CN101268340B - 用于流量计的校验诊断的仪表电子器件和方法 - Google Patents

Abstract

依据本发明的实施例提供用于流量计(5)的仪表电子器件(20)。该仪表电子器件(20)包括用于接收来自流量计(5)的振动响应的接口(201)和与接口(201)通信的处理系统(203)，该振动响应是在基本谐振频率处对流量计(5)的振动的响应。该处理系统(203)被布置成接收来自接口(201)的振动响应，确定振动响应的频率(ω₀)，确定振动响应的响应电压(V)和驱动电流(I)，测量流量计(5)的衰减特性(ζ)，并从频率(ω₀)，响应电压(V)，驱动电流(I)和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)。

Description

用于流量计的校验诊断的仪表电子器件和方法

技术领域

本发明涉及一种用于流量计的校验诊断的仪表电子器件和方法。

背景技术

问题的声明

振动管道传感器，比如科里奥利(Coriolis)质量流量计或振动管密度计，一般通过检测包含流动材料的振动管道的运动来工作。通过处理从与管道相关的运动变换器接收的测量信号可以确定与管道中的材料相关的特性，比如质量流量，密度等。通过包含管道和包含于其中的材料的组合质量，刚度和阻尼特性通常影响振动材料填充系统的振动模式。

振动性流量计的管道可以包括一个或多个流管。流管被迫使在谐振频率处振动，在这种情况中，管的谐振频率成比例于流管中流体的密度。在管的入口和出口部分上被定位的传感器测量管的末端之间的相关振动。在流动过程中，由于科里奥利力，振动管和流动质量耦合在一起，引起管的末端之间振动的相移。该相移直接成比例于质量流。

典型的科里奥利质量流量计包括是管线或其它传输系统和传送材料，例如系统中的流体，泥浆等中的相连内线的一个或多个管道。每一个管道可以被视为具有一组固有振动模式，包括例如简单的弯曲，扭转，径向和耦合模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，当材料流过管道时，以一个或多个振动模式激励管道结构，并且在沿着管道间隔的点处测量管道的运动。通过致动器典型地提供激励，例如电机械装置，比如声音线圈类型驱动器，其以周期性的形式干扰管道。通过测量变换器位置处运动之间的时间延迟或相差可以确定质量流量。典型地采用两个这种传感器(或拾取传感器(pick-off sensor))，从而测量流管道或管道的振动响应，并且典型地在致动器的上游位置和下游位置处被定位。通过电缆，两个拾取传感器被连接至电子设备。该设备接收来自两个拾取传感器的信号，并且处理信号，以便获得质量流量测量。

两个传感器信号之间的相差涉及流过一个流管或多个流管的材料的质量流量。材料的质量流量成比例于两个传感器信号之间的时间延迟，并因此通过使时间延迟和流量校准因数(FCF，Flow CalibrationFactor)相乘可以确定质量流量，在这种情况中，时间延迟包括相差除以频率。FCF反映流管的材料特性和截面特性。在现有技术中，在安装流量计进入管线或其它管道之前，通过校准步骤确定FCF。在校准步骤中，流体以给定的流量通过流管，并且计算相差和流量之间的特性。

科里奥利流量计的一个优点是测量的质量流量的精确度不被流量计的移动部分的磨损所影响。通过使流管的两个点之间的相差乘以流量校准因数确定流量。仅有的输入是来自传感器的正弦信号，表示流管上两点的振荡。从这些正弦信号计算相差。在振动流管中不存在移动部分。因此，相差和流量校准因数的测量不被流量中移动部分的磨损所影响。

FCF可以涉及流量计装置的刚度特性。如果流量计装置的刚度特性改变，然后FCF也改变。改变因此影响通过流量计产生的流测量的精确度。例如通过腐蚀或侵蚀可以引起材料的变化和流管的截面特性的变化。因此，高度期望能够检测和/或量化对于流量计装置的刚度的任何变化，从而保持流量计的高水平的精确度。

发明内容

依据本发明的实施例，提供用于流量计的仪表电子器件。该仪表电子器件包括用于接收来自流量计的振动响应的接口和与接口通信的处理系统。该振动响应包括在基本谐振频率处对流量计的振动的响应。该处理系统被布置成接收来自接口的振动响应，确定振动响应的频率(ω₀)，确定振动响应的响应电压(V)和驱动电流(I)，测量流量计的衰减特性(ζ)，并从频率(ω₀)，响应电压(V)，驱动电流(I)和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)。

依据本发明的实施例，提供一种用于确定流量计的刚度参数(K)的方法。该方法包括接收来自流量计的振动响应。该振动响应包括在基本谐振频率处对流量计的振动的响应。该方法进一步包括确定振动响应的频率(ω₀)，确定振动响应的响应电压(V)和驱动电流(I)，以及测量流量计的衰减特性(ζ)。该方法进一步包括从频率(ω₀)，响应电压(V)，驱动电流(I)和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)。

依据本发明的实施例，提供一种用于确定流量计的刚度变化(ΔK)的方法。该方法包括接收来自流量计的振动响应。该振动响应包括在基本谐振频率处对流量计的振动的响应。该方法进一步包括确定振动响应的频率(ω₀)，确定振动响应的响应电压(V)和驱动电流(I)，以及测量流量计的衰减特性(ζ)。该方法进一步包括从频率(ω₀)，响应电压(V)，驱动电流(I)和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)。该方法进一步包括在第二时间t₂处接收来自流量计的第二振动响应，从第二振动响应产生第二刚度特性(K₂)，比较第二刚度特性(K₂)与刚度参数(K)，以及如果第二刚度特性(K₂)和刚度参数(K)的不同大于预定公差，则检测刚度变化(ΔK)。

依据本发明的实施例，提供用于流量计的仪表电子器件。该仪表电子器件包括用于接收来自流量计的三个或更多个振动响应的接口。该三个或更多个振动响应包括基本基频响应和两个或更多个非基频响应。该仪表电子器件进一步包括与接口通信的处理系统，并且该处理系统被布置成接收来自接口的三个或更多个振动响应，从该三个或更多个振动响应产生极点-残数频率响应函数，并从极点-残数频率响应函数确定至少一个刚度参数(K)。

依据本发明的实施例，提供一种用于确定流量计的刚度变化(ΔK)的方法。该方法包括接收三个或更多个振动响应，该三个或更多个振动响应包括基本基频响应和两个或更多个非基频响应。该方法进一步包括从该三个或更多个振动响应产生极点-残数频率响应函数，以及从极点-残数频率响应函数确定至少一个刚度参数(K)。

依据本发明的实施例，提供一种用于确定流量计的刚度参数(K)的方法。该方法包括接收三个或更多个振动响应，该三个或更多个振动响应包括基本基频响应和两个或更多个非基频响应。该方法进一步包括从该三个或更多个振动响应产生极点-残数频率响应函数以及从极点-残数频率响应函数确定至少一个刚度参数(K)。该方法进一步包括在第二时间t₂处接收来自流量计的第二组三个或更多个振动响应，从该第二组三个或更多个振动响应产生第二刚度特性(K₂)，比较第二刚度特性(K₂)与刚度参数(K)，以及如果第二刚度特性(K₂)与刚度参数(K)的不同大于预定公差，则检测刚度变化(ΔK)。

