CN101424557B - 估计流经振动管道的材料的过程参数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

通过估计与管道运动的实简正模式相连的实简正模态剩余挠度分量来估计与包含在管道中的材料相关的质量流量参数。接收表示管道运动的许多运动信号。从所接收的许多运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中产生剩余挠度补偿质量流量估计。本发明还包含相关的装置和计算机程序产品。

Description

估计流经振动管道的材料的过程参数的方法和装置

本申请是申请号为99809350.5、申请日为1999年7月14日、发明名称为“估计流经振动管道的材料的过程参数的方法和装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种过程参数传感器、运行方法和计算机程序产品，更具体地说，涉及振动管道参数传感器、运行方法及其计算机程序产品。

背景技术

科里奥利效应质量流量计通常用于测量流经管道的材料的质量流量和其它的信息。实例性的科里奥利流量计公开在授予给J.E.Smith等人的1978年8月29日的美国专利US4,109,524、1985年1月1日的US4,491,025和1982年2月11日的Re31,450。这些流量计通常包括具有直的或弯曲结构的一个或更多个管道。每个管道具有一组振动模式，例如包括简单的弯曲型、扭曲型、径向型和耦合型。在典型的质量流量计的应用中，当材料流经管道时驱动每个管道使其以一种自然模式谐振。组合的管道质量和刚性特性和在该管道内流动的材料的特性影响填充有材料的振动系统的振动模式。

科里奥利流量计的典型部分是驱动或激励系统。运行驱动系统以给管道施加周期性的作用力以使管道振荡。驱动系统通常包括安装在流量计的管道上的至少一个致动装置。该致动装置包括大家公知的许多机电装置中的一种，比如具有安装在第一管道的磁体和以相对于该磁体反向安装在第二管道的线盘的音圈设备。驱动器通常给传动线圈施加周期性的驱动信号比如正弦或方波驱动信号。周期性的驱动信号使致动装置以相反的周期性模式驱动两个管道。

当实际上为“零”流量流经被驱动的流量计管道时，根据驱动的振动模式沿着管道的点相对于驱动器趋于以大致相同的相位或“零流量”相位振动。当材料开始从流量计的入口经过管道并从流量计的出口流出时，材料流产生的科里奥利力感应在沿着管道上空间间隔开的点之间的相移，在管道的入口侧的相位通常滞后于致动装置，而在管道的出口侧的相位通常领先于致动装置。所感测的在管道上的两个位置上相移与流经管道的材料的质量流率大致成比例。

然而不幸的是，应用常规的相移或时间延迟方法的测量精度受到流量计结构的非线性和非对称性的损害，并且还受到外部力源比如泵给流量计所施加的振动的影响。例如，通过应用能够降低外部振动源影响的平衡机械设计和应用频域滤波来消除与不希望的振动相关的频率分量来降低这些影响。然而，机械设计方法受到几何因子的限制，而且在消除发生于所研究的谐振频率比如用于激励管道的驱动频率上或该频率附近的振动的不希望的振动能量方面频域滤波无效。

在质量流率测量中所遇到的一种通常的误差类型是“零偏移”。如上所述，质量流量测量通常涉及确定在传感器管道结构上的换能器所产生的运动信号之间的相位和时间差。零偏移表示在这些相位和时间差测量中的偏移或偏差，因此零质量流率并不产生零相位或时间差。

为降低零偏移和误差，常规的质量流量计测量技术通常测量零偏差作为在受控制的零质量流的情况下所测量的运动信号之间的相位或时间差。然后依据所测量的零流量相位或时间差补偿在其它的流量情况下所产生的相位或时间差测量值以得到更精确的结果。

然而，这些技术具有潜在的缺点。处理温度或传感器安装条件的变化可能使零偏移随着时间漂移并导致测量误差。为补偿这种漂移，需要周期性地再测量零偏移。由于常规的零偏移补偿技术要求材料流动停止以产生并更新零偏移测量值，这就不方便。

发明内容

根据前面的描述，本发明的一个目的是提供一种质量流量传感器以及确定质量流量的方法，这种传感器和方法对在测量过程和安装条件中的变化不敏感。

依据本发明通过方法、装置以及计算机程序产品给出本发明的其它目的、特征和优点，在这些方法、装置以及计算机程序产品中，通过将质量流量传感器的振动管道的运动分解为实简正模态分量来确定“剩余挠度”(即，实简正模式的非共振作用引起的继续运动)。估计与管道运动的至少一个实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量并用于产生经剩余挠度补偿的质量流量估计。

依据本发明的一个方面，从表示在基本为零的质量流情况下的管道运动的信号中估计实简正模态剩余挠度分量。依据相关的“动态调零”的方面，确定两个实简正剩余挠度分量，包括在零流量下所测量的“静态”实简正模态剩余挠度分量和在非零质量流下可测量的“动态”实简正模态剩余挠度分量。结合两种实简正模态剩余挠度分量以产生用于得到剩余挠度补偿质量流量估计的剩余挠度估计。因为当材料流经该传感器时可以估计动态实简正模态剩余挠度分量，所以可以更新剩余挠度估计以补偿在传感器的结构动力学中的变化而不需要中断流动。

依据本发明的另一方面，确定在实简正模式下的振动管的运动和频率的函数关系。然后应用所确定的函数并将实际的管道运动测量值例如在非零的质量流率下的运动测量拟合到所确定的函数来估计与实简正模式相关的剩余实简正模态分量。例如，在所选择的许多频率下测量在实简正模式中的传感器管道的运动的许多值，应用这些值以确定实简正模式的模式比例以使能够估计在实简正模式中在非共振频率例如传感器的激励频率下管道的运动。然后应用这种剩余运动的测量值来产生流经传感器的质量流量的剩余挠度补偿估计。

本发明源于在质量流量传感器中剩余挠度是由传感器结构的各种振动模式的非共振作用引起的。应用实简正模态的分解技术，本发明能够精确地测量与非共振实简正模态运动相关的管道运动，由此提供剩余挠度的精确测量以应用于产生更精确的质量流量测量。依据本发明某些方面，可以估计非共振管道运动但不要求在传感器管道中的零质量流量。

具体地说，依据本发明通过估计与管道的运动的实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量来估计与在管道中所包含的材料相关的过程参数。接收表示管道运动的许多运动信号。从所接收的许多运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中产生质量流量的剩余挠度补偿估计。

依据本发明的一个方面，以激励频率激励管道。估计在该激励频率下与实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量。接收表示该管道响应该激励的运动的许多运动信号并从所接收的许多运动信号中确定在该激励频率下管道的运动。从在该激励频率下所确定的运动和所估计的实简正模态剩余挠度分量中产生质量流量的剩余挠度补偿估计。

依据本发明的另一方面，接收表示在基本为零的质量流的情况下的管道运动的第一系列信号并对其进行处理以将在基本为零的质量流的情况管道的运动分解为许多实简正模态分量。从所分解的许多实简正模态分量中估计实简正模态剩余挠度分量。接收表示管道运动的第二系列运动信号并从所接收的第二系列运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中产生质量流量的剩余挠度补偿估计。

在物理坐标域或模态坐标域中进行剩余挠度和质量流量的估计。对第一系列运动信号进行模式选通滤波以产生在基本为零的质量流量的情况下管道运动的模式选通滤波表示，以及从管道运动的模式选通滤波表示中产生与实简正模式相关的剩余物理运动的估计。可替换的是，处理第一系列运动信号以估计在基本为零的质量流量的情况下的剩余实简正模态。

依据本发明所涉及的“动态调零”方面，估计与在基本为零的质量流量的情况下管道运动的第一实简正模式相关的第一实简正模态剩余挠度分量。估计与在非零的质量流量的情况下管道运动的第二实简正模式相关的第二实简正模态剩余挠度分量。从所接收的第二系列运动信号、所估计的第一实简正模态剩余挠度分量和所估计的第二实简正模态剩余挠度分量中得出质量流量的剩余挠度补偿估计。第一实简正模式优选比第二实简正模式与在管道中的材料流更相关。

