CN112513589A - 用于流量计的验证诊断的计量器电子设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于验证流量计(5)的准确操作的方法。该方法需要接收来自流量计(5)的振动响应，其中，该振动响应包括对流量计(5)以基本共振频率振动的响应。测量至少一个增益衰减变量。然后确定增益衰减变量是否在预定范围之外。如果增益衰减变量在预定范围之外，则调整在刚度计算中使用的滤波器。

Description

用于流量计的验证诊断的计量器电子设备和方法
背景技术
本公开涉及用于流量计的验证诊断的计量器电子设备和方法。
振动导管传感器、比如科里奥利质量流量计或振动管密度计通常通过检测容纳流动材料的振动导管的运动来操作。可以通过处理从与导管相关联的运动换能器接收的测量信号来确定与导管中的材料相关联的性质，例如质量流量、密度等。填充有振动材料的系统的振动模式通常受到容纳导管和容纳在容纳导管中的材料的组合质量、刚度和阻尼特性的影响。
振动流量计的导管可以包括一个或更多个流动管。流动管被迫以共振频率振动，其中，管的共振频率与流动管中流体的密度成正比。位于管的入口部分和出口部分上的传感器测量管的端部之间的相对振动。在流动期间，由于科里奥利力，振动管和流动质量耦合在一起，导致管的端部之间的振动的相移。相移与质量流量成正比。
典型的科里奥利质量流量计包括一个或更多个导管，所述一个或更多个导管在管道或其他输送系统中串联连接，并且在系统中传送材料，例如流体、浆液等。每个导管均可以被视为具有一组固有振动模式，包括例如简单弯曲模式、扭转模式、径向模式和耦合模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，当材料流动穿过导管时，导管被以一个或更多个振动模式激励，并且导管的运动被在沿着导管间隔开的点处测量。激励通常由致动器提供，致动器例如为以周期性方式扰动导管的机电装置、比如音圈型驱动器。质量流量可以通过测量在换能器位置处的运动之间的时间延迟或相位差来确定。通常采用两个这种换能器(或拾取传感器)来测量流动管的振动响应，并且这两个换能器通常位于致动器的上游和下游的位置处。这两个拾取传感器通过电缆连接至电子仪器。仪器接收来自这两个拾取传感器的信号并处理该信号以便得出质量流量测量值。
这两个传感器信号之间的相位差与流动穿过流动管的材料的质量流量有关。材料的质量流量与这两个传感器信号之间的时间延迟成正比，并且质量流量可以因此通过将时间延迟乘以流量校准因子(FCF)来确定，其中，时间延迟包括相位差除以频率。FCF反映了流动管的材料属性和横截面属性。在现有技术中，在将流量计安装到管道或其他导管中之前，通过校准过程来确定FCF。在校准过程中，流体以给定的流量穿过流动管，并且计算相位差与流量之间的比例。
科里奥利流量计的一个优点是测量的质量流量的准确性不受流量计中的运动部件的磨损的影响。流量是通过将流动管的两点之间的相位差与流量校准因子相乘来确定的。唯一的输入是来自传感器的正弦信号，指示流动管上的两点的振荡。根据这些正弦信号计算相位差。振动流动管中不存在运动部件。因此，相位差和流量校准因子的测量不受流量计中的运动部件的磨损的影响。
FCF可以与计量器组件的刚度特性相关。如果计量器组件的刚度特性变化，则FCF也将变化。变化因此将影响由流量计产生的流量测量值的准确性。例如，流动管的材料属性和横截面属性方面的变化可能是由磨损或腐蚀造成的。因此，非常理想的是能够检测和/或量化计量器组件的刚度的任何变化，以便在流量计中保持高水平的准确性。
发明内容
根据实施方式，提供了一种用于验证流量计的准确操作的方法。该方法包括以下步骤：接收来自流量计的振动响应，其中，该振动响应包括对流量计以基本共振频率振动的响应。测量至少一个增益衰减变量。另外，确定增益衰减变量是否在预定范围之外，并且如果增益衰减变量在预定范围之外，则调整在刚度计算中使用的滤波器。
根据实施方式，提供了一种用于验证流量计的准确操作的计量器电子设备。该计量器电子设备包括：用于接收来自流量计的振动响应的接口，其中，该振动响应包括对流量计以基本共振频率振动的响应；以及与该接口通信的处理系统。该处理系统配置成：测量至少一个增益衰减变量；确定增益衰减变量是否在预定范围之外；以及如果增益衰减变量在预定范围之外，则调整在刚度计算中使用的滤波。
各个方面
根据一方面，用于验证流量计的准确操作的方法包括以下步骤：接收来自流量计的振动响应，其中，该振动响应包括对流量计以基本共振频率振动的响应。测量至少一个增益衰减变量。另外，确定增益衰减变量是否在预定范围之外，并且如果增益衰减变量在预定范围之外，则调整在刚度计算中使用的滤波器。
优选地，测量至少一个增益衰减变量的步骤包括：在第一时间点测量所述至少一个增益衰减变量；在不同的第二时间点测量所述至少一个增益衰减变量；以及只要在第一时间点测得的所述至少一个增益衰减变量的值不同于在第二时间点测得的所述至少一个增益衰减变量的值，就调整滤波器。
优选地，增益衰减变量包括拾取电压、驱动电流、流动管频率和温度中的至少一者。
优选地，该方法包括：测量增益衰减变量中的一个增益衰减变量在第一时间段内的第一斜率；测量增益衰减变量中的同一增益衰减变量在第二时间段内的第二斜率；如果第一斜率和第二斜率相同则确定趋势存在；以及在趋势存在时，阻止计量器验证。
优选地，所述至少一个增益衰减变量的变异系数被计算。
优选地，调整滤波的步骤包括：增加滤波事件的数目、所使用的滤波器的类型和所滤波的样本的数目中的至少一者。
