CN110914649B - 用于确定液体的质量流量的测量传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于确定液体的质量流量的测量传感器(2)，包括：用于运送液体的至少一个测量管(A、B)，其中，测量管具有入口侧端部段和出口侧端部段；支撑体(15)，测量管在入口侧端部段区域和出口侧端部段区域中被安装在支撑体上；激发器(8)，用于以至少一种振动模式激励测量管(A、B)的振动；至少一个振动传感器(14、16)，用于检测测量管的振动并输出振动相关信号；操作和评估电路(18)，用于驱动激发器，接收振动传感器的振动相关信号，以及至少基于传感器的振动相关信号来确定代表质量流量的测量值，并且其中，操作和评估电路(18)包括自适应低通滤波器，用于对代表质量流量的一系列测量值进行滤波；其中，低通滤波器具有取决于至少一个自适应受控变量的至少一个滤波器参数，该至少一个自适应受控变量本身取决于测试介质的含气量。

Description

用于确定液体的质量流量的测量传感器

技术领域

本发明涉及一种用于确定液体的质量流量的测量传感器，该测量传感器包括：用于运送液体的至少一个测量管，其中，该测量管具有入口侧端部段和出口侧端部段；至少一个支撑体，测量管在入口侧端部段区域和出口侧端部段区域中被安装在支撑体上；至少一个激发器，用于以至少一种振动模式激励测量管的振动；至少一个振动传感器，用于检测测量管的振动并输出振动相关信号；操作和评估电路，用于驱动至少一个激发器，接收振动传感器的振动相关信号，并用于至少根据传感器的振动相关信号确定代表质量流量的测量值。

背景技术

例如，已公开的专利申请DE 10 2010 003 948 A1描述了一种通用的测量传感器及其操作过程。

出于例如评估、控制应用、视觉呈现、文献管理目的等而进行的对振动相关信号的处理越来越多地以数字方式执行。在此过程中，以模拟方式最初记录变化的振动相关信号。这种模拟信号可以以已知的方式通过在高采样频率下进行采样来采样，并被转换为具有时间上连续的一系列测量值的时间离散的一维测量信号。然而，以这种方式获得的测量信号具有噪声，该噪声由于在测量管中流动的液体的各种特性例如由于含气量水平而在不同程度上变得明显。已知借助于低通滤波器对测量信号进行滤波，但这伴随着数据速率的降低。如果必须尽快通知例如过程控制单元或过程监控单元的上级单元质量流量出现变化，则数据速率的降低尤其是在时间紧迫的应用中会出现问题。

已知使用自适应滤波器来抑制噪声，但根据测量变量的噪声来控制这些滤波器。然而，特别是当介质的性质例如液体的含气量突然改变时，这可能会导致滤波器对变化的测量条件的适应延迟。

发明内容

因此，本发明的目的是找到一种补救方法。

根据本发明，该目的通过根据独立权利要求1的流量测量装置来实现。

根据本发明的用于确定液体的质量流量的测量传感器包括：

用于运送液体的至少一个测量管，其中，该测量管具有入口侧端部段和出口侧端部段；

至少一个支撑体，测量管在入口侧端部段区域和出口侧端部段区域中被安装在该支撑体上；

至少一个激发器，用于以至少一种振动模式激励测量管的振动；

至少两个振动传感器，用于检测测量管的振动，并用于输出振动相关信号；

操作和评估电路，用于驱动至少一个激发器，用于接收振动传感器的振动相关信号，并用于根据至少一系列时间离散的测量信号确定代表相应质量流量的一系列测量值，每个测量信号代表振动传感器的振动相关信号之间的相位差，

其中，操作和评估电路包括自适应低通滤波器，用于对代表质量流量的一系列测量值进行滤波；其中，低通滤波器具有取决于至少一个自适应受控变量的至少一个滤波器参数，该至少一个自适应受控变量本身取决于被测介质的含气量。