依据本发明的另一方面，确定以频率函数描述在实简正模式下管道运动的函数。确定表示在所选择的频率下振动管道的运动的第一值。通过将第一值拟合到所确定函数中估计与实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量。接收表示管道运动的许多运动信号并从所接收的许多运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中得出质量流量的剩余挠度补偿估计。

在模态坐标域实施例中，通过确定将第一值与所确定的函数相关的比例变换并且从所确定的函数和所确定的比例变换中估计与实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量来估计实简正模态剩余挠度分量。在模态坐标域中从所估计的实简正模态剩余挠度分量中得出质量流量的剩余挠度补偿估计。

在模式选通滤波的实施例中，从频率响应函数中估计与实简正模式相关的剩余物理运动。通过对所接收的许多运动信号进行模式选通滤波以产生当材料流流经管道时管道运动的模式选通滤波表示并且从该模式选通滤波表示和所估计的剩余物理运动中得出质量流量的剩余挠度补偿估计而得出质量流量的剩余挠度补偿估计。

本发明还描述了产生在振动管中的材料的剩余挠度补偿质量流量估计的相关的装置以及计算机程序产品。

附图说明

附图1所示为实例性的传感器管道结构。

附图2-4所示为附图1的实例性管道结构的实简正模式的频率响应函数。

附图5-6所示为依据本发明的振动管参数传感器的实施例。

附图7-11所示为依据本发明产生质量流量的剩余挠度补偿估计的操作的流程图和示意图。

附图12A-B所示为实例性的传感器结构的模式频率响应。

附图13-16所示为依据本发明产生剩余挠度补偿的质量流量估计的操作的流程图和示意图。

具体实施方式

下文参考附图全面描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。在本领域中熟练的技术人员会理解到本发明可以不同的形式实施，并不局限于所示的实施例，提供这些实施例只是为了更完整地公开本发明和完整地向本领域的熟练技术人员表述本发明的范围。在附图中，相同的参考标号总是表示相同的部件。

在此所描述的实施例中，处理表示传感器管道运动的运动信号以将管道运动分解为许多实简正模态分量(real normal modalcomponent)。分解实简正模态可以以许多方式实施。例如，可以应用模式选通滤波器以通过与一组所需的实简正相关的传感器管道运动分量。虽然不需要明确地确定对应于管道运动的模态响应，但是模式选通滤波将管道的运动分解成为与相应的实简正模式相对应的分量。可替换的是，实简正模态运动即在许多单自由度(SDOF)系统的坐标系中的运动都可以从运动信号中明确地估计并用于产生过程参数估计。

1.概述

A.传感器管道的模态特性

如在题为“应用实简正模态分解的振动管参数传感器、方法和计算机程序产品”的美国专利申请(1998年申请，授予给本申请的受让人)所描述，从具有相关的自然振动频率的一个或多个自然或实简正模式方面描述振动结构的特性比如科里奥利流量计管道的特性。通过特征向量和相关的特征值数学地描述这些实简正模式和相关的自然频率，该特征向量在相对幅值但不是绝对值中是惟一的，并相对于结构的质量和刚性正交。应用矢量的线性独立组作为分解描述结构的运动的方程的变换。

具体地说，结构对激励的响应可以表示为成比例的模式的叠加，所述比例表示每种模式对结构运动的贡献。根据激励，一些模式的贡献比另一些模式的贡献大。一些模式可能是不希望的，因为它们的贡献能量处于所需的模式的谐振频率，因此可能恶化在所需的模式的谐振频率上获得的测量值，比如在激励频率上所作的相位差测量。

假设传感器管道结构的阻尼可忽略并为零流量以实现完全的实自然或简正模式振动，即在每种模式中结构上的每个点都同时达到最大的位移。然而，具有不可忽略的阻尼和有材料流过的实际管道通常具有复杂的激励响应，即该结构的点通常并不同时达到最大的幅值。即将该管道结构运动描述为具有实分量和虚分量或说幅值和相位分量的复模式。流动材料所施加的科里奥利力使传感器管道的运动变得复杂。

即使很复杂，管道的结构运动还是可以描述为成比例的自然或“简正”模式的叠加。为表示复运动，在综合实简正模式的各种组成部分中使用复比例系数。某些实简正模式与复模式的虚分量密切相关但与复模式的实分量明显不相关。因此，这些实简正模式与在传感器管道中的材料相对应的科里奥利力更紧密地相关，由此提供与材料相关的参数例如质量的精确的估计。

如在实施例中所示，根据实验分析3-英寸科里奥利流量计的双曲线管。在附图1中示出了该流量计的管道结构的原理模型。测量在z方向上的速度的常规的速度换能器105A、105B、105C分别设置在管道组件10上的左边、右边和驱动位置上。相应的加速度计105D、105E分别放置在距右换能器位置附近的管道103A、103B的相应的管道上，并将其设置成测量沿方向x上的横向加速度。积分加速度计105D、105E的输出以得出横向绝对速度信息。

从运动换能器105A-E的输出中构造响应矢量{x_response}：

这里斜交的横向响应是指相对于x和z轴45度方向的响应。按下式确定实简正模态矩阵[φ]，即将物理运动矢量{x_response}(在“物理”坐标系中)与实简正模态运动矢量{η}(在“模态”坐标系中)相关起来的实简正模态变换矩阵：

                 {x_response}＝[φ]{η}，(2)

实简正模态变换矩阵[φ]可以通过许多方法确定。例如，可以应用在如下专利申请的所描述的试错法或反演技术：1997年7月11日申请并转让给本申请的受让人的申请号为08/890,785的美国专利申请和1998年1月25日申请并转让给本申请的受让人的申请号为09/030,453的美国专利申请。

对于在附图1中所描述的实例性的管道结构，实简正模态变换矩阵[φ]通过实验确定为：

$\left[\mathrm{\Φ}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}5.893& 0.033& -0.198& -11.958& 11.95\\ 14.973& 0.085& -0.68& -7.666& -10.388\\ 6.024& -0.15& -0.169& 12.312& 12.239\\ 1.891& 0.84& 1.33& 3.6& 3.864\\ 0.124& 1.728& -3.587& 0.198& 0.232\end{array}\right]{\left(\frac{\mathrm{lbf}\·{\sec }^2}{\mathrm{in}}\right)}^{-\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

从左至右，实简正模态变换矩阵[φ]的列分别对应于管道结构10的第一异相弯曲模式、同相横向模式、异相横向模式、异相扭曲模式和第二异相弯曲模式。

可以应用模态变换矩阵[φ]来将由运动矢量{x_response}所表示的物理运动分解为实简正模态分量。例如，通过对方程式(2)左乘模态变换矩阵[φ]的逆阵，方程式(2)可以确定模态运动矢量{η}：

                {η}＝[φ]^-1{x_response}，(4)

对于附图1所示的示例性的结构，这里

${\left[\mathrm{\Φ}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccccc}0.0056& 0.0498& 0.0326& 0.0135& -0.0063\\ -0.08& 0.0002& -0.1999& 0.6436& 0.2485\\ -0.0035& 0.0002& -0.0916& 0.3109& -0.1591\\ -0.418& 0.0& 0.0394& 0.0044& 0.0021\\ 0.0391& -0.0245& 0.0223& 0.0011& 0.0019\end{array}\right]{\left(\frac{\mathrm{lfb}\·{\sec }^2}{\mathrm{in}}\right)}^{\frac{1}{2}}.---\left(5\right)$

如前文提到的题为“应用实简正模态分解的振动管参数传感器、方法和计算机程序产品”的专利申请所述，直接应用实简正模态运动{η}来估计与管道结构的一种或多种实简正模式(例如与科里奥利力相关的模式)相关的过程参数。可替换的是，应用模态变换矩阵[φ]来确定“模式选通滤波器”，将该“模式选通滤波器”应用到物理运动{x_response}中以确定经滤波的物理域响应，该物理域响应优选包括与管道的一种或多种模式相关的物理运动{x_response}分量。应用这种经滤波的响应来估计过程参数。

应用有选择性的逆实简正模态变换矩阵[φ’]将实简正模态运动矢量{η}变换到滤波的运动矢量{x_filtered}，在滤波的运动矢量{x_filtered}中将与不希望的实简正模式相关的分量衰减掉：

