應用噪聲濾波檢測例如在科里奧利質量流量計中的振動的裝置和方法

專利名稱：應用噪聲濾波檢測例如在科里奧利質量流量計中的振動的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及傳感器及類似的結構的分析，更具體地說涉及過程參數傳感器比如質量流量計以及相關方法和計算機程序產品。
典型的科里奧利質量流量計包括一個或多個管道，這些管道與在該系統中的管線或其它的傳輸系統串聯并傳輸材料例如液體、泥漿等。每個管道可以看作具有一組自然振動模式例如簡單彎曲、扭曲、徑向和耦合模式。在典型的科里奧利質量流量計測量應用系統中，當材料流經該管道時以它的自然諧振模式中的一種諧振頻率激勵每個管道。通常通過以周期方式使該管道攝動的致動器(例如機電裝置比如音圈型驅動器)進行激勵。實例性的科里奧利流量計描述在授予給Smith的美國專利US4,109,524、授予給Smith等人的US4,491,025和授予給Smith等人的Re31,450中。
通常使用的典型的科里奧利質量流量計包括形成平行的材料通路的平行的U-形管。通過在管道的頂點附近連接在管道之間的音圈致動器驅動該管道。施加到致動器的周期性的驅動信號以相反的周期模式激勵該管道。當基本為零的流量流經管道時，沿著管道的點趨于以大致相同的相位振動。然而，當材料流經管道時，材料流產生的科里奧利力使在沿著管道長度上在空間上不同的點之間產生相移，管道入口端的相位通常滯后于驅動器，而管道出口端的相位通常領先于驅動器。在管道上的兩個位置之間產生的相移大致與流經管道的材料流的質量流率成比例。通常通過測量分別放置在管道的入口端和出口端附近的第一和第二運動傳感器在質量流量計的激振頻率下所產生的運動信號之間的相移來測量這種相移。
然而，這種相移測量的精度通常包括在該管道結構的中的非線性和非對稱性以及由外力所造成的對相移不希望的影響，這些外力比如由連接到流量計的壓縮器和泵所產生的力以及由流經流量計的材料流所施加的壓力。通常通過應用平衡的流量計設計來減少外部振動的影響和通過應用頻域濾波器(例如用于濾去遠離激振頻率的運動信號的分量的帶通濾波器)來補償這些力的影響。然而，機械濾波通常受到機械方向的限制比如材料限制、安裝限制、重量限制、尺寸限制等，而頻率濾波對于消除在激振頻率附近的不希望的振動的影響是無效的。
本發明的另一個發明目的是提供一種能夠提供更精確的結構運動特性的裝置、方法和計算機程序產品。
通過該裝置、方法和計算機程序產品根據本發明提供這些目的和其它的目的、特征和優點，這些裝置、方法和計算機程序產品應用一種力濾波器，這種力濾波器接收表示管道、導管或其它的機械結構的運動信號并用于產生力濾波運動信號，這個力濾波運動信號識別作用在該結構上的許多力中的感興趣的力所產生的運動。在過程參數傳感實施例中，可以應用力濾波運動信號估計過程參數比如與包含在管道或導管中的材料相關的質量流量或密度。在另一實施例中，應用附加的模式通過和/或通帶濾波來產生例如可以用于過程參數估計的空間和/或時間濾波運動信號。
通過如下的方式實現本發明用于濾去由所選擇的作用在結構上的力所產生的運動的力濾波器可以從該結構的模態分析中得出，因此除了單純的模態響應識別以外還可以實施模態分析。此外，還可以將這種力濾波器與模態和時間濾波技術相結合以改進運動檢測的精度。
根據本發明的一個實施例，估計與包含在振動結構中的材料相關的過程參數。接收表示在振動結構的許多位置上的運動的許多運動信號。應用力濾波器對所接收的許多運動信號進行濾波以產生識別作用在振動結構上的許多力中所研究的力所產生的運動的力濾波運動信號。從力濾波運動信號中估計與在振動結構中的材料相關的過程參數。可取的是，從所接收的許多運動信號中產生許多運動信號值，力濾波包括將力濾波矩陣應用到許多運動信號值以產生力濾波運動信號值的步驟。然后從力濾波運動信號值中估計過程參數比如質量流量和密度等。根據本發明的一個方面，力濾波矩陣表示用于振動結構的頻率響應函數矩陣、力選擇性矩陣和頻率響應函數矩陣的逆陣的乘積。
依據本發明的一個實施例，力濾波器可以表示在所研究的頻率例如驅動模式諧振頻率下所估計的頻率函數。從在所研究的頻率下的力濾波的運動信號中估計過程參數。所接收的運動信號可以表示在所研究的頻率下響應對該結構的激勵的運動。
根據其它的實施例，力濾波與時間濾波(頻率)和模態濾波相結合。例如，可以在力濾波的運動信號中應用帶通濾波器(例如在所研究的頻率比如驅動模式諧振頻率周圍具有通帶的濾波器)來產生時間濾波的運動信號。然后在所研究的頻率下從時間濾波的運動信號中估計過程參數。在另一個實施例中，對許多運動信號應用力濾波器和模態分解器(例如“模式通過”濾波器)相結合以產生識別與所研究的諧振模式相關的結構的運動的空間和時間濾波的運動信號，然后從空間和時間濾波運動信號中估計過程參數。力、時間和模態濾波還可以結合使用。
根據本發明的另一方面，估計施加到結構的許多力中所感興趣的力所產生的運動。對該表示該結構的運動的運動信號進行力濾波以產生識別由所研究的力所產生的運動的經力濾波的運動信號。可取的是，力濾波包括將力濾波矩陣應用到從運動信號中產生的運動信號值以產生力濾波運動信號值。力濾波矩陣表示該結構的頻率響應函數矩陣、力選擇性矩陣和頻率響應函數矩陣的逆陣的乘積。
