CN103256958A - 科氏质量流量计和用于科氏质量流量计的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及科氏质量流量计和用于科氏质量流量计的信号处理方法。本发明涉及科氏质量流量测量设备的信号处理。呈现了通过在测量设备的信号评估算法中使用从测量设备的模态谱可获得的完整信息来提高科氏质量流量计（CMF）的准确性和稳健性的新的可能性。描述了该技术的优越性和一般性并且给出用于实际实现的首要提示（图5）。

Description

科氏质量流量计和用于科氏质量流量计的信号处理方法

技术领域

本发明涉及科氏质量流量计，简称为CMF，其具有一个或多个测量管以及具有计量电子器件。本发明进一步涉及用于具有一个或多个测量管以及具有计量电子器件的科氏质量流量计的信号处理方法。

背景技术

众所周知，CMF的优势是它们能够测量质量流速，相应地是用相同设备测量的介质密度所计算的体积流速，不仅准确性高，而且与大部分介质性质无关。后者是由于测量效果与期望的测量值成正比这一事实。

然而，科氏测量原理将对这样的设备的功能性施加一些限制。由于CMF的传感器的完整的机械系统包括其质量流量要被测量的介质，并且还受例如安装条件、环境条件等环境影响，完整的机械传感器系统的动态响应对于例如具有不同密度或粘度的两个介质将是不同的（因为这些性质将改变传感器的质量惯性或耗散性质），或该动态响应在不同的温度是不同的，温度可影响材料的杨氏模量或导致热致应力。

描述的效应将必然在测量值中反映并且因此降低CMF的准确性。

在科氏流量测量技术中处理该问题的一个可能性是以描述的效应将仅对它的功能性有轻微影响这样的方式设计CMF。明显地，这可导致对CMF设计和构造的严格要求，从而例如对于质量和成本预算产生不利后果-并且正如指出的，任何设计选择至多可以提供该一般问题的缓解。

因此，在当前CMF中广泛使用的有前途的方法是分析介质性质和完整的环境对测量效果的影响并且立即校正它。

这样的用于CMF的技术通常称为在线诊断或自适应/智能传感器电子器件。该方法的明显优势是不仅进一步能够处理给定CMF的不足，而且它还遵循机电一体化的一般趋势，机电一体化由适当的机械设计与智能信号处理算法的创新组合构成。

当前在CMF中使用的是不同的基于模型的信号处理技术，其与动态系统的简化机械模型一起工作。典型地，检测从下层模型得到的表征数或耦合常数。然后用适当的算法校正实际测量值来补偿假设的效应。明显地，这样的方法能够总是仅是真实设备的复杂性的近似，其中对能实现的测量准确性产生限制。

发明内容

本发明的目的是提供CMF，其具有带卓越性能和最高可能普遍度的新颖的信号处理技术。

根据本发明，在CMF中进行的测量过程的准确性和稳健性通过在测量过程期间直接确定设备的相关模态性质并且用该值自适应地校正当前测量结果而提高。

根据本发明的CMF具有一个或多个测量管和计量电子器件，其配置成进行信号处理方法，并且该计量电子器件配置成在测量过程期间直接确定设备的相关模态性质以及用该值自适应地校正当前测量结果，使得由科氏质量流量计进行的测量过程的准确性和稳健性提高。