在本发明的改进方案中，受控变量与质量流量无关。

在本发明的改进方案中，受控变量取决于代表含气量水平的信号。

在本发明的改进方案中，操作和评估电路被设计为根据测量管振动的固有频率的含气量相关的波动来确定受控变量。

在本发明的改进方案中，操作和评估电路被设计为根据测量管振动的含气量相关的阻尼来确定受控变量。

在本发明的改进方案中，操作和评估电路被设计为根据测量管振动的含气量相关的阻尼波动来确定受控变量。

在本发明的改进方案中，低通滤波器包括自适应滤波器，其中，受控变量具有加权函数，利用该加权函数，当前的初始测量值对要输出的测量值具有贡献，其中，加权函数取决于根据含气量确定的当前的加权时间常数，其中，加权函数k_m(τ)是随着加权时间常数τ的增加而单调减小的函数，特别是时间常数的倒数值的函数，例如函数的类型为k_m(τ)＝(1-exp(-(t/τ))，其中，t是两个初始测量值之间的时段。

在本发明的改进方案中，操作和评估电路被设计为首先根据取决于含气量的当前信号确定时间常数趋势值τ_s，将最后一个有效的加权时间常数τ_i-1与时间常数趋势值τ_s进行比较，当最后一个有效的加权时间常数τ_i-1小于时间常数趋势值τ_s时，相较于最后一个加权时间常数τ_i-1增加该值，以便确定当前的加权时间常数τ_i，并且当最后一个有效的加权时间常数τ_i-1大于时间常数趋势值τ_s时，相较于最后一个加权时间常数τ_i-1减小该值。

在本发明的改进方案中，以下公式适用于将要增加加权时间常数的情况：(τ_i-τ_i-1)/t＝a，其中，t是两个连续的测量值之间的时间间隔，并且a是常数，该常数不大于8，特别是不大于4，并且优选不大于2。

在本发明的改进方案中，以下公式适用于将要减小时间常数的情况：

τ_i/τ_i-1＝b，其中，0.9＜b＜1，特别是0.95＜b＜1，优选0.975＜b＜1。

在本发明的改进方案中，操作和评估电路被设计为根据采用固有频率的平方进行归一化的测量管振动的固有频率的波动来确定时间常数趋势值τ_s。

在本发明的改进方案中，操作和评估电路被设计为按照如下公式确定时间常数趋势值τ_s：

或者：

其中：

FFD_i＝k_FF·|f_i-f_i-1|+(1-k_FF)·FFD_i-1

以及：

FD_i＝k_F·f_i+(1-k_F)·FD_i-1.

其中，X是常数，f_i是测量管振动的当前固有频率，并且k_τ，k_FF，k_F是加权因子，特别是恒定的加权因子。

根据本发明的一个实施例，通过将质量流量的当前未滤波的测量值

加权地添加到质量流量的先前滤波后的测量值

来确定质量流量的当前滤波后的测量值

也就是说：

其中，k_m(τ_i)是一系列含气量相关的加权因子，这些加权因子以先前描述的方式进行确定。

附图说明

现在基于附图中示出的示例性实施例进一步详细地描述本发明。附图显示出：

图1a是具有两个测量管的质量流量测量装置的示例性实施例的侧视图，其中壳体被部分地移除；

图1b是图1a的质量流量测量装置的透视图，其中壳体被部分地移除；

图2a是在未滤波状态下、采用常规滤波器进行滤波以及采用根据本发明的质量流量测量传感器的自适应滤波器进行滤波的根据含气量的质量流量测量值；

图2b是与图2a相比放大的根据含气量的质量流量测量值；

图3是根据本发明的处于滤波状态和未滤波状态的质量流量测量装置的测量值。

具体实施方式

图1a和1b以示例的方式示出了具有纵向轴线L的质量流量测量装置2，该质量流量测量装置根据科里奥利原理工作并且根据本发明进行设计。根据本发明的方法尤其可以通过该质量流量测量装置2来执行。质量流量测量装置2具有两个振动安装的测量管A和B，两个测量管分别具有弓形的形状并且平行于彼此延伸。质量流量测量装置2可以以这样的方式插入管道(未示出)中，使得在管道中流动的流体流过两个测量管A和B。分流器4和集流器6分别设置在测量管A和B的入口侧和出口侧上。

