專利名稱：使振動管振動的驅動器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用和控制驅動器使振動管振動的設備和方法。更確切地說，本發明涉及對驅動器進行最佳定位以便通過操作驅動器對多個振動模式施加適當的影響。
問題闡述用科里奧利效應質量流量計測量質量流和流過管路的材料的其它信息是公知技術。例如，在1978．8．29、1985．1．1、1982．2．11授予J．E．Smith等人的美國專利4109524、4491025、和Re31450中分別公開了科里奧利流量計。這些流量計具有一個或多個直管或彎曲結構的彎管。科里奧利質量流量計中的每個管結構具有一組自然振動模式，它們可以是純彎曲型、扭轉型、徑向型或聯接型。驅動每個管子使其在這些自然模式中的一種模式下產生諧振。從流量計入口側的連接管流入流量計的材料直接通過管子，并通過出口側排到流量計外部。使材料注入系統振動的自然振動模式由管子的總質量和硬度特性以及在管中流動的材料來部分確定。
當沒有流體流過流量計時，由于施加的驅動力具有相同的相位或因驅動振動模式而具有零流相，所以沿管路的所有點都產生振動。隨著材料開始流動，科里奧利力使得沿管路任何兩點間的相位差發生變化。管路入口側的相位滯后于驅動器，同時出口側的相位領先于驅動器。在管路上設置多個傳感器以便產生代表管路運動的正弦信號。對從傳感器輸出的信號進行處理從而確定測量傳感器之間的相位差變化。兩個傳感器信號之間的相位差變化正比于通過管路的材料的質量流率。
每個科里奧利流量計和每個振動管式密度計的主要部件是驅動器或激發系統。驅動系統工作時向管路施加能引起管路振動的周期性物理力。驅動系統包括安裝在流量計管路上的驅動器。驅動機構通常包括多種公知結構中的一種結構，例如包括由安裝到一條管路上的磁鐵和與磁鐵成相對關系地安裝到另一管路上的線圈構成的音圈，但不限于此。驅動電路向驅動線圈連續地施加周期性的且通常為正弦或方形波的驅動信號。在由線圈響應周期性驅動信號而產生的連續的交變磁場和由磁鐵產生的永久磁場的相互作用下，兩個流管受到初始力而產生具有相反正弦波圖形的振動，所述正弦波圖形在以后繼續保持。熟悉本領域的技術人員應能認識到，任何能將電信號轉換成機械力的裝置都適合作為驅動器使用。(參見授予Carpenter并且已準備轉讓給Micro Motion公司的美國專利4777833)。而且，不必只限于使用正弦信號，而是可以使用任何周期性信號作為驅動信號(參見授予Kalotay等人并且已公開轉讓給Micro Motion公司的美國專利5009109)。
一種雖然不是唯一模式，但作為主要模式的是第一異相彎曲模式，這種模式中驅動的是雙管科里奧利流量計。然而，第一異相彎曲模式并不是出現在以第一異相彎曲模式驅動的科里奧利流量計振動結構中的唯一振動模式。當然，還存在可以激發的更高振動模式。而且由于流體流過振動管和受科里奧利力的作用，科里奧利流量計還響應例如第一異相扭轉模式等模式。還存在同相和橫向振動模式。有時在科里奧利流量計中會激發附加模式和不希望出現的模式的其它原因是因為在出現制造誤差時，使驅動元件不能對稱地固定于管路上或驅動器在垂直于管平面的指定方向上不能產生純的單軸向力。這將導致驅動器將偏心力施加到管路上從而激發多種振動模式。除了因驅動激發管路而激發多種模式外，還可能因為流量計的外部振動而激發這些模式。例如，位于生產線另一位置上的泵可能會產生沿管線方向的振動，這將激發科里奧利流量計中的振動模式。最終，在希望僅以單一模式例如第一異相彎曲模式產生振動的科里奧利流量計中存在數百種振動模式。即使在接近驅動模式的較窄頻率范圍內，通常也至少存在幾種附加的振動模式。這樣一種在受驅動后應以一種模式振動或產生諧振的科里奧利流量計所具有的管路將產生除所需模式之外的多種其它模式下的振動。
振動管路上的測量傳感器產生表示管路振動情況的反饋信號。因此，如果管路以多種模式振動，那么來自振動管路上的測量傳感器的任何反饋信號都將具有代表多種振動模式的模態信息。由于驅動信號自身可增強不希望出現的振動模式，所以在驅動信號反饋回路中可能會產生一些問題。例如，泵可能會使固定科里奧利流量計的管線產生振動。由于泵的振動，所以會導致科里奧利流量計產生一定模式的振動。該振動模式用驅動反饋信號(來自一個測量傳感器)中的特定模態信息表示。對驅動反饋信號進行處理，以形成驅動信號。用驅動信號驅動科里奧利流量計，使之振動，所述驅動信號仍然帶有因泵振動而引起的振動模式下的模態信息。因此，將驅動流量計以不希望的模式振動。
另一個示例性問題涉及內在安全要求。為了滿足由各認證機構制定的內在安全要求，需要限制對科里奧利流量計的驅動器有效的總功率。這種功率限制對科里奧利流量計特別是相對于大流量計而且更確切地說相對于測量夾帶氣體之流體的大流量計而言存在一定問題。因此，重要的是用僅激發所需振動模式的方式向流量計輸入能量，從而輸入所需模式的能量和不在不希望出現的模式下“浪費”能量。