               {x_filtered}＝[φ’]{η}，(6)

对于附图1所示的示例性的结构，从实简正模态变换矩阵[φ]中如下构造有选择性的逆实简正模态变换矩阵[φ’]：将与不希望的实简正模式相关的实简正模态变换矩阵[φ]的那些元素替换为零来：

$\left[{\mathrm{\Φ}}^{\′}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}5.893& 0& 0& -11.958& 0\\ 14.973& 0& 0& -7.666& 0\\ 6.024& 0& 0& 12.312& 0\\ 1.891& 0& 0& 3.6& 0\\ 0.124& 0& 0& 0.198& 0\end{array}\right]{\left(\frac{\mathrm{lbf}\·{\sec }^2}{\mathrm{in}}\right)}^{-\frac{1}{2}}.---\left(7\right)$

如在等式(6)和(7)中所示，通过应用有选择性的逆实简正模态变换矩阵[φ’]衰减了与不希望的实简正模式相关的管道运动矢量{x_response}的分量，该有选择性的逆实简正模态变换矩阵[φ’]对应于以零替换与实简正模态变换矩阵[φ]的不希望的实简正模式相关的那些元素的实简正模态变换矩阵[φ]。然而，在本领域的熟练技术人员会理解到对有选择性的逆实简正模态变换矩阵[φ’]的这些元素应用非零值也可以实现对这些分量的衰减。

综合方程式(4)和(6)：

      {x_filtered}＝[φ’][φ]^-1{x_response}＝[Ψ]{x_response}，(8)

这里模式选通滤波矩阵[Ψ]为：

                 [Ψ]＝[φ’][φ]^-1，(9)

模式选通滤波器矩阵[Ψ]处理管道运动矢量{x_response}以使经滤波的输出运动矢量{x_filtered}优选表示与一个或多个所需的模式相关的管道运动矢量{x_response}的分量。模式选通滤波矩阵[Ψ]还可以表示为：

                   [Ψ]＝[φ][A][φ]^-1，(10)

这里[A]为一种非对角线上的元素为零的“对角线”矩阵，对应于所需的模式的所选择的对角线上的元素设置为1，例如，

对经滤波的输出{x_filtered}进行处理以得到过程参数比如质量流量的精确的估计。例如，依据常规的相位或时间差科里奥利测量技术对经滤波的输出{x_filtered}进行处理，这种技术如描述在前文提到的题为“应用实简正模态分解的振动管参数传感器、方法和计算机程序产品”的专利申请中。对于在附图1所示的示例性的系统，应用例如描述在Smith的美国专利RE31,450、Zolock的美国专利4,879,911以及Zolock的美国专利5,231,884中的零交叉或类似的相位或时间差技术或应用数字信号处理器(DSP)或其它的计算设备在数字域中所实施的类似的相位或时间差技术，通过确定在对应于右和左换能器105A、105B的经滤波的输出{x_filtered}分量之间的相位差或时间差来实现这些。

B.剩余挠度和零偏移

通常激励或“驱动”科里奥利流量计以使在流量计的管道中的流体或其它材料产生科里奥利加速度。通常在传感器管道结构的振动模式的谐振频率或谐振频率附近施加这种激励，例如在所谓的“驱动”或“激励”模式的谐振频率上。通常假设在传感器管道的模式谐振频率上所施加的周期性激励产生单模态响应，即限于驱动或激励模式的响应。然而实际上激励通常产生超过驱动或激励模式的附加实简正模式的运动。如上文所描述，不是驱动模式的其它实简正模式的非谐振响应对在驱动模式频率上的剩余挠度有贡献，由此有助于测量比如相位的零偏移或在激励频率上所产生的时间差测量。

为实验地分析的三英寸的科里奥利流量计，确定谐振频率在0和400赫兹之间的9种模式。附图2示出了传感器的左换能器的总的物理响应210和第一种结构的九种频率响应。如图所示，有许多模式在激励频率ω_d上存在非零响应，这些模式的非共振响应对在激励频率ω_d上的剩余挠度有贡献。特别要关注的是第一异相扭曲模式220，其具有大约325赫兹的谐振频率。对于实验分析的传感器，这种模式表示与在传感器管道种材料的科里奥利加速度高度相关的一系列“流动模式”中的一种。对于附图2所示的响应，这种扭曲模式在激励频率ω_d上产生最大的剩余挠度。

附图3所示的相位响应对应于附图2的幅值响应。剩余挠度可能影响响应的相位，由此在用于估计质量流量的相位或时间差测量中引入偏差或零偏移。如在附图4所示，附图4所示为在激励频率ω_d附近的附图3的放大的相位响应，在左运动换能器信号的相位410和右运动换能器信号的相位420之间的差430在零流量上具有偏差，说明了除了驱动模式外的其它模式的非谐振作用对相位差测量的可能影响。

II.通过实简正模态分解确定剩余挠度

通过分析，通过确定在激励频率上由这些非共振成分引起的管道响应部分(即，通过估计对剩余挠度有贡献的管道运动的“实简正模态剩余挠度分量”)来确定除了零流量下驱动模式外的其它实简正模式的非共振的作用。然后依据许多不同的技术应用所估计的实简正模态剩余挠度分量来产生质量流量的剩余挠度补偿估计。

附图5所示为依据本发明的振动管道参数传感器5的示例性的实施例。传感器5包括管道组件10。管道组件10包括入口法兰101、出口法兰101’、歧管102以及第一和第二管道103A和103B。连接到管道103A、103B的致动装置104，运行致动装置104以响应驱动器120振动管道103A、103B。运行运动换能器105A、105B产生表示在管道103A、103B的许多位置上的运动的许多运动信号，例如表示管道103A、103B的位移、速度和加速度的信号。运动换能器105A、105B包括各种装置比如线圈型的速度传感器、光学或超声运动传感器、加速度计、惯性率传感器等类似的设备。导线100连接到致动装置104和运动换能器105A、105B。

当管道组件10插入到材料处理系统时，在材料处理系统中流动的材料通过入口法兰101进入到管道组件10。然后材料流经歧管102，在歧管102中材料分别进入管道103A、103B。在离开管道103A、103B后，材料流回到歧管102并通过出口法兰101’流出流量计组件10。当材料流经管道103A、103B时，它产生扰动管道103A、103B的科里奥利力。

通过致动装置104在相反的方向上分别在它们的弯曲轴W-W和W’-W’周围驱动管道103A、103B，在管道组件10中产生通常被称为第一异相弯曲模式。致动装置104包括许多公知的装置中的任何一种，比如包括安装在第一管道103A上的磁体和安装在第二管道103B上的相对的线圈的线性致动装置。驱动器20通过驱动引线110所提供的驱动信号所感应的交流电流流经该线圈，产生振动管道103A、103B的机械力。致动装置104所输送的激励可以是基本相干的例如限制在某一较窄的频率范围，或者可以是一种宽带信号。

虽然在附图5所示的参数传感器5包括整体的致动装置104，在本领域的普通技术人员将会理解到依据本发明的管道103A、103B的振动可以通过其它的技术实现。例如，通过这种泵源或压缩机在管道组件10的外部产生宽带激励并通过例如一个法兰101、101’将其传输到管道组件10。类似地，通过例如流体结构相互作用(FSI)机理从在管道103A、103B中的材料中传递能量来产生宽带激励。

参数传感器5包括实简正模态剩余挠度分量估计器30，该实简正模态剩余挠度分量估计器30从运动换能器105A、105B经过导线111接收运动信号，运行该估计器30估计管道103A-B的运动的实简正模态剩余挠度分量35。剩余挠度补偿质量流量估计器40响应实简正模态剩余挠度分量估计器30，并从运动换能器105A、105B接收运动信号，运行该剩余挠度补偿质量流量估计器40从运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量35中产生质量流量的剩余挠度补偿质量流量估计45。

