BRPI0617471B1

BRPI0617471B1 - Eletrônica de medição e métodos para determinar uma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo

Info

Publication number: BRPI0617471B1
Application number: BRPI0617471-0A
Authority: BR
Inventors: B. Mcanally Craig; M. Henrot Denis
Original assignee: Micro Motion, Inc.
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2018-03-06
Also published as: WO2007047524A2; BRPI0617471A2; AU2006304333A1; AU2006304333B2; EP1949047B1; DK1949047T3; JP4960967B2; HK1198838A1; CN103852120A; KR20080063410A; PL1949047T3; AR055449A1; US8165830B2; JP2009511934A; EP1949047A2; CN101297179A; CA2626245A1; US20080252283A1; RU2373499C1; WO2007047524A3

Abstract

eletrônica de mediçao e métodos para determinar uma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo é fornecida eletrônica de medição (20) para processar sinais sensores em um medidor de fluxo de acordo com uma modalidade da invenção. a eletrônica de medição (20) inclui uma interface (201) para receber um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor e um sistema de processamento(203) em comunicação com a interface (201) e configurado para receber o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor, gerar um deslocamento de fase de noventa graus a partir do primeiro sinal sensor, e calcular uma frequência a partir doprimeiro sinal sensor e o deslocamento de fase de noventa graus. o sistema de processamento (203) é adicionalmente configurado para gerar os sinais de seno e cosseno usando a freqüência, e demodular em quadratura o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor usando os sinais de seno e cosseno de modo a determinar a diferença de fase.

Description

(54) Título: ELETRÔNICA DE MEDIÇÃO E MÉTODOS PARA DETERMINAR UMA DIFERENÇA DE FASE ENTRE UM PRIMEIRO SINAL SENSOR E UM SEGUNDO SINAL SENSOR DE UM MEDIDOR DE FLUXO (51) Int.CI.: G01F 1/84; G01R 23/12 (30) Prioridade Unionista: 18/10/2005 US 60/727.889 (73) Titular(es): MICRO MOTION, INC.

(72) Inventor(es): CRAIG B. MCANALLY; DENIS M. HENROT

ELETRÔNICA DE MEDIÇÃO E MÉTODOS PARA DETERMINAR UMA DIFERENÇA DE FASE ENTRE UM PRIMEIRO SINAL SENSOR E UM

SEGUNDO SINAL SENSOR DE UM MEDIDOR DE FLUXO

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se à eletrônica de medição e aos métodos para determinar uma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo.

Situação do Problema

É sabido do uso de medidores de fluxo de massa Coriolis para medir flu^o de massa, densidade, e fluxo de volume e outras informações de materiais que fluem através de uma tubulação como discutido na Patente Norte-Americana N° 4.491.025 emitida por J. E. Smith, e outros, em 1° de Janeiro de 1985 e Re. 31.450 a J. E. Smith de 11 de Fevereiro de 1982. Estes medidores de fluxo possuem um ou mais tubos de diferentes configurações. Cada configuração de canal pode ser vista como tendo um conjunto de modos de vibração natural que incluem, por exemplo, modos de curvatura simples, de torção, radiais e acoplados. Em uma típica aplicação de medição de fluxo de massa Coriolis, uma configuração de canal é excitada em um ou mais modos de vibração à medida que o material flui através do canal, e o movimento do canal é medido em pontos espaçados ao longo deste.

Os modos vibracionais dos sistemas preenchidos com material são definidos em parte pela massa combinada dos tubos de fluxo e o material dentro deles. O material flui dentro do medidor de fluxo a partir de uma tubulação conectada na lateral de entrada do medidor de fluxo. 0 material é então direcionado através do tubo de fluxo ou tubos de fluxo e sai do medidor de fluxo para uma tubulação conectada na lateral de saída.

Um acionador aplica uma força ao tubo de fluxo. A força leva o tubo de fluxo a oscilar. Quando não existe material fluindo através do medidor de fluxo, todos os pontos ao longo de um tubo de fluxo oscilam com uma fase idêntica. À medida que um material começa a fluir através do tubo de fluxo, as acelerações Coriolis levam cada ponto ao longo do tubo de fluxo a ter uma fase diferente com relação a outros pontos ao longo do tubo de fluxo. A fase na lateral de entrada do tubo de fluxo retarda o acionador, enquanto a fase na lateral de saída conduz o acionador. Os sensores são Ιοί 5 calizados em diferentes pontos no tubo de fluxo para produzir sinais senoidais representativos do movimento do tubo de fluxo nos diferentes pontos. A diferença de fase entre os dois sinais sensores é proporcional à taxa de fluxo de massa do material que flui através do tubo de fluxo ou tubos de fluxo. Em uma aproximação da técnica anterior, ou uma Transformada Discreta de Fourier (DFT) ou uma Transformada Rápida de Fourier (FFT) é usada para determinar a diferença de fase entre os sinais sensores. A diferença de fase, e uma resposta de freqüência vibracional do conjunto de tubos de fluxo são usadas para obter a taxa de fluxo de massa.

Em uma aproximação da técnica anterior, um sinal de referencia independente é usado para determinar uma freqüência de sinal pickoff, tal como usando a freqüência envi3

