CN109477745B

CN109477745B - 用于在计量表验证期间执行最大传感器电流和测试音调幅度的温度补偿的方法

Info

Publication number: CN109477745B
Application number: CN201680087769.9A
Authority: CN
Inventors: T.J.坎宁安; M.基尼里基
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: JP6739616B2; EP3488193B1; WO2018017080A1; JP2019521351A; CN109477745A; US20190310121A1; EP3488193A1

Abstract

提出了一种确定最优电阻并在确定测试音调时补偿温度变化的方法。提出了驱动电路放大器和驱动线圈中的最优电阻以及使用最优电阻来改进流量计量表校准中使用的测试音调的准确性。使用电路关于温度的电阻改变的线性外推来计算最优电阻。最优电阻然后用于使用从欧姆定律导出的等式来计算适当的最大传感器电流（MSC）值，并且根据MSC计算测试音调水平。

Description

用于在计量表验证期间执行最大传感器电流和测试音调幅度的温度补偿的方法

技术领域

本发明涉及流量计量表，并且特别地涉及用于在流量计量表验证期间确定测试音调水平时补偿温度变化的基于科里奥利（Coriolis-based）的方法。

背景技术

作为科里奥利质量流量计量表和振动密度计量表的部件而被包含的振动导管换能器典型地通过检测包含流动材料的振动导管的运动而进行操作。与导管中的流动材料相关联的性质（诸如，质量流量、密度等等）可以通过处理从与导管相关联的运动换能器接收到的测量信号来确定。振动材料填充系统的振动模式一般受容纳导管和其中包含的材料的组合质量、刚度和阻尼特性所影响。

典型的科里奥利质量流量计量表包括一个或多个导管（还被称为流量管），其在管道或其他传输系统中内嵌连接，并在该系统中输送材料（例如，流体、泥浆、乳状液等等）。每个导管可以被视为具有一组自然振动模式，包括例如简单弯曲模式、扭转模式、径向模式以及耦合模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，随着材料流经导管而在一个或多个振动模式中激励导管，并且在沿导管间隔的点处测量导管的运动。激励典型地由驱动器提供，例如由以周期性的方式干扰导管的机电设备（诸如，音圈型促动器）提供。

驱动线圈和磁体可以位于流量管之间，并且以谐振来驱动科里奥利流量计量表。流量计量表电子器件中的反馈控制系统将正弦电流施加到驱动线圈，以便以特定幅度维持谐振。两个敏感元件（pickoff）线圈和磁体响应于谐振运动而产生电压。该敏感元件被用作反馈信号以控制幅度。发射器的数字信号处理使用敏感元件响应以估计密度测量中使用的振动的频率，以及质量流量测量所需的两个敏感元件正弦波之间的时间延迟。

质量流率可以通过测量换能器位置处的运动之间的时间延迟或相位差来确定。典型地，采用两个或更多个这种换能器（或敏感元件传感器）以便测量流量管或导管的振动响应，并且该两个或更多个这种换能器典型地位于驱动器的上游和下游的位置处。仪器从敏感元件传感器接收信号，并处理该信号以便导出质量流率测量结果。传感器包含驱动电路（该驱动电路包含驱动线圈），并提供电子器件以驱动并读取传感器。包含驱动放大器的核心处理器被安装在传感器的外部。

科里奥利计量表为单相流提供了高准确性。然而，必须适当地安装并校准科里奥利流量计量表以确保准确性。校准的一种手段是测量流量计量表内的流量管的刚度。

计量表验证是一种诊断工具，其测量流量计量表流量管刚度，并将所测量的刚度与所定义的标准工厂基线刚度进行比较。如果流量计量表刚度等于工厂基线，则校准因子正确并且该计量表将满足其质量流量准确性规范。这种验证用于确认流量计量表的准确性、校准和结构完整性。

