专利名称：跟踪滤波器转移函数的快速确定的制作方法
技术领域：
本发明特别适用于一种能够对流体流量作出响应的涡流挡板流量计或旋涡计那样的流量计。本发明涉及在这些仪器和其他处理仪器中的数字滤波器转换函数的确定。
流量计检测到管道中的液体和气体的流动并提供一个表示这种流动的信号。在一定的条件下，管道中常见的诸如尾迹杆、非线性形体、或涡旋发生器中的任意一个障碍物的存在会在液流中产生周期性的涡旋。这些涡旋的频率与流量计中的流速成正比。尾迹涡旋以尾迹频率在非线性形体两端提供一个交变压差。该压差通过压电晶体或其它压差装置转换成一个电信号。该压差或电信号的大小与ρV2成正比，其中，ρ是流体的密度而V是流体的速度。当导管的直径与非线性形体的尺寸比例保持恒定时，信号的大小与ρD2F2成正比，其中D是计量管的内径而F是尾迹频率。涡旋流量计产生具有与流速成正比的频率的脉冲。在一种旋涡计中，借助于涡旋叶片使待测流速的流体呈现出涡旋分量，该结构使得涡旋运动转变成一种旋进运动以产生射流脉冲，该射流脉冲被检测后用来产生一个频率与流速成正比的信号。参见美国专利US 3616693和US 3719080，它们公开了旋涡计的几个例子，在此一并引用作为参考。正如在此所使用的那样，“涡旋流量计”将既包括涡流挡板流量计和旋涡计。
涡旋流量计也能计算经过管道或沟渠的质量流率。美国专利5429001披露了用于根据滤波输出的幅度和频率计算质量流的方法装置。涡旋流量计中的滤波器接收一个与流动相关的信号，这个信号有一个响应流动而变化的基本频率。滤波器用所选择的高通(HP)滤波器特性和预设的低通(LP)滤波器对输入信号进行滤波，以产生具有反映流动频率的已滤波信号。HP滤波器的频率特性是从一组具有不同转角频率的特性中选择的。这一组中的每个HP滤波器具有指定给它的唯一的上升转变值和唯一的下降转变值。
在美国专利5429001中所披露的涡旋流量计，也包括一个适配的响应电路，它选择当前的HP滤波器特性用于滤波器。适配电路在流动增加时用一种选择方法，而在流动减少时用另一种选择方法。涡旋流量计中的计算电路包括整流电路、累加电路、周期计数和计时电路和微处理器。整流电路对滤波信号进行整流，累加电路对整流输出的幅度进行累加，而周期计数和计时电路则对滤波输出的周期计数，并对所计周期的历时进行计时。微处理器根据累加电路和周期计数电路的输出以及系统时钟，利用滤波输出的频率和平均幅度计算质量流。
在优选的实施例中，对所算得的质量流由于数字滤波器的转移函数而产生的误差进行校正。美国专利5429001中披露了为每个单独的滤波器的频率响应转移函数建立的公式。微处理器利用滤波输出信号，以及对由每个滤波器的转移函数引起的误差进行校正的系数，计算质量流。但是，因为转移函数由于微处理器所提供的转角频率的改变，是变化的，所以，微处理器必须重新计算每个滤波器的转移函数，以便提供精确的校正系数。因此，对于质量流率的计算，微处理器必须进行许多数学上的步骤，其中，每个数学步骤都需要大量的时钟循环。这就限制了能够算出质量流率的速度，或者微处理器在计算质量流率之间所能进行的其他功能。因此，很希望能缩短为涡旋流量计计算质量流率所需要的计算时间。
一种涡旋流量计，对流动的流体中的涡旋压力进行检测，并发送与质量流相关的输出。这种涡旋流量计包括对涡旋压力信号滤波的动态滤波器。该动态滤波器提供第一滤波输出信号和第二滤波输出信号。该动态滤波器包括可控的转移函数。控制电路系统控制可控的转移函数，并提供与质量流相关的输出，作为第一滤波输出信号和第二滤波输出信号的函数。发送电路系统接收这个输出信号，并发送与质量流相关的信号。
本发明的中另一方面包括根据指示流体中产生涡旋的涡旋信号，计算与流体相关的输出的方法，这种方法包括步骤(a)对涡旋信号滤波，以提供第一滤波输出信号；(b)对第一滤波输出信号滤波，以提供第二滤波输出信号；及(c)计算与流率相关的输出，作为第一滤波输出信号和第二滤波输出信号的函数。
图1是根据本发明的涡旋流量计的方块图。
图2是为获取信号用以快速计算涡旋流量计数字滤波器转移函数的简化方块图。
图3是图1中涡旋流量计的一个部件的方块图。
图4是根据本发明的计算质量流的电路方块图。