另一個問題是，在以第一異相彎曲模式驅動的已有科里奧利流量計的實例中，驅動器的位置也是第二異相彎曲模式最大振幅的位置。因此，在受驅動后以第一異相彎曲模式振動的科里奧利流量計中連續激發第二異相彎曲模式。因此，驅動反饋信號和后來的驅動信號包含第二異相彎曲模式中的強響應。
1994．4．12授予Cage等人并已公開轉讓給Micro Motion公司的美國專利5301557(“‘557專利”)中描述了一種將傳感器固定在科里奧利流量計管路上的方法。‘557專利描述了將傳感器安裝在靠近不希望的振動模式波節附近的管路位置上。因此傳感器不太會產生帶有很強不希望模式分量的信號。‘557專利并沒有給出任何有關移動驅動器或使用抑制不希望模式的驅動信號的教導。
需要將驅動元件最佳地固定到振動管上，以便最大限度地減小不想要的模式。還需要增加可在科里奧利流量計上獲得的驅動力，同時還應滿足內在安全要求。需要對流量計振動管上的多個模式產生作用以便激發兩個模式或激發一個模式而抑制其它模式。
解決方案的闡述通過本發明的驅動系統可以解決上述和其它問題，并在本領域中獲得技術領先。本發明提供一種利用模態分析技術將驅動器最佳地固定在流量計振動管上以便適當地影響振動模式的方法和設備。將一個或多個驅動器放置在管路的多個位置上以便將能量輸入到振動結構上，所述振動結構激發所需的振動模式而不激發不希望出現的振動模式。最大限度地減少不希望出現的模式激發，最大限度地增加所需振動模式中的驅動力，從而在所需模式下更有效地驅動管路。
本發明提供的方法可最佳地將驅動器固定到振動管路上以便達到控制多種振動模式的效果。要影響某個模式需激發或抑制該模式。構筑振動管路的一種有限元(FE)模型。有益模式的本征矢量系數是從1E模型中抽出的。此外，用模態分析技術來確定有益模式的本征矢量系數。用曲線圖表示有益模式的本征矢量系數以確認沿振動管的一些區域，在這些區域上，例如，一個所需的模式靠近最大振幅點，一個不希望出現的模式靠近最小振幅點。將驅動器固定在該區域內。固定在該區域中的驅動器在適當地激發所需模式時不會激發不希望出現的模式。用相同的技術固定驅動器以便最有效地激發多個所需的模式或確保不激發多個不希望出現的模式。
交替地使用有益模式的本征矢量系數以獲得振動管的頻率響應函數(FRF)。FRF表示在一個位置上施加到結構上的力和在另一位置上使結構產生運動之間的動態特性。可用FRF定量確定驅動器在振動管上的最佳位置作為替代上面所指的作圖法。
U形振動管提供了使驅動器獲得最佳定位的本發明的實例。過去是將單個驅動器固定在U形管的彎曲端中部。將具有第一異相彎曲模式頻率的正弦信號傳送到單個驅動器上以使管路產生振動。管路彎曲端中部是U形管第一和第二異相彎曲模式的最大振幅點。因此，該驅動器位置趨向于激發不希望出現的第二異相彎曲模式以及所需要的第一異相彎曲模式。本發明提供的流量計中驅動器所處的位置使得第一異相彎曲模式得到激發(所需的)而且最大限度地減小了對第二異相彎曲模式的激發。按照本發明，這一構思是通過在靠近所需第一異相彎曲模式的最大振幅位置和靠近不希望出現的第二異相彎曲模式的最小振幅位置上放置至少一個驅動器而實現的。
本發明的另一個實例是要激發第一異相彎曲模式和第一異相扭轉模式而不是第二異相彎曲模式的地點。過去，這是通過在U形管路的實例中將單個驅動器固定在管路彎曲端的中部從而激發第一異相彎曲模式和將一對驅動器固定在管路的兩條相對的腿上以激發第一異相扭轉模式來實現的。本發明提供了一種完全不同的方法和結構。本發明構筑了一種FE模型的振動結構。從FE模型可抽取出第一異相彎曲模式、第一異相扭轉模式和第二異相彎曲模式的本征矢量系數。相對于沿管路的距離做出本征矢量系數曲線并選擇驅動器的位置。沿著管路確定選定的驅動器位置，在所述位置上，第一異相彎曲模式和第一異相扭轉模式是靠近最大振幅的點而第二異相彎曲模式是靠近最小振幅的點。因此，在這些位置上輸入到驅動器上的適當定相的能量將激發第一異相彎曲模式和第一異相扭轉模式而且同時不會激發第二異相彎曲模式。
由于在所需模式下能傳送更多的有效能量，所以處于最佳位置的驅動器還能增加在所需模式下輸入到振動管中的能量。在需要高驅動能例如，但不限于在有內在安全要求的情況下這是非常有益的。此外，按照本發明，通過使用多個適當定位而且均受獨立驅動電路控制的驅動器可以得到大增益的驅動能量。
附圖的簡要說明
