CN101595372A - 操作振动型测量仪器的方法及对应仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及操作振动测量仪器的方法，根据该方法，流体介质可以流过至少一个测量管(1)，借助于振动产生单元(4)而使测量管(1)机械地振动。由至少一个振动传感器(5a、5b)来探测根据流体介质的流量和/或粘度和/或密度而改变的振动行为，以便在窄带频率范围内确定质量流量和/或粘度和/或密度，然后由电子单元(6)来评估信号。本发明的特征在于：电子单元(6)还评估测量管(1)在宽带频率范围内的振动行为，以便确定物理操作参数来提高测量精确度，和/或校正横向灵敏度，和/或获得关于测量仪器状态的附加信息。
Description
技术领域
本发明涉及操作振动型仪器的方法，其中流体介质可以流过至少一个测量管，通过振荡产生单元使该测量管以如下的振荡行为机械地振荡：该振荡行为作为流体介质的流量和/或粘度和/或密度的函数而改变，由至少一个振荡传感器来探测该振荡行为，以便在窄带频率范围内确定质量流量和/或粘度和/或密度，然后借助于电子单元通过信号处理来评估该振荡行为。
此外，本发明还包括可以使用这种方法来操作的振动型仪器本身。
背景技术
本文所关注的振动型仪器也被称为科里奥利流量计(Coriolis)并且用于对流体质量进行机械流量测量，并且用于质量流量的精确度比较重要的装置，例如用于精炼厂、食品行业、化学制造装置等。使用该普通型的仪器来测量的流体介质可以是不同类型的。使用领域从诸如酸奶等高粘度甚至糊状物质延伸至诸如汽油等轻质低粘度物质。
基于测量管的设计来看，这种类型的流量计可以是不同的。例如，存在这样的科里奥利流量计：其具有彼此平行地设置的一个或多个笔直测量管。另一方面，如下科里奥利流量计也在得到正常使用：其具有彼此并排布置的一个或多个Ω形测量管。在优选地具有两个测量管的实施例中，出于流动的目的，可以将这些测量管串联或彼此平行地连接。最近，仅具有一个笔直测量管的科里奥利流量计得到日益广泛地应用。这些流量计的不同之处在于其简单的机械设计，该设计相对而言几乎不需要费力来制造。另一方面，为了能够获得精确的测量值，仅具有一个笔直测量管的科里奥利流量计对良好的环境条件和制造精度有相对更严格的要求。本发明可以应用于所有已知的测量管装置。
在原理上，科里奥利流量计是这样的机械振荡系统：其受激励而以其固有频率之一发生振荡，以便从测量管的振荡行为获得与测量介质的质量流量和/或密度和/或粘度相关的信息，测量管的振荡行为受到科里奥利力的影响并优选地由感应传感器来探测。在该情况下，可以通过信号处理来确定许多取决于固有频率的物理参数。
WO 01/75339 A2披露了操作科里奥利流量计的普通类型的方法。在该情况下，测量管以第一振荡形式和独立于第一振荡形式的第二振荡形式受激励。对测量管的振荡行为进行评估的电子单元使用模型作为基础在操作期间确定特性物理操作参数。
优选地，可以在相同的振荡模态中进行90°的相移来形成上述各种振荡形式。该方法可以确定多个特性物理操作参数。尤其优选地，这使得能够确定出流量计的零点(zero point)和灵敏度。这些特性物理操作参数对质量流量的判断准确性具有显著影响。
然而，上述方法具有这样的缺点：为了获得所需特性物理操作参数，需要实施不同的振荡模态。与所选振荡模态的频谱匹配地执行信号评估。
发明内容
本发明的目的在于提供操作振动型仪器的方法，利用该方法简化特性物理操作参数的振荡激励，并且更准确地进行信号评估。
基于如权利要求1的前序部分所述的方法，结合该权利要求的特征部分来达到该目的。
对于可以使用根据本发明的方法操作的科里奥利流量计本身，用权利要求14达到该目的。分别引用权利要求1和14的从属权利要求详细说明本发明的有益改进。
本发明包括教导如下内容的方法：由电子单元附加地在宽带频率范围内评估测量管的振荡行为，以便确定辅助(supplementary)物理操作参数从而提高测量精确度，和/或以便校正横向灵敏度(cross-sensitivity)，和/或以便获得与仪器状态相关的辅助信息。
