專利名稱：利用模式選擇性濾波技術(shù)的質(zhì)量流量測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器和相關(guān)方法，具體而言，涉及質(zhì)量流量測量方法和裝置。
背景技術(shù)：
許多傳感器應(yīng)用都涉及機械振動或者其它運動的檢測。利用這種運動檢測技術(shù)的傳感器實例有科里奧利質(zhì)量流量計和振動管密度計。這些裝置通常都有一個導(dǎo)管或者受到周期性驅(qū)動的也就是振動的其它容器。與導(dǎo)管或者容器內(nèi)所裝材料有關(guān)的質(zhì)量流量、密度之類特性可以通過處理容器結(jié)構(gòu)上安裝的運動傳感器的信號來加以確定，因為填充了材料的振動系統(tǒng)的振動模式一般都會受到導(dǎo)管或者容器結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量、剛性和阻尼特性和其中材料的影響。
典型的科里奧利質(zhì)量流量計系統(tǒng)中有一個或者多個導(dǎo)管，它們連接成一個管道，或者有其它輸送系統(tǒng)和輸送材料，例如流體、淤漿等等?？梢哉J(rèn)為每個導(dǎo)管都有一組自然振動模式，例如有簡單彎曲、扭轉(zhuǎn)、徑向和耦合模式。在典型的科里奧利質(zhì)量流量測量應(yīng)用中，當(dāng)材料流通過導(dǎo)管的時候會激勵導(dǎo)管，讓它以其自然振動模式中的一個模式諧振，在導(dǎo)管的一些點上測量導(dǎo)管的運動。激勵通常都是通過一個激勵器，例如聲音線圈類型驅(qū)動器這種電動機械裝置，來實現(xiàn)的，這樣的裝置會以周期性的方式擾動導(dǎo)管。Smith的第4109524號美國專利、Smith等等的第4491025號美國專利和Smith的Re.31450描述了一些科里奧利質(zhì)量流量計的實例。
可惜，因為導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的非線性性和不對稱性、與流量計連接的泵和壓縮機產(chǎn)生的力這樣的外力引起的運動以及因為流經(jīng)流量計導(dǎo)管的材料的壓力產(chǎn)生的運動，傳統(tǒng)科里奧利質(zhì)量流量計的精度大打折扣。這些力的影響一般都是通過適當(dāng)?shù)牧髁坑嬙O(shè)計來加以減輕，在這些設(shè)計中減小外部振動的影響，也可以利用頻域濾波器，例如帶通濾波器，濾除運動信號中激勵頻率以外的分量，從而減小它們的影響。但是，機械濾波方法常常受到機械因素限制，例如受到材料限制、安裝方面的限制、重量限制、尺寸限制等等，并且頻域濾波在去除激勵頻率附近不需要的振動分量的時候顯得不太有效。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，導(dǎo)管內(nèi)材料的質(zhì)量流量是通過對說明導(dǎo)管內(nèi)運動情況的多個運動信號進行模式選擇性濾波，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后的運動信號，從而使這些模式選擇性濾波后的運動信號能夠更好地代表導(dǎo)管的振動運動，來進行估計的。從多個模式選擇性濾波后的運動信號產(chǎn)生多個相位估計。從這些多個相位估計產(chǎn)生一個質(zhì)量流量估計?？梢岳脧亩鄠€模式選擇性濾波后的運動信號中的一個得到的相位基準(zhǔn)來估計這里的多個相位估計。
在本發(fā)明的一些實施方案中，對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域內(nèi)產(chǎn)生多個模式響應(yīng)信號。對這多個模式響應(yīng)信號進行模式選擇性變換，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后的運動信號。在本發(fā)明的其它實施方案中，估計多個模式選擇性濾波后的運動信號的一個模式選擇性濾波后的運動信號的頻率。在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號。從多個模式選擇性濾波后的運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計。
在本發(fā)明的另外一些實施方案中，從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計，從多個時間差估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計?？梢酝ㄟ^將多個相位估計除以模式頻率產(chǎn)生多個時間差值，從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計?？梢詫⒍鄠€零流量基準(zhǔn)時間差應(yīng)用于多個時間差值，產(chǎn)生多個時間差估計。可以從利用多個運動信號產(chǎn)生的模式運動信號估計模式頻率。還可以從模式頻率估計估計導(dǎo)管內(nèi)的材料的密度。
根據(jù)本發(fā)明的其它方面，可以利用多個運動信號之一作為時間基準(zhǔn)，產(chǎn)生相似的多個差估計，處理表示導(dǎo)管運動狀況的多個運動信號，估計將多個差估計與表示已知質(zhì)量流量情況下導(dǎo)管運動情況的相似的多個基準(zhǔn)差關(guān)聯(lián)起來的定標(biāo)函數(shù)的斜率參數(shù)，從而確定導(dǎo)管內(nèi)材料的質(zhì)量流量。
在本發(fā)明的一些實施方案中，產(chǎn)生包括多個基準(zhǔn)差的一個增廣矩陣。將這多個差估計乘以這個增廣矩陣的假逆，以確定這個斜率參數(shù)。在其它實施方案中，將這多個差估計乘以基準(zhǔn)時間差的假逆，以確定斜率參數(shù)。也可以對定標(biāo)參數(shù)進行迭代估計，利用例如最小均方(LMS)估計程序確定斜率參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的其它方面，所述裝置包括一個導(dǎo)管用來裝材料。將多個運動換能器與導(dǎo)管一起使用，產(chǎn)生表示導(dǎo)管運動狀況的多個運動信號。一個信號處理電路接收這多個運動信號，對這多個運動信號進行模式選擇性濾波，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號，從而使模式選擇性濾波后運動信號能夠更好地表示與導(dǎo)管的振動模式有關(guān)的運動。該信號處理電路從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計，從這多個相位估計產(chǎn)生一個質(zhì)量流量估計。這個信號處理電路能夠利用從多個模式選擇性濾波后運動信號之一得到的相位基準(zhǔn)產(chǎn)生多個相位估計。
根據(jù)本發(fā)明的另一些實施方案，所述裝置包括一個導(dǎo)管和與導(dǎo)管一起使用的多個運動換能器，產(chǎn)生表示導(dǎo)管運動狀況的多個運動信號。信號處理電路接收這多個運動信號，處理這多個運動信號，將多個運動信號中的一個用作時間基準(zhǔn)，產(chǎn)生相似的多個差估計。這個信號處理電路估計定標(biāo)函數(shù)的斜率參數(shù)，它將多個差估計與表示已知質(zhì)量流量運動狀況的相似的多個基準(zhǔn)差聯(lián)系起來，從估計出來的斜率參數(shù)和已知質(zhì)量流量產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。該信號處理電路可以產(chǎn)生包括多個基準(zhǔn)差的一個增廣矩陣，并且可以將這多個差估計乘以這個增廣矩陣的一個的偽逆，以估計斜率參數(shù)。這個信號處理電路也可以將這多個差估計乘以基準(zhǔn)時間差的假逆來確定斜率參數(shù)。這一信號處理過程同樣可以以迭代方式估計定標(biāo)函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的其它方面，估計導(dǎo)管內(nèi)材料的質(zhì)量流量的計算機程序產(chǎn)品包括計算機可讀存儲媒介，上面有計算機可讀程序代碼，儲存在計算機可讀存儲媒介中。計算機可讀程序代碼包括進行質(zhì)量流量估計的計算機可讀程序代碼，對表示導(dǎo)管運動狀況的多個運動信號進行模式選擇性濾波，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號，從而使模式選擇性濾波后運動信號能夠更好地表示與導(dǎo)管振動模式有關(guān)的運動狀況，從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計，從多個相位估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。進行質(zhì)量流量估計的計算機可讀的程序代碼可以利用從多個模式選擇性濾波后運動信號之一得到的相位基準(zhǔn)產(chǎn)生多個相位估計。例如，進行質(zhì)量流量估計的計算機可讀的程序代碼可以估計多個模式選擇性濾波后運動信號的模式選擇性濾波后運動信號的頻率，在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生第一個和第二個基準(zhǔn)信號，從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計。
根據(jù)其它實施方案，用于質(zhì)量流量估計的計算機可讀程序代碼從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計，從多個時間差估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。用于質(zhì)量流量估計的計算機可讀程序代碼可以將模式變換應(yīng)用于多個運動信號，在模式坐標(biāo)域產(chǎn)生一個模式運動信號，從模式運動信號估計模式頻率，用估計出來的模式頻率從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計。計算機可讀程序代碼還可以包括用于密度估計的計算機可讀程序代碼，從估計出來的模式頻率估計導(dǎo)管內(nèi)的材料密度。
根據(jù)本發(fā)明的其它方面，嵌入在計算機可讀存儲媒介中的計算機可讀程序代碼包括用于估計質(zhì)量流量的計算機可讀程序代碼，它將多個運動信號之一用作時間基準(zhǔn)，處理表示導(dǎo)管運動狀況的多個運動信號，產(chǎn)生相似的多個差估計，估計將多個差估計與表示已知質(zhì)量流量情況下導(dǎo)管運動狀況的相似的多個基準(zhǔn)差聯(lián)系起來的定標(biāo)函數(shù)的斜率參數(shù)，從估計出來的斜率參數(shù)和已知質(zhì)量流量產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。用于估計質(zhì)量流量的計算機可讀的程序代碼可以產(chǎn)生包括多個基準(zhǔn)差的一個增廣矩陣，將多個差估計乘以這個增廣矩陣的假逆，以確定斜率參數(shù)。用于估計質(zhì)量流量的計算機可讀程序代碼也可以將多個差估計乘以基準(zhǔn)時間差的假逆，以確定斜率參數(shù)。用于估計質(zhì)量流量的計算機可讀程序代碼還可以以迭代方式估計定標(biāo)函數(shù)。
可以看出，一方面，本發(fā)明是一種裝置，它有多個運動換能器，與一種結(jié)構(gòu)一起，產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號；還是這樣一種裝置，它對表示結(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號進行濾波處理；以及產(chǎn)生多模式選擇性濾波后運動信號，從而使模式選擇性濾波后運動信號能夠更好地表示與這種結(jié)構(gòu)的振動模式相關(guān)聯(lián)的運動狀況的一種裝置。
這種裝置最好還包括一種裝置，用來從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計。
該裝置最好還包括一種裝置，用來從多個相位估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
該裝置最好還有一種裝置，用來在多個模式選擇性濾波后運動信號之間產(chǎn)生多個時間差估計；從多個時間差估計產(chǎn)生相關(guān)度量的一種裝置；以及從產(chǎn)生的相關(guān)度量確定質(zhì)量流量計系統(tǒng)狀態(tài)的一種裝置。