本发明的各个方面

在仪表电子器件的一个方面中，测量衰减特性(ζ)进一步包括允许流量计的振动响应向下衰减至预定振动目标。

在仪表电子器件的另一方面中，处理系统被进一步布置成通过去除流量计的激励，以及在测量衰减特性的同时允许流量计的振动响应向下衰减至预定振动目标来测量衰减特性(ζ)。

在仪表电子器件的另一方面中，刚度参数(K)包括K＝(I*BL_PO*BL_DR*ω₀)/2ζV。

在该方法的一个方面中，测量衰减特性(ζ)进一步包括允许流量计的振动响应向下衰减至预定振动目标。

在该方法的另一方面中，测量衰减特性(ζ)进一步包括去除流量计的激励，以及在测量衰减特性的同时允许流量计的振动响应向下衰减至预定振动目标。

在该方法的另一方面中，刚度参数(K)包括K＝(I*BL_PO*BL_DR*ω₀)/2ζV。

在该方法的另一方面中，从第二振动响应产生第二刚度特性(K₂)包括从第二频率，第二响应电压，第二驱动电流和第二阻尼特性产生第二刚度特性(K₂)。

在该方法的另一方面中，该方法进一步包括如果第二刚度参数(K₂)和刚度参数(K)的不同大于预定刚度公差，则检测刚度变化(ΔK)。

在该方法的另一方面中，该方法进一步包括从K₂和K的比较来量化刚度变化(ΔK)。

在仪表电子器件的一个实施例中，处理系统被进一步布置成从极点-残数频率响应函数确定阻尼参数(C)。

在仪表电子器件的另一实施例中，处理系统被进一步布置成从极点-残数频率响应函数确定质量参数(M)。

在仪表电子器件的另一实施例中，处理系统被进一步布置成从极点-残数频率响应函数计算极点(λ)，左残数(R_L)和右残数(R_R)。

在仪表电子器件的另一实施例中，该三个或更多个振动响应包括高于基频响应的至少一个音调(tone)和低于基频响应的至少一个音调。

在仪表电子器件的另一实施例中，该三个或更多个振动响应包括高于基频响应的至少两个音调和低于基频响应的至少两个音调。

在仪表电子器件的另一实施例中，极点-残数频率响应函数包括一阶极点-残数频率响应函数。

在仪表电子器件的另一实施例中，极点-残数频率响应函数包括一阶极点-残数频率响应函数，该一阶极点-残数频率响应函数包括

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=R/(\mathrm{j\ω}-\mathrm{\λ})+\stackrel{\‾}{R}/(\mathrm{j\ω}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}).$

在仪表电子器件的另一实施例中，极点-残数频率响应函数包括一阶极点-残数频率响应函数，该一阶极点-残数频率响应函数包括

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=R/(\mathrm{j\ω}-\mathrm{\λ})+\stackrel{\‾}{R}/(\mathrm{j\ω}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}),$ 并且其中依据等式M＝1/2jRω_d，K＝(ω_n)²M和C＝2ζω_nM确定刚度参数(K)，阻尼参数(C)和质量参数(M)。

在仪表电子器件的另一实施例中，极点-残数频率响应函数包括二阶极点-残数频率响应函数。

在仪表电子器件的另一实施例中，极点-残数频率响应函数包括二阶极点-残数频率响应函数，该二阶极点-残数频率响应函数包括

$\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\stackrel{\·}{X}\left(\mathrm{\ω}\right)}{F\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{\mathrm{j\ω}}{-M{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{jC\ω}+K}.$

在仪表电子器件的另一实施例中，极点-残数频率响应函数包括二阶极点-残数频率响应函数，该二阶极点-残数频率响应函数包括

$\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\stackrel{\·}{X}\left(\mathrm{\ω}\right)}{F\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{\mathrm{j\ω}}{-M{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{jC\ω}+K},$ 并且其中依据 $K=\left({\left({\mathrm{\ω}}_n\right)}^2\mathrm{\ω}\mathrm{Im}\right[\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)]/({\left({\mathrm{\ω}}_n\right)}^2-{\mathrm{\ω}}^2){\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2)$

确定刚度参数(K)，依据M＝K/(ω_n)²确定质量参数(M)，以及依据 $C=\mathrm{Re}\left[\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]/{\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2$ 确定阻尼参数(C)。

在该方法的一个实施例中，所述确定包括从极点-残数频率响应函数进一步确定阻尼参数(C)。

在该方法的另一个实施例中，所述确定包括从极点-残数频率响应函数进一步确定质量参数(M)。

在该方法的另一个实施例中，所述确定进一步包括从极点-残数频率响应函数计算极点(λ)，左残数(R_L)和右残数(R_R)。

在该方法的另一个实施例中，该三个或更多个振动响应包括高于基频响应的至少一个音调和低于基频响应的至少一个音调。

在该方法的另一个实施例中，该三个或更多个振动响应包括高于基频响应的至少两个音调和低于基频响应的至少两个音调。

在该方法的另一个实施例中，极点-残数频率响应函数包括一阶极点-残数频率响应函数。

在该方法的另一个实施例中，极点-残数频率响应函数包括一阶极点-残数频率响应函数，该一阶极点-残数频率响应函数包括

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=R/(\mathrm{j\ω}-\mathrm{\λ})+\stackrel{\‾}{R}/(\mathrm{j\ω}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}).$

在该方法的另一个实施例中，极点-残数频率响应函数包括一阶极点-残数频率响应函数，该一阶极点-残数频率响应函数包括

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=R/(\mathrm{j\ω}-\mathrm{\λ})+\stackrel{\‾}{R}/(\mathrm{j\ω}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}),$ 并且其中依据等式M＝1/2jRω_d，K＝(ω_n)²M和C＝2ζω_nM确定刚度参数(K)，阻尼参数(C)和质量参数(M)。

在该方法的另一个实施例中，极点-残数频率响应函数包括二阶极点-残数频率响应函数。

在该方法的另一个实施例中，极点-残数频率响应函数包括二阶极点-残数频率响应函数，该二阶极点-残数频率响应函数包括

$\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\stackrel{\·}{X}\left(\mathrm{\ω}\right)}{F\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{\mathrm{j\ω}}{-M{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{jC\ω}+K}.$

在该方法的另一个实施例中，极点-残数频率响应函数包括二阶极点-残数频率响应函数，该二阶极点-残数频率响应函数包括

$\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\stackrel{\·}{X}\left(\mathrm{\ω}\right)}{F\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{\mathrm{j\ω}}{-M{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{jC\ω}+K},$ 并且其中依据 $K=\left({\left({\mathrm{\ω}}_n\right)}^2\mathrm{\ω}\mathrm{Im}\right[\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)]/({\left({\mathrm{\ω}}_n\right)}^2-{\mathrm{\ω}}^2){\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2)$

确定刚度参数(K)，依据M＝K/(ω_n)²确定质量参数(M)，以及依据 $C=\mathrm{Re}\left[\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]/{\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2$ 确定阻尼参数(C)。

