CN103063257A - 用于运行涡流流量测量设备的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于运行涡流流量测量设备的方法，该设备测量流量，具有干扰体，第一传感器和第二传感器，以及具有信号处理装置，其中第一传感器的信号x₁与第二传感器的信号x₂反相，再现流量的信号y_d是由第一传感器的信号推导的信号y₁与由第二传感器的信号推导的信号y₂的差，通过减法消除同相干扰信号，通过信号x₁与校正因子v的乘法获得信号y₁，并且通过信号x₂与校正因子w的乘法获得信号y₂，作为有用信号y_d形成信号y₁与信号y₂之间的差，由信号y₁与信号y₂的和形成和信号y_s，确定有用信号y_d与和信号y_s之间的相关，通过校正因子v和w的变化使得相关最小化，其中最小相关意味着信号y_d的同相干扰信号含量最小。

Description

用于运行涡流流量测量设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行涡流流量测量设备的方法，该涡流流量测量设备用于测量流过测量管的流体的流量，具有至少一个设置在测量管中的、用于产生流体中的涡流的干扰体，用于测量随着涡流而出现的流体中压力波动的至少一个第一传感器和至少一个第二传感器，以及用于处理第一传感器的信号x₁和第二传感器的信号x₂的信号处理装置，其中第一传感器的、通过所述压力波动产生的信号x₁与第二传感器的通过压力波动产生的信号x₂反相，其中再现所述流量的有用信号y_d是由第一传感器的信号推导的第一信号y₁与由第二传感器的信号推导的第二信号y₂的差，并且其中通过该减法消除与反相的传感器信号叠加的同相干扰信号。此外，本发明还涉及一种利用所述方法来运行的涡流流量测量设备。

背景技术

涡流流量测量设备的测量原理基于由设置在测量管中并且被流体流过的干扰体触发的涡流。所述流体可以是气体、蒸汽或者液体。斯特劳哈尔首先观察到，涡流触发频率与流体在测量管中的流动速度成比例，因此涡流触发频率是对流过测量管的、作为体积流量来表示的流量的度量。通过使用流体的密度可以将该流量也作为质量流来说明。通过干扰体引起的、流体的流动场由Kármán研究并用数学方式描述，因此流动场也称为Kármán涡流路。流动速度与涡流触发频率之间的比例关系通过取决于雷诺数的斯特劳哈尔数来描述。斯特劳哈尔数对雷诺数的依赖关系受到干扰体的构造的决定性影响。在当前的涡流流量测量设备的情况下，涉及雷诺数在10000和20000之间的流体的体积流量的误差小于±2%，对于雷诺数大于20000的流体来说该误差小于±1%。涡流流量测量设备的特征在于机械鲁棒的结构和对磨损、腐蚀和沉积的小的灵敏度。涡流流量测量设备可以与压力、温度无关地以很好的精度以及与安装位置无关地测量雷诺数在宽范围内的气体和蒸汽以及液体。由于上述特性，涡流流量测量设备在很多流体流量测量的应用中使用，尤其是腐蚀性流体，例如在石化、化学、药物或食品工业中。

现有技术已知的涡流流量测量设备常规地间接通过测量随着涡流而出现的流动流体中压力波动来测量涡流频率。通常干扰体被构成为，使得压力变化对干扰体施加力，并且相应地使干扰体偏转或变形，其中在变形位置上设置第一和第二压电传感器。通过压力波动引起的、传感器的由于变形的机械激励致使传感器的极化发生改变并由此以如下方式释放传感器中的载流子，即通过机械激励第一传感器具有正电荷作为信号，而第二传感器具有负电荷作为信号。压电传感器的灵敏度通过所产生的、作为作用力的函数的电荷来描述。在通过涡流引起的压力波动情况下，这些传感器的电荷信号的相位总是相反的。信号处理对于两个传感器的每一个来说都包括电荷放大器和减法器，其中电荷放大器将电荷信号转换为成比例的电压信号，并且减法器将电压信号相互相减并且从所产生的有用电压信号推导出流量。

通过形成第一传感器的信号与第二传感器的信号之差，消除机械干扰激励（所述干扰激励产生在传感器中相同相位和相同振幅的干扰信号），如果两个传感器都具有精确相同的灵敏度并且针对两个传感器的信号处理精确对称的话。机械干扰激励例如通过涡轮机产生，所述涡轮机将干扰振动传递到测量管上并且通过这种方式对传感器产生机械激励，使得两个传感器最大程度地产生相同相位和相同振幅的信号。

