CN100538285C - 检测流经科里奥利流量计的材料的不均匀性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于检测流经流量计(5)的流动材料中的流动异物的仪表电子装置(20)和方法。仪表电子装置(20)包括：用于接收流动材料的振动响应的接口(201)，振动响应至少包括第一传感器信号和第二传感器信号；以及处理系统(203)，与接口(201)进行通信。处理系统(203)配置成接收来自接口(201)的振动响应，从第一传感器信号产生第一九十度相移，并至少采用第一传感器信号和第一九十度相移来产生至少一个流动特性，将至少一个流动特性与至少一个异物分布进行比较，在至少一个流动特性落入异物分布的范围之内时检测振动响应的移位，以及作为检测的结果指示异物情况。

Description

检测流经科里奥利流量计的材料的不均匀性的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于检测流经流量计的流动材料的流动异物的仪表电子装置和方法。

背景技术

已知的是采用科里奥利质量流量计来测量流经管道的材料的质量流量和其它信息，如1985年1月1日授予J.E.Smith等人的美国专利No.4491025以及1982年2月11日授予J.E.Smith的Re.31450中所公开的。这些流量计具有不同配置的一个或多个流管。各导管配置可看作具有一组自然振动模式，包括例如单纯弯曲、扭振、径向和耦合模式。在一种典型的科里奥利质量流量测量应用中，当材料流经导管时以一种或多种振动模式来激励导管配置，以及在沿导管间隔开的点上测量导管的运动。

材料填充系统的振动模式部分由流管以及流管中的材料的组合质量来规定。材料从流量计的入口端的连接管道流入流量计。然后，材料通过流管或多个流管来引导，并离开流量计进入出口端所连接的管道。

驱动器对流管施力。力使流管振荡。当没有材料流经流量计时，沿流管的所有点均以相同相位振荡。当材料开始流经流管时，科里奥利加速使得沿流管的各点相对于沿流管的其它点具有不同相位。流管的入口端的相位滞后于驱动器，而出口端的相位则超前于驱动器。传感器设置在流管的不同点上，以产生表示不同点上的流管的运动的正弦信号。两个传感器信号之间的相位差与流经流管或多个流管的材料的质量流量成正比。在一种现有技术方法中，离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)用来确定传感器信号之间的相位差。流管组件的相位差和振动频率响应用来获得质量流量。

在一种现有技术方法中，例如通过采用发送给振动驱动器系统的频率，独立参考信号用来确定截选(pickoff)信号频率。在另一种现有技术方法中，由截选传感器所产生的振动响应频率可通过在陷波滤波器中集中于那个频率来确定，其中，现有技术流量计尝试使陷波滤波器的凹槽保持在截选传感器频率。这种现有技术在流量计中的流动材料是均匀的并且所得截选信号频率比较稳定的静止状态下相当适用。但是，当流动材料不均匀时，例如在流动材料包含液体和固体或者液体流动材料中存在空气气泡的两相流动时，现有技术的相位测量受到影响。在这类情况下，现有技术的确定频率可能迅速波动。在快速和大频率转变的条件中，可能令截选信号移动到滤波器带宽之外，从而产生不正确的相位和频率测量。在流量计以交替的空和满状态重复操作的空-满-空配料中，这也是一个问题。另外，如果传感器的频率迅速移动，则解调过程不能够跟上实际或测量频率，从而导致以不正确频率进行解调。应当理解，如果确定频率不正确或不准确，则密度、体积流量等的后续推导值也会不正确或不准确。此外，误差可能在后续流动特性确定中混合。

在现有技术中，截选信号可经过数字化以及数字处理，以实现陷波滤波器。陷波滤波器仅接受窄带频率。因此，当目标频率改变时，陷波滤波器可能在某个时间段无法跟踪目标信号。数字陷波滤波器实现通常采用1-2秒来跟踪波动目标信号。由于现有技术确定频率需要时间，结果是，不仅频率和相位确定包含误差，而且误差测量包含某个时间间隔，该时间间隔超过在其中实际发生误差和/或两相流动的时间间隔。这是因为陷波滤波器实现的响应相对缓慢。

结果，现有技术流量计在流量计中的流动材料的两相流动期间无法准确迅速地或者令人满意地跟踪或确定截选传感器频率。因此，相位确定同样是缓慢且易产生误差的，因为现有技术采用已确定截选频率来得出相位差。因此，频率确定的任何误差在相位确定中混合。结果是频率确定中以及相位确定中增加的误差，从而导致确定质量流量中增加的误差。另外，由于已确定频率值用来确定密度值(密度近似等于一除以频率平方)，频率确定的误差在密度确定中重复或混合。对于体积流量的确定，情况也是这样，其中体积流量等于质量流量除以密度。

在许多流量应用中，可能具有在流动材料中残留异物。多相流量通常在某个流量中包括多种材料。多种材料可能是合乎需要或者是不合需要的，其中包括流动材料中不希望有的材料或部分(即异物(anomaly))。如果可能在流动材料中检测和量化合乎需要和/或不合需要的异物，则是有利的。异物检测可能使这类异物的去除或预防成为可能，或者可能使预期等级的异物成为可能。

异物可包括在流动材料中残留的气体气泡或空气气泡。实例是水中的空气气泡或者油井输出的天然气泡。异物可包括流动材料中的外来液体。例如，水可能存在于油井输出的原油中。异物可包括流动材料中的固体。例如，流动材料可包括从液体处理设备中的管道、泵、阀门等上断裂或剥落的金属片。应当理解，流动材料中的异物可包括以上所述的气体、液体和固体异物的组合。

异物还可能导致流量计中错误的质量流量。极为需要的是，流量计即使在流动液体中存在异物时也准确地测量流动液体的质量流量。

发明内容

通过提供用于检测流动材料中的流动异物的仪表电子装置和方法，解决了以上及其它问题，并且实现了本领域的进步。

根据本发明的一个实施例，提供用于检测流经流量计的流动材料中的流动异物的仪表电子装置。仪表电子装置包括：用于接收流动材料的振动响应的接口，其中的振动响应至少包括第一传感器信号和第二传感器信号；以及处理系统，与接口进行通信。处理系统配置成接收来自接口的振动响应，以及从第一传感器信号产生第一九十度相移，并至少采用第一传感器信号和第一九十度相移来产生至少一个流动特性。处理系统还配置成将至少一个流动特性与至少一个异物分布进行比较，当至少一个流动特性落入异物分布的范围之内时检测振动响应的移位，以及作为检测的结果指示异物情况。

根据本发明的一个实施例，提供一种用于检测流经流量计的流动材料中的流动异物的方法。该方法包括接收来自流量计的振动响应。振动响应至少包括第一传感器信号和第二传感器信号。该方法还包括从第一传感器信号产生第一九十度相移，并至少采用第一传感器信号和第一九十度相移来产生至少一个流动特性。该方法还包括将至少一个流动特性与至少一个异物分布进行比较，当至少一个流动特性落入异物分布的范围之内时检测振动响应的移位，以及作为检测的结果指示异物情况。

根据本发明的一个实施例，提供一种用于检测流经流量计的流动材料中的流动异物的方法。该方法包括接收来自流量计的振动响应。振动响应至少包括第一传感器信号和第二传感器信号。该方法还包括从第一传感器信号产生第一九十度相移，并至少采用第一传感器信号和第一九十度相移来产生至少一个流动特性。该方法还包括将至少一个流动特性与至少一个气体异物分布进行比较，当至少一个流动特性落入气体异物分布的范围之内时检测振动响应的移位，以及作为检测的结果递增气泡计数。

