專(zhuān)利名稱(chēng)：使用標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)分析的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)校準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器和相關(guān)的方法以及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，更具體地，涉及質(zhì)量流量測(cè)量方法、裝置、計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
科里奧利傳感器通常通過(guò)檢測(cè)包含流體物質(zhì)的振動(dòng)導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)來(lái)工作。與導(dǎo)管中的物質(zhì)有關(guān)的屬性，如質(zhì)量流量、密度等，可以通過(guò)處理來(lái)自與所述導(dǎo)管關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)變送器的信號(hào)來(lái)確定，因?yàn)槌錆M物質(zhì)的振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)模式通常被導(dǎo)管及其中的物質(zhì)的組合質(zhì)量、剛度、以及阻尼特性所影響。
典型的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管，這些導(dǎo)管在管道或其它傳送系統(tǒng)中連接成線，并在系統(tǒng)中輸送物質(zhì)，如液體、漿等。每個(gè)導(dǎo)管可以看作是具有一組自然振動(dòng)模式，包括例如簡(jiǎn)單的彎曲、扭轉(zhuǎn)、徑向和耦合模式。在典型的科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量應(yīng)用中，當(dāng)物質(zhì)流過(guò)導(dǎo)管時(shí)，導(dǎo)管被激勵(lì)在其一種自然振動(dòng)模式諧振，在沿導(dǎo)管不同的點(diǎn)測(cè)量導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)。激勵(lì)通常是由一個(gè)致動(dòng)器，如以周期方式擾動(dòng)所述導(dǎo)管的電動(dòng)機(jī)械設(shè)備提供的，如音圈型驅(qū)動(dòng)器。質(zhì)量流速可以通過(guò)測(cè)量各個(gè)變送器位置的運(yùn)動(dòng)之間的時(shí)間或相位差來(lái)確定。示例性的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在美國(guó)專(zhuān)利授予Smith等的4,109,524和授予Smith的Re.31,450中描述。
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的精確度會(huì)受到約束導(dǎo)管振動(dòng)的裝置的損害。這些限制的影響可以通過(guò)使用被平衡以減小外部振動(dòng)影響的流量計(jì)設(shè)計(jì)和通過(guò)使用頻域?yàn)V波器如帶通濾波器來(lái)減小，該帶通濾波器被設(shè)計(jì)為濾除運(yùn)動(dòng)信號(hào)中遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率的分量。但是，機(jī)械濾波方法經(jīng)常受機(jī)械因素限制，如，材料限制、安裝約束、重量限制、尺寸限制等，而頻域?yàn)V波對(duì)于去除激勵(lì)頻率附近的有害振動(dòng)影響效果不佳。
傳統(tǒng)的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)典型地使用一個(gè)“校準(zhǔn)因子”將質(zhì)量流速按比例變換到時(shí)間差或相位測(cè)量值，以生成質(zhì)量流量估計(jì)。典型地，為了生成校準(zhǔn)因子，執(zhí)行一個(gè)校準(zhǔn)或“校對(duì)”程序，其中在測(cè)試固定設(shè)備中將物質(zhì)(如，水)通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)的振動(dòng)管，同時(shí)由質(zhì)量流量計(jì)的運(yùn)動(dòng)變送器產(chǎn)生的信號(hào)被處理，以確定時(shí)間和相位差。該數(shù)據(jù)然后被處理，以生成該流量計(jì)的估算校準(zhǔn)因子。
該方法有幾個(gè)缺陷。校準(zhǔn)程序要花費(fèi)時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度高，且昂貴。此外，因?yàn)樾?zhǔn)典型地不是現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行，所以會(huì)因測(cè)試條件與現(xiàn)場(chǎng)條件不同，包括安裝條件的不同，而不精確。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，包括配置為包含一種物質(zhì)和多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器的導(dǎo)管的參數(shù)傳感器的校準(zhǔn)因子是根據(jù)導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征確定的，所述運(yùn)動(dòng)變送器操作產(chǎn)生代表導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。所述校準(zhǔn)因子可以例如將質(zhì)量流速與由運(yùn)動(dòng)變送器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)之間的空間-時(shí)間關(guān)系如時(shí)間差或相位關(guān)系關(guān)聯(lián)。所述校準(zhǔn)因子可以通過(guò)例如生成運(yùn)動(dòng)的模態(tài)域微分公式的解再?gòu)脑摻馍伤鲂?zhǔn)因子而生成。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征將導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的特征表現(xiàn)為模態(tài)科里奧利項(xiàng)的函數(shù)，該模態(tài)科里奧利項(xiàng)描述導(dǎo)管響應(yīng)其中的質(zhì)量流量的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式間的耦合。在校準(zhǔn)因子確定之前，可以先從描述導(dǎo)管在標(biāo)準(zhǔn)模式中隨其上位置而變化的運(yùn)動(dòng)的振型函數(shù)確定所述模態(tài)科里奧利項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)特征的模態(tài)質(zhì)量和剛度項(xiàng)可以利用如常規(guī)模態(tài)分析技術(shù)來(lái)產(chǎn)生。
例如，在有些實(shí)施例中，模態(tài)科里奧利項(xiàng)可以從空間科里奧利特征確定，該空間科里奧利特征描述所述導(dǎo)管的多個(gè)離散位置在空間域內(nèi)響應(yīng)預(yù)定質(zhì)量流量而作的運(yùn)動(dòng)。該模態(tài)科里奧利項(xiàng)可以從所述空間科里奧利特征(如，空間科里奧利矩陣)中使用將空間域與多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式相關(guān)聯(lián)的變換來(lái)確定。與該空間科里奧利特征關(guān)聯(lián)的所述多個(gè)離散位置可以包括不同于變送器位置的位置。
將空間域與多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式相關(guān)聯(lián)的變換可以從描述導(dǎo)管在標(biāo)準(zhǔn)模式的運(yùn)動(dòng)隨其上的位置而變化的振型函數(shù)來(lái)生成。該振型函數(shù)可以從一個(gè)預(yù)定的特征值和預(yù)定的邊界條件確定，例如，從關(guān)于導(dǎo)管被約束的邊界條件的假設(shè)確定。
根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，確定導(dǎo)管中預(yù)定質(zhì)量流量的振型函數(shù)的正交性，以確定導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征的模態(tài)科里奧利項(xiàng)。類(lèi)似的正交性確定可以用來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)特征的模態(tài)質(zhì)量和剛度項(xiàng)。這樣的項(xiàng)也可以使用常規(guī)模態(tài)分析技術(shù)產(chǎn)生。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征產(chǎn)生導(dǎo)管的多個(gè)位置的估計(jì)空間響應(yīng)，從該估計(jì)空間響應(yīng)產(chǎn)生校準(zhǔn)因子。例如，可以確定在導(dǎo)管的多個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)之間的空間-時(shí)間關(guān)系，例如，時(shí)間差或相位關(guān)系，并且可以從該空間-時(shí)間關(guān)系確定所述校準(zhǔn)因子。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以通過(guò)以下步驟來(lái)確定導(dǎo)管中的物質(zhì)的質(zhì)量流量從導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征確定校準(zhǔn)因子，產(chǎn)生表示導(dǎo)管在其上多個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)的多個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)確定的校準(zhǔn)因子處理該運(yùn)動(dòng)信號(hào)以產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(jì)。例如，如上所述，校準(zhǔn)因子可以從運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式表達(dá)來(lái)確定。所述質(zhì)量流量估計(jì)可以通過(guò)以下方式產(chǎn)生例如確定所述多個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)間的空間-時(shí)間關(guān)系，并將所述校準(zhǔn)因子應(yīng)用于所確定的空間-時(shí)間關(guān)系以產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的各方面，上述校準(zhǔn)因子可以從描述導(dǎo)管在標(biāo)準(zhǔn)模式的運(yùn)動(dòng)隨其上的位置而變化的振型函數(shù)確定。該振型函數(shù)可以基于假設(shè)的導(dǎo)管邊界條件。導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)可以約束為引起近似于所假設(shè)的邊界條件的邊界條件，例如，通過(guò)將導(dǎo)管束縛于一個(gè)結(jié)構(gòu)或通過(guò)根據(jù)導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)給導(dǎo)管施加一個(gè)力，以產(chǎn)生近似于假設(shè)的邊界條件的邊界條件。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，提供了一種用于校準(zhǔn)參數(shù)傳感器的裝置，該參數(shù)傳感器包括配置為包含一種物質(zhì)的導(dǎo)管；多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器，其可操作產(chǎn)生表示導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；以及一個(gè)質(zhì)量流量估計(jì)電路，其可以操作來(lái)根據(jù)校準(zhǔn)因子從所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)估計(jì)質(zhì)量流量。該裝置包括一個(gè)校準(zhǔn)因子發(fā)生電路，用于從導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征產(chǎn)生一個(gè)校準(zhǔn)因子，該校準(zhǔn)因子發(fā)生電路包括一個(gè)接口電路，用于將產(chǎn)生的校準(zhǔn)因子傳送到所述質(zhì)量流量估計(jì)電路。
在有些實(shí)施例中，所述校準(zhǔn)因子發(fā)生電路包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征描述電路，可以產(chǎn)生導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征，還包括一個(gè)校準(zhǔn)因子確定電路，可以從所述標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征產(chǎn)生校準(zhǔn)因子。該標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征可以表示例如模態(tài)域中運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式，包括導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式，且所述校準(zhǔn)因子確定電路可以操作來(lái)從運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式的表示產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式的解，以及利用例如上述技術(shù)從運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式的解產(chǎn)生校準(zhǔn)因子。校準(zhǔn)因子發(fā)生電路可以與質(zhì)量流量估計(jì)電路集成在例如質(zhì)量流量傳感器裝置中，或可以分別在例如測(cè)試和處理裝置中實(shí)現(xiàn)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，質(zhì)量流量傳感器包括一個(gè)導(dǎo)管，例如基本直線的管子，其配置為包含一種物質(zhì)。該質(zhì)量流量傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)致動(dòng)器來(lái)激勵(lì)該導(dǎo)管，還包括多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器，其可以操作來(lái)產(chǎn)生表示導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；以及一個(gè)質(zhì)量流量估計(jì)電路，配置為接收所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并可操作來(lái)利用從呈現(xiàn)導(dǎo)管的預(yù)定邊界條件的導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)特征導(dǎo)出的校準(zhǔn)因子從中產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(jì)。提供必要裝置來(lái)約束導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)，以近似預(yù)定的邊界條件。