如附图6所示，实简正模态剩余挠度分量估计器30和剩余挠度补偿质量流量估计器40都可以应用计算机50实现，例如微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等实现。在附图6所示的实施例中，实简正模态剩余挠度分量估计器30和剩余挠度补偿质量流量估计器40都包括接收运动信号的电路610，比如采样器612，例如采样保持器或类似的电路，这种电路采样运动信号并产生采样并随后通过模拟数字转换器(A/D)将其转换为数字信号值615。通过执行在本领域中公知的许多电路来运行采样器612和A/D614，这些在此不需要更详细地描述。在本领域的熟练技术人员会理解到可以以许多方式处理运动信号606。例如，抗混迭滤波、后采样滤波以及类似的信号处理方法都可以使用。还应该理解的是通常在附图6中所示的接收装置610可以应用专用的硬件、固件、在专用或通用的数据处理设备上运行的微程序或软件或两者的结合来实施。例如，采样和模拟到数字的转换功能都可以与换能器105A、105B集成在一起。

计算机可以包括例如专用于线性代数计算的流水线DSP，比如Texas Instruments Inc出售的TMS320C4X系列DSP的DSP。设计适当的程序代码例如软件和/或微程序和数据并存储在例如存储媒体60(比如随机存取存储器(RAM)、电子可擦可编程序只读存贮器(EEPROM)、磁盘等)中，计算机50提供从数字值615中计算剩余实简正模态分量估计35的装置620和从数字值615中计算质量流量的剩余挠度补偿估计45的装置630。可以理解的是其它的计算设备比如微控制器、微处理器、场可编程门阵列(FPGA)等类似的设备均可使用。

附图7所示为从表示包含有材料的管道的运动的运动信号中估计过程参数的操作700。估计与管道运动的实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量(块710)。接收表示当材料流经管道时传感器管道运动的许多运动信号(块720)。然后从所接收的许多运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中得出质量流量的剩余挠度补偿估计(块730)。

实简正模态剩余挠度分量估计和剩余挠度补偿质量流量估计可以以许多方式产生。依据本发明的一个方面，从表示管道在基本为零的质量流的情况下的运动的运动信号中估计实简正模态剩余挠度分量。依据相关的“动态调零”方面，从表示管道在基本为零质量流量的情况下管道运动的运动信号中估计与流量相关的实简正模式相关的第一实简正模态剩余挠度分量，从表示管道在非零质量流量的情况下管道运动的运动信号中估计与流量相关的实简正模式相关的第二实简正模态剩余挠度分量，以及从第一和第二实简正模态剩余挠度分量中产生质量流量的剩余挠度补偿估计。通过在非零的流量的情况下的测量更新第二实简正模态剩余挠度分量，使其能够产生精确的剩余挠度补偿估计而不要求停止质量流来进行传感器的重新校准。

依据本发明的另一方面，估计实简正模态剩余挠度分量而不要求在没有质量流的情况下进行测量。例如应用极点估计技术确定除了驱动模式以外的其它模式的频率响应函数或“脉冲函数”，例如描述与流量相关的扭曲模式的频率响应的函数。测量在除了激励频率以外的频率模式的实际频率响应，可取的是在该模式的谐振频率附近的频率上。然后将所测量的值拟合到所确定的频率响应函数以估计模式的比例。然后应用所估计的模式比例产生在该激励频率下这种模式的剩余挠度作用的估计。因为在非零流量情况下从管道运动信息中确定模式比例，所以不要求停止流动以进行传感器校准。

在此讨论了产生实简正模态剩余挠度分量估计和从该估计中产生质量流量的剩余挠度补偿估计的各种技术。这些讨论参考附图5-16所示的示意图和流程图进行。可以理解的是在附图5-16的示意图和流程图中的通常块或块的结合可应用计算机可读程序代码实施，例如在计算机或数据处理器比如在附图6中所示的计算机50中运行的数据和/或程序指令。如在此所使用的，计算机可读程序代码包括但并不限于运行系统的指令(例如目标代码)、高级语言指令等，以及可以读取、访问或连同这种程序指令应用的数据。

程序代码可以装入到计算机上或类似的数据处理装置，这些装置包括(但并不限于)微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等。程序代码和计算机相结合形成一种能够实现在所示的流程图或示意图中的一个或多个块中所指定的功能。类似地，程序代码也可以装入到计算机或数据处理设备中以便程序代码和计算机能够提供一种执行在一个或多个块所指定的功能的装置。

程序代码还可以存储在计算机可读存储媒体中比如磁盘或磁带、磁泡存储器、可编程存储设备比如电子可擦可编程序只读存贮器(EEPROM)等。所存储的程序代码控制计算机访问存储媒体以实现其功能，以使存储在存储媒体中的程序代码形成一制造件，该制造件包括用于实现在流程图或示意图块中所指定的功能的程序代码的装置。程序代码还装入到计算机以执行一系列的操作步骤，由此执行步骤以使程序代码连同计算机一起执行在流程图或示意图中的块所指定的功能的步骤。因此，流程图和示意图的块支持执行特定的功能的装置、执行特定的功能的装置组合、执行特定的功能的步骤和计算机可读程序码装置的组合，这些块包含在计算机可读存储媒体中并用于执行指定的功能。

还应该理解的是，所示的流程图和示意图的每个块和在流程图和示意图中的块的组合都可以通过特定的硬件、在通用计算机上的软件或微程序或这两者的组合来实现。例如，通过专用集成电路(ASIC)、可编程的栅极阵列或类似的专用设备或通过装入在微处理器、微控制器、DSP或其它的通用的计算机设备上并执行的程序指令和数据来实现流程图和示意图的块的功能。在本领域中的熟练技术人员还会理解到虽然参考实施例是应用微处理器、微控制器、DSP或其它的通用的计算机设备数字地实施，但是还可以应用模拟计算机或处理元件比如模拟滤波器、模拟算术部件等实施流程图和示意图的功能。

A.应用驱动模式滤波估计实简正模态剩余挠度分量

依据本发明的第一方面，通过滤去引起“驱动”或“激励”模式的管道运动部分确定在所研究的频率(例如传感器的激励频率)下和除了驱动模式以外的模式相关的在基本为零质量流量的情况下剩余管道运动。然后应用实简正模态剩余挠度分量产生在未知的质量流率下的质量流量的剩余挠度补偿估计。在模态坐标域中或在物理坐标域中通过模式选通滤波实施驱动模式滤波。

依据第一种技术，应用模态域计算产生剩余挠度补偿质量流量估计。估计在除了驱动模式以外的至少一种模式中在基本为零质量流的情况下的剩余实简正模态运动。然后处理表示在随后未知的质量流量的情况下的传感器管道运动的运动信号以估计在未知的质量流量的情况下的管道的实简正模态运动。然后从在未知的质量流量的情况下所估计的实简正模态运动中抽取在基本为零的质量流量的情况下的剩余实简正模态运动以产生在未知质量流量的情况下实简正模态管道运动的剩余挠度补偿估计。然后应用管道运动的剩余挠度补偿估计以应用模态域质量流量估计技术产生质量流量的剩余挠度补偿估计。

参考附图8，通过应用模态滤波器[φ]^-1从物理坐标域中在基本为零的质量流量的情况下的管道运动表示{x}_noflow中估计在基本为零的质量流的情况下的实简正运动{η}_noflow：

             {η}_noflow＝[φ]^-1{x}_noflow，(12)

这里{η}_noflow表示在基本为零质量流的情况下模态响应，{x}_noflow表示在基本为零质量流的情况下的物理量比如位移、速度等，例如通过从传感器管道结构相关的运动换能器中所接收的运动信号所表示的物理量。

应用在与除了驱动模式以外的其它模式相关的激励频率下的零流量的模态响应{η}_noflow的实简正模态剩余挠度分量{η_residual}_noflow通过如下的方式产生在未知的质量流量的情况下的质量流量的剩余挠度补偿估计：从在未知的质量流量的情况下的管道运动的物理域表示{x}_flow中估计在未知的质量流量的情况下的实简正模态运动{η}_flow并减去实简正模态剩余挠度分量{η_residual}_noflow以得到在未知的质量流量的情况下的管道运动的剩余挠度补偿估计{η}_{flow，compensated}：

        {η}_{flow，compensated}＝{η}_flow-{η_residual}_noflow，(13)