本发明的方面

在仪表电子装置的一个方面，接口包括配置成使传感器信号数字化的数字转换器。

在仪表电子装置的另一个方面，处理系统还配置成重复执行接收、产生、比较、检测和指示的步骤。

在仪表电子装置的又一个方面，流量计包括科里奥利流量计。

在仪表电子装置的又一个方面，流量计包括振动密度计。

在仪表电子装置的又一个方面，至少一个流动特性包括频率响应。

在仪表电子装置的又一个方面，至少一个流动特性包括相位差响应，其中，处理系统还配置成采用第一九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算相位差响应。

在仪表电子装置的又一个方面，至少一个流动特性包括相位差响应，其中，处理系统还配置成从第二传感器信号产生第二九十度相移，并采用第一九十度相移、第二九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算相位差响应。

在仪表电子装置的又一个方面，至少一个流动特性包括传感器信号时间延迟响应。

在仪表电子装置的又一个方面，至少一个流动特性包括质量流量响应。

在仪表电子装置的又一个方面，至少一个流动特性包括密度响应。

在仪表电子装置的又一个方面，指示的步骤包括指示固体异物。

在仪表电子装置的又一个方面，指示的步骤包括指示外来液体异物。

在仪表电子装置的又一个方面，指示的步骤包括指示气体异物。

在仪表电子装置的又一个方面，指示的步骤包括指示空气气泡异物。

在仪表电子装置的又一个方面，指示的步骤包括设置异物报警条件。

在仪表电子装置的又一个方面，指示的步骤包括递增异物计数。

在方法的一个方面，该方法还包括重复执行接收、产生、比较、检测和指示的步骤。

在方法的另一个方面，流量计包括科里奥利流量计。

在方法的又一个方面，流量计包括振动密度计。

在方法的又一个方面，至少一个流动特性还包括频率响应。

在方法的又一个方面，至少一个流动特性还包括相位差响应，产生至少一个流动特性的步骤还包括采用第一九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算相位差响应。

在方法的又一个方面，至少一个流动特性还包括相位差响应，以及产生至少一个流动特性的步骤还包括从第二传感器信号产生第二九十度相移，并采用第一九十度相移、第二九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算相位差响应。

在方法的又一个方面，至少一个流动特性还包括传感器信号时间延迟响应。

在仪表电子装置的又一个方面，至少一个流动特性还包括质量流量响应。

在方法的又一个方面，至少一个流动特性还包括密度响应。

在方法的又一个方面，指示的步骤包括指示固体异物。

在方法的又一个方面，指示的步骤包括指示外来液体异物。

在方法的又一个方面，指示的步骤包括指示气体异物。

在方法的又一个方面，指示的步骤包括指示空气气泡异物。

在方法的又一个方面，指示的步骤包括设置异物报警条件。

在方法的又一个方面，指示的步骤包括递增异物计数。

附图说明

相同的附图标记在所有附图中表示相同的要素。

图1示出本发明的一个实例中的科里奥利流量计；

图2示出根据本发明的一个实施例的仪表电子装置。

图3是根据本发明的一个实施例、处理科里奥利流量计中的传感器信号的方法的流程图。

图4示出根据本发明的一个实施例的仪表电子装置。

图5是根据本发明的一个实施例、处理科里奥利流量计中的第一和第二传感器信号的方法的流程图。

图6是根据本发明的一个实施例的处理系统的一部分的框图。

图7示出根据本发明的一个实施例的希尔伯特变换块的细节。

图8和图9是根据本发明的一个实施例的分析块的两个独立分支的框图。

图10是在常规条件下的流量计的截选传感器信号的功率谱密度图。

图11示出根据单相移实施例的希尔伯特变换块。

图12示出单相移实施例的分析块。

图13示出与现有技术相比的本发明的传感器处理，在其中比较每个的时间差(Δt)值。

图14示出根据本发明的另一个实施例的仪表电子装置。

图15是频率响应对时间的图表，其中，频率流动特性中的向上尖峰表示流动材料中的异物、如空气气泡。

图16是时间延迟对时间的图表，其中，时间延迟流动特性中的向下尖峰同样表示流动材料中的异物。

图17示出流动材料中的空气的较小含气率的频率响应对时间。

图18是水加上残留空气的驱动频率对液体比重(SG)的图表。

图19是对于1-7的SG范围的驱动频率对SG的图表。

图20是根据本发明的一个实施例、用于检测流经流量计的流动材料中的流动异物的方法的流程图。

具体实施方式

图1-20和以下描述说明向本领域的技术人员讲授如何构成和利用本发明的最佳模式的具体实例。为了讲授创造性原理，简化或省略了某些传统的方面。本领域的技术人员会知道落入本发明的范围之内的这些实例的变更。本领域的技术人员会理解，以下所述的特征可通过各种方式结合来形成本发明的多种变更。因此，本发明不限于以下所述的具体实例，而是仅由权利要求及其等效物来限定。

图1示出包括仪表组件10和仪表电子装置20的科里奥利流量计5。仪表组件10响应工艺材料的质量流量和密度。仪表电子装置20通过导线100连接到仪表组件10，以通过路径26提供密度、质量流量和温度信息以及与本发明不相关的其它信息。描述了科里奥利流量计结构，但是本领域的技术人员非常清楚，本发明可作为没有科里奥利质量流量计所提供的附加测量功能的振动管密度计来实施。

仪表组件10包括一对歧管150和150’、具有凸缘颈110和110’的凸缘103和103’、一对平行流管130和130’、驱动机构180、温度传感器190以及一对速度传感器170L和170R。流管130和130’具有两个基本上笔直的入口分支131和131’以及出口分支134和134’，它们在流管安装块120和120’上相互聚合。流管130和130’在沿其长度的两个对称位置上弯曲，并且在其长度上基本平行。支撑杆140和140’用于限定各流管围绕其振荡的轴W和W’。

流管130和130’的侧分支131、131’和134、134’固定连接到流管安装块120和120’，这些块又固定连接到歧管150和150’。这提供通过科里奥利仪表组件10的连续密封材料通路。

当具有孔102和102’的凸缘103和103’通过入口端104和出口端104’连接到传送被测量的工艺材料的工艺线(未示出)时，材料通过凸缘103中的孔口101进入仪表的端点104，通过歧管150传输到具有表面121的流管安装块120。在歧管150中，材料通过流管130和130’分离和传送。在离开流管130和130’时，工艺材料在歧管150’中重新组合为单个流，之后被传送给由具有螺栓孔102’的凸缘连接到工艺线(未示出)的出口端104’。

流管130和130’经过选择并适当地安装到流管安装块120和120’，以实质上分别具有与弯曲轴W—W和W’—W’有关的相同质量分布、惯性矩和杨氏模量。这些弯曲轴通过支撑杆140和140’。由于流管的杨氏模量随温度变化，并且这种变化影响流量和密度的计算，所以电阻温度检测器(RTD)190安装到流管130’以连续测量流管的温度。流管的温度、因而对于经过其中的给定电流在RTD上出现的电压由经过流管的材料的温度来控制。在RTD上出现的温度相关电压由仪表电子装置20以公知的方法用来补偿因流管温度的任何变化引起的流管130和130’的弹性模量的变化。RTD通过导线195连接到仪表电子装置20。

流管130以及130’由驱动器180驱动以相反方向围绕它们的弯曲轴W和W’并且以称作流量计的异相弯曲模式来驱动。这个驱动机构180可包括许多公知的装置的任一个，例如安装到流管130’的磁体以及安装到流管130的反作用线圈，以及交流电流通过其中以便振动两个流管。适当的驱动信号由仪表电子装置20通过导线185施加到驱动机构180。