根據本發明的另一方面，過程參數傳感器包括包含有材料的結構和與該結構相連并用于產生表示該結構的運動的許多運動信號的許多運動換能器。力濾波器響應許多運動信號并用于從其中產生識別在作用在該結構上的許多力中的所研究的力所產生的運動的力濾波運動信號。過程參數估計器用于響應該力濾波運動信號估計與在該結構中的材料相關的過程參數。可取的是，該傳感器包括從許多運動信號中產生許多運動信號值的裝置，該力濾波器包括將力濾波矩陣應用到許多運動信號值中以產生力濾波運動信號值的裝置，以及該過程參數估計器包括從該力濾波運動信號值中估計過程參數的裝置。力濾波矩陣可以表示該結構的頻率響應函數矩陣、力選擇性矩陣和頻率響應函數矩陣的逆陣的乘積。
根據本發明的另一方面，提供一種識別由施加結構上的許多力中所研究的力所產生的運動的計算機程序產品。該計算機程序產品包括具有以媒體表示的計算機可讀程序代碼裝置的計算機可讀存儲媒體，該計算機可讀程序代碼裝置包括對表示該結構的運動的運動信號進行力濾波以產生識別所研究的力所產生的運動的力濾波運動信號的計算機可讀程序代碼裝置。該計算機可讀程序代碼裝置優選包括將力濾波矩陣應用到運動信號值以產生力濾波運動信號值的計算機可讀程序代碼裝置，其中力濾波矩陣可以表示該結構的頻率響應函數矩陣、力選擇性矩陣和頻率響應函數矩陣的逆陣的乘積。
由此提供用于估計在結構(比如科里奧利質量流量計管道)中的運動的改善的方法、裝置和計算機程序產品。
附圖2A-2B、3A-3B、4A-4B和5所示為根據本發明的實施例的科里奧利質量流量計原型的實例性的頻率響應。
附圖6所示為根據本發明的實施例的參數傳感器。
附圖7-8所示為根據本發明的實施例的實施力濾波器和過程參數估計器的部件的示意圖。
附圖9所示根據本發明的實施例的實例性的過程參數估計器。
附

圖10-11根據本發明的某些方面根據過程參數的實例性操作。
附圖12所示為根據本發明的另一實施例的參數傳感器。
附圖13所示為根據本發明的實施例實施力濾波器、帶通濾波器和過程參數估計器的部件的示意圖。
附圖14-16所示為根據本發明的其它的實施例的參數傳感器。
附圖17所示為根據本發明的一個實施例實施力濾波器、模態分解器和過程參數估計器的部件的示意圖。
附圖18所示為根據本發明的另一個實施例的參數傳感器。
附圖19所示為根據本發明的一個實施例實施力濾波器、模態分解器和過程參數估計器的部件的示意圖。
在此所描述的本發明的實施例涉及科里奧利質量流量計。然而，在本領域的熟練技術人員會理解到在此所描述的力濾波和相關的概念還可以一般地適用于確定更廣泛的機械結構的運動，因此本發明的裝置和方法并不限于科里奧利質量流量計量。振動管道的模態特性根據振動的自然頻率相關的一個或多個自然模式描述振動結構比如科里奧利質量流量計管道的特性。這些模式和相關的自然頻率可以通過本征向量和相關的本征值來數學地描述，本征向量的相對值唯一但絕對值不唯一并與該結構的質量和剛度正交。線性獨立的一組向量可以用作對描述結構的運動的方程進行去耦變換。具體地說，將對激振的結構的響應表示為比例模式的疊加，該比例表示每個模式對結構的運動的作用。根據激振的不同，某些模式的作用可能超過其它的模式的作用。某些模式可能是不希望的，因為它們可能在所需模式的諧振頻率下貢獻能量，并由此可能破壞在所需模式的諧振頻率下的測量(比如在驅動頻率下進行的相位差測量)。
常規的科里奧利質量流量計通常應用結構和時間濾波以降低不希望的模式的影響。常規的結構濾波技術包括應用機械特征比如設計成用于對同相和異相彎曲模式進行去耦的撐桿、將其設計成不大可能激勵不希望的模式的致動器和將其放置成對不希望的模式不敏感的傳感器。在降低不希望的模式的能量方面結構濾波技術很有效，但是它們受到幾何結構和制造的限制。
時間濾波技術通常基于時域或頻域參數改變傳感器信號。例如，典型的科里奧利質量流量計可以包括用于消除與不希望的模式顯著相關的頻率分量的頻域濾波器。然而，來自不希望模式的失諧能量可能對所希望的模式的諧振頻率下的能量有相當的作用。因為頻域濾波器通常對在給定的頻率下區別多模式的作用是無效的，在測量頻率下不希望的模式的作用可以是在過程參數測量過程中的重要的誤差源。
可以假定具有可忽略的阻尼和零流量的傳感器管道結構具有單純的實自然振動或簡正振動模式，即在每種模式中該結構的每個點同時達到最大的位移。然而，具有不可忽略的阻尼和具有材料流過的實管道通常具有激勵的復合響應，即該結構的點通常并不是同時達到最大的幅值。在此將管道結構的運動描述為具有實部和虛部或說幅值和相位的復模式。由流動的材料所產生的科里奧利力使傳感器管道的運動在數學上變得復雜。
即使復雜，由于復模式的實部和虛部都在定義上線性地獨立，所以還是可以將管道結構的運動描述為比例自然模式或“簡正”模式的疊加。為表示復雜的運動，在組合各組成實簡正模式的過程中使用復比例系數。特定的實簡正模式可能與復模式的虛部緊密相關而與復模式的實部顯著地不相關。因此，這些特定的實簡正模式可能與在該傳感器管道中流動的材料相關的科里奧利力更緊密地相關，因此可以提供產生與材料相關的參數的精確的估計的信息。
附圖1所示為科里奧利質量流量計管道結構1的概念模型。設置運動換能器5A、5B、5C(例如速度換能器)以當材料8流經管道3A和3B時檢測管道結構1的第一和第二管道3A和3B的相對運動。從運動換能器5A-C的輸出中構造響應向量{x}，例如通過采樣由每個換能器所產生的運動信號以產生用于響應矢量{x}的運動信號值x1，x2，x3。可以這樣確定實簡正模態矩陣[φ](即將物理運動向量相關到表示在許多單自由度(SDOF)中的運動的模態運動向量{η}的本征矩陣)
