專利名稱：通過測量兩種振動模式之間的科里奧利耦合測量流經(jīng)管道的流量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量計領(lǐng)域，并且特別地，涉及科里奧利流量計。
背景技術(shù)：
在科里奧利流量計中，通過以正弦運動的方式振動一個(或多個)流體傳送管道，并測量在該一個(或多個)管道上兩個或多個位置處的振動響應(yīng)之間的時延(或相位角)，測量流速。但是，對于時延隨著流速線性變化的實際情況，時延在零流量處通常不為零。通常存在由一些因素，諸如儀表電子設(shè)備中的非比例衰減、殘余撓性響應(yīng)、電磁串?dāng)_或相位延遲引起的零流量延遲或偏移。
通過在零流量條件下測量零流量偏移，并從在流動期間進行的隨后測量中減去該測得的偏移，該零流量偏移通常被校正。如果該零流量偏移保持不變，那么這將足以校正零流量偏移問題。遺憾地是，該零流量偏移可以被周圍環(huán)境中的微小變化(諸如溫度)所影響，或者被影響到在物質(zhì)流經(jīng)于此的管道系統(tǒng)中的變化。這些零流量偏移中的變化將在所測得流速中產(chǎn)生誤差。在正常操作期間，在非流動條件之間可能存在長的時間周期。僅通過在這些非流動條件期間零位調(diào)整科里奧利流量計，可以校準(zhǔn)該科里奧利流量計。隨著時間的過去，零偏移中的變化可能導(dǎo)致所測得流量中的顯著誤差。
因此，需要一種用于測量不依賴于零偏移問題的流量的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種通過測量管道中兩種振動模式之間的科里奧利耦合來測量流經(jīng)管道的流量的方法和裝置。首先在兩種不同頻率上以兩種不同振動模式激勵該管道。通過將處于切斷模式(off mode)頻率的兩種模式相位強制為零，確定兩種模式之間的耦合。然后，使用驅(qū)動兩種模式相位為零所需的力的大小可以確定流經(jīng)管道的流量。
本發(fā)明的一個方面包括，一種方法，包含使物質(zhì)流經(jīng)管道；以至少兩種振動模式的固有頻率激勵該管道的振動；測量管道的運動；控制管道的振動以使得這兩種振動模式之間的耦合被降低到大約為零；使用控制功能的測量確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中振動模式之一是管道的主彎曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中振動模式之一是管道的主扭曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中控制功能是反饋環(huán)。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中該反饋環(huán)激活實正則模式驅(qū)動系統(tǒng)。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中反饋環(huán)的輸入是使用模態(tài)濾波器導(dǎo)出的管道至少兩種振動模式之一的模態(tài)坐標(biāo)估計。
本發(fā)明的另一個方面包含當(dāng)以第一頻率激勵管道的第一振動模式時，使物質(zhì)流經(jīng)管道；以第二頻率激勵管道的第二振動模式；測量振動管道的相對運動；對管道施加第一力，以使得處于第一頻率的第二模式振動被降低到最?。粚艿朗┘拥诙?，以使得處于第二頻率的第一模式振動被降低到最小；基于第一力和第二力的大小確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中第一振動模式是管道的主彎曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中第一頻率是管道主彎曲模式的固有頻率。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中第二振動模式是管道的主扭曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中第二頻率是管道主扭曲模式的固有頻率。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中第一力和第二力同時被施加。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中第一力和第二力由反饋環(huán)施加。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中該反饋環(huán)激活實正則模式驅(qū)動系統(tǒng)。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中該反饋環(huán)的輸入是使用模態(tài)濾波器導(dǎo)出的管道的第一振動模式的模態(tài)坐標(biāo)估計。
本發(fā)明的另一方面包含當(dāng)以第一頻率激勵管道的第一振動模式時，使物質(zhì)流經(jīng)管道；以第二頻率激勵管道的第二振動模式；在第一點和第二點處測量振動管道的相對運動；確定以第一頻率測量的第一點和第二點之間的第一dt；確定以第二頻率測量的第一點和第二點之間的第二dt；對管道施加第一力，以使得第一dt被降低到大約為零；對管道施加第二力，以使得第二dt被降低到大約為零；基于第一力和第二力的大小確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中第一點和第二點在定距離間隔配置中，并且圍繞管道的軸向中心對稱間隔。