图1说明本发明的涡旋流量计10的实施例。通常，涡旋流量计10包括涡旋传感器11，用于检测流过管道16的流体14中的涡旋15。涡旋传感器11与电子电路12相连接。电子电路12在电流环路17上产生指示流动的4至20毫安(mA)电流，同时产生输出方波Fout，该方波具有正比例于流体流量的频率。
该涡旋流量计10包括一个其中安装有非线性形体24的涡旋仪表壳22。当流体14流经非线性形体24时，就会产生具有代表流速的频率的喷射涡旋15。涡旋传感器26最好位于非线性形体24处，检测一个与喷射涡旋15相关的压差。举例来说，该涡旋传感器26可以含有一个压电传感器。该传感器26具有近似于电势源Es和串联电容器Cs的特性。从压电传感器26输出的信号幅度正比例于压差，压差正比例于ρV2，这里ρ是流体密度，V是流体14的速度，也正比例于ρD2F2，其中D是仪表壳体22的内径，而F是涡旋15的尾迹频率。
压电传感器26的输出被连到放大器28，放大器包括电容器CF和电阻器RF。放大器28在线路30中提供一个模拟输出信号。线路30中的信号被输送到输入电路60，这个电路包括抗混淆滤波器62和模一数(累计-增量)转换器64。抗混淆滤波器62对来自线路30的信号进行滤波，以消除不希望的高频噪声，并进行抗混淆滤波。
模-数转换器64以近似307.2千赫(kHz)的频率对来自滤波器62的信号进行取样，并且输出307.2kHz的一位(比特)的数据流，这个数据流指示涡旋15的幅度和频率。在数据流中不存在字的界线。一和零的相对数目往往称为位(比特)密度，它表示涡旋15的幅度。模-数转换器64最好用CMOS ASIC(专用集成电路)实现，以减少功耗、成本和体积，CMOS电路特别适合于数字化1至10kHz范围的模拟信号，这个范围是涡旋流量计通常的频率。数字数据流越过接地的或者具有漏电流到地的传感器所要求的电子隔离阻挡层66进行输送，这种传感器通常使用于涡旋流速计，以降低成本和简化连接。单一位的数据流允许一种便宜紧凑的变压器或者电容器被用于隔离阻挡层66。其他的隔离介质例如光学的、压电的/声学的和磁致伸缩的器件，是可用的。
单一位的数据流通过隔离阻挡层66提供给数字跟踪滤波器68。数字跟踪滤波器68使出现在模-数转换器64的频率量化噪声最小，并且也将涡旋传感器的幅度和频率信号30转换为指示质量流的流量计的输出。数字跟踪滤波器68接收一个含噪声的输入信号，这个信号与具有响应流量变化的基本频率的流量相关。数字滤波器68以高通(HP)滤波器特性预设的低通滤波器对输入信号进行滤波，以产生表示流量的滤波信号。HP滤波器的频率特性是从一组预先选定的具有不同转角频率的HP滤波器中进行选择的。在优选实施例中，使用多个HP滤波器。微处理器70选择数字滤波器68的合适转角频率，或对数字滤波器68进行适当的控制，以选择转角频率。数字滤波器68在线路30上提供一个与信号的幅度相关的信号，这个信号粗略地正比例于流体的密度ρV。信号ρV本身也用来计算质量流率M。与另一个也是从数字滤波器68来的可利用的信号ρV相比较，ρV信号被优先选用，因为数字滤波器68从ρV信号中消除更多的噪声。
ρV信号由微处理器70接收。较好的是，由于数字滤波器68的转移函数的原因，使用一个校正系数对ρV进行校正。美国专利5429001对使用微处理器70计算转移函数的公式进行了叙述。但是，用微处理器70计算这个公式消耗计算时间。
在本发明的一个方面，涡旋流量计10包括数字滤波器68，该滤波器接收与流量相关的输入信号78，并提供被滤波的输出信号，这个输出信号被用来计算数字滤波器68的转移函数。
参考图2，数字滤波器68包括第一滤波电路80，用于接收与流量相关的输入信号78。第一滤波电路80对输入信号78滤波，并提供第一滤波输出信号82。第一滤波电路80用第一转移函数H1(fV)表征，这里fV是输入信号78的基频。第二滤波电路84接收第一滤波输出信号82，并提供第二滤波输出信号86。第二滤波电路84用第二转移函数H2(fV)表征，在这里，第二转移函数H2(fV)与第一转移函数H1(fV)有一个已知的关系。在优选实施例中，第一滤波电路80和第二滤波电路84实质上是相同的，都是用CMOS专用集成电路实现，以致第一转移函数H1(fV)实质上与第二转移函数H2(fV)是相同的。