优选地，该方法包括：通过去除流量计的激励来测量衰减特性；在测量衰减特性的同时允许流量计的振动响应衰减至预定的振动目标；以及通过改变所采集的衰减特性样本的数目来调整滤波。
根据一方面，用于验证流量计的准确操作的计量器电子设备包括：用于接收来自流量计的振动响应的接口，其中，该振动响应包括对流量计以基本共振频率振动的响应；以及与该接口通信的处理系统。该处理系统配置成：测量至少一个增益衰减变量；确定增益衰减变量是否在预定范围之外；以及如果增益衰减变量在预定范围之外，则调整在刚度计算中使用的滤波。
优选地，测量至少一个增益衰减变量包括：在第一时间点测量所述至少一个增益衰减变量；在不同的第二时间点测量所述至少一个增益衰减变量；以及只要在第一时间点测得的所述至少一个增益衰减变量的值不同于在第二时间点测得的所述至少一个增益衰减变量的值，就调整滤波器。
优选地，增益衰减变量包括拾取电压、驱动电流、流动管频率和温度中的至少一者。
优选地，处理系统还配置成：测量增益衰减变量中的一个增益衰减变量在第一时间段内的第一斜率和增益衰减变量中的同一增益衰减变量在第二时间段内的第二斜率；以及如果第一斜率和第二斜率相同则确定趋势存在，其中，当趋势存在时，计量器验证被阻止。
优选地，所述至少一个增益衰减变量的变异系数被计算。
优选地，调整滤波包括：增加滤波事件的数目、所使用的滤波器的类型和所滤波的样本的数目中的至少一者。
优选地，处理系统还配置成：通过去除流量计的激励来测量衰减特性；以及在测量衰减特性的同时允许流量计的振动响应衰减至预定的振动目标，并且其中，调整滤波包括改变所采集的衰减特性样本的数目。
附图说明
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1示出了包括计量器组件和计量器电子设备的流量计。
图2示出了根据实施方式的计量器电子设备。
图3是根据实施方式的用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图。
图4是根据实施方式的用于确定流量计中的刚度变化(ΔK)的方法的流程图。
图5示出了根据另一实施方式的计量器电子设备。
图6是根据实施方式的用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图。
图7是根据实施方式的用于自动滤波器调整的方法的流程图。
图8是根据实施方式的用于自动滤波器调整的趋势分析的方法的流程图。
具体实施方式
图1至图8以及以下描述描绘了用以教导本领域技术人员如何制作和使用实施方式的最佳模式的具体示例。为了教导发明原理，已经简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员将理解落入本实施方式的范围内的来自这些示例的变型。本领域技术人员将理解的是，以下所描述的特征可以以各种方式组合以形成多种变型。因此，本实施方式不限于以下所描述的具体示例，而是仅由权利要求及其等同物限制。
图1示出了包括计量器组件10和计量器电子设备20的流量计5。计量器组件10响应于处理材料的质量流量和密度。计量器电子设备20经由导线100连接至计量器组件10，以通过路径26提供密度、质量流量和温度信息以及其他与本实施方式不相关的信息。描述了科里奥利流量计结构，然而对于本领域技术人员明显的是，本实施方式可以以振动管式密度计实施，而无需由科里奥利质量流量计提供的附加测量能力。
计量器组件10包括一对歧管150和150’、具有法兰颈部110和110’的法兰103和103’、一对平行的流动管130和130’、驱动机构180、温度传感器190以及一对速度传感器170L和170R。流动管130和130’具有两个基本上直的入口腿部131和131’以及出口腿部134和134’，入口腿部131和131’与出口腿部134和134’在流动管安装块120和120’处朝向彼此会聚。流动管130和130’沿其长度在两个对称位置处弯曲并且在其整个长度上基本上平行。撑杆140和140’用于限定每个流动管振荡时所绕的轴线W和W’。
流动管130和130’的侧腿部131、131’和134、134’被固定地附接至流动管安装块120和120’，并且这些块又被固定地附接至歧管150和150’。这提供了穿过科里奥利计量器组件10的连续闭合材料路径。
当具有孔102和102’的法兰103和103’经由入口端部104和出口端部104’连接到承载被测量的过程材料的处理管线(未示出)中时，材料通过法兰103中的孔口101进入该计量器的端部104，并通过歧管150被引导至具有表面121的流动管安装块120。在歧管150内，材料被分开并且定路径成穿过流动管130和130’。在离开流动管130和130’时，处理材料在歧管150’内以单股流的形式重新结合，然后被定路径成离开通过具有螺栓孔102’的法兰103’连接至处理管线(未示出)的端部104’。
流动管130和130’被选择至并被适当地安装至流动管安装块120和120’，以便具有大致相同的质量分布、惯性矩和分别关于弯曲轴线W-W和W’-W’的杨氏模量。这些弯曲轴线穿过撑杆140和140’。由于流动管的杨氏模量随温度而改变，并且该改变影响流量和密度的计算，因此将电阻式温度检测器(RTD)190安装至流动管130’以连续地测量流动管的温度。流动管的温度并且因此对于给定的穿过RTD的电流穿过RTD呈现的电压受穿过流动管的材料的温度控制。穿过RTD呈现的依赖于温度的电压由计量器电子设备20以众所周知的方法使用以补偿由于流动管温度的任何变化而引起的流动管130和130’的弹性模量的变化。RTD通过导线195连接至计量器电子设备20。