圖1表示科里奧利質量流量計系統；圖2表示代表圖1中科里奧利質量流量計系統振動管路的有限元模型；圖3是模態系數與沿圖2中管路的位置間相對關系的曲線圖；圖4表示代表包含本發明所述驅動器反饋部件的科里奧利質量流量計系統的有限元模型；圖5表示代表包含本發明另一個實施例所述驅動器反饋部件的科里奧利質量流量計系統的有限元模型；圖6A和6B是兩種不同驅動器設計方案中管速度的相位和幅值關系的曲線圖；圖7A和7B是用雙驅動器以相等振幅但相反相位傳遞力的驅動器設計方案中管速度的相位和幅值關系的曲線圖；圖8表示雙驅動系統，其帶有對應于每個驅動器部件的電絕緣驅動電路；圖9表示代表示本發明所述直管式科里奧利質量流量計的有限元模型；圖10是模態系數與沿圖9所示管路位置間相對關系的曲線圖；圖11是產生多模式驅動信號的驅動電路的方框圖。
主要示于圖1中的科里奧利流量計系統。
圖1表示由科里奧利流量計組件10和流量計電子設備20構成的科里奧利流量計5。儀表的電子設備20通過導線100與儀表組件10相連以提供密度、質量流量、體積流量和路徑26上的總質量流量信息。圖1-8表示由科羅拉多洲Boulder的Micro Motion公司生產的型號為CMF300的科里奧利流量計的結構和工作原理。雖然對熟悉本領域的技術人員來說很顯然，在科里奧利流量計不必提供額外測量能力的情況下，可以將本發明與振動式密度計結合使用，但是本文中只針對特定的科里奧利流量計進行描述。而且，盡管在此展示和描述了特定的科里奧利流量計的結構，但是對熟悉振動管式傳感器領域的技術人員來說應該認識到，在不考慮振動管路數量和形狀的情況下本發明同樣可應用于任何振動管式流量計或密度計。實質上，在不考慮振動管數量和形狀的情況下，本發明同樣可應用于任何振動管式流量計或密度計。實際上，本發明可應用于任何采用振動管的過程參數測量裝置。
儀表組件10包括一對法蘭盤101和101’，集流管102、102’；隔離段(spacer)107和管路103A及103B。與管路103A及103B相連的是驅動器104和測量傳感器105和105’。支撐板106和106’的作用是確定每個管路振動時對應的軸線W和W’。
當將流量計10插入帶有待測的操作材料的管線系統(未示出)中時，材料通過法蘭盤101進入儀表組件10，并穿過將材料引入中心管路103A和103B的集流管102，然后流過管路103A和103B并返回到集流管102’，材料從集流管通過法蘭盤101，流出儀表組件10。
選擇管路103A和103B并將其適當地裝到集流管102上從而使兩條管路相對于彎曲軸W-W和W’-W’分別具有基本上相同的質量分布、轉動慣量和彈性模量。管路以基本上平行的方式從集流管向外伸延。
驅動器沿相反的方向相對于各管的彎曲軸W和W’驅動管路103A-103B而且將這種狀態稱為流量計的第一異相彎曲模式。驅動器104可以由公知裝置中的任何一種裝置構成，例如裝在管路103A上的磁鐵和裝在管路103B上的反作用線圈而且使交流電流通過所述驅動器以便使兩條管路產生振動。儀表電子設備20通過導線110向驅動器104施加合適的驅動信號。
儀表電子設備20接收分別出現在導線111’和111’上的左右速度信號。儀表電子設備20產生的驅動信號出現在導線110上并使驅動器104工作從而導致管路103A和103B產生振動。儀表電子設備20處理左右速度信號并計算穿過儀表組件10的材料的質量流量和密度。該信息由儀表電子設備20通過路徑26施加到應用裝置(未示出)上。
熟悉本領域的技術人員都知道，科里奧利流量計5與振動管式密度計具有極相似的結構。振動管式密度計也采用了有流體流過或是在取樣型密度計的情況下將流體保持在其中的振動管。振動管式密度計還采用了用于激發管路振動的驅動系統。由于密度測量只需要測量頻率而不必測量相位，所以振動管式密度計通常僅使用單反饋信號。在此對本發明的描述同樣適用于振動管式密度計。
模態系數-圖2-3圖2表示圖1所示流量計10的管路103A-103B的有限元模型。為了描述本發明只需討論流量計的振動部分，所以圖2中只示出了管路103A-103B。將模型設計成把物理流量計上的流通管端部連接到流量計的集流管上。有限元模型技術對于熟悉本領域的技術人員來說是公知的而且其并不構成本發明的一部分。可以用SDRC-1deas構成示例性有限元模型并用MSC／NASTRAN進行分析，有限元代碼可從MacNealSchwendler得到。熟悉有限元模型制作領域的技術人員應該認識到，可以交替使用任何有限元代碼。設置傳感器的位置使之產生的輸出信號代表磁鐵和線圈在流通管上的位置之間的相對運動，所述磁鐵和線圈與右傳感器、驅動器和左傳感器相對應。這些“無向量點”是動態分析中的標準技術。參見“用于對輸送流體的Timeshenko流進行振動分析的有限元”，(AIAA文集93-1552)，其提供了更多關于科里奧利流量計有限元模型制作的信息。用圖2中的節點編號N101-N117標出每個無向量點。節點N101-N117有助于進一步計論模態和它們沿管路103A、103B長度方向上的相互作用。圖中所示驅動器104和傳感器105-105’的位置與圖1中的位置相同。在圖2和后面的圖中所示出的驅動器104和傳感器105-105’作為每個管路中的一個部件。這是由于驅動器和傳感器通常包括固定到一條管路上的線圈和固定到第二管路或流量計外殼上的磁鐵。驅動器104的位置位于節點N109處是公知的而且通常以彎曲模式驅動的驅動器在彎管形科里奧利流量計中的位置也是公知的。