处理电路88(图4)包括累加电路90和92。第一累加电路90接收第一滤波输出信号82，而第二累加电路92接收第二滤波输出信号86。在所说明的实施例中，第一滤波输出信号82用放大器94进行放大。放大器94包括一个乘法器，这里信号82是数字的，并包括一个模拟放大器，这里信号82是模拟的。放大器94通常要求是一个整体系统，如在这里所揭示的，以便不因为第一滤波电路80的衰减而丢失有效位。如下面所要叙述的，处理电路88计算作为第一滤波输出信号82和第二滤波输出信号86的函数的代表流动流体的流率的输出值，通常是质量流率的输出值。
简单地说，描述由涡旋尾迹引起的压差的基本公式是Ein＝V0sin(2πfVt)等式1这里Ein是输入到数字滤波器68的正弦波信号，V0是表示信号幅度的数值，fV是涡旋尾迹的频率(Hz)，以及t是经过的时间(秒)。传感器信号的幅度V0正比例于涡旋15的交替压差，并可以用来确定质量流和密度ρV，如下面要叙述的。线路30上的压力信号V0幅度可表示为V0＝K0ρVV2等式2这里K0是比例常数(受传感器增益、充电放大器增益、抗混淆滤波器增益、累计-增量增益和流动效果的影响)，V是流体速度，ρV如上面的定义。
第一滤波输出信号(A1)82和第二滤波输出信号(A2)86表示为A1＝GH1(fV)K0ρVV2sin(2πfVt) 等式3A2＝GH1(fV)H2(fV)K0ρVV2sin(2πfVt)等式4使用平均幅度表示第一滤波输出信号A1和第二滤波输出信号A2，上式可写为
这里，
和
表示平均转移函数。
用等式5除等式6得出
因为转移函数H1(fV)和H2(fV)是相等的，将下式
代入等式5，产生
这里FV是涡旋尾迹频率，Kf是K系数(每立方英尺的脉动数)，AM是筒管面积(平方英尺)。将下式
代入等式9产生质量流为
这里NP是中断处理电路88的周期中的周期数，NT是定时器按取样频率fs(30，720Hz)的计数值，∑|A1|是在一个中断周期中以取样频率fs进行取样，样本数等于NT的A1幅度数值的总和，以及∑|A2|是在中断周期中以取样频率fs进行取样，样本数等于NT的A2幅度数值的总和。(注意，在等式11中NT被消掉。)施密特触发器98接收第一滤波输出信号82，并且以涡旋尾迹频率fV提供方波信号100，以提供周期计数器值NP和周期定时器值NT/fs，如102中所示。
此外，ρV由下面的等式给出
但是，给定实际的密度ρa，K0可被标定为
因此，使用两个相同的滤波电路80和84，根据第一和第二滤波输出信号82和86，滤波电路80和84的转移函数的快速确定能够被得到，如等式7所示。
图3说明数字跟踪滤波器68的一个实施例。与上面的情况相同，数字跟踪滤波器68通过隔离器66接收单一位的代表涡旋传感器11输出幅度和频率的数据流78。在图示的实施例中，电源100向系统时钟101供给电源，时钟的输出信号104通过隔离器66到电源(未示出)，形成方形时钟信号，并向涡旋传感器11和输入电路60(图1)提供方波信号和电源。通过使用公共时钟信号，在隔离器66两侧提供同步。
抽取滤波器108接收串行比特数据流78。抽取滤波器108将数据字的宽度从一个比特宽增加到十个比特宽，使取样频率以10的系数减少到30.72kHz。滤波器108减小量化噪声的幅度，并防止因抽取引起的高频信号的混淆。抽取系数的选择应使抽取取样速率大于涡旋信号最高频率的5至8倍，以便在串联级中使用简单的数字滤波器。抽取滤波器108的输出信号被LP无限脉冲响应滤波器(IIR)(椭圆函数型滤波器)110接收，滤波器110被设置于接近涡旋尾迹的最大工作频率。椭圆函数型滤波器110将不需要的模-数数字转换器64中的高频量化噪声和传感器谐振频率成分减至最小。如上所述的抽取滤波器108在使用其他的模数转换方法时，是不需要的。
