CN101925801B - 用于探测在涡流或旋流流量计中的无流量情况的方法 - Google Patents

用于探测在涡流或旋流流量计中的无流量情况的方法 Download PDF

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Abstract

无流量状态通过涡流或旋流流量计的输出信号的谱线分析探测和指示。在一般正流率状态中，大幅度的分量(可能除像由电源引起的50Hz分量的已知干扰之外)紧紧环绕涉及流率的最大幅度的分量的频率。在无流量状态中，具有大幅度的分量主要由某个驱动泵的电动机或其类似物引起并且由例如40Hz的基本频率(如由电动机引起)和例如80Hz和120Hz的它的谐波构成。如果大幅度分量的集合包括具有大于最大幅度分量的频率乘以1.15的频率或小于其频率除以1.15的频率的分量，这可已经指示无流量状态。取决于应用，可以使用像接近像2、3的小整数和它们的倒数或比的频率比的存在的更严格的标准。

Description

用于探测在涡流或旋流流量计中的无流量情况的方法
技术领域
本发明涉及用于涡流或旋流流量计的输出信号的评价的方法。这些类型的流量计用于测量在用于计量和其他目的的管道中的流体流量。
背景技术
各种类型的涡流流量计和旋流流量计是已知的，参见例如ABBOperating InstructionD184B097U02“Vortex Flowmeter FV4000-VT4/VR4 Swirl Flowmeter FS4000-ST4/SR4”。这两种类型流量计利用以下事实：在流体流动中在非流线型体的下游端形成具有与流率成比例的频率的涡流或旋流。涡流或旋流在时间上引起由下游传感器(通常压电压力传感器或连接到压电传感器的桨)拾取的压力变化。该传感器产生分别反映该压力变化或由它们引起的桨的运动的电输出信号。在正常流动状态下该信号包含分别反映涡流形成或旋流形成的频率的周期分量，其幅度比关于不同频率的分量的幅度大得多。
在所述状态下流量计的输出信号可以采用简单方式通过使它在各个情况下在评价区间上经受快速傅立叶变换然后识别在频域中的最大值的位置来评价。流率然后通过与常数的乘法而产生。
然而，在无流量状态下，其中流量计从管道的剩余部分完全切断，例如通过封闭阀门，上文说明的方法将常常导致指示正流率的虚假结果。在无流量状态下，通常像驱动泵的电动机的系统的一些部分产生具有最大幅度的周期分量。涉及电动机的旋转频率的它的频率将误读为分别由涡流形成或旋流形成引起的分量和指示的正流率，其可能进而导致不恰当的校正措施。
发明内容
本发明的目的是提供用于涡流或旋流流量计的输出信号的评价的方法，其中高度准确地识别和指示无流量状态。该目的通过在权利要求1的特征部分中指出的特征达到。
根据本发明的方法允许无流量情况的即刻探测。虚假的正流量结果如此识别并且可以校正。在期望的情况下探测的无流量状态可以立即纠正。
附图说明
在下面，本发明将参照仅示出实施例的下列附图更详细地说明。
图1示意地示出通过适合用于应用根据本发明的方法的涡流流量计的纵剖面，
图2a图解地示出涡流流量计在正常操作状态下的输出信号的谱，以及
图2b图解地示出涡流流量计在无流量状态下的输出信号的谱
具体实施方式
图1示出包括管形外壳1的涡流流量计，该管形外壳1正常将连接到由容器和管道网络构成的管道系统，其具有电动机驱动泵、阀门、传感器和其他部件。在外壳1内居中固定楔形非流线型体2并且某种程度上在下游包括桨3的传感器通过压电元件悬浮。后者产生输出信号，该输出信号在包括数字信号处理器的评价单元4中评价。该评价单元4如下文说明的产生数字流率信号和无流量标识信号。
如果流体流过外壳1，具有关于外壳的轴线的交替偏移和相对的旋转方向的涡流在非流线型体2的下游端形成然后由流动带走。由于它们经过桨3的右侧和左侧(其在任何情况下引起静压下降)，浆3分别交替地偏转到左和右，即经受其频率与经过桨3的成对涡流的频率成比例的摆动运动。该摆动运动在压电元件的输出信号中反映。
如众所周知的，由流动携带的涡流的频率基本上与流率成比例，遵照关系
(1)v＝f×d/St