圖3是作為沿管103A-B之位置函數的特定振動模式的標準化本征矢量系數曲線圖。曲線圖300的縱軸是標準化的本征矢量系數。曲線圖300的橫軸是用節點N101-N117表示的沿管路103A-B的位置。曲線圖300包括曲線302，該曲線由第一異相彎曲模式的本征矢量系數相對于節點N101-N107的位置構成。曲線圖300還包括曲線304，該曲線由第二異相彎曲模式的本征矢量系數相對于節點N101-N117的位置構成。構成曲線300的第三組數據是曲線306，該曲線由第一異相扭轉模式相對于節點N101-N117的位置構成。
圖3示出了表示振動管上出現的模態特征的定性方法。用至少兩種方式中的一種方式得到形成曲線302-206時使用的本征矢量系數。一種方法是建立一種有益的振動結構的有限元模型，從該模型中可以抽取出有益模式的本征矢量系數。另一種方法是用經驗模態分析技術根據振動結構的物理模型來確定本征矢量系數。有限元模型制作和經驗模態分析技術對于復雜機械結構領域的技術人員來說是公知的。
節點N101和N117分別靠近支撐板106和106’。支撐板106、106’將管路103A-B連在一起，因此支撐板處于沿管路103A-B進行限制的位置，在該位置上，管路之間只產生極小的相對運動。因此，所有三條曲線302-306在節點N101和N117處近似為零振幅。管路103A在節點N101和N117之間自由振動。用曲線302-306表示在每種模式下每個節點N101-N117處的最大振動振幅。
圖2表示位于節點N109處的驅動器104。節點N109位于管路103A-B的中心意味著該節點處于離每個支撐板106和106’等距離的位置上。這代表了過去在第一異相彎曲模式下驅動彎管式科里奧利流量計時使用的典型驅動器位置。應注意的是，如曲線302所示，第一異相彎曲模式在節點N109，即管路103A-B的中點處達到最大值。因此，節點N109是激發第一異相彎曲模式的有效位置。在這里，“有效”意味著用較小的輸入力便可導致較大的管路運動。節點109是沿管路103A-B最有效的激發第一異相彎曲模式的位置。然而，應注意到，在圖3中，如曲線304所示，節點N109也是第二異相彎曲模式的最大振幅位置。因此，在節點N109處輸入到管路103A-B中的能量將同時激發第一和第二異相彎曲模式。這是不希望出現的情況，因為通常并不想激發第二異相彎曲模式。正如熟悉振動管式傳感器領域的技術人員所公知的那樣，由驅動器激發的任何模式都能被傳感器檢測到，而且某些模式會對質量流或密度測量或有效驅動信號的發生產生不良影響。
本發明中的驅動器布置-圖4-6B圖4表示管路103A-B，其按照本發明的教導將驅動器401沿管路103A-B設置在某一位置上。參照圖3所示的模態系數曲線300，可以看到，第二異相彎曲模式(曲線304)處于靠近節點N107的最小振幅位置附近，而第一異相彎曲模式仍然處于節點N107的最大振幅附近。因此，在節點N107或節點N107附近輸入到管路103A-B中的能量將會激發第一異相彎曲模式而不會激發第二異相彎曲模式。圖4中示出了位于節點N107處的驅動器401。當在工作狀態下使管路103A-B振動時，驅動器401激發第一異相彎曲模式但并不激發或最小限度地激發第二異相彎曲模式。因此，按照本發明的并且具有一個驅動器的流量計吸取了能在最佳固定驅動器的振動結構上出現的各種已有振動模式的優點，因此只激發所需要的一種或多種驅動模式。
驅動器401的位置偏心會帶來一些問題。一個問題是由于驅動器位置偏心使輸入到振動結構的能量呈不對稱形式。而且，節點N107靠近第一異相扭轉模式最大振幅的位置。因此，在節點N107(或對應于節點N111)處的單個驅動器將偏心地激發第一異相扭轉模式，這可以表現為沿管路103A-B上的兩點之間出現相位偏移。由于沿管路的點之間有相位偏移，所以用科里奧利流量計得到的質量流率測量基礎可能會出現問題。