{x}＝[φ]{η}(1)應用許多技術都可以確定模態矩陣[φ]。例如可以應用如在申請號為08/890,785的美國專利申請(1997年7月11日申請，授予給本申請的受讓人)中所描述的試錯法或反演技術，在此以引用參考的方式將該申請的整個內容結合在本申請中。
空間力濾波器的推導通過運動微分方程可以描述動態系統[M]{x..}+[C]{x.}+[K]{x}={F},----(2)]]>這里x表示響應施加到該系統上的力{F}的位移。假設為諧波力和線性時間不變系統，方程(2)的解為如下的形式{x.}=jω-ω1[M]+jω[C]+K{F}.----(3)]]>解方程(3)的本征值[λ]和本征向量、系統的[φ]{x.}=[[Φ][Q][δ(ω)][Φ]T+[Φ][Q]*[δ*(ω)][Φ]T]{F},----(4)]]>這里[δ(ω)]表示與系統的γ個諧振模式相關的極點[δ(ω)]=[1jω-λr],]]>[Q]表示模式比例矩陣[Q]=[-j2mrωr],]]>*表示復共扼。
根據該系統的位移響應，頻率響應函數矩陣[H(ω)]可以表示為＝[Ф][Q][δ(ω)][Ф]T＋[Ф][Q][δ(ω)][Ф].(5)如果本征向量矩陣[φ]針對質量作了歸一化，則將質量矩陣[M]變換為單位矩陣[I]，模態比例矩陣[Q]變為[Q]=[-j2ωr].]]>本征值[λ]為包含有該系統的阻尼和衰減的自然頻率的復數。
方程(5)可以簡寫為[H(ω)]＝[Ф][Wr][Δ(ω)][Φ]T，(6)這里[Wr]=[12ωr],]]>和[Δ(ω)]=[ωjω-λr+-ωjω-λr*].]]>應該注意[δ(ω)]、[Wr]、[Δω]和[Q]都為對角矩陣。
通過結合方程(4)和(5)可以計算該系統的物理響應 {x.}=[H(ω)]{F}.----(6)]]>頻率響應函數矩陣的逆陣[H(ω)]-1可以看作該系統的阻抗。換句話說，如果給定許多物理響應 ，則通過將物理響應乘以該系統的阻抗可以確定作用在該系統上的力{F}{F}=[H(ω)]-1{x.}.----(7)]]>為確定經力濾波的物理響應 在方程(7)的兩側左乘比例矩陣[A]。[A]{F}=[A][H(ω)]-1{x.}----(8)]]>例如，比例矩陣[A]表示衰減由不希望的外部力所引起的響應 的分量的“選擇性矩陣”，例如在對應于外部力的對角線的位置上為零(“0”)而其它位置上為一(“1”)的對角矩陣。然而，可以理解的是，比例矩陣[A]可以對響應 實施任何數量的其它的濾波操作，包括放大和反相。
然后可以對方程(8)的兩側左乘頻率響應函數矩陣[H(ω)]{x.FF}=[H(ω)][A]{F}{x.}=[H(ω)][A][H(ω)]-1{x.},----(9)]]>從該公式中可以將力濾波器[FF(ω)]定義為[FF(ω)]＝[H(ω)][A][H(ω)]-1.(10)組合方程(5)和(10)[FF(ω)＝[Ф][Wr][Δ(ω)][Φ]T[A]([Φ][Wr][Δ(ω)][Φ]T)-1， (11)或[FF(ω)]＝[Ф][Wr][Δ(ω)][Ф]T[A]([Ф]T)-1[Δ(ω)]-1[Wr]-1[Ф]-1.(12)因此從本征向量(模態)矩陣[φ]和關于該系統的極點的信息中可以確定力濾波器[FF(ω)]，所有的這些都可以應用有限元模型、實驗模態分析或類似的技術確定。在Allemang的題為“VibrationAnalytical and Experimental Modal Analysis”(辛辛那提(Cincinnati)大學出版的(UC-SDRL-CN-20-263-662)(1994年3月))的文章中一般性地描述了這些技術。在申請號為09/116,410的美國專利申請(1998年7月16日申請，授予給本申請的受讓人)中也描述這些技術，在此以引用參考的方式將該申請的整個結合在本申請中。
如上文所描述可以將力濾波器用于物理響應(比如速度向量 )以導出力濾波響應。力濾波的響應優選表示減去了由外部力所引起的物理響應的分量的結構的運動。本領域的熟練技術人員將會理解到的是力濾波的運動可以用于許多不同的目的，包括許多控制和測量的應用。例如，在此所描述的計量應用中，可以從表示包含有材料的管道或導管的運動的運動信號(例如表示在該管道或導管的位置上的位移、速度或加速度的信號)中產生力濾波的運動信號。常規的相位或時間差測量可以用于力濾波運動信號以產生與包含的材料相關的質量流量、密度或其它過程參數的估計。
附圖2A-5所示為將力濾波器用于由實例性的科里奧利質量流量計的換能器所產生的運動信號中的效果，具體地說是在受到驅動器和許多其它的外力激勵的三英寸科里奧利質量流量計的樣機的傳感器(或采樣)位置上的響應。附圖2A-2B所示為在僅有簡正驅動力(使附圖1的管道3A，3B繞軸W，W’彎曲的力)作用于該管道結構而沒有外部激振的情況下表示管道運動的未經濾波的物理響應10和理想的響應20。力濾波的響應30表示如上文所述的未經濾波的響應10的力濾波器的應用結果。未經濾波的響應10在管道結構的第一扭曲模式(對應于在附圖1中繞軸Z，Z’的運動)的諧振頻率(～325赫茲)處具有峰值，它表示通過外力進行扭曲模式的激勵。理想響應20說明在該扭曲模式頻率下的響應，它的幅值通常大約低兩個數量級。力濾波的響應30說明力濾波器能夠降低了由外部力所引起的激勵。