然后应用在非零质量流量的情况下实简正模态运动的剩余挠度补偿估计{η}_{flow，compensated}并利用例如质量流量估计器810产生质量流量的剩余挠度补偿估计45，该质量流量估计器810用于从如在前文所提到的题为“应用实简正模态分解的振动管参数传感器、方法和计算机程序产品”的专利申请中所描述的模态域坐标中的实简正模态运动中直接估计质量流量。

附图9所示为应用模态域计算产生剩余挠度补偿质量流量估计的示例性操作900。接收表示管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的许多运动信号(块910)。从所接收的运动信号中估计在基本为零的质量流量的情况下的剩余实简正模态运动(块920)。然后接收表示管道在未知的质量流量的情况下运动的运动信号(块930)。从所接收的运动信号中估计在未知的质量流量的情况下的剩余实简正模态运动(块940)。然后从所估计的剩余实简正模态运动和所估计的在未知质量流量的情况下的实简正模态运动中产生剩余挠度补偿质量流量估计(块950)。

依据一种变型技术，在物理坐标域中应用模式选通滤波技术产生剩余挠度补偿质量流量估计。传感器管道的运动{x}可以看作由驱动模式引起的物理运动{x_drive}和由其它模式引起的剩余物理运动{x_residual}之和：

               {x}＝{x_drive}+{x_residual}，(14)

重新整理式(14)，

               {x_residual}＝{x}-{x_drive}，(15)

应用反演技术，一般形式的模式选通滤波器矩阵[Ψ]为：

这里[A]是一种对角线矩阵，将其设计成通过如上文所描述的所选择的模式，[φ]是模式形状矩阵，其列对应于模式形状而行对应于物理响应的位置，

是模态矩阵的广义逆矩阵。

由驱动模式引起的物理管道运动部分表示如下：

{x_drive}＝[Ψ]_drive{x}，(17)

这里[Ψ]_drive为设计成仅通过驱动或激励模式的模式选通滤波器。将方程式(16)和(17)代入方程式(15)，得：

{x_residual}＝[I]-[Ψ]_drive{x}  (18)

参考附图10，通过下式从在未知流量的情况下的物理响应{x}_flow和在基本为零的质量流量的情况下的物理响应{x}_noflow中估计在未知流量的情况下的物理运动的剩余挠度补偿估计{x}_{flow，compensated}：

{x}_{flow，compensated}＝{x}_flow-([I]-[Ψ]_drive){x}_noflow，(19)

因此，剩余挠度补偿处理包含计算在基本为零的流量下的剩余挠度矢量和从在未知的流量的下的物理响应{x}_flow中抽取该矢量。然后利用剩余挠度补偿估计{x}_{flow，compensated}即消除了剩余挠度相位差的响应并应用例如采用相位测量技术的常规质量估计器1010产生质量流量的估计45。

附图11所示为依据这种基于模态滤波的技术产生剩余挠度补偿质量流量估计的示例性操作1100。接收表示管道在基本为零的质量流量的情况下的运动信号(块1110)。对所接收的信号按如上描述进行模式选通滤波以估计在基本为零的质量流量的情况下的剩余物理运动(块1120)。然后接收表示管道在未知的质量流量的情况下管道运动的运动信号(块1130)。确定在未知的质量流量的情况下的物理运动(块1140)，并从所估计的剩余物理运动和所估计的在未知质量流量的情况下的物理运动中产生剩余挠度补偿质量流量估计(块1150)。

B.动态调零

依据本发明的另一方面，估计两个实简正模态剩余挠度分量并用其产生剩余挠度补偿质量流量估计。如上所述从表示在基本为零的质量流量的情况下的运动的运动信号中产生第一实简正模态剩余挠度分量。在非零的质量流量的情况下估计第二“动态”实简正模态剩余挠度分量，由此当应用传感器来更新传感器的零偏移校准时可以周期性地重新估计而不要求停止质量流。应用该第一和第二实简正模态剩余挠度分量来产生剩余挠度补偿质量流量估计。

本发明的本方面如下实现：传感器管道的实简正模式总可以分为“与流量较强相关”或“与流量较弱相关”。与流量较强相关的模式是那些具有对流经传感器管道的流率敏感的响应的模式，而与流量较弱相关的模式是对流率非常不敏感的模式。与流量较弱相关的模式包括例如如上所描述的实验地分析的传感器的横向模式。

与流量较强相关的模式对在基本为零的流量下的剩余挠度有作用。在许多情况下，比较合理的是假设与流量较强相关的模式相应的剩余挠度是时间的相对不变量，这意味着在流量模式中的变化可能不产生零漂移。然而，与流量较弱相关的模式可以对流率相对不敏感，但对边界条件的变化敏感。当这些模式变化时边界条件的变化导致较短或较长的零失调漂移。例如，边界条件的变化可以造成如上所描述的示例性传感器的横向模式频率的移动，导致该模式对剩余挠度或零偏移的变化。

为了说明，应用如上所描述的三英寸传感器的实验数据，该传感器的模态(或“模式形状”)矩阵[φ]可以减小为3列，分别对应于在125赫兹的驱动(异相弯曲)模式、在132赫兹的同相横向模式以及异相扭曲模式：

$\left[\mathrm{\Φ}\right]=\begin{array}{c}\end{array}\left[\begin{array}{ccc}0.445& 0.002& -0.904\\ 1.131& 0.006& -0.029\\ 0.445& -0.011& 0.904\\ 0.143& 0.064& 0.272\\ 0.009& 0.131& 0.015\end{array}\right]$

模态矩阵[φ]的行对应于右边、驱动和左边的换能器位置以及如上所描述的随后的斜交的和横向的加速度计。

应用N的实简正模式r的模态矩阵[φ]、模式比例系数Q_r和极点λ_r来确定频率响应函数矩阵[H]：

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\underset{r=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{{\mathrm{\Φ}}_r\·Q_r\·{{\mathrm{\Φ}}_r}^T}{\mathrm{j\ω}{-\mathrm{\λ}}_r}+\frac{{\mathrm{\Φ}}_r\·{Q^{*}}_r\·{\mathrm{\Φ}}^T}{{{\mathrm{j\ω}-\mathrm{\λ}}_r}^{*}}].---\left(20\right)$

响应矢量{x}可以从频率响应函数矩阵[H]和驱动力{F}中计算，调用下式：

                  {x}＝[H]{F}，(21)

三种模式的模态响应可以应用模态滤波器提取，应用例如反演法从模态矩阵[φ]中构造该模态滤波器。附图12A-B所示分别为示例性系统的物理响应x和模态响应η_bend，η_twist，η_lateral的幅值和相位的频率函数。

通过计算在左右换能器产生的运动信号之间的相位角度并除以激励频率ωd以确定时间差Δt来计算物理响应的剩余挠度引起的时间延迟。对于在附图12A-B中给定的数据：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\∠\left(x_1\right)-\∠\left(x_3\right)}{{\mathrm{\ω}}_d}=146n\sec .$

可以确定两种不同的模式选通滤波器，包括第一模式选通滤波器和第二模式选通滤波器，该第一模式选通滤波器通过弯曲的和横向的模式以产生物理响应矢量{x}_bl，而该第二模式选通滤波器通过弯曲的和扭曲的模式以产生物理响应矢量{x}_bt：

$\left\{x_{\mathrm{bl}}\left({\mathrm{\ω}}_d\right)\right\}=\left[\mathrm{\Φ}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\·\left\{\mathrm{\η}\left({\mathrm{\ω}}_d\right)\right\},$ 和

$\left\{x_{\mathrm{bt}}\left({\mathrm{\ω}}_d\right)\right\}=\left[\mathrm{\Φ}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left\{\mathrm{\η}\left({\mathrm{\ω}}_d\right)\right\},$

这里{x_bl(ω_d)}、{x_bt(ω_d)}和{η(ω_d)}分别是综合的弯曲的和横向的模式的物理响应矢量、综合的弯曲的和扭曲的模式的物理响应矢量以及模态响应矢量，所有这些都在激励频率ω_d下得出。