但是，由于通过制造容差——例如传感器自身的或在安装传感器时的制造容差——第一传感器和第二传感器具有不同的灵敏度，在传感器中相同相位和相同振幅的干扰振动虽然可以用相同的相位但不同的振幅产生。此外也导致，信号处理例如由于在信号处理中使用的器件如电容器和电阻而对第一和第二传感器的信号来说不是对称的。在形成差之后，有用信号中的干扰信号保留并且这种类型的涡流流量测量设备的精度恶化。通过整理传感器而进行的校准带来了高成本和大的耗费。不考虑这一点，灵敏度的长时间稳定性是未知的，从而必要时需要在安装好的状态下进行不切实际的校准。

发明内容

本发明的任务因此是说明有效的和成本有利的方法，以更好地消除相同相位和尤其是相同振幅的干扰信号的作用，并且说明相应的这种类型的涡流流量测量设备。

本发明的用于运行涡流流量测量设备的、解决了先前导出和示出的任务的方法，其特征首先以及主要在于，通过第一传感器的信号x₁与校正因子v的乘法获得第一信号y₁，通过第二传感器的信号x₂与校正因子w的乘法获得第二信号y₂，由第一信号y₁与第二信号y₂之间的差获得有用信号y_d，以及由第一信号y₁与第二信号y₂的和形成和信号y_s，确定有用信号y_d与和信号y_s之间的相关（Korrelation）并且通过校正因子v和w的变化使得所述相关最小化，其中该最小相关意味着有用信号y_d的同相干扰信号含量最小。

更好地消除相同相位和尤其是还相同振幅的干扰信号的作用通过利用第一信号的信号x1与校正因子v的乘法和利用第二传感器的信号x2与校正因子w的乘法来补偿传感器的不同灵敏度而进行。作为校正因子的大小的指示器，采用有用信号y_d与和信号y_s的相关。与校正因子v和w的乘法以及所述相关的确定在信号处理装置中实现。如果例如传感器的信号具有相反的相位和不同的振幅，则和信号y_s不同于0并且有用信号y_d与和信号y_s彼此相关。

通过校正因子v和w的变化，和信号y_s消失，并且随着该消失有用信号y_d与和信号y_s的相关也消失。在校正因子v和w变化时的目标因此是所述相关的最小化，并且在理想情况下是有用信号y_d与和信号y_s的不相关。如果传感器的信号具有相同相位和尤其是相同振幅的干扰信号，则相关的最小化导致干扰信号的至少更好的消除，其中所述方法还导致在相同相位的干扰信号的振幅不同的情况下更好地消除干扰信号。

本发明方法的主要优点是，所述方法能以仅仅小的花费在现有的这种类型涡流流量测量设备中采用，并且不需要费事和成本高的校准，更确切地说该方法可以连续地应用。所述方法还可以补偿缓慢的变化、例如传感器的灵敏度的不同漂移，或者自适应地将传感器的灵敏度与干扰信号匹配。

根据本发明方法的优选设计规定，向校正因子v分配值1并且改变校正因子w的值，或者向校正因子w分配值1并且改变校正因子v的值。校正因子可以依据分配给它的值而放大传感器的信号，于是校正因子的值大于1，或者衰减传感器的信号，于是校正因子的值小于1，或者传感器的信号保持不变，于是校正因子的值等于1。如果校正因子的值是恒定的1，则实际上取消了在信号处理装置中传感器信号与校正因子的乘法的实现，由此简化了信号处理装置。

在本发明方法的相当特别优选的设计中规定，校正因子k通过v=k和w=1-k代替校正因子v和校正因子w。在此，可以由信号处理装置向校正因子k分配来自闭区间[0;1]中的值。通过用校正因子k来代替两个校正因子v和w，简化了对有用信号y_d与和信号y_s之间的最小相关的发现，而不会影响该方法的质量。

在本方法的另一优选设计中，信号处理时间离散地进行，并且有用信号x_d与和信号x_s之间的相关通过校正因子

其中 

，

和

，

确定，其中n是当前测量的号码。第一传感器的电压信号和第二传感器的电压信号可直接用模拟数字转换器数字化，并且信号处理在信号处理装置的数字部分中通过微控制器进行。通过基本上在微控制器中进行的信号处理通过简单的方式可以通过改变编程进行信号处理的改变。