宽带频率评估(broadband frequency evaluation)可以包括例如频谱分析，尤其是快速傅立叶变换(FFT或DFT)等已知方法、以及用于确定功率谱密度和自相关函数或互相关函数的单路(single-channel)和双路测量方法、或例如平均化(averaging)和阶跃函数响应分析等其它方法。
零点相移和流量灵敏度是可以由宽带频率评估获得的辅助物理操作参数。
此外，从宽带频率评估获得的参数可以用于校正横向灵敏度，例如与温度、压力、仪器上的外部机械载荷或机械作用、以及安装该仪器的管道系统中的寄生振荡(parasitic vibration)相关的灵敏度。
此外，可以从宽带频率评估获得与仪器的状态或处理环境的状态相关的诊断信息，例如与裂缝的产生和/或蔓延、已变松动的部件或松动部件存在与否、或者在测量管壁的内部是否产生沉积物相关的诊断信息。
根据本发明的一个优选实施例，振荡产生单元以单模激励的形式以可能的固有频率之一以窄带方式操作测量管。
根据另一个优选实施例，振荡产生单元以多个固有频率以宽带方式操作测量管。
根据另一个优选实施例，振荡产生单元同时用包括多个固有频率的宽带信号来激励测量管。
根据另一个优选实施例，振荡产生单元激励测量管，从而使得窄带激励信号的频率在宽带频率范围内变化。这可以采用扫掠频率发生器的形式或者采用单频扫描的形式来完成。
根据另一个优选实施例，通过来自仪器环境的宽带机械扰动振荡以多个固有频率以宽带方式激励测量管。这种激励也称为被动激励(passive excitation)。在该情况下，利用如下事实：宽带噪音，例如由于仪器周围的管道系统的机械振动而引入仪器中的宽带噪音以一定量的能量来激励每个固有模态。具体地说，在安装了该仪器的流量系统中的抽吸或空化噪音(cavitation noise)可以产生外部噪音。
根据另一个优选实施例，宽带激励叠加在测量管的窄带激励上。
根据另一个优选实施例，交替地以窄带方式和宽带方式执行对测量管的激励。
根据另一个优选实施例，作为特性操作参数，与共振频率相邻的低频振荡和高频振荡的振幅被确定，以作为老化过程的指示器。
根据另一个优选实施例，振荡产生单元交替地以至少两个不同的固有频率激励测量管。
根据另一个优选实施例，作为特性操作参数，测量管中的压力作为各个共振频率的函数而被确定。
根据另一个优选实施例，作为特性操作参数，零点相差和流量灵敏度被确定。
根据另一个优选实施例，同样由振荡产生单元产生的宽带激励叠加在测量管的窄带激励上。
对于振动型仪器，本发明包括如下技术教导：电子单元附加地在宽带频率范围内评估测量管的振荡行为，以便确定辅助物理操作参数来提高测量精确度，和/或以便校正横向灵敏度，和/或以便获得与仪器状态相关的辅助信息。
根据另一个优选实施例，振荡产生单元以单模激励的形式以可能的固有频率之一以窄带方式操作测量管。
根据另一个优选实施例，振荡产生单元以多个固有频率以宽带方式操作测量管。
根据另一个优选实施例，振荡产生单元同时用包括多个固有频率的宽带信号激励测量管。
根据另一个优选实施例，振荡产生单元激励测量管，从而使得窄带激励信号的频率在宽带频率范围内变化。
根据另一个优选实施例，通过来自仪器环境的宽带机械扰动振荡以多个固有频率以宽带方式激励测量管。
根据另一个优选实施例，测量管是被叠加了宽带激励的窄带激励来激励的。
根据另一个优选实施例，测量管是被交替地以窄带方式和宽带方式来激励的。
根据另一个优选实施例，待由电子单元评估的宽带频率范围覆盖几千赫兹。
根据另一个优选实施例，可以振荡的测量管设计为笔直的或弯曲的，从而产生对于测量而言有效的多个固有频率。
根据另一个优选实施例，电子单元不仅提供表示测量介质的流量值的信息A，而且提供与流量计状态相关的诊断信息B。
根据本发明的技术方案的优点在于：具体地，即使测量管的振荡激励可能也仅仅覆盖狭窄带宽，也可以使用测量管的振荡行为的整个频谱来获得关于特性物理操作参数的可靠信息。这使得可以补偿不同的横向灵敏度以及诊断仪器完整性。这是因为在测量管的振荡行为的宽带频率范围内除了共振频率以外还产生高频振荡和低频振荡，并且高频振荡和低频振荡具有还间接地适于用作老化过程等的指示器的谐波特征或次谐波特征。
在本发明的范围内，还可以由振荡产生单元以至少两个不同的固有频率激励测量管。这使得作为特性操作参数，测量管中的机械压力可以作为各个对应变化的共振频率的函数而被确定。