在该方法的另一个实施例中，该方法进一步包括如果第二刚度特性(K₂)与刚度参数(K)的不同大于预定刚度公差，则检测刚度变化(ΔK)。

在该方法的另一个实施例中，该方法进一步包括从K与K₂的比较来量化刚度变化(ΔK)。

附图说明

相同的参考数字表示全部附图上相同的元件。

图1示出了包括仪表组件和仪表电子器件的流量计；

图2示出了依据本发明的实施例的仪表电子器件；

图3是依据本发明的实施例用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图；

图4是依据本发明的实施例用于确定流量计的刚度变化(ΔK)的方法的流程图

图5示出了依据本发明的另一实施例的仪表电子器件；

图6是依据本发明的实施例用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图；

图7示出了依据本发明的实施例的极点(λ)和残数(R)求解的实施方式；

图8是示出依据本发明的实施例的M，C和K系统参数的计算的方块图；

图9示出了依据本发明的实施例的整体的基于FRF的刚度估算系统；

图10是依据本发明的实施例用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图；

图11示出了依据本发明的实施例从方程(29)对二阶极点-残数响应的M，C和K求解的实施方式；

图12示出了依据本发明的实施例的整体的基于FRF的刚度估算系统。

具体实施方式

图1-12和下面的说明描述了具体的例子，以便教导本领域技术人员如何获得和利用本发明的最佳模式。为了教导发明原理，已经简化和省略了一些传统方面。本领域技术人员可以理解落入本发明的范围的来自这些例子的变形。本领域技术人员可以理解可以以多种方式组合在下面所述的特征，以便形成本发明的多个变形。结果，本发明不局限于下面所述的具体例子，而是仅通过权利要求和它们的等价物来限定。

图1示出了包括仪表组件10和仪表电子器件20的科里奥利流量计5。仪表组件10响应加工材料的质量流量和密度。经由引线100，仪表电子器件20被连接至仪表组件10，以便通过路径26提供密度、质量流量和温度信息，以及不与本发明相关的其它信息。描述了一种科里奥利流量计结构，然而对本领域技术人员来说明显的是，本发明可以被实践为没有通过科里奥利质量流量计提供的附加测量能力的振动管密度计。

仪表组件10包括一对歧管150和150′，具有法兰颈部110和110′的法兰(flange)103和103′，一对平行的流管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′具有两个基本直的入口腿(leg)131和131′和出口腿134和134′，其在流管装配块120和120′处朝向彼此收敛。流管130和130′在沿着它们的长度的两个对称位置处弯曲并且贯穿它们的整个长度基本平行。斜拉杆140和140′用于限定轴W和W′，每一个流管围绕该轴振动。

流管130和130′的侧腿131，131′和134，134′固定地附着至流管装配块120和120′，并且这些块又固定地附着至歧管150和150′。这提供了通过科里奥利仪表组件10的连续的封闭材料路径。

当连接具有孔102，102′的法兰103和103′时，经由入口端104和出口端104′，进入生产线(未示出)，该生产线运载被测量的加工材料，通过法兰103中的孔101，材料进入流量计的末端104，通过歧管150被引导至具有表面121的流管装配块120。在歧管150内部，通过流管130和130′，材料被分开和路由(route)。基于当前的流管130和130′，加工材料在歧管150′中以单独流被重新组合，并且其后被路由至通过具有螺栓孔102′的法兰103′被连接至生产线(未示出)的出口端104′。

流管130和130′被选择和合适地装配至流管装配块120和120′，从而分别具有基本相同的质量分布，围绕弯曲轴W-W和W′-W′的惯性矩和杨氏模量。这些弯曲轴通过斜拉杆140和140′。由于流管的杨氏模量随着温度改变，并且该改变影响流量和密度的计算，因此电阻式温度检测器(RTD)190被装配至流管130′，以便连续地测量流管的温度。流管的温度和由此对于通过那里的给定电流跨越RTD显现的电压被通过流管的材料的温度支配。跨越RTD显现的取决于温度的电压在公知方法中被仪表电子器件20用于补偿由于流管温度的任何变化导致的流管130和130′的弹性模量的变化。通过引线195，该RTD被连接至仪表电子器件20。

在围绕它们的各个弯曲轴W-W和W′-W′的相对方向上并且在称为流量计的第一异相弯曲模式下，通过驱动器180驱动两个流管130和130′。该驱动机构180可以包括多个公知布置的任何一个，比如装配至流管130′的磁体，以及装配至流管130的相对线圈，并且为了振动两个流管，交流电通过所述布置。经由引线185，通过仪表电子器件20施加合适的驱动信号至驱动机构180。

仪表电子器件20在引线195上接收RTD温度信号，并且左和右速度信号分别在引线165L和165R上显现。仪表电子器件20产生在引线185上显现的驱动信号，以便驱动元件180和振动管130和130′。仪表电子器件20处理左和右速度信号和RTD信号，以便计算通过仪表组件10的质量流量和密度。在路径26上通过仪表电子器件20将该信息与其它信息一起施加至利用装置29。

图2示出了依据本发明的实施例的仪表电子器件20。仪表电子器件20可以包括接口201和处理系统203。仪表电子器件20接收比如来自仪表组件10的振动响应210。仪表电子器件20处理振动响应210，从而获得流过仪表组件10的流材的流动特性。此外，在依据本发明的仪表电子器件20中，振动响应210也被处理，从而确定仪表组件10的刚度参数(K)。此外，仪表电子器件20可以随着时间的变化处理两个或更多个这种振动响应，从而检测仪表组件10中的刚度变化(ΔK)。在流动或非流动条件下可以进行刚度确定。非流动确定可以在得到的振动响应中提供减小的噪声电平的优点。

如之前讨论的，流量校准因数(FCF)反映材料特性和流管的截面特性。通过将测量的时间延迟(或相差/频率)与FCF相乘确定流过流量计的流材料的质量流量。该FCF可以涉及仪表组件的刚度特性。如果仪表组件的刚度特性改变，那么FCF也改变。流量计的刚度的改变将因此影响通过流量计产生的流测量的精确度。

本发明是有意义的，因为它允许仪表电子器件20在场中执行刚度确定，而不执行实际的流校准测试。它允许没有校准试验台或者其他具体设备或具体流体的刚度确定。这是期望的，因为在场中执行流校准是昂贵、困难和消耗时间的。然而，更好和更容易的校准检查是期望的，因为仪表组件10的刚度可以随着时间改变。这种改变可能是由于比如流管的腐蚀，流管的侵蚀以及对仪表组件10的损坏的因素导致的。

利用数学模型可以表述本发明。通过开环，二阶驱动模型可以表示流量计的振动响应，包括：

$M\stackrel{\·}{x}+C\stackrel{\·}{x}+\mathrm{Kx}=f---\left(1\right)$

其中，f是施加至该系统的力，M是系统的质量，C是阻尼特性，并且K是系统的刚度特性。项K包括K＝M(ω₀)²，并且项C包括C＝M2ζω₀，其中ζ包括延迟特性，以及ω₀＝2πf₀，其中f₀是以Hz为单位的仪表组件10的固有/谐振频率。此外，x是振动的物理位移距离，

是流管位移的速度，并且x是加速度。这通常被称作MCK模型。该公式可被重新设置成以下形式：

$M=[s^2+2{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2]x=f---\left(2\right)$

方程(2)可以被进一步处理成传递函数形式。以传递函数形式，使用力上位移项，包括：

$\frac{x}{f}=\frac{s}{M[s^2+2{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2]}---\left(3\right)$

公知的磁性方程可以用于简化方程(3)。两个可适用的方程是：

$V=B{L}_{\mathrm{PO}}*\stackrel{\·}{x}---\left(4\right)$

以及

f＝BL_DR*I                                           (5)

方程(4)的传感器电压V_BMF(在拾取传感器170L或170R处)等于拾取灵敏度因数BL_PO乘以运动的拾取速度

对于每一拾取传感器，通常已知或测量拾取灵敏度因数BL_PO。通过方程(5)的驱动器180产生的力(f)等于驱动器灵敏度因数BL_DR乘以被供给至驱动器180的驱动电流(I)。通常已知或测量驱动器180的驱动器灵敏度因数BL_DR。因数BL_PO和BL_DR都是温度的函数，并且可被温度测量校正。