相当特别优选的是，校正因子ρ的计算根据以下公式进行：

其中

，

和 

，

其中c是时间常量。用上述公式来计算校正因子与利用前面的优选设计的公式相比的优点在于计算花费明显降低。通过计算花费的降低，通过简单方式可以在具有比较小的计算功率的现有涡流流量测量设备中实现本发明的方法。

在本发明方法的另一相当特别有利的设计中规定，随着对同相干扰信号的最佳可能的消除而出现的最小相关在是信号处理的一部分的调节回路中确定。该调节回路包括信号计算器、相关计算器、差形成器和比例积分调节器。信号计算器计算有用信号y_d以及计算和信号y_s。校正计算器根据有用信号y_d与和信号y_s来计算实际相关，差形成器将实际相关从额定相关中减去，其中额定校正是非相关（Nicht-Korrelation）。额定相关与实际相关之间的差是调节差，因此是调节器的输入参数，所述调节器改变用作控制参数的校正因子k。

本发明还涉及一种具有前述特征的这样设计的这种类型的涡流流量测量设备，尤其是具有信号处理装置，其中信号处理装置被设计为，使得利用该信号处理装置可以实施上述本发明的方法并且在运行时还实施所描述的本发明方法。

在本发明的一种优选设计中，第一传感器的电压信号直接在抗混滤波之后被数字化，并且第二传感器的电压信号在抗混滤波之后被数字化，从而在数字域中进行信号的逻辑关联。

附图说明

现在具体地存在构造和扩展用于运行涡流流量测量设备的本发明方法和本发明涡流流量测量设备的各种可能性。为此参照从属于权利要求1和8的权利要求以及结合附图对优选实施例的描述。在附图中

图1以示意性截面俯视图示出现有技术公知的干扰体的实施例，该干扰体具有第一和第二压电传感器，

图2象征性示出通过图7所示的信号处理根据通过对相同灵敏度的第一和第二传感器的机械激励而引起的电压信号u₁和u₂来确定有用信号u_d，

图3象征性示出通过图7所示的信号处理根据通过对不同灵敏度的第一和第二传感器的机械激励而引起的电压信号u₁和u₂来确定有用信号u_d，

图4象征性示出本发明所基于的用于实施对第一和第二传感器的不同灵敏度的作用进行补偿的想法，

图5示出本发明调节回路的作为结构框图示出的实施例，该调节回路包括在图6中描述的功能，

图6示出本发明的根据是x₁和x₂的数字化电压信号u₁和u₂确定有用信号y_d与和信号y_s的作为结构框图示出的实施例，

图7示出现有技术公知的信号处理的作为结构框图示出的实施例，以及

图8示出本发明的信号处理的作为结构框图示出的实施例，该信号处理包括在图5中描述的功能。

具体实施方式

图1以截面示意图示出现有技术公知的干扰体1的俯视图。在设置在测量管中的状态下，干扰体1被流体在正x方向上流过。由干扰体1引起并且由干扰体触发的流体中的涡流在干扰体1的往上端变细的区域中产生压力波动，所述压力波动在干扰体1的往上端变细的区域中沿着y轴在干扰体1上施加力。所述力导致干扰体1的偏转或变形。在变形区域中，第一压电传感器2a和第二压电传感器2b与干扰体1连接，因此压电传感器2被置于机械应力下。机械应力改变传感器2的极化，由此第一传感器2a上的电荷q₁作为信号产生，并且第二传感器2b上的电荷q₂作为信号产生。电荷量是针对所述作用力的度量。传感器2a，2b被如此设计并且设置在干扰体1上，使得通过沿着y轴的力在第一传感器2a上产生的电荷q₁的极性与通过该力在第二传感器2b上产生的电荷q₂的极性相反，其中电荷q₁和q₂的极性在沿着x轴或z轴作用的力的情况下相同。在一种替换实施方式中，传感器不是与干扰体连接，而是与在流动方向上设置在干扰体之后的桨叶连接。