计算实验分析的传感器在零流量下的每个模式的带通滤波的分量{x_bl(ω_d)}、{x_bt(ω_d)}的零偏移的作用：

$\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{bl}}=\frac{\∠\left(x_{{\mathrm{bl}}_1}\right)-\∠\left(x_{{\mathrm{bl}}_3}\right)}{{\mathrm{\ω}}_d}=11n\sec ,$ 和

${\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{bt}}=\frac{\∠\left(x_{{\mathrm{bt}}_1}\right)-\∠\left(x_{{\mathrm{bt}}_3}\right)}{{\mathrm{\ω}}_d}=135n\sec ,$

即，横向模式响应对应于11纳秒的零偏移，而扭曲模式的响应对应于135纳秒的零偏移。

与流量相关的扭曲模式响应通常与流量混淆，因此很难确定在流动的情况下的由这种模式引起的零偏移。然而，与流量相关的扭曲模式通常与边界条件去耦并可以认为是时间的不变量。与流量较弱相关的横向模式分量可以认为对流率不敏感，但对边界条件变化相当大。

例如，如果由于边界条件的改变引起横向模式的振动频率降低4赫兹，则相应的模态对零偏移的贡献为：

${\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{bl}}=\frac{\∠\left(x_{{\mathrm{bl}}_1}\right)-\∠\left(x_{{\mathrm{bl}}_3}\right)}{{\mathrm{\ω}}_d}=23n\sec ,$ 和

${\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{bt}}=\frac{\∠\left(x_{{\mathrm{bt}}_1}\right)-\∠\left(x_{{\mathrm{bt}}_3}\right)}{{\mathrm{\ω}}_d}=135n\sec .$

利用来自新的横向模式频率的影响总的零偏移为158纳秒，即由于横向模式的振动频率的变化造成了变化。由于横向模式频率移动不影响扭曲模式，与扭曲模式的响应相关的零偏移Δt_bt为135纳秒，即未变化。

可以明显地看出，可以跟踪与流量较弱相关的模式的变化以监测边界条件的变化。在非零的流量的情况下可以监测与流量较弱相关的模式的变化，由此补偿剩余挠度以动态地更新而不需要流量停止。

附图13所示为依据动态调零的技术产生剩余挠度补偿质量流量估计的实例性操作1300。估计在基本为零的质量流量的情况下的与流量较强相关的实简正模式(例如如上所描述的传感器的扭曲模式)相关的第一实简正模态剩余挠度分量(块1310)。估计在非零质量流量的情况下的与流量较弱相关的模式(例如上文所描述的传感器的横向模式)相关的第二实简正模态剩余挠度分量(块1320)。然后接受表示管道运动的运动信号(块1330)，并应用第一和第二实简正模态剩余挠度分量从该运动信号中估计剩余挠度补偿质量流量的估计(块1340)。随后，更新第二实简正模态剩余挠度分量(块1320)，接受附加的运动信号(块1330)以及应用所更新的第二实简正模态剩余挠度分量从所接受的运动信号中产生新的剩余挠度补偿质量流量估计(块1340)。可以理解的是应用上文中参考附图5-11所描述的技术和装置在附图13中所示的估计过程可以在模态域中或在物理域中执行。

应用该模式的预定的频率响应函数而不测量实际管道运动从理想模式的极点估计中计算特定的实简正模式例如上文描述的横向模式的模态响应。例如，不测量横向模式的模态响应，对于已知的力{F}应用方程式(20)和(21)并设定r＝2可以计算横向模式的模态响应估计。

通过估计振动型比例估计实简正剩余运动

依据本发明的另一方面，在除了给定的频率(例如激励频率)以外的频率上的实简正模式中的所测量的运动中估计在给定的频率上的实简正模式相关的剩余挠度，在该激励频率上测量相位或时间差。例如，在激励频率附近的频率上测量实简正模态运动，并应用所测量的运动在激励频率上内插剩余挠度。依据本发明，各种线性的、多项式的或其它的插值技术都可以使用以从在除了激励频率以外的频率附近上所测量的实简正模态运动中产生在激励频率上的实简正模态运动估计。

依据本发明的一个方面，应用最小二乘法技术将在实简正模式中所测量的表示运动的数据拟合到所假设的应用在其上响应更容易测量的频率上的测量值的频率响应或“脉冲”函数，对于所研究的模式r而言单自由度的频率响应或“脉冲”函数通常采用如下的形式：

${\mathrm{\Δ}}_r\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_r}{N_r}={\mathrm{\κ}}_r(\frac{-j}{\mathrm{j\ω}-{\mathrm{\λ}}_r}+\frac{{(-j)}^{*}}{\mathrm{j\ω}-{\mathrm{\λ}}_r^{*}}),---\left(22\right)$

这里λ_r为模式r的特征值，η_r表示在模式r中的运动，N_r为在模式r中的模态激励，K_r为测量模态响应Δ_r的标量，以及*表示复共扼。从测量值中设定或估计特征值λ_r。例如，应用许多公知的极点估计技术比如D.J.Ewing在“模态测试：理论和实践”(John Wiley和Sons，Inc.(1984))中所描述的技术估计特征值λ_r。

特征值是一种具有表示模式r的阻尼的实部和表示模式r的衰减的自然频率ω_mr的虚部的复数。模式的阻尼很难测量，但是对于典型的科里奥利质量流量计，可以认为阻尼很低。假设忽略该阻尼：

${\mathrm{\Δ}}_r\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_r}{N_r}={\mathrm{\κ}}_r(\frac{-j}{\mathrm{j\ω}-{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{mr}}}+\frac{{(-j)}^{*}}{\mathrm{j\ω}+{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{mr}}}).---\left(23\right)$

如上文所描述，与流量相关的模式的响应比如附图所示的实例性的传感器的扭曲模式的响应通常与流量混淆，这就使得很难测量在非零流量的情况下与在激励频率附近的模式相连的剩余挠度。然而，以{Δ_r}表示响应流量高度相关的实简正模式的脉冲函数的矢量，应用最小二乘方方法计算“比例矩阵”[k]，该“比例矩阵”[k]将在远离该激励频率的频率下的流量相关的模式中的所测量运动关联到脉冲函数矢量{Δr}。然后通过将比例变换[k]应用到脉冲函数矢量{Δr}中应用“比例矩阵”[k]产生由流量相关的模式引起的在激励频率下的精确的剩余挠度估计。

具体地说，在非零流量的情况下以一个或多个所选择的频率ω_s激励管道结构。虽然可以任意选择这些选定频率ω_s，但是越远离该激励(驱动)频率ω_d，通常通过该管道的质量流使流量相关的模式的模态响应变形更小。可取的是，用于估计模式r的所选择的频率ω_s在模式r的谐振频率ω_mr的附近。

应用在所选择的频率ω_s下例如通过直接测量或从参数比如驱动电流中推导出的已知的物理力{F}。通过如下的变换式可以将物理力{F}变换到模态激励{N}：

                  {N}＝[φ]^T{F}    (24)

通过如下的变换将对力{F}的物理响应{x}变换成模态响应{η}：

                  {η}＝[φ]^-1{x}    (25)

对于在许多所选择的频率[ω_s]下获得模式r的模态响应矩阵

假设：

${\left[\frac{{\mathrm{\η}}_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)}{N_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)}\right]}_{\mathrm{flow}}=\left[\mathrm{\κ}\right]\left[\mathrm{\Δ}({\mathrm{\λ}}_r,{\mathrm{\ω}}_s)\right],---\left(26\right)$

这里，[Δ(λ_r，ω_s)]表示通过计算在许多所选择的频率ω_s下的模式r的脉冲函数的矢量{Δ_r}产生的矩阵。解方程式(26)得比例矩阵：

这里+表示伪逆矩阵。

因此，在零流量下在频率ω下的模态响应

即在频率ω下的与流量相关的模式相连的运动可以通过下式估计(在模态域坐标系中)：

$\left[\frac{{\mathrm{\η}}_r\left(\mathrm{\ω}\right)}{N_r\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]\≅\left[\mathrm{\κ}\right]\left\{{\mathrm{\Δ}}_r({\mathrm{\λ}}_r,\mathrm{\ω})\right\}={\left[\frac{{\mathrm{\η}}_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)}{N_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)}\right]}_{\mathrm{flow}}{\left[{\mathrm{\Δ}}_r({\mathrm{\λ}}_r,{\mathrm{\ω}}_s)\right]}^{+}\left\{{\mathrm{\Δ}}_r({\mathrm{\λ}}_r,\mathrm{\ω})\right\}.---\left(28\right)$