仪表电子装置20接收导线195上的RTD温度信号以及分别在导线165L和165R上出现的左和右速度信号。仪表电子装置20产生在导线185上出现的驱动信号，以驱动元件180以及振动管130和130’。仪表电子装置20处理左和右速度信号以及RTD信号，以计算经过仪表组件10的材料的质量流量和密度。这个信息以及其它信息由仪表电子装置20通过路径26施加到利用部件29。

图2示出根据本发明的一个实施例的仪表电子装置20。仪表电子装置20可包括接口201和处理系统203。仪表电子装置20接收来自仪表组件10的第一和第二传感器信号，例如截选/速度传感器信号。仪表电子装置20处理第一和第二传感器信号，以获得流经仪表组件10的流动材料的流动特性。例如，仪表电子装置20可从传感器信号中确定例如相位差、频率、时间差(Δt)、密度、质量流量和体积流量的一个或多个。另外，其它流动特性可根据本发明来确定。下面论述这些确定。

相位差确定和频率确定比现有技术中的这类确定更快并且更准确可靠。在一个实施例中，相位差确定和频率确定仅从一个传感器信号的相移直接得出，而无需任何频率参考信号。这有利地减少为了计算流动特性所需的处理时间。在另一个实施例中，相位差从两个传感器信号的相移中得出，而频率则仅从一个相移信号中得出。这提高了两种流动特性的精度，以及两者均可远快于现有技术地确定。

现有技术频率确定方法通常需要1-2秒来执行。相反，根据本发明的频率确定可在低至50毫秒(ms)内执行。根据处理系统的类型和配置、振动响应的抽样率、滤波器大小、抽选(decimation)率等，可甚至考虑更快的频率确定。以50ms频率确定速率，根据本发明的仪表电子装置20可能比现有技术快大约40倍。

接口201通过图1的导线100接收来自速度传感器170L和170R其中之一的传感器信号。接口201可执行任何必要的或预期的信号调整，例如任何方式的格式化、放大、缓冲等。或者，信号调整的部分或全部可在处理系统203中执行。

另外，接口201可实现仪表电子装置20与外部装置之间的通信。接口201能够进行任何方式的电子、光或无线通信。

在一个实施例中，接口201与数字转换器202耦合，其中，传感器信号包括模拟传感器信号。数字转换器202对模拟传感器信号进行抽样和数字化，以及产生数字传感器信号。数字转换器202还可执行任何所需的抽选，其中，数字传感器信号经过抽选，以减少所需的信号处理量以及减少处理时间。下面更详细地论述抽选。

处理系统203引导仪表电子装置20的操作，以及处理来自流量计组件10的流量测量。处理系统203执行一个或多个处理例程，由此处理流量测量，以产生一个或多个流动特性。

处理系统203可包括通用计算机、微处理系统、逻辑电路或者其它某种通用或定制处理装置。处理系统203可分布于多个处理装置中。处理系统203可包括任何方式的集成或独立电子存储媒体、如存储系统204。

处理系统203处理传感器信号210，以便从传感器信号210中确定一个或多个流动特性。一个或多个流动特性可包括例如流动材料的相位差、频率、时间差(Δt)、质量流量和密度。

在所示实施例中，处理系统203根据两个传感器信号210、211和单个传感器信号相移213来确定流动特性。处理系统203可根据两个传感器信号210、211和单个相移213至少确定相位差和频率。因此，第一或者第二相移传感器信号(例如上游或下游截选信号其中之一)可由根据本发明的处理系统203来处理，以确定流动材料的相位差、频率、时间差(Δt)和/或质量流量。

存储系统204可存储流量计参数和数据、软件例程、常数值和变量值。在一个实施例中，存储系统204包括由处理系统203执行的例程。在一个实施例中，存储系统204存储相移例程212、相位差例程215、频率例程216、时间差(Δt)例程217和流动特性例程218。

在一个实施例中，存储系统204存储用于操作科里奥利流量计5的变量。在一个实施例中，存储系统204存储变量，例如从速度/截选传感器170L和170R接收的第一传感器信号210和第二传感器信号211。另外，存储系统204可存储为了确定流动特性所产生的90度相移213。

在一个实施例中，存储系统204存储从流量测量中得到的一个或多个流动特性。在一个实施例中，存储系统20存储全部根据传感器信号210确定的诸如相位差220、频率221、时间差(Δt)222、质量流量223、密度224和体积225等流动特性。

相移例程212对输入信号、即对传感器信号210执行90度相移。在一个实施例中，相移例程212实现希尔伯特变换(下面进行论述)。

相位差例程215采用单个90度相移213来确定相位差。还可采用附加信息，以计算相位差。在一个实施例中，相位差根据第一传感器信号210、第二传感器信号211和90度相移213来计算。所确定相位差可存储在存储系统204的相位差220中。在根据90度相移213确定时，相位差可远快于现有技术地计算和获得。这可提供具有高流速或者其中出现多相流量的流量计应用中的临界差。另外，相位差可独立于任一个传感器信号210或211的频率来确定。此外，由于相位差独立于频率来确定，因此，相位差中的误差分量不包含频率确定的误差分量，即相位差测量中不存在混合误差。因此，对于现有技术的相位差减小相位差误差。

频率例程216根据90度相移213确定频率(例如第一传感器信号210或者第二传感器信号211所呈现的频率)。所确定频率可存储在存储系统204的频率221中。在根据单个90度相移213确定时，频率可远快于现有技术地计算和获得。这可提供具有高流速或者其中出现多相流量的流量计应用中的临界差。

时间差(Δt)例程217确定第一传感器信号210与第二传感器信号211之间的时间差(Δt)。时间差(Δt)可存储在存储系统204的时间差(Δt)222中。时间差(Δt)实质上包括所确定相位除以所确定频率，因而用来确定质量流量。

流动特性例程218可确定一个或多个流动特性。流动特性例程218例如可采用所确定相位差220和所确定频率差221来实现这些附加流动特性。应当理解，对于这些确定可能需要附加信息，例如质量流量或密度。流动特性例程218可根据时间差(Δt)222、因而根据相位差220和频率221来确定质量流量。在授予Titlow等人的美国专利No.5027662中给出了用于确定质量流量的公式，通过引用将其结合到本文中。质量流量与仪表组件10中的流动材料的质量流量相关。同样，流动特性例程218也可确定密度224和/或体积流量225。所确定质量流量、密度和体积流量可分别存储在存储系统204的质量流量223、密度224和体积225中。另外，流动特性可由仪表电子装置20发送给外部装置。

图3是根据本发明的一个实施例、处理科里奥利流量计中的传感器信号的方法的流程图300。在步骤301，接收第一和第二传感器信号。第一传感器信号可包含上游或下游截选传感器信号。

在步骤302，可调整传感器信号。在一个实施例中，调整的步骤可包括进行滤波以去除噪声和不希望的信号。在一个实施例中，滤波器的步骤可包括集中于科里奥利流量计5的预计基本频率的带通滤波。另外，可执行其它调整操作，例如放大、缓冲等。如果传感器信号包含模拟信号，则该步骤还可包括被执行以产生数字传感器信号的任何方式的抽样、数字化和抽选。

在步骤303，产生单个90度相移。90度相移包括传感器信号的90度相移。90度相移可通过任何方式的相移机制或操作来执行。在一个实施例中，90度相移采用对数字传感器信号进行操作的希尔伯特变换来执行。