產(chǎn)生多個相位估計的裝置最好有一種裝置，利用從多個模式選擇性濾波后運動信號之一得到的相位基準(zhǔn)產(chǎn)生多個相位估計。
用于進行模式選擇性濾波的這種裝置最好是有一種裝置用來對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域產(chǎn)生多個模式響應(yīng)信號；對多個模式響應(yīng)信號進行模式選擇性變換，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號的裝置。
產(chǎn)生多個相位基準(zhǔn)的裝置最好是有一種裝置用來估計多個模式選擇性濾波后運動信號的一個模式選擇性濾波后運動信號的頻率；在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號的裝置；以及從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位基準(zhǔn)的裝置。
從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計的裝置最好有一種裝置用來將模式選擇性濾波后運動信號乘以第一個和第二個基準(zhǔn)信號中相應(yīng)的那些個，產(chǎn)生模式選擇性濾波后運動信號相應(yīng)的實部分量和虛部分量；估計模式選擇性濾波后運動信號的實部分量和虛部分量之商的反正切，產(chǎn)生相位估計的裝置。
該裝置最好還有一種裝置，用來從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計。
該裝置最好還有一種裝置，用來從多個時間差估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的裝置最好還有一種裝置，用來將多個相位估計除以一個模式頻率，產(chǎn)生多個時間差值。
從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的裝置最好還有一種裝置，將多個零流量基準(zhǔn)時間差應(yīng)用于多個時間差值，產(chǎn)生多個時間差估計。
用于進行模式選擇性濾波的裝置最好還包括一種裝置，對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域內(nèi)產(chǎn)生一個模式運動信號，以及從模式運動信號估計模式頻率的裝置。
這種裝置最好還有一種裝置用來從估計出來的模式頻率估計導(dǎo)管內(nèi)材料的密度。
這種裝置最好還有一種裝置用來估計將多個時間差估計與表示已知擾動情況下所述結(jié)構(gòu)運動的多個基準(zhǔn)時間差聯(lián)系起來的定標(biāo)函數(shù)的參數(shù)。
該裝置中的擾動最好是質(zhì)量流量。
估計參數(shù)的裝置最好還有一種裝置，用來產(chǎn)生包括多個基準(zhǔn)時間差的一個增廣矩陣；以及一種裝置，用來將多個時間差估計乘以這個增廣矩陣的假逆，以確定所述參數(shù)。
估計參數(shù)的裝置最好還包括以迭代方式估計定標(biāo)函數(shù)的步驟。
以迭代方式估計參數(shù)的裝置最好還包括應(yīng)用最小均方(LMS)估計程序的步驟。
估計參數(shù)的裝置的前面最好有裝置用來處理表示已知擾動情況下結(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號，產(chǎn)生多個基準(zhǔn)時間差。
定標(biāo)函數(shù)的參數(shù)最好是一個斜率參數(shù)，還有一種裝置用來從斜率參數(shù)和已知的質(zhì)量流量產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
估計斜率參數(shù)的裝置最好還有一種裝置，用來將多個時間差估計乘以多個基準(zhǔn)時間差的假逆，以確定斜率參數(shù)。
定標(biāo)函數(shù)的參數(shù)最好是一個截距參數(shù)，還有一種裝置用來從截距參數(shù)確定系統(tǒng)狀態(tài)。
用于模式選擇性濾波的裝置前面最好有一個裝置用來從與所述結(jié)構(gòu)連接的多個運動換能器接收多個運動信號，其中確定系統(tǒng)狀態(tài)的裝置有一種裝置用來從截距參數(shù)確定運動換能器的狀態(tài)。
該裝置最好還有一種裝置用來從估計出來的模式頻率估計結(jié)構(gòu)中材料的密度。
該裝置最好還有一種裝置用來估計多個模式選擇性濾波后運動信號中第一個模式選擇性濾波后運動信號的頻率；以及一種裝置用來從多個模式選擇性濾波后運動信號的第二個模式選擇性濾波后運動信號和估計出來的頻率產(chǎn)生差估計。
產(chǎn)生差估計的裝置最好還有一種裝置用來在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號；以及一種裝置用來從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差估計。
從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差估計的裝置最好還有一種裝置，用來從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生相位估計；以及一種裝置用來從所述相位估計產(chǎn)生時間差估計。
從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生相位估計的裝置最好還有一個裝置用來將第二個模式選擇性濾波后運動信號乘以第一個和第二個基準(zhǔn)信號，產(chǎn)生第二個模式選擇性濾波后運動信號相應(yīng)的實部分量和虛部分量；以及一個裝置用來估計第二個模式選擇性濾波后運動信號實部分量和虛部分量之商的反正切，產(chǎn)生相位估計。
可以看出，另一方面，本發(fā)明是一種裝置的工作方法，該方法包括估計結(jié)構(gòu)運動狀況的步驟，對表示結(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號進行模式選擇性濾波的步驟；以及產(chǎn)生表示與結(jié)構(gòu)的振動模式相聯(lián)系的運動的多個模式選擇性濾波后運動信號的步驟。
該方法最好還包括從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計的步驟。
該方法最好還包括從多個相位估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計的步驟。
該方法最好還包括以下步驟從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個時間差估計；以及從多個時間差估計產(chǎn)生相關(guān)度量；和從產(chǎn)生的相關(guān)度量確定質(zhì)量流量計的系統(tǒng)狀況。
該方法中產(chǎn)生多個相位估計的步驟最好包括利用從多個模式選擇性濾波后運動信號之一得到的相位基準(zhǔn)產(chǎn)生多個相位估計的步驟。
該方法中應(yīng)用模式選擇性濾波器的步驟最好還包括以下步驟對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域內(nèi)產(chǎn)生多個模式響應(yīng)信號；對多個模式響應(yīng)信號進行模式選擇性變換，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號。
該方法中產(chǎn)生多個相位估計的步驟最好還包括以下步驟估計多個模式選擇性濾波后運動信號的一個模式選擇性濾波后運動信號的頻率；根據(jù)估計出來的頻率產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號；從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計。
該方法中從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計的步驟最好有以下步驟將模式選擇性濾波后運動信號乘以第一個和第二個基準(zhǔn)信號中相應(yīng)的那些個，產(chǎn)生模式選擇性濾波后運動信號相應(yīng)的實部分量和虛部分量；估計模式選擇性濾波后運動信號的實部分量和虛部分量之商的反正切，產(chǎn)生相位估計的步驟。
該方法最好還有從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的步驟。
該方法最好還有從多個時間差估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計的步驟。
該方法中從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的步驟最好還有將多個相位估計除以一個模式頻率，產(chǎn)生多個時間差值的步驟。
該方法中從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的步驟最好還有將多個零流量基準(zhǔn)時間差應(yīng)用于多個時間差值，產(chǎn)生多個時間差估計的步驟。
從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的步驟最好還包括用多個零流量相位校正多個相位估計。
該方法中用于進行模式選擇性濾波的步驟最好還包括對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域內(nèi)產(chǎn)生一個模式運動信號的步驟，該方法還包括從模式運動信號估計模式頻率的步驟。
該方法最好還有一個步驟用來從估計出來的模式頻率估計導(dǎo)管內(nèi)材料的密度。
該方法最好還有一個步驟用來估計將多個時間差估計與表示已知擾動情況下所述結(jié)構(gòu)運動的多個基準(zhǔn)時間差聯(lián)系起來的定標(biāo)函數(shù)的參數(shù)。
這個方法中的擾動最好是質(zhì)量流量。
估計參數(shù)的方法最好還有一個步驟，用來產(chǎn)生包括多個基準(zhǔn)時間差的一個增廣矩陣；以及一個步驟用來將多個時間差估計乘以這個增廣矩陣的假逆，以確定所述參數(shù)。
該方法中估計參數(shù)的步驟最好還包括以迭代方式估計定標(biāo)函數(shù)的步驟。
該方法中以迭代方式估計參數(shù)的步驟最好還包括應(yīng)用最小均方(LMS)估計程序的步驟。
該方法申估計參數(shù)的步驟前面最好有步驟用來處理表示已知擾動情況下結(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號，產(chǎn)生多個基準(zhǔn)時間差。
該方法中定標(biāo)函數(shù)的參數(shù)最好是一個斜率參數(shù)，還有一個步驟用來從斜率參數(shù)和已知的質(zhì)量流量產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
該方法中估計斜率參數(shù)的步驟最好還有一個步驟，用來將多個時間差估計乘以多個基準(zhǔn)時間差的假逆，以確定斜率參數(shù)。
該方法中定標(biāo)函數(shù)的參數(shù)最好是一個截距參數(shù)，還有一個步驟用來從截距參數(shù)確定系統(tǒng)狀態(tài)。
該方法中用于模式選擇性濾波的步驟前面最好有一個步驟用來從與所述結(jié)構(gòu)連接的多個運動換能器接收多個運動信號，其中確定系統(tǒng)狀態(tài)的步驟有一個步驟用來從截距參數(shù)確定運動換能器的狀態(tài)。
該方法最好還有一個步驟用來從估計出來的模式頻率估計結(jié)構(gòu)中材料的密度。
該方法最好還有一個步驟用來估計多個模式選擇性濾波后運動信號中第一個模式選擇性濾波后運動信號的頻率；以及一個步驟用來從多個模式選擇性濾波后運動信號的第二個模式選擇性濾波后運動信號和估計出來的頻率產(chǎn)生差估計。
該方法中產(chǎn)生差估計的步驟最好還有一個步驟用來在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號；以及一個步驟用來從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差估計。
