CN1126941C - 一种测量流体材料特性的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用和控制驱动器使振动管振动以便测量流体材料特性的设备和方法。更确切地说，本发明涉及对驱动器进行最佳定位以便通过操作驱动器对多个振动模式施加适当的影响的设备及方法。所述设备包括能引起至少一条管路振动的一个或多个驱动器。驱动器固定在沿振动管路选定的位置上以便对特定的有益模式产生作用。将驱动器固定在靠近所需振动模式的最大振幅区附近和不需要的振动模式的最小振幅区附近。可使用各种公知的经验模态分析或模型制作技术来确定一个或多个驱动器的合适位置。用按照本发明所述方式固定的多个驱动器决定是激发还是抑制多个模式。此外，用多个独立的驱动电路产生多个彼此电绝缘的驱动信号以便将较大的总能量传送给振动管。

Description

一种测量流体材料特性的设备及方法
技术领域
本发明涉及一种利用和控制驱动器使振动管振动以便测量流体材料特性的设备和方法。更确切地说，本发明涉及对驱动器进行最佳定位以便通过操作驱动器对多个振动模式施加适当的影响的设备及方法。
背景技术
用科里奥利效应质量流量计测量质量流和流过管路的材料的其它信息是公知技术。例如，在1978.8.29、1985.1.1、1982.2.11授予J.E.Smith等人的美国专利4109524、4491025、和Re31450中分别公开了科里奥利流量计。这些流量计具有一个或多个直管或弯曲结构的弯管。科里奥利质量流量计中的每个管结构具有一组自然振动模式，它们可以是纯弯曲型、扭转型、径向型或联接型。驱动每个管子使其在这些自然模式中的一种模式下产生谐振。从流量计入口侧的连接管流入流量计的材料直接通过管子，并通过出口侧排到流量计外部。使材料注入系统振动的自然振动模式由管子的总质量和硬度特性以及在管中流动的材料来部分确定。
当没有流体流过流量计时，由于施加的驱动力具有相同的相位或因驱动振动模式而具有零流相，所以沿管路的所有点都产生振动。随着材料开始流动，科里奥利力使得沿管路任何两点间的相位差发生变化。管路入口侧的相位滞后于驱动器，同时出口侧的相位领先于驱动器。在管路上设置多个传感器以便产生代表管路运动的正弦信号。对从传感器输出的信号进行处理从而确定测量传感器之间的相位差变化。两个传感器信号之间的相位差变化正比于通过管路的材料的质量流率。
每个科里奥利流量计和每个振动管式密度计的主要部件是驱动器或激发系统。驱动系统工作时向管路施加能引起管路振动的周期性物理力。驱动系统包括安装在流量计管路上的驱动器。驱动机构通常包括多种公知结构中的一种结构，例如包括由安装到一条管路上的磁铁和与磁铁成相对关系地安装到另一管路上的线圈构成的音圈，但不限于此。驱动电路向驱动线圈连续地施加周期性的且通常为正弦或方形波的驱动信号。在由线圈响应周期性驱动信号而产生的连续的交变磁场和由磁铁产生的永久磁场的相互作用下，两个流管受到初始力而产生具有相反正弦波图形的振动，所述正弦波图形在以后继续保持。熟悉本领域的技术人员应能认识到，任何能将电信号转换成机械力的装置都适合作为驱动器使用。(参见授予Carpenter并且已准备转让给Micro Motion公司的美国专利4777833)。而且，不必只限于使用正弦信号，而是可以使用任何周期性信号作为驱动信号(参见授予Kalotay等人并且已公开转让给Micro Motion公司的美国专利5009109)  。
一种虽然不是唯一模式，但作为主要模式的是第一异相弯曲模式，这种模式中驱动的是双管科里奥利流量计。众所周知，通过仔细地设置驱动器可以使第一异相弯曲模式最大。然而，第一异相弯曲模式并不是出现在以第一异相弯曲模式驱动的科里奥利流量计振动结构中的唯一振动模式。当然，还存在可以激发的更高振动模式。而且由于流体流过振动管和受科里奥利力的作用，科里奥利流量计还响应例如第一异相扭转模式等模式。还存在同相和横向振动模式。有时在科里奥利流量计中会激发附加模式和不希望出现的模式的其它原因是因为在出现制造误差时，使驱动元件不能对称地固定于管路上或驱动器在垂直于管平面的指定方向上不能产生纯的单轴向力。这将导致驱动器将偏心力施加到管路上从而激发多种振动模式。除了因驱动激发管路而激发多种模式外，还可能因为流量计的外部振动而激发这些模式。例如，位于生产线另一位置上的泵可能会产生沿管线方向的振动，这将激发科里奥利流量计中的振动模式。最终，在希望仅以单一模式例如第一异相弯曲模式产生振动的科里奥利流量计中存在数百种振动模式。即使在接近驱动模式的较窄频率范围内，通常也至少存在几种附加的振动模式。这样一种在受驱动后应以一种模式振动或产生谐振的科里奥利流量计所具有的管路将产生除所需模式之外的多种其它模式下的振动。
