CN1137372C - 测量流过流管的流体材料特性的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量材料的特性的装置及方法，设有多个位于在沿振动管的不同位置的反馈传感器，这些传感器产生多个反馈信号。通过放大器装置向每个反馈信号施加加权或增益系数，然后将所有的加权反馈信号相加以便产生驱动信号。按照几种方法中的任何一种选择加权系数，使得该信号本身与任何反馈信号相比较具有改进的模态构成部分，其中所期望的模态响应被放大并且至少一个不希望有的模态响应被抑制。

Description

测量流过流管的流体材料特性的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于产生科里奥利质量流量计中的驱动器的驱动信号的装置和方法。更具体地说，本发明涉及在科里奥利流量计的振动流管中产生仅引起所期望的振动模式(mode)的驱动信号。更具体地说，本发明涉及利用模态(modal)滤波器来抑制不希望产生的驱动信号分量并增强所期望的驱动信号分量。
背景技术
公知利用科里奥利效应质量流量计来测量质量流量和关于通过导管流动的材料的其它信息。示例性的科里奥利流量计公开在1978.8.29授权的4109524号、1985.1.1授权的4491025号以及1982.2.11的Re.31450号美国专利中，这些专利均授予J.E.Smith等人。这些流量计具有一个或多个直线或曲线形结构的流管。在科里奥利质量流量计中的每一种流管结构具有一组自然振动模式，它们可以是简单弯曲、扭转或耦合(coupled)类型的。驱动每一流管以便按照这些自然振动模式中之一谐振。在流量计的入口侧由相连的导管流入流量计的材料被导引通过一个或几个流管，并通过出口侧流出流量计。填充材料的振动系统的自然振动模式是部分地由各流管的综合质量和在各流管内流动的材料确定的。
当没有材料流过流量计时，由于施加的驱动力具有相同的相位或很小的起始固定的(可校正)相位偏差，沿流管的所有各点振动。随着材料开始流动，科里奥利力使沿流管的每一个点具有不同的相位。在流量计入口侧的相位滞后驱动器，而在流量计出口侧的相位超前驱动器。将一些传感器(pick-off sensor)置于在流管上，以便产生代表流管运动的正弦信号。对由传感器输出的信号进行处理，以便确定各传感器的相位差。两个传感器的相位差与通过该流管流动的材料的质量流量成比例。
每一科里奥利流量计和每种振动管密度计中的基本构成部分是驱动或激励系统。驱动系统工作以便向流管施加周期性的机械作用力，使流管振动。该驱动系统包含安装在流量计中的流管上的驱动器。该驱动器结构通常包含很多公知装置中的一种，例如安装在一个流管上的磁铁和与磁铁按相反位置关系安装在另一个流管上的线圈。驱动电路持续地向驱动器提供一种周期性的通常为正弦或方波波形的驱动电压。通过由线圈响应于周期性的驱动信号产生的持续的交流磁场与由磁铁产生的恒定磁场相互作用，起初迫使两个流管按照相反的正弦波方式(pattern)振动，并此后维持。本领域的技术人员会认识到，任何能够将电信号变换为机械力的装置都适合作为驱动器使用(见授予Carpenter的并转让给Micro Motion，Inc的4777833号美国专利)。此外，无需利用正弦波而是利用其它周期信号作为驱动信号也可能是适合的(见授予Kalotay等人的并转让给Micro Motion，Inc的5009109号美国专利)。
一种典型的振动模式，虽然不是仅有的振动模式(按照该振动模式驱动科里奥利流量计使之振动)是一次异相弯曲模式(first out-of phase bending mode)。一次异相弯曲模式是一种基本的弯曲模式，按照该模式该双管科里奥利流量计中的两个流管按彼此相反的方式振动。然而，这不是在按照一次异相驱动的科里奥利流量计的该振动结构中呈现的仅有的振动模式。当然，有一些可以受激的更高的振动模式。此外由于流体通过振动的流管以及随之发生的科里奥利力，还有受激的一次异相扭曲模式以及其它模式。还有同相和横向振动模式。在科里奥利流量计中实际最多有几百种受激的振动模式，驱动该流量计按照一次异相弯曲模式振动。即使在接近一次异相弯曲模式的相当窄的频率范围内，也有至少几种附加的振动模式。除了由于激励被驱动流管引起受激的多个模式外，由于外部振动流量计可以激励一些模式。例如，在工艺管道中的位于某处的泵可能沿管线产生振动，在科里奥利流量计中激励一种振动模式。在科里奥利流量计中有时激励附加的不希望产生的模式的另一种原因是当制造公差(较大)使驱动器各元件在流管上不对称就位时引起的。这样就导致驱动器施加偏心力作用在流管上因此激励多种振动模式。因此一被驱动按一次异相弯曲模式振动或谐振的科里奥利流量计，实际上使导管除了一次异相弯曲模式以外按照很多其它的模式振动。被驱动的按与一次异相弯曲模式不同的模式振动的流量计，除了预期的驱动模式外还发生多个激励模式的相同现象。
已有的驱动系统处理反馈信号，其通常是各传感器信号的其中一种，以便产生驱动信号。遗憾的是，除了期望的激励模式以外该驱动反馈信号包含根据其它模式产生的响应。因此，通过一频域滤波器对驱动反馈信号进行滤波，以便消除不希望有的分量以及然后放大经滤波的信号并提供到驱动器。然而，用于对驱动反馈信号进行滤波的频域滤波器，在将单一所期望的驱动模式与存在于驱动反馈信号中的其它模式响应的隔离方面不是有效的。可能有由于接近期望模式谐振频率的其它模式引起的失谐响应。还可能有在接近期望谐振频率的频点处的谐振响应。总之，经滤波的驱动反馈信号即驱动信号通常包含在不同于用于激励流管的期望模式的频率处的模态构成部分(modalcontent)。根据多模式的谐振响应组成的驱动信号通过驱动器向流管输入能量，激励每一种驱动信号包含了其模态构成部分的模式。这种多模式驱动信号引起科里奥利流量计使用上的问题。此外，频域滤波器引起经滤波的驱动信号产生相位滞后。这可能导致需要更高的驱动功率才能按照期望的幅值驱动流管。