該方法中從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差估計的步驟最好還有一個步驟，用來從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生相位估計；以及一個步驟用來從所述相位估計產(chǎn)生時間差估計。
該方法中從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生相位估計的步驟最好還有一個步驟用來將第二個模式選擇性濾波后運動信號乘以第一個和第二個基準(zhǔn)信號，產(chǎn)生第二個模式選擇性濾波后運動信號相應(yīng)的實部分量和虛部分量；以及一個步驟用來估計第二個模式選擇性濾波后運動信號實部分量和虛部分量之商的反正切，產(chǎn)生相位估計。
術(shù)語模式選擇性濾波器模式選擇性濾波器在物理-模式-物理域內(nèi)工作，只將需要的模式傳送給信號處理鏈路的其余部分。模式通過濾波器有一個模式濾波器，一個選擇矩陣以及將模式信息轉(zhuǎn)換回物理域的一個矩陣(通常都是利用模式形狀矩陣，Φ，或者它的某個子集)。
模式選擇矩陣對角陣，對應(yīng)于所需模式的位置上的元素等于1。
模式形狀矩陣縮減到所需物理位置的模式矩陣；模式域到物理域的變換。
振動模式結(jié)構(gòu)的獨一無二特性，可以用它來說明結(jié)構(gòu)如何對力做出響應(yīng)(運動)。用數(shù)學(xué)術(shù)語來表示就是結(jié)構(gòu)運動方程矩陣(有時叫做動力學(xué)矩陣)的一個本征矢量。
相位估計兩個正弦信號之間的差別(用弧度或者度表示)。任意正弦信號都可以分解成3個常數(shù)幅度、相位和頻率，它們就能夠給定任意時刻t的信號值。傳感器信號幾乎就可以表示為正弦信號，它們都有一個共同的頻率、幅度和相位。傳感器信號之間的相位差正比于流量。
相關(guān)度量相關(guān)度量描述的是輸出量(例如運動、能量、δt等等)與輸入量(例如力、能量、流量等等)之間相關(guān)的程度?？梢杂糜诖_認(rèn)被測和/或計算出來的值之間的假定關(guān)系(例如質(zhì)量流量正比于時間延遲)是否成立。從相關(guān)良好變成相關(guān)很差就可能意味著假定的關(guān)系不再成立，例如是因為傳感器發(fā)生了故障。相關(guān)不好也可能是因為有其它能量被注入該系統(tǒng)，而在初始設(shè)置或者標(biāo)定的時候這個系統(tǒng)中沒有該能量。例如，在驅(qū)動器中能量輸入只有驅(qū)動力的實驗室條件下工作得很好的科里奧利傳感器，在空氣注入引起的噪聲流量的影響下可能給出錯誤的流量測量結(jié)果，因為此時顯然存在其它能量。此時，相關(guān)度量，比如估計的標(biāo)準(zhǔn)差，就可以說明系統(tǒng)發(fā)生了變化。
模式變換坐標(biāo)系統(tǒng)從物理域到模式域的變換，定義為x＝Φη，其中η是模式座標(biāo)。模式坐標(biāo)是可以被看成定義某些事情，然后再看它是不是一個有用定義的那些數(shù)學(xué)思想之一。。也可以被看成和在x-y平面內(nèi)定義一個圓，它要求x和y都改變，到使用極坐標(biāo)r和θ一樣簡單的一件事情，其中只有θ必須改變。到新坐標(biāo)的變換能夠使這一系統(tǒng)的描述更加簡單。
正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號解調(diào)正弦信號的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。解調(diào)是已知信號頻率的時候，估計任一正弦信號幅度和相位的一種方法。凹口濾波器給出傳感器信號的頻率估計。從頻率估計產(chǎn)生相同頻率的兩個正弦信號，它們互相相差90度(正交的含義，相位相差90度)，通常都是單位幅度。
定標(biāo)函數(shù)將信號乘以一個常數(shù)，或者常矢量。
增廣矩陣增廣一個矩陣就是給指定矩陣增加一些行或者列。用來將未知矩陣與已知常數(shù)合并，全面地描述問題，也就是給矩陣增加1、0構(gòu)成的行或者列(。用斜率參數(shù)來增廣截距參數(shù)是一種標(biāo)準(zhǔn)的最小平方曲線擬合技術(shù)。
斜率和截距參數(shù)等式y(tǒng)＝mx+b是直線的一個參數(shù)表示。m是斜率參數(shù)，b是截距參數(shù)。
增廣矩陣的偽逆從數(shù)學(xué)上來講，一條直線完全可以用兩個點來表示。但是，任意兩個數(shù)據(jù)點的參數(shù)同時有未知的噪聲分量。用2個點來表示一條直線會給這條直線帶來估計噪聲。用許多組數(shù)據(jù)點能夠平均掉現(xiàn)實世界中的噪聲，從而得到斜率和截距參數(shù)更好、噪聲更小的估計。用一條直線擬合有大量噪聲的許多點的一種方法是采用最小二乘技術(shù)。最小二乘技術(shù)的原理是使所有數(shù)據(jù)點偏離擬合直線的距離的和最小。假逆是進行最小二乘擬合處理的一種高效、標(biāo)準(zhǔn)方法。在假逆中采用增廣矩陣能夠在一次計算中同時找到斜率和截距參數(shù)。增廣假逆的矩陣能夠使最佳的擬合直線具有非零的截距參數(shù)，也就是說，它不必通過原點。


圖1是彎管流量傳感器結(jié)構(gòu)的一個原理示意圖。
圖2是直管流量傳感器結(jié)構(gòu)的一個原理示意圖。
圖3是說明本發(fā)明的實施方案中質(zhì)量流量估計裝置的原理示意圖。
圖4說明本發(fā)明其它實施方案中的信號處理電路。
圖5說明本發(fā)明其它實施方案中的質(zhì)量流量估計裝置。
圖6說明本發(fā)明的實施方案中的質(zhì)量流量和密度估計裝置。
圖7說明本發(fā)明的實施方案中產(chǎn)生相位估計的裝置。
圖8說明本發(fā)明的其它實施方案中產(chǎn)生相位估計的裝置。
圖9說明本發(fā)明的實施方案中產(chǎn)生時間差估計的裝置。
圖10是說明本發(fā)明的實施方案中如何估計質(zhì)量流量的一個流程圖。
圖11是本發(fā)明的其它實施方案中估計質(zhì)量流量的流程圖。
圖12和13是本發(fā)明的質(zhì)量流量估計過程中的波形圖。
圖14是本發(fā)明的實施方案中以迭代方式估計質(zhì)量流量定標(biāo)矢量的流程圖。
圖15是本發(fā)明的實施方案中產(chǎn)生相位估計的流程圖。
圖16是本發(fā)明的其它實施方案中估計質(zhì)量流量的流程圖。
圖17是本發(fā)明的實施方案中產(chǎn)生差估計的流程圖。
圖18是本發(fā)明的實施方案中估計質(zhì)量流量的流程圖。
圖19是本發(fā)明的實施方案中估計密度的流程圖。
圖20A、20B和21～27是說明本發(fā)明中系統(tǒng)變化的示例性影響的波形圖。
圖28～30是本發(fā)明的實施方案中監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)和補償系統(tǒng)變化的流程圖。
具體實施例方式
下面將參考說明本發(fā)明優(yōu)選實施方案的附圖，更加詳細(xì)地介紹本發(fā)明。但是，本發(fā)明還可以用許多其它形式來實現(xiàn)，不應(yīng)該理解為局限于這里給出的實施方案；相反，給出這些實施方案的目的是讓這一介紹更加全面、更加完整，將本發(fā)明的范圍全部告訴本領(lǐng)域中的技術(shù)人員。在整個說明中相似的數(shù)字指相似的部件。如同本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會明白的一樣，本發(fā)明可以作為系統(tǒng)(裝置)、方法或者計算機程序產(chǎn)品來實現(xiàn)。
這里描述的本發(fā)明的實施方案涉及科里奧利質(zhì)量流量計。但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會明白這里描述的本發(fā)明一般都能夠被用于確定各種機械結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)，因此本發(fā)明的裝置和方法不限于科里奧利質(zhì)量流量計。
如同本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所明白的一樣，本發(fā)明可以作為裝置和/或方法和/或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可以用硬件或者用硬件和軟件的結(jié)合來實現(xiàn)。除此以外，本發(fā)明還可以采取包括上面有計算機可讀程序代碼的計算機可讀存儲媒介的計算機程序產(chǎn)品的形式?？梢圆捎糜嬎銠C可讀任何媒介，包括半導(dǎo)體存儲器裝置(例如RAM、ROM、EEPROM等等)，硬盤，CD-ROM，光存儲裝置和磁存儲裝置。
用于實現(xiàn)本發(fā)明的計算機程序代碼可以用面向目標(biāo)的編程語言編寫，比如Java或者C++，和/或過程程序設(shè)計語言，比如“C.”?？梢杂靡慌_計算機或者數(shù)據(jù)處理裝置來執(zhí)行程序代碼，例如用一個微控制器、微處理器或者數(shù)字信號處理器(DSP)，也可以用多個裝置來執(zhí)行，例如，在多個數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行，這些裝置通過電路板、機箱或者組合上的串行或者并行數(shù)據(jù)總線，或者是它們形成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，比如局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)或者因特網(wǎng)。
下面參考本發(fā)明的實施方案中的流程圖和/或方法框圖、裝置(系統(tǒng))和計算機程序產(chǎn)品來介紹本發(fā)明。顯然，流程圖和/或框圖的每個框，以及流程圖和/或框圖中框的組合，都可以用計算機程序代碼(指令)來實現(xiàn)?？梢詫⑦@些計算機程序代碼提供給通用計算機、專用計算機或者其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置的處理器，形成一臺機器，從而使通過計算機或者其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置的處理器執(zhí)行的指令實現(xiàn)流程圖和/或框圖的框說明的功能。
這些計算機程序產(chǎn)品還可以用計算機可讀存儲媒介來實現(xiàn)(例如磁盤或者半導(dǎo)體存儲器，代碼磁存儲器之類)，它們能夠讓計算機或者其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置按照特定的方式工作，從而使計算機可讀存儲器中儲存的計算機程序能夠成為一個產(chǎn)品，其中包括指令裝置，實現(xiàn)流程圖和/或框圖中的框說明的功能。
還可以將計算機程序代碼載入計算機或者其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置，在計算機或者其它可編程裝置上執(zhí)行一系列的步驟，使得計算機或者其它可編程裝置上執(zhí)行的這些代碼能夠?qū)崿F(xiàn)流程圖和/或框圖中的框說明的功能。
振動導(dǎo)管的模式特征科里奧利質(zhì)量流量計導(dǎo)管這種結(jié)構(gòu)的振動特征可以用具有對應(yīng)自然振動頻率的一個或者多個自然模式來描述。從數(shù)學(xué)上講，這些模式和對應(yīng)的自然頻率可以用本征矢量和對應(yīng)的本征值來描述，這些本征矢量的相對幅度是獨一無二的，但是絕對幅度則不是這樣，關(guān)于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛性正交。這一組線性獨立的矢量可以被用作到描述結(jié)構(gòu)運動的去耦方程的變換。具體而言，這種結(jié)構(gòu)對激勵的響應(yīng)可以被表示成定標(biāo)模式的疊加，定標(biāo)表示每個模式對結(jié)構(gòu)運動的貢獻(xiàn)。隨著激勵的不同，一些模式的貢獻(xiàn)可能比其它模式多一些。一些模式是不受歡迎的，因為它們會在所需模式的諧振頻率上消耗能量，因此，它們會破壞對所需模式諧振頻率的測量，比如，會破壞在驅(qū)動頻率上的相位差測量。