激发器8布置在两个测量管A和B之间。在本实施例中，在每种情况下，激发器8被定位在由两个测量管A和B形成的弧的反转点处。两个测量管A和B可以通过激发器8相对于彼此周期性地偏转，使得它们执行弯曲振动。两个测量管A和B也通过相应的连接元件10、12在入口侧和出口侧上彼此机械耦合。

两个振动传感器14、16分别在两个测量管A和B之间的入口侧和出口侧部分处延伸。在本实施例中，两个振动传感器14、16均可以检测两个测量管A、B之间的距离变化，即它们的组合振幅。振动传感器14、16均输出根据测量管A和B的振动的传感器电压。在每种情况下，其最初是模拟测量信号。通过相应设计的操作和评估电路18，发生通过施加相应的激励电压的激发器8的激励以及并且由振动传感器14、16提供的模拟测量信号的处理和评估，在图1和图2中仅通过方框示意性地示出了该电路。

将要确定两个测量管A、B在由振动传感器14、16形成的两个测量点之间的振动的相位差

以便确定质量流量

的测量值。如本领域技术人员所公知的，尤其是可以按照如下公式从该相位差

中确定在管道中流动的流体的质量流量：

其中，k是专属于相应测量装置的常数，f表示测量管当前的振动频率。

为了确定相位差

的一系列离散值

操作和评估电路18分别根据由振动传感器14、16提供的模拟测量信号来确定两个测量管A、B在由两个振动传感器14、16形成的测量点处的振动的相位信息

为此，特别是分别由振动传感器14、16提供并且通常由与振动相对应的传感器电压形成的模拟测量信号可以以高采样频率例如40kHz被采样。结果，获得了具有测量值的时间序列的时间离散的一维测量信号。通常，还对序列中的各个测量值进行量化，以便能够进行数字处理。此外，在本实施例中，每个测量信号被转换成由实部R(t_i)和虚部I(t_i)组成的分析信号。为此，例如可以以已知的方式并行使用两个具有90°相位差的滤波器。此外，本实施例提供了减小分析信号的数据速率。例如，这可以通过相应的抽取阶段来完成。如本领域技术人员所熟悉的，从分析信号中可以分别获得两个测量管A、B在相应测量点处的振动的(时间相关的)振幅信息A₁(t_i)、A₂(t_i)和(时间相关的)相位信息

由振动传感器14、16形成的两个测量点之间的相位差

可以通过形成由两个振动传感器14、16检测的振动的相位信息

的差来获得。由于在本实施例中信号处理很大程度上是数字地进行的，因此相应的处理后的测量信号是时间离散的，使得在每种情况下都参考特定的常数ti。

通常，操作和评估电路评估振幅信息A₁(t_i)、A₂(t_i)和相位信息

特别地，在每种情况下，根据这些变量来控制激发器8对测量管A、B的激励。

操作和评估电路还被设计为根据一系列的时间离散的相位差值

按照如下公式来确定经过管道

的质量流量的相应一系列的测量值

其中：

并且f_i＝f(t_i)。

为了提供质量流量的一系列的测量值

也可以执行替代上述信号处理的其他信号处理或数字或模拟信号处理，例如放大、零点补偿等。这可以在下面描述的利用自适应滤波器进行的信号处理之前和之后进行。

质量流量的一系列测量值

或简称为测量值尤其是随着在管道中流动的被测介质的含气量的波动而受到不同程度的强烈波动，如图2a和2b中所示，其中图2b示出了具有较高分辨率的区段。这些图首先显示了未经滤波的质量流量测量值。取决于含气量，测量值波动到难以识别特定测量值的程度。中间的较窄浅色带显示了基于测量值的常规低通滤波的相关测量值曲线。在这方面，特别是根据图2b中的区段，已经清楚的是，这些滤波后的数据也具有相当大的波动。在浅色带内延伸的暗线表示借助于根据本发明的质量流量测量装置的自适应滤波器对测量值进行处理后的结果。可以看出，信号具有明显较低的波动，并且至少可以遵循实际的测量值曲线以及采用恒定滤波器处理后的信号。