振动管路上的测量传感器产生表示管路振动情况的反馈信号。因此，如果管路以多种模式振动，那么来自振动管路上的测量传感器的任何反馈信号都将具有代表多种振动模式的模态信息。由于驱动信号自身可增强不希望出现的振动模式，所以在驱动信号反馈回路中可能会产生一些问题。例如，泵可能会使固定科里奥利流量计的管线产生振动。由于泵的振动，所以会导致科里奥利流量计产生一定模式的振动。该振动模式用驱动反馈信号(来自一个测量传感器)中的特定模态信息表示。对驱动反馈信号进行处理，以形成驱动信号。用驱动信号驱动科里奥利流量计，使之振动，所述驱动信号仍然带有因泵振动而引起的振动模式下的模态信息。因此，将驱动流量计以不希望的模式振动。
另一个示例性问题涉及内在安全要求。为了满足由各认证机构制定的内在安全要求，需要限制对科里奥利流量计的驱动器有效的总功率。这种功率限制对科里奥利流量计特别是相对于大流量计而且更确切地说相对于测量夹带气体之流体的大流量计而言存在一定问题。因此，重要的是用仅激发所需振动模式的方式向流量计输入能量，从而输入所需模式的能量和不在不希望出现的模式下“浪费”能量。
另一个问题是，在以第一异相弯曲模式驱动的已有科里奥利流量计的实例中，驱动器的位置也是第二异相弯曲模式最大振幅的位置。因此，在受驱动后以第一异相弯曲模式振动的科里奥利流量计中连续激发第二异相弯曲模式。因此，驱动反馈信号和后来的驱动信号包含第二异相弯曲模式中的强响应。
1994.4.12授予Cage等人并已公开转让给Micro Motion公司的美国专利5301557(“‘557专利”)中描述了一种将传感器固定在科里奥利流量计管路上的方法。‘557专利描述了将传感器安装在靠近不希望的振动模式波节附近的管路位置上。因此传感器不太会产生带有很强不希望模式分量的信号。‘557专利并没有给出任何有关移动驱动器或使用抑制不希望模式的驱动信号的教导。
需要将驱动元件最佳地固定到振动管上，以便最大限度地减小不想要的模式。还需要增加可在科里奥利流量计上获得的驱动力，同时还应满足内在安全要求。需要对流量计振动管上的多个模式产生作用以便激发两个模式或激发一个模式而抑制其它模式。
发明内容
通过本发明的驱动系统可以解决上述和其它问题，并在本领域中获得技术领先。本发明提供一种利用模态分析技术将驱动器最佳地固定在流量计振动管上以便适当地影响振动模式的方法和设备。将一个或多个驱动器放置在管路的多个位置上以便将能量输入到振动结构上，所述振动结构激发所需的振动模式而不激发不希望出现的振动模式。最大限度地减少不希望出现的模式激发，最大限度地增加所需振动模式中的驱动力，从而在所需模式下更有效地驱动管路。
本发明提供的方法可最佳地将驱动器固定到振动管路上以便达到控制多种振动模式的效果。要影响某个模式需激发或抑制该模式。构筑振动管路的一种有限元(FE)模型。有益模式的本征矢量系数是从FE模型中抽出的。此外，用模态分析技术来确定有益模式的本征矢量系数。用曲线图表示有益模式的本征矢量系数以确认沿振动管的一些区域，在这些区域上，例如，一个所需的模式靠近最大振幅点，一个不希望出现的模式靠近最小振幅点。将驱动器固定在该区域内。固定在该区域中的驱动器在适当地激发所需模式时不会激发不希望出现的模式。用相同的技术固定驱动器以便最有效地激发多个所需的模式或确保不激发多个不希望出现的模式。
交替地使用有益模式的本征矢量系数以获得振动管的频率响应函数(FRF)。FRF表示在一个位置上施加到结构上的力和在另一位置上使结构产生运动之间的动态特性。可用FRF定量确定驱动器在振动管上的最佳位置作为替代上面所指的作图法。
本发明是一种将驱动装置固定到设备的至少一条管路上，以便测量流过所说至少一条管路的材料特性的方法，所说方法的特征在于其包括以下步骤：根据所说设备的有限元模型沿所说至少一条管路的节点抽取适合至少一种所需模式和至少一种不需要的模式的本征矢量系数；根据所说节点的所说本征矢量系数选择一个位置，在该位置上所说至少一条管路在至少一种所需的模式下能产生最大振动振幅而在至少一种不需要的模式下产生最小振动振幅；和将所说驱动装置放置到所说位置上。
U形振动管提供了使驱动器获得最佳定位的本发明的实例。过去是将单个驱动器固定在U形管的弯曲端中部。将具有第一异相弯曲模式频率的正弦信号传送到单个驱动器上以使管路产生振动。管路弯曲端中部是U形管第一和第二异相弯曲模式的最大振幅点。因此，该驱动器位置趋向于激发不希望出现的第二异相弯曲模式以及所需要的第一异相弯曲模式。本发明提供的流量计中驱动器所处的位置使得第一异相弯曲模式得到激发(所需的)而且最大限度地减小了对第二异相弯曲模式的激发。按照本发明，这一构思是通过在靠近所需第一异相弯曲模式的最大振幅位置和靠近不希望出现的第二异相弯曲模式的最小振幅位置上放置至少一个驱动器而实现的。