通过将磁性方程(4)和(5)代入方程(3)的传递函数，结果是：

$\frac{V}{I}=\frac{{\mathrm{BL}}_{\mathrm{PO}}*{\mathrm{BL}}_{\mathrm{DR}}*s}{M[s^2+{2\mathrm{\ζ\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2]}---\left(6\right)$

如果仪表组件10在谐振上被驱动成开环，也就是在谐振/固有频率ω₀处(其中ω₀＝2πf₀)，则方程(6)可被重新写成：

${\left(\frac{V}{I}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{{\mathrm{BL}}_{\mathrm{PO}}*{\mathrm{BL}}_{\mathrm{DR}}*{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{\ζ}\left[M{\mathrm{\ω}}_0^2\right]}---\left(7\right)$

通过替代刚度，方程(7)被简化成：

${\left(\frac{V}{I}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{{\mathrm{BL}}_{\mathrm{PO}}*{\mathrm{BL}}_{\mathrm{DR}}*{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{\ζK}}---\left(8\right)$

在这里，刚度参数(K)可被分离，从而获得：

$K=\frac{I*{\mathrm{BL}}_{\mathrm{PO}}*{\mathrm{BL}}_{\mathrm{DR}}*{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{\ζV}}---\left(9\right)$

结果，通过测量/量化衰减特性(ζ)以及驱动电压(V)和驱动电流(I)，可以确定刚度参数(K)。由振动响应和驱动电流(I)可以确定来自拾取的响应电压(V)。在下面结合图3更详细地讨论确定刚度参数(K)的步骤。

在使用中，可以随时间跟踪刚度参数(K)。例如，统计技术可以用于确定随时间的任何变化(也就是刚度参数(K))。刚度参数(K)的统计变化可以表示对于具体的流量计，FCT已改变。

本发明提供一种不依赖被存储或恢复的校准密度值的刚度参数(K)。这与现有技术形成对比，其中已知的流材料用于工厂校准操作，以便获得可以用于全部将来校准操作的密度标准。本发明提供一种仅从流量计的振动响应单独获得的刚度参数(K)。本发明提供一种不需要工厂校准步骤的刚度检测/校准方法。

经由图1的引线100，接口201从速度传感器170L和170R中的一个接收振动响应210。接口201可以执行任何必须或期望的信号条件，比如任何方式的格式化、放大、缓冲等。可替代地，在处理系统203中可以执行信号条件的一些或全部。此外，接口201可以允许仪表电子器件20和外部装置之间的通信。接口201能够进行电、光或无线通信中的任何一种。

在一个实施例中接口201与数字化器(未示出)耦合，其中传感器信号包括模拟传感器信号。该数字化器采样和数字化模拟振动响应，并产生数字振动响应210。

处理系统203管理仪表电子器件20的操作，并且处理来自仪表组件10的流测量。处理系统203执行一个或多个处理程序，并因此处理流测量，从而产生一个或多个流特性。

处理系统203可以包括通用计算机，微处理系统，逻辑电路或一些其它通用或定制的处理装置。可以在多个处理装置中分布处理系统203。处理系统203可以包括任何方式的整体式或独立的电子存储介质，比如存储系统204。

存储系统204可以存储流量计参数和数据，软件程序，常量和变量。在一个实施例中，存储系统204包括通过处理系统203执行的程序，比如确定流量计5的刚度参数(K)的刚度程序230。

在一个实施例中刚度程序230可以布置处理系统203成接收来自流量计的振动响应，该振动响应包括在基本谐振频率处对流量计的振动的响应，确定振动响应的频率(ω₀)，确定振动响应的响应电压(V)和驱动电流(I)，测量流量计的衰减特性(ζ)，并从频率(ω₀)，响应电压(V)，驱动电流(I)和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)(见图3和相关讨论)。

在一个实施例中刚度程序230可以布置处理系统203成接收振动响应，确定频率，确定响应电压(V)和驱动电流(I)，测量衰减特性(ζ)和确定刚度参数(K)。在该实施例中刚度程序230进一步布置处理系统203成在第二时间t₂处接收来自流量计的振动响应，对第二振动响应重复确定和测量步骤，从而产生第二刚度特性(K₂)，比较第二刚度特性(K₂)与刚度参数(K)，并且如果第二刚度特性(K₂)与刚度参数(K)的不同大于公差224，则检测刚度变化(ΔK)(见图4和相关讨论)。

在一个实施例中，存储系统204存储用于操作流量计5的变量。在一个实施例中的存储系统204存储变量，比如振动响应210，例如其可以从速度/拾取传感器170L和170R接收。

在一个实施例中，存储系统204存储常量，系数和工作变量。例如，存储系统204可以存储确定的刚度特性220和在随后的时间点处产生的第二刚度特性221。存储系统204可以存储工作值，比如振动响应210的频率212，振动响应210的电压213以及振动响应210的驱动电流214。存储系统204可以进一步存储流量计5的振动目标226和测量的衰减特性215。此外，存储系统204可以存储常量，阈值或范围，比如公差224。此外，存储系统204可以存储随时间周期累积的数据，比如刚度变化228。

图3是依据本发明的实施例用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图300。在步骤301中，从流量计接收振动响应。该振动响应是流量计对基本谐振频率处的振动的响应。该振动可以是连续或间歇的。流材料可以流过仪表组件10，或者可以是稳定的。

在步骤302中，确定振动响应的频率。通过任何方法，步骤或硬件，从振动响应可以确定频率ω₀。

在步骤303中，确定振动响应的电压(V或V_BMF)，以及驱动电流(I)。从未被处理或被调节的振动响应可以获得该电压和驱动电流。

在步骤304中，测量流量计的阻尼特性。通过允许流量计的振动响应向下衰减至振动目标来测量阻尼特性，同时测量衰减特性。可以以几种方式执行该衰减作用。可以减小驱动信号振幅，驱动器180实际上可以执行仪表组件10的制动(在合适的流量计中)，或者驱动器180可被仅仅提升功率直至达到目标为止。在一个实施例中，振动目标包括驱动设置点中减小的电平。例如，如果驱动设置点当前在3.4mV/Hz处，那么对于阻尼测量，驱动设置点可被减小至较低值，比如2.5mV/Hz。以这种方式，仪表电子器件20可以让仪表组件10简单地滑行直至振动响应基本上匹配该新的驱动目标为止。

在步骤305中，从频率，电压，驱动电流和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)。依据上面的方程(9)可以确定刚度参数(K)。除了确定和跟踪刚度(K)之外，该方法也确定和跟踪阻尼参数(C)和质量参数(M)。

可以迭代、周期性地或随机执行该方法300。可以在预定界标(landmark)处执行该方法，比如在操作的预定小时处，在流材料变化时，等等。

图4是依据本发明的实施例用于确定流量计的刚度变化(ΔK)的方法的流程图400。在步骤401中，从流量计接收振动响应，如之前讨论的。

在步骤402中，确定振动响应的频率，如之前讨论的。

在步骤403中，确定振动响应的电压和驱动电流，如之前讨论的。

在步骤404中，测量流量计的衰减特性(ζ)，如之前讨论的。

在步骤405中，从频率，电压，驱动电流和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)，如之前讨论的。