可以通过将一个或多个音调注入在传感器的驱动频率的任一侧上来执行计量表验证。测试音调是一种特殊类别的人工创建的信号，其用于测试流量管以及电子器件的完整性以识别校准中的改变。可以将一系列音调添加到驱动信号。这些音调激励两个敏感元件中的非共振响应。嵌入式流量计量表电子器件测量这些音调输入和响应。通过读取传感器的响应并生成对应的频率响应函数，可以估计管的刚度。

当在高于室温的温度下执行计量表验证时，驱动线圈内部的电阻增加，并且电阻中的增加可能低于驱动放大器饱和所处的电流水平。超过该电流水平的电流可能使驱动电压饱和并使放大器驱动过度，这使得放大器将电压波形进行限幅。这种电压限幅将大量噪声引入到刚度估计中。这向刚度估计中产生误差和偏差，其增加了刚度不确定性。

对温度引发的电流水平饱和的一个解决方案是建立最大传感器电流（MSC），其可以用于确定并设置针对从驱动放大器输出的电流的限制。MSC还可以定义多大的驱动电流可用于对计量表验证测试音调进行供电。

MSC是驱动放大器可以递送到驱动线圈的最大电流。它是放大器的线性范围中的最大电压、线圈的反EMF和线圈电路电阻的函数。本申请提出了下述解决方案：其使用MSC来补偿并校正温度引发的放大器饱和偏置误差。

发明内容

提供了一种方法。根据实施例，所述方法包括：计算电阻；使用所述电阻计算MSC；在适当时间段期间测量多个驱动电流；对所述多个驱动电流进行平均；使用所述多个驱动电流的平均值计算缓冲值；以及使用所述MSC和所述缓冲值计算测试音调水平。

提供了一种用于在流量计量表中在计量表验证期间执行测试音调幅度的温度补偿的方法。根据实施例，所述方法包括：使用测试数据的曲线拟合和线圈的线关于温度的已知电阻改变中的一个来计算电阻；使用所述电阻、最大电压和EMF电压来计算MSC；在适当时间段内测量多个驱动电流；对所述多个驱动电流进行平均；使用所述驱动电流的平均值计算缓冲值；以及使用所述MSC和所述缓冲值计算测试音调水平。

提供了一种用于动态地优化流量计量表中的MSC的计量表电子器件。根据实施例，所述方法包括：接口，用于接收多个温度值以及对应的电阻值、传感器电流、最大电压、EMF电压和驱动电流；储存系统，用于存储并取回所述多个温度值以及所述对应的电阻值、传感器电流、最大电压、EMF电压和驱动电流；以及处理系统，用于在适当时间段内测量多个驱动电流，并使用所述接口执行计算。