傳統(tǒng)的科里奧利質(zhì)量流量計通常都是利用結(jié)構(gòu)和時間濾波技術(shù)來減少不需要的模式的影響。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)濾波技術(shù)包括利用一些機械部件，比如用來消除同相和正交彎曲模式的斜拉桿，放置的位置使得它們不容易激勵起不需要的模式的激勵器，以及放置的位置使得它們對不需要的模式不敏感的換能器。對于減少不需要的模式的能量，結(jié)構(gòu)濾波技術(shù)非常有效，但是它在幾何和制造方面受到限制。
時間濾波技術(shù)一般都要改變換能器信號的時域或者頻域參數(shù)。例如，典型的科里奧利質(zhì)量流量計可以包括用來消除與不需要的模式明顯相關(guān)聯(lián)的頻率分量的頻域濾波器。但是，不需要的模式的非共振能量對所需模式諧振頻率上的能量有顯著貢獻(xiàn)。因為頻域濾波器一般都不能很好地區(qū)分給定頻率上多個模式的貢獻(xiàn)，因此，被測頻率上不需要的模式的貢獻(xiàn)會成為過程參數(shù)測量中一個很大的誤差來源。
可以假設(shè)阻尼和零流量可以忽略的傳感器導(dǎo)管結(jié)構(gòu)具有純真實自然或者正常振動模式，也就是說，在每個模式中，結(jié)構(gòu)的每一點都同時達(dá)到它的最大差。但是不能忽略阻尼，以及有材料流經(jīng)的真實導(dǎo)管對激勵的響應(yīng)一般都是復(fù)的，也就是說，不是結(jié)構(gòu)的所有點都同時達(dá)到最大值。導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的運動可以被描述為具有實部分量和虛部分量，或者幅度和相位分量，的復(fù)模式。流經(jīng)的材料產(chǎn)生的科里奧利力使得傳感器導(dǎo)管的運動從數(shù)學(xué)上來講是復(fù)的。
即使是復(fù)數(shù)的，也可以將導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的運動描述成定標(biāo)自然(“正?！被蛘摺皢巫杂啥?SDOF)”)模式的疊加，因為按照定義，復(fù)模式的實部和虛部是線性獨立的。為了表示復(fù)運動，可以結(jié)合實正交模式采用復(fù)定標(biāo)系數(shù)。特定的實正交模式可以與復(fù)模式的虛部分量密切相關(guān)，而與復(fù)模式的實部分量關(guān)系不那么大。因此，這些特定的實正交模式可以與傳感器導(dǎo)管中的材料產(chǎn)生的科里奧利力的關(guān)系更加密切，因而能夠為產(chǎn)生材料的精確參數(shù)估計提供信息。
在圖1中畫出了一種科里奧利質(zhì)量流量計傳感器100的一個概念模型。運動傳感器105A、105B、105C、105D(例如速度換能器)用來監(jiān)測傳感器100的第一個和第二個彎曲導(dǎo)管103A、103B的相對運動，當(dāng)材料108流經(jīng)導(dǎo)管103A、103B的時候，激勵器106振動它們，運動換能器105A、105B、105C、105D產(chǎn)生運動信號109。圖2所示的“直管”科里奧利流量計傳感器200有一個導(dǎo)管203用來容納來自管道207的材料208，該管道207通過法蘭盤202與傳感器200連接。在包圍導(dǎo)管203的外殼204中，激勵器激勵導(dǎo)管203。運動換能器205A、205B、205C、205D(例如速度換能器，加速度計或者其它運動傳感裝置)都排列在導(dǎo)管203上。運動換能器205A、205B、205C、205D產(chǎn)生運動信號209，表示導(dǎo)管203因為多個力F的作用而產(chǎn)生的運動，例如，這些力有激勵器206產(chǎn)生的驅(qū)動力，流經(jīng)的材料208產(chǎn)生的科里奧利力，材料208產(chǎn)生的壓力，以及其它外力，例如管道207產(chǎn)生的力，與管道207連接的泵、壓縮機和其它設(shè)備(圖中沒有畫出)產(chǎn)生，通過法蘭202傳遞給導(dǎo)管203的力。
對于圖1和2所示的那種流量計結(jié)構(gòu)，可以從結(jié)構(gòu)上的換能器產(chǎn)生的信號構(gòu)建響應(yīng)矢量x，例如從圖1和圖2所示的運動換能器105A、105B、105C、105D、205A、205B、205C、205D產(chǎn)生的運動信號109、209。例如，可以對運動信號采樣，產(chǎn)生響應(yīng)矢量x的運動信號值x1、x2、...、xn。實正交模式矩陣Φ，也就是將物理運動矢量與表示多個自然(SDOF)模式的模式運動矢量η聯(lián)系起來的本征值矩陣，可以寫成x＝Φη (1)模式矩陣Φ可以用多種技術(shù)來確定。例如，可以采用反復(fù)試驗或者反演技術(shù)，就象轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，1997年7月11日提交的第08/890785號美國專利申請所描述的一樣，在這里將它全部引入作為參考。
示例性的質(zhì)量流量計根據(jù)本發(fā)明的實施方案，用選擇性的模式濾波技術(shù)來產(chǎn)生模式選擇性濾波后運動信號，然后用它們來產(chǎn)生相位估計，再用這些信號估計來產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。下面將介紹本發(fā)明中這一方面的示例性實施方案，特別是采用圖2所示傳感器200那種“直管”傳感器的實施方案。但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會明白，本發(fā)明也能應(yīng)用于彎曲導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，比如圖1所示傳感器100中使用的那種，以及質(zhì)量流量計、密度計之類使用的容納材料的其它結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員還會明白，本發(fā)明也能應(yīng)用于確定多種其它結(jié)構(gòu)的運動特性。
圖3畫出了本發(fā)明的實施方案中的一個質(zhì)量流量估計裝置300。裝置300有一個容納材料的導(dǎo)管203，流量計傳感器200的運動換能器，以及信號處理電路301，它從運動換能器205A、205B、205C、205D產(chǎn)生的運動信號305產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。圖2和3中用相似的數(shù)字來表示傳感器200中相似的部件，因此不再重復(fù)圖2中的描述。
信號處理電路301有一個模式選擇性濾波器310，用來接收運動信號305，有選擇地通過運動信號305的一個或者多個分量，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號315。最好根據(jù)傳感器200的模式特性來設(shè)計模式選擇性濾波器310，就象1998年7月16日提交的第09/116410號美國專利申請所介紹的一樣，在這里將它的內(nèi)容全部引入作為參考。信號處理電路301還有一個相位估計器320，它響應(yīng)模式選擇性濾波后運動信號315，產(chǎn)生多個相位估計325。信號處理電路301還有一個質(zhì)量流量估計器330，它響應(yīng)相位估計器320，從多個相位估計325產(chǎn)生質(zhì)量流量估計335。
圖4說明本發(fā)明的實施方案中模式選擇性濾波器410、相位估計器420和質(zhì)量流量估計器430的一種示例性實施方案。多個運動信號405a，例如從速度或者與導(dǎo)管或者其它材料容器連接的其它運動換能器輸出的模擬信號，用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器440進行采樣和數(shù)字化，產(chǎn)生多個數(shù)字運動信號405b。用一個數(shù)字模式選擇性濾波器410處理數(shù)字運動信號405b，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后數(shù)字運動信號415。數(shù)字相位估計器420從多個模式選擇性濾波后數(shù)字運動信號415產(chǎn)生多個數(shù)字相位估計425。數(shù)字質(zhì)量流量估計器430從多個數(shù)字相位估計425產(chǎn)生一個數(shù)字質(zhì)量流量估計435。如圖所示，模式選擇性濾波器410、相位估計器420和質(zhì)量流量估計器430可以用數(shù)據(jù)處理器450，例如計算機(例如微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器或者其它計算裝置)和有關(guān)存儲媒介(例如半導(dǎo)體存儲器、磁存儲器和/或光存儲器)的結(jié)合，執(zhí)行的計算機可讀程序代碼實現(xiàn)。
圖5畫出了本發(fā)明的其它實施方案中的一個示例性質(zhì)量流量估計裝置500。裝置500有一個容納材料的導(dǎo)管203，以及與直管傳感器200的運動換能器205A、205B、205C、205D連接，就象參考圖2所介紹的一樣，與參考圖2所作描述相同的地方不再詳細(xì)介紹。信號處理電路501有一個模式選擇性濾波器510，用來接收傳感器200產(chǎn)生的運動信號505，有選擇地通過運動信號505中的一個或者多個分量，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號515。模式選擇性濾波器510還被用來產(chǎn)生至少一個模式運動信號517，也就是在導(dǎo)管203的至少一個自然(SDOF)模式給出的模式域中導(dǎo)管203的運動的至少一個信號。模式選擇性濾波器510最好是按照傳感器200的模式特性來設(shè)計，就象1998年7月16日提交的第09/116410號美國專利申請所介紹的一樣。
信號處理電路501還有一個相位估計器520，它響應(yīng)模式選擇性濾波器510，從多個模式選擇性濾波后運動信號515產(chǎn)生多個相位估計525。信號處理電路501還有一個質(zhì)量流量估計器530，它響應(yīng)相位估計器520，用模式頻率估計器540產(chǎn)生的至少一個模式頻率估計545，從多個相位估計525產(chǎn)生一個質(zhì)量流量估計535。模式頻率估計器540根據(jù)至少一個模式運動信號517產(chǎn)生至少一個模式頻率估計545。信號處理電路501還有一個密度估計器550，它根據(jù)至少一個模式頻率估計545，產(chǎn)生一個密度估計555。
圖6畫出了本發(fā)明中實施方案里的一個裝置600，它根據(jù)多個運動信號605，估計質(zhì)量流量和密度。裝置600有一個模式選擇性濾波器610，一個相位估計器620，一個質(zhì)量流量估計器630，一個模式頻率估計器640和一個密度估計器650。模式選擇性(或者“模式通過式”)濾波器610有一個模式變換612，將多個運動信號605變換成多個模式運動信號613，用多個自然模式表示運動，就象上面參考等式(1)和前面提到的1998年7月16日提交的第09/116410號美國專利申請所介紹的一樣。模式選擇性濾波器610還有一個模式選擇性變換614，它有選擇地將多個模式運動信號613變換出模式域，產(chǎn)生模式選擇性濾波后運動信號615，它經(jīng)過了濾波，原始運動信號615中與一個或者多個需要的模式有關(guān)的分量能夠通過，而與不需要的自然模式有關(guān)的分量則不能通過。1998年7月16日提交的第09/116410號美國專利申請也介紹了這樣的模式選擇性變換。模式運動信號613被傳遞給模式頻率估計器640，產(chǎn)生一個或者多個模式頻率估計645。
模式選擇性濾波后運動信號615被傳遞給相位估計器620，利用從多個運動信號605得到的相位基準(zhǔn)產(chǎn)生多個相位估計625。例如，如同下面參考圖7所介紹的一樣，可以從一個或者多個模式選擇性濾波后運動信號615得到相位基準(zhǔn)。另外，還可以從模式頻率估計器640用一個或者多個模式運動信號613產(chǎn)生的一個或者多個模式頻率估計645得到相位基準(zhǔn)。
將相位估計625傳遞給質(zhì)量流量估計器630，它有一個時間差估計器632和一個空間積分器634。利用模式頻率估計器640產(chǎn)生的一個或者多個模式頻率估計645，時間差估計器632從多個相位估計625產(chǎn)生多個時間差估計633。時間差估計器640還可以用零流量基準(zhǔn)時間差631，也就是零質(zhì)量流量條件下的時間差值，在其它質(zhì)量流量速率下會破壞測量，產(chǎn)生修正了這種“零偏移”的時間差。如同下面將描述的一樣，可以由模式頻率估計器640產(chǎn)生驅(qū)動模式頻率的一個估計，可以用估計出來的這個驅(qū)動模式頻率除相位估計，得到未修正的時間差估計。然后可以用零流量基準(zhǔn)時間差631(例如通過從中減去)修正未修正的時間差估計，產(chǎn)生時間差估計633。