在步骤406中，在第二时间t₂处接收第二振动响应。在时间t₂处从仪表组件10的振动产生第二振动响应。

在步骤407中，从第二振动响应产生第二刚度特性K₂。例如，利用步骤401至405可以产生第二刚度特性K₂。

在步骤408中，第二刚度特性K₂与刚度参数(K)做比较。该比较包括在不同时间处获得的刚度特性的比较以便检测刚度变化(ΔK)。

在步骤409中，确定K₂和K之间的任何刚度变化(ΔK)。该刚度变化确定可以采用用于确定刚度的显著变化的任何方式的统计或数学方法。该刚度变化(ΔK)可被存储，以用于将来用途和/或被传送至远程位置。此外，该刚度变化(ΔK)可以触发仪表电子器件20中的报警条件。在一个实施例中的刚度变化(ΔK)首先被与公差224作比较。如果刚度变化(ΔK)超过公差224，则确定误差情况。除了确定和跟踪刚度(K)之外，该方法也确定和跟踪阻尼参数(C)和质量参数(M)。

可以迭代、周期性地或随机执行该方法400。可以在预定界标处执行该方法，比如在操作的预定小时处，在流材料变化时，等等。

图5示出了依据本发明的另一实施例的仪表电子器件20。在该实施例中仪表电子器件20可以包括接口201，处理系统203和存储系统204，如先前讨论的。仪表电子器件20比如从仪表组件10接收三个或更多个振动响应505。该仪表电子器件20处理该三个或更多个振动响应505，从而获得流过仪表组件10的流材料的流特性。此外，该三个或更多个振动响应505也可被处理以确定仪表组件10的刚度参数(K)。仪表电子器件20可以进一步从该三个或更多个振动响应505确定阻尼参数(C)和质量参数(M)。这些仪表组件参数可以用于检测仪表组件10的变化，如之前讨论的。

存储系统204可以存储处理程序，比如刚度程序506。存储系统204可以存储接收数据，比如振动响应505。存储系统204可以存储预先编程的或用户输入的值，比如刚度公差516，阻尼公差517以及质量公差518。存储系统204可以存储工作值，比如极点(pole)(λ)508和残数(residue)(R)509。存储系统204可以存储确定的终值，比如刚度(K)510，阻尼(C)511和质量(M)512。该存储系统204可以存储随时间周期产生和操作的比较值，比如第二刚度(K₂)521，第二质量(M₂)522，刚度变化(ΔK)530，阻尼变化(ΔC)531，以及质量变化(ΔM)532。刚度变化(ΔK)530可以包括如随时间测量的仪表组件10的刚度参数(K)的变化。刚度变化(ΔK)530可被用于检测和确定随时间的仪表组件10的物理变化，比如腐蚀和侵蚀效应。此外，可以随时间测量和跟踪仪表组件10的质量参数(M)512，并将其存储于质量变化(ΔM)532中，以及可以随时间测量阻尼参数(C)511，并将其存储于阻尼变化(ΔC)531中。质量变化(ΔM)532可以表示仪表组件10中流材料的增加的存在，并且阻尼变化(ΔC)531可以表示流管的变化，包括材料退化，侵蚀和腐蚀，破裂等。

在操作中，仪表电子器件20接收三个或更多个振动响应505，并利用刚度程序506处理振动响应505。在一个实施例中，该三个或更多个振动响应505包括五个振动响应505，如将在下面讨论的。仪表电子器件20从振动响应505确定极点(λ)508和残数(R)509。极点(λ)508和残数(R)509可以包括一阶极点和残数，或者可以包括二阶极点和残数。仪表电子器件20从极点(λ)508和残数(R)509确定刚度参数(K)510，阻尼参数(C)511和质量参数(M)512。仪表电子器件20可以进一步确定第二刚度(K₂)520，可以确定刚度变化(ΔK)530，从刚度参数(K)510和第二刚度(K₂)520可以确定刚度变化(ΔK)530，并且可以比较刚度变化(ΔK)530和刚度公差516。如果刚度变化(ΔK)530超过刚度公差516，则仪表电子器件20可以初始化任何方式的误差记录和/或误差处理程序。同样，仪表电子器件20可以进一步随时间跟踪阻尼和质量参数，并且可以确定和记录第二阻尼(C₂)521和第二质量(M₂)，以及得到的阻尼变化(ΔC)531和质量变化(ΔM)532。阻尼变化(ΔC)531和质量变化(ΔM)532可以同样地被与阻尼公差517和质量公差518进行比较。

利用数学模型可以描述本发明。通过开环，二阶驱动模型可以表示流量计的振动响应，包括：

$M\stackrel{\·}{x}+C\stackrel{\·}{x}+\mathrm{Kx}=f\left(t\right)---\left(10\right)$

其中f是施加至系统的力，M是系统的质量参数，C是阻尼参数，并且K是刚度参数。项K包括K＝M(ω₀)2，并且项C包括C＝M2ζω₀，其中ω₀＝2πf₀，并且f₀是以Hz为单位的仪表组件10的谐振频率。项ζ包括从振动响应获得的衰减特性测量，如之前讨论的。此外，x是振动的物理位移距离，

是流管位移的速度，并且

是加速度。这通常被称作MCK模型。该公式可被重新布置成下面的形式：

$({\mathrm{ms}}^2+\mathrm{cs}+k)X\left(s\right)=F\left(s\right)+(\mathrm{ms}+c)x\left(0\right)+m\stackrel{\·}{x}\left(0\right)---\left(11\right)$

方程(11)可以被进一步处理成传递函数形式，同时忽略初始条件。结果是：

进一步的处理可以变换方程(12)成一阶极点-残数频率响应函数形式，包括：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{R}{(\mathrm{j\ω}-\mathrm{\λ})}+\frac{\stackrel{\‾}{R}}{(\mathrm{j\ω}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}})}---\left(13\right)$

其中λ是极点，R是残数，项(j)包括-1的平方根，并且ω是圆形激励频率(以弧度每秒为单位)。

该系统参数包括通过极点限定的固有/谐振频率(ω_n)，阻尼固有频率(ω_d)和衰减特性(ζ)。

ω_n＝|λ|                                    (14)

ω_d＝imag(λ)                                (15)

$\mathrm{\ζ}=\frac{\mathrm{real}\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{\ω}}_n}---\left(16\right)$

从极点和残数可以获得系统的刚度参数(K)，阻尼参数(C)和质量参数(M)。

$M=\frac{1}{2\mathrm{jR}{\mathrm{\ω}}_d}---\left(17\right)$

$K={\mathrm{\ω}}_n^{2}M---\left(18\right)$

C＝2ζω_nM                                   (19)

因此，根据极点(λ)和残数(R)的好的估算可以计算刚度参数(K)，阻尼参数(C)和质量参数(M)。

从测量的频率响应函数可以估算极点和残数。利用某一方式的直接或迭代计算方法可以估算极点(λ)和残数(R)。

驱动频率附近的响应主要由方程(13)的第一项构成，复共扼项仅分担响应的小的、近似常数的“剩余”部分。结果，方程(13)可被简化成：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{R}{(\mathrm{j\ω}-\mathrm{\λ})}---\left(20\right)$

在方程(20)中，H(ω)项是测量的频率响应函数(FRF)，其从该三个或更多个振动响应获得。在该推导中，H由位移输出除以力输入构成。然而，在科里奥利流量计的音圈拾取典型的情况下，测量的FRF(也就是

项)依据速度除以力。因此，方程(20)可被变换成下面的形式：

$\stackrel{\·}{H}\mathrm{\ω}=H\left(\mathrm{\ω}\right)\·\mathrm{j\ω}=\frac{\mathrm{j\ωR}}{(\mathrm{j\ω}-\mathrm{\λ})}---\left(21\right)$

