地说，在非零流量的情况下以一个或多个所选择的频率(Os激 励管道结构。虽然可以任意选择这些选定频率ffis，但是越远离该激励 (驱动)频率Q)d，通常通过该管道的质量流使流量相关的模式的模态 响应变形更小。可取的是，用于估计模式r的所选择的频率Os在模式 r的谐振频率①M的附近。
应用在所选择的频率CDs下例如通过直接测量或从参数比如驱动电
流中推导出的已知的物理力{F}。通过如下的变换式可以将物理力{F} 变换到模态激励(N):
W-[小nF) (24) 通过如下的变换将对力(F)的物理响应(x)变换成模态响应(ti):
<formula>formula see original document page 29</formula>(25)
对于在许多所选择的频率[Os]下获得模式r的模态响应矩阵 ，假设
<formula>formula see original document page 29</formula>(26)
这里，[A( U， (Ds)]表示通过计算在许多所选择的频率(Ds下的模
式r的脉冲函数的矢量仏J产生的矩阵。解方程式(26)得比例矩阵<formula>formula see original document page 30</formula>(27)
这里+表示伪逆矩阵。
因此，在零流量下在频率(D下的模态响应
)
7V
即在频率(D下
的与流量相关的模式相连的运动可以通过下式估计(在模态域坐标系 中)
乂( )
;[K](Wco)}=
"氛) 乂K)
(28)
通常，通过在方程式(28)中设定co =o>d,实现估计在激励频率 d下与流量相关的模式相连的剩余挠度。
如上文所描述，确定流量相关的模式即扭曲模式的剩余挠度。然 而，可以理解的是上文所描述的方法还可以应用到更小的流量相关模 式中。例如，与可忽略的流量相关的横向模式比如所描述的附图1的 实例性的传感器的模式相对应的剩余挠度可以类似从描述横向模式的 频率响应的脉冲函数中估计出来。
在给定频率下剩余挠度补偿实简正模态运动估计即用于补偿与不 希望的模式相连的剩余挠度的实简正模态运动可以通过测量在该给定
频率下的实简正模态运动(T1) fl 并减去与不希望的模式相关的剩余实 简正模态运动hlL。n。w得出。假设恒定的模态激励OO，则通过下式给 出剩余挠度补偿实简正模态运动flow， coaipensated■
flow, compensated
(29)
然后应用补偿的实简正模态运动以与上文所描述的方式类似的方 式来产生在未知的流量下的剩余挠度补偿的质量流量的估计。
在一些应用中在物理坐标系中可以更方便地确定剩余挠度。从模 态坐标域变换到物理坐标域，在物理坐标域中管道运动的剩余挠度补偿估计表示如下
<formula>formula see original document page 31</formula> (30)
为补偿与流量相关的模式的剩余挠度，例如
<formula>formula see original document page 31</formula>
这里[Ad由e]和[A 。wra。de]都是对角线矩阵，并分别将其设计成通过驱 动模式和流量相关的模式。根据分别用于驱动模式和流量相关模式的 模式选通滤波器[平一e]和[甲f一。de]整理方程式(31)得
<formula>formula see original document page 31</formula>
附图14说明了产生剩余挠度补偿质量流量估计的实例性操作 1400。确定描述在实筒正模式下的传感器管道的运动函数作为频率函 数(块1410)。确定在所选择的频率即实简正模式的谐振频率附近的 频率下表示管道运动的值(块1420 )。例如，接收表示在非零流量的 情况下的传感器管道运动的运动信号，由此在实简正模式的谐振频率 附近的许多所选择的频率下从所接收的信号中确定在实简正模式中的 运动。然后例如应用如上文所描述的最小二乘方的方法估计与实筒正 模式相关的实简正模态剩余挠度分量(块1430 )。然后接收表示在未 知的质量流量的情况下管道运动的许多运动信号(块1440 )，从所接 收的运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中产生剩余挠度补 偿的质量流量估计(块1450 )。