在步骤304，采用产生单个90度相移来计算相位差。还可采用附加信息，以计算相位差。在一个实施例中，相位差根据第一传感器信号、第二传感器信号和单个90度相移来计算。相位差包括由于振动仪表组件10中的科里奥利效应而看到的响应信号、即截选传感器的相位差。

在计算中无需任何频率值来确定所得相位差。所得相位差可远比采用频率计算的相位差更快地获得。所得相位差具有比采用频率计算的相位差更高的精度。

在步骤305，计算频率。根据本发明的频率有利地采用90度相移来计算。在一个实施例中，频率采用90度相移以及从其中得出90度相移的对应传感器信号。频率是第一传感器信号和第二传感器信号(两个传感器信号的频率在操作中基本相同)其中之一的振动响应。频率包括流管或多个流管对驱动器180产生的振动的振动频率响应。

这样得出的频率被获得，而无需任何独立的频率参考信号。在远快于现有技术的操作中从单个90度相移获得频率。所得频率具有比现有技术计算的频率更高的精度。

在步骤306，计算流动材料的质量流量。根据步骤304和305计算的所得相位差和所得频率来计算质量流量。另外，质量流量计算还可根据相位差和频率来计算时间差(Δt)，其中的时间差(Δt)最后用来计算质量流量。

在步骤307，可任选地确定密度。密度可确定为流动特性之一，并且例如可根据频率来确定。

在步骤308，可任选地确定体积流量。体积流量可确定为流动特性之一，并且例如可根据质量流量和密度来确定。

图4示出根据本发明的一个实施例的仪表电子装置20。对于与图2一样的元件分配相同的附图标记。

在这个实施例中，仪表电子装置20包括第一传感器信号210和第二传感器信号211。处理系统203处理第一和第二(数字)传感器信号210、211，以根据信号确定一个或多个流动特性。如前所述，一个或多个流动特性可包括流动材料的相位差、频率、时间差(Δt)、质量流量、密度和/或体积流量。

在所示实施例中，处理系统203仅根据两个传感器信号210、211来确定流动特性，而无需任何外部频率测量值以及无需外部频率参考信号。处理系统203可根据两个传感器信号210、211来至少确定相位差和频率。

如前面所述，存储系统204存储相移例程212、相位差例程215、频率例程216、时间差(Δt)例程217和流动特性例程218。存储系统204存储第一传感器信号210和第二传感器信号211。存储系统204还存储从传感器信号产生以确定流动特性的第一90度相移213和第二90度相移。如前面所述，存储系统204存储相位差220、频率221、时间差(Δt)222、质量流量223、密度224和体积流量225。

相移例程212对输入信号、包括对第一传感器信号210和第二传感器信号211执行90度相移。在一个实施例中，相移例程212实现希尔伯特变换(下面进行论述)。

相位差例程215采用第一90度相移213和第二90度相移214来确定相位差。还可采用附加信息，以计算相位差。在一个实施例中，相位差根据第一传感器信号210、第二传感器信号211、第一90度相移212和第二90度相移213来计算。如前所述，所确定的相位差可存储在存储系统204的相位差220中。在采用第一和第二90度相移来确定时，相位差可远快于现有技术地计算和获得。这可提供具有高流量或者其中出现多相流量的流量计应用中的临界差。另外，相位差可独立于传感器信号210和211的频率来确定。此外，由于相位差独立于频率来确定，因此，相位差中的误差分量不会遇到频率确定的误差分量，即相位差测量中不存在混合误差。因此，对于现有技术的相位差减小相位差误差。

频率例程216根据第一90度相移213和第二90度相移214来确定频率(例如第一传感器信号210或者第二传感器信号213所呈现的频率)。如前所述，所确定的频率可存储在存储系统204的频率221中。在根据第一和第二90度相移来确定时，频率可远快于现有技术地计算和获得。这可提供具有高流量或者其中出现多相流量的流量计应用中的临界差。

时间差(Δt)例程217确定第一传感器信号210与第二传感器信号211之间的时间差(Δt)。如前所述，时间差(Δt)可存储在存储系统204的时间差(Δt)222中。时间差(Δt)实质上包括所确定相位除以所确定频率，因而用来确定质量流量。

如前所述，流动特性例程218可确定质量流量、密度和/或体积流量中的一个或多个。

图5是根据本发明的一个实施例、处理科里奥利流量计中的第一和第二传感器信号的方法的流程图500。在步骤501，接收第一传感器信号。在一个实施例中，第一传感器信号包括上游或者下游截选传感器信号。

在步骤502，接收第二传感器信号。在一个实施例中，第二传感器信号包括下游或者上游截选传感器信号(即与第一传感器信号相反)。

在步骤503，可调整传感器信号。在一个实施例中，调整的步骤可包括进行滤波以去除噪声和不希望的信号。在一个实施例中，如前所述，滤波的步骤可包括带通滤波。另外，可执行其它调整操作，例如放大、缓冲等。如果传感器信号包含模拟信号，则该步骤还可包括被执行以产生数字传感器信号的任何方式的抽样、数字化和抽选。

在步骤504，产生第一90度相移。第一90度相移包括第一传感器信号的90度相移。90度相移可通过任何方式的机制或操作来执行。在一个实施例中，90度相移采用对数字传感器信号进行操作的希尔伯特变换来执行。

在步骤505，产生第二90度相移。第二90度相移包括第二传感器信号的90度相移。如同第一90度相移那样，该90度相移可通过任何方式的机制或操作来执行。

在步骤506，采用第一90度相移和第二90相移来计算第一传感器信号与第二传感器信号之间的相位差。还可采用附加信息，以计算相位差。在一个实施例中，相位差根据第一传感器信号、第二传感器信号、第一90度相移和第二90相移来确定。相位差包括由于振动仪表组件10中的科里奥利效应而看到的响应信号、即两个截选传感器的相位差。

在计算中无需任何频率值来确定所得相位差。所得相位差可远比采用频率所计算的相位差更快地获得。所得相位差具有比采用频率所计算的相位差更高的精度。

在步骤507，计算频率。根据本发明的频率有利地根据第一90度相移和第二90度相移来计算。在一个实施例中，频率采用90度相移以及从其中得出90度相移的对应传感器信号。频率是第一传感器信号和第二传感器信号(两个传感器信号的频率在操作中基本相同)其中之一的振动响应。频率包括流管或多个流管对驱动器180产生的振动的振动频率响应。

这样得出的频率被获得，而无需任何独立的频率参考信号。在远快于现有技术的操作中根据90度相移获得频率。所得频率具有比现有技术所计算的频率更高的精度。

在步骤508，计算流动材料的质量流量。根据步骤506和507计算的所得相位差和所得频率来计算质量流量。另外，质量流量计算还可根据相位差和频率来计算时间差(Δt)，其中的时间差(Δt)最后用来计算质量流量。

如前所述，在步骤509，可任选地确定密度。

如前所述，在步骤510，可任选地确定体积流量。

图6是根据本发明的一个实施例的处理系统203的一部分的框图600。图中，块表示处理电路或处理动作/例程。框图600包括第1级滤波器块601、第2级滤波器块602、希尔伯特变换块603和分析块604。LPO和RPO输入包括左截选信号输入和右截选信号输入。LPO或者RPO可包括第一传感器信号。

在一个实施例中，第1级滤波器块601和第2级滤波器块602包括在处理系统203中实现的数字有限脉冲响应(FIR)多相抽选滤波器。这些滤波器提供用于对一个或两个传感器信号进行滤波和抽选的最佳方法，其中的滤波和抽选步骤在相同时间以相同的抽选率来执行。