其中v是流速，f是涡流频率，d是非流线型体2的宽度并且St是斯特鲁哈尔数(Strouhal number)，即流速涉及涡流频率乘以所谓的k因数d/St，其是之前已经确定的常数。在正常操作状态下，因此提取输出信号的周期分量(其反映由涡流的经过引起的桨3的摆动)和确定它的频率是足够的。由于讨论的分量通常具有包含在输出信号中的所有周期分量中相比其他的最大幅度，这是简单的。
传感器的输出信号(模拟电压)以例如10kHz的速率取样。确定在评价单元4的数字信号处理器中的该一系列数字的处理的参数取决于相关频率范围，其随应用的类型强烈变化。下文给出的示例基于在具有几厘米直径的管道中的液体流动。相关频率的范围在该情况下是由大约9Hz和200Hz界定的区间。利用在更大直径管道中的液体流动，相关频率一般更低，但是在同样尺度的管道中的气体流动的情况下它们趋于高得多。
数字的序列首先在大约1sec的评价区间上经受傅立叶变换(由数字信号处理器执行的快速傅立叶变换(FFT))。频率分辨率是大约0.1Hz。然后修改傅立叶变换，其中扣除DC分量。结果是由许多分量构成的谱，每个分量由在9Hz和200Hz之间等距间隔的大约2000个频率中的一个和对应于该频率的并且由实数表示的幅度来表示。
在该示例中，分量的幅度在各个情况下对应于幅度的绝对值，但它也可以由反映幅度值的某个其他数量表示，例如它的平方。参数的许多其他细节和选择取决于应用的类型和它的相关频率的有关范围。
图2a示出输出信号的谱，即在正常流动状态下(其中流动相关的频率是12Hz)作为频率的函数的该输出信号的傅立叶变换的幅度。傅里叶变换在该频率显示明显的最大值，其容易识别，但是具有相对大的幅度的剩余分量紧紧环绕在该最大幅度分量频率周围。仅存在一个具有相当大的幅度的相对远离分量，即在电源的50Hz频率处的干扰。由于预先知道该干扰将出现，它可以被排除或屏蔽。如果有其他已知的干扰，它们可以采用相同的方式处理。流率可以使用(1)从具有最大幅度的分量的频率推导。
在无流量情况下，上文概述的方法将产生虚假的正流量结果。这可以从图2b看出，其示出这样的无流量情况，其中包含流量计的外壳1通过封闭阀门从管道系统的剩余部分分离。在该情况下由管道系统中驱动泵的电动机引起的在80Hz处相当明显的最大值将误读为指示明显流率，特别地当它在幅度上可与在12Hz处的流量相关的最大幅度分量相当时。然而，已经发现而且从图中明显的是，在无流量状态下，输出信号的周期分量和它们在频率范围上的分布具有特定性质(其反映在傅立叶变换中并且可以用于识别该状态)。存在若干个幅度最大值，其或完全隔离或属于具有相对大幅度的另外的分量的小簇。在频率范围中最大幅度分量的频率至少部分相对远离彼此，它们的比明显大于或小于1。这是由于主导周期分量是涉及电动机频率(在图2b中示出的情况下40Hz)和它的谐波(其在图2b中出现在80Hz和120Hz)的分量的事实。这里再次，在50Hz处具有它的相当大的幅度的电源分量可以在评价前排除或屏蔽。无流量状态因此可以通过输出信号(特别是它的傅立叶变换)的适当评价来探测，其中研究反映所述性质的特征的存在。由此可以避免输出信号的未探测到的误读。
作为第一步，具有大的幅度的分量集合从傅立叶变换的分量中选择。特别地这些选择的分量是在频谱中的局部最大值。为此，可已经例如通过如上文说明的排除已知干扰而预处理的傅立叶变换的分量按照递减的幅度排序。在有序序列的上端的分量的预定数量(取决于频率分辨率和其他参数，例如十五)然后被识别并且分配给大的幅度的分量集合。如果分量具有彼此非常接近的频率，可以用它们形成单个分量并且进一步仅考虑该分量。这可以例如通过四舍五入频率中的每个到它的最接近的整数并且对于给出的四舍五入频率仅保留一个分量同时丢弃其他分量而完成。在正常流动情况下，该过程将通常仅留下最大幅度分量和可能地具有接近最大幅度分量频率的频率的另外的分量。如果仅最大幅度分量保留，主导状态识别为具有由所述分量的频率根据(1)反映的正流率的正常流动状态。频率和流率然后可以通过本领域内已知的方法更精确地估计。否则来自该大的幅度分量集合的分量中的一个(通常具有最大幅度的那个)识别为参考分量并且它的频率作为参考频率。然后计算该集合中的分量的剩余频率除以该参考频率的比并且那些频率比与例如1.15的比阈值和它的倒数比较。在具有正流率的正常情况下，将存在仅一个频率(无需计算频率比)或频率比将接近1，即小于1.15或大于它的倒数(其是0.87)。