根据本发明，具有测量过程的CMF的优势是由于发明性方法不依赖简化模型但使用从设备的模态谱可获得的完整信息这一事实。

在从属的权利要求的表征特征方面描述有利的实施例。

根据本发明的优选实施例，设备的相关模态性质通过另外至少暂时地激发若干不同的频率并且评估相应的频率响应而直接确定。

根据本发明的优选实施例，校正是基于当前状态的相关模态性质与初始或若干不同的参考状态的比较，其中相应的模态性质存储在传送器中。

根据本发明的优选实施例，确定的模态性质用于还检测二次测量参量，例如像传感器的热状态或被测量的介质的粘度。

根据本发明的优选实施例，计量电子器件配置成通过另外至少暂时地激发若干不同的频率并且评估相应的频率响应而直接确定设备的相关模态性质。

根据本发明的优选实施例，计量电子器件配置成使校正建立在当前状态的相关模态性质与初始或若干不同的参考状态的比较上，其中相应的模态性质存储在计量电子器件中。

根据本发明的优选实施例，计量电子器件配置成使用确定的模态性质以还检测二次测量参量，例如像传感器的热状态或被测量的介质的粘度。

附图说明

将通过参考附图描述实施例而更详细地描述本发明，其中

图1示出0相位的测量vs.频率；其与来自有限元分析的本征频率相关，

图2示出如在图1中的测量；另外在右侧的对数刻度上具有传感器幅值，

图3示出两个演示器相比的0相位的测量vs.频率，

图4示出对于如在图3中提及的相同的演示器的0相位的测量vs.频率以及密度影响和边界条件（为了研究的目的而不适宜地选择后者）的影响，

图5示出根据本发明的科氏质量流量计的方案。

具体实施方式

图5示出根据本发明的科氏质量流量计（也叫做CMF）的方案。CMF 1在这里具有一个单直测量管2，要测量的介质可流过该管2。当然，它也可以是具有直的或弯曲的管的双管CMF，其几何结构基本上是已知的。在管2上以基本上已知的方式安装有致动器5，其引起施加到测量管2上的振动力。以基本已知的方式分别在致动器5的上游和下游安装两个位移传感器3和4。管2、传感器3和4以及致动器被保护壳7覆盖。存在固定到壳的计量电子器件6，也叫做换能器。该计量电子器件功能性地连接到致动器5和传感器3、4。计量电子器件6配置成执行信号处理方法，并且计量电子器件6配置成在测量过程期间直接确定CMF 1的相关模态性质并且用该值自适应地校正当前测量结果，使得由科氏质量流量计1进行的测量过程的准确性和稳健性提高。

众所周知，并且可以在数学上证明，线性离散多体系统的动态响应完全通过它的模态谱而确定。这对任何真实的机械系统也适用，该任何真实的机械系统可以由这样的系统来近似，精确度当然遵循表示的所实现的准确性。由于典型地非常小的科氏质量流量计（在这里也称为CMF）的变形，后者可以由离散线性系统（例如有限元公式）用任何必要的准确性来表示。这甚至可能包括实际测量效果。由质量流量与适当的致动结合引致的科氏力仅导致复杂的模态谱情况，即一组本征模式，其不仅由结构在所有位置的相应本征频率和幅度所描述而且还由设备在不同点的具体相位角所描述。还众所周知，上文阐述的事实对复杂的模态谱也是适用的。

当CMF仅测量质量流量的动态效应时-在大部分情况下简单地是由科氏效应引致的两个传感器位置之间的相位差，或通常在实践中是更复杂的所谓0相位（其是没有对应质量流量的相位信号），能理解测量效果也通过完整系统（其在这里包括介质和与环境的相互作用）的模态谱而完全确定。

因此，对于正确制造、明智设计和安装的CMF，检测模态谱中的变化以能够校正来自介质或对测量的环境效应的不期望的影响，这是足够的。在这里指出的要求暗指CMF可以用线性模型（其可以尽可能必要地复杂）表示，例如包括数百万自由度的有限元模型，并且暗指安装条件在设备功能性方面不占主导地位。这些要求以外的全部要求目前是目前技术水平的CMF的使用的标准。

CMF设备公差引起的0相位的固有产生应该起到公开的自适应信号处理技术应用的第一示例的作用。固有在这里指典型制造公差，其在任何真实系统中在一定程度上无法被避免-明显地，理想的CMF完全不应该展现出任何0相位。

为了说明此，在图1中，示出给定CMF设备的0相位测量的频率响应。为了研究目的并且尽可能排除其他效应，在自由边界条件（理想地，对称的）下并且没有任何质量流量地实行测量，设备简单地用空气填充。

另外，来自设计的有限元分析的本征频率结果在相同的曲线图中标绘。在这里使用的术语关于在设备中使用的两个传感器而给出分类：z轴平行于传感器轴线，其典型地也是致动器轴线，因此指定为z反对称的模式是在z轴方向上具有主要位移以及关于这两个传感器具有反相的相同幅度的模式。z对称模式也示出在该方向上的主要位移，其具有相同的幅度但没有任何相移。操作模式是该类别的一部分。在该类别内的所有其他模式在这里被不同地标记。最后，在传感器位置处展现反相位移的所有其他模式-但在z轴方向上不占主导地位-也被标记。