由多模式驱动信号引起的一个问题是例如管线振动的外部振动由于该驱动信号而加强。假如相对科里奥利流量计的外部管线振动使流量计振动，驱动反馈信号包含对于管线振动的响应。如果管线振动至少部分地落入该滤波器的通频带内，频域滤波器不能消除不希望有的响应。包含对于管线振动不希望有的响应的经滤波的驱动反馈信号被放大并提供到驱动器。然后该驱动器工作加强了管线振动的激励模式。
当可用于驱动流管的驱动功率的总量值存在问题时，产生一由多模式驱动信号引起的一个代表性的问题。为了满足由各种核准机构确定的固有的安全要求，限制在科里奥利流量计的驱动器处可用于驱动的总功率。这种功率限制对于科里奥利流量计(特别是对于较大的流量计，尤其是对于测量夹带气体的液体的较大的流量计)可能造成问题。由于多模式驱动信号除了将能量输入到期望的驱动模式以外，还输入到其它各个模式，多模式驱动信号是低效的。因此，比对于指定的一组工作条件所必需的限制更快地达到该固有的安全功率限制。
再一个问题是，在按照一次异相弯曲模式驱动的流量计的实例中，驱动器位置也就是对于二次异相弯曲模式最大幅值的位置。因此，为按照一次异相弯曲模式振动，二次异相弯曲模式在被驱动的科里奥利流量计中被稳固地激励。因此，驱动反馈信号以及相继地驱动信号包含按二次异相弯曲模式的响应。
对于利用科里奥利质量流量计进行的密度测量，在多个频率具有模态构成部分驱动信号会产生另一个问题。在科里奥利流量计或振动管密度计中的密度测量依靠对振动流管的谐振频率的测量。当响应于包含按照多个模式的模态构成部分的驱动信号驱动流管时，会出现一个问题。在驱动信号中多个模式的叠加可能导致与期望驱动模式的真实谐振频率失谐地驱动流管。这可能在密度测量中导致误差。
需要一种用于科里奥利流量计的驱动电路系统，其仅按照期望的驱动频率驱动流量计中的一(各)个流管。还需要一种驱动电路系统，其增强在驱动反馈信号中的期望的驱动模式并抑制不希望有的振动模式，以便产生具有仅按照期望的驱动频率的模态构成部分的驱动信号。
发明内容
利用本发明的驱动电路系统解决了上面讨论的和其它问题并在本技术领域实现技术进步。本发明的驱动电路系统有利地产生了这样的驱动信号，其中所需振动模式被增强而不需要的振动模式被抑制。本发明提供一种利用模态滤波器(modal filter)产生科里奥利流量计或密度计驱动信号的方法和装置。模态滤波器接收来自振动流管的反馈信号并产生驱动信号，该驱动信号中抑制了不希望有的振动模式并增强期望的模式。因此，利用本发明的驱动系统产生仅包含科里奥利流量计流管的期望的激励模式的驱动信号。
本发明的系统对来自科里奥利流量计流管的反馈信号经过模态滤波器进行滤波。模态滤波器是一空间滤波器其利用在空间中的不同点和/或沿空间中的不同方向测量的多个反馈信号的总和，可能包含运动的移动测量值和或旋转测量值、应变、力(或这些量的综合)或者与流量计流管运动相关的其它量。模态滤波器利用沿振动流管长度的不同点的多个反馈信号的总和。模态滤波器按线性方式将加权的反馈信号综合，产生一个合成的滤波信号，在该信号中抑制了不希望有的振动模式而加强了期望的模式。反馈信号代表在流管上的特定位置处的流管的运动或多个流管的相对运动。典型的科里奥利流量计已经具有以来自传感器的信号形式的可利用的两个反馈信号，它们用在科里奥利流量计的质量流量计算中。由本发明的系统利用由科里奥利流量计上的传感器产生的信号作为反馈信号。模态滤波器需要至少两个反馈信号作为输入信号。
在一个实施例中利用本发明的驱动系统来驱动一具有双平行流管的科里奥利流量计。两个传感器提供两个反馈信号。第三反馈信号由位于在驱动器位置处的传感器提供。该三个反馈信号提供到模态滤波器。模态滤波器包含用于每个反馈信号的放大器。不同的加权系数即放大器增益系数施加于每个反馈信号，三个反馈信号利用在模态滤波器中的一个加法器线性综合。将由模态滤波器输出的合成信号放大，产生驱动信号并将驱动信号提供到驱动器。选择模态滤波器放大器的放大器增益，使模态滤波器工作抑制驱动信号中的一次异相扭曲模式和二次异相扭曲模式的模态构成部分。此外，驱动信号具有仅基本上按作为流量计的期望驱动模式的一次异相弯曲模式的模态构成部分。当然上述的信号处理可以按照分立的模拟元件实施或以数字方式实施。这里所用的术语“放大器”和“加法器”例如适合于以模拟和数字方式实施。
模态滤波器本身由一与每一反馈信号相关联的单独的放大器和一用于将各加权的反馈信号相加的加法器构成。在模态滤波器中的放大器的增益量值被称为加权系数。在已利用在模态滤波器中各自对应的放大器将反馈信号放大之后，反馈信号被称为加权反馈信号。加法器简单地将各加权反馈信号相加，产生该滤波器输出信号。该滤波器输出信号不具有大到足以驱动流管的幅值，于是将该滤波器输出信号放大，产生驱动信号。驱动信号具有相同的模态构成部分，不过幅值大于滤波器输出信号。
有很多种方法确定由模态滤波器向反馈信号施加的加权系数。所有这些各种各样的方案在它们的效果方面是等效的，不过某些方案比其它方案更有效且可重复。一种方案是简单地通过试验选择加权系数和误差(分析)，直到得到一基本上仅具有按照期望驱动模式的模态构成部分的驱动信号为止。其它各种方案包含计算流量计结构的本征矢量矩阵的逆矩阵(inverse)或伪逆矩阵。这一矩阵中的每一行包含对于一特定模式的适当的加权系数。为建立本征矢量矩阵所需的本征矢量(模态矢量)可以通过不同的方式获得，包含但不局限于数字方式例如流量计的有限元模型或者实验方式例如实验模态分析。另一种用于确定模态滤波器加权系数的方案是利用通称为改进的互逆模态矢量法的技术。另一种方案通称为自适应模态滤波器。确定加权系数的方式不是关键性的，可采用任何一种方法或方法的组合。