在无流量状态下，在另一方面，大幅度分量集合包含关于对应于电动机频率和它的谐波的频率的分量，即大幅度分量集合将包含若干通常五个或更多具有至少部分相当远离彼此的频率的分量，它们的比接近小整数或倒数或小整数的比。尽管关于电动机频率及其谐波的分量的幅度随电动机频率和其他参数相当大地变化(其中有时电动机频率分量具有最大幅度，有时是它的第二或第三谐波)，在集合中将一直存在至少一个分量，其频率与最大幅度分量的频率差别在于至少1.2的因数、第六和第五谐波的频率比或(考虑由四舍五入和其他效应引起的误差)差别在于至少1.15，或差别在于它的倒数(是0.87)。为了决定是否存在无流量状态，因此选择最大幅度分量作为参考分量并且通过将关于大幅度的分量集合的其他元素的频率除以关于该参考分量的参考频率而计算频率比并且检查频率比中的至少预定的最小数量(例如，一个、两个或三个)是否大于1.15的比阈值或小于它的倒数，这通常是足够的。在许多应用中这可足够暗示无流量状态。该状态然后可以通过切换指示相应状态的布尔无流量标识(从它的默认值0(指示正常流量状态)到1(指示无流量状态))指示。如果该无流量标识等于1，虚假的正流率结果可以校正到0并且在适当的情况下采取校正措施。
特别地在大幅度分量集合仅包含两个或三个元素的情况下，在正输出后另外或备选地应用更严格的标准可有助于提高无流量指示的可靠性。因此，检查频率比检查它们是否接近基本频率和它的谐波的比。数量集合可以计算或从存储器检索，该存储器例如包括2和6之间的整数和它的倒数或包括2和3和其的倍数和它的倒数(可能余2/3)和与它们相比的频率比。
仅如果频率比中的至少一个与那些数量中的一个一致、即偏离其不超过预定偏离阈值(其考虑了有限的分辨率、四舍五入误差和其他效应并且可是例如2％)，则指示无流量状态。通过要求多个频率比与数量中的一个或甚至它们中的特定的一些一致可以使该条件更严格。
一个或若干比较集合可以用讨论中的数量和无流量情况的指示(其取决于在比较集合中的每个元素是否与频率比中的一个一致而做出)构成。这些结果然后可以逻辑OR关联或者采用更复杂的方式关联。例如，可以形成某个基数的所有子集(比如说，数量中的1(如上文描述的)或2、3或4)并且用作比较集合，即，检查每个子集中的所有元素与频率比中之一的一致性并且将这些结果OR关联。如果在至少一个情况下检查产生正结果(即如果除正常等于电动机频率的基本频率之外，分别存在至少一个、两个、三个或四个谐波)则指示无流量状态。
从上文描述的方法的许多偏离在本发明的范围内是可能的。代替如描述的涡流流量计，可以使用旋流流量计。在输出信号的评价中，正常流量状态和无流量状态基于在信号的周期分量的频率范围上的幅度和分布区别。一般地，若干个至少部分在频域中彼此相距某个相当大的距离的最大值的存在表明无流量状态。
取决于应用，选择最大幅度分量并且如果它们在频域中靠在一起将它们融合成一个并计算剩余分量，这可是足够的。如果，特别地在已知干扰排除后，多个分量剩余，这可已经指示无流量状态。融合可如上文说明的通过丢弃在频率上接近具有更大幅度的分量的分量或通过在某些频率区间上加或积分幅度并且分配所得的幅度给在该频率区间中具有最大幅度的分量的频率或给加权平均频率或中间频率或采用其他方式而完成。
在其他应用中更严格的标准可以是更充分和最小的距离，即要求的大幅度分量的频率的比。特别地，对于在大幅度分量集合中的一个或多个分量可要求这样的离参考频率的最小距离。由于在所述集合中通常至少存在电动机频率和它的第二谐波，该最小距离在大多数情况下可安全地选择为稍小于2。对于该距离另外施加上限也是可能的。甚至更严格的标准(如上文说明的)涉及频率比与某些小整数和它们的比(其在谐波出现的情况下一定出现)的比较。一般或特定地，取决于应用，根据产生于试验和实际经验的结果，可单独或逐步地使用更严格的标准。
标号列表
1      管道         2     非流线型体
3      桨           4     评价单元