流动管130和130’均由驱动器180绕其各自的弯曲轴线W和W’沿相反的方向并以被称为流量计的第一异相弯曲模式驱动。该驱动机构180可以包括许多已知装置中的任一种，例如安装至流动管130’的磁体和安装至流动管130的相对的线圈，并且交流电流穿过该线圈以使这两个流动管振动。计量器电子设备20经由导线185将合适的驱动信号施加至驱动机构180。
计量器电子设备20接收导线195上的RTD温度信号，以及分别出现在导线165L和165R上的左速度信号和右速度信号。计量器电子设备20产生出现在导线185上的驱动信号，以驱动机构180并使流动管130和130’振动。计量器电子设备20处理左速度信号、右速度信号和RTD信号，以计算穿过计量器组件10的材料的质量流量和密度。该信息连同其他信息一起由计量器电子设备20通过路径26施加至使用器件。
图2示出了根据实施方式的计量器电子设备20。计量器电子设备20可以包括接口201和处理系统203。计量器电子设备20例如接收例如来自计量器组件10的振动响应210。计量器电子设备20处理振动响应210，以获得流动穿过计量器组件10的流动材料的流动特性。另外，在根据实施方式的计量器电子设备20中，振动响应210还被处理以确定计量器组件10的刚度参数(K)。此外，计量器电子设备20可以随时间进行处理两个或更多个这种振动响应，以检测计量器组件10中的刚度变化(ΔK)。刚度的确定可以在流动或不流动状态下进行。不流动的确定可以在所产生的振动响应中提供降低噪声级的益处。
如前所述，流量校准因子(FCF)反映了流动管的材料属性和横截面属性。通过将测量的时间延迟(或相位差/频率)与FCF相乘来确定流动穿过流量计的流动材料的质量流量。FCF可以与计量器组件的刚度特性相关。如果计量器组件的刚度特性发生变化，则FCF也将发生变化。流量计的刚度的变化因此将影响由流量计产生的流量测量值的准确性。
实施方式由于其使得计量器电子设备20能够在现场执行刚度确定并无需执行实际的流量校准测试而具有重要意义。这使得能够在没有校准试验台或其他特殊设备或特殊流体的情况下实现刚度确定。这是理想的，因为在现场执行流量校准是昂贵、困难和耗时的。然而，理想的是更好和更容易的校准检查，因为在使用中，计量器组件10的刚度会随时间改变。这种改变可能是由于比如流动管的磨损、流动管的腐蚀和计量器组件10的损坏等因素造成的。
流量计的振动响应可以用开环、二阶驱动模型表示，包括：
Figure BDA0002921312310000071
其中，f是施加至系统的力，M是系统的质量，C是阻尼特性，以及K是系统的刚度特性。项K包括K＝M(ω0)2，并且项C包括C＝M2ζω0，其中，ζ包括衰减特性，以及ω0＝2πf0，其中，f0是以赫兹为单位的计量器组件10的固有/共振频率。此外，x是振动的物理位移距离，
Figure BDA0002921312310000072
是流动管移位的速度，以及
Figure BDA0002921312310000073
是加速度。这通常被称为MCK模型。此公式可以重新布置为以下形式：
Figure BDA0002921312310000074
等式(2)可以进一步处理成传递函数形式。在传递函数形式中，使用了针对力的位移的项，包括：
Figure BDA0002921312310000075
已知的磁等式可以用来简化等式(3)。两个适用的等式是：
Figure BDA0002921312310000076
以及
f＝BLDR*I (5)
等式(4)的传感器电压VEMF(在拾取传感器170L或170R处)等于拾取灵敏度因子BLPO乘以运动拾取速度
Figure BDA0002921312310000077
拾取灵敏度因子BLPO对于每个拾取传感器通常是已知的或测量的。等式(5)的由驱动器180产生的力(f)等于驱动器灵敏度因子BLDR乘以供应至驱动器180的驱动电流(I)。驱动器180的驱动器灵敏度因子BLDR通常是已知的或测量的。因子BLPO和BLDR都是温度的函数，并且可以通过温度测量进行校正。
通过将磁等式(4)和(5)代入等式(3)的传递函数中，结果是：
Figure BDA0002921312310000081
如果计量器组件10在共振时——即以共振/固有频率ω0(其中，ω0＝2πf0)——被驱动开环，则等式(6)可以改写为：
Figure BDA0002921312310000082
通过代替刚度，等式(7)简化为：
Figure BDA0002921312310000083
此处，可以分离刚度参数(K)以获得：
Figure BDA0002921312310000084
因此，通过测量/量化衰减特性(ζ)以及驱动电压(V)和驱动电流(I)，可以确定刚度参数(K)。来自拾取器的响应电压(V)可以根据振动响应以及驱动电流(I)来确定。下面结合图3更详细地讨论确定刚度参数(K)的过程。
在使用中，可以随时间追踪刚度参数(K)。例如，可以使用统计技术来确定随时间的任何变化(即，刚度变化(ΔK))。刚度参数(K)的统计变化可以指示对于特定流量计的FCF已经改变。
实施方式提供不依赖于所存储或调用的校准密度值的刚度参数(K)。这与现有技术形成对比，在现有技术中，在工厂校准操作中使用已知的流动材料，以获得可用于所有未来校准操作的密度标准。实施方式提供了仅根据流量计的振动响应获得的刚度参数(K)。实施方式提供了在不需要工厂校准过程的情况下的刚度检测/校准过程。