將時間差估計器632產(chǎn)生的時間差估計633提供給空間積分器634。如同下面詳細(xì)介紹的一樣，空間積分器634可以決定將多個時間差估計633與對應(yīng)于已知質(zhì)量流量的多個基準(zhǔn)時間差637聯(lián)系起來的一個定標(biāo)矢量函數(shù)的斜率參數(shù)?？梢噪S后用這個斜率參數(shù)從已知質(zhì)量流量產(chǎn)生質(zhì)量流量估計635。
同樣如同在圖6所說明的一樣，質(zhì)量估計器650也可以用模式頻率估計645產(chǎn)生要確定其質(zhì)量流量的材料的密度估計。密度估計器650可以用類似于從非模式選擇性濾波后換能器信號產(chǎn)生密度估計655的那些技術(shù)，比如Buttler等等的第56871000號美國專利(1997年11月11日發(fā)布)以及Arunachalam等等的第5295084號美國專利(1994年3月15日發(fā)布)所描述的那些技術(shù)，在這里將它們?nèi)恳胱鳛閰⒖?。例如，根?jù)本發(fā)明的一些實施方案，可以用模式頻率估計替換前面的專利使用的傳統(tǒng)頻率估計來產(chǎn)生密度估計。
圖7～9說明實現(xiàn)圖6所示各種分量的示例性結(jié)構(gòu)。應(yīng)該明白，圖6中和圖7～9所示結(jié)構(gòu)中的模式選擇性濾波器610、相位估計器620、質(zhì)量流量估計器630、模式頻率估計器640都可以在數(shù)字域中實現(xiàn)，例如，作為微處理器、微控制器、DSP或者其它計算裝置中運行的可執(zhí)行模塊、子程序、目標(biāo)碼和/或其它類型的軟件和/或固件。在這種方式中，模式運動信號613、模式選擇性濾波后運動信號615和相位估計633這樣的“信號”可以包括計算階段產(chǎn)生，對它們進行計算實現(xiàn)上述功能的數(shù)字信號值的矢量。但是應(yīng)該明白，總的來說，這些信號中的全部或者部分可以是數(shù)字的，也可以是模擬的，對它們所進行的操作可以用專用數(shù)字硬件和/或相似的模擬硬件進行。
圖7給出了本發(fā)明的實施方案中相位估計器700的一個實例。相位估計器700有一個頻率估計器710，用來估計多個模式選擇性濾波后運動信號7011、7012、...、701n的一個模式選擇性濾波后運動信號7011的頻率。頻率估計器710產(chǎn)生一個頻率估計715，提供給正交性基準(zhǔn)信號發(fā)生器720，產(chǎn)生第一個和第二個(例如正弦和余弦)基準(zhǔn)信號725a、725b，它們的頻率為估計出來的頻率，相位互相正交。例如，頻率估計器710可以是一個數(shù)字自適應(yīng)陷波濾波器，可以用它來確定頻率估計715，正交基準(zhǔn)信號發(fā)生器720可以用“旋轉(zhuǎn)”函數(shù)產(chǎn)生正交基準(zhǔn)信號725a、725b，其方式類似于1999年6月28日提交，標(biāo)題是“振動導(dǎo)管上傳感器信號的多速率數(shù)字信號處理器”，轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的第09/344840號美國專利申請所介紹的方式，在這里將它全部引入作為參考。但是應(yīng)該明白，還可以采用其它技術(shù)來產(chǎn)生頻率估計715和/或正交基準(zhǔn)信號725a、725b，包括用于產(chǎn)生正交相位和正交基準(zhǔn)信號的其它數(shù)字和模擬信號處理技術(shù)。例如，不是從圖7所示的模式選擇性濾波后信號產(chǎn)生頻率估計715，而是頻率估計是一個模式頻率估計，比如圖6所示的模式頻率估計器640產(chǎn)生的一個或者多個模式頻率估計。
將第一個和第二個相位基準(zhǔn)信號725a、725b應(yīng)用于多個相位計算器730、7302、...、730n，它們中間對應(yīng)的那些從模式選擇性濾波后運動信號7011、7012、...、701n中對應(yīng)的那些產(chǎn)生對應(yīng)的相位估計7351、7352...、735n。然后用歸一化器740相對于相位估計7351歸一化相位估計7352、...、735n，產(chǎn)生多個歸一化的相位估計7451、7452、...、745n。然后用歸一化的相位估計7451、7452、...、745n估計質(zhì)量流量，如同前面參考圖6所介紹的一樣。
再一次參考圖6，模式頻率估計器640可以利用類似于上面參考圖7所介紹的那些頻率估計技術(shù)。例如，標(biāo)題為“振動導(dǎo)管上傳感器信號的多速率數(shù)字信號處理器”的第09/344840號美國專利申請所描述的確定頻率的自適應(yīng)陷波濾波技術(shù)可以被用于為至少一個模式運動信號617產(chǎn)生至少一個頻率估計645。
在圖8中給出利用合成正交(例如正弦和余弦)基準(zhǔn)信號725a、725b解調(diào)模式選擇性濾波后運動信號701j的示例性計算操作。用每一個正交基準(zhǔn)信號725a、725b分別乘以模式選擇性濾波后運動信號701j，產(chǎn)生信號的實部分量和虛部分量805b、805a。然后，反正切計算器810計算實部分量和虛部分量805b、805a的反正切，產(chǎn)生相位估計735j。最好是在提供給反正切計算器810之前對實部分量和虛部分量805b、805a進行濾波，從而衰減掉信號805b、805a中的非直流分量。
圖9畫出了本發(fā)明的實施方案中產(chǎn)生修正時差估計633的示例性計算結(jié)構(gòu)。將相位估計625的一個矢量除以估計出來的模式頻率645，最好是與驅(qū)動模式有關(guān)的一個或者多個頻率。然后通過減去零流量基準(zhǔn)時差631的一個對應(yīng)矢量，修正得到的時差915的矢量，產(chǎn)生修正時差估計633的一個矢量?？梢酝ㄟ^從上面介紹的相位估計7351、7352、...、735n減去與零流量有關(guān)的一個相位值矢量，從而得到類似的修正。
時差估計的空間積分根據(jù)本發(fā)明的其它方面，可以用“空間積分”程序處理上面描述的修正時差估計這樣的時差估計，產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。根據(jù)下面將介紹的本發(fā)明的各種實施方案，可以用多種技術(shù)來確定將未知質(zhì)量流量的時差估計與已知質(zhì)量流量的基準(zhǔn)時差聯(lián)系起來的斜率參數(shù)，包括閉合形式的假逆技術(shù)和迭代技術(shù)?？梢杂眠@種斜率參數(shù)來產(chǎn)生未知質(zhì)量流量的估計。
如同上面提到的1998年7月16日提交的第09/116410號美國專利申請所介紹的一樣，可以確定對于已知質(zhì)量流量Fc是插值矢量Ye，通過標(biāo)量乘，可以用這個基準(zhǔn)時差矢量Ye表示未知質(zhì)量流量，也就是說，未知質(zhì)量流量的時差估計矢量Xe可以用一個標(biāo)量系數(shù)a(以后叫做“斜率參數(shù)”)乘以基準(zhǔn)時差矢量Ye來產(chǎn)生。為了確定未知質(zhì)量流量，將已知的質(zhì)量流量Fc乘以斜率參數(shù)a。基準(zhǔn)時差矢量Ye和時差估計矢量Xc之間的關(guān)系為Xe＝aYe+b (2)重新調(diào)整等式(2)得到
其中增廣矩陣Z是通過在基準(zhǔn)時差矢量Ye上加上一列1得到的。可以通過事先將時差估計矢量Xe乘以增廣矩陣Z的假逆W來求解等式(3)得到定標(biāo)矢量cc＝Z-1Xe＝WXc(4)其中的逆矩陣運算符(-1)被用于表示假逆。求解矢量c，然后將Fc乘以矢量c的斜率參數(shù)，就能夠得到質(zhì)量流量的估計。
圖10和11是說明本發(fā)明的各種實施方案中從多個時差估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計的示例性操作的一個流程圖。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會明白，這些流程圖中的操作可以用計算機指令來實現(xiàn)。這些指令可以在計算機上執(zhí)行，也可以在其它數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行，比方說圖4所示的數(shù)據(jù)處理器450，用它來形成一種裝置(系統(tǒng))，完成圖示操作。計算機指令也可以作為計算機可讀媒介上的計算機可讀程序代碼儲存起來，例如儲存在集成電路存儲器、磁盤、磁帶之類上，它們能夠讓計算機或者其它數(shù)據(jù)處理裝置進行圖示操作，從而得到裝置完成圖示操作。計算機可讀程序代碼也可以在計算機或者其它數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行，讓這個裝置進行計算機能夠進行的處理。因此，圖10和11支持裝置(系統(tǒng))、計算機程序產(chǎn)品和方法來進行圖示操作。
圖10說明本發(fā)明的實施方案中沿著上述行從時差估計矢量Xe產(chǎn)生質(zhì)量流量估計的操作1000。確定(框1010)包括已知質(zhì)量流量Fc用一列1增廣后的基準(zhǔn)時差估計矢量Ye的增廣矩陣Z的一個假逆W?？梢耘紶柕卮_定以此增廣矩陣Z和假逆矩陣W，例如在校準(zhǔn)的時候，以減少計算負(fù)擔(dān)。江時差估計矢量Xe乘以假逆矩陣W，產(chǎn)生定標(biāo)矢量c，包括斜率參數(shù)a和截距參數(shù)b(框1020)。然后將斜率參數(shù)a乘以已知質(zhì)量流量Fc，產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(框1030)。應(yīng)該指出，可以對質(zhì)量流量估計進行進一步的處理，例如，可以將質(zhì)量流量估計與一段時間內(nèi)得到的其它質(zhì)量流量估計一起做平均，產(chǎn)生濾波后的質(zhì)量流量度量(框1040)。也可以監(jiān)視截距參數(shù)b，例如，以檢測系統(tǒng)變化(框1050)。
下面將說明監(jiān)視矢量c的截距參數(shù)b有幾個好處。但是，必須計算截距參數(shù)b，以便產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。等式(2)可以被重新寫成Xc＝Y(jié)ea (5)沒有用任何截斷參數(shù)b。等式(5)可以被看作將時差估計矢量Xe的形狀與基準(zhǔn)時差估計矢量Ye的形狀相匹配，而不考慮相位歸一化，的一種嘗試。如果時差估計矢量Yc和基準(zhǔn)時差估計矢量Xe是任意歸一化的，等式(5)就能夠工作，如果所有相位都在確定時差估計Xe以前用基準(zhǔn)相位進行歸一化，就能得到更好的結(jié)果。為了求解斜率參數(shù)a，可以采用以下關(guān)系a＝Y(jié)e-1Xe(6)圖11說明本發(fā)明的實施方案中產(chǎn)生質(zhì)量流量估計而沒有確定截距參數(shù)b所進行的操作1100。確定已知質(zhì)量流量Fc的基準(zhǔn)時差矢量Ye的假逆Ye-1(框1110)?？梢耘紶柕赜嬎阋淮渭倌鎅e-1，例如在校準(zhǔn)的時候，以減少計算負(fù)擔(dān)。將時間差估計Xe乘以假逆Ye-1，以確定斜率參數(shù)a(框1120)。然后用已知質(zhì)量流量Fc乘以斜率參數(shù)a，產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(方框1130)。顯然可以對質(zhì)量流量估計進行進一步的處理，例如可以將質(zhì)量流量估計與一段時間內(nèi)的其它質(zhì)量流量估計進行平均，產(chǎn)生濾波后質(zhì)量流量度量(方框1140)。
圖12和13說明本發(fā)明的實施方案中科里奧利質(zhì)量流量計原型的測試結(jié)果，它說明計算截距參數(shù)b并不是產(chǎn)生質(zhì)量流量估計所必需的。具體而言，圖12和13說明利用上述假逆方法中對應(yīng)的那些方法(也就是分別計算和沒有計算截距參數(shù)b)在感興趣的時間段內(nèi)(大約10到30秒)產(chǎn)生的質(zhì)量流量估計說明與用其它裝置獲得的所述時間段內(nèi)試驗性的質(zhì)量流量速率測量結(jié)果同樣相符。