通過應用在每個頻率范圍上估計的力濾波器(如上文所述的頻率函數)確定附圖2A-2B所示的力濾波的響應30。然而，在實際的科里奧利質量流量計或其它的傳感器應用中，可以優選估計在有限數量的頻率上的力濾波器。例如，在驅動模式頻率下在測量常規的相位或時間差型的科里奧利質量流量計量的應用中，理想的是僅在驅動模式頻率下計算力濾波器。
如附圖3A-3B所示，應用僅在驅動模式頻率下估計的力濾波器得到經改變的力濾波的響應40，該力濾波的響應40具有遠離驅動模式諧振頻率的放大的響應。通過應用時間(頻域)帶通濾波器可以補償這種驅動模式諧振頻率以外的放大。例如該帶通濾波器可以是模擬雙極點濾波器或數字濾波器比如有限脈沖響應(FIR)濾波器。這種時間濾波器衰減了除驅動頻率附近的分量以外的頻率上的力濾波的響應的分量。簡單的模擬雙極點帶通濾波器可以在數學上表示為bandpass(ω)=jξ(ωωc)1+jω(ωωc)-(ωωc)2,]]>這里中心頻率ωc為驅動頻率。附圖4A-4B說明了將單頻率力濾波器與帶通濾波器相結合產生的時間濾波的響應50。
應用模態濾波來濾去與不希望的諧振模式下的運動相關的力濾波響應的分量還可以實現增加識別由所研究的力引起的運動的精度。在前文提到的申請號為09/116,410的美國專利申請(1998年7月16日申請)中詳細地描述了這種模態濾波技術。附圖5所示為將在此所描述的類型的空間“模式通過”濾波器應用到來自在上文所描述的模擬的結構上的運動換能器的運動信號中得到的模式通過濾波響應60。響應60降低了在第二彎曲模式頻率(～700赫茲)上的響應。當這種模式帶通濾波與上文所述的力通過濾波相結合時，得到了空間濾波響應70。如果還使用通帶中心在驅動模式頻率上的時間帶通濾波器，則得到空間和時間濾波響應80。例如可以對常規的相位差型科里奧利質量流量測量使用空間和時間濾波響應80。
可以將上文所述的力濾波和輔助的帶通和模態濾波應用到其它類型的管道、導管或除了在附圖1中所示的雙管結構的其它包含有材料的結構中。如下文將要進行的詳細描述，例如可以應用力濾波來取得直管流量計管道的運動的特征。在本領域熟練的人員還可以理解到本發明還可以普遍地適用于表征除了流量計和類似的參數傳感器以外的任何類型的結構的運動。
實例性的質量流量計現在描述根據本發明的具體的實施例，具體地說，是所謂的“直管”科里奧利質量流量計的實例性實施例。然而，在本領域的熟練技術人員將會理解到本發明還可以用于曲管結構比如在附圖1中概念性地示出的結構1以及其它的包含材料的結構比如可以應用在質量流量計、密度計等中。在本領域的熟練技術人員還會進一步理解到本發明還可以用于特征化廣泛的其它結構的運動。
下文的討論涉及應用“力濾波”來處理表示結構比如質量流量計管道的運動的運動信號的分量。在此所描述的力濾波器用于區別從作用在結構上的許多力中的一個或多個力所引起的運動。在本領域的熟練技術人員會理解到如在此所描述的對運動信號分量的“識別”可以看作測定與所研究的給定的力相關的分量以及衰減與除了所研究的力以外的其它的外部力相關的一個或多個分量。例如，通過衰減與外部的不希望的力相關的分量可以識別與流經質量流量計的管道的材料流所產生的科里奧利力相關的運動分量，這些外部的不希望的力是從比如連接到流量計的設備比如泵和壓縮機等的振動和在材料中的壓力脈沖中產生的。
附圖6所示為根據本發明的實施例實施力濾波的實例性過程參數傳感器600。過程參數傳感器600包括“直管”管道結構1，該直管管道結構1包括了用于包含來自在法蘭2處連接到結構1的管線7的材料8的管道3。在包圍管道3的殼體4內，致動器6用于激振管道3。運動換能器5A-5B包括沿在致動器6的相對的側面上的管道3設置的速度換能器5A，5B和設置在法蘭2附近的應力計5C，5D。運動換能器5A-5D產生運動信號605，該運動信號605表示響應許多力F管道3的運動，力F可能包括例如由致動器6所施加的驅動力、由材料8所施加的壓力以及其它的外部力比如由管線7所施加的力和由泵、壓縮機以及連接到管線7的其它的設備(未示)所產生的并通過法蘭2傳輸到管道3的力。
過程參數傳感器600還包括力濾波器610，該力濾波器610用于接收運動信號605并濾去由外部力所引起的運動以得到濾波的運動信號615。力濾波器610優選從如上文所描述的結構1的模態特征中導出，特征化運動作為在許多振動模式中的運動并識別由作用在該結構1上的許多力F中所研究的力引起的運動。過程參數估計器620響應力濾波的運動信號605并用于從力濾波的運動信號615中估計過程參數比如質量流量。
如上文所述，力濾波器610可以用于衰減與外部力相關的運動信號605的分量，例如可能使由傳感器600所產生的參數估計不精確的分量。例如，力濾波器610可以用于衰減與作用在結構1的法蘭2上的剪切力相關的運動信號605的分量。對于所示的傳感器5A-D，例如通過設置在法蘭2附近的應力計5C，5D可以最好地測定這些剪切力。因此，應該理解到從運動換能器信號中識別作用在結構上的力通常取決于換能器的特性比如位移、帶寬等。