本发明的一个实施例是一种测量材料特性的设备，所述材料流过所说设备，所说的设备包括：至少一条供所说材料流过的管路；固定到所说至少一条管路并用于在所说材料流过所说至少一条管路时使所说至少一条管路振动的驱动装置；所说驱动装置固定在所说至少一条管路的选定位置上，该选定位置能使所说驱动装置在至少一种所需模式下得出所说至少一条管路的最大振幅；固定到所说至少一条管路上的传感器，所说传感器在所说至少一条管路和所说材料受到所说驱动装置驱动而振动时，将产生代表因科里奥利力引起的所说至少一条管路振动情况的输出信号，并将所说输出信号送到信号处理器，以及该信号处理器用于响应从所说传感器接收到的输出信号，并产生所说材料特性测量值，所说设备的特征在于：根据在沿所说至少一条管路的多个节点处得到的适合所说至少一种所需模式和适合所说至少一种不需要模式的本征矢量系数，将所说位置确定为能使所说驱动装置在所说至少一种所需模式下产生管路的最大振幅和在所说至少一种不需要模式下产生所说管路的最小振幅。
本发明的另一个实例是要激发第一异相弯曲模式和第一异相扭转模式而不是第二异相弯曲模式的地点。过去，这是通过在U形管路的实例中将单个驱动器固定在管路弯曲端的中部从而激发第一异相弯曲模式和将一对驱动器固定在管路的两条相对的腿上以激发第一异相扭转模式来实现的。本发明提供了一种完全不同的方法和结构。本发明构筑了一种FE模型的振动结构。从FE模型可抽取出第一异相弯曲模式、第一异相扭转模式和第二异相弯曲模式的本征矢量系数。相对于沿管路的距离做出本征矢量系数曲线并选择驱动器的位置。沿着管路确定选定的驱动器位置，在所述位置上，第一异相弯曲模式和第一异相扭转模式是靠近最大振幅的点而第二异相弯曲模式是靠近最小振幅的点。因此，在这些位置上输入到驱动器上的适当定相的能量将激发第一异相弯曲模式和第一异相扭转模式而且同时不会激发第二异相弯曲模式。
由于在所需模式下能传送更多的有效能量，所以处于最佳位置的驱动器还能增加在所需模式下输入到振动管中的能量。在需要高驱动能例如，但不限于在有内在安全要求的情况下这是非常有益的。此外，按照本发明，通过使用多个适当定位而且均受独立驱动电路控制的驱动器可以得到大增益的驱动能量。
附图说明
图1表示科里奥利质量流量计系统；
图2表示代表图1中科里奥利质量流量计系统振动管路的有限元模型；
图3是模态系数与沿图2中管路的位置间相对关系的曲线图；
图4表示代表包含本发明所述驱动器反馈部件的科里奥利质量流量计系统的有限元模型；
图5表示代表包含本发明另一个实施例所述驱动器反馈部件的科里奥利质量流量计系统的有限元模型；
图6A和6B是两种不同驱动器设计方案中管速度的相位和幅值关系的曲线图；
图7A和7B是用双驱动器以相等振幅但相反相位传递力的驱动器设计方案中管速度的相位和幅值关系的曲线图；
图8表示双驱动系统，其带有对应于每个驱动器部件的电绝缘驱动电路；
图9表示代表示本发明所述直管式科里奥利质量流量计的有限元模型；
图10是模态系数与沿图9所示管路位置间相对关系的曲线图；
图11是产生多模式驱动信号的驱动电路的方框图。
具体实施方式
图1表示由科里奥利流量计组件10和流量计电子设备20构成的科里奥利流量计5。仪表的电子设备20通过导线100与仪表组件10相连以提供密度、质量流量、体积流量和路径26上的总质量流量信息。图1-8表示由科罗拉多洲Boulder的Micro Motion公司生产的型号为CMF300的科里奥利流量计的结构和工作原理。虽然对熟悉本领域的技术人员来说很显然，在科里奥利流量计不必提供额外测量能力的情况下，可以将本发明与振动式密度计结合使用，但是本文中只针对特定的科里奥利流量计进行描述。而且，尽管在此展示和描述了特定的科里奥利流量计的结构，但是对熟悉振动管式传感器领域的技术人员来说应该认识到，在不考虑振动管路数量和形状的情况下本发明同样可应用于任何振动管式流量计或密度计。实质上，在不考虑振动管数量和形状的情况下，本发明同样可应用于任何振动管式流量计或密度计。实际上，本发明可应用于任何采用振动管的过程参数测量装置。
仪表组件10包括一对法兰盘101和101’，集流管102、102’；隔离段(spacer)107和管路103A及103B。与管路103A及103B相连的是驱动装置104和测量传感器105和105’。支撑板106和106’的作用是确定每个管路振动时对应的轴线W和W’。
当将流量计10插入带有待测的操作材料的管线系统(未示出)中时，材料通过法兰盘101进入仪表组件10，并穿过将材料引入中心管路103A和103B的集流管102，然后流过管路103A和103B并返回到集流管102’，材料从集流管通过法兰盘101’流出仪表组件10。
选择管路103A和103B并将其适当地装到集流管102上从而使两条管路相对于弯曲轴W-W和W’-W’分别具有基本上相同的质量分布、转动惯量和弹性模量。管路以基本上平行的方式从集流管向外伸延。