测量数据和模拟结果中可见现象的相关性可以通过对称和反对称模式的模拟响应导致甚至对于零质量流量的非零0相位测量这一事实而解释，因此不存在科氏力。如可以观察到的，z反对称模式导致在它们共振频率处增加的0相位，其中由于在激发频率通过共振频率时的相位变化而符号改变。由于对称部分的放大，Z对称模式导致零相位朝零幅度的渐进行为。后者的观察也由图2图示，其中除已经在图1中示出的数据外，还标绘两个传感器中的一个的幅度。

在这一点上注意以下是有用的：典型地对于相同设计的不同设备，测量大约颇有几赫兹的略微不同的本征频率-因此测量和模拟数据的一致性可表现为相当好。

为了给出上文描述的作为0相位的固有产生的现象的进一步说明，在图3中呈现两个不同设备（但当然具有相同的设计）的测量数据。很明显，与如在图1中示出的模态谱相关的相同现象对于两个设备都可见-甚至具有大约相同的幅度。这一点也不出乎意料，因为两个设备都具有相同数量级的低的任意公差。当然仅符号可不同。在这里示出的两个测量中，0相位的相同符号仅在两个比较的设备的第一z反对称模式周围发现。

在本发明中描述的自适应信号处理技术现在利用这一事实-如上文指出的-机械系统的动态响应完全通过关于模态谱和作用力的知识而确定。

在给出的示例中，操作频率的0相位是感兴趣的，其不过是对于给定激励的系统的动态响应。为了能够确定设备的固有产生的0相位，与激发力的模态投影结合，相关本征模式的模态性质（即，相应的自然频率）、模态阻尼和可以从两个传感器看到的本征形状的知识是足够的。

对于实际实现，回想起以下是有用的：准确性仅取决于精确度（可以以该精确度在正常操作条件下用合理的努力从设备的模态谱获得信息）。

可能的方法因此可不测量完整的0相位响应，而仅测量少量的足以确定模态谱的相关部分的必要性质的测量点。例如在图1中示出的测量中，清楚地能观察到五个本征模式的效应。这些模式可仅由15个不同的参数（相应地，本征频率、模态阻尼和激发）表征，这些参数可以高度准确地从大约仅50-100个测量点确定。因为在远离操作频率的频率处的CMF的动态响应也是重要的，可以在设备的标准操作期间以致动信号和响应的相应频率滤波结合地进行这些测量。因为由质量流量引致的科氏力典型地比使用的致动力小几个数量级，另外的激发的幅度可合适地选为小的并且因此将不与CMF的标准操作相互作用。

选择正确的表征测量点有助于使模态参数确定的精确度增加，并且还排除例如测量噪声。这可通过使用一些下层分析模型而进行。适当的分析模型直截了当来自测量数据和模拟结果中可见的现象的相关性。重要的是在这里强调：因为该模型基于实际测量结果，它不包含简化，而相反可以视为测量的一定平滑或拟合。

另一方面，基于具体设计的表征性质评估和适当算法使用的经验方法可用作备选项。对于在下一段中描述的问题，使两个描述的可能性结合，这甚至可以是明智的。

众所周知，在CMF的大部分应用中，感兴趣的不是确定0相位的绝对值（其可以例如在现场设备的生产或安装之后被校正），但在操作期间在产生的测量准确性丧失情况下检测0相位变化是重要的。

这样的情形的示例在图4中给出。在这里，除已经在图1中示出的测量外，还示出具有相同设备（但现在用水作为介质并且在有意地不利的选择条件下安装）的第二测量。尽管来自环境的动态响应的影响清楚地可见，提供有来自不同条件下操作的信息的适当算法应该能够明智地减轻该效应。否则，这样的测量条件将导致目前技术水平的CMF的完全失效。

对于在这里呈现的本发明的实际实现，该变化的相当准确的诊断是足够的并且用作有价值和能负担的减轻。应该再次强调：可能的准确性丧失不是由于本发明，而仅是从实现的测量和信号处理算法获得的信息的精确度的结果。这些因素大部分取决于例如商业考虑。

总结：上文描述的两个方法的组合应该给出处理该一般CMF问题的最高效可能性：一方面利用表征测量点和使用下层分析模型确定相关模态性质，结合另一方面，使用适合于具体设计和它的表征行为的合适的算法的经验方法。