應該理解的是傳感器600還可以應用其它的結構。還可以應用多致動器以及附加的運動換能器或將運動換能器設置在結構1上的不同位置。例如，運動換能器可以設置在致動器位置。此外，還可以應用一組運動換能器以提供確定結構運動的信息的超定源，即換能器的數量大于作用在結構1上的力的數量。還可以以類似于在申請號為09/116845的美國專利申請(1998年7月16日申請，授予給本申請的受讓人，在此以引用參考的方式將該申請的整個內容結合在本申請中)中所描述的方式將最小二乘法技術應用到這種超定組中。
附圖7所示為根據本發明的實施例的力濾波器610的數字實施。通過采樣器710采樣運動信號605以得到模擬電壓采樣，通過模擬到數字(A/D)轉換器720將該模擬電壓采樣轉換到數字運動信號值725。例如以存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施的力濾波器610處理數字運動信號值715以得到經濾波的運動信號值615。然后通過過程參數估計器620進一步處理經濾波的運動信號值615以得到估計的過程參數625，該過程參數估計器620在此以存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施。
如附圖8所示，力濾波器610可以包括從運動信號值725中產生運動向量例如上文所描述的速度響應向量 的裝置611。力濾波器610還可以包括將運動向量乘以力濾波矩陣例如上文所描述的力濾波矩陣[FF(ω)]以得到經濾波的運動向量例如力濾波的速度響應 的裝置613。
在本熟練的技術人員會理解到附圖7和8中所示的計算機730可以包括許多不同的計算裝置比如微處理器、數字信號處理器(DSP)和具有專門的計算能力的專用集成電路(ASIC)。例如作為力濾波器610優選應用矩陣計算實施，計算機730可以應用DSP比如TM320C40線的芯片(由TexasInstruments Inc公司生產)以在通用計算機比如Alpha微處理器(由CompaqComputer Corp.公司生產)的控制下最佳地執行這種矩陣計算。然而，在本領域熟練的技術人員會理解到本發明還可以根據與所處理的運動信號、時線要求等相關的計算任務進行修改以應用各種不同的計算裝置。
附圖9所示為實施附圖6中所示的過程參數估計器620的實例性質量流量實施。由運動換能器5所產生的運動信號605通過產生第一和第二力濾波值615a和615b的力濾波器610進行濾波。第一和第二力濾波值615a，615b例如對應于表示在附圖6的管道結構1上的響應的第一和第二位置上的運動的力濾波的運動向量 的第一和第二分量 (對應于速度換能器5A，5B的分量)。過程參數估計器包括620包括確定在第一和第二濾波值615a，615b之間的相位差623的裝置622。裝置624用于從所確定的相位差623中產生質量流量的估計625。
附圖10和11所示為根據本發明的某些方面估計過程參數的實例性操作的流程圖。在本領域熟練的技術人員將會理解到可以應用計算機指令實施這些流程圖的操作。可以在計算機或其它的數據處理裝置(比如附圖7和8的計算機730)上執行這些指令以產生用于執行所示的操作的裝置(系統)。計算機指令還可以在計算機可讀媒體比如附圖7和8的存儲媒體740(例如，集成電路存儲器、磁盤或磁帶等)上作為計算機可讀程序代碼存儲，該程序代碼能夠控制計算機或其它的數據處理裝置以執行所示的操作，由此提供一種執行所示的操作的裝置。還可以在計算機或其它的數據處理裝置上執行計算機可讀程序代碼以使該裝置執行計算機實施的處理過程。因此，附圖10和11支持執行在其所示的操作的裝置(系統)、計算機程序產品和方法。
附圖10所示為根據本發明的某一方面根據過程參數的實例性操作1000。接收響應所施加的許多力的表示管道結構比如附圖6的管道結構1的運動的運動信號(方塊1010)。對所接收的運動信號1020進行力濾波以產生識別由所研究的力引起的運動的濾波的運動信號(方塊1020)。從力濾波的運動信號中估計過程參數例如質量流量、密度等(方塊1030)。
根據在附圖11中所示的本發明的一方面，根據質量流量的操作1100包括接收當材料流經該結構時表示該管道結構比如附圖6的結構1的運動的運動信號(方塊1110)。從所接收的運動信號中產生運動向量例如從許多運動信號值(比如附圖7的數字運動信號值725)中構造的速度向量(方塊1120)。通過將運動向量乘以力濾波矩陣得到力濾波運動向量。從力濾波運動信號向量中估計質量流量(方塊1130)。
附圖12所示為根據本發明的另一實施例的實例性的參數傳感器1200。參數傳感器1200包括管道結構1，該管道結構1包括如上文參考附圖6所描述的部件。過程參數傳感器1200還包括用于接收運動信號605并用于產生力濾波的運動信號615的力濾波器610，如上文參考附圖6所描述。
通過帶通濾波器650(例如優選通過在所選擇的頻率范圍中的力濾波的運動信號615的頻率分量的時間(頻域)濾波器)進一步處理力濾波的運動信號615。例如，所選擇的頻率范圍可以是由致動器6所激振的管道結構1的驅動模式的諧振頻率周圍所確定的較窄的頻帶。帶通濾波器650產生時間濾波的運動信號655，從該運動信號655中過程參數估計器620產生過程參數比如質量流量密度等的估計。