約束導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的裝置可以包括例如將導(dǎo)管束縛在一個(gè)結(jié)構(gòu)上的裝置，如卡子、焊接、或其它扣緊裝置，其將導(dǎo)管的間隔位置束縛到一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)。約束導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的裝置還可以包括根據(jù)導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)向?qū)Ч苁┘恿Φ难b置，從而產(chǎn)生近似于假設(shè)邊界條件的邊界條件。例如，向?qū)Ч苁┘恿Φ难b置可以包括至少兩個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器，其可以操作來(lái)產(chǎn)生表示導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，還可以包括多個(gè)在工作時(shí)與所述導(dǎo)管相關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器，以及形狀控制電路，其配置為從至少兩個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器接收運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并可操作來(lái)根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)致動(dòng)器。
根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，提供了用于表達(dá)一個(gè)參數(shù)傳感器的特征的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該參數(shù)傳感器包括配置為包含一種物質(zhì)的導(dǎo)管和多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器，所述運(yùn)動(dòng)變送器可操作來(lái)產(chǎn)生表示導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括嵌入計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼，該計(jì)算機(jī)可讀程序代碼包括用于從導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征確定用于處理由多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)的校準(zhǔn)因子的程序代碼。該用于確定校準(zhǔn)因子的程序代碼可以包括用于在包含導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式的模態(tài)域中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式的解的程序代碼，和用于從產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式的解產(chǎn)生校準(zhǔn)因子的程序代碼。所述標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征可以根據(jù)一個(gè)模態(tài)科里奧利項(xiàng)表達(dá)導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的特征，所述模態(tài)科里奧利項(xiàng)描述導(dǎo)管的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式之間響應(yīng)導(dǎo)管中的質(zhì)量流量而進(jìn)行的耦合。該計(jì)算機(jī)可讀程序代碼可以包括用于從振型函數(shù)確定模態(tài)科里奧利項(xiàng)的程序代碼，所述振型函數(shù)描述導(dǎo)管在標(biāo)準(zhǔn)模式的運(yùn)動(dòng)隨導(dǎo)管上不同位置的變化。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的質(zhì)量流量傳感器裝置的示意圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例的質(zhì)量流量傳感器裝置的示意圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的校準(zhǔn)因子發(fā)生器電路的示意圖；圖4-6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例確定質(zhì)量流量傳感器的校準(zhǔn)因子的典型操作的流程圖；圖7-11為根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例的質(zhì)量流量傳感器裝置的示意圖；圖12為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例估計(jì)質(zhì)量流量的典型操作的流程圖；圖13為說(shuō)明包含物質(zhì)的導(dǎo)管狀態(tài)的自由體圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖更詳細(xì)描述本發(fā)明。但是，本發(fā)明可以以多種不同形式實(shí)現(xiàn)，而不是限于此處提出的實(shí)施例，提供這些實(shí)施例是為了使公開(kāi)內(nèi)容全面和完整，并向本領(lǐng)域的技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。全篇用相似的標(biāo)號(hào)表示相似的元件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)(裝置)、方法、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
此處描述的本發(fā)明實(shí)施例涉及使用單個(gè)基本直線的導(dǎo)管的科里奧利流量計(jì)，其不要求例如機(jī)械調(diào)諧的平衡梁。本發(fā)明在這樣的應(yīng)用中特別有利。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明還可用于其它類(lèi)型的流量計(jì)結(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)的彎曲管結(jié)構(gòu)和包括機(jī)械平衡梁的直管結(jié)構(gòu)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)為裝置和/或方法和/或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)為硬件或硬件與軟件的組合。另外，本發(fā)明還可以采取計(jì)算機(jī)程序的形式，包括計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)和存儲(chǔ)在該介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可用程序代碼。任何合適的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)均可使用，包括半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件(如，RAM、ROM、EEPROM等)、硬盤(pán)、CD-ROM、光學(xué)存儲(chǔ)器件、及磁存儲(chǔ)器件。
執(zhí)行本發(fā)明的操作的計(jì)算機(jī)程序代碼可以用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言編寫(xiě)，如Java或C++，和/或用過(guò)程編程語(yǔ)言，如C。程序代碼可以在單個(gè)計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)處理設(shè)備上執(zhí)行，如微控制器、微處理器、或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，或者可以在多個(gè)設(shè)備上執(zhí)行，如在電子電路板、機(jī)架或組合體內(nèi)通過(guò)串行或并行數(shù)據(jù)總線通訊的多個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備，或者是形成數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)如局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、或互聯(lián)網(wǎng)的一部分的設(shè)備。
下面參考根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖描述本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，流程圖和/或方框圖中的塊及其組合可以用計(jì)算機(jī)程序代碼(指令)實(shí)現(xiàn)。這些計(jì)算機(jī)程序代碼可以提供給一個(gè)通用計(jì)算機(jī)、專(zhuān)用計(jì)算機(jī)、或其它可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一臺(tái)機(jī)器，使得通過(guò)計(jì)算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)所述流程圖和/或方框圖或塊中指定的功能的裝置。這些計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品還可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中(如，磁盤(pán)或半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、編碼磁存儲(chǔ)器等)，其可以引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置以特定方式工作，使得存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)生加工的產(chǎn)品，包括實(shí)現(xiàn)所述流程圖和/或方框圖或塊中指定的功能的指令裝置。該計(jì)算機(jī)程序代碼還可以裝載到計(jì)算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置上，使得一系列操作步驟在所述計(jì)算機(jī)或其它可編程裝置上執(zhí)行，以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)執(zhí)行的處理，使得在計(jì)算機(jī)或其它可編程裝置上執(zhí)行的代碼提供執(zhí)行在所述流程圖和/或方框圖或塊中指定的功能的步驟。
概述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，科里奧利質(zhì)量流量傳感器可以使用該傳感器的含有物質(zhì)的導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行校準(zhǔn)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，該標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征包括運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式，其包括表示所述流量傳感器導(dǎo)管響應(yīng)質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)模式之間的耦合的科里奧利項(xiàng)。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，所述科里奧利項(xiàng)包括一個(gè)模態(tài)科里奧利矩陣，該矩陣是從在空間域(如，笛卡兒域)中描述導(dǎo)管受質(zhì)量流量影響的運(yùn)動(dòng)的一個(gè)空間(或物理)科里奧利矩陣產(chǎn)生的。該模態(tài)科里奧利矩陣可以利用一種變換從所述空間科里奧利矩陣導(dǎo)出，該變換是從描述導(dǎo)管的模態(tài)特性隨導(dǎo)管上的位置而變化的振型函數(shù)導(dǎo)出的。該振型函數(shù)可以從由以操作方式與所述傳感器導(dǎo)管關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)變送器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生。特別地，來(lái)自變送器位置的離散模態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)可以用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)振型函數(shù)，該函數(shù)又可以用于計(jì)算包含導(dǎo)管上除了實(shí)際變送器位置之外的“虛擬”位置的模態(tài)-空間變換Φvirtual，如實(shí)際變送器位置之間的位置。
該空間科里奧利矩陣可以表示局部科里奧利矩陣的組合，這些局部科里奧利矩陣對(duì)應(yīng)于由一些節(jié)點(diǎn)定義的梁狀段，這些節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于所述虛擬位置。這些局部科里奧利矩陣表示在預(yù)定質(zhì)量流量條件下(如，預(yù)定質(zhì)量流速)這些段的運(yùn)動(dòng)。變換Φvirtual可以應(yīng)用于所述空間科里奧利矩陣以確定(向量)模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的模態(tài)科里奧利項(xiàng)(矩陣)，其也包括模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度項(xiàng)。