此外，可以将同样由振荡产生单元产生的宽带激励叠加到根据本发明的测量管的窄带激励上。作为另一种选择，还可以改变振荡模态。如此顺序实施不同的激励模式可以评估测量系统中的非线性，该非线性可以特别地用作老化过程的指示器。除了表示测量介质的流量的信息以外，可以将关于流量计状态的这种和其它诊断信息提供在电子单元的输出侧以便进行进一步的处理。
附图说明
参照该单个附图，结合对本发明的一个优选示例性实施例的描述，在下文中更详细地描述改善本发明的其它措施。该附图示出科里奥利流量计的示意图。
具体实施方式
从该图中可以看出，科里奥利流量计包括成双地布置并设置在流入凸缘2与流出凸缘3之间的弯曲测量管1。振荡产生单元4使得在流入凸缘2与流出凸缘3之间流动的测量介质(包括测量管1在内)与测量管1一同机械地振荡。分离式传感器单元5a、5b在所示实例的振荡产生单元4的两侧安装到测量管1上并且探测测量管1的振荡行为，该振荡行为为对振荡激励的响应。将得自传感器单元5a、5b的测量信号供应到电子单元6的输入侧以进行信号处理。
虽然振荡产生单元4仅以窄带方式以可能的频率之一激励测量管1，但电子单元6在相对来讲带宽较宽的频率范围内评估测量管1的振荡行为。这是基于这样的假设：谐调(tune)传感器单元5a和5b来探测几千赫兹的宽频频谱。
除了表示测量介质流量值的第一信息A以外，电子单元6还提供关于流量计物理状态的诊断信息B，尤其是关于老化过程的信息，可以直接显示诊断信息B或者可以将诊断信息B传送到上级控制单元以进一步进行信号处理。
在评估特性操作参数的过程中，电子单元6尤其对除了窄带振荡激励的共振频率以外还产生的低频和高频振荡的振幅进行评估，电子单元6适于用作老化过程的指示器。通过使用例如仪器的零点(zeropoint)、相差和/或流量灵敏度等其它特性操作参数，可以发现由温度波动等产生的扰动，以便通过合适的信号处理补偿措施来获得测量精确性。
为了能够实现扩展的信号分析功能，电子单元6是具有较高计算能力的微处理器。
本发明的一个具体优点在于：通常不需要附加的传感器硬件来从传感器5a、5b获得测量信号的多个附加信息。这是可以在可用的高性能信号处理器中实施的基于软件的方案。
本发明不限于上述示例性实施例。事实上，其变型也是可行的并且以下权利要求书的保护范围涵盖其变形。例如，可以以不与弯曲测量管结合的方式使用根据本发明的方案。具体地说，可以使用根据本发明的方法来操作具有单根或双根笔直测量管的科里奥利流量计。
附图标记列表
1 测量管
2 流入凸缘
3 流出凸缘
4 振荡产生单元
5 传感器单元
6 电子单元
A 流量值/信息
B 诊断信息
Claims (24)
1.一种操作振动型仪器的方法，在所述方法中，流体介质流过至少一个测量管(1)，通过振荡产生单元(4)使所述测量管(1)以如下的振荡行为机械地振荡：所述振荡行为作为流体介质的流量和/或粘度和/或密度的函数而改变，由至少一个振荡传感器(5a、5b)来探测所述振荡行为，以便在窄带频率范围内确定质量流量和/或粘度和/或密度，然后借助于电子单元(6)通过信号处理来评估所述振荡行为，其特征在于：
由所述电子单元(6)附加地或替代地在宽带频率范围内至少间或地评估所述测量管(1)的振荡行为，以便确定辅助物理操作参数来提高测量精确度，和/或以便校正横向灵敏度，和/或以便获得与仪器的状态和/或处理环境的状态相关的辅助信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述振荡产生单元(4)以单模激励的形式以可能的固有频率之一以窄带形式操作所述测量管(1)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述振荡产生单元(4)以多个固有频率以宽带方式操作所述测量管(1)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，
所述振荡产生单元(4)同时用包括多个固有频率的宽带信号来激励所述测量管(1)。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，