驱动装置104沿相反的方向相对于各管的弯曲轴W和W’驱动管路103A-103B而且将这种状态称为流量计的第一异相弯曲模式。驱动装置104可以由公知装置中的任何一种装置构成，例如装在管路103A上的磁铁和装在管路103B上的反作用线圈而且使交流电流通过所述驱动器以便使两条管路产生振动。仪表电子设备20通过导线110向驱动装置104施加合适的驱动信号。
仪表电子设备20接收分别出现在导线111和111’上的左右速度信号。仪表电子设备20产生的驱动信号出现在导线110上并使驱动装置104工作从而导致管路103A和103B产生振动。仪表电子设备20处理左右速度信号并计算穿过仪表组件10的材料的质量流量和密度。该信息由仪表电子设备20通过路径26施加到应用装置(未示出)上。
熟悉本领域的技术人员都知道，科里奥利流量计5与振动管式密度计具有极相似的结构。振动管式密度计也采用了有流体流过或是在取样型密度计的情况下将流体保持在其中的振动管。振动管式密度计还采用了用于激发管路振动的驱动系统。由于密度测量只需要测量频率而不必测量相位，所以振动管式密度计通常仅使用单反馈信号。在此对本发明的描述同样适用于振动管式密度计。
模态系数-图2-3
图2表示图1所示流量计10的管路103A-103B的有限元模型。为了描述本发明只需讨论流量计的振动部分，所以图2中只示出了管路103A-103B。将模型设计成把物理流量计上的流通管端部连接到流量计的集流管上。有限元模型技术对于熟悉本领域的技术人员来说是公知的而且其并不构成本发明的一部分。可以用SDRC-ldeas构成示例性有限元模型并用MSC/NASTRAN进行分析，有限元代码可从MacNealSchwendler得到。熟悉有限元模型制作领域的技术人员应该认识到，可以交替使用任何有限元代码。设置传感器的位置使之产生的输出信号代表磁铁和线圈在流通管上的位置之间的相对运动，所述磁铁和线圈与右传感器、驱动器和左传感器相对应。这些“无向量点”是动态分析中的标准技术。参见“用于对输送流体的Timeshenko流进行振动分析的有限元”，(AIAA文集93-1552)，其提供了更多关于科里奥利流量计有限元模型制作的信息。用图2中的节点编号N101-N117标出每个无向量点。节点N101-N117有助于进一步计论模态和它们沿管路103A、103B长度方向上的相互作用。图中所示驱动装置104和传感器105-105’的位置与图1中的位置相同。在图2和后面的图中所示出的驱动装置104和传感器105-105’作为每个管路中的一个部件。这是由于驱动器和传感器通常包括固定到一条管路上的线圈和固定到第二管路或流量计外壳上的磁铁。驱动装置104的位置位于节点N109处是公知的而且通常以弯曲模式驱动的驱动器在弯管形科里奥利流量计中的位置也是公知的。
图3是作为沿管103A-B之位置函数的特定振动模式的标准化本征矢量系数曲线图。曲线图300的纵轴是标准化的本征矢量系数。曲线图300的横轴是用节点N101-N117表示的沿管路103A-B的位置。曲线图300包括曲线302，该曲线由第一异相弯曲模式的本征矢量系数相对于节点N101-N107的位置构成。曲线图300还包括曲线304，该曲线由第二异相弯曲模式的本征矢量系数相对于节点N101-N117的位置构成。构成曲线300的第三组数据是曲线306，该曲线由第一异相扭转模式相对于节点N101-N117的位置构成。
图3示出了表示振动管上出现的模态特征的定性方法。用至少两种方式中的一种方式得到形成曲线302-306时使用的本征矢量系数。一种方法是建立一种有益的振动结构的有限元模型，从该模型中可以抽取出有益模式的本征矢量系数。另一种方法是用经验模态分析技术根据振动结构的物理模型来确定本征矢量系数。有限元模型制作和经验模态分析技术对于复杂机械结构领域的技术人员来说是公知的。
节点N101和N117分别靠近支撑板106和106’。支撑板106、106’将管路103A-B连在一起，因此支撑板处于沿管路103A-B进行限制的位置，在该位置上，管路之间只产生极小的相对运动。因此，所有三条曲线302-306在节点N101和N117处近似为零振幅。管路103A在节点N101和N117之间自由振动。用曲线302-306表示在每种模式下每个节点N101-N117处的最大振动振幅。
图2表示位于节点N109处的驱动装置104。节点N109位于管路103A-B的中心意味着该节点处于离每个支撑板106和106’等距离的位置上。这代表了过去在第一异相弯曲模式下驱动弯管式科里奥利流量计时使用的典型驱动器位置。应注意的是，如曲线302所示，第一异相弯曲模式在节点N109，即管路103A-B的中点处达到最大值。因此，节点N109是激发第一异相弯曲模式的有效位置。在这里，“有效”意味着用较小的输入力便可导致较大的管路运动。节点N109是沿管路103A-B最有效的激发第一异相弯曲模式的位置。然而，应注意到，在图3中，如曲线304所示，节点N109也是第二异相弯曲模式的最大振幅位置。因此，在节点N109处输入到管路103A-B中的能量将同时激发第一和第二异相弯曲模式。这是不希望出现的情况，因为通常并不想激发第二异相弯曲模式。正如熟悉振动管式传感器领域的技术人员所公知的那样，由驱动器激发的任何模式都能被传感器检测到，而且某些模式会对质量流或密度测量或有效驱动信号的发生产生不良影响。
