CN115917265A - 使用刚度测量结果补偿流体特性测量结果 - Google Patents

使用刚度测量结果补偿流体特性测量结果 Download PDF

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Abstract

提供了用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的计量电子设备(20)。计量电子设备(20)包括被配置成通信上耦接至传感器组件(10)并且从传感器组件(10)接收传感器信号的接口(601)以及通信上耦接至接口(601)的处理系统(602)。处理系统(602)被配置成：基于传感器信号来确定流体特性值；以及利用流体特性校正值来校正流体特性值，流体特性校正值与传感器组件的当前刚度值相关。

Description

使用刚度测量结果补偿流体特性测量结果
技术领域
下面描述的实施方式涉及流体特性测量结果，并且更具体地涉及使用刚度补偿流体特性测量结果。
背景技术
振动计量仪例如科里奥利质量流量计、液体密度计量仪、气体密度计量仪、液体粘度计量仪、气体/液体比重计量仪、气体/液体相对密度计量仪和气体分子量计量仪通常是已知的并且被用于测量流体的特征。通常，振动计量仪包括传感器组件和计量电子设备。传感器组件内的物料可以是流动的或静止的。振动计量仪可以用于测量传感器组件中的物料的质量流率、密度或其他特性。
物料从振动计量仪的入口侧的连接管道流入振动计量仪、被引导通过测量导管并通过振动计量仪的出口侧离开振动计量仪。管道可能会在振动计量仪的入口和出口上施加被称为法兰载荷(flange loading)的力，这可能会影响传感器组件的刚度。在操作期间，振动系统的固有振动模式部分地由测量导管和在测量导管内流动的物料的组合质量限定。
当没有流量通过振动计量仪时，施加至测量导管的驱动力使沿测量导管的所有点以相同的相位或小的“零偏移”振荡，该小的“零偏移”振荡是在零流量下测量的时间延迟。随着物料开始流经振动计量仪，科里奥利力使沿测量导管的每个点具有不同的相位。例如，振动计量仪的入口端处的相位滞后于中央驱动器位置处的相位，而出口处的相位超前于中央驱动器位置处的相位。测量导管上的拾取器(Pickoff)产生代表测量导管的运动的正弦信号。对从拾取器输出的信号进行处理以确定拾取器之间的时间延迟。两个或更多个拾取器之间的时间延迟与流经测量导管的物料的质量流率成比例。连接至驱动器的计量电子设备生成用于操作驱动器的驱动信号，并且根据从拾取器接收的信号来确定物料的质量流率和其他特性。
可以通过使用温度测量结果、压力测量结果和/或传感器组件上法兰载荷的估计来校正质量流率和其他特性。例如，可以使用质量流率公式计算质量流率，在质量流率公式中管、壳体和流体的温度值乘以常数，求和，然后乘以未校正的质量流率值。然而，这需要温度和压力传感器，并且可能没有考虑会影响质量流率测量结果的其他条件，例如法兰载荷。类似的问题可能会影响密度以及其他流体特性测量结果。因此，需要使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果。
发明内容
提供了一种用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的计量电子设备。根据实施方式，计量电子设备包括被配置成通信上耦接至传感器组件并且从传感器组件接收传感器信号的接口以及通信上耦接至该接口的处理系统。处理系统被配置成：基于传感器信号来确定流体特性值，以及利用流体特性校正值来校正流体特性值，流体特性校正值与传感器组件的当前刚度值相关。
提供了一种使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的方法。根据实施方式，该方法包括：基于由包含流体的传感器组件提供的传感器信号来确定流体的流体特性值，以及利用流体特性校正值来校正流体特性值，流体特性校正值与传感器组件的当前刚度值相关。
各个方面
根据一方面，一种用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的计量电子设备(20)，其包括被配置成通信上耦接至传感器组件(10)并且从传感器组件(10)接收传感器信号的接口(601)以及通信上耦接至接口(601)的处理系统(602)。处理系统(602)被配置成：基于传感器信号来确定流体特性值，以及利用流体特性校正值来校正流体特性值，流体特性校正值与传感器组件的当前刚度值相关。
优选地，处理系统(602)还被配置成确定传感器组件(10)的当前刚度值。
优选地，处理系统(602)还被配置成使用传感器组件的先前确定的刚度值来使当前刚度值与流体特性校正值相关。
优选地，先前确定的刚度值与流体特性校正值相关。
优选地，通过使用传感器组件的经验分析和计算机模型中的至少一个来使先前确定的刚度值与流体特性校正值相关。
优选地，通过使用先前确定的刚度与流体特性关系来使流体特性校正值与当前刚度值相关。
优选地，流体特性值是质量流率值、密度值、时间延迟值、相位差值、共振频率值和振荡周期值中的一个。