级联滤波电路111接收椭圆函数型滤波器110的输出。级联滤波电路111包括以下面的次序串联的滤波器高通(HP)滤波器112，低通(LP)滤波器116，HP滤波器113，LP滤波器117，HP滤波器114，然后是HP滤波器115。每个滤波器以数字方法近似于一个单极低通滤波器，或单极高通滤波器。级联滤波电路111的模拟实现，也要用两个LP滤波器和四个HP滤波器，每个都有单个极点。HP和LP滤波器112-117以这种方式级联，可减少微处理器70切换HP滤波器特性时引起的瞬态过程效应，因为HP滤波器的瞬态过程含有高频分量而不会被后面的HP滤波器衰减。否则，数字等效的施密特触发器98可能产生不希望的额外输出脉冲。通过HP和LP滤波器112-117的交错，这种瞬态效应能被充分地衰减，以至基本上消除这种效应。施密特触发器98接收滤波器115的输出，滤波器115产生一个方波涡旋信号124，它具有基本上与涡旋传感器信号30的频率相同的频率。周期计时器和周期计数器102提供从信号100的最后周期边缘到滤波器控制电路130的经历时间，以及信号100的周期边缘之间的时间。滤波器控制电路的操作如美国专利5429001中所述，在这里一并引用作为参考，其中，滤波器控制电路130接收来自微处理器70的与多个可预先选择的HP滤波器特性相应的上升转变和下降转变的值。滤波器130也识别各个HP滤波器112-115中哪个滤波器特性是当前使用的。
微处理器70为滤波器112-115计算适当的转角频率特性，并向滤波器控制电路130，并依次向滤波器选择锁存器138，发送表示适当的HP滤波器特性的转角选择信号。锁存器138将滤波器选择值分配给滤波器112-115。从滤波器115的输出信号是第一滤波输出信号82(A1)。第一滤波输出信号82最好被放大器94放大，并被提供给第二级联滤波电路111A。放大器94一般要求如这里所披露的整体系统，以使那些重要的位(比特)不致因LP滤波器116和117的衰减而丢失。最好是，放大器94的增益是可调的，以保持所希望的数字范围内的数，而不丢失重要数字或溢出。微处理器70在必要时通过控制信号137对放大器94进行调整。
第二级联滤波电路111A基本上与级联滤波电路111相同，其中，滤波器112A-117A分别相应于滤波器112-117。如图例所示，第二级联滤波电路111A按照级联滤波电路111那样被控制，因为第二级联滤波电路111A从锁存器138接收同样的控制信号。滤波器115A提供第二滤波输出信号86(A2)。比较好的是，将级联滤波电路111和111A做成ASIC(专用集成电路)，以获得基本上相同的转移函数。破折号方框150表示另一种较好的以ASIC的实现的电路系统，以节省电源并易于组装。
图4举例说明获得等式11的值∑A1和∑A2的一种技术。滤波输出信号82被提供至幅度产生器160，那里，所有负数都变为正数，正数则保持为正数，所以信号实际上被整流，从而产生了幅度信号。幅度产生器160将幅度信号提供给加法电路164。加法电路164将幅度信号与累加寄存器162的内容累加，并将累加结果置入寄存器162。周期计时器和周期计数器102根据来自施密特触发器98的信号，对第一滤波输出信号82中的周期计数，并在“平均周期”的终点发出一个中断信号，将累加寄存器162中的值锁存到锁存器168中。幅度产生器160A、累加寄存器162A、加法电路164和锁存器类似地处理第二滤波输出信号86。
周期计时器和周期计数器102(“平均”的长度)被提供至锁存器170。“平均周期”是施密特触发器98输出至少一个或整数个超过0.1秒的循环所需要的时间，这是微处理器70的更新速率。微处理器70的更新速率，是微处理器70更新质量流的计算的速率。中断信号也使累加寄存器162和162A为下一个累加周期而复位为零。这个中断信号也通知微处理器70接收锁存器168和168A，以及锁存器170的值。所有这些操作的定时，由系统时钟101来同步。在中断时刻，锁存器168和168A含有下面的等式所表示的值∑|A1|和∑|A2|等式14然后，微处理器70根据前述等式11-13计算与质量流相关的输出信号。返回参考图1，微处理器70向数-模转换器83提供希望的输出值，用以将数字值转换为表示流量的4-20mA的电流。数字通信电路也能接收最后的输出值，以已知的格式在电流环路17上传输。如果愿意，产生器87也能接收质量流的值，并经过隔离器89从脉冲电路95提供频率输出Fout。显示器73为涡旋流量计10提供一个用户接口。