本發(fā)明的另一方面包含使物質(zhì)流經(jīng)管道；以管道振動模式的固有頻率激勵管道的振動；測量管道的運動；強制使由流動物質(zhì)引起的管道感應(yīng)振動在管道的激勵振動模式固有頻率上大約為零；使用力的測量確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中管道的激勵振動模式是主彎曲模式，并且感應(yīng)振動模式是管道的主扭曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中管道的激勵振動模式是主扭曲模式，并且感應(yīng)振動模式是管道的主彎曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中使用零偏移量校正確定的流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
本發(fā)明的另一方面包含管道，其被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)；至少兩個驅(qū)動器，其被配置來激勵該管道的多個振動模式；感測裝置，其被配置來測量振動管道的相對運動；控制系統(tǒng)，其被配置來使用該至少兩個驅(qū)動器激勵管道的至少兩種振動模式；
該控制系統(tǒng)被配置來確定該管道至少兩種振動模式之間的耦合；該控制系統(tǒng)被配置來向管道施加使該至少兩種振動模式之間的耦合降低到大約為零的力；該控制系統(tǒng)被配置來使用力的測量確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中振動模式之一是管道的主彎曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中振動模式之一是管道的主扭曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含反饋環(huán)。
優(yōu)選地，該方法還包含由該反饋環(huán)激活的實正則模式驅(qū)動系統(tǒng)。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中該反饋環(huán)的輸入是使用模態(tài)濾波器導(dǎo)出的管道該至少兩種振動模式之一的模態(tài)坐標(biāo)估計。
本發(fā)明的另一方面包含管道，其被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)；至少兩個驅(qū)動器，其被配置來激勵該管道的多個振動模式；感測裝置，其被配置來測量在第一點和第二點處振動管道的相對運動；控制系統(tǒng)，其被配置來以第一頻率激勵管道的第一振動模式；該控制系統(tǒng)被配置來以第二頻率激勵管道的第二振動模式；該控制系統(tǒng)被配置來確定以第一頻率測量的第一點和第二點之間的第一dt；該控制系統(tǒng)被配置來確定以第二頻率測量的第一點和第二點之間的第二dt；該控制系統(tǒng)被配置來對管道施加第一力，以使得該第一dt被降低到大約為零；該控制系統(tǒng)被配置來對管道施加第二力，以使得該第二dt被降低到大約為零；該控制系統(tǒng)被配置來基于第一力和第二力的大小確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中第一點和第二點是在定距離間隔配置中，并且圍繞管道的中心對稱間隔。
本發(fā)明的另一方面包含管道，其被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)；
至少兩個驅(qū)動器，其被配置來激勵該管道的多個振動模式；感測裝置，其被配置來測量在第一點和第二點處振動管道的相對運動；控制系統(tǒng)，其被配置來以振動模式的固有頻率激勵管道的第一振動模式；該控制系統(tǒng)被配置來強制使由流動物質(zhì)產(chǎn)生的管道感應(yīng)振動在管道的激勵振動模式固有頻率上大約為零；該控制系統(tǒng)被配置來使用力的測量確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中管道的激勵振動模式是主彎曲模式，并且感應(yīng)振動模式是管道的主扭曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中管道的激勵振動模式是主扭曲模式，并且感應(yīng)振動模式是管道的主彎曲模式。
優(yōu)選地，該方法還包含，其中使用零偏移量校正確定的流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
本發(fā)明的另一方面包含管道，其被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)；用于激勵管道至少兩種振動模式的裝置；用于感測振動管道的相對運動的裝置；用于確定該管道至少兩種振動模式之間的耦合的裝置；用于向管道施加一個力的裝置，該力使該至少兩種振動模式之間的耦合降低到大約為零；用于使用力的測量確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量的裝置。


圖1是科里奧利流量計的簡單兩模式模型的方框圖。
圖2A是描述科里奧利流量計中管道彎曲模式形狀的圖。
圖2B是表示由彎曲模式和流動的組合產(chǎn)生的分布科里奧利力的大小的圖。
圖3是表示管的截面和管與管運動的法線方向之間的角度的圖。
圖4是表示科里奧利流量計中力之間的相位關(guān)系的復(fù)平面圖。
圖5A是在本發(fā)明具體實施例中處于未偏轉(zhuǎn)位置的管道頂視圖。
圖5B是在本發(fā)明具體實施例中處于對應(yīng)于主彎曲模式的偏轉(zhuǎn)位置的管道頂視圖。