附图15所示为在模态坐标域中产生质量流量的剩余挠度补偿估 计的应用中估计剩余实筒正模态运动的操作1500。确定描述在实筒正 模式中运动的脉冲函数(块1510)。接收表示管道运动的运动信号(块1520 )。处理所接收的运动信号以产生表示在许多所选择的频率下管 道运动的第一系列值(块1530 )。例如，第一系列值描述在该模式的 谐振频率附近的许多所选择的频率下的流量相关的模式中的运动。在 许多所选择的频率下计算所确定的脉冲函数以产生笫二系列值(块 1540 )。然后从第一和第二系列值中例如应用方程式(27)确定模式 比例变换(块1550 )。然后从比例变换和脉冲函数中确定在所研究的 频率例如激励频率下的剩余实简正模态运动(块1560)，并利用它例 如应用参考附图9所描述的技术来产生剩余挠度补偿质量流量估计 (块1570 )。
附图16所示为在物理坐标域中产生剩余挠度补偿质量流量估计 的实例性的操作1600。确定描述在实简正模式例如流量相关模式或其 它模式中的运动的脉冲函数(块1610)。接收表示管道运动的运动信 号例如表示在非零的质量流量的情况下的管道运动的运动信号(块 1620 )。处理所接收的运动信号以产生表示在许多所选择的频率下管 道运动的第一系列值(块1630 )。在许多所选择的频率下计算所确定 的脉冲函数以产生第二系列值(块1640 )。在所研究的频率例如激励 频率下计算脉冲函数(块1650 )，将模式选通滤波器应用到在所研究 的频率下第一系列值、第二系列值和脉冲函数值的乘积中以根据方程 式(32)产生在该研究的频率下剩余物理运动估计(块1660 )。然后 利用所估计的剩余物理运动并应用例如参考附图11所描述的技术来 产生剩余挠度补偿质量流量估计(块1670 )。
III.结论
依据本发明，通过将质量流量传感器的振动管道的运动分解为实 筒正模态分量来确定"剩余挠度"即由于实简正模式的非谐振的影响 引起的继续运动。估计与管道运动的至少一种实简正模式相关的实简 正模态剩余挠度分量并应用它来产生剩余挠度补偿质量流量估计。
从表示在基本为零的质量流量的情况下的管道运动的信号中估计 实简正模态剩余挠度分量。该估计可以在模态坐标域中执行或在物理 坐标域中通过应用模式选通滤波来执行。实简正模态剩余挠度分量包 括从表示传感器管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的运动信 号中估计的第一分量和第二 "动态"分量，该第二 "动态，，分量可以 从表示管道在非零的质量流量的情况下的运动的运动信号中产生。在非零的流量的情况下可以动态地更新第二分量。
依据本发明的另一方面，确定描述振动管道在实筒正模式中的运 动作为频率函数即频率响应函数或脉冲函数的函数。应用该函数通过 将实际管道运动的测量拟合到该函数来估计与实简正模式相关的剩余 实简正模态分量，例如通过测量在许多所选择的频率下在实简正模式 中传感器管道的许多运动值并应用最小二乘方技术确定实简正模式的 模式比例。应用该模式比例产生实简正模态剩余挠度分量的估计。
依据本发明所应用的实筒正模态分解技术能够提供更精确的剩余 挠度估计。例如更精确的剩余挠度估计可以改善在相位或时间差类型 的质量流量测量中对零偏移的补偿。此外，依据本发明的一些方面， 可以不要求在传感器管道中的零质量流量而进行剩余挠度估计。
本发明的附图和说明书公开本发明的实施例。虽然是应用特定的 方式进行描述，但是它们可以应用在通用的传感器中而不受特定的目 的的限制。可以预计的是在本领域中熟练的技术人员可以在如下的权 利要求所限定的范围内设计或使用等价的实施例。
权利要求
1. 一种在质量流量参数测量设备中估计流经振动管道的材料的质量流量参数的方法，所述方法包括如下步骤估计与所述管道的实简正模式运动相关的实简正模态剩余挠度分量，所述的实简正模态剩余挠度分量代表由于实简正模式的非谐振的影响引起的剩余运动(710)；接收表示所述管道在沿着所述管道的不同点上的运动的多个运动信号(720)；以及从所述多个运动信号和所述实简正模态剩余挠度分量中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计(730)。
2. 权利要求1所述的方法，其中所述实简正模态剩余挠度分量包括 在基本为零的流量的情况下的实简正模态运动和在未知的质量流量情 况下的实简正模态情况，所述估计实简正模态剩余挠度分量的步骤(710)包括如下的步骤接收表示所述管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的第一多 个运动信号(910);从所述第一多个运动信号中估计在所迷基本为零的流量的情况下的 所述剩余实简正模态运动(920 );接收表示所述管道在未知质量流量的情况下的运动的第二多个运动 信号(930 );和从所述第二多个运动信号中估计在所述未知质量流量的情况下的所 述剩余实简正模态运动(940 )。