发明方面

在本发明的一个方面中，所述方法包括：

计算电阻；

使用所述电阻计算MSC；

在适当时间段期间测量多个驱动电流；

对所述多个驱动电流进行平均；

使用所述多个驱动电流的平均值计算缓冲值；以及

使用所述MSC和所述缓冲值计算测试音调水平。

优选地，计算电阻进一步包括使用测试数据的曲线拟合。

优选地，计算电阻进一步包括使用线圈的线关于温度的已知电阻改变。

优选地，计算所述MSC包括使用下述公式：

。

优选地，使用下述公式计算所述缓冲值：

。

优选地，使用下述公式计算所述缓冲值：

。

优选地，通过下述公式计算所述测试音调水平：

。

优选地，如果所述测试音调水平是负的，则所述计量表验证将由于不稳定的过程条件而中止。

优选地，如果所述测试音调水平是正的，则将最近计算的MSC和所述音调水平值写入到适当的寄存器中，并启动计量表验证。

在本发明的另一个方面中，在流量计量表中在计量表验证期间执行测试音调幅度的温度补偿的方法包括：

使用测试数据的曲线拟合和线圈的线关于温度的已知电阻改变中的一个来计算电阻；

使用所述电阻、最大电压和EMF电压来计算MSC；

在适当时间段内测量多个驱动电流；

对所述多个驱动电流进行平均；

使用所述驱动电流的平均值计算缓冲值；

使用所述MSC和所述缓冲值计算测试音调水平。

优选地，使用所述MSC、所述缓冲值以及下述公式来计算测试音调水平：

。

优选地，使用下述公式计算所述MSC：

。

优选地，使用下述公式计算所述缓冲值：

。

优选地，使用下述公式计算所述缓冲值：

。

优选地，如果所述测试音调水平是正的，则将最近计算的MSC和所述音调水平值写入到适当的计算机可操作存储器寄存器中，并启动计量表验证。

在本发明的又一个方面中，一种用于动态地优化流量计量表中的MSC的计量表电子器件，包括：

接口，用于接收多个温度值以及对应的电阻值、传感器电流、最大电压、EMF电压和驱动电流；

储存系统，用于存储并取回所述多个温度值以及所述对应的电阻值、传感器电流、最大电压、EMF电压和驱动电流；

处理系统，用于在适当时间段内测量多个驱动电流，并使用所述接口执行计算。

优选地，所执行的计算进一步包括：

外推计算，其使用所述多个温度值以及所述对应的电阻值，并产生最优电阻；

最大传感器计算，其使用所计算的EMF电压、电阻和最大电压；

对所述多个驱动电流进行平均，

缓冲值计算，其在计算机处理器中使用所述驱动电流的平均值，以及

测试音调计算水平，其使用所述MSC。

优选地，使用下述公式中的一个来计算所述缓冲值：

和

。

优选地，如果所述测试音调水平是负的，则所述计量表验证将由于不稳定的过程条件而中止，并且如果所述测试音调水平是正的，则将最近计算的MSC和所述音调水平值写入到适当的计算机可操作存储器寄存器中，并启动计量表验证。

附图说明

图1示出了用于确定并采用测试音调水平的方法。

图2示出了用于确定测试音调水平的方法。

图3示出了用于动态地优化流量计量表的MSC的计量表电子器件。

具体实施方式

图1-3和以下描述描绘了具体示例，以教导本领域技术人员如何制造和使用本申请的最佳模式。出于教导发明原理的目的，已经简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员将领会来自落入本申请的范围内的这些示例的变型。本领域技术人员将领会的是，下面所描述的特征可以以各种方式组合以形成本申请的多个变型。因此，本申请不限于下面所描述的具体示例，而是仅受权利要求及其等同物所限制。

本申请被设计成帮助改进流量计量表校准和验证的准确性。使用驱动电路关于温度的电阻改变的线性外推来计算驱动线圈中的最优电阻。最优电阻然后用于使用从欧姆定律导出的等式来计算适当的MSC值。根据MSC，然后通过计算确定测试音调的最优值。

图1呈现了为了计算最优测试音调水平而执行的一系列方法步骤。该方法导出在计量表验证过程期间使用的MSC。步骤和计算在计量表验证之前发生。该方法中的计算采用计算机、计算机存储器和计算机可操作处理器以执行下述操作：从存储器取回数据，将数据存储到存储器，以及对在该方法中使用以及由该方法创建的数据进行数学操控。

在第一个计算中，通过使用由统计学线性回归分析执行的测试数据的曲线拟合来计算电阻R_T 110。可替换地，代替执行任何计算，可以使用线圈的线关于温度的已知电阻改变。接着，在MSC的计算120中采用电阻R_T 110 。可以通过下述公式导出以毫安为单位的MSC：

在该公式中，值V_max是由驱动放大器供给的最大电压。V_max的值可以处于从8伏特到10伏特的范围内。在本发明的实施例中，V_max的值可以是大约10伏特。值V_emf是驱动线圈的反EMF。V_emf是在室温下测量的。值x_rf是针对在计量表验证期间使用的驱动设定点的折减因子。x_rf值以及与传感器有关的其他参数和常数在伴随传感器一起的制造商文档中找到。值R_T是先前提到的针对电流传感器管的外推驱动电路电阻。

然后，使用电流测量设备（诸如但不限于万用表）测量驱动电流。在适当时间段内测量驱动电流130。可以在该适当时间段期间重复该测量多次，并且可以对该多个测量结果进行平均以产生针对该适当时间段的平均驱动电流140。该适当时间段可以包括一秒、两秒、许多秒或任何分数量的秒。