接口201经由图1的导线100接收来自速度传感器170L和170R中的一者的振动响应210。接口201可以执行任何必要的或期望的信号调节，例如任何方式的格式化、放大、缓冲等。替代性地，可以在处理系统203中执行信号调节中的一些或全部信号调节。此外，接口201可以实现计量器电子设备20与外部装置之间的通信。接口201能够进行任何方式的电子、光学或无线通信。
在一个实施方式中的接口201与数字化仪(未示出)耦接，其中，传感器信号包括模拟传感器信号。数字化仪对模拟振动响应进行采样和数字化，并且产生数字振动响应210。
处理系统203进行计量器电子设备20的操作，并且处理来自流量计组件10的流量测量值。处理系统203执行一个或更多个处理例程，由此处理流量测量值，以产生一个或更多个流量特性。
处理系统203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处理装置。处理系统203可以分布在多个处理装置之中。处理系统203可以包括任何方式的集成或独立的电子存储介质，例如存储系统204。
存储系统204可以存储流量计参数和数据、软件例程、恒定值和可变值。在一个实施方式中，存储系统204包括由处理系统203执行的例程，例如确定流量计5的刚度参数(K)的刚度例程230。
一个实施方式中的刚度例程230可以将处理系统203配置为：接收来自流量计的振动响应，其中，该振动响应包括对流量计以基本共振频率的振动的响应；确定振动响应的频率(ω0)；确定振动响应的响应电压(V)和驱动电流(I)；测量流量计的衰减特性(ζ)；以及根据频率(ω0)、响应电压(V)、驱动电流(I)和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)(参见图3及相关讨论)。
一个实施方式中的刚度例程230可以将处理系统203配置为：接收振动响应；确定频率；确定响应电压(V)和驱动电流(I)；测量衰减特性(ζ)；以及确定刚度参数(K)。本实施方式中的刚度例程230还将处理系统203配置为：在第二时间t2接收来自流量计的第二振动响应；重复第二振动响应的确定和测量步骤，以便产生第二刚度特性(K2)；将第二刚度特性(K2)与刚度参数(K)相比较；以及在第二刚度特性(K2)与刚度参数(K)相差超过公差224的情况下，检测刚度变化(ΔK)(参见图4及相关讨论)。
在一个实施方式中，存储系统204存储用于操作流量计5的变量。例如，一个实施方式中的存储系统204存储可以从速度/拾取传感器170L和170R接收的比如振动响应210的变量。
在一个实施方式中，存储系统204存储常量、系数和工作变量。例如，存储系统204可以存储确定的刚度特性220和在稍后的时间点产生的第二刚度特性221。存储系统204可以存储工作值，比如振动响应210的频率212、振动响应210的电压213以及振动响应210的驱动电流214。存储系统204还可以存储流量计5的振动目标226和测量的衰减特性215。另外，存储系统204还可以存储常量、阈值或范围，比如公差224。此外，存储系统204可以存储在一段时间内累积的数据，比如刚度变化228。
图3是根据实施方式的用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图300。在步骤301中，接收来自流量计的振动响应。振动响应是对流量计以基本共振频率振动的响应。振动可以是连续的或间歇的。流动材料可以流动穿过计量器组件10或者可以是静态的。
在步骤302中，确定振动响应的频率。频率ω0可以通过任何方法、过程或硬件根据振动响应来确定。
在步骤303中，确定振动响应的电压(V或VEMF)以及驱动电流(I)。电压和驱动电流可以根据未经处理或经调整的振动响应来获得。
在步骤304中，测量流量计的阻尼特性。阻尼特性可以通过在测量衰减特性的同时允许流量计的振动响应衰减至振动目标来测量。该衰减动作可以以若干方式来执行。可以减小驱动信号幅度，驱动器180实际上可以执行计量器组件10的制动(在适当的流量计中)，或者驱动器180可以仅仅不通电直到达到目标。在一个实施方式中，振动目标包括驱动设定点中的降低水平。例如，如果驱动设定点目前为3.4mV/Hz，则对于阻尼测量，驱动设定点可以降低至较低的值，比如2.5mV/Hz。以这种方式，计量器电子设备20可以让计量器组件10简单地滑行(coast)，直到振动响应与该新的驱动目标基本匹配。
在步骤305中，根据频率、电压、驱动电流和衰减特性(ζ)来确定刚度参数(K)。刚度参数(K)可以根据上面的等式(9)来确定。除了确定和追踪刚度(K)之外，该方法还可以确定和追踪阻尼参数(C)和质量参数(M)。
方法300可以迭代地、周期性地或随机地执行。方法300可以在预定的标志处执行，比如在预定的操作小时、在流动材料改变时等。
图4是根据实施方式的用于确定流量计中的刚度变化(ΔK)的方法的流程图400。在步骤401中，如前所述，接收来自流量计的振动响应。
在步骤402中，如前所述，确定振动响应的频率。
在步骤403中，如前所述，确定振动响应的电压和驱动电流。
在步骤404中，如前所述，测量流量计的衰减特性(ζ)。
在步骤405中，如前所述，根据频率、电压、驱动电流和衰减特性(ζ)确定刚度参数(K)。
在步骤406中，在第二时刻t2接收第二振动响应。根据计量器组件10在时刻t2的振动产生第二振动响应。
在步骤407中，根据第二振动响应产生第二刚度特性K2。例如，第二刚度特性K2可以利用步骤401至405产生。
在步骤408中，将第二刚度特性K2与刚度参数(K)相比较。该比较包括在不同时间获得的刚度特性的比较，以便检测刚度变化(ΔK)。