可以求解上述模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式以根據(jù)已知的輸入/激勵(lì)確定預(yù)定質(zhì)量流速的模態(tài)響應(yīng)。該模態(tài)響應(yīng)可以變換到實(shí)際變送器位置的空間域響應(yīng)，然后根據(jù)估算的空間域響應(yīng)和預(yù)定的質(zhì)量流速確定校準(zhǔn)因子。該校準(zhǔn)因子可以應(yīng)用于根據(jù)未知的質(zhì)量流量產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，以產(chǎn)生該未知質(zhì)量流量的估計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，可以采用確定模態(tài)科里奧利矩陣的更通用的方法。特別地，除了從空間科里奧利矩陣的離散變換確定模態(tài)科里奧利矩陣，也可以通過(guò)在預(yù)定質(zhì)量流速確定振型函數(shù)的正交性來(lái)產(chǎn)生模態(tài)科里奧利矩陣。這樣確定的模態(tài)科里奧利矩陣可以用來(lái)產(chǎn)生導(dǎo)管的模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的解，從該解可以沿上述線確定校準(zhǔn)因子。
本發(fā)明的實(shí)施例與傳統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)相比有幾個(gè)潛在優(yōu)點(diǎn)。具體地，使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的校準(zhǔn)技術(shù)不需要將物質(zhì)通過(guò)質(zhì)量流量傳感器，而傳統(tǒng)的校正方法都需要。這可以提供例如現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的能力。
本發(fā)明還可以方便直管質(zhì)量流量傳感器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)，如“扣緊”質(zhì)量流量傳感器，例如包含運(yùn)動(dòng)變送器、致動(dòng)器和相關(guān)組件的傳感器，所述相關(guān)組件配置為操作地嚙合到一個(gè)管道上，使得管道本身充當(dāng)傳感器的一部分。校準(zhǔn)這樣的扣緊傳感器的一個(gè)潛在困難是，與傳統(tǒng)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)不同，傳感器的制造商無(wú)法得到流量導(dǎo)管。盡管理論上可以將一個(gè)校準(zhǔn)裝置連接到所述管道，并對(duì)照主流量計(jì)校準(zhǔn)扣緊流量傳感器，但這樣的方法所花費(fèi)的時(shí)間可能叫人無(wú)法接受，或由于難于接近傳感器、管道環(huán)境的惡劣等不實(shí)用。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以通過(guò)在安裝傳感器組件后測(cè)量裝置的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行這樣的傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。這不需要校準(zhǔn)設(shè)備或主流量計(jì)。
這樣的扣緊流量傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn)是其可以被移到不同位置使用，例如作為檢修故障的臨時(shí)傳感器。由于該傳感器組件所附著其上的每個(gè)管道可能不同，所以每次重新定位所述傳感器可能都需要校準(zhǔn)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)可以提供執(zhí)行這樣的校準(zhǔn)的實(shí)用而經(jīng)濟(jì)的方法。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的質(zhì)量流量傳感器裝置100。傳感器100包括含有物質(zhì)108的導(dǎo)管103。致動(dòng)器106用于激勵(lì)導(dǎo)管103。例如，致動(dòng)器106可以包括一個(gè)慣性或相對(duì)致動(dòng)器，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路(未示出)驅(qū)動(dòng)，使得致動(dòng)器106以預(yù)定頻率振動(dòng)導(dǎo)管103；但是，應(yīng)當(dāng)理解，也可以使用使導(dǎo)管103振動(dòng)的其它機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)變送器105(例如，慣性速度變送器、加速計(jì)、或其它運(yùn)動(dòng)感應(yīng)器件)沿導(dǎo)管103布置，響應(yīng)多個(gè)力產(chǎn)生表示導(dǎo)管103運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)107，所述力可以包括例如由致動(dòng)器106施加的驅(qū)動(dòng)力FD、來(lái)自流動(dòng)物質(zhì)108的科里奧利力FC以及外力FE。
傳感器裝置100還包括質(zhì)量流量確定電路110，其接收由運(yùn)動(dòng)變送器105產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)107。質(zhì)量流量確定電路110操作，根據(jù)由校準(zhǔn)因子發(fā)生電路150產(chǎn)生的校準(zhǔn)因子155處理運(yùn)動(dòng)信號(hào)107。校準(zhǔn)因子發(fā)生電路150從導(dǎo)管103運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征，如以下詳細(xì)描述的模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式，確定校準(zhǔn)因子155。如以下詳細(xì)描述，標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征可以從一個(gè)振型函數(shù)導(dǎo)出，該振型函數(shù)是從離散模態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的，如由表示導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，如由運(yùn)動(dòng)變送器105產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生的響應(yīng)數(shù)據(jù)。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例的質(zhì)量流量傳感器裝置200。傳感器200包括配置為包含物質(zhì)208的導(dǎo)管203。相對(duì)致動(dòng)器206附著到一個(gè)結(jié)構(gòu)204上(其可以包括，例如，封裝該導(dǎo)管203的外殼)，使得它引起導(dǎo)管203相對(duì)于結(jié)構(gòu)204的運(yùn)動(dòng)。如圖所示，相對(duì)運(yùn)動(dòng)變送器205(例如，速度變送器、加速計(jì)、或其它運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器件)沿導(dǎo)管203布置，測(cè)量導(dǎo)管203相對(duì)于結(jié)構(gòu)204的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)變送器205產(chǎn)生表示導(dǎo)管203響應(yīng)作用于其上的力而運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)207。應(yīng)當(dāng)理解盡管運(yùn)動(dòng)變送器205示為相對(duì)運(yùn)動(dòng)變送器，但絕對(duì)或“慣性”運(yùn)動(dòng)傳感器(如加速計(jì))或相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)變送器的組合(如相對(duì)速度變送器和加速計(jì)的組合)也可以使用。
傳感器裝置200進(jìn)一步包括質(zhì)量流量確定電路210，其接收由運(yùn)動(dòng)變送器205產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。質(zhì)量流量確定電路210根據(jù)由校準(zhǔn)因子發(fā)生電路250產(chǎn)生的校準(zhǔn)因子255處理該運(yùn)動(dòng)信號(hào)。校準(zhǔn)因子發(fā)生電路250從導(dǎo)管203運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征確定校準(zhǔn)因子。
應(yīng)當(dāng)理解，總體上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的校準(zhǔn)因子發(fā)生電路，如圖1和2的校準(zhǔn)因子發(fā)生電路150、250，的功能可以實(shí)現(xiàn)為模擬電路、數(shù)字電路、和其組合。該電路可以集成為單個(gè)器件，如微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、專(zhuān)用集成電路、或其它單塊集成電路器件，也可以分布在多個(gè)器件之間。進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的校準(zhǔn)因子發(fā)生電路可以集成在一個(gè)流量傳感器裝置內(nèi)，例如使用處理電路，該處理電路還用于實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量確定電路，如圖1中的質(zhì)量流量確定電路110、120；或者可以實(shí)現(xiàn)為分立硬件，如測(cè)試或維護(hù)裝置或過(guò)程控制計(jì)算裝置。例如，校準(zhǔn)因子發(fā)生電路可以實(shí)現(xiàn)為測(cè)試設(shè)備，該測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)為與流量傳感器的運(yùn)動(dòng)變送器連接，以便從由運(yùn)動(dòng)變送器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)確定一個(gè)校準(zhǔn)因子，并將所確定的校準(zhǔn)因子下載到流量傳感器的質(zhì)量流量確定電路中。
下面的討論提供了基本的理論描述，其支持根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置、方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍不限于該理論解釋。例如，下面的討論描述計(jì)算操作。盡管這些操作呈現(xiàn)一種具體的順序和組織以便于理解本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，該操作可以重新排序、以不同方式組合、或在本發(fā)明的范圍內(nèi)修改。因此，進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解，總體上，本發(fā)明不僅包括此處描述的具體計(jì)算操作，還包括等價(jià)的操作。
單個(gè)直線流量計(jì)導(dǎo)管，如圖1的導(dǎo)管103運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式為[mr]{η..}+[cr]{η.]+[dr]{η.}+[kr]{η}={N}--(1)]]>其中，{η}、 分別表示包含導(dǎo)管振動(dòng)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(即，正交)模式的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)域中的位移、速度、和加速度矢量，[mr]是模態(tài)質(zhì)量矩陣，[cr]是模態(tài)科里奧利矩陣，其描述導(dǎo)管響應(yīng)其中的質(zhì)量流量的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式之間的耦合，[dr]是模態(tài)阻尼矩陣，[kr]是模態(tài)剛度矩陣，以及[kr]是作用于導(dǎo)管的模態(tài)激勵(lì)。模態(tài)質(zhì)量矩陣[mr]和模態(tài)剛度矩陣[kr]可以使用傳統(tǒng)的模態(tài)分析技術(shù)確定。但是，確定模態(tài)科里奧利矩陣[cr]較困難。如以下更詳細(xì)描述的，流量校準(zhǔn)因子(FCF)可以假設(shè)對(duì)阻尼較敏感，且與模態(tài)科里奧利矩陣[cr]緊密相關(guān)。
標(biāo)題為“DETERMINING PROPERTIES OF A FLOW TUBE AND OF A FLUIDFLOWING THROUGH A FLOW TUBE OF ACORIOLIS FLOWMETER”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.09/941,332描述了從產(chǎn)生表示流量計(jì)導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)變送器獲得的流量計(jì)導(dǎo)管的離散振型信息如何能夠用于確定連續(xù)振型函數(shù)，即根據(jù)描述導(dǎo)管在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式中的運(yùn)動(dòng)隨其上的位置變化的函數(shù)。該申請(qǐng)?jiān)诖送瑫r(shí)提交，并將其全部?jī)?nèi)容引作參考。從這樣的連續(xù)振型函數(shù)可以綜合出“虛擬”采樣(pickoff)響應(yīng)，即不同于變送器位置的位置響應(yīng)。
上述專(zhuān)利申請(qǐng)No.09/941,332描述以下形式的連續(xù)振型函數(shù)Φr(x)=eλ1rxe-λ1rxejλ2rxe-jλ2rxbc1bc2bc3bc4r--(2)]]>其中，Φr是第r個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式的振型函數(shù)，振型函數(shù)Φr的特征值λ1r、λ1r和邊界條件{bc1，bc2，bc3，bc4}r可以從模態(tài)測(cè)量值計(jì)算。
這樣的振型函數(shù)可以用于將空間或“物理”科里奧利矩陣變換為模態(tài)科里奧利矩陣。特別地，流量計(jì)導(dǎo)管的多個(gè)選擇位置的模態(tài)變換[Φvirtual]可以使用上述振型函數(shù)進(jìn)行綜合。這樣的“虛擬”位置的個(gè)數(shù)最好大于存在運(yùn)動(dòng)變送器的位置的個(gè)數(shù)。然后，可以根據(jù)以下公式使用[Φvirtual]從該多個(gè)虛擬位置的空間科里奧利矩陣[C]計(jì)算模態(tài)科里奧利矩陣[cr][cr]＝[Φvirtual]T[C][Φvirtual] (3)空間科里奧利矩陣[C]可以使用傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)生。導(dǎo)管的多個(gè)虛擬位置可以看作定義多個(gè)對(duì)應(yīng)于虛擬位置的具有第一和第二節(jié)點(diǎn)的量狀段，每個(gè)段在預(yù)定質(zhì)量流速 的空間科里奧利矩陣由下式給出 =m.010gzl+l260gz+5l21-10gzl+l260gz+5l2-10gzl+l260gz+5l2010gzl+l260gz+5l2-l4360gz+30l2-1-10gzl+l260gz+5l2010gzl+l260gz+5l210gzl+l260gz+5l2l4360gz+30l2-10gzl+l260gz+5l20--(4)]]>其中，“局部”科里奧利矩陣[Clocal]的第一行/列對(duì)應(yīng)于一個(gè)段的第一節(jié)點(diǎn)的物理位移，第二行和列對(duì)應(yīng)于該段的第一節(jié)點(diǎn)的角位移，第三行/列對(duì)應(yīng)于該段的第二節(jié)點(diǎn)的物理位移，第四行和列對(duì)應(yīng)于該段的第二節(jié)點(diǎn)的角位移。在公式(4)中，l是段的長(zhǎng)度，gz表示導(dǎo)管的組合物質(zhì)和幾何屬性，其可以由下式給出gz=EItk^GAt--(5)]]>其中，E是導(dǎo)管材料的彈性系數(shù)，It是導(dǎo)管慣性的面積矩，G是導(dǎo)管材料的剪切彈性系數(shù)，At是導(dǎo)管橫截面積， 是隨導(dǎo)管橫截面積而變化的數(shù)值因數(shù)。導(dǎo)管的空間科里奧利矩陣[C]可以利用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)從局部科里奧利矩陣[Clocal]構(gòu)造。