然后，可以使用多个公式中的任一个来计算缓冲值150。可以将缓冲值预先确定为一组静态且不可改变的常数，诸如2毫安的常数值。缓冲值还可以是理论音调水平的百分比，并使用下述公式来计算：

，

其中，

x_ptl= 针对计量表验证期间使用的驱动设定点的折减因子。

还可以通过使用下述公式来使用驱动电流的标准差的因子在统计学上导出缓冲值：

，

其中，

x_ndev = 驱动电流的标准差的因子（例如，标准差单位的数目）；以及

σ = 一个标准差。

在计算时刻对传感器进行驱动所需的电流值被称为i _Drive。一旦在当前温度下针对电流传感器已经获得了i _Drive和MSC值，则这些值可以用于使用下述公式在每个计量表验证运行之前计算音调水平160：

。测试音调水平是以毫安为单位的音调水平，在该音调水平下注入计量表验证测试音调。

可以将测试音调水平的值与零的阈值进行比较，以便确定测试音调值是正的还是负的170。然后，与零阈值的比较可以用于确定计量表验证过程是否应当继续。如果测试音调水平是负的180，则计量表验证将由于不稳定的过程条件而中止185。如果测试音调水平是正的190，则将最近计算的MSC和音调水平值写入到适当的存储器寄存器中，并启动计量表验证195。

可以由核心处理器以多个频率对驱动电流i _Drive进行采样，其中在适当时间段内的最优频率大约是20Hz频率。控制计量表的驱动的算法始终致力于以一定目标来保持计量表，使得这些值可能有噪声。单个测量结果是最不可靠的值。多个测量结果和这种多个测量结果的所计算的平均值可以呈现更可靠且更稳定的值。

对本方法的可能实施例可以包括：将最小和最大边界值结合到用于导出测试音调水平的等式中。此外，还可以在一定时间段内对驱动电流进行平均。这可以用于增强在包含大量噪声的环境中的测试音调水平的准确性。最后，可以使用除了零之外的不同阈值，以确定该验证将继续195还是中止185。

图2呈现了为了计算最优测试音调水平而执行的一系列方法步骤。使用第一测试数据或线圈的线关于温度的已知电阻改变的数据来通过使用数据的曲线拟合方法210或者构造表示一系列数据点的最佳拟合的曲线或数学函数的任何其他类型的统计学方法来计算电阻R _T。

可以使用电压计量表测量212最大电压。还可以使用计量表来测量215电磁频率电压。V _max和V _emf的电压可以从计量表中提取，并用于通过使用下述公式计算220 MSC：

可以由计量表在设定的时间段内连续测量230驱动电流。可以将这些值存储在计算机可操作存储器中232。该过程可以重复234任何数目的次数。可以重新调用所存储的值来在数学上进行平均240以产生平均值。还可以通过在给定时间段内采取单独的测量而递增地测量230驱动电流以给出递增值。可以将该递增值存储在计算机可操作存储器中230，并对该递增值进行平均240以产生平均驱动电流值。还可以重复234该过程，并且该过程可以用于产生平均值240。

当最初对计量表进行编程时，缓冲值可以是常数集合。还可以使用下述公式导出缓冲值作为所计算250的统计学因子：

，x _ndev是驱动电流的标准差的因子。还可以使用结合了被称为i _Drive的在计算时刻对传感器进行驱动所需的电流值的公式来确定缓冲值，该电流值是从传感器文档中取回的。缓冲值的该导出表示理论音调水平的百分比，并且可以使用下述公式：

。

一旦已经确定了缓冲值，还可以使用公式

来计算260测试音调水平。该测试音调水平值提供了最优测试音调，在该最优测试音调下，测试可以在不被电压限幅影响的情况下或者通过在正执行计量表验证过程的同时在温度上进行的改变来进行操作。这在流量计量表装置中提高了准确性，并降低了刚度不确定性。