可以这样构成模态滤波器，利用越大数量的反馈信号，就滤除越大数量的来自驱动信号的不希望有的模式。至少必须向模态滤波器提供两个反馈信号，以便实现本发明的有益效果。例如，可以利用科里奥利流量计的两个传感器信号作为对模态滤波器仅有的反馈信号，以便产生一具有两个受模态滤波器影响的模式的驱动信号。在这种情况下，滤波器将有效地增强一次异相弯曲模式即所希望的驱动模式，而抑制一次异相扭曲模式。为了完全抑制在所注重的频率范围内的所有不希望有的模式，要求反馈信号与在注重的频率范围内的模式的总数一样多。如果可利用的反馈信号少于模式的总数，所期望的模式的幅值相对于不希望有的模式的幅值仍会增强。然而，不希望有的模式的响应不能完全消除。
根据本发明的第一方面，提供一种用于测量材料的特性的装置，该装置具有从中流过所述材料的流管；第一传感器装置，安装在所述流管上的第一位置，用于产生表示在所述第一位置的所述流管运动的第一运动信号，其中所述第一运动信号具有在多个振动模式下的模态构成部分；第二传感器装置，安装在所述流管上的第二位置，用于产生表示在所述第二位置的所述流管运动的第二运动信号，其中所述第二运动信号具有在多个振动模式下的模态构成部分；以及用于振动流管的驱动系统，所述系统包含：驱动装置，设置在所述流管上并用于响应于驱动信号振动所述流管；其特征在于所述驱动装置包括：电路，用于接收所述第一和第二运动信号并产生所述驱动信号，所述电路包含：第一放大器装置，用于将第一加权系数施加到所述第一运动信号以便形成第一加权信号；第二放大器装置，用于将第二加权系数施加到所述第二运动信号以便形成第二加权信号；加法装置，用于综合所述第一加权信号和第二加权信号从而产生输出信号；其中所期望的模态响应被放大并且至少一个不希望有的模态响应被抑制；和驱动电路装置，用于根据所述输出信号产生所述驱动信号。
根据第二方面，提供一种使流管振动从而测量流过所述流管的材料的特性的方法，包含的步骤有：向驱动器施加驱动信号，该驱动器响应所述驱动信号使所述流管振动；接收表示在所述流管上的第一位置处的所述流管运动的第一运动信号，所述第一运动信号具有按照多个振动模式的模态构成部分；接收表示在所述流管上的第二位置处的所述流管运动的第二运动信号，所述第二运动信号具有按照多个振动模式的模态构成部分；所述方法的特征在于：将第一加权系数施加到所述第一运动信号以便形成第一加权信号；将第二加权系数施加到所述第二运动信号以便形成第二加权信号；将所述第一加权信号和所述第二加权信号相加以产生输出信号；和输入所述输出信号到驱动电路中，从而产生所述驱动信号。
本发明的科里奥利流量计驱动电路模态滤波器可以用于增强已有的驱动信号系统或者其可以用来替代已有的驱动信号系统。
附图说明
图1表示科里奥利流量计和相关的计量电子电路。
图2表示在先技术的科里奥利流量计的方块图。
图3表示在先技术的用于科里奥利流量计的驱动系统的方块图。
图4表示根据本发明的科里奥利流量计电子电路的方块图。
图5表示根据本发明的科里奥利流量计的驱动系统的方块图。
图6表示根据已有驱动电路的代表流管反馈信号的频率响应函数和合成驱动信号的频率响应函数。
图7表示根据已有驱动电路的代表流管反馈信号的频率响应函数和代表对于反馈信号起作用的构成的各振动模式的附加频率响应函数。
图8是表示通过实验和误差(分析)选择模态滤波器加权系数的过程步骤的流程图。
图9是表示通过计算本征矢量矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵选择模态滤波器加权系数的过程的流程图。
图10是利用模态滤波器生成流量计驱动信号的处理过程的流程图。
具体实施方式
图1表示科里奥利流量计5，其包含科里奥利计量组件10和计量电子电路20。计量电子电路20经过引线100连接到计量组件10，以便提供密度、质量流量、体积流率和沿通道26的总的质量流量信息。介绍一种科里奥利流量计结构，不过对于本领域技术人员来说很明显，本发明不利用科里奥利质量流量计提供的附加测量能力也可以结合各种振动管密度计实施。
计量组件10包含一对法兰101和101′、歧管102以及流管103A和103B。驱动器104以及传感器105和105′连接到流管103A和103B。传感器105和105′可以包括速度传感器、位置传感器、加速度传感器或应变计。支撑条106和106′用于限定每个流管的振动中心轴线w和w′。
当计量组件10接入到输送需测量的加工材料管线系统(未表示)中时，该材料通过法兰101进入计量组件10，通过歧管102的材料被导引进入流管103A和103B，流过流管103A和103B返回到歧管102，再由歧管102通过法兰101′流出计量组件10。
选择流管103A和103B并适当地安装到歧管102，使之具有分别围绕弯曲轴线的W-W和W′-W′的相同的质量分布，惯量矩和弹性模量。这些流管由歧管102按基本平行的方式向外延伸。
流管103A和103B由驱动器104围绕它们的弯曲轴线的W和W′沿相反的方向驱动，并按照被称为流量计的一次异相弯曲模式驱动。驱动器104可以包含很多公知装置中的任何一种，例如安装在流管103A上的磁铁和相反安装在流管103B上的线圈，为使两个流管振动令交流电流通过该线圈。由计量电子电路20经过引线110向驱动器104提供适当的驱动信号。