本发明中的驱动器布置-图4-6B
图4表示管路103A-B，其按照本发明的教导将驱动器401沿管路103A-B设置在某一位置上。参照图3所示的模态系数曲线300，可以看到，第二异相弯曲模式(曲线304)处于靠近节点N107的最小振幅位置附近，而第一异相弯曲模式仍然处于节点N107的最大振幅附近。因此，在节点N107或节点N107附近输入到管路103A-B中的能量将会激发第一异相弯曲模式而不会激发第二异相弯曲模式。图4中示出了位于节点N107处的驱动器401。当在工作状态下使管路103A-B振动时，驱动器401激发第一异相弯曲模式但并不激发或最小限度地激发第二异相弯曲模式。因此，按照本发明的并且具有一个驱动器的流量计吸取了能在最佳固定驱动器的振动结构上出现的各种已有振动模式的优点，因此只激发所需要的一种或多种驱动模式。
驱动器401的位置偏心会带来一些问题。一个问题是由于驱动器位置偏心使输入到振动结构的能量呈不对称形式。而且，节点N107靠近第一异相扭转模式最大振幅的位置。因此，在节点N107(或对应于节点N111)处的单个驱动器将偏心地激发第一异相扭转模式，这可以表现为沿管路103A-B上的两点之间出现相位偏移。由于沿管路的点之间有相位偏移，所以用科里奥利流量计得到的质量流率测量基础可能会出现问题。
图5表示分别位于节点N107和N111处的两个驱动器501-502。针对偏心设置的单个驱动器的情况，出于与上面参照图4讨论的相同原因选择驱动器501-502(即节点N107和N111)的位置。在驱动流量计以第一异相弯曲模式振动的情况下，驱动器501-502产生的力是等振幅和等相位的力。根据图3中的模态系数曲线300，节点N107和N111靠近第一异相弯曲模式最大振幅的位置和第二异相弯曲模式最小振幅的位置。因此，激发第一异相弯曲模式和仅最小限度地激发第二异相弯曲模式。此外，由于驱动器501-502用相同的振幅和相同的相位驱动管路103A，所以不会激发第一异相扭转模式。因此，科里奥利流量计的质量流量测量不会受到象图4所示实施例中可能受到的影响。
可以不做图3中所示的本征矢量系数曲线，而代之以利用与振动结构的固有频率和阻尼相结合的本征矢量系数来产生振动结构的FRF。用FRF来确定对在振动结构另一位置上施加的以磅为单位的力在振动结构一个位置上以每秒英寸为单位的物理响应。这样便形成了确认驱动器最佳位置的定量方法。频率响应函数的计算和处理对研究振动结构的技术人员来说是公知的。
公式1中给出了可以计算在结构中一个点处的响应与在结构另一点处的输入之比的FRF矩阵： H ( &omega; ) : = &Sigma; r &Phi; < r > &CenterDot; &Phi; < r > r &CenterDot; i &CenterDot; &omega; ( &omega; n r ) 2 - &omega; 2 + i &CenterDot; 2 &CenterDot; &zeta; r &CenterDot; &omega; &CenterDot; &omega; n r 公式1
其中H(ω)是作为频率函数的FRF矩阵，所述频率是通过一个单位激发而标准化的多单位响应中的频率。典型的单位是英寸/每磅秒。FRF矩阵标记对应于响应和激发的实际位置，即，Hij是位置i处的对位置j处的单位激发的响应。总和标记r对应于所需模式的数量，该数量由本征矩阵Ф中各列的数量确定。Ф中的每一行对应于在需要响应和施加力的结构中某一实际位置的本征矢量系数。根据有限元分析或经验测量值可以方便地推导出本征矢量矩阵Ф。术语iω，其中
Figure C9881181100152
表示响应是针对速度的响应。在分子和分母中的ω项是以弧度/秒为单位的激发频率。Ф(r)是标准化成单位模态质量的第r’个本征矢量(本征矢量矩阵中的列)。ζ是作为一小部分临界阻尼的第r’个模式的模态阻尼，而ωn是以弧度/秒为单位的第r’个模式的无阻尼固有频率。
根据公式1和2计算对给定力F的实际响应值X。应注意的是通过添加对单个力的独立响应可以叠加出在这种线性系统中对多个力的响应。
       X(w)＝H(ω)×F                  公式2
用公式1和2计算第一点例如图2和5中节点N113处的测量传感器105’响应在第二点即驱动器的位置上施加的力时而产生的实际速度。就图2中所示传统驱动器的情况而言，在管路103A的中点即节点N109处施加力。就图5中所示的双驱动器的情况而言，在节点N107和N111两个节点处对称地施加力。“对称地”施加的力是在两个节点上以彼此相同的振幅和相位施加的力。