然后可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)頻率激勵(lì)，即導(dǎo)管振動(dòng)的頻率，的模態(tài)動(dòng)態(tài)剛度矩陣[MDS]，并求逆，以確定一個(gè)模態(tài)頻率響應(yīng)函數(shù)[MDS]-1，其可以用來(lái)確定預(yù)定質(zhì)量流量 的模態(tài)響應(yīng){η}{η}＝(-ωdrv2[mr]+jωdrv[cr]+jωdrv[dr]+[kr]-1){N}＝[MDS]-1{N} (6)模態(tài)響應(yīng){η}可以變換為如下的空間域響應(yīng)向量{y}{y}＝[Φmeasured][MDS]-1[Φmeasured]T{F} (7)變送器位置之間的空間-時(shí)間關(guān)系，如對(duì)應(yīng)于變送器位置的運(yùn)動(dòng)信號(hào)之間的時(shí)間差(“Δt”)或相位關(guān)系，在預(yù)定質(zhì)量流速 可以從估計(jì)的空間響應(yīng){y}確定。例如，可以采用一種空間積分技術(shù)，用于從由多個(gè)空間分布的運(yùn)動(dòng)變送器提供的空間運(yùn)動(dòng)信息產(chǎn)生時(shí)間差或相位估計(jì)。在美國(guó)專(zhuān)利No.6,233,526中描述了一種空間積分技術(shù)的例子，該專(zhuān)利在此引作參考。
時(shí)間差或相位關(guān)系-此處可以總稱(chēng)為Δ-以及預(yù)定質(zhì)量流速 可以用于確定適當(dāng)單位的流量校準(zhǔn)因子FCF(如，質(zhì)量/秒/秒，或質(zhì)量/秒/度)FCF=m·/Δ--(8)]]>響應(yīng)未知質(zhì)量流速 產(chǎn)生的時(shí)間差或相位關(guān)系測(cè)量值(通常，Δmeasured)可以與校準(zhǔn)因子FCF相乘，以產(chǎn)生未知質(zhì)量流速 的估計(jì)m.unknown=FCF×(Δmeasured-Δ0)--(9)]]>其中，Δ0是在基本0流量時(shí)變送器信號(hào)間的偏移(如，時(shí)間或相位)(“0偏移”)。
試驗(yàn)表明，在許多實(shí)際應(yīng)用中，質(zhì)量流速在質(zhì)量流速的一定范圍內(nèi)與時(shí)間差近似成線性比例，因此，F(xiàn)CF可以假設(shè)為常數(shù)。但是，如果FCF隨流量變化不夠恒定，可以在一個(gè)假設(shè)流速范圍內(nèi)估計(jì)來(lái)獲得，如，一個(gè)查找表或其函數(shù)表示法。FCF還可以根據(jù)其它參數(shù)改變，如溫度，例如，可以補(bǔ)償FCF中由于系數(shù)(E)隨溫度變化而發(fā)生的變化。
如果假設(shè)質(zhì)量流量傳感器的流量管端點(diǎn)被約束，使得導(dǎo)管端子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制響應(yīng)大約為0，如果進(jìn)一步假設(shè)支持運(yùn)動(dòng)變送器的外殼或其它結(jié)構(gòu)足夠的硬和結(jié)實(shí)，使得其象一個(gè)剛體，則由傳感器的運(yùn)動(dòng)變送器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)可以作為近似絕對(duì)速度信號(hào)處理。在這樣的條件下，流量管可以被認(rèn)為在導(dǎo)管激勵(lì)的頻率具有近似恒定的邊界條件。因此，該邊界條件和特征值至少可以對(duì)歐拉梁假設(shè)確定。
對(duì)于圖13所示的自由體圖中所示的流量傳感器導(dǎo)管1310V′-ρtAt-dy..+Fc+τc‾(θ+α)+F(x,t)=0--(10)]]>M′-Sy′-ρtIt-Mc＝0其中，V是作用于導(dǎo)管1310上的剪切力，ρt是導(dǎo)管1310的材料密度，At是導(dǎo)管1310的橫截面積，d是阻尼系數(shù)。 是導(dǎo)管1310的加速度，F(xiàn)c是導(dǎo)管1310中包含的物質(zhì)1320之間耦合的力，τ是導(dǎo)管中的物質(zhì)1320與導(dǎo)管1310內(nèi)壁之間的粘滯剪切力，θ是導(dǎo)管1310的角位移，α是導(dǎo)管1310的切向畸變差，F(xiàn)(x，t)是作用于導(dǎo)管1310的驅(qū)動(dòng)力，M是導(dǎo)管1310的彎曲力矩，S是導(dǎo)管1310上的張力，ρtIt是導(dǎo)管1310每單位長(zhǎng)度的慣性，c是導(dǎo)管1310的內(nèi)表面周長(zhǎng)，且其中圓點(diǎn)表示時(shí)間導(dǎo)數(shù)，撇號(hào)表示關(guān)于長(zhǎng)度的空間導(dǎo)數(shù)。對(duì)于導(dǎo)管1310中包含的物質(zhì)1320-ρfAf(∂∂t+vf∂∂x)2y-Fc-τc‾(θ+α)=0--(11)]]>-ρfIfθ..+Mc+PAfy′=0]]>其中，ρfAf是導(dǎo)管1310中的物質(zhì)1320的單位長(zhǎng)度質(zhì)量，y是導(dǎo)管1310的位移，vf是導(dǎo)管1310中的物質(zhì)1320的速度，ρfIf是導(dǎo)管1310中的物質(zhì)1320的單位長(zhǎng)度慣性， 是導(dǎo)管1310的角加速度，P是導(dǎo)管1310中的物質(zhì)1320的壓力，Af是導(dǎo)管1310中的物質(zhì)1320的橫截面積。
去掉耦合力(Fc)、力矩(Mc)和導(dǎo)管“梁”壁上的流體剪切(□)V′-ρtAt-dy..+ρfAf(∂∂t+vf∂∂x)2y+F(x,t)=0--(12)]]>M′-Sy′+V-(ρtIt+ρfIf)θ..+PAfy′=0]]>根據(jù)基本彈性原理y′(x，t)＝θ(x，t)+α(x，t)V(x,t)=k^GAtα(x,t)]]>M(x，t)＝EItθ′(x，t) (13)這可以根據(jù)y(x，t)和x，t減少為兩個(gè)公式k^GAt(y′′-θ′)-ρtAty..-dy.-ρfAf(∂∂t+vf∂∂x)2y+f(x,t)=0--(14)]]>EItθ′′-Sy′+k^GAt(y′-θ)-(ρtIt+ρfIf)θ..+PAfy′=0]]>對(duì)公式(14)中的基本獨(dú)立變量無(wú)量綱化，其中下劃線表示空間或時(shí)間的無(wú)量綱變量，尖括號(hào)表示所述變量的美國(guó)習(xí)慣單位
x＝Lxdx＝Ldxt=1ω1t‾]]>dt=1ω1dt‾]]>ωr‾=ωrω1]]>ω‾=ωω1]]>ηr(t)=ejωt=ηr(t‾)=ejωω1t‾=ejωt‾<in>]]>ηr‾(t‾)=1Lηr(t‾)<0>]]>Φr(x)=Φr(x‾)=Φr‾(x‾)<0>]]>Φr(x)=eλ1rxe-λ1rxejλ2rxe-jλ2rx{BCr}<0>]]>Φr(x‾)=eλ1rLx‾e-λ1rLx‾ejλ2rLx‾e-jλ2rLx‾{BCr}<0>]]>Φr‾(x‾)=eλ1rLx‾e-λ1rLx‾ejλ2rLx‾e-jλ2rLx‾{BCr}<0>]]>Ψr(x)=Ψr(x‾)=1LΨr‾(x‾)<1/in>]]>Ψr(x)=eλ1rxe-λ1rxejλ2rxe-jλ2rx[ur]{BCr}<1/in>]]>Ψr(x‾)=eλ1rLx‾e-λ1rLx‾ejλ2rLx‾e-jλ2rLx‾[ur]{BCr}<1/in>]]>Ψr‾(x‾)=eλ1rLx‾e-λ1rLx‾ejλ2rLx‾e-jλ2rLx‾[ur‾]{BCr}<0>]]>[ur‾]=L‾[ur]]]>(15)y(x,t)=ΣrΦr(x)ηr(t)=ΣrΦr(x‾)ηr(t‾)=y(x‾,t‾)=<in>]]>y‾(x‾,t‾)=1LΣrΦr(x‾)ηr(t‾)=ΣrΦr(x‾)ηr‾(t‾)<0>]]>θ(x,t)=ΣrΨr(x)ηr(t)=ΣrΨr(x‾)ηr(t‾)=θ(x‾,t‾)=<0>]]>θ‾(x‾,t‾)=Σr1LΨr‾(x‾)Lηr‾(t‾)=ΣrΨr‾(x‾)ηr‾(t‾)<0>]]>對(duì)無(wú)量綱化的振型Φr、Ψr進(jìn)行微分和積分
∂y(x,t)∂x=1L∂Φr(x‾)∂x‾ηr(t‾)=∂Φr‾(x‾)∂x‾ηr‾(t‾)<0>]]>∂2y(x,t)∂x2=1L2∂2Φr(x‾)∂x‾2ηr(t‾)=1L∂2Φr‾(x‾)∂x‾2ηr‾(t‾)<1/in>]]>∂y(x,t)∂t=ω1Φr(x‾)∂ηr(t‾)∂t‾=ω1LΦr(x‾)∂ηr(t‾)‾∂t‾<in/sec>]]>∂2y(x,t)∂t2=ω12Φr(x‾)∂2ηr(t‾)∂t‾2=ω12LΦr(x‾)∂ηr‾(t‾)∂t‾<in/sec2>]]>∂2y(x,t)∂x∂t=ω1L∂Φr(x‾)∂x‾∂ηr(t‾)∂t‾=ω1∂Φr‾(x‾)∂x‾∂ηr‾(t‾)∂t‾<1/sec>]]>∂θ(x,t)∂x=1L∂Ψr(x‾)∂x‾ηr(t‾)=1L∂Ψr‾(x‾)∂x‾ηr‾(t‾)<1/in>]]>∂2θ(x,t)∂x2=1L2∂2Ψr(x‾)∂x‾2ηr(t‾)=1L2∂2Ψr‾(x‾)∂x‾2ηr‾(t‾)<1/in2>]]>∂θ(x,t)∂t=ω1Ψr(x‾)∂ηr(t‾)∂t‾=ω1Ψr‾(x‾)∂ηr‾(t‾)∂t‾<1/sec>--(16)]]>∂2θ(x,t)∂t2=ω12Ψr(x‾)∂2ηr(t‾)∂t‾2=ω12Ψr‾(x‾)∂ηr‾(t‾)∂t‾<1/sec>]]>∂Φr(x)∂x=1L∂Φr(x‾)∂x‾=<1/in>]]>∂Ψr(x)∂x=1L∂Ψr(x‾)∂x‾=<1/in2>]]>(17)∫xLxRΦr(x)dx=L∫xL/LxR/LΦr(x‾)dx‾=<in>]]>∫xLxRΦn1(x)Φn(x)dx=L∫xL/LxR/LΦm(x‾)Φn(x‾)dx‾=<in>]]>在公式(17)中，積分xR/L和xL/L的范圍分別為0-1或-1/2-+1/2，取決于坐標(biāo)系的位置。公式(18)與公式(14)相同，但包含了全部無(wú)量綱關(guān)系
k^GAtEIt(1L∂2Φr‾(x‾)∂x‾2-1L∂Ψr‾(x‾)∂x‾)ηr‾(t‾)-ρAω12LEItΦr‾(x‾)∂2ηr‾(t‾)∂t‾2-dω1LEItΦr‾(x‾)∂ηr‾(t‾)∂t‾-...]]>2ρfAfvfω1EIt∂Φr‾(x‾)∂x‾∂ηr‾(t‾)∂t‾-ρfAfvf2EIt1L∂2Φr‾(x‾)∂x‾2ηr(t‾)+1EItF(xdrv‾,t‾)=0]]>1L2∂2Ψr‾(x‾)∂x‾2ηr‾(t‾)+(PAf-S)EIt∂Φr‾(x‾)∂x‾ηr‾(t‾)+k^GAtEIt(∂Φr‾(x‾)∂x‾-Ψr‾(x‾))ηr‾(t‾)-...]]>ρIω12EItΨr‾(x‾)∂2ηr‾(t‾)∂t‾2=0]]>(18)對(duì)公式(18)的全部分別用L2和L相乘k^GAtL2EIt(1L∂2Φr‾(x‾)∂x‾2-1L∂Ψr‾(x‾)∂x‾)ηr‾(t‾)-ρAω12L4EIt1LΦr‾(x‾)∂2ηr‾(t‾)∂t‾2-dω1L4EIt1LΦr‾(x‾)∂ηr‾(t‾)∂t‾-...]]>2ρfAfvfω1L3EIt1L∂Φr(x‾)‾∂x‾∂ηr‾(t‾)∂t‾-ρfAfvf2L2EIt1L∂2Φr‾(x‾)∂x‾2ηr‾(t‾)+L2EItF(x‾,t‾)=0]]>1L‾∂2Ψr‾(x‾)∂x‾2ηr‾(t‾)+(PAf-S)L2EIt1L∂Φr(x‾)‾∂x‾ηr‾(t‾)+k^GAtL2EIt(1L∂Φr‾(x‾)∂x‾-1LΨr‾(x‾))ηr‾(t‾)-...]]>ρIω12L2EIt1LΨr‾(x‾)∂2ηr‾(t‾)∂t‾2=0]]>(19)在公式(19)中，S對(duì)張力是正的，因此，當(dāng)張力為正時(shí)，S為負(fù)ρA‾=ρAω12L4EIt]]>S‾=(PAf-S)L2EIt]]>ρI‾=ρIω12L2EIt]]>A‾=ρfAfvf2L2EIt]]>B‾=k^GAL2EIt]]>m.‾=ρfAfvf2EIt--(20)]]>f‾=L3EItf(x,t)]]>F‾=L2EItF(xdrv,t)]]>dr‾=2ζrωrρAω1L4EIt]]>將公式(19)排列為緊湊的矩陣形式
注意到振型函數(shù) 和 是無(wú)量綱的。當(dāng)計(jì)算正交性時(shí)，1/L項(xiàng)用來(lái)使積分無(wú)量綱化?！胺娇颉狈?hào)是微分算子的占位符。公式(21)的第一項(xiàng)解決比例阻尼和科里奧利效應(yīng)。第三項(xiàng)解決梁的剛度、離心力、壓力、和張力。剛度矩陣是基本對(duì)角的，其中一些項(xiàng)稍微不對(duì)稱(chēng)。
為了計(jì)算任意兩個(gè)模式m和r的正交性，或“自共軛性”，微分公式的每一項(xiàng)在梁的整個(gè)長(zhǎng)度上積分 (22)修改積分，使得積分在長(zhǎng)度L上被無(wú)量綱化 (23)長(zhǎng)度L抵消，得出無(wú)量綱模態(tài)質(zhì)量、阻尼、科里奧利、和剛度矩陣mr、dr、cr、krmr‾m,n=∫xL/LxR/LΦm‾(x‾)Ψm‾(x‾)TρA‾00ρI‾Φr‾(x‾)Ψr‾(x‾)dx‾--(24)]]> Nm‾=Φm‾(xdrv)Ψm‾(xdrv)TF‾0--(27)]]>流量運(yùn)動(dòng)的模態(tài)微分公式可以簡(jiǎn)化為矩陣形式[mr‾]{η‾..(t‾)}+[dr‾+cr‾]{η.‾(t‾)}+[kr‾]{η‾(t‾)}={Nr‾}--(28)]]>模態(tài)響應(yīng){η(t)}可以認(rèn)為是和諧的，從而公式(28)被改為公式(29)(對(duì)于固定端部的梁，最好在ω＝ω1驅(qū)動(dòng)傳感器導(dǎo)管)(-ω2[mr]+jω[dr+cr]+[kr]){η(t)}＝{N}(29)左邊括號(hào)內(nèi)的量可以認(rèn)為是類(lèi)似以上參考公式(6)和(7)描述的“模態(tài)動(dòng)態(tài)剛度”。通過(guò)對(duì)該模態(tài)動(dòng)態(tài)剛度(模態(tài)頻率響應(yīng)函數(shù))求逆，將其移到右邊可以計(jì)算無(wú)量綱模態(tài)響應(yīng){η(t)}＝(-ω2[mr]+jω[dr+cr]+[kr])-1{N} (30)此時(shí)，可以簡(jiǎn)化假設(shè)所述梁的作用就像歐拉/伯努利梁，即ρI≈A≈S≈0。對(duì)于歐拉/伯努利梁，模態(tài)剛度可以表示為