计量电子电路20接收分别出现在引线111和111′上的左和右速度信号。计量电子电路20产生该出现在引线110上的驱动信号并使驱动器104振动流管103A和103B。计量电子电路20处理左和右速度信号以计算通过计量组件10的材料的质量流率和密度。由计量电子电路20将这一信息沿通道26提供到应用装置(未表示)。
本领域的技术人员都了解科里奥利流量计5具有与振动管密度计十分相似的结构。振动管密度计也利用一流体从中流过的振动管，在采样类型的密度计的情况下，在振动管内部容纳液体。振动管密度计也采用驱动系统用于激励流管振动。振动管密度计通常仅利用单一的反馈信号，这是由于密度测量仅需要测量频率而不需要测量相位。这里对本发明的介绍同样适合于振动管密度计。本领域的技术人员会认识到，已有的科里奥利流量计已具有两个可以输入到模态滤波器的反馈信号，已有的振动管密度计通常仅具有一个可利用的反馈信号。因此，为了将本发明应用于振动管密度计，仅需要在振动管密度计中提供附加的反馈信号。
在先技术的驱动系统-图2、3和6
图2表示计量电子电路20的方块图。计量电子电路20包含质量流量计量电路30和驱动电路40。质量流量计量电路30为很多公知电路中的一种，该公知电路用于根据在振动管上的两点之间的相位差计算通过振动管的流体的质量流率。质量流量计量电路30产生的输出沿线路26输送到应用装置(未表示)。该应用装置例如可以是显示器。质量流量计量电路30的细节对本领域的技术人员是公知的，并不构成本发明的一个部分。参见1983.11.29授予Smith并以其名义转让给Micro Motion，Inc.的RE31450号美国专利、1989.11.14授予Zolock并以其名义转让给Micro Motion，Inc.的4879911号美国专利、1993.8.3授予Zolock并以其名义转让给Micro Motion，Inc.的5231844号美国专利，它们对于质量流量计量电路30提供了示范性的信息。
在已有的驱动电路系统中，驱动电路40经过通道41接收来自传感器105的反馈信号。正如参照图3更详细介绍的，已有的驱动电路系统产生的驱动信号经过通道110输送到驱动器104。本领域的技术人员会认识到，已有的驱动系统可以交替地利用左和右传感器(的反馈信号)反馈到驱动电路40。此外某些已有的驱动系统利用两个传感器(的反馈信号)反馈到驱动电路40。
图3表示驱动电路40的方块图。驱动电路40接收来自流量计以传感器形式的反馈信号并适当地调节传感器信号的幅值以产生经过通道110输送的驱动信号。正如所指出的，某些已有的驱动系统将两个传感器信号相加并对相加的信号处理产生一驱动信号。驱动电路40接收来自传感器105经过通道41输送的信号。传感器信号提供到整流器300，然后再提供到积分器301。由积分器301输出的信号代表传感器信号105的平均幅值。该平均幅值信号输入到幅值控制器302。幅值控制器302将来自积分器301的平均幅值信号与基准电压Vref相比较。如果平均幅值低于基准电压，则传感器信号在乘法器303被放大并由乘法器303输出经幅值调节的传感器信号。利用功率放大器304放大经幅值调节的传感器信号，产生最终的驱动信号返送到驱动器104。响应于驱动信号和基准电压Vref，幅值控制器302维持所述流管103A和103B的最大振动幅值在基本恒定的数值。因此驱动电路40工作维持相对恒定的幅值。已有的驱动控制电路40的细节对于科里奥利流量计电子电路领域的技术人员来说是公知的，不构成本发明的一个部分。为了更详细地讨论驱动电路40的多个实施例，可参阅5009109号美国专利。
图6表示输入到驱动电路40和由其输出的模态构成部分。图6表示两个频率响应函数(“FRF”)曲线600和602，纵轴代表流管响应幅值对输入作用力幅值的比(对数)，横轴代表频率。输入作用力幅值包含由于驱动信号、流体涡流、外部振动源等引起的分量。为了介绍图6，假设输入作用力在所有的频率下具有相同的幅值。曲线600和602的纵轴标度是不同的，横轴标度则是相同的。曲线600表示与反馈信号对应的FRF 601。参照图3，FRF 601表示相对于施加到流管上的输入作用力由传感器105经过通道41向已有的驱动电路40输送的信号的特征。FRF 601具有按照一次异相弯曲模式的(在点A为幅值峰值)、一次异相扭曲模式的(在点B为幅值峰值)以及二次异相弯曲模式的(在点C为幅值峰值)模态构成部分。曲线602表示与在已有的驱动电路中利用频域滤波器产生的驱动信号对应的FRF603。
参阅图3，FRF 603表示相对于施加到流管上的输入作用力由传感器105经过通道41向已有的驱动电路40输送的信号的特征。FRF603表示对驱动反馈信号601的频域滤波的效果。FRF 603依然具有由于相同的三种模式形成的模态构成部分，该三种模式包含信号601(在曲线602中用虚线表示的)，不过由于已有的驱动电路40的频域滤波已衰减了高频分量。
根据本发明的驱动系统-总体-图4、5和7
图4表示计量电子电路400的方块图，其包含质量流率测量电路30和流管驱动电路50。计量电子电路400除去如下的部分以外，与参照图2和3介绍的计量电子电路20相似。驱动电路50不同于驱动电路40，参照图5进行更详细地介绍。此外，与驱动电路40相比较，驱动电路50接收附加的反馈信号作为输入。在驱动电路50分别接收通过通道41-42输送的左和右传感器信号。接收由附加的反馈传感器401通过通道402输送的附加反馈信号。反馈传感器401代表任何数量的安装到科里奥利流量计的流管上附加的反馈传感器。在本发明的一个实施例中，正如下面讨论的，反馈传感器401是一位于在科里奥利流量计的流管上的驱动器位置的第三位置处的传感器。