作为备选的方案，第1级滤波器块601和第2级滤波器块602可包括无限脉冲响应(IIR)滤波器或者其它适当的数字滤波器或滤波过程。但是，应当理解，还可预期其它滤波过程和/或滤波实施例，并且处于描述和权利要求书的范围之内。

图7示出根据本发明的一个实施例的希尔伯特变换块603的细节。在所示实施例中，希尔伯特变换块603包括LPO分支700和RPO分支710。LPO分支700包括与LPO滤波器块702并联的LPO延迟块701。同样，RPO分支包括与RPO滤波器块712并联的RPO延迟块711。LPO延迟块701和RPO延迟块711引入抽样延迟。因此，LPO延迟块701和RPO延迟块711选择在时间顺序上是在由LPO滤波器块702和RPO滤波器块712进行滤波的LPO和RPO数字信号样本之后的LPO和RPO数字信号样本。LPO滤波器块702和RPO滤波器块712对输入数字信号样本执行90度相移。

希尔伯特变换块603是提供相位测量的第一步。希尔伯特变换块603接收经过滤波、抽选的LPO和RPO信号，并执行希尔伯特变换。希尔伯特变换产生LPO和RPO信号的90度相移形式，即，它产生原始同相(I)信号分量的正交(Q)分量。因此，希尔伯特变换块603的输出提供新的正交(Q)分量LPO Q和RPO Q以及原始同相(I)信号分量LPOI和RPO I。

对希尔伯特变换块603的输入可表示为：

LPO＝A_lpocos(ωt)                               (2)

RPO＝A_rpocos(ωt+φ)                             (3)

利用希尔伯特变换，输出变成：

LPO_hilbert＝A_lposin(ωt)                         (4)

RPO_hilbert＝A_rposin(ωt+φ)]                      (5)

将原始项与希尔伯特变换的输出组合，得：

LPO＝A_lpo[cos(ωt)+isin(ωt)]＝A_lpoej(ωt)        (6)

RPO＝A_rpo[cos(ωt+φ)+isin(ωt+φ)]＝A_rpoe^j(ωt+φ)   (7)

图8和图9是根据本发明的一个实施例的分析块604的两个独立分支的框图。分析块604是频率、微分相位和增量T(Δt)测量的最后级。图8是相位部分604a，其中包括从同相(I)和正交(Q)分量中确定相位差的第一分支。图9是从单个传感器信号的同相(I)和正交(Q)分量中确定频率的频率部分604b。如图所示，单个传感器信号可包括LPO信号，或者可包括RPO信号。

在图8的实施例中，分析块604的相位部分604a包括结合块801a和801b、共轭块802、复数乘法块803、滤波器块804和相位角块805。

结合块801a和801b接收传感器信号的同相(I)和正交(Q)两种分量，并将它们继续传递。共轭块802对传感器信号(这里为LPO信号)执行复共轭，并形成虚数信号的负数。复数乘法块803将RPO信号与LPO信号相乘，从而实现下式(8)。滤波器块804实现数字滤波器，例如以上所述的FIR滤波器。滤波器块804可包括多相抽选滤波器，它用于从传感器信号的同相(I)和正交(Q)分量中去除谐波含量以及对该信号进行抽选。可选择滤波器系数，以提供对输入信号的抽选，例如根据10的因子的抽选。相位角块805根据LPO信号和RPO信号的同相(I)和正交(Q)分量来确定相位角。相位角块805实现以下所示的等式(11)。

图8所示的相位部分604a实现下式：

LPO×RPO＝A_lpoe^-j(ωt)×A_Rpoe^j(ωt+φ)＝A_lpo×A_Rpoe^{j(-ωt+ωt+φ)}    (8)

式中，LPO是LPO的复共轭。假定：

A_Rpo＝A_Lpo＝A                                  (9)

则：

LPO×RPO＝A²e^j(φ)＝A²[cos(φ)+isin(φ)]    (10)

所得微分相位角为：

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left[\frac{\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\right]---\left(11\right)$

图9是根据本发明的分析块604的频率部分604b的框图。频率部分604b可对左或右任一个截选信号(LPO或RPO)进行操作。在所示实施例中，频率部分604b包括结合块901、复共轭块902、抽样块903、复数乘法块904、滤波器块905、相位角块906、常数块907和除法块908。

如前所述，结合块901a接收传感器信号的同相(I)和正交(Q)两种分量，并将它们继续传递。共轭块902对传感器信号、这里为LPO信号执行复共轭，并形成虚数信号的负数。延迟块903将抽样延迟引入频率部分604b，因此选择在时间顺序上更早的数字信号样本。在复数乘法块904中将这个更早的数字信号样本与当前数字信号相乘。复数乘法块904将LPO信号与LPO共轭信号相乘，从而实现下式(12)。滤波器块905实现数字滤波器，例如前面所述的FIR滤波器。滤波器块905可包括多相抽选滤波器，它用于从传感器信号的同相(I)和正交(Q)分量中去除谐波含量以及对该信号进行抽选。可选择滤波器系数，以提供对输入信号的抽选，例如根据10的因子的抽选。相位角块906根据LPO信号和RPO信号的同相(I)和正交(Q)分量来确定相位角。相位角块906实现下式(13)的一部分。常数块907提供包含抽样率Fs除以2π的因子，如等式(14)所示。除法块908执行等式(14)的除法操作。

频率部分604b实现下式：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{LPO}}}_{(n-1)}\×{\mathrm{LPO}}_{\left(n\right)}=A_{\mathrm{lpo}}{e}^{-j\left({\mathrm{\ωt}}_{-1}\right)}\×A_{\mathrm{Lpo}}{e}^{j\left(\mathrm{\ωt}\right)}={A^2}_{\mathrm{lpo}}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ωt}}_{-1})}---\left(12\right)$

因此，两个连续样本之间的角度为：

$\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ωt}}_{-1}={\tan }^{-1}\left[\frac{\sin (\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ωt}}_{-1})}{\cos (\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ωt}}_{-1})}\right]---\left(13\right)$

它是左截选的角频率。转换成Hz：

$f_{\mathrm{lpo}}=\frac{(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ωt}}_{-1})\×\mathrm{Fs}}{2\mathrm{\π}}---\left(14\right)$

式中，“Fs”是希尔伯特变换块603的速率。在前面所述的实例中，“Fs”大约为2kHz。

图10是在常规条件下的流量计的截选传感器信号的功率谱密度图。流量计的基本频率是曲线的最高尖峰，并且位于大约135Hz处。该图还示出频率谱中的其它几个大尖峰(第一非基本模式是大约为基本模式的频率的1.5倍的频率上的扭转模式)。这些尖峰包括流量计的谐波频率，并且还包括其它不合需要的传感器模式(即扭转模式、第二弯曲模式等)。

图11示出根据单相移实施例的备选希尔伯特变换块603’。在这个实施例中，希尔伯特变换块603’包括LPO分支1100和RPO分支1110。LPO分支1100包括与滤波器块702并联的延迟块701。在这个实施例中，RPO分支1110仅包括延迟块701。如前所述，延迟块701引入抽样延迟。如前所述，滤波器块702对输入数字信号样本执行90度相移。应当理解，作为备选的方案，希尔伯特变换块603’可能只对RPO信号进行相移。

这个处理实施例仅采用一个传感器信号的希尔伯特变换/相移，以得出频率以及相位差(参见图2-3)。这显著减少了执行相位测量所需的计算量，以及显著减少获得质量流量所需的计算量。