方程(21)可被进一步重新布置成对于极点(λ)和残数(R)容易求解的形式。

$\stackrel{\·}{H}\mathrm{j\ω}-\stackrel{\·}{H}\mathrm{\λ}=\mathrm{j\ωR}$

$\stackrel{\·}{H}=R+\frac{\stackrel{\·}{H}}{\mathrm{j\ω}}\mathrm{\λ}$

$\left[\begin{array}{cc}1& \frac{\stackrel{\·}{H}}{\mathrm{j\ω}}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}R\\ \mathrm{\λ}\end{array}\right\}=\stackrel{\·}{H}---\left(22\right)$

方程(22)形成方程的过确定(over-determined)系统。可以计算求解方程(22)，以便从速度/力FRF

确定极点(λ)和残数(R)。项H，R和λ是复数。

在一个实施例中，受迫频率(forcing frequency)ω是5音调的。在该实施例中5音调包括驱动频率和超过驱动频率的2音调和低于驱动频率的2音调。这些音调可与基频分离0.5-2Hz。然而，受迫频率ω可以包括更多音调或更少音调，比如驱动频率及之上和之下的1音调。然而，5音调冲击结果的精确度和获得该结果所需的处理时间之间的良好折衷。

需要指出，在优选的FRF测量中，对具体的驱动频率和振动响应测量两个FRF。从驱动器至右拾取(RPO)获得一个FRF测量，并且从驱动器至左拾取(LPO)获得一个FRF测量。该方法被称作单输入、多输出(SIMO)。在本发明的区别新特征中，SIMO技术用于更好地估算极点(λ)和残数(R)。之前，两个FRF分别用于给出两个单独的极点(λ)和残数(R)估算。可以认识到，两个FRF共用公共极点(λ)，但单独的残数(R_L)和(R_R)，两个测量可被有利地组合以便得到更鲁棒的极点和残数确定。

$\left[\begin{array}{ccc}1& 0& \frac{{\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{LPO}}}{\mathrm{j\ω}}\\ 0& 1& \frac{{\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{RPO}}}{\mathrm{j\ω}}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{R}_L\\ R_R\\ \mathrm{\λ}\end{array}\right\}=\stackrel{\·}{H}---\left(23\right)$

可以任何数量的方式求解方程(23)。在一个实施例中，通过递归最小二乘法求解方程。在另一实施例中，通过伪逆技术求解方程。在另一实施例中，由于全部测量同时可用，因此可以使用标准的Q-R分解技术。该Q-R分解技术在现代控制理论(Modern Control Theory)(William Brogan，copyright 1991，Prentice Hall，pp.222-224，168-172)中被讨论。

在使用中，可以随时间跟踪刚度参数(K)以及阻尼参数(C)和质量参数(M)。例如，统计技术可以用于确定刚度参数(K)随时间的任何变化(也就是刚度变化(ΔK))。刚度参数(K)的统计变化可以表示对于具体流量计的FCF已改变。

本发明提供一种不依赖于存储或恢复校准密度值的刚度参数(K)。这与现有技术相反，其中在工厂校准操作中利用已知的流材料，以便获得可以用于全部将来校准操作的密度标准。本发明提供一种仅从流量计的振动响应获得刚度参数(K)。本发明提供一种不需要工厂校准步骤的刚度检测/校准方法。

图6是依据本发明的实施例用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图600。在步骤601中，接受三个或更多个振动响应。可以从流量计接收该三个或更多个振动响应。该三个或更多个振动响应可以包括基本基波频率响应和两个或更多个非基频响应。在一个实施例中，接收超过基频响应的一个音调，并且接收低于基频响应的一个音调。在另一实施例中，接收超过基频响应的两个或更多个音调，并且接收低于基频响应的两个或更多个音调。

在一个实施例中，音调在基频响应之上和之下基本上等距地间隔。可替代地，音调不等距地间隔。

在步骤602中，从该三个或更多个振动响应产生一阶极点-残数频率响应。该一阶极点-残数频率响应具有方程(23)中给出的形式。

在步骤603中，从一阶极点-残数频率响应确定质量参数(M)。通过确定振动响应的一阶极点(λ)和一阶残数(R)来确定质量参数(M)。然后，从一阶极点(λ)和一阶残数(R)确定固有频率ω_n，阻尼固有频率ω_d，以及衰减特性(ζ)。随后，阻尼固有频率ω_d，残数(R)和虚数项(j)被插进方程(17)中，以便获得质量参数(M)。

在步骤604中，从方程(18)的求解确定刚度参数(K)。该求解采用固有频率ω_n以及从步骤603确定的质量参数(M)被插进方程(18)，以便获得刚度参数(K)。

在步骤605中，从方程(19)的求解确定阻尼参数(C)。该求解采用衰减特性(ζ)，固有频率ω_n，以及确定的质量参数(M)。

图7示出了依据本发明的实施例的极点(λ)和残数(R)求解的实施方式。该实施方式遵循方程(23)。FRF输入在图的左边。这些FRF输入在该实施例中是五个频率(四个测试信号频率和驱动频率)，在该频率处计算FRF系数。FRF_L和FRF_R输入是在那些频率处计算的驱动器拾取复FRF系数，对应于方程(23)中的和

这些FRF系数进入QR解算器块701的B输入。以逐项为基础，从FRF系数除以jω形成用于QR解算器块701的A矩阵，并且该A矩阵包括1和0列，以便符合方程(23)。该矩阵被重新定形成合适的[10×3]复维数，并进入QR解算器块701的A输入。QR解算器块701的x向量输出包括左和右残数R_L和R_R和极点λ。为了处理，这些输出从QR块701中传出，以便产生系统参数。

图8是示出依据本发明的实施例的M，C和K系统参数的计算的方块图。该实施方式从每一方程(14-16)和方程(17-19)的极点和残数估算来确定M，C和K系统参数。这些残数对真实的标准模态模型来说是纯虚数的。然而，由于测量数据中的噪声和由于模型拟合数值精度问题，将常常存在某一实部。因此，使用残数的绝对值，其具有每一方程(17)除j的类似效应。利用每一方程(17-18)的极点和残数计算质量和刚度。需要指出，存在“左”和“右”质量和刚度，也就是从LPO/驱动器和RPO/驱动器的FRF计算的质量刚度。由于线圈和磁体以及结构自身的不对称性，从右至左，质量和刚度估算可以不同。差分的变化或差分比率表示质量或刚度的非均匀变化并且可用于给出关于对于FCF的变化或流量的完整性的附加诊断信息。

来自系统参数计算的两个其它输出是阻尼系数，Z(zeta)或ζ，以及固有频率ω_n。该实施例给出更过确定或更好估算的全局参数组。

ω_n的估算获得了对于闭环驱动系统的良好的质量检查。如果驱动实际工作在谐振处，那么对于固有频率估算，驱动频率将符合(agreeto)在几毫赫兹内。如果该差分大于几毫赫兹，则可以设置报警标记，表示驱动系统不合适地工作，或者当前的刚度估算是令人怀疑的。

图9示出了依据本发明的实施例的整体的基于FRF的刚度估算系统。存在至刚度估算子系统的七个不同的输入，其由作为信号源的五边形表示(五个在上方左边，并且两个在最右边)。“RawDrive”和“RawPOs”输入是拾取电压和驱动电流的原始读数。例如通过抽取(decimation)，这些信号被向下采样至2kHz，并且然后被馈送进入FRF系数估算子系统。该“CmdmA”输入是从对应的数字驱动系统的输出获取的指令电流。“StiffnessEnable(刚度使能)”估算是逻辑输入，允许数字驱动系统在FCF校验算法有效时进行控制。“freq”输入是驱动频率，如通过数字驱动系统估算的。它是至测试信号发生器子系统和刚度计算子系统的输入。