JO ada ao sistema acionador vibracional. Em uma outra aproximação da técnica anterior, a freqüência de resposta vibracional gerada por um sensor pickoff pode ser determinada centrando a esta freqüência em um filtro de entalhe, onde o me^u 5 didor de fluxo da técnica anterior tenta manter o entalhe do filtro de entalhe na freqüência do sensor pickoff. Essa técnica da técnica anterior funciona perfeitamente bem sob condições quiescentes, onde o material de fluxo no medidor de fluxo é uniforme e onde a freqüência de sinal pickoff resul10 tante é relativamente estável. Entretanto, a medição de fase - da técnica anterior sofre quando o material de fluxo não é uniforme, tal como em fluxos de duas fases onde o material «* . do fluxo compreende um líquido e um sólido ou onde existem bolhas de ar no material de fluxo líquido. Em tais situa15 ções, a freqüência determinada pela técnica anterior pode flutuar rapidamente. Durante condições de transições de fref qüência grandes e rápidas, é possível que os sinais pickoff se movam para fora da largura de banda do filtro, resultando em medições de freqüência e de fase incorreta. Isto também é um problema no empacotamento vazio-cheio-vazio, onde o medidor de fluxo é repetidamente operado alternando as condições de vazio e de cheio. Também, se a freqüência do sensor se move rapidamente, um processo de demodulação não será capaz de manter a freqüência real ou medida, causando demodulação em uma freqüência incorreta. Dever-se-ia entender que se a freqüência determinada é incorreta ou imprecisa, então os valores subseqüentemente derivados de densidade, taxa de fluxo de volume, etc., também serão incorretos e imprecisos.

u

6V

Além disso, o erro pode ser composto em subsequentes determinações de característica de fluxo.

Na técnica anterior, os sinais pickoff podem ser digitalizados e digitalmente manipulados de modo a implementar o filtro de entalhe. O filtro de entalhe aceita somente uma banda estreita de frequências. Então, quando a freqüência alvo está mudando, o filtro de entalhe pode não ser capaz de rastrear o sinal alvo por um periodo de tempo. Tipicamente, a implementação do filtro de entalhe digital leva de 1 a 2 segundos para rastrear o sinal alvo flutuante. Devido ao tempo exigido pela técnica anterior para determinar a freqüência, o resultado não é somente que as determinações de fase e freqüência contêm erros, mas também que a medição do erro engloba um período de tempo máximo que excede o período de tempo máximo durante o qual o erro e/ou o fluxo de duas fases realmente ocorre. Isto é devido à lentidão relativa da resposta de uma implementação do filtro de entalhe.

O resultado é que o medidor de fluxo da técnica anterior não pode precisamente, rapidamente, ou satisfatoriamente rastrear ou determinar uma freqüência do sensor pickoff durante o fluxo de duas fases do material de fluxo no medidor de fluxo. Conseqüentemente, a determinação de fase é igualmente lenta e sujeita a erros, como a técnica anterior deriva a diferença de fase usando a freqüência pickoff determinada . Portanto, qualquer erro na determinação de freqüência é composto na determinação de fase, levando a aumentar o erro na determinação da taxa de fluxo de massa. Adicionalmente, .como o valor da freqüência determinado é usado

Μ para determinar um valor de densidade (a densidade é aproximadamente igual a uma sobre a freqüência ao quadrado) _f um erro na determinação de freqüência é repetido ou composto na determinação de densidade. Isto é também verdadeiro para uma determinação de taxa de fluxo de volume, onde a taxa de fluxo de volume é igual à taxa de fluxo de massa dividida pela densidade.

Como a diferença de fase poder ser derivada usando a freqüência determinada, uma determinação de freqüência aperfeiçoada pode fornecer uma rápida e confiável determinação de diferença de fase.

Sumário da Invenção

O problema acima e outros problemas são resolvidos e um avanço na técnica é alcançado através do fornecimento de eletrônica de medição e de métodos para determinar uma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo.

A eletrônica de medição para determinar uma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo é fornecida de acordo com uma modalidade da invenção. A eletrônica de medição compreende uma interface para receber o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor e um sistema de processamento em comunicação com a interface. O sistema de processamento é configurado para receber o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor, gerar um deslocamento de fase de noventa graus a partir do primeiro sinal sensor, e calcular uma freqüência a partir do primeiro sinal sensor e o deslocamento de fase /3 &

de noventa graus. 0 sistema de processamento é adicionalmente configurado para gerar os sinais de seno e cosseno usando a freqüência, e demodular em quadratura o primeiro sinal sensor e do segundo sinal sensor usando os sinais de seno e cosseno de modo a determinar a diferença de fase.

Um método para determinar uma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo é fornecido de acordo com uma modalidade da invenção. O método compreende receber o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor, gerar um deslocamento de fase de noventa graus a partir do primeiro sinal sensor, e calcular uma freqüência a partir do primeiro sinal sensor e o deslocamento de fase de noventa graus. 0 método adicionalmente compreende gerar os sinais de seno e cosseno usando a freqüência. 0 método adicionalmente compreende demodular em quadratura o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor usando os sinais de seno e cosseno de modo a determinar a diferença de fase.

Um método para determinar uma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo é fornecido de acordo com uma modalidade da invenção. O método compreende receber o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor, gerar um deslocamento de fase de noventa graus a partir do primeiro sinal sensor, e calcular uma freqüência a partir do primeiro sinal sensor e o deslocamento de fase de noventa graus. O método adicionalmente compreende gerar sinais de seno e cosseno usando a freqüência. O método adicionalmente compreende demodular em

Η quadratura ο primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor usando os sinais de seno e cosseno, com a demodulação em quadratura gerando um primeiro sinal demodulado e um segundo sinal demodulado. 0 método adicionalmente compreende filtrar o primeiro sinal demodulado e um segundo sinal demodulado de modo a remover componentes de alta freqüência e correlação cruzada do primeiro sinal demodulado e do segundo sinal demodulado de modo a determinar a diferença de fase.

Aspectos da Invenção

Em um aspecto da eletrônica de medição, o sistema de processamento é adicionalmente configurado para calcular uma ou mais de uma taxa de fluxo de massa, uma densidade, ou uma taxa de fluxo de volume usando uma ou mais da freqüência e da diferença de fase.

Em um aspecto da eletrônica de medição, o sistema de processamento é adicionalmente configurado para calcular o deslocamento de fase de noventa graus usando uma transformada de Hilbert.