在这个实施例中，希尔伯特变换块603’的输出将提供左或右这两者的任一个但不是两个传感器信号的正交(Q)分量。在以下实例中，LPO信号经过相移。

LPO＝A_lpocos(ωt)                          (26)

RPO＝A_rpocos(ωt+φ)                        (27)

利用希尔伯特变换，输出变成：

LPO_hilbert＝A_lposin(ωt)                   (28)

RPO＝A_rpocos(ωt+φ)                        (29)

将LPO原始项与希尔伯特变换的输出(即与90相移)组合，得：

LPO＝A_lpo[cos(ωt)+isin(ωt)]＝A_lpoe^j(ωt)   (30)

同时，RPO保持相同：

$\mathrm{RPO}=A_{\mathrm{rpo}}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})=A_{\mathrm{rpo}}\left[\frac{e^{j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})}+e^{-j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})}}{2}\right]---\left(31\right)$

图12示出单相移实施例的分析块604a’。在这个实施例中，分析块604a’包括一个结合块801、复数乘法块803、低通滤波器块1201和相位角块805。在这个实施例中，分析块604a’实现下式：

$\mathrm{LPO}\×\mathrm{RPO}=A_{\mathrm{lpo}}{e^{-j\left(\mathrm{\ωt}\right)}\×A}_{\mathrm{rpo}}\left[\frac{e^{j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})}+e^{-j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})}}{2}\right]=\frac{A_{\mathrm{ipo}}\×A_{\mathrm{Rpo}}}{2}[e^{j(-\mathrm{\ωt}+\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})}+e^{j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})}]$

                                            (32)

低通滤波器块1201包括去除由复数乘法块803所产生的高频分量的低通滤波器。低通滤波器块1201可实现任何方式的低通滤波操作。乘法运算的结果产生两个项。(-ωt+ωt+Φ)项组合并简化为只有Φ的相位(DC结果)，因为-(ωt)和(ωt)项相互抵消。(ωt+ωt+Φ)在两倍频率上简化为(2ωt+Φ)项。因为结果为二项之和，所以可去除高频(2ωt+Φ)项。这里唯一受关注的信号是DC项。高频(2ωt+Φ)项可采用低通滤波器从结果中滤除。低通滤波器的截止可能位于零与2ω之间的任何位置。

滤波之后，结果为：

$\mathrm{LPO}\×\mathrm{RPO}=A^2{e}^{j\left(\mathrm{\φ}\right)}\×\frac{A^2}{2}[\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+i\sin \left(\mathrm{\φ}\right)]---\left(33\right)$

因此，微分相位角为：

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left[\frac{\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\right]---\left(34\right)$

通过采取一个而不是两个截选信号的希尔伯特变换，有利地减少了在科里奥利质量流量计中执行相位和频率估算所需的计算负荷。因此，相位和频率可采用两个传感器信号、但仅采用一个90度相移来确定。

图13示出与现有技术相比的本发明的传感器处理，在其中比较每个的时间差(Δt)值。该图示出包括气流(即例如气泡)的流动材料。在这种条件下，由于相位和频率计算的速率，在新的算法中大大降低了流量噪声。从图表中可以看到，通过本发明得出的结果没有显示在现有技术(Δt)测量中反映的大波峰和波谷。

图14示出根据本发明的另一个实施例的仪表电子装置20。如前所述，这个实施例的仪表电子装置20可包括接口201、数字转换器202、处理系统203和存储系统204。如前所述，接口201接收流动材料的振动响应，其中的振动响应至少包括第一传感器信号和第二传感器信号。在这个实施例中，处理系统203配置成接收来自接口201的振动响应，从第一传感器信号产生第一九十度相移，以及至少采用第一传感器信号和第一九十度相移来产生至少一个流动特性。如前所述，第一传感器信号可包括来自仪表组件10的任何截选传感器信号。处理系统203还配置成将至少一个流动特性与至少一个异物分布进行比较，当至少一个流动特性落入异物分布的范围之内时检测振动响应的移位，以及作为检测的结果指示异物情况。

应当理解，这个图中的仪表电子装置20可包括以上所述的其它各种组件和/或例程。对于与其它实施例一样的组件和/或例程分配共同的附图标记。

仪表电子装置20可与仪表组件10进行通信，在其中，仪表组件10可包括至少产生频率响应的任何方式的流量计。在一个实施例中，仪表组件10包括科里奥利流量计。在另一个实施例中，仪表组件10包括振动密度计。

这个实施例的仪表电子装置可存储和运行处理例程。在一个实施例中，处理例程包括振动响应处理例程1401、异物检测例程1402、异物指示例程1403和异物报警例程1404。应当理解，处理系统203可包括其它例程，例如前面所述的例程。

仪表电子装置20可包括变量和工作值。这个实施例的仪表电子装置20包括振动响应1410、一个或多个异物分布1411、异物情况1412、异物报警1413和异物计数1414。应当理解，处理系统203可包括其它变量，例如前面所述的变量。

在操作中，仪表电子装置20处理从仪表组件10(参见图1)接收的振动响应。振动响应可包括由仪表电子装置20基本上连续接收和处理的时变电子信号。振动响应可包括第一和第二传感器信号，例如来自截选传感器170L和170R的信号。仪表电子装置20可处理振动响应，以获得一个或多个流动特性。一个或多个流动特性可包括例如频率响应、传感器信号之间的相位差、密度、质量流量、体积流量等。其它流动特性也被考虑，并且处于说明书和权利要求书的范围之内。包括任何已确定流动特性的振动响应以及另外的驱动增益可由仪表电子装置用来检测流经流量计的流动材料中的异物。

与现有技术相比，在采用上述单或双相移来确定时，可快速获得流动特性。此外，可基本上瞬时地确定流动特性。其它流动特性可采用频率和相位差来确定。流动特性的确定可提供估算的流动特性。接近瞬时的流动特性确定有利地可用于其它确定，例如根据本发明的异物检测。由于可能基本上瞬时地确定流动特性，所以可以快速准确地检测流动材料中的异物。

异物可包括流动材料中的气体/空气和/或气泡。异物可包括流动材料中的外来液体。异物可包括流动材料中的固体。异物可包括两相或多相流动材料。

当异物经过仪表组件10时，流动特性将会改变。当明显的异物通过流量计时，如果异物的密度/比重与流动材料不同，则仪表将遇到频率的瞬时移位以及质量流量对应的瞬时移位。仪表组件10的频率可随流动材料的较低密度(例如当存在残留空气时)而增加。相反，仪表组件10的频率可在存在高密度时(例如当金属片或其它固体通过时)减小。同样，流动材料的密度可用于当密度在特性上减小时检测异物、如空气气泡。对于空气气泡，流量计的频率随较低密度液体而增加，以及质量流量因气泡的低质量而减小。另外，相位差和/或时间延迟可用来检测这类异物。

图15是频率响应对时间的图表，其中，频率流动特性中的向上尖峰表示流动材料中的异物、如空气气泡。这个实例中的流动材料是水。仪表组件10在用作为流动材料的水填充时呈现大约132Hz的共振频率。用空气填充的仪表组件10呈现大约158Hz的共振频率。从这个图表中可以看到，仪表组件10主要用水来填充。但是，如频率尖峰所示，在图表的时间段中，十五个空气气泡经过仪表组件10。各尖峰的宽度大约为100ms，其中，100ms是空气气泡经过仪表组件10所需的时间。平均频率与液体流的平均密度相关。因此，频率的变化可能与多相流动材料流的瞬时密度相关。