krm,r=EIt∫xLxR∂2Φm(x)∂x2∂2Φr(x)∂x2dx]]>(31)kr‾m,r‾=∫xL/LxR/L∂2Φm‾(x‾)∂x‾2∂2Φr‾(x‾)∂x‾2dx‾]]>這允許從積分中去除無(wú)量綱常數(shù)，使得公式(31)簡(jiǎn)化為公式(32)，其中∧表示由振型的積分產(chǎn)生的常矩陣{η‾(t‾)}=(-ω‾2ρA‾[m^r‾]+jω‾(d‾[d^r‾]+m.‾[c^r‾])+[k^r‾])-1{N‾}--(32)]]>具有基本固定的端部的導(dǎo)管在第一彎曲模式頻率可以假設(shè)具有近似固定端部的梁的響應(yīng)。因此，導(dǎo)管的物理響應(yīng)可以近似為好像固定梁振型和固定梁模態(tài)響應(yīng)的乘積，這意味著振型可以假設(shè)為在激勵(lì)頻率實(shí)際上被保持為恒定。因此，模態(tài)質(zhì)量、阻尼、科里奧利、和剛度矩陣 和 可以假設(shè)為恒定。假設(shè)模態(tài)激勵(lì)不變，則公式(32)中變化的變量只有ρA、d和 還可以假設(shè)ω＝1，因?yàn)榈谝粡澢Ｊ降湫偷卦谥惫芸评飱W利流量計(jì)中驅(qū)動(dòng)。理論上，質(zhì)量流量可以在模態(tài)域中測(cè)量，因?yàn)橛辛髁繒r(shí){η(t)}很復(fù)雜ρA‾=((ρtAt+ρfAf)L)ω12L3EIt]]>(33)m.‾=ρfAfvf2EIt]]>其中，(ρtAt+ρfAf)L<lbfsec2in>]]>表示流量管和其內(nèi)部流體的質(zhì)量，ω1是驅(qū)動(dòng)頻率(第一彎曲模式的假設(shè)驅(qū)動(dòng))，且EItL3<lbfin>]]>與梁的光度成正比。
擴(kuò)展無(wú)量綱參數(shù)，并提取公共變量，得到{η‾(t‾)}=EIt((ρA)L)L3(-ω2[m^r‾]+2jζ[ωr\\]ω[d^r‾]+2j(ρfAfvf)((ρA)L)L3[c^r‾]+EIt((ρA)L)L3[k^r‾])-1{N‾}--(34)]]>如果流體密度在公式(34)中關(guān)于每單位長(zhǎng)度的總質(zhì)量保持恒定，則校準(zhǔn)偏差與Eit/L3成正比。如果該假設(shè)成立，則公式34中剩余的變量是EIt、ρfAfνf、ω、和ζ，其中，ω是激勵(lì)頻率，ρfAfνf是質(zhì)量流速，EIt是導(dǎo)管的抗彎剛度。在流量傳感器應(yīng)用中，長(zhǎng)度通常是已知的，并由設(shè)計(jì)確定。如果流量傳感器導(dǎo)管限制于基本固定的邊界條件中，則振型和模態(tài)頻率也可以已知。因此，模態(tài)質(zhì)量、阻尼、科里奧利、和剛度矩陣 和 可以假設(shè)為恒定。因此，物理響應(yīng)可以變換到任意數(shù)量的物理響應(yīng)點(diǎn)p，其中r是模式個(gè)數(shù)。只要導(dǎo)管端部基本固定，則用于將模態(tài)響應(yīng)反變換為物理響應(yīng)的模態(tài)矩陣就是已知的{y(x‾,t‾)}p=[Φr(xp‾)]p,rL{η‾(t‾)}r--(35)]]>該物理響應(yīng)較復(fù)雜。如上所述使用時(shí)間差或相位測(cè)量值可以從物理響應(yīng)得到質(zhì)量流量測(cè)量。
從公式(34)和(35)，未知的只有質(zhì)量/單位長(zhǎng)度EIt。如果簡(jiǎn)化假設(shè)，即假設(shè)傳感器導(dǎo)管是歐拉梁，則可以確定振型的特征值λr。因此，如果測(cè)量到EIt，可以較精確地確定校準(zhǔn)因子，例如，誤差小于1％。對(duì)于具有固定/固定邊界條件的歐拉/伯努利梁，特征值(λr)可能已知。通常至少驅(qū)動(dòng)模式的頻率為已知。因此，ρA/EIt可以從頻率和特征值信息如下估算λr4=ωr2ρAEIt--(36)]]>對(duì)于更精確的傳感器，影響流量管頻率和邊界條件的剪切剛度和旋轉(zhuǎn)慣性可以考慮。張力影響也可考慮。下面示出如何消除公式(20)中的前4個(gè)特征值參數(shù)。公式(20)提供了如下無(wú)量綱關(guān)系ρA‾=ρAω12L4EIt]]>S‾=(PAf-S)L2EIt]]>ρI‾=ρIω12L2EIt]]>B‾=k^GAL2EIt--(37)]]>從公式(37)，可以使用實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)模式假設(shè)導(dǎo)出模式的頻率公式det|(A‾-B‾)λr2‾-ρA‾ω2B‾λr‾-(S‾+B‾)λr‾B‾-λr2‾-ρI‾ω2|=0--(38)]]>公式(38)可以根據(jù)特征值、模態(tài)頻率、和無(wú)量綱特征值重新排列，得到
(λ1r2+λ2r2)2=1ωr2ωr4(A‾+S‾)22(A‾+S‾)(ρA‾B‾+ρI‾)-4ρA‾(ρA‾B‾+ρI‾)2-4ρA‾B‾ρI‾=1ωr2ωr4{{V1}2]]>λ1r2-λ2r2=1ωr2-(A‾+S‾)-(ρA‾B‾+ρI‾)=1ωr2{V2}]]>(39)對(duì)于固定/固定梁，或具有其它可計(jì)量邊界條件的梁，公式(39)左邊可以是已知的，并對(duì)許多模式可以認(rèn)為是常量。如果測(cè)量了至少3個(gè)模式的模態(tài)頻率，則可以求解ρA、S、ρI、和BS‾=-V20=-V10]]>ρA‾=V11+2V20V214]]>B‾=-2ρA‾V22V222-V13-2ρA‾[(V22V222-V13)2-1V222-V13]1/2--(40)]]>ρI‾=-V22-ρA‾B‾]]>使用從頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)測(cè)量值可以將特征值參數(shù)分解為ρA、ρI、EIt、 和S。測(cè)量ρA和ρI的一種方法是測(cè)量流量導(dǎo)管的模態(tài)質(zhì)量。一種從有限量的FRF測(cè)量值進(jìn)行循環(huán)擬合的方法可以提供模式的特征值的估計(jì)值和余數(shù)。第r個(gè)模式的模態(tài)質(zhì)量mr可以從余數(shù)Rqqr計(jì)算，其中qqr指的是第r個(gè)模式的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)響應(yīng)Rqqr=Φqqr2-j2mrωr--(41)]]>mr=Φqqr2-j2Rqqrωr]]>然后可以產(chǎn)生ρA和ρI的最小二乘估計(jì)
現(xiàn)在， 和 可以看作近似恒定(但不是對(duì)角)矩陣，并可以從公式(42)中消去(pulled)。通過(guò)將列向量疊加，并進(jìn)行偽求逆(pseudo inverse)，可以獲得ρA和ρI的最小二乘估計(jì) 通常，ρA和ρI隨流體密度的變化而變化。在安裝時(shí)，流體密度可能不知道。但是，期望的參數(shù)EIt和 通常不隨時(shí)間變化，盡管E和G隨溫度有微小變化，It和At隨壓力而變化。因此，在安裝時(shí)，ρA和ρI可以被測(cè)量，并用于計(jì)算EIt和 有這些信息在手，就可以進(jìn)行校準(zhǔn)因子的現(xiàn)場(chǎng)估計(jì)。如果從相位測(cè)量值得出質(zhì)量流量測(cè)量值，則ρA可能改變校準(zhǔn)偏差。這樣的流體密度對(duì)校正偏差的影響可以通過(guò)使用時(shí)間差測(cè)量值代替相位測(cè)量值得到減小。
上述技術(shù)的一個(gè)潛在好處是模態(tài)質(zhì)量的測(cè)量通常要求確定驅(qū)動(dòng)點(diǎn)響應(yīng)，例如，在流量管被驅(qū)動(dòng)的位置的響應(yīng)。但是，測(cè)量流量卻不需要這樣的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)響應(yīng)。因此，如果在流量傳感器工作的過(guò)程中測(cè)量驅(qū)動(dòng)點(diǎn)響應(yīng)不方便，則可以在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)使用一個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器來(lái)安裝/校準(zhǔn)，然后在正常工作時(shí)去除該變送器(或忽略其輸出)。
示范校準(zhǔn)裝置和操作圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300的一種典型實(shí)現(xiàn)。校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300可以確定一個(gè)流量傳感器的校準(zhǔn)因子。如圖所示，校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300包括標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征描述電路310，該電路310可以產(chǎn)生導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征，例如，在包括多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式的模態(tài)域中一個(gè)微分運(yùn)動(dòng)公式的表示。該校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300還包括校準(zhǔn)因子確定電路320，其可以從標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征315確定校準(zhǔn)因子325。例如，校準(zhǔn)因子確定電路320可以操作來(lái)從標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征315產(chǎn)生所述模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的解，以及例如通過(guò)從該解產(chǎn)生時(shí)間差或相位關(guān)系的估計(jì)來(lái)從該解確定校準(zhǔn)因子，并從中確定校準(zhǔn)因子325。校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300還包括接口電路330，其可操作來(lái)將確定的校準(zhǔn)因子325傳遞到質(zhì)量流量傳感器的質(zhì)量流量估算器360。如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征描述電路310可以利用由振型函數(shù)發(fā)生電路350產(chǎn)生的振型函數(shù)Φ產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征315。振型函數(shù)發(fā)生電路350從表示質(zhì)量流量傳感器的導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)301產(chǎn)生所述振型函數(shù)Φ，如上述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.09/941,332所述，標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征描述電路310還可以利用由模態(tài)分析電路340產(chǎn)生的模態(tài)質(zhì)量、阻尼、和剛度項(xiàng)[mr]，[dr]，[kr]，或者可以使用振型函數(shù)Φ來(lái)產(chǎn)生這樣的信息，如以上參考公式(24)、(25)和(27)所述。在執(zhí)行流量傳感器導(dǎo)管的模態(tài)分析時(shí)，模態(tài)分析電路340可以例如產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)303來(lái)激勵(lì)質(zhì)量流量傳感器導(dǎo)管，并可以利用例如傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)處理表示響應(yīng)該激勵(lì)的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)302。標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征描述電路310還可以使用空間科里奧利矩陣[C]來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征315的模態(tài)科里奧利矩陣項(xiàng)，如參考公式(3)所描述的，或可以直接從振型函數(shù)Φ確定這樣的科里奧利項(xiàng)。
如圖3概念性地所示，校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300可以包括一個(gè)單獨(dú)的單元，或可以與模態(tài)分析電路340和/或振型函數(shù)發(fā)生電路350和/或質(zhì)量流量估算電路360相結(jié)合。例如，校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300的全部或一部分可以與質(zhì)量流量估算電路360集成在一個(gè)公用的數(shù)據(jù)處理器中，如，構(gòu)成一個(gè)質(zhì)量流量傳感器裝置一部分的微控制器、微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，從而使得例如標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征描述電路310、校準(zhǔn)因子確定電路320、接口電路330、和質(zhì)量流量估算電路360實(shí)現(xiàn)為軟件對(duì)象、模塊等，其配置為在所述公用數(shù)據(jù)處理器上協(xié)調(diào)運(yùn)行。可選地，校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300的全部或一部分可以與振型函數(shù)發(fā)生電路350和/或模態(tài)分析電路340集成在例如用于一件測(cè)試或過(guò)程控制設(shè)備的一個(gè)公用數(shù)據(jù)處理裝置中，使得例如這些電路實(shí)現(xiàn)為協(xié)調(diào)運(yùn)行的對(duì)象、模塊等。應(yīng)當(dāng)理解，普遍而言，校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300可以使用在通用或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)處理器上運(yùn)行的專(zhuān)用硬件、軟件或固件或其結(jié)合實(shí)現(xiàn)。