根據(jù)本發(fā)明的其它實施方案，可以用迭代技術(shù)而不是用上面的偽逆技術(shù)來求解矢量c。可以給出誤差等式L(k)＝Xe(k)-Zc(k-1)(7)和有關(guān)的費用函數(shù)J＝1/2L2(8)可以用梯度方法來找到解，它將費用函數(shù)J減小到需要的程度，梯度由下式給出∂J∂c=-LZ.-----(9)]]>按照梯度接近費用函數(shù)J最小值的時候可以采用較小的步長。在第k步，用以下關(guān)系產(chǎn)生矢量c(k)的新估計
c(k)=c(k-1)-γ∂J∂c=c(k-1)+γLZ,-------(10)]]>其中矢量c(k-1)表示前面k-1次迭代產(chǎn)生的結(jié)果，γ是這一過程的自適應(yīng)速率。反復(fù)計算，直到費用函數(shù)J減小到預(yù)定程度。γ應(yīng)該大于零，小于2，以確保收斂。γ的值一般都會影響收斂速率和迭代過程對噪聲的敏感程度。一般而言，γ值越大，收斂越快；但是，γ很大會增大對噪聲的敏感性。γ的最佳值可以通過實驗來確定，它的典型值是0.1。
等式(10)表示參數(shù)估計的最小均方(LMS)法。也可以按照以下方式采用這種自適應(yīng)方法的潛在更加堅固的歸一化最小均方(NLMS)法c(k)=c(k-1)-γZTL(k)α+||Z||22,-------(11)]]>其中0＜γ＜2 (12)其中a是一個常數(shù)，如果Z的模接近0，就用它來減小數(shù)字不穩(wěn)定的可能性。為了讓等式(11)收斂，應(yīng)該滿足等式(12)。a最好是一個很小的正值，可以根據(jù)試驗來選擇。
圖14說明本發(fā)明的實施方案中的操作1400，在其中沿著上述線以迭代方式計算定標(biāo)矢量c。產(chǎn)生時差估計矢量Xe(方框1410)。產(chǎn)生初始定標(biāo)矢量估計c(k)(方框1420)。初始值c(k)可以是例如0，也可以是從前面的Xe值產(chǎn)生的定標(biāo)矢量c的最終估計。假設(shè)不同流量度量之間流量速率變化不大，那么后一種選擇能夠提高收斂速度，定標(biāo)矢量c的前面的估計值應(yīng)該接近要計算的新值。例如用等式(7)和(8)計算有關(guān)的誤差L(k)和費用函數(shù)J(k)(方框1440)。如果費用函數(shù)J(k)小于一個預(yù)定值，就說明可以產(chǎn)生定標(biāo)矢量估計c(k)的一個可以接受的精度，以及質(zhì)量流量的一個估計(方框1450、1455)，產(chǎn)生新的時差估計矢量Xe(方框1410)。如果不是，就利用例如等式(10)或者等式(11)產(chǎn)生定標(biāo)矢量c(k)的一個更新估計(方框1460、1470)，計算新誤差和費用函數(shù)值(方框1430、1440)。
本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會明白，本發(fā)明還可以采用圖14所描述的那些以外的操作。例如，應(yīng)該明白，許多計算可以合并起來或者加以改變。還應(yīng)該明白，除了上面介紹的LMS和NLMS技術(shù)以外，還有許多不同的迭代技術(shù)可以被用來求解等式(3)。
圖15～19是本發(fā)明中各種實施方案的示例性操作流程圖。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會明白，可以用計算機指令來實現(xiàn)這些流程。這些指令可以在計算機上或者在其它數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行，比如在圖4所示的數(shù)據(jù)處理器450上，形成一個裝置(系統(tǒng))來執(zhí)行所示操作。計算機指令也可以作為計算機可讀程序代碼儲存在計算機可讀媒介上，例如，集成電路存儲器，磁盤，磁帶之類，這些指令能夠讓計算機或者其它數(shù)據(jù)處理裝置進行所示操作，從而形成一個裝置完成所示操作。計算機可讀程序代碼也可以在計算機或者其它數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行，從而形成裝置完成計算機過程。因此，圖15～19支持裝置(系統(tǒng))、計算機程序產(chǎn)品和方法來進行所述操作。
根據(jù)圖15所示的本發(fā)明的實施方案，產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)運動有關(guān)的相位估計的操作1500包括對表示結(jié)構(gòu)運動的多個運動信號進行模式選擇性濾波，利用例如參考圖6所介紹的那些技術(shù)，產(chǎn)生對應(yīng)的多個模式選擇性濾波后運動信號(方框1510)。然后從這多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計(方框1520)。
在圖16所示本發(fā)明的實施方案中示例性的質(zhì)量流量估計操作1600里，對表示導(dǎo)管運動的多個運動信號進行模式選擇性濾波，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號(方框1610)。然后從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計(方框1620)，用于產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(方框1630)。
在圖17所示本發(fā)明的其它實施方案中的示例性的差估計操作1700中，對表示結(jié)構(gòu)運動的多個運動信號進行模式選擇性濾波，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號(方框1710)。利用例如上面參考圖7所描述的自適應(yīng)陷波濾波操作，確定第一個模式選擇性濾波后運動信號的頻率(方框1720)。然后利用例如參考圖7介紹的解調(diào)操作，從第二個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生一個差估計，例如相位差估計和/或時間差估計(方框1730)。
圖18說明本發(fā)明的其它實施方案中產(chǎn)生質(zhì)量流量估計的操作1800。對表示導(dǎo)管運動狀況的多個運動信號進行處理，產(chǎn)生多個差估計，例如，時間差估計或者相位差估計(方框1810)。然后估計將多個差估計與對應(yīng)于已知質(zhì)量流的多個差估計聯(lián)系起來的斜率參數(shù)(方框1820)，從估計出來的斜率參數(shù)和已知的質(zhì)量流量產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(方框1830)。這些操作可以用例如參考圖10和11所介紹的操作實現(xiàn)。
在圖19所示本發(fā)明的其它實施方案中的示例性密度估計操作1900中，對表示容納材料的容器運動狀況的多個運動信號進行模式變換，在容器的至少一個振動模式給出的模式域內(nèi)產(chǎn)生至少一個模式運動信號(方框1910)。然后從這至少一個模式運動信號確定至少一個模式頻率(方框1920)，從這至少一個模式頻率估計確定容器中材料的密度(方框1930)，例如如同參考圖6所介紹的一樣。
監(jiān)視空間截距或者其它相關(guān)度量來監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)如同前面參考圖10和11所介紹的一樣，雖然定標(biāo)矢量c的截距參數(shù)b對于質(zhì)量流量估計而言不是必不可少的，但是它對于監(jiān)測系統(tǒng)的變化卻是有幫助的，比如運動換能器故障。安裝條件變化等等。截距參數(shù)的潛在用途在圖20A～20B和21中說明。圖20A～20B用圖形方式說明大約20秒，運動換能器發(fā)生故障的時候，計算出來的質(zhì)量流量速率和空間截距參數(shù)的仿真變化，特定換能器的故障是通過消除換能器產(chǎn)生的時間差估計矢量中的對應(yīng)元素來仿真的。如圖20A所示，換能器的損失在計算出來的質(zhì)量流量速率中產(chǎn)生變化，它有可能被錯誤地解釋成質(zhì)量流量速率發(fā)生了變化。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，可以將截距參數(shù)的變化用來啟動故障修正程序。例如，如圖20A和20B所示，可以通過去掉對應(yīng)于發(fā)生故障的換能器對應(yīng)的那一行來重新計算增廣矩陣Z的假逆W，然后用來產(chǎn)生新的質(zhì)量流量估計。如圖20A所示，在大約40秒，對質(zhì)量流量估計進行這樣的修正的時候，能夠提高精度。具體地說，對于圖示實例，進行這樣的修正能夠使誤差為0.5％，而不進行這樣的修正，誤差就會達(dá)到4％。
如圖21所示，它說明一組5個運動換能器中每一個換能器發(fā)生故障的時候的截距參數(shù)值，可以用截距參數(shù)的突變來發(fā)現(xiàn)運動換能器的故障，僅僅是質(zhì)量流量的變化通常都不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。其它系統(tǒng)變化，比方說安裝或者其它條件的變化，也可以用截距參數(shù)的變化來發(fā)現(xiàn)。具體而言，圖22說明給一個科里奧利質(zhì)量流量計原型的結(jié)構(gòu)增加了阻尼以后，它的截距參數(shù)的變化。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，截距參數(shù)是可以用來監(jiān)測系統(tǒng)變化的各種不同相關(guān)度量中的一種?？偟膩碚f，一旦計算出定標(biāo)矢量c，就可以用上面的等式(3)來得到時間差矢量Xest，它是“被測”時間差矢量Xe(按照上述方式產(chǎn)生的)一個最小平方擬合XeXest＝Zc(13)可以將預(yù)測出來的時間差Xest矢量與被測時間差估計矢量Xe進行比較，產(chǎn)生能夠用于各種目的的一個相關(guān)度量。這一比較可以偶爾進行，或者在每次計算質(zhì)量流量的時候進行。
在本發(fā)明的實施方案中，可以從預(yù)測出來的時間差矢量Xest產(chǎn)生相關(guān)系數(shù)r，用來檢測系統(tǒng)變化。相關(guān)系數(shù)r是+1和-1之間的一個無量綱標(biāo)量，它利用一個量X，這個量等于時間差估計Xe的平均X-=mean(Xe)=Σi=1NXeiN,------(14)]]>其中N是數(shù)據(jù)點數(shù)，例如運動換能器信號的數(shù)量?？梢詫⑾嚓P(guān)系數(shù)r定義為說明的變化與總變化的一個比值r=±explainedvariationtotalvariation=±Σ(Xest-X-)2Σ(Xe-X-)2.-----(15)]]>圖23說明如何應(yīng)用這個相關(guān)系數(shù)，特別是如何用它來檢測換能器故障。在0～15秒的第一個時間段利用換能器#1～#5產(chǎn)生的運動信號產(chǎn)生的時間差估計矢量Xe估計質(zhì)量流量。然后通過消除對應(yīng)于一個運動換能器(#2)從15到30秒的時間段內(nèi)對應(yīng)的運動信號值來擾動隨后產(chǎn)生的時間差估計矢量Xe，模擬這一段時間內(nèi)換能器的故障。然通過讓#2號換能器的運動信號值加倍，擾動45～60秒這段時間內(nèi)時間差估計矢量Xe，模擬換能器的增益變化或者“有噪聲的”換能器信號。如圖23所示，消除#2號換能器輸入的時候，質(zhì)量流量估計減小了大約20lbm/min，運動信號輸入加倍的時候，增加大約15lbm/min。
利用標(biāo)準(zhǔn)的流量測量技術(shù)，很難說清楚這種變化是因為質(zhì)量流量發(fā)生了變化還是發(fā)生了測量故障。但是，按照上面參考截距參數(shù)所描述的方式，可以用相關(guān)系數(shù)r來檢測這種系統(tǒng)變化。如圖24所示，它說明在圖23所示的同一段時間段內(nèi)，相關(guān)系數(shù)r的特性，相關(guān)系數(shù)r可以說明發(fā)生了故障(消掉了的)或者有噪聲的運動信號的情況下，值發(fā)生較大的變化。
估計的誤差是能夠用于檢測系統(tǒng)狀態(tài)的另一個相關(guān)度量。估計的標(biāo)準(zhǔn)誤差Sx，y可以表示為sx,y=Σ(Xe-Xest)2N-----(16)]]>如圖25所示，它說明圖23和24所示時間段內(nèi)誤差的標(biāo)準(zhǔn)誤差Sx，y的特性，估計的標(biāo)準(zhǔn)誤差Sx，y對于上面描述的系統(tǒng)變化會發(fā)生很大的改變(采樣定理表明對于數(shù)量不多的換能器輸入(例如6個)，通過將分母中的N換成N-2能夠得到更高的精度)。