图5表示驱动电路50的方块图，该电路包含已有的驱动电路40和模态滤波器500。已有的驱动电路40与参照图3所介绍的相同。取代由其中一个传感器(反馈传感器503)直接接收传感器信号，已有的驱动电路40接收由模态滤波器500输出的信号。模态滤波器500分别经过通道111-111′由传感器105-105′接收反馈信号。传感器401代表任何数量的安装在振动管上并产生输送到驱动电路50的反馈信号的附加反馈传感器。由每一附加反馈传感器产生的每一附加的反馈信号经过单独的通道402传输到驱动电路50。在这里传感器105-105′和附加的传感器401统称为反馈传感器503。本领域的技术人员会认识到，传感器105-105′未被用作为反馈传感器503的其中之一。然而，最好利用它们，这是因为如下所述，它们能为模态滤波器500提供有用的反馈信号，并且为了计算质量流量总是需要的。
每一所述反馈信号输入到其中一个放大器504-506。同样，放大器506代表任何数量的附加放大器，其接收来自任何数量的附加的传感器401的信号。放大器504的增益系数为G1，放大器505的增益系数为G2，放大器506的增益系数为GN。增益系数G1-GN称为加权系数，由模态滤波器500施加于反馈信号。放大器504-506经路径507-509的输出称为经加权的反馈信号。由加法器510将各经加权的反馈信号相加产生一经过通道511输送的滤波器输出信号。
选择放大器504-506的增益系数G1-GN，使经过通道511输送的滤波器输出信号与来自反馈传感器503中的任一个反馈信号相比较具有改进的模态构成部分。具有改进的模态构成部分的滤波器输出信号意指这样的滤波器输出信号，即在该信号中期望的模态响应被放大以及抑制了至少一个不希望有的模态响应。
图7表示参照图4和5介绍的模态滤波器的效果。为了比较，图7包含了根据图6的曲线600。与曲线600相似，曲线700-702的纵轴代表流管响应幅值与输入作用力幅值之比(对数)。曲线700-702各自表示与三种振动模式相对应的FRF，当通过叠加方式相加时三种振动模式构成FRF601。曲线700表示与FRF601中的一次异相弯曲模式分量相对应的FRF703。曲线701表示与FRF601中的一次异相扭曲模式分量相对应的FRF704。曲线702表示与FRF601中的二次异相扭曲模式分量相对应的信号分量FRF705。参照图5，FRF601表示由其中一个反馈传感器503到模态滤波器500的信号的特征。如上所述模态滤波器500工作，由FRF601中消除了除期望的振动模式以外的所有模式部分。因此，与由FRF601中一次异相弯曲模式分量相对应的FRF703代表由模态滤波器500向驱动电路40经过通道511输送的信号中的模态构成部分。经过通道110向驱动器104输送的实际驱动信号具有与FRF703不同的幅值，不过通过简单地放大使FRF703中的模态构成部分不变。因此，由驱动电路50经过通道110向驱动器104输送的驱动信号仅激励流量传感器10的一次异相弯曲模式。通过将图6中的FRF603(来自已有的驱动电路的驱动信号中的模态构成部分)和图7中的FRF703(来自本发明的驱动电路的驱动信号中的模态构成部分)相比较，以曲线图的方式说明在通过激励驱动电路产生的驱动信号和由本发明的驱动电路产生的驱动信号之间的差别。
选择模态滤波器加权系数-图8-9
下面参照图8-9更详细地讨论对于科里奥利流量计驱动电路模态滤波器加权系数的选择(在图5中的增益系数G1-G5)。有各种方法可以用于选择适用于科里奥利流量计驱动电路中的模态滤波器的加权系数。确定加权系数的方法不是关键性的，任何适宜的一种方法或各方法的组合都是等效的。
其中选择适用于科里奥利流量计驱动电路中的模态滤波器的加权系数的一种方法是实验和误差(分析)。如参照图5和7指出的，对模态滤波器的期望的结果是产生一与输入到模态滤波器的任何一个反馈信号相比较具有改进的模态构成部分的滤波器输出信号。图8是说明通过利用实验和误差(分析)的方法选择模态滤波器的加权系数所采用的步骤的流程图。重复步骤801-804，直到得到具有期望的模态构成部分的滤波器输出信号。利用实际优选装备提供所需的反馈信号的科里奥利流量计以及能够改变模态滤波器放大器增益系数的驱动电路，来执行步骤801-804。另外可以例如按Digital AudeoTape格式记录反馈信号，并每次经过步骤801-804重新用于模态滤波器驱动电路。另外，利用科里奥利流量计的一个数字模型和相关的驱动电路执行步骤801-804。
该过程由步骤800开始，并进行到步骤801，在其中选择第一组加权系数。在步骤801的过程中，每次执行步骤801可以选择完全新的一组加权系数(增益系数G1-GN)，或者每次执行步骤801可以对于仅仅一个反馈信号选择新的一组加权系数。在步骤802的过程中，将反馈信号提供到模态滤波器，在其中每个模态滤波器放大器具有按照在步骤801中确定的增益系数。在步骤803的过程中，测量滤波器输出信号并适当记录，以便能与输入到模态滤波器的反馈信号进行必要的比较。过程由步骤803进行到判定部分804。
判定部分804工作以确定是否滤波器输出信号与输入到模态滤波器的任何一个反馈信号相比较已改进了模态构成部分。用户确定在滤波器输出信号中的什么模态构成部分是满意的。因此，“改进的模态构成部分”可以意指一个其中仅存在来自期望驱动模式的模态构成部分的滤波器输出信号。根据用户的规定，“改进的模态构成部分”还可以意指期望的驱动模式的幅值至少比存在的其它模式的幅值例如大20dB。如果通过判定部分804工作确定滤波器输出信号具有改进的模态构成部分，则过程继续进行到步骤805，在其中选择加权系数过程结束。如果确定滤波器输出信号不具有改进的模态构成部分，则过程返回到步骤801。在步骤801的过程中，选择新的一组加权系数以及再次进行步骤802-804，以便确定一组能产生具有期望的模态构成部分的滤波器输出信号的加权系数。