FRF刚度计算块902输出系统参数估算M和K左和右以及ζ和FreqEst。这些是用于FCF校验中的主要诊断输出。该图也示出通过比较驱动频率与估算的固有频率实施上面讨论的驱动质量检查的频率差分报警块903和频率差分误差块904。

测量FRF通常需要电流测量，需要附加的模数(A/D)转换器。然而，该实施例利用校准的命令电流，避免了对于附加的A/D转换器的需要。CL输入选择块906和CL输出校正块907执行校准算法。该校准步骤利用“测试信号FRF”块901，以便计算在控制逻辑的一个状态处，实际(RawDrive)电流对命令电流(CmdmA)的频率响应函数。在FCF校验逻辑状态过程中，通过对于命令电流FRF系数的原始数据计算和校正原始POs和指令电流之间的FRF，以便给出用于进一步的处理的FRFs。

FRF刚度估算算法在图的图表中央左边处输出“测试信号”输出。该测试信号输出包括在输出之前立即被添加至驱动命令的四个测试频率处的激励。当能够进行FCF校验时，这些测试信号被添加至数字驱动信号。

该逻辑是这样的：当FCF校验关断时，数字驱动信号刚好通过开关或其它装置，在这种情况中，通过内插滤波器，从它的基础速率(一般是4kHz)至合适的输出速率(一般是8kHz)向上采样该数字驱动信号。当能够进行FCF校验时，从2至4kHz被向上采样的测试信号被添加至数字驱动信号。该驱动信号然后由闭环驱动频率信号和4个测试音调构成，然后其全部通过向上采样滤波器。

FCF校验程序期望对驱动系统是透明的。在一个实施例中，从拾取去除测试信号，以便对闭环驱动确保良好的频率和振幅估算。这利用被调谐至测试信号的精确频率的一组陷波滤波器来完成。

在另一实施例中，极点-残数方法可以采用二阶极点-残数频率响应函数，从而实现更好的结果。二阶极点-残数比一阶极点-残数方法对实数提供了更真实的拟合。折衷是更大的数值复杂性和增大的处理时间。

刚度估算的MCK实施例开始于简单的二阶系统模型，如下面的方程(24)中示出的。由于对流量计测量速度的拾取，不是位置，方程被微分化，并且然后在具体频率ω处被估算。

$H\left(s\right)=\frac{X\left(s\right)}{F\left(s\right)}=\frac{1}{M{s}^2+\mathrm{Cs}+K}$

$\stackrel{\·}{H}\left(s\right)=\frac{\stackrel{\·}{X}\left(s\right)}{F\left(s\right)}=\frac{s}{{\mathrm{Ms}}^2+\mathrm{Cs}+K}$

$\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\stackrel{\·}{X}\left(\mathrm{\ω}\right)}{F\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{\mathrm{j\ω}}{-M{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{jC\ω}+K}---\left(24\right)$

由于目标是从驱动电流(或力)和拾取电压(或速度)的测量对M，C和K求解，因此便利地，重写方程(24)，以便分离未知量。这产生方程(25)。

$K-M{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{jC\ω}=\frac{\mathrm{j\ω}}{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(25\right)$

在该点处，方程可被分离成实部和虚部。

$K-M{\mathrm{\ω}}^2=\mathrm{Re}\left\{\frac{\mathrm{j\ω}}{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right\}$

$\mathrm{C\ω}=\mathrm{Im}\left\{\frac{\mathrm{j\ω}}{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right\}---\left(26\right)$

展开

方程(26)可被重新写成：

$K-M{\mathrm{\ω}}^2=\frac{\mathrm{\ωIm}\left\{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}}{{\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}$

$\mathrm{C\ω}=\frac{\mathrm{\ωRe}\left\{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}}{{\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}---\left(27\right)$

第二方程现在是简单的、代数算法。为了进一步简化方程的第一部分，采用测量的谐振驱动频率。由于 ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{K/M},$ 因此可以建立：

$K-K/{\mathrm{\ω}}_n^2=\frac{\mathrm{\ωIm}\left\{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}}{{\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}$

$K=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2-{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_n^2}\right)=\frac{\mathrm{\ωIm}\left\{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}}{{\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}$

$K=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2\mathrm{\ωIm}\left\{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}}{({\mathrm{\ω}}_n^2-{\mathrm{\ω}}^2){\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}---\left(28\right)$

只要ω≠ω_n。对于K从该求解返回M，在方程(29)中给出M，C和K的三个解。

$K=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2\mathrm{\ωIm}\left\{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}}{({\mathrm{\ω}}_n^2-{\mathrm{\ω}}^2){\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}$

$M=\frac{K}{{\mathrm{\ω}}_n^2}$

$C=\frac{\mathrm{Re}\left\{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}}{{\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}---\left(29\right)$

需要指出，给定谐振频率ω_n，一个具体频率ω₁处的驱动器拾取FRF足以求解方程，并确定参数M，C和K。这是特别有用的；当在多个频率处获得FRF时，对数据的最小平方拟合简单地是每一个系数的各个估算的平均。这是比典型地将不得不被执行的伪逆更简单的良好处理方式。可是需要指出，ω≠ω_n的限制排除了对K或M的求解中谐振驱动FRF的使用。这不是特别惊人的，因为仅通过阻尼确定谐振处峰值的高度。可是该方法的一个潜在缺点是：从左和右拾取数据估算的参数必需不彼此依赖。这与极点-残数方法形成对比，在这种情况中，通过限制左和右拾取以估算相同的极点来获得一些优点，而不管它们在幅度上的差异。

图10是依据本发明的实施例用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图1000。在步骤1001中，接收三个或更多个振动响应，如之前讨论的。

在步骤1002中，从该三个或更多个振动响应产生二阶极点-残数频率响应。该二阶极点-残数频率响应具有在方程(24)中给出的形式。

在步骤1003中，从方程(29)的求解确定刚度参数(K)。该求解采用固有频率ω_n，一个或多个频率音调ω，FRF的虚部(也就是

的虚数部分)，以及FRF的振幅(也就是

的绝对值)。

在步骤1004中，从二阶极点-残数频率响应确定质量参数(M)。从方程(29)的求解确定质量参数(M)，并利用刚度参数(K)和固有频率ω_n获得该质量参数(M)。

在步骤1005中，从二阶极点-残数频率响应确定阻尼参数(C)。从方程(29)的求解确定阻尼参数(C)，并利用该一个或多个频率音调ω，FRF的实部(也就是

的实数部分)，以及FRF的振幅(也就是

的绝对值)获得该阻尼参数(C)。

图11示出了依据本发明的实施例从方程(29)对于二阶极点-残数响应的M，C和K求解的实施方式。输入显现为图的左边处的椭圆形输入端口。这些是测量的驱动频率ω_drive，其用于方程(29)中作为ω_n，五个频率，在该五个频率处计算FRF系数(四个测试信号频率和驱动频率，由ω_test表示)，以及在那些频率处计算的驱动器拾取复FRF系数(

或Hdot)。通过选择器块丢弃(discard)驱动频率FRF，因为它不能用于如在前描述的M和K求解中。K求解被计算为：

$K=\frac{\mathrm{\ωIm}\left\{\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}}{(1-{\mathrm{\ω}}^2/{\mathrm{\ω}}_n^2){\left|\stackrel{\·}{H}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}---\left(30\right)$