圖4-6為根據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施例的示范操作的流程圖說(shuō)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，這些流程圖的操作可以使用計(jì)算機(jī)指令實(shí)現(xiàn)。這些指令可以在計(jì)算機(jī)或其它數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行，例如，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖3的校準(zhǔn)因子發(fā)生電路300，以產(chǎn)生能夠執(zhí)行所示操作的裝置(系統(tǒng))。這些計(jì)算機(jī)指令還可以在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)例如集成電路存儲(chǔ)器、磁盤(pán)、磁帶等上存儲(chǔ)為計(jì)算機(jī)可讀程序代碼，該代碼可以引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其它數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行所示操作，從而提供執(zhí)行所示操作的裝置。該計(jì)算機(jī)可讀程序代碼也可在計(jì)算機(jī)或其它數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行，使該裝置執(zhí)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理。相應(yīng)地，圖4-6支持裝置(系統(tǒng))、計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品和方法，以執(zhí)行此處所示操作。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以根據(jù)不同于此處所示實(shí)施例的多種其它方式實(shí)現(xiàn)。例如，此處所述計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)計(jì)算或組合為實(shí)現(xiàn)相同結(jié)果的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算。此處所述功能一般可以使用數(shù)字和/或模擬信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)理解，盡管本發(fā)明可以在例如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)，或?qū)崿F(xiàn)為可由這樣的裝置執(zhí)行的方法，但本發(fā)明也可在配置為與流量計(jì)或傳感器裝置聯(lián)合操作的裝置中實(shí)現(xiàn)，例如在過(guò)程控制裝置中。還應(yīng)理解，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)為計(jì)算機(jī)可讀指令或程序代碼形式的產(chǎn)品，該指令或程序代碼存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)如磁盤(pán)、集成電路存儲(chǔ)設(shè)備、磁帶、磁泡存儲(chǔ)器等上。這樣的計(jì)算機(jī)程序代碼可以由計(jì)算機(jī)或其它數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行，并響應(yīng)從運(yùn)動(dòng)變送器提供的運(yùn)動(dòng)信號(hào)來(lái)執(zhí)行，這些運(yùn)動(dòng)變送器的操作與流量傳感器或類(lèi)似結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例產(chǎn)生一個(gè)流量傳感器的校準(zhǔn)因子的示范操作400。從測(cè)量的響應(yīng)數(shù)據(jù)，例如從由圖1所示的運(yùn)動(dòng)變送器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，確定一個(gè)振型函數(shù)，例如以上參考公式(2)描述的振型函數(shù)(塊410)。然后從該振型函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征(塊420)。例如，通過(guò)如以上參考公式(3)-(15)所描述的，利用模態(tài)分析技術(shù)確定模態(tài)質(zhì)量和硬度剛度矩陣，并從一個(gè)預(yù)定質(zhì)量流量的離散物理科里奧利矩陣產(chǎn)生一個(gè)模態(tài)科里奧利矩陣，可以產(chǎn)生包括模態(tài)質(zhì)量項(xiàng)、模態(tài)剛度項(xiàng)、模態(tài)阻尼項(xiàng)以及模態(tài)科里奧利項(xiàng)的模態(tài)微分公式，這可以看作是相對(duì)于空間科里奧利特征(例如，物理科里奧利矩陣)確定離散振型的正交性?？蛇x地，模態(tài)科里奧利矩陣可以通過(guò)確定預(yù)定質(zhì)量流速的連續(xù)模態(tài)函數(shù)的正交性(例如，相對(duì)于它自己和其它振型函數(shù))來(lái)確定，如參考公式(26)所描述，而模態(tài)質(zhì)量和剛度矩陣可以通過(guò)類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)化，如公式(24)、(25)和(27)，或通過(guò)傳統(tǒng)的模態(tài)分析技術(shù)來(lái)確定。然后可以從所述標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)特征確定校準(zhǔn)因子(塊430)。例如，可以求解包括模態(tài)質(zhì)量、剛度、阻尼、和科里奧利項(xiàng)的模態(tài)微分公式，并轉(zhuǎn)換到空間域，來(lái)得出估計(jì)的空間響應(yīng)，從該響應(yīng)可以確定校準(zhǔn)因子，如參考公式(3)、(6)-(8)以及(32)-(35)所描述的。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例確定一個(gè)流量傳感器校準(zhǔn)因子的示范操作500。利用例如傳統(tǒng)模態(tài)分析技術(shù)確定一個(gè)模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的模態(tài)質(zhì)量和剛度項(xiàng)，如公式(6)的[mr]和[kr]矩陣(塊510)。然后從空間科里奧利特征和振型函數(shù)，如公式(3)中描述的物理科里奧利矩陣[C]，確定運(yùn)動(dòng)公式的模態(tài)科里奧利項(xiàng)，如公式(6)的[cr]矩陣(塊520)。然后，從導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)隨模態(tài)質(zhì)量、剛度、和科里奧利項(xiàng)而變化的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征，例如從模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式，確定校準(zhǔn)因子(塊530)。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例確定一個(gè)流量傳感器校準(zhǔn)因子的示范操作600。利用例如傳統(tǒng)模態(tài)分析技術(shù)或通過(guò)如參考公式(24)和(25)所描述的振型函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，確定一個(gè)模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的模態(tài)質(zhì)量和剛度項(xiàng)，如公式(34)的 和 矩陣(塊610)。然后通過(guò)確定一個(gè)預(yù)定質(zhì)量流速的振型函數(shù)的正交性，如參考公式(26)描述的，確定運(yùn)動(dòng)公式的模態(tài)科里奧利項(xiàng)，如公式(34)的 矩陣(塊620)。然后，從導(dǎo)管隨模態(tài)質(zhì)量、剛度、和科里奧利項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征，例如從模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的解，確定校準(zhǔn)因子(塊630)。
如上所述，如果適當(dāng)約束導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)以提供預(yù)定的邊界條件，則可以對(duì)流量傳感器導(dǎo)管的模態(tài)特性進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)。例如，通過(guò)固定傳感器導(dǎo)管的端部，可以獲得導(dǎo)管的至少一個(gè)模式的基本確定的、近似的邊界條件。
例如，如圖7所示，流量傳感器700可以包括由致動(dòng)器706驅(qū)動(dòng)(振動(dòng))的導(dǎo)管703。當(dāng)物質(zhì)708流過(guò)導(dǎo)管703時(shí)，運(yùn)動(dòng)傳感器705產(chǎn)生表示導(dǎo)管703的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)707。質(zhì)量流量確定電路710利用從傳感器700的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征導(dǎo)出的校準(zhǔn)因子755從該運(yùn)動(dòng)信號(hào)707產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(jì)715。
具體地，如上所述，可以通過(guò)假設(shè)導(dǎo)管703的正常模式的一種預(yù)定的邊界條件，例如假設(shè)由致動(dòng)器706驅(qū)動(dòng)的第一彎曲模式的固定/固定邊界條件，可以導(dǎo)出校準(zhǔn)因子755。如圖7中概念性地所示，該邊界條件可以通過(guò)將導(dǎo)管703的位置703A、703B固定到基本剛性結(jié)構(gòu)730來(lái)近似。應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)位置703A、703B的該固定可以通過(guò)多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，導(dǎo)管704的位置703A、703B可以利用卡子、焊接或其它緊固技術(shù)來(lái)固定到剛性結(jié)構(gòu)。
應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，這樣的方式可以便于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的直管科里奧利流量計(jì)，這種科里奧利流量計(jì)不需要許多傳統(tǒng)直管傳感器中所用的機(jī)械調(diào)諧平衡梁。還應(yīng)當(dāng)理解，上述技術(shù)還使得能夠在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)一種“扣緊(clamp-on)”流量傳感器，即，由變送器、致動(dòng)器和與構(gòu)成一個(gè)處理裝置的一部分的管子或其它導(dǎo)管的長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)的電路實(shí)現(xiàn)的流量傳感器，例如精煉、處理廠或其它設(shè)備中的現(xiàn)有管線。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的直管流量傳感器結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子示于圖8。在圖8中，流量傳感器800包括一個(gè)導(dǎo)管803，其附著于一個(gè)外殼804并被該外殼包圍。該導(dǎo)管803配置為從例如附著于法蘭802的管線(未示出)接收物質(zhì)或向其發(fā)送物質(zhì)。傳感器800進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器806，其導(dǎo)致導(dǎo)管803和外殼804之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器805產(chǎn)生表示導(dǎo)管803和外殼804之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)807。
傳感器接口電路810包括一個(gè)質(zhì)量流量確定電路812，其操作接收所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)807，并根據(jù)校準(zhǔn)因子855從中產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)量流量估計(jì)813。該傳感器接口電路810還包括驅(qū)動(dòng)器電路814，用于控制所述一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器806。
校準(zhǔn)因子855由標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征化校準(zhǔn)電路850產(chǎn)生。該校準(zhǔn)電路850從導(dǎo)管803的運(yùn)動(dòng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征導(dǎo)出所述校準(zhǔn)因子855。如虛線連接所示，所述校準(zhǔn)電路850可以操作接收由變送器805產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)807和/或產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器806。這一能力可以用來(lái)確定振型函數(shù)和模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的項(xiàng)，以及確定所述校準(zhǔn)因子855所需的其它參數(shù)。
如上所述，校準(zhǔn)因子855可以根據(jù)一種假設(shè)來(lái)導(dǎo)出，即，假設(shè)導(dǎo)管803將約束于預(yù)定的邊界條件，例如導(dǎo)管803的第一彎曲模式的固定端部邊界條件。為了近似這樣的預(yù)定邊界條件，對(duì)導(dǎo)管803的運(yùn)動(dòng)加以限制。例如，如圖8概念性所示，通過(guò)將導(dǎo)管803約束到剛性結(jié)構(gòu)，可以將靠近法蘭802的運(yùn)動(dòng)限制于近似固定條件，從而使得靠近法蘭802的運(yùn)動(dòng)幾乎消失。應(yīng)當(dāng)理解，這樣的固定可以通過(guò)多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，可以通過(guò)將連接到法蘭802的一條管線卡、焊或采取其它方式固定到剛性結(jié)構(gòu)來(lái)限制靠近法蘭802的運(yùn)動(dòng)。也可以通過(guò)例如將外殼804固定到剛性結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)固定，假設(shè)外殼804的剛度足以限制靠近法蘭802的運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解，傳感器接口電路810可以通過(guò)多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，傳感器接口電路810可以實(shí)現(xiàn)為帶有外殼804的電子封裝。可選地，傳感器接口電路810的全部或部分的位置可以與外殼804和其中的組件分離。例如，傳感器接口電路810的全部或部分可以包括在連接到所述一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器806和/或運(yùn)動(dòng)變送器805的遠(yuǎn)程過(guò)程控制裝置中。
進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解，校準(zhǔn)電路850可以通過(guò)多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，校準(zhǔn)電路850的全部或部分可以與傳感器接口電路810集成。校準(zhǔn)電路850的全部或部分也可以包括在例如設(shè)計(jì)為與工廠或其它設(shè)備中的傳感器800接口的遠(yuǎn)距離過(guò)程控制或其它設(shè)備。校準(zhǔn)電路850的全部或部分也可以在例如測(cè)試設(shè)備(現(xiàn)場(chǎng)或工廠)中提供，該測(cè)試設(shè)備配置為連接到傳感器800用于校準(zhǔn)，但在傳感器800正常運(yùn)行時(shí)拆除或使無(wú)效。傳感器接口電路810還可以與校準(zhǔn)電路850共享組件，如處理電路或驅(qū)動(dòng)器電路。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例的“扣緊”流量傳感器構(gòu)造的一個(gè)例子。管線903在第一和第二位置903A、903B通過(guò)第一和第二管卡911A、911B卡在剛性結(jié)構(gòu)930上。多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器905，如慣性或相對(duì)變送器，被配置為在各個(gè)位置與管線903嚙合，并產(chǎn)生表示導(dǎo)管903的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)907。傳感器接口電路910包括一個(gè)質(zhì)量流量確定電路912，其操作來(lái)根據(jù)從管線903的運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征導(dǎo)出的校準(zhǔn)因子955處理所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)907。一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器906還配置為與管線903嚙合，并被傳感器接口電路910中包含的驅(qū)動(dòng)器電路914驅(qū)動(dòng)。