选择对于科里奥利流量计驱动电路的加权系数是为计算本征矢量的逆矩阵或伪逆矩阵。正如上面指出的，科里奥利流量计的振动管形成一种振动模式的综合。分析在物理坐标中的流管运动例如在流管上各个点和方向的单一响应，需要分析一些不易产生关于流管运动的有用信息的相关联的方程。然而可以利用模态变换，以便将物理量响应的矢量变换为模态响应或该系统的模态座标。标准的模态变换由下式指定：
(1)x＝φη
其中：
x是物理响应坐标的矢量，
φ是本征矢量的矩阵，矩阵中的列是所关注的流管本征矢量(也称作为模态矢量)，以及
η是模态响应坐标的矢量。如下所述本征矢量的矩阵可以对于任何科里奥利流量计流管进行演变。物理量矢量可以认为是向模态滤波器的输入反馈信号。因此，对η求解方程(1)，模态坐标响应按下式确定：
(2)η＝φ-1x
要将方程(1)成为方程(2)的形式需要对本征矢量矩阵φ采取伪逆矩阵。如果本征矢量矩阵是方形的和非单一性的，则在方程(2)中利用本征矢量矩阵的逆矩阵(φ-1)而不是伪逆矩阵。当来自流管的反馈信号的数量等于所考虑的模式的数量并且各模态矢量是线性地互相无关时，本征矢量矩阵是方形的和非单一性的。
利用如下的实例来说明计算模态矩阵的伪逆矩阵以便确定对于科里奥利流量计驱动电路模态滤波器的加权系数的方法。可以利用流量计的物理或数字模型来建立本征矢量矩阵。在如下的实例中，利用流量计的数字模型。
建立一CMF100型科里奥利质量流量计(由Micro Motion，Inc.制造)的流管的有限元模型。该模型将在物理流量计上连接到流量计歧管的流管的端部固定到地。对本领域的技术人员而言，有限元模型化技术是公知的，并且不构成为本发明的一个部分。示范性的有限元模型是由MSC/NASTRAN利用SDRC概念建立和分析的，由MacNeal-Schwendler可得到有限元码。本领域的技术人员令认识到可以另外利用任何有限元码。将与右传感器、驱动器和左传感器相对应的各反馈传感器的位置模型化，以便产生代表磁铁在流管上的位置和线圈之间相对运动。这些“标定点”在先进的(advanced)动态分析中是常规技术。关于科里奥利流量计的有限元模型化的更多信息可参照“用于输送流体的Timeshenko束的振动分析的有限元”(AIAAPaper 93-1552)。
由有限元模型提取CMF100模型的本征系数，以便对于CMF100传感器建立如下的3行/10列的本征矢量矩阵： ( 3 ) Φ full = 0 25.08 0 0 0 40.3 0 0 0 36.78 0 35.39 0 0 0 0 0 0 0 36.55 0 25.08 0 0 0 40.3 0 0 0 36.78
在方程(3)中的完全的本征矢量矩阵φfull中的每一行对应于在流管上的实际位置。第一行对应于左传感器的位置，第二行对应于驱动器的任置，第三行对应于右传感器的位置。在本征矢量矩阵φfull中的每一列对应于一个振动模式。由有限元模型按公知的形式利用这一矩阵，以便将由传感器产生的信号模型化。正如下面介绍的，利用该矩阵来演算对于驱动电路的模态滤波器的加权系数。在完全本征矢量矩阵φfull中的为零的各列(模式)是“同相的模式”。这意指在各流管之间没有相对运动，因为两个流管按照相同的速度和方向运动。因此，用于提供反馈信号的各传感器(在这一实例中的速度传感器)通过滤出所有同相的模式，本身起一种类型的模态滤波器的作用。通过除去所有的同相的列可简化完全本征矢量矩阵φfull。 ( 4 ) Φ reduced = 25.1 40.3 36.8 35.4 0 36.6 25.1 40.3 36.8
方程(4)是简化的本征矢量矩阵φreduced。利用简化的本征矢量矩阵φreduced进行常规的变换改写方程(1)如下： ( 5 ) RPO DRV LPO = 25.1 40.3 36.8 35.4 0 36.6 25.1 40.3 36.8 - η b η t η 2 b
其中ηb是一次异相弯曲模式模态座标响应，ηt是一次异相扭曲模式模态坐标响应，η2b是二次异相弯曲模式模态坐标响应，RPO是来自右传感器的实际响应，DRV是来自在驱动器位置处的反馈传感器的实际响应，LPO是来自右传感器的实际响应。对未知的矢量量值求解方程(5)即模态矢量为： ( 6 ) η b η t η 2 b 25.1 40.3 36.8 35.4 0 36.6 25.1 40.3 36.8 l - RPO DRV LPO
通过将该矩阵导入一标准的商用数学计算程序包例如Mathcard以及利用在这些计算程序包中可得到的标准逆矩阵或伪逆矩阵函数中之一，对简化的本征矢量矩阵进行逆矩阵。所形成的方程如方程(7)如下： ( 7 ) η b η t η 2 b = 8.23292.10 - 3 1.657905.10 - 2 8.23892.10 - 3 - 1.240777.10 - 2 0 1.240777.10 - 2 7.975764.10 - 3 1.130755.10 - 2 7.975763.10 - 3 - RPO DRV LPO
在方程(7)中的数值系数是用于在科里奥利流量计驱动电路的模态滤波器放大器的加权系数。例如，如果希望由反馈信号中提取一次异相弯曲模式，这里通常是这样，则利用在上述模态滤波器矢量矩阵中的第一行如下：