Ainda em um outro aspecto da eletrônica de medi20 ção, a demodulação em quadratura gera um primeiro sinal demodulado e um segundo sinal demodulado e o sistema de processamento é adicionalmente configurado para filtrar o primeiro sinal demodulado e o segundo sinal demodulado de modo a remover componentes de alta freqüência e correlação cruza25 da do primeiro sinal demodulado e do segundo sinal demodulado de modo a determinar a diferença de fase.

Em um aspecto do método, o método adicionalmente compreende calcular uma ou mais de uma taxa de fluxo de mas8 /5 sa, uma densidade, ou uma taxa de fluxo de volume usando uma ou mais da freqüência e da diferença de fase.

Em um outro aspecto do método, o método adicionalmente compreende calcular o deslocamento de fase de noventa graus usando uma transformada de Hilbert.

Ainda em um outro aspecto do método, a demodulação em quadratura gera um primeiro sinal demodulado e um segundo sinal demodulado e a demodulação em quadratura adicionalmente compreende filtrar o primeiro sinal demodulado e o segundo sinal demodulado de modo a remover os componentes de alta freqüência e correlação cruzada do primeiro sinal demodulado e do segundo sinal demodulado de modo a determinar a diferença de fase.

Breve Descrição dos Desenhos mesmo número de referência representa o mesmo elemento em todos os desenhos.

A FIG. 1 ilustra um medidor de fluxo Coriolis em um exemplo da invenção.

A FIG. 2 mostra eletrônica de medição de acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 3 ilustra um diagrama de bloco de uma parte de um sistema de processamento de acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 4 mostra detalhes de um bloco de transformada de Hilbert de acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 5 ilustra um diagrama de bloco de uma parte de freqüência de um bloco de análise de acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 6 é um diagrama de bloco de uma ^:parte de diferença de fase do bloco de análise de acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 7 é um fluxograma de um método de demodulação em quadratura da diferença de fase de acordo com uma modalidade da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

As FIGs. de 1 - 7 e a seguinte descrição descrevem exemplos específicos para ensinar os versados na técnica como fazer e usar o melhor modo da invenção. Para o propósito de ensinamento dos princípios inventivos, alguns aspectos convencionais foram simplificados ou omitidos. Aqueles versados na técnica apreciarão variações desses exemplos que caem no escopo da invenção. Aqueles versados na técnica apreciarão que essas características descritas abaixo podem ser combinadas de várias formas a formar múltiplas variações da invenção. Como um resultado, a invenção não é limitada aos exemplos específicos descritos abaixo, mas somente pelas reivindicações e seus equivalentes.

A FIG. 1 mostra um medidor de fluxo Coriolis 5 que compreende um conjunto de medidores 10 e eletrônica de medição 20. O conjunto de medidores 10 responde à taxa de fluxo de massa e à densidade de um material de processo. A eletrônica de medição 20 é conectada ao conjunto de medidores 10 via condutores 100 para fornecer densidade, taxa de fluxo de massa, e informação de temperatura pelo caminho 26, bem como outra informação não relevante à presente invenção. Uma estrutura do medidor de fluxo Coriolis é descrita, embora es-

teja aparente àqueles versados na técnica que a presente invenção poderia ser praticada como um densitômetro de tubo vibratório sem a capacidade de medição adicional fornecida por um medidor de fluxo de massa Coriolis.

O conjunto de medidores 10 inclui um par de tubos de distribuição 150 e 150', flanqes 103 e 103' que têm gargalos de flange 110 e 110', um par de tubos de fluxo paralelos 130 e 130', um mecanismo de acionamento 180, sensor de temperatura 190, e um par de sensores de velocidade 170L e 170R. Os tubos de fluxo 130 e 130' têm duas pernas de entrada essencialmente retas 131 e 131' e duas pernas de saida 134 e 134' que convergem em direção umas às outras em blocos de montagem de tubo de fluxo 120 e 120' . Os tubos de fluxo 130 e 130' se curvam em duas localizações simétricas ao longo de seu comprimento e são essencialmente paralelos por todo o seu comprimento. As barras de braçadeira 14 0 e 14 0' servem para definir os eixos W e W' em torno dos quais cada tubo de fluxo oscila.

As pernas laterais 131 e 131' e 134 e 134' dos tubos de fluxo 130 e 130' são fixadamente conectadas aos blocos de montagem do tubo de fluxo 120 e 120' e esses blocos, por sua vez, são fixadamente conectados aos tubos de fixação 150 e 150'. Isso fornece um caminho continuo de material fechado através do conjunto de medidores Coriolis 10.

Quando os flanges 103 e 103', que têm orifícios 102 e 102' são conectados, via a extremidade da entrada 104 e a extremidade da saida 104' em uma linha de processo (não mostrada) que carrega o material do processo que está sendo

I* medido, o material que entra na extremidade 104 do medidor através de um orifício 101 no flange 103 é conduzido através do tubo de distribuição 150 ao bloco de montagem do tubo de fluxo 120 que tem uma superfície 121. Dentro do tubo de distribuição 150, o material é dividido e direcionado através de tubos de fluxo 130 e 130'. Mediante a saída dos tubos de fluxo 130 e 130' , o material de processo é recombinado em um único fluxo dentro do tubo de distribuição 150' e é, portanto, direcionado à extremidade da saída 104' conectàda pelo flange 103' que tem furos de parafuso 102' à linha de processo (não mostrada).

Os tubos de fluxo 130 e 130' são selecionados e apropriadamente montados aos blocos de montagem do tubo de fluxo 120 e 120' tal como para terem substancialmente a mesma distribuição de massa, momentos de inércia, módulos de Young em torno de eixos de curvatura W-W e W'-W', respectivamente. Esses eixos de curvatura vão até as barras de braçadeira 140 e 140'. Visto que o módulo de Young dos tubos de fluxo muda com a temperatura, e essa mudança afeta o cálculo de fluxo e densidade, o detector de temperatura resistivo (RTD) 190 é montado ao tubo de fluxo 130', para continuamente medir a temperatura do tubo de fluxo. Ά temperatura do tubo de fluxo e, portanto, a voltagem aparecendo através do RTD para uma dada corrente passando através dele é governada pela temperatura do material- passando através do tubo de fluxo. A voltagem dependente da temperatura aparecendo através do RTD é usada em um'método bem conhecido pela eletrônica de medição 20 para compensar a mudança no módulo elástico

dos tubos de fluxo 130 e 130' devido a quaisquer mudanças na temperatura do tubo de fluxo. O RTD é conectado ao eletrônico de medição 20 pelo fio 195.