在步骤409中，检测K2与K之间的任何刚度变化(ΔK)。刚度变化确定可以采用用于确定刚度的显著变化的任何方式的统计或数学方法。刚度变化(ΔK)可以被存储以供将来使用并且/或者可以被传送至远程位置。另外，刚度变化(ΔK)可以触发计量器电子设备20中的报警条件。首先一个实施方式中的刚度变化(ΔK)被与公差224相比较。如果刚度变化(ΔK)超过公差224，则确定错误状态。除了确定和追踪刚度(K)之外，该方法还可以确定和追踪阻尼参数(C)和质量参数(M)。
方法400可以迭代地、周期性地或随机地执行。方法400可以在预定的标志处执行，比如在预定的操作小时、在流动材料改变时等。
图5示出了根据另一实施方式的计量器电子设备20。如前所述，该实施方式中的计量器电子设备20可以包括接口201、处理系统203以及存储系统204。例如，计量器电子设备20接收比如来自计量器组件10的三个或更多个振动响应505。计量器电子设备20处理这三个或更多个振动响应505，以获得流动穿过计量器组件10的流动材料的流动特性。此外，还对这三个或更多个振动响应505进行处理，以确定计量器组件10的刚度参数(K)。计量器电子设备20还可以根据这三个或更多个振动响应505确定阻尼参数(C)和质量参数(M)。如前所述，这些计量器组件参数可以用于检测计量器组件10中的变化。
存储系统204可以存储处理例程，比如刚度例程506。存储系统204可以存储接收到的数据，比如振动响应505。存储系统204可以存储预编程或用户输入的值，比如刚度公差516、阻尼公差517以及质量公差518。存储系统204可以存储工作值，比如极点(λ)508和残数(R)509。存储系统204可以存储确定的最终值，比如刚度(K)510、阻尼(C)511以及质量(M)512。存储系统204可以存储在多个时间段内产生和操作的比较值，比如第二刚度(K2)520、第二阻尼(C2)521、第二质量(M2)522、刚度变化(ΔK)530、阻尼变化(ΔC)531以及质量变化(ΔM)532。刚度变化(ΔK)530可以包括随时间进行而测量的计量器组件10的刚度参数(K)的变化。刚度变化(ΔK)530可以用于检测和确定对于计量器组件10随时间的物理变化，比如腐蚀和磨损效应。此外，可以随时间测量和追踪计量器组件10的质量参数(M)512，并将该质量参数(M)512以质量变化(ΔM)532进行存储，以及可以随时间测量阻尼参数(C)511，并将该阻尼参数(C)511以阻尼变化(ΔC)531进行存储。质量变化(ΔM)532可以指示计量器组件10中存在流动材料积聚，而阻尼变化(ΔC)531可以指示流动管中的变化，包括材料降解、磨损和腐蚀、开裂等。
在操作中，计量器电子设备20接收三个或更多个振动响应505以及使用刚度例程506处理振动响应505。在一个实施方式中，所述三个或更多个振动响应505包括五个振动响应505，下面将进行讨论。计量器电子设备20根据振动响应505确定极点(λ)508和残数(R)509。极点(λ)508和残数(R)509可以包括一阶极点和残数，或者可以包括二阶极点和残数。计量器电子设备20根据极点(λ)508和残数(R)509确定刚度参数(K)510、阻尼参数(C)511以及质量参数(M)512。计量器电子设备20可以进一步确定第二刚度(K2)520，可以根据刚度参数(K)510和第二刚度(K2)520确定刚度变化(ΔK)530，以及可以将刚度变化(ΔK)530与刚度公差516进行比较。如果刚度变化(ΔK)530超过刚度公差516，则计量器电子设备20可以启动任何方式的错误记录和/或错误处理例程。同样地，计量器电子设备20可以进一步随时间追踪阻尼参数和质量参数，并且可以确定和记录第二阻尼(C2)521和第二质量(M2)522以及生成的阻尼变化(ΔC)531和质量变化(ΔM)532。阻尼变化(ΔC)531和质量变化(ΔM)532可以同样与阻尼公差517和质量公差518进行比较。
流量计的振动响应可以用开环、二阶驱动模型表示，包括：
Figure BDA0002921312310000121
其中，f是施加至系统的力，M是系统的质量参数，C是阻尼参数，以及K是刚度参数。项K包括K＝M(ω0)2，以及项C包括C＝M2ζω0，其中，ω0＝2πf0，以及f0是以赫兹为单位的计量器组件10的共振频率。如前所述，项ζ包括根据振动响应获得的衰减特性测量值。此外，x是振动的物理位移距离，
Figure BDA0002921312310000137
是流动管移位的速度，以及
Figure BDA0002921312310000138
是加速度。这通常被称为MCK模型。此公式可以重新布置为以下形式：
Figure BDA0002921312310000131
在忽略初始条件的情况下，等式(11)可以进一步处理成传递函数形式。结果是：
Figure BDA0002921312310000132
进一步处理可以将等式(12)变换为一阶极点-残数频率响应函数形式，包括：
Figure BDA0002921312310000133
其中，λ是极点，R是残数，项(j)包括-1的平方根，以及ω是循环激励频率(以弧度每秒为单位)。
包括固有/共振频率(ωn)、阻尼固有频率(ωd)和衰减特性(ζ)的系统参数由极点限定。
ωn＝|λ| (14)
ωd＝虚数(λ) (15)
Figure BDA0002921312310000134
系统的刚度参数(K)、阻尼参数(C)和质量参数(M)可以根据极点和残数得出。
Figure BDA0002921312310000135