图3示出了用于动态地优化流量计量表的MSC的计量表电子器件。在图3中所示出的实施例中，装置300由计量表电子器件20组成。计量表电子器件20可以包括接口301和处理系统310。处理系统310可以包括储存系统320。储存系统320可以包括如所示出的内部存储器，或者可替换地，可以包括外部存储器。

接口301可以经由导线从驱动机构和敏感元件传感器接收传感器信号。接口301可以执行任何必要或期望的信号调节，诸如任何方式的格式化、放大、缓冲等。可替换地，可以在处理系统310中执行信号调节中的一些或全部。附加地，接口301可以使得能够实现计量表电子器件20与外部设备之间的通信。接口301可以能够进行任何方式的电子、光学或无线通信。

在实施例中，接口301可以包括数字化仪，其中传感器信号包括模拟信号。数字化仪可以对模拟信号进行采样和数字化，并产生数字信号。数字化仪还可以执行任何所需的抽取，其中数字信号被抽取以便减少所需的信号处理的量，并减少处理时间。

处理系统310可以包括通用计算机、微处理系统、逻辑电路或一些其他通用或定制的处理设备。处理系统310可以分布在多个处理设备当中。处理系统310可以包括任何方式的集成或独立的电子储存介质，诸如储存系统320。

应当理解的是，计量表电子器件20可以包括本领域中一般已知的各种其他部件和功能。出于简明的目的，从说明书和附图中省略了这些附加特征。因此，本发明不应当限于所示出和讨论的具体实施例。

如图3中所示，接口301接收多个温度值321以及对应的电阻值322、传感器电流323、最大电压324、EMF电压325和驱动电流326。储存系统320存储并取回多个温度值321以及对应的电阻值322、传感器电流323、最大电压324、EMF电压325和驱动电流326。处理系统310在适当时间段内测量多个驱动电流326，并使用接口301执行计算。

根据实施例，所执行的计算进一步包括：外推计算，其使用多个温度值321以及对应的电阻值322，并产生最优电阻；最大传感器计算，其使用所计算EMF电压、电阻322和最大电压。该计算还可以包括：对多个驱动电流326进行平均；缓冲值计算，其在处理系统310中使用驱动电流326的平均值；以及测试音调计算水平，其使用MSC。

根据实施例，使用以下公式中的一个来计算缓冲值：

或

。根据实施例，如果测试音调水平是负的，则计量表验证将由于不稳定的过程条件而中止，并且如果测试音调水平是正的，则将最近计算的MSC和音调水平值写入到适当的计算机可操作存储器寄存器中，并启动计量表验证。

上面的实施例的详细描述不是发明人所考虑的要处于本申请的范围内的所有实施例的详尽描述。实际上，本领域技术人员将认识到，可以以各种方式组合或消除上面描述的实施例的某些要素以产生进一步的实施例，并且这种进一步的实施例落入本申请的范围和教导内。对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，上面描述的实施例可以整体或部分地组合以在本申请的范围和教导内产生附加的实施例。