图6A和6B表示的是在单驱动器和双驱动器情况下传感器105’实际速度的振幅和相位比较。图6A和6B的数据是在单和双驱动器情况下根据模制CMF300流量计的FRF得到的。图6A中的曲线图601表示在传感器105’(节点N113)处的管速度的相位与频率的关系。图6B中的曲线图602表示的是在测量传感器105’(节点N113)处管速度的幅值与频率的关系。曲线图601中的曲线603是在节点N109处设有单个驱动器的情况下，节点N113处的管速度相位。曲线图601中的曲线604是在节点N107和N111处分别设有双驱动器的情况下，节点N113处的管速度相位。应注意的是在单个中心驱动器和双驱动器两种情况之间不存在管速度相位差。曲线图602中的曲线605是在节点N109处设置单个驱动器的情况下在节点N113处的管速度幅值。曲线图602中的曲线606是在节点N107和N111处分别设置双驱动器的情况下在节点N113处的管速度幅值。应注意到，在73Hz的第一异相弯曲模式下两种情况的响应是相同的。还应注意到，在466Hz下，双驱动器对第二异相弯曲模式的响应比传统单驱动器的情况约小5倍。这是因为如图3所示，节点N107和N111对第二弯曲模式的响应小于N109的响应，但其并不完全为零。通过将节点N107和N111的位置移到使该模式的本征矢量系数接近零的点还可进一步降低对第二弯曲模式的响应。例如，参照图3，这种情况意味着将节点N107处的驱动器移向节点N106而将节点N111处的驱动器移向节点N112。还应注意到，总响应，即曲线(对于双驱动器的情况而言为曲线606)下面的面积约为单驱动器情况下曲线605下面面积的一半。在双驱动器情况下总响应较低表示在双驱动器情况下比单驱动器情况下更能有效激发所希望的模式，即，第一异相弯曲模式。频率响应函数和所得到的图6中的曲线图给出了一种理解本发明所述驱动系统优点的定量方法。
附加的驱动器功率-图8
如上所述，特别是参照图5中的驱动器布置，双驱动器进一步的优点是能够向管路103A传送更多的驱动能量。实际上，为了内在安全的原因将科里奥利质量流量计功率限制在约为5瓦。工业过程控制领域的技术人员很熟悉内在安全的要求。实际上，这些要求意在确保过程控制装置例如科里奥利流量计不会将足够的能量(蓄积的或瞬间的)暴露于易爆环境从而不会引起环境燃烧。科里奥利流量计的设计者习惯于折衷选择(在电磁驱动器的情况下)驱动电流、磁场强度和线圈的匝数以便得到合适的驱动力。然而，有时很难将力传递到驱动器使其为流量计正常工作而对管路产生足够的振动。这对大尺寸管路和流体夹带气体流过的管路是特别实际的问题。在这些条件下使用本发明的系统可以为管路振动提供附加的驱动能量。如果将双驱动器系统设计成使两个驱动器成为电绝缘驱动电路的一部分，则每个驱动器都可以向管路提供约为5瓦的驱动功率而且仍能满足内在安全的需要。
图8表示与图5相同的双驱动器系统以及仪表电子设备20。仪表电子设备20包括驱动电路A802和驱动电路B804。驱动电路802-804彼此电绝缘，因此为了达到内在安全计算的目的可以将其作为独立电路来对待。驱动电路A802通过路径806与驱动器501相连。驱动电路B804通过路径808与驱动器502相连。在相关的内在安全要求允许的情况下，每个驱动电路802-804可向其各自的驱动器501-502提供最大功率。因此，每个驱动器501-502可以向管路103A提供例如5瓦的驱动功率。
激发交替模式-图7A和7B
本发明所述双驱动系统的另一个应用是交替模式的激发。如上面所提到的，第一异相弯曲模式是现有科里奥利质量流量计最常用的驱动模式。然而，本发明可适用于任何管路的几何形状并适合使用任何驱动模式。通过本发明的驱动系统可以有效激发例如第一异相扭转模式。
用于产生图6所示数据的驱动器设置方案不能激发第一异相扭转模式。如从图6中所能看到的那样，模制的CMF300流量计具有184Hz的第一异相扭转模式，在所述频率下单个驱动器或双驱动器都不能产生有意义的振幅。单个中心驱动器的设置方案不能激发扭转模式。然而，双驱动器的设计方案可提供交替激发。可以使每个驱动器上的作用力振幅相同但相位相反。换句话说，双驱动器的相位可以彼此相差180°。当双驱动器的相位不同时，不会激发第一异相弯曲模式但会激发第一异相扭转模式。
图7A和7B表示在驱动器相位彼此相差180°的双驱动器情况下传感器105’的实际速度的幅值和相位。图7A中的曲线图701表示在传感器105’(节点N113)处的管速度相位与频率之间的关系。图7B中的曲线图702表示在传感器105’(节点N113)处的管速度幅值与频率之间的关系。曲线图701中的曲线703是分别在节点N107和N111处设有双驱动器的情况下节点N113处的管速度相位，在该节点处驱动器具有相同的振幅但相位相反。曲线图702中的曲线704是分别在节点N107和N111处设有双驱动器的情况下节点N113处的管速度幅值。应注意在第一异相扭转模式184Hz频率下的强响应和在第一或第二异相弯曲模式下响应减弱。因此本发明提供了一种可用驱动器驱动第一异相扭转模式的科里奥利流量计，其中将驱动器设置成可驱动扭转模式而不是弯曲模式。