Ambos os tubos de fluxo 130 e 130' são acionados 5 pelo acionador 180 em direções opostas em torno de seus respectivos eixos de curvatura W e W' e o que é chamado do primeiro modo de curvatura fora de fase do medidor de fluxo. Esse mecanismo de acionamento 180 pode compreender qualquer um dos muitos arranjos bem conhecidos, tal como um imã mon10 tado ao tubo de fluxo 130'e uma bobina oposta montada ao tubo de fluxo 130 e através da qual uma corrente alternada é passada para vibrar ambos os tubos de fluxo. Um sinal de acionamento adequado é aplicado pela eletrônica de medição 20, via o fio 185, ao mecanismo de acionamento 180.

A eletrônica de medição 20 recebe o sinal de temperatura RTD no fio 195, e os sinais de velocidade esquerdo e direito aparecendo nos fios 165L e 165R, respectivamente. A eletrônica de medição 20 produz o sinal de acionamento aparecendo no fio 185 para acionar o elemento 180 e os tubos vibratórios 130 e 130'. A eletrônica de medição 20 processa os sinais de velocidade esquerdo e direito e o sinal RTD para computar a taxa de fluxo de massa e a densidade do material que está passando através do conjunto de medidores 10. Essa informação, junto com outra informação, é aplicada pela eletrônica de medição 20 sobre o caminho 26 a dispositivos de utilização 29.

A FIG. 2 mostra a eletrônica de medição 20 de acordo com uma modalidade da invenção. A eletrônica de medi13 &

ção 20 pode incluir uma interface 201 e um sistema de processamento 203. A eletrônica de medição 20 recebe o primeiro e o segundo sinal sensor 210 e 211 a partir do conjunto de medidores 10, tal como os sinais sensores de pickoff/velocidade. A eletrônica de medição 20 pode operar como um medidor de fluxo de massa ou pode operar como densitômetro, incluindo operar como um medidor de fluxo Coriolis. A eletrônica de medição 20 processa o primeiro e o segundo sinal sensor 210 e 211 de modo a obter características de fluxo do material de fluxo que flui através do conjunto de medidores 10. Por exemplo, a eletrônica de medição 20 pode determinar uma ou mais de uma diferença de fase, uma freqüência, uma diferença de tempo (At), uma densidade, uma taxa de fluxo de massa, e uma taxa de fluxo de volume a partir dos sinais sensores, por exemplo. Em adiçào, outras características de fluxo podem ser determinadas de acordo com a invenção. As determinações são discutidas abaixo.

A determinação da diferença de fase e a determinação da freqüência são muito mais rápidas e mais precisas e confiáveis do que tais determinações na técnica anterior. Isso reduz vantajosamente o tempo de processamento exigido de modo a computar as características de fluxo e aumenta a precisão de ambas as características de fluxo. Conseqüentemente, ambas a diferença de fase e a freqüência podem ser determinadas muito mais rápido do que na técnica anterior.

Os métodos de determinação de freqüência da técnica anterior tipicamente levam 1-2 segundos para executar. Em contraste, a determinação de freqüência de acordo com a in14 év venção pode ser executada em no máximo 50 milisegundos (ms). Ainda mais rápida a determinação da freqüência é observada, dependendo do tipo e configuração do sistema de processamento, a taxa de amostragem da resposta vibracional, os tamanhos de filtro, as taxas de decimação, etc. Na taxa de determinação de freqüência de 50 ms, a eletrônica de medição 20 de acordo com a invenção pode ser aproximadamente 40 vezes mais rápida do que na técnica anterior.

A interface 201 recebe o sinal sensor a partir de um dos sensores de velocidade 170L e 170R via os fios 100 da FIG. 1. A interface 201 pode executar qualquer condicionamento de sinal desejado ou necessário, tal como qualquer maneira de formatar, amplificar, armazenar, etc. Alternativamente, algum ou todo o condicionamento de sinal pode ser executado no sistema de processamento 203.

Em adição, a interface 201 pode habilitar comunicação entre a eletrônica de medição 20 e dispositivos externos . A interface 201 pode ser capaz de qualquer maneira de comunicação eletrônica, óptica, ou sem fio.

A interface 201 em uma modalidade é acoplada a um digitalizador 202, onde o sinal sensor compreende um sinal sensor analógico. O digitalizador 202 amostra e digitaliza o sinal sensor analógico e produz um sinal sensor digital. O digitalizador 202 pode também executar qualquer decimação necessária, onde o sinal sensor digital é decimado de modo a reduzir a quantidade de processamento de sinal necessária e a reduzir o tempo de processamento. A decimação será discutida mais detalhadamente abaixo.

α

Ο sistema de processamento 203 conduz operações da eletrônica de medição 20 e processa medições de fluxo a partir do conjunto de medidores de fluxo 10. O sistema de processamento 203 executa uma ou mais rotinas de processamento e desse modo processa as medições de fluxo de modo a produzir uma ou mais características de fluxo.

sistema de processamento 203 pode compreender um computador de propósito geral, um sistema de microprocessarnento, um circuito lógico, ou algum outro dispositivo de processamento de propósito geral ou personalizado. 0 sistema de processamento 203 pode ser distribuído entre múltiplos dispositivos de processamento e pode inclui qualquer maneira de meio de armazenamento eletrônico integrado ou independente, tal como sistema de armazenamento 204.