通常，通过在方程式(28)中设定ω＝ω_d，实现估计在激励频率ω_d下与流量相关的模式相连的剩余挠度。

如上文所描述，确定流量相关的模式即扭曲模式的剩余挠度。然而，可以理解的是上文所描述的方法还可以应用到更小的流量相关模式中。例如，与可忽略的流量相关的横向模式比如所描述的附图1的实例性的传感器的模式相对应的剩余挠度可以类似从描述横向模式的频率响应的脉冲函数中估计出来。

在给定频率下剩余挠度补偿实简正模态运动估计即用于补偿与不希望的模式相连的剩余挠度的实简正模态运动可以通过测量在该给定频率下的实简正模态运动{η}_flow并减去与不希望的模式相关的剩余实简正模态运动{η}_noflow得出。假设恒定的模态激励{N}，则通过下式给出剩余挠度补偿实简正模态运动{η}_{flow，compensated}：

         {η}_{flow，compensated}＝{η}_flow-{η}_noflow，(29)

然后应用补偿的实简正模态运动以与上文所描述的方式类似的方式来产生在未知的流量下的剩余挠度补偿的质量流量的估计。

在一些应用中在物理坐标系中可以更方便地确定剩余挠度。从模态坐标域变换到物理坐标域，在物理坐标域中管道运动的剩余挠度补偿估计表示如下：

{x(ω}}_{flow，compensated}＝[Φ]{η(ω)}_{flow，compensated}.        (30)

为补偿与流量相关的模式的剩余挠度，例如：

{x(ω}_{flow，compensated}＝[Φ][A_drive][Φ]^-1{x(ω)}_flow+[Φ][A_flowmode][Φ]^-1{x(ω)}_flow-

                         [Φ][A_flowmode][Φ]^-1[x(ω_s)][Δ_r(λ_r，ω_s)]⁺{Δ_r(λ_r，ω))，   (31)

这里[A_drive]和[A_flowmode]都是对角线矩阵，并分别将其设计成通过驱动模式和流量相关的模式。根据分别用于驱动模式和流量相关模式的模式选通滤波器[Ψ_drive]和[Ψ_flowmode]整理方程式(31)得：

{x(ω)}_{flow，compensated}＝[Ψ_drive]{x(ω)}_flow+[Ψ_flowmode]{x(ω)}_flow-

                          [Ψ_flowmode][x(ω_s)][Δ_r(λ_r，ω_s)]⁺{Δ_r(λ_r，ω)}.    (32)

附图14说明了产生剩余挠度补偿质量流量估计的实例性操作1400。确定描述在实简正模式下的传感器管道的运动函数作为频率函数(块1410)。确定在所选择的频率即实简正模式的谐振频率附近的频率下表示管道运动的值(块1420)。例如，接收表示在非零流量的情况下的传感器管道运动的运动信号，由此在实简正模式的谐振频率附近的许多所选择的频率下从所接收的信号中确定在实简正模式中的运动。然后例如应用如上文所描述的最小二乘方的方法估计与实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量(块1430)。然后接收表示在未知的质量流量的情况下管道运动的许多运动信号(块1440)，从所接收的运动信号和所估计的实简正模态剩余挠度分量中产生剩余挠度补偿的质量流量估计(块1450)。

附图15所示为在模态坐标域中产生质量流量的剩余挠度补偿估计的应用中估计剩余实简正模态运动的操作1500。确定描述在实简正模式中运动的脉冲函数(块1510)。接收表示管道运动的运动信号(块1520)。处理所接收的运动信号以产生表示在许多所选择的频率下管道运动的第一系列值(块1530)。例如，第一系列值描述在该模式的谐振频率附近的许多所选择的频率下的流量相关的模式中的运动。在许多所选择的频率下计算所确定的脉冲函数以产生第二系列值(块1540)。然后从第一和第二系列值中例如应用方程式(27)确定模式比例变换(块1550)。然后从比例变换和脉冲函数中确定在所研究的频率例如激励频率下的剩余实简正模态运动(块1560)，并利用它例如应用参考附图9所描述的技术来产生剩余挠度补偿质量流量估计(块1570)。

附图16所示为在物理坐标域中产生剩余挠度补偿质量流量估计的实例性的操作1600。确定描述在实简正模式例如流量相关模式或其它模式中的运动的脉冲函数(块1610)。接收表示管道运动的运动信号例如表示在非零的质量流量的情况下的管道运动的运动信号(块1620)。处理所接收的运动信号以产生表示在许多所选择的频率下管道运动的第一系列值(块1630)。在许多所选择的频率下计算所确定的脉冲函数以产生第二系列值(块1640)。在所研究的频率例如激励频率下计算脉冲函数(块1650)，将模式选通滤波器应用到在所研究的频率下第一系列值、第二系列值和脉冲函数值的乘积中以根据方程式(32)产生在该研究的频率下剩余物理运动估计(块1660)。然后利用所估计的剩余物理运动并应用例如参考附图11所描述的技术来产生剩余挠度补偿质量流量估计(块1670)。

III.结论

依据本发明，通过将质量流量传感器的振动管道的运动分解为实简正模态分量来确定“剩余挠度”即由于实简正模式的非谐振的影响引起的继续运动。估计与管道运动的至少一种实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量并应用它来产生剩余挠度补偿质量流量估计。

从表示在基本为零的质量流量的情况下的管道运动的信号中估计实简正模态剩余挠度分量。该估计可以在模态坐标域中执行或在物理坐标域中通过应用模式选通滤波来执行。实简正模态剩余挠度分量包括从表示传感器管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的运动信号中估计的第一分量和第二“动态”分量，该第二“动态”分量可以从表示管道在非零的质量流量的情况下的运动的运动信号中产生。在非零的流量的情况下可以动态地更新第二分量。

依据本发明的另一方面，确定描述振动管道在实简正模式中的运动作为频率函数即频率响应函数或脉冲函数的函数。应用该函数通过将实际管道运动的测量拟合到该函数来估计与实简正模式相关的剩余实简正模态分量，例如通过测量在许多所选择的频率下在实简正模式中传感器管道的许多运动值并应用最小二乘方技术确定实简正模式的模式比例。应用该模式比例产生实简正模态剩余挠度分量的估计。

依据本发明所应用的实简正模态分解技术能够提供更精确的剩余挠度估计。例如更精确的剩余挠度估计可以改善在相位或时间差类型的质量流量测量中对零偏移的补偿。此外，依据本发明的一些方面，可以不要求在传感器管道中的零质量流量而进行剩余挠度估计。

本发明的附图和说明书公开本发明的实施例。虽然是应用特定的方式进行描述，但是它们可以应用在通用的传感器中而不受特定的目的的限制。可以预计的是在本领域中熟练的技术人员可以在如下的权利要求所限定的范围内设计或使用等价的实施例。

Claims (22)

1.一种在质量流量参数测量设备中估计流经振动管道的材料的质量流量参数的方法，所述方法包括如下步骤：

估计与所述管道的实简正模式运动相关的实简正模态剩余挠度分量，所述的实简正模态剩余挠度分量代表由于实简正模式的非谐振的影响引起的剩余运动(710)；

接收表示所述管道在沿着所述管道的不同点上的运动的多个运动信号(720)；以及

从所述多个运动信号和所述实简正模态剩余挠度分量中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计(730)。

2.权利要求1所述的方法，其中所述实简正模态剩余挠度分量包括在基本为零的流量的情况下的实简正模态运动和在未知的质量流量情况下的实简正模态情况，所述估计实简正模态剩余挠度分量的步骤(710)包括如下的步骤：

接收表示所述管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的第一多个运动信号(910)；

从所述第一多个运动信号中估计在所述基本为零的流量的情况下的所述剩余实简正模态运动(920)；

接收表示所述管道在未知质量流量的情况下的运动的第二多个运动信号(930)；和

从所述第二多个运动信号中估计在所述未知质量流量的情况下的所述剩余实简正模态运动(940)。

3.权利要求2所述的方法，其中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计的步骤(730)包括如下步骤：