图16是时间延迟对时间的图表，其中，时间延迟流动特性中的向下尖峰同样表示流动材料中的异物。平均时间延迟对应于液体流的平均质量流量。注意在空气气泡经过仪表组件10时的时间延迟的变化(即，两个传感器之间的时间延迟减小)。时间延迟的变化可能与多相流动流的瞬时质量流量相关，并且可用来检测流动材料中的异物。

图17示出流动材料中的空气的较小含气率的频率响应对时间。即使含气率比图15中更低，但是流速相同，并且空气气泡经过仪表组件10仍然需要100ms。从图表中可以看到，六个空气气泡已经通过仪表组件10。

图18是水加上残留空气的驱动频率对液体比重(SG)的图表。在图表中，空气的SG的值为0，而水具有1的SG值。从这个图中可以看到，比重可用来区分流动材料和流动材料中的异物。

图19是对于1-7的SG范围的驱动频率对SG的图表。固体具有大于水的SG的比重(即它们具有大于1的SG值)。例如，钢具有大约7的SG。SG＝7的液体的驱动频率通常为大约83Hz。因此，当具有与流动材料不同密度的固体经过仪表时，可由仪表电子装置20检测到的频率变化将会出现。在水作为流动材料以及钢作为异物材料的情况下，仪表在没有异物时以132Hz进行操作。当钢固体经过仪表组件10时，频率流动特性向下朝83Hz移动。

仪表电子装置20随后可设置指示出现异物的异物情况1412。仪表电子装置20随后可设置异物报警1413，它可执行或发起某种方式的异物处理例程、过程或通知。仪表电子装置20随后递增计算所检测异物情况的异物计数1414。下面结合图20的流程图2000更详细地论述异物检测、指示、报警和计数。

应当理解，仪表电子装置20可重复接收和处理振动响应。因此，仪表电子装置20可在关联流量计的操作期间检测异物。当异物经过流量计时，仪表电子装置20随时间基本连续地执行异物指示、报警和计数过程。

振动响应处理例程1401接收振动响应。如前所述，振动响应可包括第一和第二传感器信号，它们反映一个或多个流量导管对施加到流量计上的驱动振动的响应。在一些实施例中，振动响应处理例程1401处理振动响应，以获得流动材料的一个或多个流动特性。一个或多个流动特性可包括频率响应、第一与第二传感器信号之间的相位差、密度、质量流量、体积流量等。频率响应固有地与通过流量计的流动材料的流量相关(如作为所有得出的流动特性)。因此，频率随流量计中的质量流量而改变。频率还随流动材料的密度而改变。例如，在流动材料包含液体的情况下，当流量计中的质量下降以及振动响应暂时较少被流动材料衰减时，经过流量计的残留气体将会使频率瞬间冲到较高的频率值。因此，通过采用快速频率和相位差确定，仪表电子装置20可检测流量中的异物，并且可基本上瞬时地检测到异物。另外，在一些实施例中以及在某些流动条件下，仪表电子装置20可对异物进行量化。

在一个实施例中，异物检测例程1402将振动响应与至少一个异物分布1411进行比较(下面进行论述)。如果振动响应落入异物分布1411的范围之内，则异物检测例程1402确定出现异物。

在一个实施例中，异物指示例程1403设置异物情况1412(下面进行论述)。因此，异物指示例程1403指示异物的出现。在一个实施例中，异物指示例程1403递增异物计数1414。

在一个实施例中，异物报警例程1404设置异物报警1413。异物报警1413可执行或发起任何方式的异物处理例程、过程或通知。

振动响应1410存储从仪表组件10接收的振动响应。振动响应1410可包括任何方式的数据存储，例如循环队列。振动响应1410可包括从仪表组件10接收的模拟电信号的数字表示。振动响应1410可包括电信号的抽样部分。振动响应1410可包括第一和第二传感器信号，并且还可包括根据第一和第二传感器信号得出的流动特性。例如，振动响应1410可包括根据第一和第二传感器信号得出的频率值(即频率近似或估算)。

异物分布1411存储用于检测流动材料中的异物的一个或多个分布。在预期检测多种异物类型的情况下可包含多个异物分布。所存储的异物分布可包括实现异物确定的任何信息。

在一个实施例中，异物分布可包括异物频率分布。异物频率分布可包括高于或低于预计流动材料的频率特性的频率阈值。当振动响应超过异物频率阈值时，确定存在异物。作为备选的方案，在另一个实施例中，异物频率分布可包括频率范围。异物频率范围可包括高于或低于关联流动特性的频率范围。当振动响应处于异物频率范围之内时，确定存在异物。异物频率范围可能是异常(anomalous)材料的相位和成分特定的。例如，异物频率范围可能是特定气体、如原油流量流中的天然气特定的，因此仪表电子装置20可检测到原油中的天然气泡。

在一个实施例中，异物分布可包括异物振幅分布。异物振幅分布可包括异物振幅阈值或异物振幅范围。异物振幅阈值/范围可包括例如密度、质量流量或者时间或相位延迟振幅值。但是，异物振幅阈值/范围可包括其它流动特性。异物振幅阈值/范围可能高于或低于预计流动材料的流动特性。当振动响应超过或落入异物振幅阈值/范围时，确定存在异物。

在一个实施例中，异物分布可包括异物时长分布。时长分布可包括偏离预计流动材料的特性的时长。例如，水中的一种典型空气气泡将在大约100毫秒(ms)中通过仪表组件10。如果频率响应包括时长大约为100ms的频率尖峰，则时长分布可单独用来进行空气气泡异物确定。因此，当关联流动特性在落入时长分布的范围之内的某个时间段从预计流动材料的频率特性得出时，确定存在异物。

在一个实施例中，异物分布可包括上述频率、振幅和时长阈值/范围的一个或多个。例如，对于空气气泡检测，异物分布1411可包括频率阈值/范围以及异物时长分布。根据待检测的异常材料或多种材料，可采用其它组合。在一个实施例中，检测采用模式识别。

异物情况1412可包括指示当前是否出现异物的状态变量。例如，由于仪表电子装置20可快速或者基本上瞬时地确定流动特性，所以异物情况1412可基本上实时地指示异物。在一个实例中，异物情况1412可在空气气泡经过仪表组件10时设置为“真”或“开启”值，否则可设置为“假”。

异物报警1413可包括指示报警条件的状态变量。异物报警1413可在确定出现异物时设置为“真”。异物报警1413可用来发起将在异物期间执行的某种方式的例程、处理或通知。例如，如果在流动材料中检测到固体，则异物报警1413可发起向操作员的异物显示，可发起到另一个装置的异物消息等。

异物计数1414可用来计算异物出现的次数。异物计数1414可计算流动材料中的气体或空气气泡、外来液体块或者固体。异物计数1414可在每次检测到异物时递增。异物计数1414例如可在异物情况1412设置为“真”状态时递增。

图20是根据本发明的一个实施例、用于检测流经流量计的流动材料中的流动异物的方法的流程图2000。在步骤2001，处理振动响应。可处理振动响应，以确定一个或多个流动特性。振动响应例如可包括第一和第二传感器信号。一个或多个流动特性可包括振动响应的频率、包含振动响应的第一与第二传感器信号之间的相位差、密度、质量流量、体积流量、时间延迟等。

在步骤2002，将振动响应与异物分布进行比较。如前所述，异物分布可提供实现许多不同类型的异物的检测的信息。异物分布可规定待检测的气体异物。异物分布可规定待检测的外来液体异物。异物分布可规定待检测的固体异物。