圖5表示分別位于節點N107和N111處的兩個驅動器501-502。針對偏心設置的單個驅動器的情況，出于與上面參照圖4討論的相同原因選擇驅動器501-502(即節點N107和N111)的位置。在驅動流量計以第一異相彎曲模式振動的情況下，驅動器501-502產生的力是等振幅和等相位的力。根據圖3中的模態系數曲線300，節點N107和N111靠近第一異相彎曲模式最大振幅的位置和第二異相彎曲模式最小振幅的位置。因此，激發第一異相彎曲模式和僅最小限度地激發第二異相彎曲模式。此外，由于驅動器501-502用相同的振幅和相同的相位驅動管路103A，所以不會激發第一異相扭轉模式。因此，科里奧利流量計的質量流量測量不會受到象圖4所示實施例中可能受到的影響。
可以不做圖3中所示的本征矢量系數曲線，而代之以利用與振動結構的固有頻率和阻尼相結合的本征矢量系數來產生振動結構的FRF。用FRF來確定對在振動結構另一位置上施加的以磅為單位的力在振動結構一個位置上以每秒英寸為單位的物理響應。這樣便形成了確認驅動器最佳位置的定量方法。頻率響應函數的計算和處理對研究振動結構的技術人員來說是公知的。
公式1中給出了可以計算在結構中一個點處的響應與在結構另一點處的輸入之比的FRF矩陣 其中H(ω)是作為頻率函數的FRF矩陣，所述頻率是通過一個單位激發而標準化的多單位響應中的頻率。典型的單位是英寸／每磅秒。FRF矩陣標記對應于響應和激發的實際位置，即，Hij是位置i處的對位置j處的單位激發的響應。總和標記r對應于所需模式的數量，該數量由本征矩陣φ中各列的數量確定。φ中的每一行對應于在需要響應和施加力的結構中某一實際位置的本征矢量系數。根據有限元分析或經驗測量值可以方便地推導出本征矢量矩陣φ。術語iω，其中i=-1]]>表示響應是針對速度的響應。在分子和分母中的ω項是以弧度／秒為單位的激發頻率。φ(r)是標準化成單位模態質量的第r’個本征矢量(本征矢量矩陣中的列)。ζ是作為一小部分臨界阻尼的第r’個模式的模態阻尼，而ωn是以弧度／秒為單位的第r’個模式的無阻尼固有頻率。
根據公式1和2計算對給定力F的實際響應值X。應注意的是通過添加對單個力的獨立響應可以疊加出在這種線性系統中對多個力的響應。
X(w)=H(ω)×F公式2用公式1和2計算第一點例如圖2和5中節點N113處的測量傳感器105’響應在第二點即驅動器的位置上施加的力時而產生的實際速度。就圖2中所示傳統驅動器的情況而言，在管路103A的中點即節點N109處施加力。就圖5中所示的雙驅動器的情況而言，在節點N107和N111兩個節點處對稱地施加力。“對稱地”施加的力是在兩個節點上以彼此相同的振幅和相位施加的力。
圖6A和6B表示的是在單驅動器和雙驅動器情況下傳感器105’實際速度的振幅和相位比較。圖6A和6B的數據是在單和雙驅動器情況下根據模制CMF300流量計的FRF得到的。圖6A中的曲線圖601表示在傳感器105’(節點N113)處的管速度的相位與頻率的關系。圖6B中的曲線圖602表示的是在測量傳感器105’(節點N113)處管速度的幅值與頻率的關系。曲線圖601中的曲線603是在節點N109處設有單個驅動器的情況下，節點N113處的管速度相位。曲線圖601中的曲線604是在節點N107和N111處分別設有雙驅動器的情況下，節點N113處的管速度相位。應注意的是在單個中心驅動器和雙驅動器兩種情況之間不存在管速度相位差。曲線圖602中的曲線605是在節點N109處設置單個驅動器的情況下在節點N113處的管速度幅值。曲線圖602中的曲線606是在節點N107和N111處分別設置雙驅動器的情況下在節點N113處的管速度幅值。應注意到，在73Hz的第一異相彎曲模式下兩種情況的響應是相同的。還應注意到，在466Hz下，雙驅動器對第二異相彎曲模式的響應比傳統單驅動器的情況約小5倍。這是因為如圖3所示，節點N107和N111對第二彎曲模式的響應小于N109的響應，但其并不完全為零。通過將節點N107和N111的位置移到使該模式的本征矢量系數接近零的點還可進一步降低對第二彎曲模式的響應。例如，參照圖3，這種情況意味著將節點N107處的驅動器移向節點N106而將節點N111處的驅動器移向節點N112。還應注意到，總響應，即曲線(對于雙驅動器的情況而言為曲線606)下面的面積約為單驅動器情況下曲線605下面面積的一半。在雙驅動器情況下總響應較低表示在雙驅動器情況下比單驅動器情況下更能有效激發所希望的模式，即，第一異相彎曲模式。頻率響應函數和所得到的圖6中的曲線圖給出了一種理解本發明所述驅動系統優點的定量方法。
附加的驅動器功率-圖8如上所述，特別是參照圖5中的驅動器布置，雙驅動器進一步的優點是能夠向管路103A傳送更多的驅動能量。實際上，為了內在安全的原因將科里奧利質量流量計功率限制在約為5瓦。工業過程控制領域的技術人員很熟悉內在安全的要求。實際上，這些要求意在確保過程控制裝置例如科里奧利流量計不會將足夠的能量(蓄積的或瞬間的)暴露于易爆環境從而不會引起環境燃燒。科里奧利流量計的設計者習慣于折衷選擇(在電磁驅動器的情況下)驅動電流、磁場強度和線圈的匝數以便得到合適的驅動力。然而，有時很難將力傳遞到驅動器使其為流量計正常工作而對管路產生足夠的振動。這對大尺寸管路和流體夾帶氣體流過的管路是特別實際的問題。在這些條件下使用本發明的系統可以為管路振動提供附加的驅動能量。如果將雙驅動器系統設計成使兩個驅動器成為電絕緣驅動電路的一部分，則每個驅動器都可以向管路提供約為5瓦的驅動功率而且仍能滿足內在安全的需要。