从在所述基本为零的流量的情况下的所述剩余实简正模态运动和在所述未知质量流量情况的所述剩余实简正模态运动中产生所述质量流量参数的所述剩余挠度补偿估计(950)。

4.权利要求1所述的方法，其中估计所述实简正模态剩余挠度分量的步骤(710)包括如下步骤：

接收表示所述管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的第一多个运动信号(1110)；

对所述第一多个运动信号进行模式选通滤波以估计在所述基本为零 的质量流量的情况下的剩余物理运动(1120)；

接收表示所述管道在未知质量流量的情况下的运动的第二多个运动信号(1130)；以及

估计在所述未知质量流量的情况下的物理运动(1140)。

5.权利要求4所述的方法，其中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计的步骤(730)包括如下步骤：

从所述剩余物理运动和在所述未知质量流量的情况下估计的物理运动中产生所述质量流量参数的所述剩余挠度补偿估计。

6.权利要求1所述的方法，其中估计所述实简正模态剩余挠度分量的步骤(710)包括如下步骤：

估计在基本为零的质量流量的情况下与和流量相关的模式相关联的第一实简正模态剩余挠度分量(1310)；以及

估计在未知质量流量的情况下与和流量较弱相关的模式相关的第二实简正模态剩余挠度分量(1320)。

7.权利要求6所述的方法，其中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计的步骤(730)包括如下的步骤：

从所述接收到的多个运动信号、所述第一实简正模态剩余挠度分量和所述第二实简正模态剩余挠度分量中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计(1340)。

8.权利要求1所述的方法，其中估计所述实简正模态剩余挠度分量的步骤(710)包括如下的步骤：

确定描述在实简正模式中作为频率函数的管道运动的函数(1410)；

确定表示在所选择的频率下的所述管道运动的值(1420)；以及

通过将所述值拟合到所述函数中来估计所述实简正剩余挠度分量(1430)。

9.权利要求1所述的方法，其中估计所述实简正模态剩余挠度分量的步骤(710)包括如下的步骤：

确定描述在实简正模式中作为频率函数的管道运动的函数(1510)。

10.权利要求9所述的方法，其中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计的步骤(730)包括如下的步骤：

在多个所选择的频率下产生表示实简正模态运动的第一多个值(1530)；

计算在模式谐振频率附近的所述多个所选择频率下的所述函数以产生第二多个值(1540)； 

从所述第一多个值和所述第二多个值中确定模式比例变换(1550)；

从所述模式比例变换和所述函数中估计在驱动频率下的剩余实简正模态运动(1560)；以及

从在所述驱动频率下估计的剩余实简正模态运动中产生所述剩余挠度补偿质量流量参数(1570)。

11.权利要求9所述的方法，其中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计的步骤(730)包括如下的步骤：

产生表示所述管道在多个所选择的频率下的物理运动的第一矩阵(1630)；

计算在模式谐振频率附近的所述多个所选择频率下的所述函数以产生第二矩阵(1640)；

计算在驱动频率下的所述第二矩阵以获得计算结果(1650)；

对所述第一矩阵、在所述驱动频率下计算的所述第二矩阵以及所述函数的所述计算结果的乘积进行模式选通滤波以产生在所述驱动频率下剩余物理运动的估计(1660)；以及

在所述驱动频率下从所述剩余物理运动的所述估计中产生所述质量流量参数的所述估计(1670)。

12.一种估计流经在质量流量测量设备中振动管道的材料的质量流量参数的设备(5)，该设备具有管道(103A-103B)、当材料流经所述管道时振动所述管道的驱动器(104)，以及在至少两个不同的位置上测量所述管道运动并产生表示所述运动的信号的传感器(105A-105B)，其中所述设备产生所述材料的质量流量参数的估计，所述设备包括：

从所述传感器(105A-105B)接收信号并估计与所述管道(103A-103B)的实简正模式相关的实简正模态剩余挠度分量的实简正模态剩余挠度分量估计器(30)，所述的实简正模态剩余挠度分量代表由于实简正模式的非谐振的影响引起的剩余运动；

响应对所述实简正模态剩余分量的估计并从所述信号和所述实简正模态剩余挠度分量中产生剩余挠度补偿质量流量参数的剩余挠度补偿质量流量估计器(40)。

13.权利要求12所述的设备，其中所述实简正模态剩余挠度分量估计器包括：

用于接收表示所述管道在基本为零的质量流量的情况下的运动的第一多个运动信号的装置；

用于从所述第一多个运动信号中估计在所述基本为零的流量的情况 下的所述剩余实简正模态运动的装置；

用于接收表示所述管道在未知质量流量的情况下的运动的第二多个运动信号的装置；

用于从所述第二多个运动信号中估计在所述未知质量流量的情况下所述剩余实简正模态运动的装置。

14.权利要求13所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计器包括：

用于从在所述基本为零的流量的情况下的所述剩余实简正模态运动和在所述未知质量流量的情况的所述剩余实简正模态运动中产生所述质量流量参数的所述剩余挠度补偿估计的装置。

15.权利要求12所述的设备，其中所述实简正模态剩余挠度分量估计器(30)包括：

用于接收表示在基本为零的质量流量的情况下所述管道的运动的第一多个运动信号的装置；

用于对所述第一多个运动信号进行模式选通滤波以估计在所述基本为零的质量流量的情况下的剩余物理运动的装置；

用于接收表示所述管道在未知质量流量的情况下的运动的第二多个运动信号的装置；以及

用于估计在所述未知质量流量的情况下的物理运动的装置。

16.权利要求15所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计器(40)包括：

从所述剩余物理运动和在所述未知质量流量的情况下估计的物理运动中产生所述质量流量参数的所述剩余挠度补偿估计的装置。

17.权利要求13所述的设备，其中所述实简正模态剩余挠度分量估计器包括：

用于估计在基本为零的质量流量的情况下与和流量相关的实简正模式相关联的第一实简正模态剩余挠度分量的装置；以及

用于估计在未知质量流量的情况下与和流量较弱相关的模式相关的第二实简正模态剩余挠度分量的装置。

18.权利要求17所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计器包括：

用于从所接收的第一多个运动信号和所接收的第二多个运动信号、所述第一实简正模态剩余挠度分量和所述第二实简正模态剩余挠度分量中产生所述质量流量参数的剩余挠度补偿估计的装置。 

19.权利要求12所述的设备，其中所述实简正模态剩余挠度分量估计器(30)包括：

用于确定描述在实简正模式中作为频率函数的管道运动的函数的装置。

20.权利要求19所述的设备，其中所述实简正模态剩余挠度分量估计器(30)还包括：

用于确定表示在所选择的频率下所述管道运动的值的装置；以及

用于通过将所述值拟合到所述函数中来估计所述实简正剩余挠度分量的装置。

21.权利要求20所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计器(40)包括：

用于在多个所选择的频率下产生表示实简正模态运动的第一多个值的装置；

用于计算在模式谐振频率附近的所述多个所选择频率下的所述函数以产生第二多个值的装置；

用于从所述第一多个值和所述第二多个值中确定模式比例变换的装置；

用于从所述模式比例变换和所述函数中估计在驱动频率下的剩余实简正模态运动的装置；以及

用于从在所述驱动频率下估计的剩余实简正模态运动中产生所述剩余挠度补偿质量流量参数的装置。

22.权利要求20所述的设备，其中所述剩余挠度补偿质量流量估计器(40)包括：

用于产生表示所述管道在多个所选择的频率下的物理运动的第一矩阵的装置；

用于计算在模式谐振频率附近的多个所选择频率下的所述函数以产生第二矩阵的装置；

用于计算在所述驱动频率下的第二矩阵的装置；

用于对所述第一矩阵、在所述驱动频率下计算的所述第二矩阵以及对所述函数的估计的乘积进行模式选通滤波以产生在驱动频率下的所述剩余物理运动的估计的装置；以及

用于在所述驱动频率下从所述剩余物理运动的所述估计中产生所述质量流量参数的所述估计的装置。 

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