附圖13所示為附圖12的力濾波器620和帶通濾波器650的實例性數字實施。通過采樣器710對運動信號605進行采樣，得到模擬運動信號值，通過A/D轉換器720將該模擬運動信號值轉換為數字運動信號值725。通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施的力濾波器620處理數字運動信號值725以得到力濾波的運動信號值615。還可以通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施的帶通濾波器650對力濾波的運動信號值615進行時間濾波，產生時間濾波的運動信號值655。然后通過過程參數估計器620(也是通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施)應用時間濾波的運動信號值655產生過程參數的估計625。
本領域的熟練技術人員會理解到附圖13的計算機730可以包括許多不同的計算裝置比如微處理器、數字信號處理器(DSP)和具有專門的計算能力的專用集成電路(ASIC)。例如作為力濾波器610優選應用矩陣計算實施，計算機730可以應用DSP比如TM320C40線的芯片(由Texas Instruments Inc生產)以在通用計算機比如Alpha微處理器(由Compaq Computer Corp.生產)的控制下最佳地執行這種矩陣計算。然而，在本領域熟練的技術人員會理解到本發明還可以根據與所處理的運動信號、時線要求等相關的計算任務進行修改以應用各種不同的計算裝置。
附圖14所示為根據本發明的另一實施例的實例性的過程參數傳感器1400。參數傳感器1400包括如上文參考附圖6和12所描述的管道結構1。過程參數傳感器1400包括力濾波器610，該力濾波器610設計成接收運動信號605并用于產生力濾波的運動信號615，如上文參考附圖6和12所描述。
通過模態分解器660進一步處理力濾波的運動信號615，該模態分解器660用于將由力濾波的運動信號615所表示的運動分解為許多模態分量，即與管道結構1的許多諧振模式相關的分量。模態分解器660產生空間濾波的運動信號665(即，可以表示在物理或模態坐標系中的運動的信號，如下文將更詳細地討論)，從運動信號665中過程參數估計器620產生過程參數比如質量流量的估計625。在前文提到的申請號為09/116,410的美國專利申請(1998年7月16日申請)中詳細地描述了這種模態分解器比如附圖14的模態分解器660的操作。
如附圖15所示，參數傳感器1400可以包括實施“模式通過”濾波器660’的模態分解器，該模態分解器在物理坐標域中產生空間濾波的響應665，例如應用模式通過濾波器矩陣[Ψ]以從力濾波的響應 中產生空間濾波的物理響應 的濾波器，該物理響應 優選包括與所研究的一個或多個特定的模式相關的力濾波的響應 的分量{x.MPF}=[ψ]{x.FF},]]>這里[Ψ]＝[φ][A][φ]-1，這里[φ]表示如上文所描述的模態變換矩陣，[A]表示對角模態選擇性矩陣，在沿著與不希望的模式相對應的它的對角線位置為“0”而在對應于所研究的模式的對角線位置上為“1”。空間濾波的響應 可以用于產生過程參數的估計比如質量流量的估計，如在前文提到的申請號為09/116,410的美國專利申請(1998年7月16日申請)中所描述。
如附圖16中所示，在本發明的另一實施例中，參數傳感器1400可以包括實施模態運動估計器660”的模態分解器，該模態運動估計器660”在模態坐標域中產生空間濾波的信號665，例如應用模態變換矩陣[φ]產生所估計的模態響應{ηFF}的估計器。通過過程參數估計器620應用所選擇的模態響應{ηFF}的分量以估計過程參數，如在前文提到的申請號為09/116,410的美國專利申請(1998年7月16日申請)中所描述。
附圖17所示為附圖14的模態分解器660和力濾波器620的實例性數字實施。通過采樣器710對運動信號605進行采樣，得到模擬運動信號值，通過A/D轉換器720將該模擬運動信號值轉換為數字運動信號值725。通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施的力濾波器620處理數字運動信號值725以得到力濾波的運動信號值615。還可以通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施的模態分解器660處理力濾波的運動信號值615，產生空間濾波的運動信號值665(例如，在模態或物理坐標系中，如上文所述)。然后通過過程參數估計器620(也是通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施)應用空間濾波的運動信號值665產生過程參數的估計625。
本領域的熟練技術人員會理解到附圖17的計算機730可以包括許多不同的計算裝置比如微處理器、數字信號處理器(DSP)和具有專門的計算能力的專用集成電路(ASIC)。例如作為力濾波器610優選應用矩陣計算實施，計算機730可以應用DSP比如TM320C40線的芯片(由Texas Instruments Inc生產)以在通用計算機比如Alpha微處理器(由Compaq Computer Corp.生產)的控制下最佳地執行這種矩陣計算。然而，在本領域熟練的技術人員會理解到本發明還可以根據與所處理的運動信號、時線要求等相關的計算任務進行修改以應用各種不同的計算裝置。