为了收集这些算法必需的信息，一种校准过程可以实现为制造过程。对于每个具体设备，利用相应的公差的特有组合，在例如安装条件、介质和环境性质（例如流体密度和环境温度）等不同的情形下训练它，这甚至是可能的。利用该过程，每个设备将在所有可能条件下以最高的可能准确性单独准备来进行。当然，这可能是耗时的过程，但无论如何因为必要的测量和评估设施将装载于每个设备上，成本影响应该不是相当大。

为了完成本发明的说明，指出：在这里给出的应用应该只起到示例的作用，但呈现的本发明从这个角度来看也是更具一般性。

作为示例，将回想起：已经众所周知密度测量（其包含在每个CMF中以从质量体积测量确定体积流量）的准确性不仅可以通过一个本征模式（典型地，操作模式）使用由介质密度引致的频率变化来充分地增加（因为目前在大部分商业可用的科氏质量流量计中是这样的情况），还通过利用第二本征模式的频率变化而充分地增加。可以扩展该概念来从完整的模态谱确定密度，由此仅模态谱的相关部分在这里是取决于介质密度变化的部分。这将再次导致最高的可能准确性。

现在在下文给出两个另外的示例。首先是粘度测量：然而，对于其中不存在强烈地取决于粘度的单个模式的CMF设计，由于耗散和转动惯性影响，通过使用相关模式的表征变化（例如品质因数和频率变化）高度准确地确定粘度应该是可能的。温度测量可起到第二示例的作用：通过使用对于具体设计关于模态谱随温度变化的表征信息，利用适当的算法在处于操作中的给定CMF模态谱中评估这些变化应该产生当前操作温度。甚至更好地，来自温度和外部引致的应力的影响也可与该方法分开。

明显地，该列表可以扩展到与设备的模态谱相互作用的所有物理参量，这再次强调了在这里呈现的本发明的一般性。

这里描述的技术不仅在性能上优于目前的技术水平，明显地，它在其应用领域中也可能是最一般的方法。

对此的原因是未使用简化模型，但-依赖对设备的更深刻理解-以明智的方式开发实际物理/动态行为。

重要的特征也是技术的一般性，其可使得充分提高例如与相同硬件并行的CMF的若干性能标准成为可能。例如，根据环境条件检索模态谱的相关变化一次可以与用温度和密度准确性测量增加0相位稳定性并行地开发。另外，还可以确定介质的粘度。相同的测量和硬件可以用于此，仅需要被实现的适合的算法-其对于现今的数字信号处理器（DSP）的性能不是主要问题。

Claims (8)

1. 一种用于具有一个或多个测量管（2）和计量电子器件（6）的科氏质量流量计（1）的信号处理方法，其特征在于，在测量过程期间直接确定设备的相关模态性质并且当前测量结果用这些值自适应地校正使得所述测量过程的准确性和稳健性提高。

2. 如权利要求1所述的信号处理方法，其中所述CMF设备（1）的相关模态性质通过另外至少暂时地激发若干不同的频率并且评估相应的频率响应而直接确定。

3. 如权利要求1所述的信号处理方法，其中校正是基于当前状态的相关模态性质与初始或若干不同的参考状态的比较，其中相应的模态性质存储在所述计量电子器件（6）中。

4. 如权利要求1所述的信号处理方法，其中确定的模态性质用于还检测二次测量参量，例如像传感器的热状态或被测量的介质的粘度。

5. 一种具有一个或多个测量管（2）以及具有配置成进行信号处理方法的计量电子器件（6）的科氏质量流量计（1），其特征在于，所述计量电子器件（6）配置成在测量过程期间直接确定所述科氏质量流量计设备（1）的相关模态性质并且用这些值自适应地校正当前测量结果，使得由所述科氏质量流量计（1）进行的测量过程的准确性和稳健性提高。

6. 如权利要求5所述的科氏质量流量计（1），其特征在于，所述计量电子器件（6）配置成通过另外至少暂时地激发若干不同的频率并且评估相应的频率响应来直接确定所述科氏质量流量计设备（1）的相关模态性质。

7. 如权利要求5所述的科氏质量流量计（1），其特征在于，所述计量电子器件（6）配置成使所述校正建立在当前状态的相关模态性质与初始或若干不同的参考状态的比较之上，其中相应的模态性质存储在计量电子器件（6）中。

8. 如权利要求5所述的科氏质量流量计（1），其特征在于，所述计量电子器件（6）配置成使用确定的模态性质以还检测二次测量参量，例如像传感器的热状态或被测量的介质的粘度。

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