圖5C是在本發(fā)明具體實施例中處于對應(yīng)于主扭曲模式的偏轉(zhuǎn)位置的管道頂視圖。
圖6是用來實施本發(fā)明一個具體實施例的控制系統(tǒng)的方框圖。
圖7是在本發(fā)明具體實施例中確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量的方法流程圖。
具體實施例方式
圖1-7和下面的說明描述了特定實例，以教導(dǎo)那些本領(lǐng)域技術(shù)人員如何構(gòu)成和使用本發(fā)明的最好模式。為了教導(dǎo)創(chuàng)造性原則的目的，一些傳統(tǒng)方面已被簡化或省略。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到落入本發(fā)明范圍的這些實例的變化。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到下面描述的特征可以以各種方式組合，以形成本發(fā)明的多種變化。因此，本發(fā)明不限于下面描述的特定實例，而僅由權(quán)利要求和它們的等價體限定。
簡單兩模式模型的理論背景假定流量計的結(jié)構(gòu)是線性的和非時變的，它可以由一組二階線性微分方程(1)來描述。在這種情況下，x是表示在該結(jié)構(gòu)上不同位置處的結(jié)構(gòu)運動的向量，F(xiàn)D表示施加到該流量計結(jié)構(gòu)的力向量?？梢詫⒘鹘?jīng)該流量計的質(zhì)量流看作外部信號F，其改變該系統(tǒng)的動態(tài)特性。
Mx··+Dx·+Kx=FD]]>(1)現(xiàn)在，為了獲得科里奧利流量計操作的一些基本理解，方程(1)將被變換到實正則坐標(biāo)空間，其中每個方程對應(yīng)流量計結(jié)構(gòu)的實正則振動模式。由于一些原因，在此使用實正則模式。首先，對于典型結(jié)構(gòu)，實正則模式精確地表示在該結(jié)構(gòu)中所見的實際振動模式。其次，它們允許由流動產(chǎn)生的科里奧利力被針對性地集成到微分方程中。使用該系統(tǒng)的實正則振動特征向量的矩陣Φ執(zhí)行這個變換。這個變換如下所示。
x=Φη]]>(2)MΦη··+DΦη·+KΦη=FD]]>ΦTMΦη··+ΦTDΦη·+ΦTKΦη=]]>ND=ΦTFD]]>現(xiàn)在這兩個變換的矩陣φTMφ和φTKφ將是對角線的。如果沒有非比例衰減或存在于該系統(tǒng)中的科里奧利力，則φTDφ也將是對角線的。在這種情況下，這個變換將矩陣微分方程(2)拆成一組獨立的二階微分方程。這個拆開意味著該結(jié)構(gòu)的模式不彼此影響(例如，彎曲模式的運動不會激勵扭曲模式)。
為了進一步簡化該系統(tǒng)，將僅考慮這些非耦合模式的兩種，彎曲模式和扭曲模式。這可以被看作從矩陣方程(2)中拖出兩行。而且，我們假定我們可以直接向這兩種振動模式施加力，并且測量這兩種振動模式，圖1描述了這種情況。
現(xiàn)在對于這種分析，假定只有比例衰減存在，并且沒有流動，那么該系統(tǒng)可以由一對方程(3)描述(在這個方程中的所有項現(xiàn)在是標(biāo)量)。
Mbη··b+Dbη·b+Kbηb=Nb]]>(3)Mtη··t+Dtη·t+Ktηt=Nt]]>在這種情況下，該系統(tǒng)可以被描述為兩種獨立的模式，完全非耦合。如果將力施加到一種模式，則在另一種模式中將沒有響應(yīng)?，F(xiàn)在如果我們增加流量，則模式的運動將被下面機構(gòu)耦合。一種(或多種)模式的運動結(jié)合質(zhì)量流，從而產(chǎn)生科里奧利力。這個科里奧利力沿著該流量計的長度分布，并且具有與該運動的形狀相關(guān)的形狀。該科里奧利力(在實正則空間中)由方程(4)和圖2描述。
Nc=2ω×m·]]>(4)m·=ρAvf]]>其中m是質(zhì)量流速，ω是管上任意點的角速率，ρ是管中流體密度，A是管的橫截面面積，vf是流體的流率。假定m沿著管是常量。ω是振動形狀的函數(shù)。典型地，以首先激勵彎曲模式的方式驅(qū)動流量計，產(chǎn)生對應(yīng)于彎曲模式振形的振動形狀。由這個運動產(chǎn)生的科里奧利力圖形的形狀結(jié)果強投影到扭曲模式上(參見圖2B)。這個投影耦合先前未被耦合的模式?，F(xiàn)在對于這種我們正驅(qū)動彎曲模式的情況，可以導(dǎo)出ηb和ω之間的關(guān)系。
η→b(x,t)=φb(x)ηb(t)=φb(x)sin(2πfbt)]]>(5)假定實正則模式，在沿著管的給定位置x和時間t處的管運動可以由方程(5)描述。φb(x)將該彎曲模式的形狀表示為沿著該管的位移，即振形(mode shape)，的函數(shù)。在該管上任意點處的角旋轉(zhuǎn)可以從那一點處該管的傾斜度估計出。假定這些角微小，方程(6)使該傾斜度與該角相關(guān)(參見圖3)。
θ≅∂η→b(x,t)∂x]]>(6)通過方程(7)可以使角速率ω與彎曲模式運動相關(guān)。
ω=θ·=∂∂η→b(x,t)∂t∂x]]>(7)ω=dφb(x)dxdηb(t)dt=dφb(x)dxη·b(t)]]>現(xiàn)在組合(4)和(7)，科里奧利力可以由方程(8)描述。
Nc=2ρA[dφb(x)dx×vf]η·b(t)]]>(8)這個方程可以被分成兩項，一項是該振動形狀的函數(shù)，另一項是該運動頻率的函數(shù)。 是科里奧利力圖形的形狀。在這種情況下，其中我們正驅(qū)動該彎曲模式，這個圖形會是如此以致它強投影到該扭曲模式?，F(xiàn)在我們準(zhǔn)備檢查這些模式是如何耦合的。我們可以定義耦合項，方程(9)，