校準(zhǔn)因子955由標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征校準(zhǔn)電路950產(chǎn)生。校準(zhǔn)電路950從導(dǎo)管903的運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征導(dǎo)出校準(zhǔn)因子955。如虛線連接所示，校準(zhǔn)電路950可以接收由變送器905產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)907和/或產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或多個(gè)變送器906。這一能力可以用于確定例如振型函數(shù)和模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的項(xiàng)，和確定校準(zhǔn)因子955所需的其它參數(shù)。
校準(zhǔn)因子955可以根據(jù)一種假設(shè)來(lái)導(dǎo)出，即，假設(shè)導(dǎo)管903將約束于預(yù)定的邊界條件，例如導(dǎo)管903的第一彎曲模式的固定端部邊界條件。為了近似這樣的預(yù)定邊界條件，對(duì)導(dǎo)管903的運(yùn)動(dòng)加以約束。例如，如圖9所示，可以通過(guò)將導(dǎo)管903附著于剛性結(jié)構(gòu)930上的卡子911A和911B來(lái)約束導(dǎo)管903在相互隔開(kāi)的第一和第二位置903A和903B的運(yùn)動(dòng)。應(yīng)當(dāng)理解，這樣的固定可以通過(guò)其它方式實(shí)現(xiàn)。
傳感器接口電路910可以通過(guò)多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，傳感器接口電路910可以實(shí)現(xiàn)為被配置靠近變送器905和致動(dòng)器906的電子封裝。可選地，傳感器接口電路910的全部或部分的位置可以與變送器905和一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器906分離。例如，傳感器接口電路910的全部或部分可以包含在通過(guò)通訊鏈接與一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器906和/或運(yùn)動(dòng)變送器905連接的遠(yuǎn)程過(guò)程控制裝置中。
進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解，校準(zhǔn)電路950可以通過(guò)多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，校準(zhǔn)電路950的全部或部分可以與傳感器接口電路910集成。校準(zhǔn)電路950的全部或部分也可以包括在過(guò)程控制或其它設(shè)備中。校準(zhǔn)電路950的全部或部分也可以在例如測(cè)試設(shè)備(現(xiàn)場(chǎng)或工廠)中提供，該測(cè)試設(shè)備連接到致動(dòng)器906和變送器905用于校準(zhǔn)，但在正常運(yùn)行時(shí)拆除或使無(wú)效。傳感器接口電路910還可以與校準(zhǔn)電路950共享組件，如處理電路或驅(qū)動(dòng)器電路。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的扣緊流量傳感器構(gòu)造的另一個(gè)例子。管線1003在第一和第二位置1003A、1003B通過(guò)第一和第二管卡1011A、1011B卡在剛性結(jié)構(gòu)1030上。管卡1011A、1011B也附著于剛性結(jié)構(gòu)1004上，如剛性梁。多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)變送器1005被配置為在各個(gè)位置與管線1003嚙合，并提供表示導(dǎo)管1003相對(duì)于結(jié)構(gòu)1004的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)1007。傳感器接口電路1010包括一個(gè)質(zhì)量流量確定電路1012，其操作來(lái)根據(jù)從管線1003的運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征導(dǎo)出的校準(zhǔn)因子1055處理所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)1007。一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器1006還配置為與管線1003嚙合，并根據(jù)傳感器接口電路1010中包含的驅(qū)動(dòng)器電路1014驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管1003。
校準(zhǔn)因子1055是由標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征校準(zhǔn)電路1050產(chǎn)生的。該校準(zhǔn)電路1050從所述導(dǎo)管1003的運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征導(dǎo)出校準(zhǔn)因子1055。如虛線連接所示，校準(zhǔn)電路1050可以操作接收由變送器1005產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)1007，和/或產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或多個(gè)變送器1006。該能力可以用于例如確定振型函數(shù)和模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的項(xiàng)，以及確定校準(zhǔn)因子1055所需的其它參數(shù)。
校準(zhǔn)因子可以根據(jù)一種假設(shè)來(lái)導(dǎo)出，即，假設(shè)導(dǎo)管1003將約束于預(yù)定的邊界條件，例如導(dǎo)管1003的第一彎曲模式的固定端部邊界條件。為了近似這樣的預(yù)定邊界條件，對(duì)導(dǎo)管1003的運(yùn)動(dòng)加以約束。例如，如圖10概念性所示， 可以通過(guò)附著于剛性結(jié)構(gòu)1030上的卡子1011A和1011B來(lái)約束導(dǎo)管1003在相互隔開(kāi)的第一和第二位置1003A和1003B的運(yùn)動(dòng)。應(yīng)當(dāng)理解，這樣的固定可以通過(guò)其它方式實(shí)現(xiàn)。
傳感器接口電路1010可以通過(guò)多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，傳感器接口電路1010可以實(shí)現(xiàn)為被配置靠近變送器1005和致動(dòng)器1006的電子封裝?？蛇x地，傳感器接口電路1010的全部或部分的位置可以與變送器1005和一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器1006分離。例如，傳感器接口電路1010的全部或部分可以包含在通過(guò)通訊鏈接與一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器1006和/或運(yùn)動(dòng)變送器1005連接的遠(yuǎn)程過(guò)程控制裝置中。
進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解，校準(zhǔn)電路1050可以通過(guò)多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，校準(zhǔn)電路1050的全部或部分可以與傳感器接口電路1010集成。校準(zhǔn)電路1050的全部或部分也可以包括在例如過(guò)程控制或其它設(shè)備中。校準(zhǔn)電路1050的全部或部分也可以在例如測(cè)試設(shè)備(現(xiàn)場(chǎng)或工廠)中提供，該測(cè)試設(shè)備連接到致動(dòng)器1006和變送器1005用于校準(zhǔn)，但在正常運(yùn)行時(shí)拆除或使無(wú)效。傳感器接口電路1010還可以與校準(zhǔn)電路1050共享組件，如處理電路或驅(qū)動(dòng)器電路。
根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，用于流量傳感器導(dǎo)管的預(yù)定邊界條件也可以通過(guò)利用限制質(zhì)量流量傳感器的導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的振型控制技術(shù)來(lái)近似。這樣的振型控制技術(shù)在例如標(biāo)題為“Sensor Apparatus，Methodsand Computer Program Products Employing Vibrational ShapeControl”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/942,189中描述，該申請(qǐng)屬于Wheeler，此處共同提交并將全文引作參考。特別地，上述申請(qǐng)描述了與流量傳感器導(dǎo)管操作關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器如何可以用于近似導(dǎo)管的至少一種振動(dòng)模式的固定邊界條件，例如，直管型導(dǎo)管傳感器的第一彎曲模式。
圖11示出利用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的振型控制的質(zhì)量流量傳感器裝置1100。該裝置1100包括一個(gè)導(dǎo)管1103。多個(gè)致動(dòng)器1106操作來(lái)在多個(gè)位置上為所述導(dǎo)管施加力。多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器1105也在操作時(shí)與導(dǎo)管1103關(guān)聯(lián)，并響應(yīng)導(dǎo)管1103的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)信號(hào)1107。
兩個(gè)或更多運(yùn)動(dòng)信號(hào)1107可以被傳感器接口電路1110的質(zhì)量流量確定電路1112處理，以利用根據(jù)導(dǎo)管1103的一種模式(例如，第一彎曲模式)的預(yù)定邊界條件的假設(shè)從導(dǎo)管1103運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征導(dǎo)出的校準(zhǔn)因子產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(jì)1113。例如，假設(shè)的預(yù)定邊界條件可以包括在導(dǎo)管1103的位置1103A和1103B幾乎沒(méi)有運(yùn)動(dòng)(例如，在一個(gè)慣性框架內(nèi))。
傳感器接口電路1100進(jìn)一步包括一個(gè)振型控制電路1114，該電路操作時(shí)接收部分或全部運(yùn)動(dòng)信號(hào)1107，并響應(yīng)該信號(hào)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)1109。例如，振型控制電路1120可以操作來(lái)以第一彎曲模式振動(dòng)導(dǎo)管1103，同時(shí)約束導(dǎo)管1103的運(yùn)動(dòng)，使得校準(zhǔn)因子1155所根據(jù)的預(yù)定邊界條件得到近似。例如，振型控制電路1120可以驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器1106，使得導(dǎo)管1103的第一彎曲模式被驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在導(dǎo)管位置1103A和1103B保持基本為零的第一彎曲模式的運(yùn)動(dòng)。
校準(zhǔn)因子1155是由標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征校準(zhǔn)電路1150產(chǎn)生的。該校準(zhǔn)電路1150可以操作來(lái)接收由變送器1105產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)1107和/或產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)變送器1106的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(為清楚起見(jiàn)，圖11中未示出連接)。這一能力可以用于例如確定振型函數(shù)和模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的項(xiàng)，以及確定校準(zhǔn)因子1155所需的其它參數(shù)。
傳感器接口電路1110可以以多種不同的方式實(shí)現(xiàn)。例如，傳感器接口電路1110可以實(shí)現(xiàn)為在變送器1105和致動(dòng)器1106附近配置的電子裝置封裝?？蛇x地，全部或部分傳感器接口電路1110的位置可以遠(yuǎn)離變送器1105和一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器1106。例如，全部或部分傳感器接口電路1110可以包括在通過(guò)通訊鏈路與致動(dòng)器1006和/或運(yùn)動(dòng)變送器1105連接的遠(yuǎn)程過(guò)程控制裝置中。
進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解，校準(zhǔn)電路1150可以以多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，校準(zhǔn)電路1150的全部或部分可以與傳感器接口電路1150集成在一起。校準(zhǔn)電路1150的全部或部分可以包括在例如遠(yuǎn)離導(dǎo)管1103的過(guò)程控制或其它裝置中。校準(zhǔn)電路1150的全部或部分也可以在測(cè)試裝置(現(xiàn)場(chǎng)或工廠)中提供，該測(cè)試裝置連接到致動(dòng)器1106和變送器1105進(jìn)行校準(zhǔn)，但在正常操作時(shí)被去除或使無(wú)效。校準(zhǔn)電路1150的全部或部分也可以與校準(zhǔn)電路1150共享諸如信號(hào)處理電路和驅(qū)動(dòng)電路這樣的組件。