所述振荡产生单元(4)激励所述测量管(1)，从而使得窄带激励信号的频率在宽带频率范围内变化。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，
通过来自仪器环境的宽带机械扰动振荡以多个固有频率以宽带方式激励所述测量管(1)。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，
宽带激励叠加在所述测量管(1)的窄带激励上。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，
交替地以窄带方式和宽带方式执行对所述测量管(1)的激励。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
作为特性操作参数，与共振频率相邻的低频振荡和高频振荡的振幅被确定，以作为老化过程的指示器。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述振荡产生单元(4)交替地以至少两个不同的固有频率激励所述测量管(1)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
作为特性操作参数，所述测量管(1)中的压力作为各个共振频率的函数而被确定。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
作为特性操作参数，零点相差和流量灵敏度被确定。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
同样由所述振荡产生单元(4)产生的宽带激励叠加在所述测量管(1)的窄带激励上。
14.一种振动型仪器，其具有至少一个测量管(1)，流体介质流过所述测量管(1)，通过振荡产生单元(4)使所述测量管(1)机械地振荡，用传感器单元(5a、5b)在窄带范围内探测所述测量管的振荡行为的影响，以便确定质量流量和/或粘度和/或密度，所述影响作为所述流体介质的流量和/或粘度和/或密度的函数而改变，并且借助于电子单元(6)通过信号处理来评估所述影响，其特征在于：
所述电子单元(6)附加地或替代地在宽带频率范围内至少间或地评估所述测量管(1)的振荡行为，以便确定辅助物理操作参数来提高测量精确度，和/或以便校正横向灵敏度，和/或以便获得与仪器的状态和/或处理环境的状态相关的辅助信息。
15.根据权利要求14所述的仪器，其中，
所述振荡产生单元(4)以单模激励的形式以可能的固有频率之一以窄带的方式操作所述测量管(1)。
16.根据权利要求14所述的仪器，其中，
所述振荡产生单元(4)以多个固有频率以宽带方式操作所述测量管(1)。
17.根据权利要求16所述的仪器，其中，
所述振荡产生单元(4)同时用包括多个固有频率的宽带信号激励所述测量管(1)。
18.根据权利要求16所述的仪器，其中，
所述振荡产生单元(4)激励所述测量管(1)，从而使得窄带激励信号的频率在宽带频率范围内变化。
19.根据权利要求14所述的仪器，其中，
通过来自仪器环境的宽带机械扰动振荡以多个固有频率以宽带方式激励所述测量管(1)。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的仪器，其中，
所述测量管(1)是被叠加了宽带激励的窄带激励来激励的。
21.根据权利要求15至19中任一项所述的仪器，其中，
所述测量管(1)是被交替地以窄带方式和宽带方式来激励的。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的仪器，其中，
待由所述电子单元(6)评估的宽带频率范围覆盖几千赫兹。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的仪器，其中，
可以振荡的测量管(1)设计为笔直的或弯曲的，从而产生对于测量而言有效的多个固有频率。
24.根据权利要求14至23中任一项所述的仪器，其中，
所述电子单元(6)不仅提供表示测量介质的流量值的信息A，而且提供与流量计的状态和/或处理环境的状态相关的诊断信息B。
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