如附圖18所示，參數傳感器1800可以將時間和空間濾波兩者與力濾波相結合實施。過程參數傳感器1800包括產生力濾波的運動信號615的力濾波器610，通過帶通濾波器650和模態濾波器660對該力濾波的運動信號615進一步處理以得到可以表示在物理或模態坐標系中的運動的空間和時間濾波的運動信號665，如上文所述。過程參數估計器620從空間和時間濾波的運動信號665中產生過程參數比如質量流量的估計625。
附圖19所示為附圖18的力濾波器610、帶通濾波器650和模態分解器660的實例性數字實施。通過采樣器710對運動信號605進行采樣，得到模擬運動信號值，通過A/D轉換器720將該模擬運動信號值轉換為數字運動信號值725。通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施的力濾波器610處理數字運動信號值725以得到力濾波的運動信號值615。還可以通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施的帶通濾波器650對力濾波的運動信號值615進行時間濾波，產生時間濾波的運動信號值655。然后應用模態分解器660對時間濾波的運動信號值655進行空間濾波得到空間和時間濾波的運動信號值665，通過過程參數估計器620(也是通過存儲在存儲媒體740中并在計算機730上執行的程序代碼實施)應用空間和時間濾波的運動值665產生過程參數的估計625。
本領域的熟練技術人員會理解到附圖19的計算機730可以包括許多不同的計算裝置比如微處理器、數字信號處理器(DSP)和具有專門的計算能力的專用集成電路(ASIC)。例如作為力濾波器610優選應用矩陣計算實施，計算機730可以應用DSP比如TM320C40線的芯片(由Texas Instruments Inc生產)以在通用計算機比如Alpha微處理器(由Compaq Computer Corp。生產)的控制下最佳地執行這種矩陣計算。然而，在本領域熟練的技術人員會理解到本發明還可以根據與所處理的運動信號、時線要求等相關的計算任務進行修改以應用各種不同的計算裝置。
在本領域的熟練技術人員會理解到在此所描述的力濾波、帶通濾波和模態濾波可以以除了在此所描述的實施例以外的其它的許多方式實施。例如，可以以分離的計算實施在此所描述的進行力濾波、帶通濾波和模態濾波的矩陣計算，或可以與實現相等結果的一種或多種計算進行結合。在此所描述的力濾波、時間(帶通)濾波和空間(模態)濾波還可以以產生與在此所描述的計算技術等效的結果的參數形式實施。力濾波、時間(帶通)濾波和空間(模態)濾波函數的順序還可以不同于在此所描述實施例。
這些濾波功能部分還可以應用模擬信號處理技術實施。例如，參考附圖12所描述的帶通濾波還可以以模擬電子電路替代數字計算機來實施。通過這種模擬濾波產生的模擬濾波信號例如可以直接應用在通常用在常規的科里奧利質量流量計中的常規的相位測量電路例如零交叉型檢測器電路中。
在本領域熟練的技術人員還會理解到雖然本發明可以以裝置實施例如作為科里奧利質量流量計的一部分或作為可由這種裝置實施的方法來實施，但是本發明還可以以在計算機可讀存儲媒體(比如磁盤、集成電路存儲裝置、磁帶、磁泡存儲器等)中實施的計算機可讀指令或程序代碼裝置形式制造的物品實施。例如，根據本發明的一方面，力濾波器和相關的參數估計器還可以體現在計算機可讀程序代碼裝置中，該計算機可讀程序代碼裝置可以裝在計算機或其它的數據處理器上并響應來自與結構(比如科里奧利質量流量計管道)操作相關的運動換能器的運動信號進行執行。
在附圖和說明書中，已經公開了本發明的典型的優選實施例，雖然使用了特定的術語，但是它們僅是說明性的，可以普遍適用而并不是限制性的，本發明的范圍以下文的權利要求表述。
權利要求
1.一種從許多運動信號(605)中估計材料的過程參數的方法(1000)，該運動信號(605)由固定在所說的材料流經的振動結構(3)上的傳感器(5A-5D)產生，該方法包括如下的步驟接收(1010)表示在振動結構(3)上的許多位置上的運動的許多運動信號(605)；應用力濾波器(610)對所接收的許多運動信號(605)進行力濾波(1020)以產生識別由作用在振動結構(3)上的許多力中的所研究的力引起的運動的力濾波的運動信號(615)；以及從該力濾波的運動信號中估計(1030)與在振動結構(3)中的材料相關的過程參數。
2.根據權利要求1所述的方法(1000)，進一步包括響應接收所說的許多運動信號從所接收的許多運動信號中產生(1120)許多運動信號值。
3.根據權利要求2所述的方法(1000)，其中所說的力濾波的步驟(1020)包括如下的步驟將力濾波矩陣應用(1130)到許多運動信號值以產生力濾波的運動信號值。
4.根據權利要求3所述的方法(1000)，其中估計所說的過程參數的所說的步驟(1030)包括如下的步驟從力濾波的運動信號值中估計(1140)過程參數(625)。
5.根據權利要求2所述的方法(1000)，其中力濾波矩陣表示用于振動結構的頻率響應函數矩陣、力選擇性矩陣和頻率響應函數矩陣的逆陣的乘積。
6.根據權利要求1所述的方法(1000)，其中力濾波器表示在所研究的頻率上估計的頻率函數，以及其中估計過程參數的所說的步驟包括如下的步驟從在所研究的頻率下的力濾波的運動信號(615)中估計過程參數(625)。