還可以利用誤差估計度量的其它特性來確定故障來源，比如發(fā)生了故障的特定換能器到底是哪一個?？梢詫⒐烙嫷臉?biāo)準(zhǔn)誤差看成類似于這一組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，也就是說，可以說在99.7％的時間內(nèi)，時間差估計的估計誤差在預(yù)測的時間差矢量Xest的標(biāo)準(zhǔn)誤差估計Sx，y的3倍以內(nèi)。因此，可以檢查相應(yīng)換能器時間差估計的估計誤差，檢查它們是否在估計標(biāo)準(zhǔn)誤差預(yù)先確定的倍數(shù)范圍之內(nèi)(例如3倍以內(nèi))。這樣的測試可以表示為以下不等式Xest-K*sx，y≤Xe≤Xest+K*sx，y’(17)整理以后得到-K*sx，y≤Xe-Xest≤+K*sx，y(18)例如，為了找出發(fā)生了故障的換能器，將等式(17)和(18)的判據(jù)應(yīng)用于時間差估計的每個矢量的每個分量。與發(fā)生了故障的換能器有關(guān)的時間差估計Xe的誤差(Xe-Xest)可能是估計標(biāo)準(zhǔn)誤差的許多倍。這一點在圖26中說明，其中畫出了一組換能器中發(fā)生了故障的2號換能器的誤差(Xe-Xest)與這一組的估計的標(biāo)準(zhǔn)偏差之間的關(guān)系(為了方便，將它們的值減去一個標(biāo)稱矢量而歸一化)。如圖所示，2號換能器的誤差完全在這一組中估計誤差的邊界以外(在圖中它大約是±0.07，在圖26這樣的圖中太小看不出來)。
一旦找出發(fā)生了故障的換能器，就還有可能進一步修正利用它計算出來的質(zhì)量流量速率。例如，可以通過刪除與發(fā)生了故障的換能器有關(guān)的那一行來重新調(diào)整增廣矩陣Z。然后可以通過計算調(diào)整后增廣矩陣Z的逆，形成新的假逆矩陣W。然后就能夠通過預(yù)先將與發(fā)生了故障的換能器有關(guān)的行消除了以后的時間差估計矢量Xe乘以新的假逆矩陣W來估計質(zhì)量流量速率。圖27說明如何修正質(zhì)量流量速率估計。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，流量計裝置可以監(jiān)視截距參數(shù)、相關(guān)系數(shù)、估計的標(biāo)準(zhǔn)誤差或者其它相關(guān)度量來檢測系統(tǒng)狀態(tài)。例如，檢測到截距參數(shù)發(fā)生了很大變化的時候，就能夠找出發(fā)生故障的換能器，就能夠重新計算模式選擇性濾波器和/或這個裝置用來產(chǎn)生差估計的假逆矩陣，以補償發(fā)生了故障的換能器。同樣，與特定換能器有關(guān)的時間差估計的誤差超出了估計的標(biāo)準(zhǔn)誤差的范圍的時候，就能夠被用來檢測換能器的故障，觸發(fā)修正程序。
圖28說明本發(fā)明的實施方案中檢測系統(tǒng)狀態(tài)所進行的操作2800。產(chǎn)生多個差估計，例如上面描述的時間差估計X。(方框2810)。計算相關(guān)度量，比如截距參數(shù)、相關(guān)系數(shù)或者估計的誤差(方框2820)。然后從計算出來的相關(guān)度量確定系統(tǒng)狀態(tài)(方框2830)。
圖29說明本發(fā)明的其它實施方案中的示例性操作2900。產(chǎn)生時間差估計矢量Xe(方框2910)。計算相關(guān)度量，比如截距參數(shù)、相關(guān)系數(shù)或者估計誤差(方框2920)。如果相關(guān)度量中的變化滿足預(yù)定判據(jù)，就找出發(fā)生了故障的換能器(方框2930、2940)。找出了發(fā)生故障的換能器以后，就去掉增廣矩陣Z中的適當(dāng)元素，可以重新計算假逆矩陣W，用于隨后的質(zhì)量流量和其它計算(方框2950、2960、2910)。這樣就能夠從隨后的質(zhì)量流量估計中排除掉發(fā)生了故障的換能器的輸入。
還可以根據(jù)相關(guān)度量采取其它修正措施。例如，在圖30所示本發(fā)明的實施方案中的示例性操作3000中，監(jiān)視截距參數(shù)(方框3010)，如果截距參數(shù)的變化符合預(yù)定判據(jù)，這個裝置就能夠重新計算它用來產(chǎn)生質(zhì)量流量估計的模式選擇性濾波器(方框3020、3030)?？梢允褂酶鞣N變化判據(jù)，比如截距參數(shù)與初始值的最大偏差，預(yù)定時間段內(nèi)截距參數(shù)的平均偏差，等等。
本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會明白，本發(fā)明可以用上面描述的實施方案以外的多種其它方式進行。例如，這里描述的計算可以是單獨的計算，也可以結(jié)合進得到等價結(jié)果的一個或者多個計算中去?？偟膩碚f，這里介紹的功能可以用數(shù)字和/或模擬信號處理技術(shù)實現(xiàn)。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員還會明白，雖然本發(fā)明可以用于科里奧利質(zhì)量流量計這樣的裝置，或者應(yīng)用于這些裝置所采用的方法，但是本發(fā)明還可以應(yīng)用于用來與流量計或者傳感器裝置一起使用的裝置之中，比如過程控制裝置中。還應(yīng)該明白，本發(fā)明還可以應(yīng)用于磁盤、集成電路存儲器、磁帶、磁泡存儲器之類的計算機可讀存儲媒介上計算機可讀指令或者程序代碼這種形式的商品中。這樣的計算機程序指令可以用計算機或者其它數(shù)據(jù)處理器來執(zhí)行，響應(yīng)導(dǎo)管或者其它容器之類結(jié)構(gòu)上運動換能器提供的運動信號。
在附圖和說明中，公開了本發(fā)明的典型的優(yōu)選實施方案，雖然采用了具體術(shù)語，但是只是用于一般性的和說明性的目的，而不是對本發(fā)明進行限制，本發(fā)明的范圍在下面的權(quán)利要求中給出。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括能夠產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)(100)運動狀況的多個運動信號(109)的一種裝置(105A～D)；能夠?qū)Ρ硎窘Y(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號進行濾波的一種裝置(310)；和產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號(315)，從而使得這些模式選擇性濾波后運動信號能夠很好地表示結(jié)構(gòu)振動模式運動情況的一種裝置。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一種裝置(320)，用來從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計(325)。
3.權(quán)利要求2所述的裝置，還包括一種裝置(330)，用來從多個相位估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(335)。
4.權(quán)利要求1所述的裝置，還包括產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號之間的多個時差估計(633)的一種裝置(632)；和從多個時差估計產(chǎn)生相關(guān)度量的一種裝置(634)；和從產(chǎn)生的相關(guān)度量確定質(zhì)量流量計系統(tǒng)狀態(tài)的一種裝置(450)。
5.權(quán)利要求2所述的裝置，其中產(chǎn)生多個相位估計的裝置包括一種裝置(620)，用來利用從多個模式選擇性濾波后運動信號之一得到的相位基準(zhǔn)產(chǎn)生多個相位估計。
6.權(quán)利要求1所述的裝置，其中的模式選擇性濾波裝置包括對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域產(chǎn)生多個模式響應(yīng)信號的一種裝置(612)；和對多個模式響應(yīng)信號進行模式選擇性變換，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號的一種裝置(614)。
7.權(quán)利要求2所述的裝置，其中產(chǎn)生多個相位估計的裝置包括估計多個模式選擇性濾波后運動信號的一個模式選擇性濾波后運動信號頻率的一種裝置(710)；在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號的一種裝置(720)；和從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計的一種裝置(740)。
8.權(quán)利要求7所述的裝置，其中從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計的裝置包括將模式選擇性濾波后運動信號乘以第一個和第二個基準(zhǔn)信號中相應(yīng)的那些，產(chǎn)生模式選擇性濾波后運動信號相應(yīng)的實部分量和虛部分量的一種裝置(725)；和估計模式選擇性濾波后運動信號的實部分量和虛部分量之商的反正切，產(chǎn)生相位估計的一種裝置(810)。
9.權(quán)利要求2所述的裝置，還包括一種裝置(632)，用來從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計。
10.權(quán)利要求9所述的裝置，還包括一種裝置(630)，用來從多個時間差估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
11.權(quán)利要求9所述的裝置，其中從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的裝置包括一種裝置(530)，用來將多個相位估計除以模式頻率產(chǎn)生多個時間差值。
12.權(quán)利要求11所述的裝置，其中從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的裝置還包括裝置(632)用來將多個零流量基準(zhǔn)時間差應(yīng)用于多個時間差估計產(chǎn)生多個時間差估計。
13.權(quán)利要求11所述的裝置，其中進行模式選擇性濾波的裝置包括對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域產(chǎn)生模式運動信號的一種裝置(612)；和從模式運動信號估計模式頻率的一種裝置(640)。
14.權(quán)利要求13所述的裝置，還包括一種裝置(650)，用于從估計出來的模式頻率估計導(dǎo)管內(nèi)材料的密度。
15.權(quán)利要求9所述的裝置，還包括一種裝置用來估計將多個時間差估計與表示已知擾動條件下結(jié)構(gòu)運動的多個基準(zhǔn)時間差聯(lián)系起來的定標(biāo)函數(shù)的參數(shù)。
16.權(quán)利要求15所述的裝置，其中的擾動是質(zhì)量流量。
17.權(quán)利要求15所述的裝置，其中估計參數(shù)的裝置包括產(chǎn)生包括多個基準(zhǔn)時間差的增廣矩陣的一種裝置；和將多個時間差估計乘以增廣矩陣的假逆，確定參數(shù)的一種裝置。
18.權(quán)利要求15所述的裝置，其中估計參數(shù)的裝置包括以迭代方式估計定標(biāo)函數(shù)的步驟。
19.權(quán)利要求18所述的裝置，其中以迭代方式估計參數(shù)的裝置包括應(yīng)用最小均方(LMS)估計程序的步驟。
20.權(quán)利要求15所述的裝置，其中估計參數(shù)的裝置前面有裝置用來處理表示已知擾動情況下結(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號，產(chǎn)生多個基準(zhǔn)時間差。
21.權(quán)利要求16所述的裝置，其中的定標(biāo)函數(shù)參數(shù)是一個斜率參數(shù)，還有一種裝置(630)用來從斜率參數(shù)和已知質(zhì)量流量產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