图7示出现有技术公知的信号处理装置3。在压电传感器2上产生的电荷q₁和q₂由电荷放大器4转换为与电荷q₁和q₂成比例的信号电压u₁和u₂。信号电压u₁和u₂由减法器5减去并且所产生的差电压u_d=u₁-u₂是有用信号电压，该有用信号电压是流量的度量。在模拟数字转换器6中对有用信号电压u_d进行数字化之前，对有用信号电压u_d进行调整。一方面，用低通滤波器7对有用信号电压u_d进行滤波，以避免混叠效应，并且另一方面在偏压装置8中设定有用信号电压u_d的零点电压，使得模拟数字转换器6的控制区域被最大程度地充分利用。模拟数字转换器6是微控制器9的部件，在该微控制器中对数字化电压信号u_d（是x_d）进行进一步处理。

如果第一传感器2a和第二传感器2b具有相同大小的灵敏度，则通过涡流引起的、干扰体1的机械激励在具有相反极性的压电传感器上引起绝对值相同大小的电荷q₁=q和q₂=-q。电荷q₁和q₂由电荷放大器4转换为电压u₁和u₂，这些电压既相同相位又绝对值相同。例如通过振动产生的、z方向上的附加机械激励引起具有相同相位干扰信号的信号电压u₁和u₂的叠加，其中干扰信号的大小在两个传感器2的情况下是相同大小的。图2示出相应的示例。通过利用信号电压u₁和u₂相互相减来形成有用信号电压u_d，完全消除了相同相位的、相同大小的干扰信号。如果相同相位的干扰信号的大小不同，则相同相位的干扰信号至少被减小。

但是实际上，第一传感器2a和第二传感器2b具有不同的灵敏度。可能的原因在于传感器2本身的压电材料或者由于在将传感器2设置在干扰体1上的情况下的不可避免的小容差产生。图3示出在与借助图2描述的情况下相同的干扰体1的机械激励时的信号电压u₁和u₂，只是在此第二传感器2b的灵敏度比第一传感器2a的灵敏度小。由于传感器2的不同灵敏度，没有完全消除同相的干扰信号并且表明流量的有用信号电压u_d的质量降低。对两个传感器2本身的整理从而使得传感器2的灵敏度相同、以及对涡流流量测量设备的校准都是与高花费关联并与伴随而来的高成本关联，并且因此是不切实际的。

图4示出本发明所基于的实施传感器2的不同灵敏度对有用信号电压u_d并由此对所测量流量的有害作用的补偿或至少减小的想法，尤其是针对同相干扰信号。该想法是两个信号电压u₁和u₂之一（在图4中是u₂）与校正因子w相乘并且这样选择校正因子w，使得不同灵敏度对有用信号电压u_d的有害作用是最小的。在所示的实施例中，第二传感器2b的灵敏度小于第一传感器2a的灵敏度，因此用大于1的因子w来放大第二传感器2b的信号电压u₂。如果第二传感器2b的灵敏度大于第一传感器2a的灵敏度，则因子w小于1。当然还可以用校正因子v附加地对第一传感器2a的信号电压u₁放大（v>1）或衰减（v<1）。

本发明的用于找到最佳校正因子w的方法基于以下令人惊异的特性：当有用信号电压u_d与和信号电压u_s=u₁+wu₂之间的相关也最小，则不同灵敏度对有用信号电压u_d=u₁-wu₂的有害作用最小。在图6中，结构框图示出本发明用于确定有用信号y_d与和信号y_s的方法。信号x₁和x₂是数字化的信号电压u₁和u₂。通过x₁与校正因子v=k的乘法，产生第一信号y₁，通过x₂与校正因子w=(1-k)的乘法产生第二信号y₂。有用信号是y_d=y₂-y₁=(1-k)x₂-kx₁，和信号是y_s=y₂+y₁=(1-k)x₂+kx₁。使用校正因子k和(1-k)的优点是，作为k的值储备闭区间[0,1]就足以。

图5示出调节回路10作为应用找到最佳校正因子k的方法的实施例。调节回路10包括差形成器11、比例积分调节器12、信号计算器13和相关计算器14。信号计算器13相应于图6所示的方法根据信号x₁和x₂计算有用信号y_d与和信号y_s。相关计算器14计算在有用信号y_d与和信号y_s之间的实际相关因子ρ_ist。额定相关因子ρ_soll是0，即不相关，并且实际相关因子ρ_ist与额定相关因子ρ_soll的偏差是调节差Δρ=ρ_soll-ρ_ist。实际相关因子根据下式计算：