(8)ηb＝8.2389(RPO)+16.5795(DRV)+8.2389(LPO)
一次异相弯曲模式模态矢量系数乘以103以便简化方程(8)。参照图5，将放大器504的增益系数G1设为8.2389(模态滤波器矢量系数对应于左传感器)，将增益系数G2设为8.2389(模态滤波器矢量系数对应于右传感器)，将增益系数GN设为16.5795(模态滤波器矢量系数对应于驱动器位置)。加权系数是按组按线性标定的，以便提供通过通道511输送的具有适当幅值的滤波器输出信号以便输入到驱动控制电路40。
图9是说明通过计算本征矢量矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵来确定驱动电路模态滤波器系数的过程步骤的流程图。上面结合图9介绍的计算本征矢量矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵，对于在先进动态分析领域的技术人员来说是公知的，是一种为了确定驱动电路模态滤波器系数的常用的工具。图9中的流程图由部分900开始并进行到步骤901。在步骤901的过程中，建立本征矢量矩阵。正如上面指出的，对于本征矢量矩阵确定本征矢量的方法是通过建立流量计的有限元模型，根据该有限元模型提取各本征矢量。另一种方案是利用实验模态分析以便直接由流量计的物理量的采样确定本征矢量。实验模态分析对本领域的技术人员来说是公知的，它的方法和利用不构成为本发明的一个部分。一旦利用任何适宜的方法得到本征矢量，就编制本征矢量的矩阵。方程(3)是对于在流管上的三个点处的10个振动模式的完全本征矢量矩阵的一个实例。本征矢量矩阵中的每一列代表不同的模式，而本征矢量矩阵中的行数代表自由度。然后将本征矢量矩阵简化到需滤波的各模式。对于目前的实例，通过消除系数为零的各列实现这一点。对于示范性的结构和这里所介绍的传感器，系数为零的各列(模式)是同相的模式。过程由步骤901进行到步骤902。
在步骤902的过程中，计算本征矢量矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵。本征矢量矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵中的每一行包含与特定模式相关联的模态滤波器系数。通过利用方程(2)表示这一点，并且对于上述的实例利用方程(7)表示。过程接着进行到步骤903。
在步骤903的过程中，选择适当的模态滤波器系数。在上述实例中，按照一次异相弯曲模式驱动流量计并因此选择用于一次异相弯曲模式的模态滤波器系数。然而，对于不同的应用场合可以通过选择对于不同模式的模态滤波器系数可以建立不同的模态滤波器。例如，可以建立具有多个定位的驱动器的流量计，以便按照取代一次异相弯曲模式的一次异相扭曲模式驱动流管。在这种情况下，利用对于一次异相扭曲模式的模态滤波器系数即在方程(7)中的第二行，作为模态滤波器的加权系数。另一个实例是在科里奥利流管中选择同时精确地激励多个模式。如果希望按照一次异相弯曲模式和一次异相扭曲模式驱动一流管，则利用两个模态滤波器。一个模态滤波器利用对于一次异相弯曲模式的加权系数并产生仅具有按照一次异相弯曲模式的模态构成部分的滤波器输出信号。二次模态滤波器利用对于一次异相扭曲模式的加权系数并产生仅具有按照一次异相扭曲模式的模态构成部分的滤波器输出信号。将两个滤波器输出信号相加，以便形成一个具有仅按照一次异相弯曲模式和一次异相扭曲模式的模态构成部分的驱动信号。在选择适当的模态滤波器加权系数之后，处理过程在部分904终止。
流量计驱动电路模态滤波器流程图-图10
图10是表示利用模态滤波器产生科里奥利流量计驱动信号的处理过程步骤的流程图。处理过程由步骤1000开始并进行到步骤1001。在步骤1001的过程中，模态滤波器驱动电路由振动流管接收两个或更多个反馈信号。处理过程继续进行到步骤1002，在其中每一反馈信号利用其对应的加权系数被放大。在步骤1003的过程中，将各经加权的反馈信号相加以便产生驱动信号。在步骤1004的过程中，将滤波器输出信号放大以便产生驱动信号并将其反馈到流管驱动元件(部分)。步骤1004还可以包含增益控制功能。这一过程继续进行直到步骤1005，在该处流量计工作终止。

Claims (25)

1一种用于测量材料的特性的装置，该装置具有从中流过所述材料的流管；第一传感器装置，安装在所述流管上的第一位置，用于产生表示在所述第一位置的所述流管运动的第一运动信号，其中所述第一运动信号具有在多个振动模式下的模态构成部分；第二传感器装置，安装在所述流管上的第二位置，用于产生表示在所述第二位置的所述流管运动的第二运动信号，其中所述第二运动信号具有在多个振动模式下的模态构成部分；以及用于振动流管的驱动系统，所述所述系统包含：
驱动装置(104)，设置在所述流管上并用于响应于驱动信号振动所述流管；其特征在于所述驱动装置包括：
电路(500)，用于接收所述第一和第二运动信号并产生所述驱动信号，所述电路包含：
第一放大器装置，用于将第一加权系数施加到所述第一运动信号以便形成第一加权信号(507)；
第二放大器装置，用于将第二加权系数施加到所述第二运动信号以便形成第二加权信号(508)；
加法装置，用于综合所述第一加权信号和第二加权信号从而产生输出信号；其中所期望的模态响应被放大并且至少一个不希望有的模态响应被抑制；和
驱动电路装置，用于根据所述输出信号产生所述驱动信号。
2根据权利要求1所述的装置，其中所述的流管是科里奥利质量流量计中的一个部分。