圖8表示與圖5相同的雙驅動器系統以及儀表電子設備20。儀表電子設備20包括驅動電路A802和驅動電路B804。驅動電路802-804彼此電絕緣，因此為了達到內在安全計算的目的可以將其作為獨立電路來對待。驅動電路A802通過路徑806與驅動器501相連。驅動電路B804通過路徑808與驅動器502相連。在相關的內在安全要求允許的情況下，每個驅動電路802-804可向其各自的驅動器501-502提供最大功率。因此，每個驅動器501-502可以向管路103A提供例如5瓦的驅動功率。
激發交替模式-圖7A和7B本發明所述雙驅動系統的另一個應用是交替模式的激發。如上面所提到的，第一異相彎曲模式是現有科里奧利質量流量計最常用的驅動模式。然而，本發明可適用于任何管路的幾何形狀并適合使用任何驅動模式。通過本發明的驅動系統可以有效激發例如第一異相扭轉模式。
用于產生圖6所示數據的驅動器設置方案不能激發第一異相扭轉模式。如從圖6中所能看到的那樣，模制的CMF300流量計具有184Hz的第一異相扭轉模式，在所述頻率下單個驅動器或雙驅動器都不能產生有意義的振幅。單個中心驅動器的設置方案不能激發扭轉模式。然而，雙驅動器的設計方案可提供交替激發。可以使每個驅動器上的作用力振幅相同但相位相反。換句話說，雙驅動器的相位可以彼此相差180°。當雙驅動器的相位不同時，不會激發第一異相彎曲模式但會激發第一異相扭轉模式。
圖7A和7B表示在驅動器相位彼此相差180°的雙驅動器情況下傳感器105’的實際速度的幅值和相位。圖7A中的曲線圖701表示在傳感器105’(節點N113)處的管速度相位與頻率之間的關系。圖7B中的曲線圖702表示在傳感器105’(節點N113)處的管速度幅值與頻率之間的關系。曲線圖701中的曲線703是分別在節點N107和N111處設有雙驅動器的情況下節點N113處的管速度相位，在該節點處驅動器具有相同的振幅但相位相反。曲線圖702中的曲線704是分別在節點N107和N111處設有雙驅動器的情況下節點N113處的管速度幅值。應注意在第一異相扭轉模式184Hz頻率下的強響應和在第一或第二異相彎曲模式下響應減弱。因此本發明提供了一種可用驅動器驅動第一異相扭轉模式的科里奧利流量計，其中將驅動器設置成可驅動扭轉模式而不是彎曲模式。
實例性交替變化的管路幾何結構本發明的教導并不限于雙彎管振動傳感器。任何幾何結構的任何數量的一個或多個管路都能從本發明的驅動器中獲益。圖9-10提供了另一個本發明教導的實例。
圖9表示雙直管科里奧利流量計900的有限元模型。沿管路902A-B的長度示出了節點S101-S117。用支撐板904和支撐板904’將管路902A-B限制在每一端上。圖10表示流量計900的模態系數曲線圖1000。對想用第一異相對稱彎曲模式驅動流量計900的情況而言，分析曲線圖1000以確定第一異相對稱彎曲模式接近最大振幅和第二異相對稱彎曲模式接近最小振幅的位置。曲線1002表示流量計900的第一異相對稱彎曲模式的本征矢量系數。曲線1004表示流量計900的第二異相非對稱彎曲模式的本征矢量系數。曲線1006表示流量計900的第一異相非對稱彎曲模式的本征矢量系數。
對模態系數曲線圖1000所做的分析顯示第一異相對稱彎曲模式接近最大振幅的位置和第二異相對稱彎曲模式接近最小振幅的位置大約在節點N106和節點N107之間。在節點N111和N112之間也同樣如此。因此，如圖10所示，將驅動器908設置在節點N106和N107之間而將驅動器908’設置在節點N111和N112之間。當用同樣的振幅和相位激發驅動器908和908’時，將激發第一異相對稱彎曲模式而不激發或最小限度地激發第二異相對稱彎曲模式。
圖9-10表示了本發明更廣義的教導。雖然圖5和9中示出的實際結構完全不同，但是它們都適用于展示本發明教導的圖3和圖10所示的相應模態系數曲線圖。在此示出的結構僅僅是本發明的實例性教導。本發明可適用于所有振動管式流量計或密度計。
激發多種模式-圖11有時需要有意識地激發多于一種模式。例如，參見1996．8．14申請并轉讓給Micro Motion有限公司的未決申請序列號08／689839，其激發兩種模式而且兩種受激模式的諧振頻率比值的變化與振動管內的流體壓力有關。圖11示出了驅動電路1100的方框圖。參照圖1或圖8，驅動電路1100設置在儀表電子設備20中。