進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解，類(lèi)似于以上參考圖8-10所描述的配置，參考圖11所描述的有源振動(dòng)控制方法可以用于實(shí)現(xiàn)直管流量傳感器，包括集成和扣緊結(jié)構(gòu)。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明另一方面的示范操作1200。假設(shè)一種預(yù)定邊界條件，例如導(dǎo)管的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式的固定端部邊界條件，從傳感器導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征確定質(zhì)量流量傳感器的校準(zhǔn)因子(塊1210)。產(chǎn)生表示導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)通過(guò)例如將導(dǎo)管的適當(dāng)位置附著于固定結(jié)構(gòu)和/或通過(guò)使用形態(tài)控制，將導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)約束為與預(yù)定邊界條件近似(塊1220)。根據(jù)校準(zhǔn)因子對(duì)這樣產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，以產(chǎn)生質(zhì)量流量估計(jì)(塊1230)。
在附圖和說(shuō)明中，公開(kāi)了本發(fā)明的典型實(shí)施例。盡管其中運(yùn)用的特定的術(shù)語(yǔ)，但這只是在一般的和敘述性意義上使用，而不是為了限制的目的。本發(fā)明的范圍在下面的權(quán)利要求中提出。
權(quán)利要求
1.一種用于確定被配置為含有物質(zhì)的導(dǎo)管中的質(zhì)量流量的方法，該方法的特征在于以下步驟從導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征確定校準(zhǔn)因子；產(chǎn)生表示導(dǎo)管在其上多個(gè)位置處的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；和根據(jù)所確定的校準(zhǔn)因子處理該運(yùn)動(dòng)信號(hào)，以產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)量流量估計(jì)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定校準(zhǔn)因子包括在包含導(dǎo)管的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)模式的模態(tài)域中產(chǎn)生模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的解；和根據(jù)所產(chǎn)生的模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的解產(chǎn)生校準(zhǔn)因子。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述校準(zhǔn)因子將質(zhì)量流速與上述的多個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)間的空間-時(shí)間關(guān)系聯(lián)系起來(lái)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述校準(zhǔn)因子將質(zhì)量流速與時(shí)間差或相位關(guān)系中的一個(gè)聯(lián)系起來(lái)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征表示導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)隨模態(tài)科里奧利項(xiàng)變化的特征，該科里奧利項(xiàng)描述導(dǎo)管響應(yīng)其中的質(zhì)量流量的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式之間的耦合。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中確定校準(zhǔn)因子之前，先從一個(gè)振型函數(shù)確定所述模態(tài)科里奧利項(xiàng)，該振型函數(shù)描述導(dǎo)管在標(biāo)準(zhǔn)模式的運(yùn)動(dòng)隨導(dǎo)管上的位置的變化。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中確定校準(zhǔn)因子之前，先從一個(gè)空間科里奧利特征確定所述模態(tài)科里奧利項(xiàng)，該空間科里奧利特征在空間域中描述導(dǎo)管的多個(gè)離散位置響應(yīng)預(yù)定質(zhì)量流量的運(yùn)動(dòng)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述振型函數(shù)是一個(gè)特征值和邊界條件的函數(shù)。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述振型函數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中確定所述振型函數(shù)包括從預(yù)定的特征值和預(yù)定的邊界條件確定所述振型函數(shù)。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中確定校準(zhǔn)因子之前，先確定導(dǎo)管中含有預(yù)定質(zhì)量流量時(shí)一個(gè)振型函數(shù)的正交性，該振型函數(shù)描述導(dǎo)管在標(biāo)準(zhǔn)模式的運(yùn)動(dòng)隨其上位置不同的變化。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述振型函數(shù)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定校準(zhǔn)因子包括從所述標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征產(chǎn)生導(dǎo)管的多個(gè)位置的估算空間響應(yīng)；和從該估算空間響應(yīng)產(chǎn)生所述校準(zhǔn)因子。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中從所述估算空間響應(yīng)產(chǎn)生所述校準(zhǔn)因子包括確定所述多個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)之間的空間-時(shí)間關(guān)系；和從所確定的空間-時(shí)間關(guān)系確定所述校準(zhǔn)因子。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定校準(zhǔn)因子包括從由多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生所述校準(zhǔn)因子。
16.一種質(zhì)量流量傳感器，包括配置為包含一種物質(zhì)(108)的導(dǎo)管(103)；多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器(105)，其操作產(chǎn)生表示導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；至少一個(gè)致動(dòng)器(106)，其操作激勵(lì)所述導(dǎo)管；和質(zhì)量流量估算電路(360)，其操作根據(jù)一個(gè)校準(zhǔn)因子從所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)估算質(zhì)量流量，其特征在于一個(gè)校準(zhǔn)因子發(fā)生器電路(300)，其操作來(lái)從所述導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征產(chǎn)生校準(zhǔn)因子，該校準(zhǔn)因子發(fā)生器電路包括一個(gè)接口電路(330)，其操作將產(chǎn)生的校準(zhǔn)因子(325)傳送到所述質(zhì)量流量估算電路。
17.如權(quán)利要求16所述的質(zhì)量流量傳感器，其中所述校準(zhǔn)因子發(fā)生器電路包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征化電路(310)，該電路操作產(chǎn)生導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征。
18.如權(quán)利要求16所述的質(zhì)量流量傳感器，其中所述標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征表述導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)隨一個(gè)模態(tài)科里奧利項(xiàng)而變化的特征，該模態(tài)科里奧利項(xiàng)描述導(dǎo)管響應(yīng)其中的質(zhì)量流量的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式之間的耦合。
19.如權(quán)利要求18所述的質(zhì)量流量傳感器，其中所述校準(zhǔn)因子發(fā)生器電路操作來(lái)從一個(gè)振型函數(shù)確定所述科里奧利項(xiàng)，該振型函數(shù)描述導(dǎo)管在標(biāo)準(zhǔn)模式中的運(yùn)動(dòng)隨其上位置的變化。
20.如權(quán)利要求19所述的質(zhì)量流量傳感器，其中所述校準(zhǔn)因子發(fā)生器電路操作來(lái)從一個(gè)預(yù)定特征值和一個(gè)預(yù)定邊界條件確定所述振型函數(shù)。
21.如權(quán)利要求16所述的質(zhì)量流量傳感器，其中所述校準(zhǔn)因子發(fā)生器電路操作來(lái)從所述標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征產(chǎn)生導(dǎo)管的多個(gè)位置的估算空間響應(yīng)，并從該估算空間響應(yīng)產(chǎn)生所述校準(zhǔn)因子。
22.如權(quán)利要求16所述的質(zhì)量流量傳感器，其中所述校準(zhǔn)因子發(fā)生器電路配置為從參數(shù)傳感器的多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器接收運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并操作來(lái)從所接收到的運(yùn)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生所述校準(zhǔn)因子。
23.如權(quán)利要求16所述的質(zhì)量流量傳感器，其中所述質(zhì)量流量估算電路配置為接收所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并操作來(lái)利用從所述導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)特征導(dǎo)出的校準(zhǔn)因子，從該運(yùn)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)量流量估算，所述導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)特征假設(shè)導(dǎo)管的一種預(yù)定邊界條件，并進(jìn)一步包括用于約束導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)使其近似于所述預(yù)定邊界條件的裝置(730A和730B)。
24.如權(quán)利要求23所述的質(zhì)量流量傳感器，其中所述質(zhì)量流量估算電路操作來(lái)確定時(shí)間差和相位關(guān)系，并將所述校準(zhǔn)因子應(yīng)用于所確定的時(shí)間差或相位關(guān)系二者中的一個(gè)，以產(chǎn)生質(zhì)量流速的估算。
25.如權(quán)利要求23所述的質(zhì)量流量傳感器，其中約束導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的所述裝置包括響應(yīng)導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)向該導(dǎo)管施加力的裝置，以引起近似于所述假設(shè)的邊界條件的邊界條件。
26.如權(quán)利要求23所述的質(zhì)量流量傳感器，進(jìn)一步包括形狀控制電路，其配置為從至少兩個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器接收運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并操作響應(yīng)該運(yùn)動(dòng)信號(hào)控制所述至少一個(gè)致動(dòng)器。
全文摘要
用于一個(gè)傳感器的校準(zhǔn)因子從導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征確定，該傳感器包括一個(gè)含有物質(zhì)的導(dǎo)管和多個(gè)運(yùn)動(dòng)變送器，該運(yùn)動(dòng)變送器操作來(lái)產(chǎn)生表示所述導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。該校準(zhǔn)因子可以通過(guò)在包括導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)的多種標(biāo)準(zhǔn)模式的模態(tài)域中產(chǎn)生模態(tài)微分運(yùn)動(dòng)公式的解，并從該解產(chǎn)生所述校準(zhǔn)因子來(lái)產(chǎn)生。所述標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)動(dòng)態(tài)特征可以描述導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)隨一個(gè)模態(tài)科里奧利項(xiàng)而變化的特征，所述模態(tài)科里奧利項(xiàng)描述導(dǎo)管響應(yīng)導(dǎo)管中的質(zhì)量流量的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式之間的耦合。該模態(tài)科里奧利項(xiàng)可以從一個(gè)振型函數(shù)確定，該振型函數(shù)描述導(dǎo)管的模態(tài)運(yùn)動(dòng)隨導(dǎo)管上位置的變化。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)為方法、裝置、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
文檔編號(hào)G01F1/84GK1575408SQ02821038
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月29日
發(fā)明者D·F·諾爾門(mén) 申請(qǐng)人:微動(dòng)公司