O sistema de processamento 203 processa o primeiro sinal sensor 210 e o segundo sinal sensor 211 de modo a determinar uma ou mais características de fluxo, que podem incluir uma diferença de fase, uma freqüência, uma diferença de tempo (At), uma taxa de fluxo de massa, e/ou uma densidade para o material de fluxo, por exemplo.

Na modalidade mostrada, o sistema de processamento 203 determina as características de fluxo a partir dos sinais sensores 210 e 211 e um único deslocamento de fase de 90 graus 213. O sistema de processamento 203 pode determinar pelo menos a diferença de fase e a freqüência a partir dos dois sinais sensores 210 e 211 e o único deslocamento de fase de 90 graus 213. Em adição, o sistema de processamento 203 pode determinar uma diferença de fase, uma diferença de &

tempo (At), e/ou uma taxa de fluxo de massa para o material de fluxo, entre outras coisas.

O sistema de armazenamento 204 pode armazenar parâmetros de medidor de fluxo e dados, rotinas de software, valores constantes, e valores variáveis. Em uma modalidade, o sistema de armazenamento 204 inclui rotinas que são executadas pelo sistema de processamento 203. Em uma modalidade, o sistema de armazenamento 204 armazena uma rotina de deslocamento de fase 212, uma rotina de diferença de fase 215, uma rotina de freqüência 216, uma rotina de diferença de tempo (At) 217, e uma rotina de características de fluxo

218.

Em uma modalidade, o sistema de armazenamento 204 armazena variáveis usadas para operar um medidor de fluxo, tal como o medidor de fluxo Coriolis 5. O sistema de armazenamento 204 em uma modalidade armazena variáveis, tal como o primeiro sinal sensor 210 e o segundo sinal sensor 211, que são recebidos a partir dos sensores de velocidade/pickoff 170L e 170R. Em adição, o sistema de armazenamento 204 pode armazenar um deslocamento de fase de 90 graus 213 que é gerado de modo a determinar as características de fluxo.

Em uma modalidade, o sistema de armazenamento 204 armazena uma ou mais características de fluxo obtidas a partir das medições de fluxo. O sistema de armazenamento 204 em uma modalidade armazena características de fluxo tal como uma diferença de fase 220, uma freqüência 221, uma diferença de tempo (At) 222, uma taxa de fluxo de massa 223, sidade 224, e uma taxa de fluxo de volume 225.

uma den-

A rotina de deslocamento de fase 212 executa um deslocamento de fase de 90 graus em um sinal de entrada, isto é, no sinal sensor 210. A rotina de deslocamento de fase 212 em uma modalidade implementa uma transformada de Hilbert (discutida abaixo).

A rotina de diferença de fase 215 determina uma diferença de fase usando demoduiação em quadratura. Informação adicional pode também ser usada de modo a computar a diferença de fase. Esta, em uma modalidade, é computada a partir do primeiro sinal sensor 210, do segundo sinal sensor 211, e da freqüência 221. A diferença de fase determina pode ser armazenada na diferença de fase 220 do sistema de armazenamento 204. A diferença de fase, quando determinada usando a freqüência determina 221, pode ser calculada e obtida muito mais rápido do que na técnica anterior. Isso pode fornecer uma diferença crucial nas aplicações de medidor de fluxo tendo altas taxas de fluxo ou onde fluxos multifase ocorrem.

A rotina de freqüência 216 determina uma freqüência (tal como aquela exibida ou pelo primeiro sinal sensor 210 ou pelo segundo sinal sensor 211) a partir do deslocamento de fase de 90 graus 213. A freqüência determina pode ser armazenada na freqüência 221 do sistema de armazenamento 204. A freqüência, quando determinada a partir do único deslocamento de fase de 90 graus 213 e dos sinais sensores 210 e 211, pode ser calculada e obtida muito mais rápido do que na técnica anterior. Isso pode fornecer uma diferença crucial em aplicações de medidor de fluxo tendo altas taxas de .25 fluxo ou onde fluxos multifase ocorrem.

A rotina de diferença de tempo (At) 217 determina uma diferença de tempo (At) entre o primeiro sinal sensor 210 e o segundo sinal sensor 211. A diferença de tempo (Át) pode ser armazenada na diferença de tempo (Át) 222 do sistema de armazenamento 204. A diferença de tempo (At) compreende substancialmente a fase determinada dividida pela freqüência determinada, e é, portanto, usada para determina a taxa de fluxo de massa.

A rotina de características de fluxo 218 pode determinar uma ou mais características de fluxo. A rotina de características de fluxo 218 pode usar a diferença de fase determina 220 e a freqüência determinada 221, por exemplo, de modo a executar essas características de fluxo adicionais. Dever-se-ia entender que informação adicional pode ser exigida para essas determinações, tal como taxa de fluxo de massa ou densidade, por exemplo. A rotina de características de fluxo 218 pode determinar uma taxa de fluxo de massa a partir da diferença de tempo (At) 222 e, portanto, a partir da diferença de fase 220 e da freqüência 221. A fórmula para determinar a taxa de fluxo de massa é dada na Patente NorteAmericana No. 5.027.662 a Titlow e outros, e é incorporada aqui como referência. A taxa de fluxo de massa está relacionada ao fluxo de massa de material de fluxo no conjunto de medidores 10. Igualmente, a rotina de características de fluxo 218 pode também determinar a densidade 224 e/ou a taxa de fluxo de volume 225. A taxa de fluxo de massa determinada, densidade, e taxa de fluxo de volume podem ser armazena19 das na taxa de fluxo de massa 223, na densidade 224, e no volume 225 do sistema de armazenamento 204, respectivamente. Em adição, as características de fluxo podem ser transmitidas a dispositivos externos pela eletrônica de medição 20.