Claims (12)

1.一种用于涡流或旋流流量计的输出信号的评价的方法，特征在于，对所述输出信号检查无流量状态的存在，其中
识别时间上是周期性的所述输出信号的分量并且评定它们的幅度和频率，
选择具有大幅度的分量的集合，
识别具有大幅度的分量的频率，从它们中选择至少一个参考频率并且计算其他识别的频率除以该至少一个参考频率的频率比，
并且如果至少满足频率比集合至少包括0.87至1.15之间的区间外的比的条件则探测到无流量状态，
其中，所述大幅度是指频谱中的局部最大值。
2.如权利要求1所述的方法，特征在于，比的最小数量至少是二。
3.如权利要求1或2所述的方法，特征在于
幅度大于具有大幅度的剩余分量的幅度的分量识别为参考分量并且它的频率识别为所述参考频率，以及
所述频率比是所述剩余的大幅度分量的频率除以所述参考频率的比。
4.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，仅如果所述频率比集合包括从至少一个比较集合中的数量偏离小于预定偏离阈值的数量的非空集合，则指示无流量状态，所述至少一个比较集合由整数和整数的比的集合构成。
5.如权利要求4所述的方法，特征在于，所述至少一个比较集合是整数和整数比的预定集合的预定基数的任意子集。
6.如权利要求5所述的方法，特征在于，所述预定基数在1和4之间。
7.如权利要求5所述的方法，特征在于，整数和整数比的所述预定集合由1和6之间的整数和这样的整数的比构成。
8.如权利要求5所述的方法，特征在于，整数和整数比的所述预定集合由整数2、3和整数2、3的倍数及整数2、3的倒数和整数2、3的倍数的倒数构成。
9.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，具有大幅度的分量的集合的选择涉及根据递减幅度排列分量和在上端选择预定数量分量的步骤。
10.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，具有大幅度的分量的集合的所述选择涉及用单个分量代替频率接近的若干分量的步骤。
11.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，时间上是周期性的所述输出信号的分量在各个情况下通过作为在预定评价区间上的时间的函数对所述输出信号傅立叶变换来确定。
12.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，在具有大幅度的分量的集合的所述选择之前或期间，排除至少一个已知频率的干扰。
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