3. 权利要求2所述的方法，其中估计所述质量流量参数的步骤(730 ) 包括如下步骤从在所述基本为零的流量的情况下的所述剩余实简正模态运动和在 所述未知质量流量情况的所述剩余实简正模态运动中产生所述质量流量 参数的所述剩余挠度补偿估计(950 )。
4. 权利要求1所述的方法，其中估计所述实简正模态剩余挠度分量 的步骤(710)包括如下步骤接收表示所述管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的第一多 个运动信号(1110);对所述第一多个运动信号进行模式选通滤波以估计在所述基本为零的质量流量的情况下的剩余物理运动(1120);接收表示所述管道在未知质量流量的情况下的运动的第二多个运动 信号(1130);以及估计在所述未知质量流量的情况下的物理运动(1140)。
5. 权利要求4所述的方法，其中估计所述质量流量参数的步骤(730 ) 包括如下步骤从所述剩余物理运动和在所述未知质量流量的情况下估计的物理运 动中产生所述质量流量参数的所述剩余挠度补偿估计。
6. 权利要求1所述的方法，其中估计所述实简正模态剩余挠度分量 的步骤(710)包括如下步骤估计在基本为零的质量流量的情况下与和流量相关的模式相关联的 第一实简正模态剩余挠度分量(1310);以及估计在未知质量流量的情况下与和流量不太相关的模式相关联的第 二实简正模态剩余挠度分量(1320 )。
7. 权利要求6所述的方法，其中估计所述质量流量参数的步骤(730 ) 包括如下的步骤从所述接收到的多个运动信号、所述第 一实简正模态剩余挠度分量 和所述第二实简正模态剩余挠度分量中产生所述质量流量参数的剩余挠 度补偿估计(1340 )。
8. 权利要求1所述的方法，其中估计所述实简正模态剩余挠度分量 的步骤(710)包括如下的步骤确定描述在实简正模式中作为频率函数的管道运动的函数(1410); 确定表示在所选择的频率下的所述管道运动的值(1420 );以及 通过将所述值代入所述函数中来估计所述实简正剩余挠度分量 (1430)。
9. 权利要求1所迷的方法，其中估计所述实简正模态剩余挠度分量 的步骤(710)包括如下的步骤确定描述在实筒正模式中作为频率函数的管道运动的函数(1510)。
10. 权利要求9所述的方法，其中估计所述质量流量参数的步骤 (730 )包括如下的步骤在多个所选择的频率下产生表示实简正模态运动的第一多个值 (1530);估计在模式谐振频率附近的所述多个所选择频率下的所述函数以产 生第二多个值(1540 );从所述第一多个值和所述第二多个值中确定模式比例变换(1550 );从所述模式比例变换和所述函数中估计在驱动频率下的剩余实简正 模态运动(l560 );以及从在所述驱动频率下估计的剩余实简正模态运动中产生所迷剩余挠 度补偿质量流量参数(1570 )。
11. 权利要求9所述的方法，其中估计所述质量流量参数的步骤 (730 )包括如下的步骤产生表示所述管道在多个所选择的频率下的物理运动的第一矩阵 (1630);估计在模式谐振频率附近的所述多个所选择频率下的所述函数以产 生第二矩阵(1640 );估计在所述驱动频率下的所述第二矩阵(1650 );对所述第一矩阵、所述第二矩阵以及所述函数的所述估计的乘积进 行模式选通滤波以产生在驱动频率下所述剩余物理运动的估计(1660 ); 以及在所述驱动频率下从所述剩余物理运动的所述估计中产生所述质量 流量参数的所述估计(1670 )。
12. —种设备(5 )，该设备具有管道(103A-103B)、当材料流经所 述管道时振动所述管道的驱动器104，以及在至少两个不同的位置上测 量所迷管道运动并产生表示所述运动的信号的传感器(105A-105B),其 中所述设备产生所述材料的质量流量参数的估计，所述设备包括从所述传感器(105A-105B)接收信号并估计与所述管道(103A-103B) 的实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量的实简正模态剩余挠度分 量估计器(30)，所述的实简正模态剩余挠度分量代表由于实简正模式 的非谐振的影响引起的剩余运动；响应对所述实简正模态剩余分量的估计并从所述信号和所迷实筒正 模态剩余挠度分量中产生剩余挠度补偿质量流量参数的剩余挠度补偿质 量流量估计器(40)。
13. 权利要求12所述的设备，其中所述实筒正模态剩余挠度分量估 计器(30)包括用于接收表示所述管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的第 一多个运动信号的电路(610);用于从所述笫 一多个运动信号中估计在所述基本为零的流量的情况 下的所述剩余实简正模态运动的装置(620 );用于接收表示所述管道在未知质量流量的情况下的运动的第二多个运动信号的电路(610);用于从所述第二多个运动信号中估计在所述未知质量流量的情况下 所述剩余实简正模态运动的装置(620 );