22.權(quán)利要求21所述的裝置，其中估計斜率參數(shù)的裝置(634)包括裝置用來將多個時間差估計乘以多個基準(zhǔn)時間差的假逆，以確定斜率參數(shù)。
23.權(quán)利要求15所述的裝置，其中的定標(biāo)函數(shù)參數(shù)是一個截距參數(shù)，還有一個裝置用來從截距參數(shù)確定系統(tǒng)狀態(tài)。
24.權(quán)利要求23所述的裝置，其中的模式選擇性濾波裝置前面有裝置用來從與結(jié)構(gòu)有關(guān)的多個運動換能器接收多個運動信號，其中確定系統(tǒng)狀態(tài)的裝置有一個裝置用來從截距參數(shù)確定運動換能器的狀態(tài)。
25.權(quán)利要求13所述的裝置，還包括裝置(650)用來從估計出來的模式頻率估計結(jié)構(gòu)中材料的密度。
26.權(quán)利要求1所述的裝置，還包括估計多個模式選擇性濾波后運動信號的第一個模式選擇性濾波后運動信號頻率的裝置(640)；和從多個模式選擇性濾波后運動信號的第二個模式選擇性濾波后運動信號和估計出來的頻率產(chǎn)生差估計的裝置。
27.權(quán)利要求26所述的裝置，其中產(chǎn)生差估計的裝置包括在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號的裝置(720)；和從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差估計的裝置。
28.權(quán)利要求27所述的裝置，其中從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差估計的裝置包括從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生相位估計的裝置；和從相位估計產(chǎn)生時間差估計的裝置。
29.權(quán)利要求28所述的裝置，其中從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生相位估計的裝置包括將第二個模式選擇性濾波后運動信號乘以第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生第二個模式選擇性濾波后運動信號實部分量和虛部分量的裝置；和估計第二個模式選擇性濾波后運動信號實部和虛部分量之商的反正切，產(chǎn)生相位估計的裝置。
30.讓權(quán)利要求1所述的裝置工作起來的一種方法，該方法包括估計結(jié)構(gòu)運動的步驟；對表示結(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號進行模式選擇性濾波的步驟；和產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號表示結(jié)構(gòu)振動模式運動狀況的步驟。
31.權(quán)利要求30所述的方法，還包括一個步驟，用來從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計。
32.權(quán)利要求31所述的方法，還包括一個步驟，用來從多個相位估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
33.權(quán)利要求31所述的方法，還包括以下步驟從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個時差估計；和從多個時差估計產(chǎn)生相關(guān)度量；和從產(chǎn)生的相關(guān)度量確定質(zhì)量流量計系統(tǒng)的狀態(tài)。
34.權(quán)利要求31所述的方法，其中產(chǎn)生多個相位估計的步驟包括一個步驟，用來利用從多個模式選擇性濾波后運動信號之一得到的相位基準(zhǔn)產(chǎn)生多個相位估計。
35.權(quán)利要求30所述的方法，其中的模式選擇性濾波步驟包括以下步驟對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域產(chǎn)生多個模式響應(yīng)信號；和對多個模式響應(yīng)信號進行模式選擇性變換，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號。
36.權(quán)利要求31所述的方法，其中產(chǎn)生多個相位估計的步驟包括以下步驟估計多個模式選擇性濾波后運動信號的一個模式選擇性濾波后運動信號頻率；在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號；和從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計。
37.權(quán)利要求36所述的方法，其中從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計的步驟包括將模式選擇性濾波后運動信號乘以第一個和第二個基準(zhǔn)信號中相應(yīng)的那些，產(chǎn)生模式選擇性濾波后運動信號相應(yīng)的實部分量和虛部分量；和估計模式選擇性濾波后運動信號實部分量和虛部分量之商的反正切，產(chǎn)生相位估計。
38.權(quán)利要求31所述的方法，還包括一個步驟，用來從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計。
39.權(quán)利要求38所述的方法，還包括一個步驟，用來從多個時間差估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
40.權(quán)利要求38所述的方法，其中從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的步驟包括一個步驟，用來將多個相位估計除以模式頻率產(chǎn)生多個時間差值。
41.權(quán)利要求40所述的方法，其中從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的步驟還包括步驟用來將多個零流量基準(zhǔn)時間差應(yīng)用于多個時間差估計產(chǎn)生多個時間差估計。
42.權(quán)利要求40所述的方法，其中從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計的步驟包括用多個零流量相位值修正多個相位估計。
43.權(quán)利要求40所述的方法，其中進行模式選擇性濾波的步驟包括對多個運動信號進行模式變換，在模式坐標(biāo)域產(chǎn)生模式運動信號，該方法還包括從模式運動信號估計模式頻率的步驟。
44.權(quán)利要求43所述的方法，還包括一個步驟，用于從估計出來的模式頻率估計導(dǎo)管內(nèi)材料的密度。
45.權(quán)利要求38所述的方法，還包括一個步驟用來估計將多個時間差估計與表示已知擾動條件下結(jié)構(gòu)運動的多個基準(zhǔn)時間差聯(lián)系起來的定標(biāo)函數(shù)的參數(shù)。
46.權(quán)利要求45所述的方法，其中的擾動是質(zhì)量流量。
47.權(quán)利要求45所述的方法，其中估計參數(shù)的步驟包括以下步驟產(chǎn)生包括多個基準(zhǔn)時間差的增廣矩陣；和將多個時間差估計乘以增廣矩陣的假逆以確定參數(shù)。
48.權(quán)利要求45所述的方法，其中估計參數(shù)的步驟包括以迭代方式估計定標(biāo)函數(shù)的步驟。
49.權(quán)利要求48所述的方法，其中以迭代方式估計參數(shù)的步驟包括應(yīng)用最小均方(LMS)估計程序的步驟。
50.權(quán)利要求45所述的方法，其中估計參數(shù)的步驟前面有步驟用來處理表示已知擾動情況下結(jié)構(gòu)運動狀況的多個運動信號，產(chǎn)生多個基準(zhǔn)時間差。
51.權(quán)利要求46所述的方法，其中的定標(biāo)函數(shù)參數(shù)是一個斜率參數(shù)，還有一個步驟用來從斜率參數(shù)和已知質(zhì)量流量產(chǎn)生質(zhì)量流量估計。
52.權(quán)利要求51所述的方法，其中估計斜率參數(shù)的步驟包括步驟用來將多個時間差估計乘以多個基準(zhǔn)時間差的假逆，以確定斜率參數(shù)。
53.權(quán)利要求45所述的方法，其中的定標(biāo)函數(shù)參數(shù)是一個截距參數(shù)，還有一個步驟用來從截距參數(shù)確定系統(tǒng)狀態(tài)。
54.權(quán)利要求53所述的方法，其中的模式選擇性濾波步驟前面有步驟用來從與結(jié)構(gòu)有關(guān)的多個運動換能器接收多個運動信號，其中確定系統(tǒng)狀態(tài)的步驟有一個步驟用來從截距參數(shù)確定運動換能器的狀態(tài)。
55.權(quán)利要求43所述的方法，還包括步驟用來從估計出來的模式頻率估計結(jié)構(gòu)中材料的密度。
56.權(quán)利要求30所述的方法，還包括以下步驟估計多個模式選擇性濾波后運動信號的第一個模式選擇性濾波后運動信號的頻率；和從多個模式選擇性濾波后運動信號的第二個模式選擇性濾波后運動信號和估計出來的頻率產(chǎn)生差估計的一個步驟。
57.權(quán)利要求56所述的方法，其中產(chǎn)生差估計的步驟包括以下步驟在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號；和從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差估計。
58.權(quán)利要求57所述的方法，其中從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差估計的步驟包括以下步驟從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生相位估計；和從相位估計產(chǎn)生時間差估計。
59.權(quán)利要求58所述的方法，其中從第二個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生相位估計的步驟包括以下步驟將第二個模式選擇性濾波后運動信號乘以第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生第二個模式選擇性濾波后運動信號實部分量和虛部分量；和估計第二個模式選擇性濾波后運動信號實部和虛部分量之商的反正切，產(chǎn)生相位估計。
全文摘要
通過對表示導(dǎo)管(100)運動狀況的多個運動信號(109)進行模式選擇性濾波，產(chǎn)生多個模式選擇性濾波后運動信號(315)，使這些模式選擇性濾波后運動信號能夠很好地表示與導(dǎo)管振動模式有關(guān)的運動狀況，從而估計導(dǎo)管內(nèi)材料的質(zhì)量流量。從多個模式選擇性濾波后運動信號產(chǎn)生多個相位估計(325)。從多個相位估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(335)?？梢岳脧亩鄠€模式選擇性濾波后運動信號之一得到的相位基準(zhǔn)(620)估計多個相位估計。在一些實施方案中，估計多個模式選擇性濾波后運動信號的模式選擇性濾波后運動信號的頻率(710)。在估計出來的頻率的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生正交的第一個和第二個基準(zhǔn)信號(720)。從多個模式選擇性濾波后運動信號以及第一個和第二個基準(zhǔn)信號產(chǎn)生多個相位估計(740)?？梢詮亩鄠€相位估計產(chǎn)生多個時間差估計b，從多個時間差估計產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(630)?？梢岳脧哪Ｊ竭x擇性濾波后運動信號估計出來的模式頻率，除多個相位估計，從多個相位估計產(chǎn)生多個時間差估計。本發(fā)明可以用方法或者裝置來實現(xiàn)。
文檔編號G01F1/84GK1502036SQ02805059
公開日2004年6月2日 申請日期2002年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月16日
發(fā)明者T·J·坎寧哈姆, D·L·坎貝爾, T·D·夏普, T J 坎寧哈姆, 坎貝爾, 夏普 申請人:微動公司