驅動電路1100包括模式A驅動電路1102，模式B驅動電路1104，以及加法級1106。模式A驅動電路1102接收路徑1108上的驅動反饋信號并在路徑1110上產生具有第一模式(模式A)頻率的驅動信號。模式B驅動電路1104接收路徑1108上的驅動反饋信號并在路徑1112上產生具有第二模式(模式B)頻率的驅動信號。路徑1110上來自模式A驅動電路的驅動信號和路徑1112上來自模式B驅動電路的驅動信號輸入到加法級1106。加法級1106經運算將兩個輸入驅動信號線性組合后產生施加到路徑1114上的驅動信號。送到路徑1114上的驅動信號進入振動管路上的驅動器中。
現在參照圖9-11，假設希望同時用第一異相彎曲模式(曲線1002)和第一異相扭轉模式(曲線1006)來激發圖9中的流量計。設置模式A驅動電路1102來產生具有第一異相彎曲模式頻率的第一驅動信號。設置模式B驅動電路1104來產生具有第一異相扭轉模式頻率的第二驅動信號。第一和第二驅動信號在加法級1106中相加從而產生送到路徑1114上的驅動信號。將施加的驅動信號送到流量計900的驅動器908和908’。圖10中的分析表明，適當地設置驅動器908和908’便能激發第一異相彎曲模式和第一異相扭轉模式。分別將驅動器908和908’設置在節點S106和S107以及S111和S112之間。如圖10所示，這是第一異相扭轉模式和第一異相彎曲模式的最大振幅區和第二異相彎曲模式的最小振幅區。因此，圖11中的多模式驅動電路激發第一異相彎曲模式和第一異相扭轉模式但是不激發第二異相彎曲模式。
熟悉科里奧利流量計領域的技術人員都熟知多種用驅動電路1102和1104產生驅動信號的方法。例如，參見1991．4．23授權并已準備轉讓給Micro Motion有限公司的5，009，109號美國專利和1997．7．11申請的序號為08／890785的未決申請(申請人TimothyJ．Cunningham)，該文獻共同作為本文通篇所揭示的相同范圍的內容的參考文獻。
雖然在此公開了特定的實施例，但是可預料到，熟悉該技術領域的人能夠和將會設計出不同的采用多個驅動器位置和多個驅動器的科里奧利流量計驅動系統，這些不同方案不管從字面上還是在等同的原則下均落入下面的權利要求的范圍內。
權利要求
1．一種測量材料特性的設備(5)，所述材料流過所說設備，所說的設備(5)包括至少一條供所說材料流過的管路(103A-103B)；用于在所說材料流過所說至少一條管路(103A-103B)時至少使一條管路振動的驅動裝置(104)；固定到所說至少一條管路(103A-103B)上的傳感器(105-105’)，所說傳感器在所說至少一條管路(103A-103B)和所說材料受到所說驅動裝置(104)驅動而振動時，將產生代表因科里奧利力引起的所說至少一條管路(103A-103B)振動情況的輸出信號并將所說輸出信號送到信號處理器(20)，以及用于響應從所說傳感器(105-105’)接收到的所說輸出信號產生所說材料特性測量值的所說信號處理器(20)，其特征在于所說驅動裝置(104)固定在所說至少一條管路(103A-103B)的選定位置(N109)上，該選定位置能使所說驅動裝置(104)在至少一種所需模式下產生基本上最大的振幅。
2．根據權利要求1所述的設備(5)，其特征在于所說選定位置(N109)還使所說驅動裝置(104)在至少一種不需要的模式下產生基本上最小的振幅。
3．根據權利要求1所述的設備(5)，其進一步的特征在于還包括用于向所說驅動裝置施加電流的驅動控制電路(1100)；設在所說驅動控制電路(1100)中用于產生第一電流的第一模式電路(1102)，所說第一電流使所說驅動裝置(104)以第一所需模式的頻率對所說至少一條管路(103A-103B)產生振動；和設在所說驅動控制電路中用于產生第二電流的第二模式電路(1104)，所說第二電流使所說驅動裝置(104)以第二所需模式的頻率對所說至少一條管路(103A-103B)產生振動；
4．根據權利要求3所述的設備(5)，其進一步的特征在于還包括設在所說驅動控制電路(1100)中的加法電路(1106)，加法電路將來自所說第一模式電路(1102)的所說第一電流和來自所說第二模式電路(1104)的所說第二電流相加使之成為施加到所說驅動裝置的驅動電流。
5．根據權利要求4所述的設備(5)，其進一步的特征在于還包括設在所說第一模式電路(1102)中的反饋電路，該電路接收從固定到所說至少一條管路(103A-103B)上的第一傳感器(105)輸出的反饋信號；和設在所說第一模式電路(1102)中的發生電路，該電路調節所說反饋信號以產生所說的第一電流。