7.根據權利要求6所述的方法(1000)，進一步包括如下的步驟在所研究的頻率下激振該結構(3)；以及其中接收(1010)所說的運動信號(605)的所說的步驟是響應所說的激振。
8.根據權利要求6所述的方法(1000)，進一步包括如下的步驟將帶通濾波器(650)應用到力濾波的運動信號(615)中以產生時間濾波的運動信號(655)；以及其中估計過程參數(625)的所說的步驟(1030)包括從在所研究的頻率下的時間濾波的運動信號(655)中估計過程參數的步驟。
9.根據權利要求1所述的方法(1000)，進一步包括如下的步驟將力濾波器(610)和模態分解器(660)相結合并應用到所述許多運動信號(605)中以產生識別與所研究的諧振模式相關的結構(3)的運動的空間和時間濾波的運動信號(665)；以及其中估計過程參數(625)的所說的步驟(1030)包括從該空間和時間濾波的運動信號(665)中估計過程參數的步驟。
10.根據權利要求9所述的方法(1000)，其中模態分解器(660)包括模式通過濾波器(660)。
11.根據權利要求1所述的方法(1000)，其中進一步包括如下的步驟將力濾波器(610)、帶通濾波器(650)和模態分解器(660)相結合并應用到許多運動信號(605)中以產生空間和時間濾波的運動信號(665)；以及其中估計過程參數(625)的所說的步驟(1030)包括從該空間和時間濾波的運動信號(665)中估計過程參數的步驟。
12.根據權利要求1所述的方法(1000)，其中估計過程參數的所說的步驟包括如下的步驟從力濾波的運動信號中估計質量流量。
13.用于過程參數傳感器(600)的電子設備，該過程參數傳感器(600)從運動信號(605)中確定流經由致動器(6)使其振動的結構(3)的材料的過程參數(625)，由固定在所說的結構(3)上的運動換能器(5A-5D)產生該運動信號(605)，所說的電子設備包括力濾波器(610)，該力濾波器(610)接收所說的許多運動信號(605)并從其中產生識別由作用在該結構上的許多力中所研究的力引起的運動的力濾波的運動信號(615)；以及過程參數估計器(620)，該過程參數估計器(620)響應該力濾波的運動信號估計與流經所說的結構(3)的材料相關的過程參數。
14.根據權利要求13所述的電子設備，其中所說的力濾波器(610)包括響應所說的許多運動信號(605)以從所說的許多運動信號(605)中產生許多運動信號值的裝置(1120)；將力濾波矩陣應用到該許多運動信號值中以產生力濾波的運動信號值的裝置(1130)；以及其中所說的過程參數估計器(620)包括從該力濾波的運動信號值中估計過程參數的裝置(1140)。
15.根據權利要求14所述的儀表電子設備，其中該力濾波矩陣表示用于振動結構的頻率響應函數矩陣、力選擇性矩陣和頻率響應函數矩陣的逆陣的乘積。
16.根據權利要求13所述的電子設備，其中所說的力濾波器(610)表示在所研究的頻率上估計的頻率函數，以及其中所說的過程參數估計器從在所研究的頻率下的力濾波的運動信號中估計過程參數。
17.根據權利要求16所述的電子設備，其中所說的力濾波器(610)產生具有在所研究的頻率下的周期性分量的許多力濾波的運動信號(615)，以及其中所說的過程參數估計器包括相位檢測器，該相位檢測器用于檢測在所研究的頻率下的許多力濾波的運動信號中的相應的一個周期性分量之間的相位差。
18.根據權利要求16所述的電子設備，其中所說的致動器(6)用于以所研究的頻率激振所說的結構(3)。
19.根據權利要求16所述的電子設備，進一步包括帶通濾波器(650)，該帶通濾波器(650)接收力濾波的運動信號并從該力濾波的運動信號中產生時間濾波的運動信號(655)。其中所說的過程參數估計器用于從該時間濾波的運動信號中估計過程參數。
20.根據權利要求13所述的電子設備，進一步包括模態分解器(660)，該模態分解器(660)從力濾波器(610)中接收力濾波的運動信號并產生識別與諧振模式相關的結構的運動的空間濾波的運動信號(665)；以及其中所說的過程參數估計器(620)用于從該空間濾波的運動信號(665)中估計過程參數(625)。
21.根據權利要求13所述的電子設備，進一步包括模式通過濾波器(660)，該模式通過濾波器(660)接收力濾波的運動信號(615)并從該力濾波的運動信號(615)中產生空間和時間濾波的運動信號(665)；以及其中所說的過程參數估計器(620)用于從該空間和時間濾波的運動信號(665)中估計過程參數(625)。
22.根據權利要求21所述的電子設備，其中所說的過程參數估計器(620)包括質量流量估計器。
全文摘要
估計與包含在振動結構(3)中的材料相關的過程參數。接收表示在振動結構上的許多位置(5A－5D)的運動的許多運動信號(605)。應用力濾波器(610)對所接收的許多運動信號(605)進行力濾波以產生識別由作用在振動結構上的許多力中所研究的力引起的運動的力濾波的運動信號(615)。從該力濾波的運動信號中估計與包含在該振動結構(3)中的材料相關的過程參數(625)。
文檔編號G01F1/84GK1340150SQ00803849
公開日2002年3月13日 申請日期2000年2月2日 優先權日1999年2月16日
發明者D·F·諾門 申請人:微動公司