Cη·b(t)=φt(x)·Nc]]>(9)C=φt(x)·2ρA[dφb(x)dx×vf]]]>C是科里奧利力圖形如何很好地投影到扭曲模式形狀的函數(shù)。這一項C表示彎曲模式和扭曲模式之間的科里奧利耦合量。由于問題中的對稱性，從扭曲模式到彎曲模式的耦合具有相同的大小，但符號相反。而且，它是作為耦合基礎(chǔ)的模態(tài)速度。當(dāng)由于科里奧利力而產(chǎn)生的耦合存在時，這些事實被用在(10)中，來表示該系統(tǒng)的動態(tài)特性。
Mbη··b+Dbη·b+Cη·t+Kbηb=Nb]]>(10)Mtη··t+Dtη·t-Cη·b+Ktηt=Nt]]>為清楚起見，我們可以重新整理這個方程，從而該科里奧利力出現(xiàn)在該方程的右側(cè)。
Mbη··b+Dbη·b+Kbηb=Nb-Cη·t=Nb-Nct]]>(11)Mtη··t+Dtη·t+Ktηt=Nt+Cη·b=Nt+Ncb]]>由于扭曲模式速度引起的科里奧利力Nct=Cη·c]]>施加力到彎曲模式。由于彎曲模式速度引起的科里奧利力Ncb＝Cηb施加力到扭曲模式。因此，隨著流動，現(xiàn)在這兩種模式被耦合(例如，即使只在外部驅(qū)動彎曲模式，扭曲模式可以被激勵)。接下來，我們需要理解由科里奧利力引起的位移(和因此被測量的速度)。為簡單起見，讓我們假定我們只驅(qū)動彎曲模式(Nb≠0，Nt＝0)，而且，假定由于扭曲速度引起的彎曲模式上的科里奧利力是微小的(Nct≅0).]]>應(yīng)該是這樣一種情況，即使我們用Fcb驅(qū)動扭曲模式，它仍被分離共振，因此這種模式的運動量將是微小的，并且因此與它相關(guān)的科里奧利力也將是微小的。在這種情況下，(11)簡化為(12)。
Mbη··b+Dbη·b+Kbηb=Nb]]>(12)Mtη··t+Dtη·t+Ktηt=Ncb]]>
科里奧利力Ncb處于彎曲模式的頻率。由于彎曲模式頻率遠(yuǎn)低于扭曲模式，所以它充分低于其共振地驅(qū)動扭曲模式。這個事實可以被用來簡化扭曲模式的響應(yīng)。考慮一個簡化的未衰減一階系統(tǒng)(13)。
ηF=1Ms2+K]]>(13)沿著jω軸估計，ηF=1-Mω2+K]]>(14)現(xiàn)在讓我們檢查jω軸上的一些點。對于ω=KM,]]>在共振處，由于質(zhì)量和硬度引起的位移的作用是相同的。由于ω增加，因此這種轉(zhuǎn)移函數(shù)由質(zhì)量項控制，并且可以被近似為 其對應(yīng)于180度相移和隨著ω2衰減的幅度?，F(xiàn)在對于ω<<KM,]]>硬度項處于支配地位，并且該轉(zhuǎn)移函數(shù)為 其對應(yīng)于與輸入同相的輸出并與硬度分之一成比例。使用這個，我們可以將方程(12)的第二行簡化為方程(15)。由于比例衰減引起的響應(yīng)也被忽略。
Mbη··b+Dbη·b+Kbηb=Nb]]>(15)Ktηt=Ncb]]>ηt=NcbKt=Cη·bKt]]>眼下，重要的是理解這些不同的力和響應(yīng)的相位關(guān)系。圖4描述這些相位關(guān)系。假定以彎曲模式共振地驅(qū)動管道，彎曲模式位置ηb將與彎曲模式力Nb異相90度。彎曲模式速度ηb將與彎曲模式位置ηb異相90度?？评飱W利力NC與彎曲速度ηb同相。假定以充分低于扭曲模式共振的扭曲模式驅(qū)動管道，那么扭曲響應(yīng)ηt將與科里奧利力同相。扭曲模式速度 將與扭曲模式位置ηt異相90度。
對于下一步，我們需要確定由于這兩種模式引起的拾取點(pickoff)處的速度。因為在實際的流量計中該速度被典型地測量，所以在這里速度被導(dǎo)出。在給定拾取點處的響應(yīng)是在拾取點位置處兩種模式的線性組合(16)。φbpo和φtpo是彎曲和扭曲振形的函數(shù)。
x·po=φbpoη·b+φtpoη·t]]>(16)現(xiàn)在扭曲模式響應(yīng)ηt與彎曲模式的相位ηb異相90度(參見圖5)?？紤]這種情況，我們可以使用復(fù)數(shù)記法來描述在任意拾取點處的速度，(17)。
x·po=φbpoη·b+iφtpoη·t]]>(17)現(xiàn)在如果我們關(guān)注拾取點信號的相位，它可以由(18)來近似(假定α是微小的)。
α=tan-1(φtpoη·tφbpoη·b)≅φtpoη·tφbpoη·b]]>(18)現(xiàn)在我們需要估計ηt。由于我們在彎曲頻率處以單一正弦波驅(qū)動，ηt可以由方程(19)描述。
η·t=N·cbKt=Cη··bKt=Cωbη·bKt]]>(19)現(xiàn)在如果我們將(18)與(19)組合，那么我們可以將沿著該管任意點處的相位描述為(20)。
α=φtpoCωbφbpoKt]]>(20)有趣的是，注意到相位α是彎曲模式頻率的函數(shù)；然而，如果我們考慮dt，則這種相關(guān)性就被消除了，(21)。
dt=αωb=φtpoCφbpoKt]]>(21)現(xiàn)在檢查方程(21)，我們可以看到，dt是振形(φt和φb)、科里奧利耦合C和扭曲模式的殘余撓性Kt的函數(shù)。這個方程將被用來確定科里奧利耦合，并由此確定流經(jīng)該流量計的物質(zhì)流量。
操作圖5表示管道502的頂視圖，該管道502被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)。D1和D2是沿著管道502間隔的兩個驅(qū)動器(也稱為激勵器)。在該優(yōu)選的模式中，這兩個驅(qū)動器圍繞該管道的軸向中心對稱間隔。該驅(qū)動器被配置來給管道502一個力，從而在管道502中激勵多個振動模式。該力可以實質(zhì)上是一致的(例如，被限制到窄頻)或者可以是寬頻帶的。該驅(qū)動器可以是已知的裝置，諸如連接到管道的磁體，和連接到基準(zhǔn)的線圈，通過該線圈傳送振蕩電流。