优选地，流体特性校正值是百分比误差值。
优选地，当前刚度值是模式关系的一部分，模式关系是两个振动模式的特征之间的关系。
根据一方面，一种使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的方法包括：基于由包含流体的传感器组件提供的传感器信号来确定流体的流体特性值，以及利用流体特性校正值来校正流体特性值，流体特性校正值与传感器组件的当前刚度值相关。
优选地，该方法还包括确定传感器组件的当前刚度值。
优选地，该方法还包括使用传感器组件的先前确定的刚度值来使当前刚度值与流体特性校正值相关。
优选地，先前确定的刚度值与流体特性校正值相关。
优选地，通过使用传感器组件的经验分析和计算机模型中的至少一个来使先前确定的刚度值与流体特性校正值相关。
优选地，该方法还包括通过使用先前确定的刚度与流体特性关系来使流体特性校正值与当前刚度值相关。
优选地，流体特性值是质量流率值、密度值、时间延迟值、相位差值、共振频率值和振荡周期值中的一个。
优选地，流体特性校正值是百分比误差值。
优选地，当前刚度值是模式关系的一部分，模式关系是两个振动模式的特征之间的关系。
附图说明
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元素。应当理解，这些附图不一定按比例绘制。
图1示出了用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的振动计量仪5。
图2示出了振动计量仪5的框图，包括计量电子设备20的框图表示。
图3示出了根据实施方式的具有陷波滤波器的振动计量仪5的框图。
图4A和图4B示出了用于说明导管诸如上述导管130、130′的振动模式的导管线缆图。
图5A和图5B示出了说明误差值与刚度值之间的相关性的曲线图。
图6示出了用于补偿流体特性测量结果的计量电子设备20。
图7示出了用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的方法700。
具体实施方式
图1至图7和以下描述描绘了具体示例，以教示本领域技术人员如何实现和利用使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的实施方式的最佳模式。出于教示发明原理的目的，已经简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员将理解落入本说明书的范围内的这些示例的变型。本领域技术人员将理解：以下描述的特征可以以各种方式组合以形成使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的多种变型。因此，以下描述的实施方式不限于以下描述的具体示例，而是仅由权利要求书及其等同内容来限定。
图1示出了用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的振动计量仪5。如图1中所示，振动计量仪5包括传感器组件10和计量电子设备20。传感器组件10响应于处理物料的质量流率和密度。计量电子设备20经由引线100连接至传感器组件10，以通过端口26提供密度、质量流率和温度信息以及其他信息。
传感器组件10包括一对歧管150和150′、具有法兰颈110和110′的法兰103和103′、一对平行导管130和130′、驱动器180、电阻式温度检测器(RTD)190以及一对拾取传感器1701和170r。导管130和130′具有两个基本上直的入口支路131、131′和出口支路134、134′，入口支路131、131′和出口支路134、134′在导管安装块120和120′处朝向彼此会聚。导管130、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平行。撑杆140和140′用于限定轴线W和W′，每个导管130、130′围绕轴线W和W′振荡。导管130、130′的支路131、131′和134、134′固定地附接至导管安装块120和120′，并且这些块又固定地附接至歧管150和150′。这提供了通过传感器组件10的连续闭合的物料路径。
在具有孔102和102′的法兰103和103′经由入口端104和出口端104′连接到运载被测量的处理物料的处理管线(未示出)中的情况下，物料通过法兰103中的孔口101进入计量仪的入口端104，并且被引导通过歧管150到达具有表面121的导管安装块120。在歧管150内，物料被分开并且被引导通过导管130、130′。在离开导管130、130′时，处理物料在具有表面121′的块120′和歧管150′内重新结合成单个流，并且此后被引导至通过具有孔102′的法兰103′连接至处理管线(未示出)的出口端104′。