实例性交替变化的管路几何结构
本发明的教导并不限于双弯管振动传感器。任何几何结构的任何数量的一个或多个管路都能从本发明的驱动器中获益。图9-10提供了另一个本发明教导的实例。
图9表示双直管科里奥利流量计900的有限元模型。沿管路902A-B的长度示出了节点N101-N117。用支撑板904和支撑板904’将管路902A-B限制在每一端上。图10表示流量计900的模态系数曲线图1000。对想用第一异相对称弯曲模式驱动流量计900的情况而言，分析曲线图1000以确定第一异相对称弯曲模式接近最大振幅和第二异相对称弯曲模式接近最小振幅的位置。曲线1002表示流量计900的第一异相对称弯曲模式的本征矢量系数。曲线1004表示流量计900的第二异相非对称弯曲模式的本征矢量系数。曲线1006表示流量计900的第一异相非对称弯曲模式的本征矢量系数。
对模态系数曲线图1000所做的分析显示第一异相对称弯曲模式接近最大振幅的位置和第二异相对称弯曲模式接近最小振幅的位置大约在节点N106和节点N107之间。在节点N111和N112之间也同样如此。因此，如图10所示，将驱动器908设置在节点N106和N107之间而将驱动器908’设置在节点N111和N112之间。当用同样的振幅和相位激发驱动器908和908’时，将激发第一异相对称弯曲模式而不激发或最小限度地激发第二异相对称弯曲模式。
图9-10表示了本发明更广义的教导。虽然图5和9中示出的实际结构完全不同，但是它们都适用于展示本发明教导的图3和图10所示的相应模态系数曲线图。在此示出的结构仅仅是本发明的实例性教导。本发明可适用于所有振动管式流量计或密度计。
激发多种模式-图11
有时需要有意识地激发多于一种模式。例如，参见1996.8.14申请并转让给Micro Motion有限公司的未决申请序列号08/689839，其激发两种模式而且两种受激模式的谐振频率比值的变化与振动管内的流体压力有关。图11示出了驱动电路1100的方框图。参照图1或图8，驱动电路1100设置在仪表电子设备20中。
驱动电路1100包括模式A驱动电路1102，模式B驱动电路1104，以及加法电路1106。模式A驱动电路1102接收路径1108上的驱动反馈信号并在路径1110上产生具有第一模式(模式A)频率的驱动信号。模式B驱动电路1104接收路径1108上的驱动反馈信号并在路径1112上产生具有第二模式(模式B)频率的驱动信号。路径1110上来自模式A驱动电路的驱动信号和路径1112上来自模式B驱动电路的驱动信号输入到加法电路1106。加法电路1106经运算将两个输入驱动信号线性组合后产生施加到路径1114上的驱动信号。送到路径1114上的驱动信号进入振动管路上的驱动器中。
现在参照图9-11，假设希望同时用第一异相弯曲模式(曲线1002)和第一异相扭转模式(曲线1006)来激发图9中的流量计。设置模式A驱动电路1102来产生具有第一异相弯曲模式频率的第一驱动信号。设置模式B驱动电路1104来产生具有第一异相扭转模式频率的第二驱动信号。第一和第二驱动信号在加法电路1106中相加从而产生送到路径1114上的驱动信号。将施加的驱动信号送到流量计900的驱动器908和908’。图10中的分析表明，适当地设置驱动器908和908’便能激发第一异相弯曲模式和第一异相扭转模式。分别将驱动器908和908’设置在节点S106和S107以及S111和S112之间。如图10所示，这是第一异相扭转模式和第一异相弯曲模式的最大振幅区和第二异相弯曲模式的最小振幅区。因此，图11中的多模式驱动电路激发第一异相弯曲模式和第一异相扭转模式但是不激发第二异相弯曲模式。
熟悉科里奥利流量计领域的技术人员都熟知多种用驱动电路1102和1104产生驱动信号的方法。例如，参见1991.4.23授权并已准备转让给Micro Motion有限公司的5,009,109号美国专利和1997.7.11申请的序号为 08/890785的未决申请(申请人TimothyJ.Cunningham)，该文献共同作为本文通篇所揭示的相同范围的内容的参考文献。