S1和S2描述與驅(qū)動器D1和D2共同定位的兩個傳感器。在另一個實施例中，該傳感器可以被定位在不是處于驅(qū)動器位置的位置。該傳感器被配置來產(chǎn)生表示管道502的位置和運動的多個信號。該傳感器可以包括多個設(shè)備，諸如線圈型速度傳感器、光學(xué)或超聲波運動傳感器、加速計、慣性速度傳感器等等。在這個實施例中，顯示了兩個傳感器，每個傳感器與驅(qū)動器之一共同定位。在另一個實施例中，可以只有一個傳感器，其被配置來測量沿著管道502長度的管道502的位置和運動。具有超過2個傳感器的其它配置也是可能的。
圖5A示出了處于未偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的管道502。通過以相等功率同相地驅(qū)動激勵器，可以激勵管道的主彎曲模式。圖5B示出了處于對應(yīng)于管道主彎曲模式的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的管道502。通過以彎曲模式的固有頻率fb驅(qū)動這些激勵器，可以使管道進入彎曲模式的共振。
通過使用相等功率異相180度驅(qū)動激勵器，可以激勵管道的主扭曲模式。圖5C示出了處于對應(yīng)于管道主扭曲模式的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的管道502。通過調(diào)整驅(qū)動力的頻率來匹配扭曲模式的固有頻率ft，可以使管道進入扭曲模式的共振。2000年7月25日授權(quán)并且標(biāo)題為“Driver foroscillating a vibrating conduit”的美國專利6,092,429公開了被配置來在管道中激勵不同振動模式的驅(qū)動器，該專利在此引用以作為參考。為清楚起見，圖5B和5C中管道502的偏轉(zhuǎn)已被放大。管道502的實際偏轉(zhuǎn)將小得多。該管道具有可以被激勵的另外振動模式。
彎曲模式的共振頻率典型地遠(yuǎn)低于扭曲模式的共振頻率。當(dāng)沒有流經(jīng)該系統(tǒng)的流量時，只假定比例衰減，這些模式完全不耦合。當(dāng)將力施加給一種振動模式時，在另一種振動模式中沒有響應(yīng)。例如，如果激勵主扭曲模式，則該管道將扭曲而不彎曲(即，該管道的中心將不轉(zhuǎn)移)。一旦流動開始，科里奧利力耦合這兩種振動模式。通過測量耦合量，可以確定科里奧利力，并由此可以確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
在當(dāng)前科里奧利流量計中，通過以彎曲模式激勵管道的振動，并接著測量被科里奧利力耦合到管道中的扭曲模式量，來測量由科里奧利力引起的耦合。遺憾地是，在真實的科里奧利流量計中，該管道可以以除了主彎曲和扭曲模式之外的許多其它振動模式振動。這可以由該流量計中的一些非比例衰減產(chǎn)生。外力也可以產(chǎn)生管道的振動，例如連接到包含科里奧利流量計的管道系統(tǒng)的泵。由于有助于管道的速度和位移的所有不同振動模式，該管道運動可以變得復(fù)雜。由于該管道的復(fù)雜運動，測量管道中扭曲模式量可能變得困難。使用多信道模態(tài)濾波器來創(chuàng)建n個單一自由度模型響應(yīng)信號，可以分解不同振動模式對該管道速度的貢獻。由Timothy J.Cunningham等人發(fā)明的并于2002年3月19日公開的美國專利“Generalized modal space drivecontrol system for a vibrating tube process parameter sensor(6,360,175)，教導(dǎo)了這樣一種多信道模態(tài)濾波器，并對于它所教導(dǎo)的一切在此引用以作為參考。使用模態(tài)濾波器，可以確定由于處于彎曲模式頻率的扭曲模式振動引起的管道速度。一旦已經(jīng)確定了由于扭曲模式引起的管道速度，比較在兩點處管道速度之間的相對相位。例如，來自S1和S2的信號將被濾波，然后傳感器S1和傳感器S2之間檢測的相對相位差將被比較。在S1和S2之間檢測的所測量的相位差是該系統(tǒng)右特征向量的相對相位的量度，并且與流經(jīng)該管道的質(zhì)量流量成比例。讓θR等于右特征向量的相對相位，θS1是在傳感器S1測量的管道振動相位，并且θS2是在傳感器S2測量的管道振動相位，然后θR＝θS1-θS2。時間差，ΔT，可以用振動頻率ω除相位差計算出。ΔT＝(θS1-θS2)/ω。時間差ΔT還與流經(jīng)管道的質(zhì)量流量成比例，并且是典型地用在質(zhì)量流量計中的量度。振動頻率ω典型地是彎曲模式的固有頻率fb。
使用控制環(huán)以彎曲模式固有頻率fb在彎曲模式激勵管道的振動。該控制環(huán)可以使用模態(tài)響應(yīng)信號作為該控制環(huán)的反饋。使用的模態(tài)響應(yīng)信號對應(yīng)于處于彎曲模式的管道振動。對于彎曲模式振動，該控制環(huán)調(diào)整產(chǎn)生管道的給定位移或最大速度所需要的力。該控制環(huán)可以是模態(tài)空間驅(qū)動控制系統(tǒng)，其用來以彎曲模式固有頻率激勵管道的振動。由TimothyJ.Cunningham等人發(fā)明的并于2002年3月19日公開的美國專利“Generalized modal space drive control system for a vibratingtube process parameter sensor”(6,360,175)，教導(dǎo)了這樣一種模態(tài)空間驅(qū)動控制系統(tǒng)。
所顯示的模態(tài)驅(qū)動的控制環(huán)驅(qū)動方程是方程22。