通过控制根据变量的滤波器参数，使自适应滤波器的有效工作原理成为可能，如下面更详细地解释的那样，该滤波器参数独立于相位差测量信号。

为了运行，自适应滤波器需要当前的时间常数τ_i：＝τ(t_i)，该时间常数在本示例性实施例中被确定为测量管振动的振动频率波动的函数。其中，波动本身也通过滤波器进行检测，以避免时间常数过度变化。

在这种情况下，首先确定当前的时间常数趋势值τ_s，i，并将其与最后一个有效的时间常数进行比较。如果该时间常数趋势值比最后一个有效的时间常数τ_i-1大超过一容差值，则确定其值大于最后一个有效的时间常数的值的当前的有效时间常数τ_i。如果该时间常数趋势值小于最后一个有效的时间常数τ_i-1，则确定其值小于最后一个有效的时间常数的值的当前的有效时间常数τ_i。

在该示例性实施例中，基于测量管振动频率的波动来确定当前的时间常数趋势值τ_s，i，该波动利用该频率的平方进行归一化。具体来说，滤波器使用了以下等式：

当前的频率波动对当前的时间常数趋势值做出贡献的加权因子k_τs为百分之几，并且可以被确定为：

k_τs＝(1-exp(-t_s/τ_k))

其中，t_s是测量间隔，即两个频率测量值之间的时间，例如20ms。τ_K是定义的时间常数并且是t_s的倍数，例如0.5s＜τ_K＜2s，特别是τ_K＝1s。

因子X是常数，其值在10到200之间，例如50。

当如此确定的时间常数趋势值τ_s，i大于最后一个有效的加权时间常数τ_i-1与容差值的和时，例如容差值对应于一半的测量间隔t_s，则加权时间常数被增加，例如增加恒定的时间增量，该时间增量对应于测量间隔t_s，例如20ms。

另一方面，如果时间常数趋势值τ_s，i小于最后一个有效的加权时间常数τ_i-1，则将后者乘以因子b＜1，以确定当前的加权时间常数τ_i，即τ_i＝b·τ_i-1，其中：0.9＜b＜1，特别是0.95＜b＜1，优选0.975＜b＜1。

加权时间常数通过加上适度的增量的增加与加权时间常数通过乘以小于1的系数的减少的组合的效果，一方面会导致加权时间常数随着存在的含气量从小数值开始相对快速地增加，但其随后与一系列乘法相反，不会无限制地呈指数增长，并且另一方面会导致加权时间常数随着含气量的降低而呈指数下降，使得测量值确定可以快速地适应更有利的条件。在图3中示出了加权时间常数的跳跃响应对时间常数趋势值的跳跃的示例。这里，虚线示出了例如为1s到10s并且返回的时间常数趋势值τ_s，i的跳跃，而实线则表示加权时间常数τ_i的反应。

加权时间常数τ_i有助于确定加权因子k_m(τ_i)，以便按照如下公式确定滤波后的测量值：

k_m(τ_i)＝(1-exp(-(t_s/τ_i))，其中，t_s同样是测量间隔。当前经滤波的测量值

是通过将当前未滤波的测量信号

加权地添加到先前已滤波的测量信号

上而确定的，即

如图2a和2b所示，这导致质量流量测量值的波动具有明显改善的衰减。

如果利用频率的波动来确定时间常数趋势值，则如上所述，当前的频率波动及其归一化的频率值通过加权因子k_τs对时间常数趋势值具有贡献，时间常数趋势值是时间常数的函数。

由于频率波动的相对波动明显大于频率的相对波动，因此针对波动比针对归一化频率使用更大的时间常数可能是有利的。如在以下实施例中示出的。

其中：

FFD_i＝k_FF·|f_i-f_i-1|+(1-k_FF)·FFD_i-1，

以及：

FD_i＝k_F·f_i+(1-k_F)·FD_i-1，

其中，X是常数，f_i是测量管振动的当前固有频率，并且k_FF，k_F是加权因子，尤其是恒定的加权因子，其中：

k_FF，＜k_F。

这确保了自适应滤波器更快地适应测量管的实际变化的振动频率。

代替测量管的振动频率的波动，也可以使用当前共振频率下的振动振幅A₁(t_i)、A₂(t_i)的阻尼或该阻尼的波动。阻尼D_i＝D(t_i)是由例如用于激励振动的当前激励信号E_i＝E(t_i)与例如共振时的振幅之和的比率得出的，即：