Claims

1.一种用于在计量表验证期间确定并采用测试音调水平的方法，所述方法包括：

计算驱动线圈的电阻；

使用所述电阻计算最大传感器电流（MSC）；

在适当时间段期间测量多个驱动电流；

对所述多个驱动电流进行平均；

使用所述多个驱动电流的平均值计算缓冲值；以及

使用所述最大传感器电流（MSC）和所述缓冲值计算测试音调水平。

2.如权利要求1所述的方法，其中计算电阻进一步包括使用测试数据的曲线拟合。

3.如权利要求1所述的方法，其中计算电阻进一步包括使用所述驱动线圈的线关于温度的已知电阻改变。

4.如权利要求1所述的方法，其中计算所述最大传感器电流（MSC）包括使用下述公式：

；

其中x _rf是针对在计量表验证期间使用的驱动设定点的折减因子；

V _max是由放大器供给的最大电压；

V _emf是驱动器的反电动势；以及

R _T是包括驱动器的驱动电路的驱动电路电阻。

5.如权利要求1所述的方法，其中使用下述公式计算所述缓冲值：

，其中x _ptl是针对计量表验证期间使用的驱动设定点的折减因子；以及

i _Drive是用于驱动器的驱动电流。

6.如权利要求1所述的方法，其中使用下述公式计算所述缓冲值：

，其中x _ndev是驱动电流的标准差的因子；以及

σ是标准差。

7.如权利要求1所述的方法，其中通过下述公式计算所述测试音调水平：

，其中：

i _Drive是用于驱动器的驱动电流。

8.如权利要求1所述的方法，其中如果所述测试音调水平是负的，则所述计量表验证将由于不稳定的过程条件而中止。

9.如权利要求1所述的方法，其中如果所述测试音调水平是正的，则将最近计算的最大传感器电流（MSC）和所述音调水平值写入到适当的寄存器中，并启动计量表验证。

10.一种在流量计量表中在计量表验证期间执行测试音调水平的温度补偿的方法，包括：

使用测试数据的曲线拟合和驱动线圈的线关于温度的已知电阻改变中的一个来计算所述驱动线圈的电阻；

使用所述电阻、最大电压和EMF电压来计算最大传感器电流（MSC）；

在适当时间段内测量多个驱动电流；

对所述多个驱动电流进行平均；

使用所述驱动电流的平均值计算缓冲值；

11.如权利要求10所述的方法，其中使用所述最大传感器电流（MSC）、所述缓冲值以及下述公式来计算测试音调水平：

，其中：

i _Drive是用于驱动器的驱动电流。

12.如权利要求10所述的方法，其中使用下述公式计算所述最大传感器电流（MSC）：

；

V _max是由放大器供给的最大电压；

V _emf是驱动器的反电动势；以及

R _T是包括驱动器的驱动电路的驱动电路电阻。

13.如权利要求10所述的方法，其中使用下述公式计算所述缓冲值：

i _Drive是用于驱动器的驱动电流。

14.如权利要求10所述的方法，其中使用下述公式计算所述缓冲值：

，其中x _ndev是驱动电流的标准差的因子；以及

σ是标准差。

15.如权利要求10所述的方法，其中如果所述测试音调水平是负的，则所述计量表验证将由于不稳定的过程条件而中止。

16.如权利要求10所述的方法，其中如果所述测试音调水平是正的，则将最近计算的最大传感器电流（MSC）和所述音调水平值写入到适当的计算机可操作存储器寄存器中，并启动计量表验证。

17.一种用于动态地优化流量计量表中的最大传感器电流（MSC）的计量表电子器件（20），包括：

接口（301），用于接收多个温度值（321）以及对应的电阻值（322）、传感器电流（323）、最大电压（324）、EMF电压（325）和驱动电流（326）；

储存系统（320），用于存储并取回所述多个温度值（321）以及所述对应的电阻值（322）、传感器电流（323）、最大电压（324）、EMF电压（325）和驱动电流（326）；以及

处理系统（310），用于在适当时间段内测量多个驱动电流（326），并用于使用所述接口（301）执行计算，所述计算包括：

外推计算，其使用所述多个温度值（321）以及所述对应的电阻值（322），并产生最优电阻；

最大传感器电流计算，其使用所计算的EMF电压、电阻值（322）和最大电压；

对所述多个驱动电流（326）进行平均，

缓冲值计算，其在所述处理系统（310）中使用所述驱动电流（326）的平均值，以及

测试音调水平计算，其使用所述最大传感器电流（MSC）。

18.如权利要求17所述的计量表电子器件（20），其中使用下述公式中的一个来计算所述缓冲值：

和

，其中：

x _ptl是针对计量表验证期间使用的驱动设定点的折减因子；

x _ndev是驱动电流的标准差的因子；

i _Drive是用于驱动器的驱动电流；以及

σ是标准差。

19.如权利要求18所述的计量表电子器件（20），其中如果所述测试音调水平是负的，则所述计量表验证将由于不稳定的过程条件而中止，并且如果所述测试音调水平是正的，则将最近计算的最大传感器电流（MSC）和所述音调水平值写入到适当的计算机可操作存储器寄存器中，并启动计量表验证。