ND=NbNt=α000η·bη·t]]>(22)將該控制環(huán)驅(qū)動方程與系統(tǒng)方程(3)組合，產(chǎn)生最終動態(tài)系統(tǒng)方程(23)。
Mη··bη··t+bb1+α00bt2η·bη·t+Kηbηt=0]]>(23)在當(dāng)前科里奧利流量計的標(biāo)準(zhǔn)控制環(huán)中，自動增益控制(AGC)起作用，用于通過控制衰減項(bb1+α)調(diào)整處于彎曲模式固有頻率的振動幅度。如果該衰減項(bb1+α)小于零，那么能量被從該系統(tǒng)中消除，并且降低運動幅度。當(dāng)該衰減項大于零時，能量被增加到該系統(tǒng)，并且增加處于彎曲模式固有頻率的振動幅度。當(dāng)衰減項等于零時，振動幅度不變。
在本發(fā)明的一個具體實施例中，控制環(huán)將對所有的速度項使用反饋，構(gòu)成新的反饋方程(24)。
ND=NbNt=α1β1β2α2η·bη·t]]>(24)方程(24)中的衰減項將由三個不同類型的衰減組成比例衰減α，非比例衰減b和由科里奧利力引起的衰減C。這些分量是相關(guān)的，如方程(25)中所示。
DbDt=α1b+Cb-Cα2]]>(25)使用反饋方程(24)和衰減矩陣(25)，描述該系統(tǒng)特性的微分方程可以被重新寫為(26)。
Mη··bη··t+bb1+αbb+C+βbb-C+βtbt2+αtη·bη·t+Kηbηt=0]]>(26)在方程26中有可以被用來調(diào)整驅(qū)動模式的振動幅度的兩個參數(shù)(αb，αt)和可以被調(diào)整用于確定由于科里奧利力引起的衰減的兩個參數(shù)(βb和βt)。使用衰減項(bb1+α)，驅(qū)動環(huán)可以控制處于彎曲模式固有頻率fb的管道振動幅度。使用項(bt2+αt)，驅(qū)動環(huán)可以同時控制處于扭曲模式固有頻率ft的管道振動。一旦管道以彎曲和扭曲模式共振，就要對彎曲模式和扭曲模式進行dt測量。彎曲模式的dt測量是在彎曲模式頻率測量的S1和S2之間的相位差。扭曲模式的dt是在扭曲模式頻率測量的S1和S2之間的相位差。當(dāng)確定彎曲和扭曲模式的dt值時，模態(tài)濾波可以被用來幫助隔離扭曲和彎曲模式響應(yīng)。
方程21使dt與振形(Φt和Φb)、科里奧利耦合C和扭曲模式的殘余撓性Kt相關(guān)。考慮反饋參數(shù)βb的影響，對于彎曲模式的dt，方程21可以被重寫為(27)。
dtb=φtpo(b+C+βb)φbpoKt]]>(27)
將殘余撓性項Kt移動到方程的另一側(cè)，并且調(diào)整βb直到dt等于零，這就產(chǎn)生一個方程(28)，該方程將施加到彎曲模式的力與非比例衰減和科里奧利耦合C相關(guān)。
0＝(b+C+βb)βb＝-(b+C) (28)以彎曲模式頻率測量的值為零的dt彎曲對應(yīng)于一個振動，其中在彎曲模式頻率不存在管道扭曲(即，由S1和S2測量的速度在彎曲模式頻率處同相)。βb是施加的力，其對于導(dǎo)致處于彎曲模式頻率的扭曲模式的振動消除是必需的，并且與非比例衰減加上科里奧利耦合成比例。
考慮反饋參數(shù)βt的影響，對于扭曲模式的dt，方程21可以被重寫為(29)。
dtt=φtpo(b-C+βt)φbpoKbMbω2]]>(29)將殘余撓性項KbMbω2移動到方程的另一側(cè)，并且調(diào)整βt直到dtt等于零，這就產(chǎn)生一個方程(30)，其使施加到扭曲模式的力與非比例衰減和科里奧利耦合C相關(guān)。
βt＝-(b-C) (30)在扭曲模式頻率測量的值為零的dt扭曲對應(yīng)于一個振動，其中在扭曲模式頻率上不存在管道扭曲(即，由S1和S2測量的速度是在扭曲模式頻率處異相180度)。βt是施加的力，其對于導(dǎo)致在扭曲模式頻率的彎曲模式的振動消除是必需的，并且與非比例衰減減去科里奧利耦合成比例。
組合方程28和30形成方程31。
βb-βt＝b+C-(b-C)＝2C (31)如可以看到的，非比例衰減項抵消，留下由系統(tǒng)中科里奧利力引起的與測量的力(βb-βt)成比例的衰減。因此通過測量這兩個力βb和βt可以確定獨立于非比例衰減的物質(zhì)流量。使用這項技術(shù)，殘余撓性中的變化不會影響測量的流量。
通過將dtt和dtb強制為零，這兩種振動模式之間的耦合已被降低到零。零耦合被定義為在彎曲模式頻率上沒有扭曲和在扭曲模式頻率上沒有彎曲?？梢允褂每刂葡到y(tǒng)將這兩種振動模式之間的耦合調(diào)整到零。該控制系統(tǒng)可以使用模態(tài)濾波器，來確定管道實正則模式運動的估計。該控制系統(tǒng)還可以使用力占用向量(force appropriation vectors)來驅(qū)動彎曲和扭曲模式的振動。圖6是本發(fā)明具體實施例中控制系統(tǒng)的方框圖。在方框604中測量管道的運動。在方框606中將模態(tài)濾波器施加給測量的信號，以創(chuàng)建針對彎曲ηb和扭曲 模式的模態(tài)坐標(biāo)估計。在方框612中模態(tài)坐標(biāo)估計被用來確定dtt和dtb。已確定的dt和所希望的dt之間的差(即，零)被方框610中的反饋調(diào)整算法使用，從而調(diào)整方框608的反饋增益矩陣。模態(tài)坐標(biāo)估計還可以被方框608中的反饋增益矩陣使用，從而產(chǎn)生力占用向量Nb和Nt。方框602中的驅(qū)動器使用力占用向量來驅(qū)動管道的運動。在方框610中使用的反饋調(diào)整算法可以是被設(shè)計來最小化目標(biāo)函數(shù)的任何自適應(yīng)算法，例如多變量牛頓算法。