14. 权利要求13所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计 器(40)包括用于从在所述基本为零的流量的情况下的所述剩余实简正模态运动 和在所述未知质量流量的情况的所述剩余实简正模态运动中产生所述质 量流量参数的所述剩余挠度补偿估计的装置(630 )。
15. 权利要求12所述的设备，其中所述实简正模态剩余挠度分量估 计器(30)包括用于接收表示在基本为零的质量流量的情况下所述管道的运动的第 一多个运动信号的电路(610);用于对所迷笫一多个运动信号进行模式选通滤波以估计在所述基本 为零的质量流量的情况下的剩余物理运动的装置；用于接收表示所述管道在未知质量流量的情况下的运动的笫二多个 运动信号的电路(610);以及用于估计在所述未知质量流量的情况下的物理运动的装置。
16. 权利要求15所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计 器(40)包括从所述剩余物理运动和在所述未知流量的情况下估计的物理运动中 产生所述质量流量参数的所述剩余挠度补偿估计的装置。
17. 权利要求12所述的设备，其中所述实简正模态剩余挠度分量估 计器(30)包括用于估计在基本为零的质量流量的情况下与和流量相关的实简正模 式相关联的第一实简正模态剩余挠度分量的装置(620 );以及用于估计在未知质量流量的情况下与和流量不太相关的模式相关联 的笫二实简正模态剩余挠度分量的装置(620 )。
18. 权利要求17所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计 器(40)包括用于从所述接收的多个运动信号、所述笫 一实简正模态剩余挠度分 量和所述第二实简正模态剩余挠度分量中产生所述质量流量参数的剩余 挠度补偿估计的装置(630 )。
19. 权利要求12所述的设备，其中所述实简正模态剩余挠度分量估计器(30)包括用于确定描述在实简正模式中作为频率函数的管道运动的函数的装置；用于确定表示在所选择的频率下所述管道运动的值的装置；以及 用于通过将所述值代入所述函数中来估计所述实简正剩余挠度分量 的装置。
20. 权利要求19所述的设备，其中所述实筒正模态剩余挠度分量估 计器(30)包括用于确定描述在实筒正模式中作为频率函数的管道运动的函数的装置。
21. 权利要求20所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计 器(40)包括用于在多个所选择的频率下产生表示实简正模态运动的第一多个值 的装置；用于估计在模式谐振频率附近的所述多个所选择频率下的所述函数 以产生第二多个值的装置；用于从所述第一多个值和所述第二多个值中确定模式比例变换的装置；用于从所述模式比例变换和所述函数中估计在驱动频率下的剩余实 简正模态运动的装置；以及用于从在所述驱动频率下估计的剩余实简正模态运动中产生所述剩 余挠度补偿质量流量参数的装置。
22. 权利要求20所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计 器(40)包括用于产生表示所述管道在多个所选择的频率下的物理运动的第一矩 阵的装置；用于估计在模式谐振频率附近的多个所选择频率下的所述函数以产生笫二矩阵的装置；用于估计在所述驱动频率下的第二矩阵的装置；用于对所述第一矩阵、所述第二矩阵以及对所述函数的估计的乘积 进行模式选通滤波以产生在驱动频率下的所述剩余物理运动的估计的装 置；以及用于在所述驱动频率下从所述剩余物理运动的所述估计中产生所述质量流量参数的所述估计的装置。
全文摘要
通过估计与管道运动的实简正模式相连的实简正模态剩余挠度分量来估计与包含在管道中的材料相关的质量流量参数。接收表示管道运动的许多运动信号。从所接收的许多运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中产生剩余挠度补偿质量流量估计。本发明还包含相关的装置和计算机程序产品。
文档编号G01F1/84GK101424557SQ20081010935
公开日2009年5月6日 申请日期1999年7月14日 优先权日1998年8月5日
发明者D·F·诺尔门, S·J·舍利, T·J·库宁哈姆 申请人:微动公司