虽然在此公开了特定的实施例，但是可预料到，熟悉该技术领域的人能够和将会设计出不同的采用多个驱动器位置和多个驱动器的科里奥利流量计驱动系统，这些不同方案不管从字面上还是在等同的原则下均落入下面的权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种测量材料特性的设备(5)，所述材料流过所述设备，所述的设备(5)包括：至少一条供所述材料流过的管路(103A，103B)；固定到所述至少一条管路并用于在所述材料流过所述至少一条管路(103A，103B)时使所述至少一条管路(103A，103B)振动的驱动装置(104)；所述驱动装置固定在所述至少一条管路(103A，103B)的选定位置(N109)上，该选定位置能使所述驱动装置(104)在至少一种所需模式下得出所述至少一条管路(103A，103B)的最大振幅；固定到所述至少一条管路(103A，103B)上的传感器(105，105’)，所述传感器在所述至少一条管路(103A，103B)和所述材料受到所述驱动装置(104)驱动而振动时，将产生代表因科里奥利力引起的所述至少一条管路(103A，103B)振动情况的输出信号，并将所述输出信号送到信号处理器(20)，以及该信号处理器(20)用于响应从所述传感器接收到的输出信号，并产生所述材料特性测量值，所述设备其特征在于：
根据在沿所述至少一条管路(103A，103B)的多个节点处得到的适合所述至少一种所需模式和适合所述至少一种不需要模式的本征矢量系数，将所述位置确定为能使所述驱动装置(104)在所述至少一种所需模式下产生管路(103A，103B)的最大振幅和在所述至少一种不需要模式下产生所述管路(103A，103B)的最小振幅。
2.根据权利要求1所述的设备(5)，其特征在于还包括：
用于向所述驱动装置施加驱动信号的驱动电路(1100)，该驱动电路包括：
第一模式驱动电路(1102)，用于产生第一所需模式的频率的第一驱动信号；和
第二模式驱动电路(1104)，用于产生第二所需模式的频率的第二驱动信号。
3.根据权利要求2所述的设备(5)，其特征在于还包括：
所述驱动电路(1100)中的加法电路(1106)，用于把所述第一驱动信号和所述第二驱动信号相加，以产生所述的驱动信号。
4.根据权利要求1所述的设备(5)，其特征在于，所述驱动装置(104)包括：
分别固定在多个位置(N107，N111)上的多个驱动器(501，502)。
5.根据权利要求4所述的设备(5)，其特征在于，所述至少一种所需模式包括第一异相弯曲模式。
6.根据权利要求5所述的设备(5)，其特征在于，所述至少一种不需要的模式包括第二异相弯曲模式。
7.根据权利要求5所述的设备(5)，其特征在于还包括：
分别向所述多个驱动器(501，502)之一提供驱动电流的多个驱动电路(802，804)。
8.根据权利要求7所述的设备(5)，其特征在于，所述至少一种所需模式包括第一异相扭转模式。
9.根据权利要求8所述的设备(5)，其特征在于，所述至少一种不需要的模式包括第二异相弯曲模式。
10.根据权利要求7所述的设备(5)，其特征在于，所述多个驱动电路(802，804)的每个电路之间彼此电绝缘。
11.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述多个驱动电路(802，804)向所述多个驱动器(501，502)施加振幅和相位基本相同的多个驱动电流。
12.根据权利要求7所述的设备(5)，其特征在于，所述多个驱动电路(802，804)中的至少一部分向所述多个驱动器(501，502)施加实际上具有相同振幅和相反相位的多个驱动电流。
13.将驱动装置(104)固定到设备(5)的至少一条管路(103A，103B)上以便测量流过所述至少一条管路(103A，103B)的材料特性的方法，所述方法的特征在于其包括以下步骤：
根据所述设备的有限元模型沿所述至少一条管路(103A，103B)的节点抽取适合至少一种所需模式和至少一种不需要的模式的本征矢量系数；
根据所述节点的所述本征矢量系数选择一个位置(N109)，在该位置上所述至少一条管路在至少一种所需的模式下能产生最大振动振幅而在至少一种不需要的模式下产生最小振动振幅；和
将所述驱动装置(104)放置到所述位置(N109)上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：
选择多个位置，在这些位置上，所述至少一种所需模式的振幅为最大而所述至少一种不需要的模式的振幅为最小。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述选择步骤包括以下步骤：
将所述本征矢量系数加到曲线图中；
确定在所述至少一种所需模式下所述曲线图上的最大值和所述至少一种不需要的模式下的最小值。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述选择步骤包括以下步骤：
产生频率响应函数；和
根据所述的频率响应函数确定所述的位置。
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