上面描述的本發(fā)明具體實施例可以被用來確定獨立于非比例衰減的流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。在本發(fā)明的另一個具體實施例中，通過只迫使dt值之一例如dtb到零，確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。使用這個方法，通過從確定的流量中減去零偏移量，可以校正非比例衰減的影響。例如，將以主彎曲模式的固有頻率激勵管道的主彎曲模式。流動物質(zhì)將在管道中引起扭曲模式?？刂葡到y(tǒng)將強制使dtb在主彎曲模式的固有頻率處為零。在彎曲模式固有頻率處管道的最終運動是純彎曲運動。流經(jīng)管道的物質(zhì)流量將由使dtb為零所需的力的大小確定。通過減去零偏移量將校正確定的流量。被激勵的模式可以是管道的主彎曲模式或管道的主扭曲模式，或者類似的模式。在本發(fā)明的所有實施例中可以補償導(dǎo)致其它測量誤差的影響，例如電磁串?dāng)_或電測量相位延遲。
在上面的描述中，本發(fā)明使用單一管道流量計描述。正如在本領(lǐng)域中所清楚理解的，本發(fā)明可以被用在其它配置的流量計中，例如，雙管道流量計。本發(fā)明還可以使用直管道描述，但流量計幾何結(jié)構(gòu)的其它配置是可能的，例如彎曲管道。
權(quán)利要求
1.一種方法，包含使物質(zhì)流經(jīng)管道(702)；以至少兩種振動模式的固有頻率激勵該管道的振動(704)；測量該管道的運動(706)；控制該管道的振動，以使得這兩種振動模式之間的耦合被降低到大約為零(708)；使用該控制功能的測量確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量(710)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中振動模式之一是管道的主彎曲模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中振動模式之一是管道的主扭曲模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中控制功能是反饋環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該反饋環(huán)激活實正則模式驅(qū)動系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中反饋環(huán)的輸入是使用模態(tài)濾波器導(dǎo)出的該管道至少兩種振動模式之一的模態(tài)坐標(biāo)估計。
7.一種方法，包含當(dāng)以第一頻率激勵管道的第一振動模式時，使物質(zhì)流經(jīng)管道；以第二頻率激勵管道的第二振動模式；測量振動管道的相對運動；對管道施加第一力，以使得處于第一頻率的第二模式振動被降低到最?。粚艿朗┘拥诙?，以使得處于第二頻率的第一模式振動被降低到最??；基于第一力和第二力的大小確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中第一振動模式是管道的主彎曲模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中第一頻率是管道主彎曲模式的固有頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中第二振動模式是管道的主扭曲模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中第二頻率是管道主扭曲模式的固有頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中第一力和第二力同時被施加。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中第一力和第二力由反饋環(huán)施加。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中該反饋環(huán)激活實正則模式驅(qū)動系統(tǒng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中該反饋環(huán)的輸入是使用模態(tài)濾波器導(dǎo)出的管道第一振動模式的模態(tài)坐標(biāo)估計。
16.一種方法，包含當(dāng)以第一頻率激勵管道的第一振動模式時，使物質(zhì)流經(jīng)管道；以第二頻率激勵管道的第二振動模式；在第一點和第二點處測量振動管道的相對運動；確定以第一頻率測量的第一點和第二點之間的第一dt；確定以第二頻率測量的第一點和第二點之間的第二dt；對管道施加第一力，以使得該第一dt被降低到大約為零；對管道施加第二力，以使得該第二dt被降低到大約為零；基于第一力和第二力的大小確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中該第一點和第二點是在定距離間隔配置中，并且圍繞管道的軸向中心對稱間隔。
18.一種方法，包含使物質(zhì)流經(jīng)管道；以管道振動模式的固有頻率激勵管道的振動；測量管道的運動；強制使由流動物質(zhì)引起的管道感應(yīng)振動在管道的激勵振動模式固有頻率上大約為零；使用力測量確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中管道的激勵振動模式是主彎曲模式，并且感應(yīng)振動模式是管道的主扭曲模式。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中管道的激勵振動模式是主扭曲模式，并且感應(yīng)振動模式是管道的主彎曲模式。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中使用零偏移量校正確定的流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