异物分布可包括振幅分布，例如振幅异物阈值或振幅异物范围。振幅分布可包括频率、密度或质量流量的流动特性的分布。

异物分布可包括频率分布，例如可用来确定流动材料中的异物的频率异物阈值或频率异物范围。

异物分布可包括时长分布。按照时长分布，如果振动响应偏离预计响应，则时长分布可指示异物。

异物分布可包括气泡分布，其中包括空气气泡分布。气泡分布可规定指示流动材料中的异物的振幅、频率和/或时间值的任何组合。例如，在一个实施例中，在流动材料为水并且气泡包括空气气泡的情况下，气泡分布可包括高于135Hz的频率的频率阈值以及大约100ms的时长。但是，其它频率阈值和时长也被考虑，并且处于说明书和权利要求书的范围之内。

应当理解，异物分布可包括上述因素的一个或多个。可对于预定流动材料以及针对预计出现在流动材料中的一个或多个预定异物类型来选择或创建异物分布。

在步骤2003，如果振动响应处于异物分布的范围之内，则该方法进入步骤2004；否则，该方法在步骤2004和2005附近产生分支。

在步骤2004，因为振动响应落入异物分布的范围之内，所以检测到振动响应的移位。

在步骤2005，因为发生了移位，所以指示异物。如前面所述，指示可包括多个动作。在一个实施例中，只要检测到异物，则异物情况1412可设置为“真”状态。对于水的流动材料中的空气气泡，空气气泡通常需要大约100ms来经过流量计。在一个实施例中，异物报警1413可设置为“真”，其中，报警状态可执行或发起某种方式的异物处理例程、过程或通知。在一个实施例中，异物计数1414可递增，其中，异物计数1414计算流动条件中的异物出现次数。例如，异物计数1414可计算流动材料中的气体气泡、空气气泡或固体的出现次数。

应当理解，上述方法步骤可重复执行。在连续接收振动响应时，可对它重复进行处理和比较，以及可基本上连续地检测和指示流动材料中的异物。可基本实时地检测和指示任何异物。因此，流程图返回到步骤2001。

可根据实施例的任何一个来采用根据本发明的仪表电子装置和方法，以在必要时提供若干优点。有利的是，通过采用快速频率和相位确定，仪表电子装置20可检测流动中的异物。本发明可快速准确地检测流动异物。本发明可基本上瞬时地检测到异物。在一些实施例中以及在某些流动条件下，本发明可对异物进行量化。

本发明可检测流动材料中的气体气泡。本发明可检测流动材料中的空气气泡。本发明可计算流动材料中的空气气泡。本发明可确定流动材料中的气泡的气泡边界。本发明可检测流动材料中的外来液体。本发明可检测流动材料中的固体。本发明可计算流动材料中的固体。

Claims (45)

1.一种用于检测流经流量计(5)的流动材料中的流动异物的仪表电子装置(20)，所述仪表电子装置(20)包括：

接口(201)，用于接收所述流动材料的振动响应，其中所述振动响应至少包括第一传感器信号和第二传感器信号；以及

处理系统(203)，与所述接口(201)进行通信，并且配置成接收来自所述接口(201)的振动响应，从所述第一传感器信号产生第一九十度相移，并至少采用所述第一传感器信号和所述第一九十度相移来产生至少一个流动特性，在所述至少一个流动特性落入异物分布的范围之内时检测所述振动响应的移位，以及作为所述检测的结果指示异物情况。

2.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述接口(201)包括配置成使所述传感器信号数字化的数字转换器。

3.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述处理系统(203)还配置成重复执行所述接收、产生、比较、检测和指示的步骤。

4.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述流量计(5)包括科里奥利流量计。

5.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述流量计(5)包括振动密度计。

6.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述至少一个流动特性包括频率响应。

7.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述至少一个流动特性包括相位差响应，所述处理系统(203)还配置成采用所述第一九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算所述相位差响应。

8.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述至少一个流动特性包括相位差响应，所述处理系统(203)还配置成从所述第二传感器信号产生第二九十度相移，并采用所述第一九十度相移、第二九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算所述相位差响应。

9.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述至少一个流动特性包括传感器信号时间延迟响应。

10.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述至少一个流动特性包括质量流量响应。

11.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述至少一个流动特性包括密度响应。

12.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述指示的步骤包括指示固体异物。

13.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述指示的步骤包括指示外来液体异物。

14.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述指示的步骤包括指示气体异物。

15.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述指示的步骤包括指示空气气泡异物。

16.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述指示的步骤包括设置异物报警条件。

17.如权利要求1所述的仪表电子装置(20)，其特征在于，所述指示的步骤包括递增异物计数。

18.一种用于检测流经流量计的流动材料中的流动异物的方法，所述方法包括：

接收来自所述流量计的振动响应，所述振动响应至少包括第一传感器信号和第二传感器信号；

从所述第一传感器信号产生第一九十度相移，并至少采用所述第一传感器信号和所述第一九十度相移来产生至少一个流动特性；

将所述至少一个流动特性与至少一个异物分布进行比较；

如果所述至少一个流动特性落入所述异物分布的范围之内，则检测所述振动响应的移位；以及

作为所述检测的结果指示异物情况。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括重复执行所述接收、产生、比较、检测和指示的步骤。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述流量计包括科里奥利流量计。

21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述流量计包括振动密度计。

22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括频率响应。

23.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括相位差响应，所述产生至少一个流动特性的步骤还包括采用所述第一九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算所述相位差响应。

24.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括相位差响应，以及产生所述至少一个流动特性的步骤还包括：

从所述第二传感器信号产生第二九十度相移；以及

采用所述第一九十度相移、第二九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算所述相位差响应。

25.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括传感器信号时间延迟响应。

26.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括质量流量响应。

27.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括密度响应。

28.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述指示的步骤包括指示固体异物。

29.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述指示的步骤包括指示外来液体异物。

30.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述指示的步骤包括指示气体异物。

31.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述指示的步骤包括指示空气气泡异物。

32.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述指示的步骤包括设置异物报警条件。

33.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述指示的步骤包括递增异物计数。

34.一种用于检测流经流量计的流动材料中的流动异物的方法，所述方法包括：

接收来自所述流量计的振动响应，所述振动响应至少包括第一传感器信号和第二传感器信号；

从所述第一传感器信号产生第一九十度相移，并至少采用所述第一传感器信号和所述第一九十度相移来产生至少一个流动特性；

将所述至少一个流动特性与至少一个气体异物分布进行比较；

如果所述至少一个流动特性落入所述气体异物分布的范围之内，则检测所述振动响应的移位；以及

作为所述检测的结果递增气泡计数。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，还包括重复执行所述接收、产生、比较、检测和递增的步骤。

36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述流量计包括科里奥利流量计。

37.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述流量计包括振动密度计。

38.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括频率响应。

39.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括相位差响应，产生所述至少一个流动特性的步骤还包括采用所述第一九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算所述相位差响应。

40.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括相位差响应，以及产生所述至少一个流动特性的步骤还包括：

从所述第二传感器信号产生第二九十度相移；以及

采用所述第一九十度相移、第二九十度相移、第一传感器信号和第二传感器信号来计算所述相位差响应。

41.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括传感器信号时间延迟响应。

42.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括质量流量响应。

43.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述至少一个流动特性还包括密度响应。

44.如权利要求34所述的方法，其特征在于，还包括设置异物报警条件。

45.如权利要求34所述的方法，其特征在于，还包括递增异物计数。

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