尽管已参考优选实施例对本发明进行了描述，技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面做出修改。
权利要求
1.一种涡旋流量计，对流动的流体中的涡旋压力进行检测，并发送与质量流相关的输出，其特征在于，该涡旋流量计包括动态滤波器，用于对涡旋压力信号进行滤波，并提供第一滤波输出信号和第二滤波输出信号，该动态滤波器具有可控的转移函数；控制电路，用于控制可控的转移函数，并提供与质量流相关的输出，作为第一滤波输出信号和第二滤波输出信号的函数；发送电路，用于接收输出信号并发送与质量流相关的信号。
2.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其特征在于，动态滤波器包括第一滤波电路，用于接收涡旋压力信号；和第二滤波电路，用于接收第一滤波输出信号并提供第二滤波输出信号。
3.根据权利要求2所述的涡旋流量计，其特征在于，第一滤波电路具有第一可控的转移函数，第二滤波电路具有第二可控的转移函数。
4.根据权利要求3所述的涡旋流量计，其特征在于，第一可控的转移函数与第二可控的转移函数近似相同。
5.一种通过指示流体中产生涡旋的涡旋信号，计算与流率相关的输出的方法，其特征在于，该方法包括步骤(a)对涡旋信号进行滤波，以提供第一滤波输出信号；(b)对第一滤波输出信号进行滤波，以提供第二滤波输出信号；和(c)计算与流率相关的输出，作为第一滤波输出信号和第二滤波输出信号的函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括利用第一可控的转移函数进行滤波，和步骤(b)包括利用第二可控的转移函数进行滤波，其中，第一可控的转移函数和第二可控的转移函数有已知的关系，并且，该方法还包括对第一和第二可控的转移函数进行调节。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一可控的转移函数与第二可控的转移函数近似相同。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在步骤(b)之前对第一滤波输出信号进行放大。
9.一种涡旋流量计，用于提供代表流动流体的流率的输出值，其特征在于，该涡旋流量计包括涡旋产生器，可设置在流体流动的路径中，以产生涡旋；涡旋传感器，用于检测所产生的涡旋，并提供涡旋信号；第一滤波电路，用于接收涡旋信号并提供第一滤波输出信号，第一滤波电路具有第一转移函数；第二滤波电路，用于接收第一滤波输出信号并提供第二滤波输出信号，第二滤波电路具有第二转移函数，其中，第二转移函数与第一转移函数具有已知的关系；处理电路，用于接收第一滤波输出信号和第二滤波输出信号，该处理电路计算输出值，作为第一滤波输出信号和第二滤波输出信号的函数。
10.根据权利要求9所述的涡旋流量计，其特征在于，第一和第二滤波电路各包含一个可调的滤波器参数。
11.根据权利要求10所述的涡旋流量计，其特征在于，处理电路向第一和第二滤波电路提供一个控制信号，用以调节可调的滤波器参数。
12.根据权利要求9所述的涡旋流量计，其特征在于，第一和第二滤波电路各包含多个级联滤波器。
13.根据权利要求9所述的涡旋流量计，其特征在于，第一转移函数和第二转移函数近似等同。
全文摘要
一种涡旋流量计(10),用于检测流动流体中的涡旋压力并发送与质量流相关的输出。该涡旋流量计包括对涡旋压力信号进行滤波的动态滤波器(68)。该动态滤波器(68)提供第一滤波输出信号(82)和第二滤波输出信号(86)。该动态滤波器(68)包含可控的转移函数。控制电路(70)控制可控的转移函数,并提供与质量流相关的输出,它是第一滤波输出信号(82)和第二滤波输出信号(86)的函数。发送电路(85)接收上述输出信号并发送与质量流相关的信号。
文档编号G01F1/32GK1251651SQ98803709
公开日2000年4月26日 申请日期1998年3月24日 优先权日1997年3月27日
发明者洛厄尔·A·克莱文 申请人:罗斯蒙德公司