Figure BDA0002921312310000136
C＝2ζωnM (19)
因此，刚度参数(K)、质量参数(M)和阻尼参数(C)可以基于极点(λ)和残数(R)的良好估计来计算。
极点和残数根据测量的频率响应函数来估计。极点(λ)和残数(R)可以利用某种方式的直接或迭代计算方法来估计。
驱动频率附近的响应主要由等式(13)的第一项构成，复数共轭项只贡献响应的小的、几乎恒定的“残数”部分。因此，等式(13)可以简化为：
Figure BDA0002921312310000141
在等式(20)中，H(ω)项是根据所述三个或更多个振动响应获得的测量的频率响应函数(FRF)。在此推导中，H由位移输出除以力输入构成。然而，对于典型的科里奥利流量计的音圈拾取器，测量的FRF(即，
Figure BDA0002921312310000142
项)是速度除以力。因此，等式(20)可以变换为以下形式：
Figure BDA0002921312310000143
等式(21)可以进一步重新布置成对于极点(λ)和残数(R)容易求解的形式。
Figure BDA0002921312310000144
等式(22)形成超定方程组。等式(22)可以通过计算求解，以根据速度/力FRF
Figure BDA0002921312310000145
确定极点(λ)和残数(R)。项H、R和λ是复杂的。
在一个实施方式中，扰动频率ω是5个音调。本实施方式中的这5个音调包括驱动频率、高于驱动频率的2个音调和低于驱动频率的2个音调。这些音调可以与基频分开仅0.5Hz至2Hz。然而，扰动频率ω可以包括更多个音调或更少个音调，比如驱动频率、高于驱动频率的1个音调和低于驱动频率的1个音调。然而，5个音调在结果的准确性与获得结果所需的处理时间之间取得了良好的折衷。
要注意的是，在优选的FRF测量中，对于特定的驱动频率和振动响应，测量两个FRF。从驱动器到右拾取器(RPO)获得一个FRF测量，以及从驱动器到左拾取器(LPO)获得一个FRF测量。这种方法称为单输入多输出(SIMO)。SIMO技术用于更好地估计极点(λ)和残数(R)。先前，这两个FRF被分开使用以给出两个单独的极点(λ)和残数(R)估计。认识到这两个FRF享用共同的极点(λ)以及单独的残数(RL)和(RR)，这两个测量可以有利地结合起来，以获得更可靠的极点和残数确定。
Figure BDA0002921312310000151
等式(23)可以以多种方式求解。在一个实施方式中，通过递归最小二乘法求解该等式。在另一实施方式中，通过伪逆技术求解该等式。在又一实施方式中，由于所有测量值都同时可用，因此可以使用标准Q-R分解技术。Q-R分解技术在Modern Control Theory(现代控制理论)，William Brogan，版权1991，Prentice Hall(普伦蒂斯霍尔)，第222-224页，第168-172页中进行了讨论。
在使用中，可以随时间追踪刚度参数(K)、阻尼参数(C)和质量参数(M)。例如，可以使用统计技术来确定刚度参数(K)随时间的任何变化(即，刚度变化(ΔK))。刚度参数(K)的统计变化可以指示对于特定流量计的FCF已经改变。
实施方式提供了不依赖于存储或调用的校准密度值的刚度参数(K)。这与现有技术形成对比，在现有技术中，在工厂校准操作中使用已知的流动材料，以获得可以用于所有未来校准操作的密度标准。实施方式提供了仅根据流量计的振动响应获得的刚度参数(K)。实施方式提供了在不需要工厂校准过程的情况下的刚度检测/校准过程。
图6是根据实施方式的用于确定流量计的刚度参数(K)的方法的流程图600。在步骤601中，接收三个或更多个振动响应。可以从流量计接收这三个或更多个振动响应。所述三个或更多个振动响应可以包括基本基频响应和两个或更多个非基频响应。在一个实施方式中，接收高于基频响应的一个音调以及接收低于基频响应的一个音调。在另一实施方式中，接收高于基频响应的两个或更多个音调以及接收低于基频响应的两个或更多个音调。
在一个实施方式中，音调在基频响应之上和之下大致等距地间隔开。替代性地，音调没有等距地间隔开。
在步骤602中，根据所述三个或更多个振动响应产生一阶极点-残数频率响应。该一阶极点-残数频率响应采用等式(23)中给出的形式。
在步骤603中，质量参数(M)根据一阶极点-残数频率响应来确定。质量参数(M)通过确定振动响应的一阶极点(λ)和一阶残数(R)来确定。然后，固有频率ωn、阻尼固有频率ωd和衰减特性(ζ)根据一阶极点(λ)和残数(R)来确定。随后，阻尼固有频率ωd、残数(R)和虚数项(j)被带入等式(17)，以获得质量参数(M)。
在步骤604中，刚度参数(K)根据等式(18)的解来确定。该解采用固有频率ωn并且根据步骤603确定的质量参数(M)被带入等式(18)，以获得刚度参数(K)。
在步骤605中，阻尼参数(C)根据等式(19)的解来确定。该解采用衰减特性(ζ)、固有频率ωn和确定的质量参数(M)。
在实施方式中，针对计量器验证提供了用于自动调整在刚度计算中使用的内部滤波的方法。应当注意的是，这种增益衰减计量器检证方法依赖于稳定的拾取电压、稳定的驱动电流、稳定的管频率和稳定的温度中的至少一者以计算可重复的刚度测量。这些变量通常被称为“增益衰减变量”。包括(但不限于)流动噪声、外部系统噪声以及计量器类型的其他因素将影响拾取电压和驱动电流测量所需的滤波量。例如，随着流量增加，通常会有更多的噪声与拾取电压和驱动电流相关联。因此，理想的是增加滤波器采样。由于过多的滤波可能会对执行测量所需的时间量产生负面影响，而滤波不足则导致不准确，因此平衡是理想的。此外，错误的滤波还可能导致偏斜数据和潜在的错误故障。