D_i＝E_i/(A₁(t_i)+A₂(t_i))

FD_i阻尼的归一化的当前波动可以按照如下公式确定：

FDi＝(Di-Di-1)/Di-1

基于这些变量，根据结合频率波动所描述的方法，可以通过适当的归一化来确定时间常数趋势值，利用时间常数趋势值对滤波器进行如上所述的控制。

Claims (12)

1.一种用于确定介质的质量流量的测量传感器(2)，包括：

用于运送介质的至少一个测量管(A、B)，其中，所述测量管(A、B)具有入口侧端部段(10)和出口侧端部段(12)；

至少一个支撑体(15)，所述测量管在所述入口侧端部段的区域和所述出口侧端部段的区域中被安装在所述支撑体上；

至少一个激发器(8)，所述激发器用于以至少一种振动模式激励所述至少一个测量管(A、B)的振动；

至少两个振动传感器(14、16)，所述振动传感器用于检测所述测量管的振动并用于输出振动相关信号；

操作和评估电路(18)，所述操作和评估电路用于驱动所述至少一个激发器(8)，用于接收所述振动传感器(14、16)的振动相关信号，并用于根据至少一系列时间离散的测量信号确定代表相应质量流量的一系列测量值，每个测量信号代表所述振动传感器的振动相关信号之间的相位差，并且

其中，所述操作和评估电路(18)包括自适应低通滤波器，所述滤波器用于对代表质量流量的一系列测量值进行滤波；其中，所述低通滤波器具有取决于至少一个自适应受控变量的至少一个滤波器参数，所述至少一个自适应受控变量本身取决于被测介质的含气量，

其中，所述操作和评估电路被设计成根据测量管振动的固有频率的含气量相关的波动来确定所述受控变量，

其中，所述受控变量具有加权函数，利用所述加权函数，当前的初始测量值对要输出的测量值做出贡献，其中，所述加权函数取决于根据含气量确定的当前的加权时间常数τ，其中，所述加权函数是随着加权时间常数τ的增加而单调减小的函数。

2.根据权利要求1所述的测量传感器，其中，所述受控变量与质量流量无关。

3.根据权利要求1所述的测量传感器，其中，所述加权函数是所述时间常数的倒数值的函数。

4.根据权利要求1所述的测量传感器，其中，所述加权函数具有类型(1-exp(-(t/τ) ))的函数，其中，t是在两个初始测量值之间的时段。

5.根据权利要求1所述的测量传感器，其中，所述操作和评估电路被设计为首先根据取决于含气量的当前信号确定时间常数趋势值τ_s，将最后一个有效的加权时间常数τ_i-1与时间常数趋势值τ_s进行比较，当所述最后一个有效的加权时间常数τ_i-1小于所述时间常数趋势值τ_s时，相较于所述最后一个有效的加权时间常数τ_i-1增加所述时间常数趋势值τ_s，以确定当前的加权时间常数τ_i，并且当最后一个有效的加权时间常数τ_i-1大于时间常数趋势值τ_s时，相较于最后一个有效的加权时间常数τ_i-1减小所述时间常数趋势值τ_s。

6.根据权利要求5所述的测量传感器，其中，以下公式适用于将增加加权时间常数的情况：(τ_i-τ_i-1)/t＝a，其中，t是两个连续的测量值之间的时段，a为不大于8的常数。

7.根据权利要求6所述的测量传感器，其中，a为不大于4的常数。

8.根据权利要求7所述的测量传感器，其中，a为不大于2的常数。

9.根据权利要求6所述的测量传感器，其中，以下公式适用于将减小时间常数的情况：τ_i/τ_i-1＝b，其中，0.9<b<1。

10.根据权利要求9所述的测量传感器，其中，0.95<b<1。

11.根据权利要求10所述的测量传感器，其中，0.975<b<1。

12.根据权利要求5所述的测量传感器，其中，所述操作和评估电路被设计成根据采用所述固有频率的平方进行归一化的测量管振动的固有频率的波动来确定所述时间常数趋势值τ_s。

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