3根据权利要求1所述的装置，其中所述的流管是振动管密度计的一个部分。
4根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动装置安装在所述流管上。
5根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动电路装置进一步包括：
放大装置(304)，用于放大所述输出信号从而产生所述驱动信号。
6根据权利要求1所述的装置，其中还包含：
第三传感器装置，安装在所述流管上的第三位置，用于产生表示在第三位置的所述流管运动的第三运动信号。
7根据权利要求6所述的装置，其中所述第三位置在该所述驱动装置的位置处。
8根据权利要求6所述的装置，其中所述电路还包括：
笫三放大器装置，用于将第三加权系数施加到所述第三运动信号以便形成笫三加权信号(509)；以及
所述加法装置还用于将所述笫一、笫二和笫三加权信号综合以便产生所述输出信号。
9根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二传感器装置是速度传感器。
10根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二传感器装置是位置传感器。
11根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二传感器装置是加速度传感器。
12根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二传感器装置是应变计。
13根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二放大器装置是模拟放大器。
14根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动电路装置还包含：
幅值控制装置，其响应于所述驱动信号和一基准电压，用于按照基本恒定的数值维持所述流管的最大振动幅值。
15一种使流管(103A，103B)振动从而测量流过所述流管的材料的特性的方法，包含的步骤有：
向驱动器施加驱动信号，该驱动器响应所述驱动信号使所述流管振动；
接收表示在所述流管上的第一位置处的所述流管运动的第一运动信号，所述第一运动信号具有按照多个振动模式的模态构成部分；
接收表示在所述流管上的第二位置处的所述流管运动的第二运动信号，所述第二运动信号具有按照多个振动模式的模态构成部分；
所述方法的特征在于：
将第一加权系数施加到所述第一运动信号以便形成第一加权信号；
将第二加权系数施加到所述第二运动信号以便形成第二加权信号；
将所述第一加权信号和所述第二加权信号相加以产生输出信号；和
输入所述输出信号到驱动电路中，从而产生所述驱动信号。
16根据权利要求15所述的方法，其中进一步包括：
放大所述输出信号以便产生所述驱动信号。
17根据权利要求15所述的方法，其中还包含：
接收表示在所述流管上的第三位置处的所述流管运动的第三运动信号，所述第三运动信号具有按照多个振动模式的模态构成部分。
18根据权利要求17所述的方法，其中还包含：
将第三加权系数施加到第三运动信号以便形成第三加权信号；
其中所述相加步骤包括将第一、第二和第三加权信号相加从而产生输出信号的步骤。
19根据权利要求15所述的方法，其中还包含：
基于所述驱动信号和一基准电压，将所述流管的最大振动幅值维持在基本恒定的数值。
20根据权利要求16所述的方法，其中还包含的步骤有：
建立一对于按照在所述流管上的N个位置处所述流管运动的本征矢量矩阵；
对本征矢量矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵求解，以便得到对于所述流管的模态滤波器矢量，所述模态滤波器矢量包含N组系数，其中所述N组系数中的每一组与在所述流管上出现的多个振动模式中之一相关；以及
选择N组系数中的一组，作为要施加到来自位于在所述振动管上的N个位置处的反馈传感器的反馈信号的所述第一和第二加权系数。
21根据权利要求20所述的方法，其中所述建立矩阵的步骤还包含：
对所述流管进行实验模态分析以便产生对于所述本征矢量矩阵的各本征矢量。
22根据权利要求20所述的方法，其中所述建立矩阵的步骤还包含：
形成所述流管的有限元模型；以及
对于所述本征矢量矩阵由所述有限元模型中提取各本征矢量。
23根据权利要求20所述的方法，其中所述建立矩阵的步骤还包含：
对η解方程x＝φη其中：
x是物理响应坐标的矢量，
φ是所述本征矢量的矩阵，以及
η是包含所述N组系数的所述模态滤波器矢量。
24根据权利要求23所述的方法，其中所述选择步骤还包含：
确定在所述流管上出现的所述多个振动模式中哪一个是要提供作为用于使所述流管振动的驱动信号；以及
响应于所述确定步骤，由N组系数中选择所需的一组系数作为所述模态滤波器的加权系数。
25根据权利要求16所述的方法，还包含的步骤有：
选择暂定的第一加权系数和暂定的第二加权系数；
将所述暂定的第一加权系数作为第一加权系数施加到所述第一反馈信号，产生所述第一加权信号；
将所述暂定的第二加权系数作为第二加权系数施加到所述第二反馈信号，产生所述第二加权信号；
确定驱动信号与所述第一和第二运动信号相比较是否具有改进的模态构成部分；以及
如果所述驱动信号具有改进的模态构成部分，选择所述暂定的第一加权系数作为可供使用的第一加权系数以及所述暂定的第二加权系数作为可供使用的第二加权系数。
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