在实施方式中，对一系列增益衰减变量中的至少一个增益衰减变量进行分析。如上所述，增益衰减变量可以包括拾取电压、驱动电流、流动管频率和温度中的至少一者。该分析包括确定增益衰减变量中的至少一个增益衰减变量的稳定性，以及相应地调整滤波器。转到图7，根据实施方式提供了用于自动滤波器调整700的方法的概要。
在步骤702中，测量至少一个增益衰减变量，以确定计量器是否被认为是嘈杂的。例如，但不限于，可以在预定时间段内进行多次温度测量，并且可以计算标准偏差或变异系数。
在步骤704中，如果标准偏差或变异系数在预定阈值以下，则认为计量器不是嘈杂的，并且在步骤708中将相关滤波设定至预定最小值。
在替代性实施方式中，执行步骤704，使得实现基于系统要求调整滤波器的替代性方式。可以使用由监测增益衰减变量的标准偏差或变异系数的循环构成的自适应算法。然而，在本实施方式中，如果统计分析显示变量不在目标范围内，则可以调整增益衰减变量滤波，直到变量在目标范围内为止。这代替了简单地确定增益衰减变量是否在预定阈值以下。该方法允许基于变量是在目标范围之上还是在目标范围之下来增加及减少滤波。
对于使用变异系数(CV)的实施方式，可以如下进行计算：
CV＝标准偏差/平均值 (24)
从步骤708，以重复检查噪声级的方式通过步骤702形成循环，使得定期轮询噪声状态。然而，如果在步骤704中，标准偏差或变异系数在预定阈值以上，则认为计量器是嘈杂的，并且接下来在步骤706中确定测量的噪声级是否等于先前测量的噪声级。
如果当前噪声级等于先前测量的噪声级，则通过步骤702形成循环。然而，在步骤706中，如果测量的当前噪声级未能等于先前测量的噪声级，则在步骤710中调整增益衰减滤波器变量。这种调整可以包括增加滤波事件的数目、使用的滤波器的类型和/或滤波的样本的数目。例如，可以多次应用简单的平均或移动平均滤波器来改善衰减。此外，可以增加被平均的样本的数目以获得更好的性能。当然，采集的样本的数目越大，完成测量所需的时间就越长。
基本上，一旦对增益衰减变量进行了分析以确定稳定性，就可以决定改变滤波器的类型或滤波时间。例如，如果噪声级低，则可以将滤波时间减少到最小值以减少总测试时间，如步骤708所例示的。相反，如果噪声较高，则可以增加滤波时间或改变滤波器类型以获得可重复测量。同样的噪声分析可以调整衰减特性(zeta)样本的数目，以同样提高测量的准确性。衰减特性被认为是计算时间最长的变量之一。给定的传感器在一定的电压下自然衰减需要固定的时间量。该时间通常随着传感器尺寸的增大而增加。然后，传感器恢复到稳定的拾取电压需要时间，使得可以计算其他变量。因此，通常执行一次自然衰减，并且只有一次对应的衰减特性测量。如果系统中存在破坏衰减过程的噪声，则衰减测量将发生变化，从而导致刚度测量同样变化。
在所示示例中，轮询仅单个增益衰减变量以检查计量器稳定性/噪声。在一些实施方式中，轮询多于一个增益衰减变量。在一些实施方式中，如果确定所轮询的多于一个的增益衰减变量中的一个增益衰减变量指示噪声，则如本文所述调整滤波器。在一些实施方式中，可以对每个增益衰减变量进行加权，使得较小的噪声耐量与特定的增益衰减变量相关联。
尽管上面举例说明了温度，但在相关实施方式中，可以确定拾取电压稳定性以用来查明传感器噪声。拾取电压是刚度计算中的关键变量，其用于确定给定计量器的整体健康。刚度是对传感器内的流动管的结构完整性的测量。通过将刚度测量值与在工厂完成的或当安装传感器时的测量值进行比较，流量计操作者可以确定管在运行期间的结构完整性是否与最初安装时的结构完整性相同。所提供的方法确定何时拾取电压足够稳定而能进行可重复和准确的刚度测量。当应用增益衰减计量器验证实施方式时，稳定的拾取电压是用于确定可重复刚度测量的非常有用的度量。如果拾取电压在驱动电流和频率不变的情况下发生变化，则刚度计算将会出现偏差。此外，等待固定时间是低效的，因为达到稳定所需的时间是驱动电流、传感器大小和系统内噪声的因素。
通过计算拾取电压的CV，拾取电压的变化可能与拾取电压的平均值有关。实际上，这意味着标准CV极限可以用于多种传感器类型以确定稳定性。超过该极限的值表示不稳定的拾取电压，其会导致错误的刚度数据。对于给定的传感器，拾取电压可以随环境条件或处理条件而变化。在包含各种不同尺寸的传感器系列中，由于传感器之间的机械和磁力差异，拾取电压可能变化更大。由于拾取电压的不同，标准偏差的绝对极限无法用于所有传感器。例如，对于在100mV工作的传感器，50mV标准偏差可能表示不稳定的拾取电压，但对于在1V工作的传感器，相同的标准偏差可能是正常工作。相对测量值如CV因此提供对噪声在总体平均拾取电压中所占的百分比的更深入洞察。
关于不同的传感器类型，传感器有无数的型号、大小、构造、应用等，本领域的技术人员将理解的是，根据计量器本身以及过程变量和环境，拾取电压、驱动电流、管频率、温度等以及相关联的工作范围和噪声级阈值会有很大的不同。
转向图8，公开了趋势分析800的实施方式。对拾取电压进行趋势分析，例如，以确定是否应当运行计量器验证。
在步骤802中，考虑到大量的计量器操作，确定是否是采集样本的合适时刻。如果是，则在步骤804中测量拾取电压。
随时间的推移，将测量和记录多个拾取电压，并且在步骤806中，计算拾取电压斜率。通过观察从一个斜率样本到下一个斜率样本的拾取电压的斜率，可以确定趋势。计算采用数据对并计算斜率。
下一迭代根据后续数据对计算斜率，并且在步骤808中比较斜率。