22.一種科里奧利流量計，包含管道(502)，其被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)；至少兩個驅(qū)動器(D1，D2)，其被配置來激勵該管道的多個振動模式；感測裝置，其被配置來測量振動管道的相對運動；控制系統(tǒng)，其被配置來使用該至少兩個驅(qū)動器激勵管道的至少兩種振動模式；該控制系統(tǒng)被配置來確定該管道至少兩種振動模式之間的耦合；該控制系統(tǒng)被配置來向管道施加將該至少兩種振動模式之間的耦合降低到大約為零的力；該控制系統(tǒng)被配置來使用力的測量以確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的科里奧利流量計，其中振動模式之一是管道的主彎曲模式。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的科里奧利流量計，其中振動模式之一是管道的主扭曲模式。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的科里奧利流量計，其中該控制系統(tǒng)包含反饋環(huán)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的科里奧利流量計，還包含由該反饋環(huán)激勵的實正則模式驅(qū)動系統(tǒng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的科里奧利流量計，其中該反饋環(huán)的輸入是使用模態(tài)濾波器導(dǎo)出的該管道至少兩種振動模式之一的模態(tài)坐標(biāo)估計。
28.一種科里奧利流量計，包含管道(502)，其被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)；至少兩個驅(qū)動器(D1，D2)，其被配置來激勵該管道的多個振動模式；感測裝置，其被配置來測量在第一點和第二點處振動管道的相對運動；控制系統(tǒng)，其被配置來以第一頻率激勵管道的第一振動模式；該控制系統(tǒng)被配置來以第二頻率激勵管道的第二振動模式；該控制系統(tǒng)被配置來確定以第一頻率測量的第一點和第二點之間的第一dt；該控制系統(tǒng)被配置來確定以第二頻率測量的第一點和第二點之間的第二dt；該控制系統(tǒng)被配置來對管道施加第一力，以使得該第一dt被降低到大約為零；該控制系統(tǒng)被配置來對管道施加第二力，以使得該第二dt被降低到大約為零；該控制系統(tǒng)被配置來基于第一力和第二力的大小確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的科里奧利流量計，其中第一點和第二點是在定距離間隔配置中，并且圍繞管道的中心對稱間隔。
30.一種科里奧利流量計，包含管道(502)，其被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)；至少兩個驅(qū)動器(D1，D2)，其被配置來激勵該管道的多個振動模式；感測裝置，其被配置來測量在第一點和第二點處振動管道的相對運動；控制系統(tǒng)，其被配置來以振動模式的固有頻率激勵管道的第一振動模式；該控制系統(tǒng)被配置來強制使由流動物質(zhì)引起的管道感應(yīng)振動在管道的激勵振動模式固有頻率上大約為零；該控制系統(tǒng)被配置來使用力的測量以確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中管道的激勵振動模式是主彎曲模式，并且感應(yīng)振動模式是管道的主扭曲模式。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中管道的激勵振動模式是主扭曲模式，并且感應(yīng)振動模式是管道的主彎曲模式。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中使用零偏移量校正確定的流經(jīng)管道的物質(zhì)流量。
34.一種科里奧利流量計，包含管道，其被配置來包含流經(jīng)該管道的物質(zhì)；用于激勵管道至少兩種振動模式的裝置；用于感測振動管道相對運動的裝置；用于確定該管道至少兩種振動模式之間的耦合的裝置；用于向管道施加一個力的裝置，該力使該至少兩種振動模式之間的耦合降低到大約為零；用于使用力的測量確定流經(jīng)管道的物質(zhì)流量的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方法和裝置，其通過測量管道中兩種振動模式之間的科里奧利耦合，測量流經(jīng)管道的流量(702)。首先在兩個不同的頻率上以兩種不同的振動模式激勵該管道(704)。通過強制使處于切斷模式(off mode)頻率的兩種模式的相位為零，確定這兩種模式之間的耦合(708)。然后使用驅(qū)動處于切斷模式頻率的兩種模式相位為零所需的力的大小，可以確定流經(jīng)管道的流量(710)。
文檔編號G01F1/84GK101069068SQ200480043961
公開日2007年11月7日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者S·J·舍利, T·D·夏普 申請人:微動公司