A FIG. 3 é um diagrama de bloco 300 de uma parte do sistema de processamento 203 de acordo com uma modalidade da invenção. Na figura, os blocos representam ou o circuito de processamento ou as ações/rotinas de processamento. O diagrama de bloco 300 inclui um bloco de filtro de estágio 1 301, um bloco de filtro de estágio 2 302, um bloco de transformada de Hilbert 303, e um bloco de análise 304. As entradas LPO e RPO compreendem a entrada de sinal pickoff esquerda e a entrada de sinal pickoff direita. Ou o LPO ou o POR pode compreender um primeiro sinal sensor.

Em uma modalidade, o bloco de filtro de estágio 1 301 e o bloco de filtro de estágio 2 302 compreendem filtros de decimação polifásicos de Resposta a Impulso Finito (FIR) digitais, implementados no sistema de processamento 203. Esses filtros fornecem um método ótimo para filtrar e decimar um ou ambos os sinais sensores, com a filtragem e a decimação sendo executadas no mesmo tempo cronológico e na mesma taxa de decimação. Alternativamente, o bloco de filtro de estágio 1 301 e o bloco de filtro de estágio 2 302 podem compreender filtros de Resposta a Impulso Infinito (IIR) ou outros filtros digitais adequados ou processos de filtragem. Entretanto, dever-se-ia entender que outros processos de filtragem e/ou modalidades de filtragem são observados e estão no escopo da descrição e reivindicações.

a

A FIG. 4 mostra detalhes do bloco de transformada de Hilbert 303 de acordo com uma modalidade da invenção. Na modalidade mostrada, o bloco de transformada de Hilbert 303 inclui um bloco de retardo LPO 401 em paralelo com um bloco de filtro LPO 402. 0 bloco de retardo LPO 401 introduz um retardo de amostragem. O bloco de retardo LPO 401, portanto, seleciona amostras de sinal digital LPO que estão cronologicamente mais atrasadas no tempo do que as amostras de sinal digital LPO que são filtradas pelo bloco de filtro LPO 402. O bloco de filtro LPO 402 executa um deslocamento de fase de graus nas amostras de sinal digital inseridas.

O bloco de transformada de Hilbert 303 é uma primeira etapa para fornecer a medição de fase. Ele recebe os sinais LPO e RPO decimados e executa uma transformada de Hilbert. A transformada de Hilbert produz versões deslocadas em fase de 90 graus do sinal LPO. A saída do bloco de transformada de Hilbert 303, portanto, fornece um novo componente em quadratura (Q) LPO Q, junto com os componentes de sinal em fase (I) originais LPO I.

A entrada para o bloco de transformada de Hilbert 303 pode ser representada como:

LPO = Aipo cos(wt) (1)

Usando a transformada de Hilbert, a saída se torna:

LPOníibert ⁼ Aipo sen (wt) ¢2)

Combinando os termos originais com a saída da transformada de Hilbert resulta:

LPO = Ai_po[cos(wt) + isen(wt)] = Ai_poe^{j (wt)} (3)

Q$ &

A FIG. 5 é um diagrama de bloco de uma parte de freqüência 500 do bloco de análise 304 de acordo com uma modalidade da invenção. O bloco de análise 304 na modalidade mostrada é o estágio final das medições de freqüência e de delta T (At). Na modalidade mostrada, a parte de freqüência 500 determina uma freqüência dos componentes em fase (I) e em quadratura (Q) de um único sinal sensor. A parte de freqüência 500 pode operar ou no sinal pickoff esquerdo ou direito (LPO ou RPO). Na modalidade mostrada, a parte de freqüência 500 opera no sinal LPO. A parte de freqüência 500 na modalidade mostrada inclui um bloco de junção 501, um bloco de conjugado complexo 502, um bloco de amostragem 503, um bloco de multiplicação complexa 504, um bloco de filtro 505, um bloco de ângulo de fase 506, um bloco constante 507, e um bloco de divisão 508.

O bloco de junção 501 recebe ambos os componentes em fase (I) e em quadratura (Q) de um sinal sensor e os passa adiante. O bloco de conjugado 502 executa um conjugado complexo em um sinal sensor, aqui o sinal LPO. O bloco de retardo 503 introduz um retardo de amostragem e, portanto, seleciona uma amostra de sinal digital que está cronologicamente mais velha no tempo. Essa amostra de sinal digital mais velha é multiplicada com o sinal digital de corrente no bloco de multiplicação complexa 504. O bloco de multiplicação complexa 504 multiplica o sinal LPO e o sinal conjugado LPO, implementando a equação (4) abaixo. O bloco de filtro 505 implementa um filtro digital, tal como o filtro FIR previamente discutido. O bloco de filtro 505 pode compreender um filtro de decimação polifásico que é usado para remover conteúdo harmônico dos componentes em fase (I) e em quadratura (Q) do sinal sensor, bem como para decimar o sinal. Os coeficientes de filtro podem ser escolhidos para fornecer decimação do sinal inserido, tal como decimação por um fator de 10, por exemplo. O bloco de ângulo de fase 506 determina um ângulo de fase dos componentes em fase (I) e em quadratura (Q) do sinal LPO. 0 bloco de ângulo de fase 506 implementa uma parte da equação (5) abaixo. O bloco constante 507 fornece um fator compreendendo uma taxa de amostra F_s dividida por dois pi (π), como mostrado na equação (6). O bloco de divisão 508 executa a operação de divisão da equação (6).

O processamento de freqüência implementa a seguinte equação:

LPÕ₍„-_t) x LPO_(n) = x A_lpoe^i<M> = Α\/^<''-''-'> {4)

O ângulo entre duas amostras consecutivas é, portanto :

5) cos(yvt-\vt__x) que é a freqüência radiana do pickoff esquerdo.

Convertendo para Hz:

^J,p° 2π

6)

Aqui F_s é a taxa do bloco de transformada de Hilbert 303. No exemplo previamente discutido, F_s é aproximadamente 2 kHz.