，

其中 

以及

，

其中c是时间常量。调节差Δρ是PI调节器的输入参数，该输入参数改变校正因子k。调节过程在有用信号y_d与和信号y_s之间的相关最小时结束。

图8示出本发明的信号处理装置3的结构框图。由压电传感器2生成的电荷q₁和q₂通过电荷放大器4转换为与电荷q₁和q₂成比例的电压u-₁和u₂。在具有两个信号电压输入的模拟数字转换器6中对信号电压u-₁和u₂进行数字化之前，首先调整信号电压u-₁和u₂。一方面包含在低通滤波器7中对信号电压u-₁和u₂进行滤波以避免混叠效应，并且另一方面设定传感器的零点电压以在偏压装置8中尽可能地利用模拟数字转换器6的控制范围。与图7所示的、现有技术公知的信号处理装置3相反，在图8所示的信号处理3中在模拟数字转换之后才进行两个传感器的信号的逻辑关联。通过这种方式可以将这些信号任意相互逻辑关联并且进一步处理。在微控制器9中既实施有用信号y_d与和信号y_s的计算，如图6中所示，并且实施调节回路10。

Claims (9)

1.一种用于运行涡流流量测量设备的方法，该涡流流量测量设备用于测量流过测量管的流体的流量，具有至少一个设置在测量管中的、用于产生流体中的涡流的干扰体（1），用于测量随着涡流而出现的流体中压力波动的至少一个第一传感器（2a）和至少一个第二传感器（2b），以及具有用于处理第一传感器（2a）的信号x₁和第二传感器（2b）的信号x₂的信号处理装置（3），其中第一传感器（2a）的通过所述压力波动产生的信号x₁与第二传感器（2b）的通过压力波动产生的信号x₂反相，其中再现所述流量的有用信号y_d是由第一传感器（2a）的信号推导的第一信号y₁与由第二传感器（2b）的信号推导的第二信号y₂的差，并且其中通过该减法消除与反相的传感器信号叠加的同相干扰信号，其特征在于，

通过第一传感器的信号x₁与校正因子v的乘法获得第一信号y₁，并且通过第二传感器的信号x₂与校正因子w的乘法获得第二信号y₂，

作为有用信号y_d形成第一信号y₁与第二信号y₂之间的差，以及由第一信号y₁与第二信号y₂的和形成和信号y_s，

确定有用信号y_d与和信号y_s之间的相关，并且

通过校正因子v和w的变化使得所述相关最小化，其中该最小相关意味着有用信号y_d的同相干扰信号含量最小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，校正因子v=1或校正因子w=1，其中改变相应另一个校正因子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， k是来自闭区间[0;1]的校正因子，并且v=k和w=1-k。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在信号处理时间离散地进行的情况下对于第n次采样所述相关通过校正因子

其中 

，和

确定。

5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在信号处理时间离散地进行的情况下对于第n次采样所述相关通过校正因子

其中

，

和 

，来确定，其中c是时间常量。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，最小相关用调节回路（10）找到，并且该调节回路（10）包括差形成器（11）、调节器（12）、信号计算器（13）和相关计算器（14），其中差形成器（11）形成作为额定相关而预先给定的非相关与实际相关之间的调节差，其中调节差是调节器（12）的输入参数，其中由调节器（12）改变的至少一个校正因子是控制参数，其中信号计算器（13）形成有用信号y_d以及和信号y_s，其中校正计算器（14）形成有用信号y_d与和信号y_s之间的实际相关。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调节器（12）是PI调节器。

8.一种用于测量流过测量管的流体的流量的涡流流量测量设备，具有至少一个设置在测量管中的、用于产生流体中的涡流的干扰体（1），用于测量随着涡流而出现的流体中压力波动的至少一个第一传感器（2a）和至少一个第二传感器（2b），以及用于处理第一传感器（2a）的信号x₁和第二传感器（2b）的信号x₂的信号处理装置（3），其中第一传感器（2a）的、通过所述压力波动产生的信号x₁与第二传感器（2b）的通过压力波动产生的信号x₂反相，其中再现所述流量的有用信号y_d是由第一传感器（2a）的信号推导的第一信号y₁与由第二传感器（2b）的信号推导的第二信号y₂的差，并且其中通过该减法消除与反相的传感器信号叠加的同相干扰信号，其特征在于，

信号处理装置（3）被设计为，使得所述涡流流量测量设备在运行时实施根据权利要求1至7之一所述的方法。

9.根据权利要求7所述的涡流流量测量设备，其特征在于，每个传感器的信号本身经过模拟数字转换。

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