其是方程(29)中给出的求解方法的等价形式。对于C的求解是和方程(29)中的导出求解相同的形式，并且从对于K的求解方法直接计算M。需要指出，求平均值操作被应用于每一个系数估算。求解方法中的该平均值结果是对输入数据的最小平方拟合。最后，给出M，C和K估算，衰减特性(ζ或Z)被计算为：

$\mathrm{\ζ}=\frac{C{\mathrm{\ω}}_n}{2K}---\left(31\right)$

衰减特性(ζ)被认为是比阻尼参数C更有用的参数。因此，质量M，刚度K和衰减特性(ζ)是测量的输出。

图12示出了依据本发明的实施例的整体的基于FRF的刚度估算系统。存在至系统的六个不同的输入，由作为信号源的五边形表示(三个在上方左边，并且三个在下方右边)。“RawDrive”和“RawPOs”输入是来自拾取和驱动电流的原始读数。通过抽取器(Decimator)块1201向下采样这些至2kHz，并且然后将这些馈送进入FRF系数估算子系统。“DriveDemod”输入是从数字驱动系统获得的驱动频率处的正弦和余弦信号。这些信号被与测试频率处产生的正弦曲线组合，并作为用于解调的基础被馈送进入FRF系数估算子系统。“StiffnessEnable”估算是逻辑输入，允许数字驱动系统在刚度估算算法有效时进行控制。“freq”输入是驱动频率，如通过数字驱动系统估算的。它是至测试信号发生块1204和刚度计算块1206的输入。“Temp”输入是被输入到温度校正块1207中的来自流量计的温度读数。FRF刚度估算算法输出系统参数估算，以及在图的最左侧处的“测试信号”输出。该测试信号输出包括被添加至驱动器命令的四个测试频率处的激励。

这些输入和输出形成至数字驱动的接口整体(bulk)。在至驱动器装置的输出之前，测试信号被立即添加至驱动命令。为了使该FCF校验程序对驱动系统透明，必须从拾取去除测试信号。在一个实施例中这可以利用被调谐至测试信号的精确频率的一组陷波滤波器完成。

图11的测试信号FRF块1208执行解调。拾取和驱动信号在五个输入频率(四个产生的测试信号频率和驱动频率)的每一个处被解调。在利用正弦和余弦基础进行复解调之后，每一个信号的实数和虚数部分被向下抽取至较低频率，并被低通滤波至0.4Hz。在该区域中这些信号必需是未被污染的，因为测试信号的0.4Hz中的任何频谱分量将不被抑制，并将以输出显现。用于每一个频率处的拾取和驱动电流的复数系数然后用于估算该频率处的FRF。对多个采样平均功率谱，并且输出较低速率FRF估算。

依据任一实施例可以采用依据本发明的仪表电子器件和方法，从而提供几个优点，如果期望的话。本发明提供基本上涉及流量计的流管刚度的刚度参数(K)。本发明提供不依赖于用于产生的存储或恢复校准值的刚度参数(K)。本发明提供仅从流量计的振动响应获得的刚度参数(K)。同样地，本发明提供来自振动响应的质量参数(M)和阻尼参数(C)。

本发明提供不需要工厂校准步骤的刚度检测/校准方法。本发明可以在场中执行刚度/FCF校准方法。本发明可以在任何时间处执行刚度/FCF校准方法。本发明可以执行不需要校准测试环和/或已知流材料的刚度/FCF校准方法。本发明可以执行随时间确定流量计的刚度变化的刚度/FCF校准方法。

Claims (11)

1.用于流量计(5)的仪表电子器件(20)，该仪表电子器件(20)包括用于接收来自流量计(5)的振动响应的接口(201)，该振动响应包括在基本谐振频率处对流量计(5)的振动的响应；以及与接口(201)通信的处理系统(203)，该仪表电子器件(20)进一步包括：

处理系统(203)被布置成接收来自接口(201)的振动响应，确定振动响应的频率ω₀，确定振动响应的响应电压V和驱动电流I，测量流量计(5)的衰减特性ζ，并从频率ω₀，响应电压V，驱动电流I和衰减特性ζ确定刚度参数K，刚度参数K包括K＝(I*BL_P0*BL_DR*ω₀)/2ζV，其中BL_P0为用于测量振动响应的拾取传感器的拾取灵敏度因数，BL_DR为用于测量流量计(5)的衰减特性ζ的驱动器的驱动器灵敏度因数。

2.权利要求1的仪表电子器件(20)，测量衰减特性ζ进一步包括允许流量计(5)的振动响应向下衰减至预定振动目标。

3.权利要求1的仪表电子器件(20)，处理系统(203)被进一步布置成通过去除流量计(5)的激励以及在测量衰减特性的同时允许流量计(5)的振动响应向下衰减至预定振动目标来测量衰减特性ζ。

4.一种用于确定流量计的刚度参数K的方法，该方法包括接收来自流量计的振动响应，该振动响应包括在基本谐振频率处对流量计的振动的响应，以及确定振动响应的频率ω₀，该方法进一步包括：

确定振动响应的响应电压V和驱动电流I；

测量流量计的衰减特性ζ；以及

从频率ω₀，响应电压V，驱动电流I和衰减特性ζ确定刚度参数K，刚度参数K包括K＝(I*BL_P0*BL_DR*ω₀)/2ζV，其中BL_P0为用于测量振动响应的拾取传感器的拾取灵敏度因数，BL_DR为用于测量流量计的衰减特性ζ的驱动器的驱动器灵敏度因数。

5.权利要求4的方法，测量衰减特性ζ进一步包括允许流量计的振动响应向下衰减至预定振动目标。

6.权利要求4的方法，测量衰减特性ζ进一步包括：

去除流量计的激励；以及

在测量衰减特性的同时允许流量计的振动响应向下衰减至预定振动目标。

7.一种用于确定流量计的刚度变化ΔK的方法，该方法包括接收来自流量计的振动响应，该振动响应包括在基本谐振频率处对流量计的振动的响应，以及确定振动响应的频率ω，该方法进一步包括：

确定振动响应的响应电压V和驱动电流I；

测量流量计的衰减特性ζ；

从频率ω₀，响应电压V，驱动电流I和衰减特性ζ确定刚度参数K，刚度参数K包括K＝(I*BL_P0*BL_DR*ω₀)/2ζV，其中BL_P0为用于测量振动响应的拾取传感器的拾取灵敏度因数，BL_DR为用于测量流量计的衰减特性ζ的驱动器的驱动器灵敏度因数；

在第二时间t₂处接收来自流量计的第二振动响应；

从第二振动响应产生第二刚度特性K₂；

比较第二刚度特性K₂与刚度参数K；以及

如果第二刚度特性K₂和刚度参数K的不同大于预定公差，则检测刚度变化ΔK。

8.权利要求7的方法，进一步包括从该比较量化刚度变化ΔK。

9.权利要求7的方法，测量衰减特性ζ进一步包括允许流量计(5)的振动响应向下衰减至预定振动目标。

10.权利要求7的方法，测量衰减特性ζ进一步包括：

去除流量计的激励；以及

在测量衰减特性的同时允许流量计的振动响应向下衰减至预定振动目标。

11.权利要求7的方法，从第二振动响应产生第二刚度特性K₂包括从第二频率，第二响应电压，第二驱动电流和第二阻尼特性产生第二刚度特性K₂。

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