如果斜率不同，则没有趋势，并且在步骤810中趋势计数被重置为0，并且在步骤822中同样重置趋势标记。
然而，在步骤812和步骤814中，如果电流和比较电压斜率的符号相同，则这指示趋势，并且在步骤816中趋势计数器增加。
在步骤818中将趋势计数器值与预定趋势极限进行比较，并且如果计数器超过最终极限，则认为已检测到趋势，在步骤820中设定趋势标记，并且应当中止计量器验证。
趋势表明数据正在变化。因为依赖于滤波/平均，所以在存在趋势的情况下，平均数据并不能准确地表示实际数据，因为总是相等地对权重数据进行平均。如果平均数据不正确，则最终刚度计算将不正确，可能会导致假故障或假通过。最后，如果两个连续的平均拾取电压样本之间的差值超过极限，则不应当运行计量器验证。这检查平均值是否有较大变化，以确定是否应当运行计量器验证。同样的方法也可以用于其他增益衰减变量。
以上实施方式的详细描述不是发明人设想的落入本发明的范围内的所有实施方式的详尽描述。实际上，本领域技术人员将认识到的是，上述实施方式的某些元件可以以不同的方式组合或移除以创建其他实施方式，并且这些其他实施方式均落入本发明的范围和教导内。对于本领域的普通技术人员来说还明显的是，上述实施方式可以全部或部分地组合以在本发明的范围和教导内创建另外的实施方式。因此，本发明的范围应当由所附权利要求确定。

Claims (14)

1.一种用于验证流量计(5)的准确操作的方法，包括以下步骤：
接收来自所述流量计(5)的振动响应，其中，所述振动响应包括对所述流量计(5)以基本共振频率振动的响应；
测量至少一个增益衰减变量；
确定所述增益衰减变量是否在预定范围之外；以及
如果所述增益衰减变量在所述预定范围之外，则调整在刚度计算中使用的滤波器。
2.根据权利要求1所述的用于验证流量计(5)的准确操作的方法，其中，测量至少一个增益衰减变量的步骤包括：
在第一时间点测量所述至少一个增益衰减变量；
在不同的第二时间点测量所述至少一个增益衰减变量；以及
只要在所述第一时间点测得的所述至少一个增益衰减变量的值不同于在所述第二时间点测得的所述至少一个增益衰减变量的值，就调整所述滤波器。
3.根据权利要求1所述的用于验证流量计(5)的准确操作的方法，其中，所述增益衰减变量包括拾取电压、驱动电流、流动管频率和温度中的至少一者。
4.根据权利要求3所述的用于验证流量计(5)的准确操作的方法，包括：
测量所述增益衰减变量中的一个增益衰减变量在第一时间段内的第一斜率；
测量所述增益衰减变量中的同一个增益衰减变量在第二时间段内的第二斜率；
如果所述第一斜率和所述第二斜率相同，则确定趋势存在；以及
当趋势存在时，阻止计量器验证。
5.根据权利要求1所述的用于验证流量计(5)的准确操作的方法，其中，所述至少一个增益衰减变量的变异系数(CV)被计算。
6.根据权利要求1所述的用于验证流量计(5)的准确操作的方法，其中，调整滤波的步骤包括增加滤波事件的数目、所使用的滤波器的类型和所滤波的样本的数目中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的用于验证流量计(5)的准确操作的方法，包括以下步骤：
通过去除所述流量计(5)的激励来测量衰减特性(ζ)；
在测量所述衰减特性的同时，允许所述流量计(5)的振动响应衰减至预定的振动目标；以及
通过改变所采集的衰减特性样本的数目来调整滤波。
8.一种用于验证流量计(5)的准确操作的计量器电子设备(20)，所述计量器电子设备(20)包括：用于接收来自所述流量计(5)的振动响应的接口(201)，其中，所述振动响应包括对所述流量计(5)以基本共振频率振动的响应；以及与所述接口(201)通信的处理系统(203)，其中，所述计量器电子设备(20)包括：
所述处理系统(203)，所述处理系统(203)配置成：测量至少一个增益衰减变量；确定所述增益衰减变量是否在预定范围之外；以及如果所述增益衰减变量在所述预定范围之外，则调整在刚度计算中使用的滤波。
9.根据权利要求8所述的计量器电子设备(20)，其中，测量至少一个增益衰减变量包括：在第一时间点测量所述至少一个增益衰减变量；在不同的第二时间点测量所述至少一个增益衰减变量；以及只要在所述第一时间点测得的所述至少一个增益衰减变量的值不同于在所述第二时间点测得的所述至少一个增益衰减变量的值，就调整滤波器。
10.根据权利要求8所述的计量器电子设备(20)，其中，所述增益衰减变量包括拾取电压、驱动电流、流动管频率和温度中的至少一者。
11.根据权利要求10所述的计量器电子设备(20)，其中，所述处理系统(203)还配置成：测量所述增益衰减变量中的一个增益衰减变量在第一时间段内的第一斜率和所述增益衰减变量中的同一个增益衰减变量在第二时间段内的第二斜率；以及如果所述第一斜率和所述第二斜率相同，则确定趋势存在，其中，当趋势存在时，计量器验证被阻止。
12.根据权利要求8所述的计量器电子设备(20)，其中，所述至少一个增益衰减变量的变异系数(CV)被计算。
13.根据权利要求8所述的计量器电子设备(20)，其中，调整滤波包括增加滤波事件的数目、所使用的滤波器的类型和所滤波的样本的数目中的至少一者。
14.根据权利要求8所述的计量器电子设备(20)，其中，所述处理系统(203)还配置成：通过去除所述流量计(5)的激励来测量所述衰减特性(ζ)；以及在测量所述衰减特性的同时允许所述流量计(5)的所述振动响应衰减至预定的振动目标，并且其中，调整滤波包括改变所采集的衰减特性样本的数目。
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