A FIG. 6 é um diagrama de bloco de uma parte de diferença de fase 600 do bloco de análise 304 de acordo com uma modalidade da invenção. A parte de diferença de fase 600 emite uma diferença de fase entre o sinal de entrada LPO e o sinal de entrada RPO. A parte de diferença de fase 600 pode ser incluída no bloco de análise 304 junto com a parte de freqüência 500 da FIG. 5. Na figura, os blocos representam ou circuito de processamento ou ações/rotinas de processamento. A parte de diferença de fase 600 inclui um bloco gerador de modulação 601, um bloco de junção 602, blocos realcomplexo 604 e 605, blocos de demodulação em quadratura 608 e 609, blocos de decimação 610 e 611, um bloco conjugado 612, e um bloco de correlação 614.

O bloco gerador de modulação 601 gera termos seno e cosseno a partir do valor de freqüência radiana (w) que é emitida pela parte de freqüência 500. O bloco gerador de modulação 601, portanto, recebe uma referência de freqüência a partir da parte de freqüência 500. Como a parte de freqüência 500 pode ser obtida muito mais rápido e mais confiavelmente do que na técnica anterior, conseqüentemente a determinação de diferença de fase pode ser também obtida muito mais rápida e mais confiavelmente do que na técnica anterior. Os termos seno e cosseno compreendem componentes em fase (I) e em quadratura (Q) da referência de freqüência. Os termos seno e cosseno gerados pelo bloco gerador de modulação 601 são inseridos no bloco de junção 602.

bloco de junção 602 recebe os componentes em fase (I) e em quadratura (Q) a partir do bloco gerador de modulação 601. O bloco de junção 602 une os componentes em fase (I) e em quadratura (Q) e os passa adiante aos blocos de demodulação em quadratura 608 e 609.

Os blocos real-complexo 604 e 605 geram componentes imaginários (isto é, em quadratura) dos sinais de entrada LPO e RPO. Os componentes em fase (real) e em quadratura (imaginários) resultantes compreendem senóides que incluem ambos componentes seno e cosseno. Os blocos real-complexo 604 e 605 passam os componentes em fase (real) e em quadratura (imaginário) resultantes de ambos os sinais aos blocos de demodulação em quadratura correspondentes 608 e 609.

Os blocos de demodulação em quadratura 608 e 609 demodulam o sinal LPO e o sinal RPO usando as senóides. A demodulação gera um primeiro sinal demodulado e um segundo sinal demodulado. Em adição, essa demodulação produz um componente de freqüência zero e um componente de alta freqüência para cada um do LPO e do RPO. O componente de alta freqüência é removido posteriormente (ver abaixo). A saída dos blocos de demodulação em quadratura 608 e 609 é passada aos blocos de decimação 610 e 611, respectivamente.

Os blocos de decimação 610 e 611 podem decimar os sinais de demodulação em quadratura LPO e RPO. Por exemplo, os blocos de decimação 610 e 611 podem decimar esses dois sinais por um fator de aproximadamente 10, por exemplo. Em adição, os blocos de decimação 610 e 611 podem executar qualquer filtragem desejada dos sinais de demodulação. Por exemplo, em uma modalidade, os blocos de decimação 610 e 611 podem compreender um filtro de decimação polifásico que é usado para remover conteúdo harmônico (isto é, os componentes de alta freqüência) dos componentes em fase (I) e em quadratura (Q) do sinal sensor, bem como para decimar o si32&

nal. Os coeficientes de filtro podem ser escolhidos para fornecer decimação do sinal inserido, tal como decimação por um fator de 10, por exemplo. Os blocos de decimação 610 e

611 passam o sinal RPO demodulado ao bloco conjugado 612 e passam o sinal LPO demodulado ao bloco de correlação 614.

O bloco conjugado 612 executa um conjugado complexo no sinal RPO demodulado e o passa ao bloco de correlação

614.

O bloco de correlação 614 correlaciona os sinais demodulados LPO e RPO. A operação de conjugação seguida pela correlação compreende uma operação de correlação cruzada. A correlação complexa pode compreender uma multiplicação que produz um resultado mostrado nas equações (17) e (18). Como um resultado, o bloco de correlação 614 produz o valor de diferença de fase (ou ângulo de fase) . A diferença de fase determinada pode ser usada para determinar várias características de fluxo. Por causa dos dois processos de demodulação em quadratura mostrados na FIG. 6, a parte de diferença de fase 600 pode ser referida como uma corrente de demodulação em quadratura.

A FIG. 7 é um fluxograma 700 de um método de demodulação em quadradura de diferença de fase de acordo com uma modalidade da invenção. Na etapa 701, o primeiro e o segundo sinal de sensor são recebidos.

Na etapa 702, um deslocamento de fase de 90 graus é gerado para um do primeiro e do segundo sinal sensor.

Na etapa 703, uma freqüência (f) é determinada a partir do deslocamento de fase de 90 graus e do sinal sensor <?

correspondente. A freqüência (f) pode ser representada como uma freqüência radiana:

w = 2πί ¢7)

A freqüência determinada (f) pode ser usada para determinar características de fluxo. A freqüência determinada (f) pode também ser usada para determinar uma diferença de fase entre o primeiro e o segundo sinal sensor, tal como usando o método de corrente QD descrito acima.

Na etapa 704, um sinal de referência (W_k) é criado. O sinal de referência (W_k) compreende um sinal seno e cosseno. Os sinais de referência (W_k) têm a mesma freqüência dos sinais LPO e RPO. A freqüência radiana w é operada por um gerador de modulação de modo a gerar recursivamente os sinais de referência de demodulação senoidais (W_k) , compreendendo:

W_k = exp(-jwk) (8) com os sinais de entrada LPO e RPO compreendendo: XLPo(k) = Acos (w_k + ψϊ,ρο) (9)

XRPo(k) = Acos {w_k + <t>_RP0) (10)

Na etapa 705, o sinal sensor x_Lpo é demodulado com os sinais de referência W_k. A demodulação compreende misturar ou multiplicar o sinal sensor x_Lpo com os sinais de referência W_k de modo a produzir um sinal LPO demodulado.