6．根據權利要求5所述的設備(5)，其進一步的特征在于還包括設在所說第一模式電路(1102)中的頻率濾波器，所說濾波器對所說反饋信號進行濾波并產生振幅減小到超過滾降頻率的濾波頻率反饋信號；和設在所說第一模式電路(1102)中的放大器，該放大器對所說濾波頻率反饋信號進行放大以產生所說第一電流。
7．根據權利要求4所述的設備(5)，其進一步的特征在于還包括設在所說第二模式電路(1104)中的反饋電路，該電路接收從固定到所說至少一條管路(103A-103B)上的第一傳感器輸出的反饋信號；和設在所說第二模式電路中的發生電路，該電路調節所說反饋信號以產生所說的第二電流。
8．根據權利要求7所述的設備(5)，其進一步的特征在于還包括設在所說第二模式電路(1104)中的頻率濾波器，所說濾波器對所說反饋信號進行濾波并產生振幅減小到超過滾降頻率的濾波頻率反饋信號；和設在所說第二模式電路(1104)中的放大器，該放大器對所說濾波頻率反饋信號進行放大以產生所說第二電流。
9．根據權利要求1所述的設備(5)，其中所說驅動裝置(104)的特征在于包括分別固定在預定位置(N107，N111)上的多個驅動器(501-502)，在所說位置上，使所說至少一條管路(103A-103B)和所說材料在至少一種所需模式下的振動振幅為最大。
10．根據權利要求9所述的設備(5)，其中所說至少一種所需模式包括第一異相彎曲模式。
11．根據權利要求10所述的設備(5)，其進一步的特征在于選擇所說預定位置使之在至少一種不需要的模式下振幅最小。
12．根據權利要求10所述的設備(5)，其中所說至少一種不需要的模式包括第二異相彎曲模式。
13．根據權利要求10所述的設備(5)，其進一步的特征在于還包括分別向所說多個驅動器(501，502)之一提供驅動電流的多個驅動電路(802，804)。
14．根據權利要求13所述的設備(5)，其中所說至少一種所需模式包括第一異相扭轉模式。
15．根據權利要求14所述的設備(5)，其中所說至少一種不需要的模式包括第一異相彎曲模式。
16．根據權利要求13所述的設備(5)，其中所說多個驅動電路(802，804)的每個電路之間彼此電絕緣。
17．根據權利要求13所述的設備(5)，其中所說多個驅動電路(802，804)向所說多個驅動器(501，502)施加振幅和相位基本相同的驅動電流。
18．根據權利要求13所述的設備(5)，其中所說多個驅動電路(802，804)中的至少一部分向所說多個驅動器(501，502)施加實際上具有不相同振幅和相位的驅動電流。
19．將驅動系統(5)固定到設備(5)的至少一條管路(103A-103B)上以便測量流過所說至少一條管路(103A-103B)的材料特性的方法，所說方法的特征在于其包括以下步驟沿所說至少一條管路(103A-103B)產生位置的本征矢量系數，用于至少一種可需模式；根據所說本征矢量系數選擇一個所說位置(N109)，在該位置上使在至少一種所需的模式下所說至少一條管路振動振幅最大；和將所說驅動系統(104)放置到所說的一個位置(N109)上。
20．根據權利要求19所述的方法，其進一步的特征在于包括以下步驟沿所說至少一條管路(103A-103B)產生位置的本征矢量系數，用于至少一種不需要模式；以及在所說的選擇步驟中確定一個所說位置，在該位置上，使至少一種所需模式的振動振幅最大而至少一種不需要的模式的振動最小。
21．根據權利要求19所述的方法，其進一步的特征在于包括以下步驟選擇多個位置，在這些位置上，使所說至少一種所需模式的振幅最大而所說至少一種不需要的模式的振幅最小。
22．根據權利要求19所述的方法，其中所說選擇步驟的特征在于包括以下步驟將所說本征矢量系數加到曲線圖中；確定在所說至少一種所需模式下所說曲線圖上的最大值。
23．根據權利要求19所述的方法，其中所說選擇步驟的特征在于包括以下步驟產生FRF；和根據所說的FRF確定所說的位置。
全文摘要
本發明涉及一種過程參數測量裝置,更確切地說,是一種科里奧利質量流量計或振動管式密度計,所述裝置包括能引起至少一條管路振動的一個或多個驅動器。驅動器固定在沿振動管路選定的位置上以便對特定的有益模式產生作用。將驅動器固定在靠近所需振動模式的最大振幅區附近和不需要的振動模式的最小振幅區附近。可使用各種公知的經驗模態分析或模型制作技術來確定一個或多個驅動器的合適位置。用按照本發明所述方式固定的多個驅動器決定是激發還是抑制多個模式。此外,用多個獨立的驅動電路產生多個彼此電絕緣的驅動信號以便將較大的總能量傳送給振動管。
文檔編號G01F1/84GK1280668SQ98811811
公開日2001年1月17日 申請日期1998年12月1日 優先權日1997年12月4日
發明者T·J·坎寧安, S·J·謝利 申請人:微動公司