Na etapa 706, o sinal sensor x_Rp₀ é demodulado com os sinais de referência W_k. A demodulação compreende misturar ou multiplicar o sinal sensor x_Rp₀ com os sinais de referência W_k de modo a produzir um sinal RPO demodulado.

Como um resultado, os sinais demodulados na saida

dos blocos de demodulação em quadratura 608 e 609 compreendem:

Zlpo (k) ⁼ WicXlpo (k) ¢11)

ZRPo(k) = WfcXRpofk) (12) que podem ser reescritos como:

A ^ZLP_O(^k) = -(^(^0) + ^(-1(^ + ^0))} < ¹³ >

A ^zBro(k) =—{exp( Í^bpo )+exp(-j(^2wk + Φλρο ))} <¹⁴ >

10.

Na etapa 707, os sinais demodulados são filtrados de modo a remover termos de alta freqüência. Esses termos de alta freqüência da demodulação em quadratura compreendem os termos [exp(-j(2wk + Φι,ρο/rpo) ) ] nas equações (13) e (14) acima. Uma operação de filtro passa-baixa pode ser usada para remover os termos de alta freqüência. Em uma modalidade, a filtragem pode compreender uma decimação (I,Q) X 40 cascata dupla de filtros de decimação. A saída dessa filtragem é representada por:

A ^z,.m(^k) = y^exP(]^LPo) <¹⁵>

A ^ZRPo(k ) ⁼-^^eXp( J§RPO ) (16)

Na etapa 708, um dos sinais demodulados (tal como o sinal RPO demodulado na FIG. 6) é conjugado. A operação de conjugação forma um negativo do sinal imaginário.

Na etapa 709, as saídas de filtro são correlacionadas por um estagio de correlação complexa. As etapas de conjugação e correlação da operação de correlação complexa resultam:

q(k) = z_Lr.₀(k)z,_m(k) (17) onde o segundo termo z representa a conjugação

3S complexa da etapa 708. Segue da equação (16) que a saída de correlação/multiplicação compreende:

(18)

Consequentemente, o ângulo de fase compreende: ΦΓ k) = arg( q( k)) = φ_ΛΡ0 - φ^ (19)

A diferença de fase é, portanto, emitida.

A eletrônica de medição e o método para determinar uma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo de acordo com a invenção podem ser implementados de acordo com qualquer uma das modalidades de modo a obter várias vantagens, se desejado. A invenção pode computar uma diferença de fase a partir de uma freqüência determinada e o primeiro e o segundo sinais sensores. A invenção pode fornecer uma determinação de diferença de fase de maior precisão e confiabilidade. A invenção pode fornecer uma determinação de diferença de fase mais rápida do que a técnica anterior e enquanto consumindo menos tempo de processamento.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Eletrônica de medição (20) para determinar uma diferença de fase entre um sinal do primeiro sensor e um sinal do segundo sensor de um medidor de fluxo, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende:

uma interface (201) para receber um sinal do primeiro sensor e um sinal do segundo sensor; e um sistema de processamento (203) em comunicação com a interface (201) e configurado para receber o sinal do primeiro sensor e o sinal do segundo sensor, gerar um deslocamento de fase de noventa graus a partir do sinal do primeiro sensor, calcular uma freqüência a partir do sinal do primeiro sensor e o deslocamento de fase de noventa graus, gerar sinais de seno e cosseno usando a freqüência, e demodular em quadratura o sinal do primeiro sensor e o sinal do segundo sensor usando os sinais de seno e cosseno de modo a determinar a diferença de fase.
2. Eletrônica de medição (20), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o sistema de processamento (203) é adicionalmente configurado para computar uma ou mais de uma taxa de fluxo de massa, uma densidade, ou uma taxa de fluxo de volume usando uma ou mais da freqüência e da diferença de fase.
3. Eletrônica de medição (20), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o sistema de processamento (203) é adicionalmente configurado para computar o deslocamento de fase de noventa graus usando uma transformada de Hilbert.

de 19/01/2018, pág. 6/10
4. Eletrônica de medição (20), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a demodulação em quadratura gera um primeiro sinal demodulado e um segundo sinal demodulado e o sistema de processamento (203) é adicionalmente configurado para filtrar o primeiro sinal demodulado e o segundo sinal demodulado de modo a remover os componentes de alta freqüência e correlacionar de modo cruzado o primeiro sinal demodulado e o segundo sinal demodulado de modo a determinar a diferença de fase.
5. Método para determinar uma diferença de fase entre um sinal do primeiro sensor e um sinal do segundo sensor de um medidor de fluxo usando a eletrônica de medição conforme definida na reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

receber o sinal do primeiro sensor e o sinal do segundo sensor;

gerar um deslocamento de fase de noventa graus a partir do sinal do primeiro sensor;

calcular uma freqüência a partir do sinal do primeiro sensor e o deslocamento de fase de noventa graus;

gerar sinais de seno e cosseno usando a freqüência; e demodular em quadratura o sinal do primeiro sensor e o sinal do segundo sensor usando os sinais de seno e cosseno de modo a determinar a diferença de fase.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende computar uma ou mais de uma taxa de fluxo de massa, uma dende 19/01/2018, pág. 7/10 sidade, ou uma taxa de fluxo de volume usando uma ou mais da freqüência e da diferença de fase.
7. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende

5 computar o deslocamento de fase de noventa graus usando uma transformada de Hilbert.
8. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que a demodulação em quadratura gerando um primeiro sinal demodulado e um segundo sinal de10 modulado adicionalmente compreende:

filtrar o primeiro sinal demodulado e o segundo sinal demodulado de modo a remover componentes de alta freqüência; e correlacionar de forma cruzada o primeiro sinal 15 demodulado e o segundo sinal demodulado de modo a determinar a diferença de fase.

Petição 870180005120, de 19/01/2018, pág. 8/10

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