导管130、130′被选择和适当地被安装至导管安装块120、120′，以分别具有关于弯曲轴线W--W和W′--W′基本上相同的质量分布、惯性矩和杨氏模量。这些弯曲轴线穿过撑杆140、140′。由于导管的杨氏模量随温度而变化，并且该变化影响流量和密度的计算，因此将RTD 190安装至导管130′以连续地测量导管130′的温度。导管130′的温度以及因此由于通过RTD 190的给定电流而在RTD 190两端出现的电压受通过导管130′的物料的温度控制。计量电子设备20以公知的方法将RTD 190两端出现的温度相关电压用于补偿由于导管温度的任何变化而引起的导管130、130′的弹性模量的变化。RTD 190通过运载RTD信号195的引线连接至计量电子设备20。
两个导管130、130′均由驱动器180围绕它们各自的弯曲轴线W和W′在相反的方向上并且以被称为流量计量仪的第一异相弯曲模式被驱动。该驱动器180可以包括许多公知布置中的任何一种，例如安装至导管130′的磁体和安装至导管130的相对线圈，并且交流电通过该相对线圈以使两个导管130、130′振动。计量电子设备20经由引线将合适的驱动信号185施加至驱动器180。
计量电子设备20接收引线上的RTD信号195，以及出现在引线100上的分别运载左传感器信号1651和右传感器信号165r的传感器信号165。计量电子设备20产生出现在至驱动器180的引线上并且使导管130、130′振动的驱动信号185。计量电子设备20对左传感器信号1651和右传感器信号165r以及RTD信号195进行处理，以计算通过传感器组件10的物料的质量流率和密度。该信息连同其他信息一起由计量电子设备20作为信号施加在路径26上。以下是对计量电子设备20的更详细的讨论。
图2示出了振动计量仪5的框图，包括计量电子设备20的框图表示。如图2中所示，计量电子设备20通信上耦接至传感器组件10。如前述参照图1所描述的，传感器组件10包括左拾取传感器1701和右拾取传感器170r、驱动器180以及RTD 190，它们通过通信通道112经由一组引线100通信上耦接至计量电子设备20。
计量电子设备20经由引线100提供驱动信号185。更具体地，计量电子设备20向传感器组件10中的驱动器180提供驱动信号185。此外，包括左传感器信号1651和右传感器信号165r的传感器信号165由传感器组件10提供。更具体地，在所示实施方式中，传感器信号165由传感器组件10中的左拾取传感器1701和右拾取传感器170r提供。如可以理解的，传感器信号165通过通信通道112分别提供给计量电子设备20。
计量电子设备20包括处理器210，处理器210通信上耦接至一个或更多个信号处理器220以及一个或更多个存储器230。处理器210还通信上耦接至用户接口30。处理器210经由端口26上的通信端口与主机通信上耦接，并且经由电力端口250接收电力。处理器210可以是微处理器，但是可以采用任何合适的处理器。例如，处理器210可以包括诸如多核处理器的子处理器、串行通信端口、外围接口(例如，串行外围接口)、片上存储器、I/O端口和/或其他等同物。在这些和其他实施方式中，处理器210被配置成对接收到的且经过处理的信号例如数字化信号进行操作。
处理器210可以从一个或更多个信号处理器220接收数字化传感器信号。处理器210还被配置成提供信息，例如相位差、传感器组件10中的流体的特性等。处理器210可以通过通信端口将这些信息提供至主机。处理器210还可以被配置成与一个或更多个存储器230进行通信以接收信息以及/或者将信息存储在一个或更多个存储器230中。例如，处理器210可以从一个或更多个存储器230接收校准因子和/或传感器组件零点(例如，存在零流量时的相位差)。校准因子和/或传感器组件零点中的每一个可以分别与振动计量仪5和/或传感器组件10相关联。处理器210可以使用校准因子来处理从一个或更多个信号处理器220接收的数字化传感器信号。
一个或更多个信号处理器220被示出为包括编码器/解码器(CODEC)222和模数转换器(ADC)226。一个或更多个信号处理器220可以对模拟信号进行调节、将经调节的模拟信号数字化以及/或者提供数字化信号。CODEC 222被配置成从左拾取传感器1701和右拾取传感器170r接收传感器信号165。CODEC 222还被配置成向驱动器180提供驱动信号185。在替选实施方式中，可以采用更多或更少的信号处理器。
如所示出的，传感器信号165经由信号调节器240被提供至CODEC222。驱动信号185经由信号调节器240被提供至驱动器180。尽管信号调节器240被示出为单个块，但是信号调节器240可以包括信号调节部件，例如两个或更多个运算放大器、诸如低通滤波器的滤波器、电压至电流放大器等。例如，可以通过第一放大器对传感器信号165进行放大，并且可以通过电压至电流放大器对驱动信号185进行放大。放大可以确保传感器信号165的幅度接近CODEC 222的满刻度范围。
在所示实施方式中，一个或更多个存储器230包括只读存储器(ROM)232、随机存取存储器(RAM)234和铁电随机存取存储器(FRAM)236。然而，在替选实施方式中，一个或更多个存储器230可以包括更多或更少的存储器。附加地或可替选地，一个或更多个存储器230可以包括不同类型的存储器(例如，易失性存储器、非易失性存储器等)。例如，可以采用不同类型的非易失性存储器例如可擦除可编程只读存储器(EPROM)等来代替FRAM 236。一个或更多个存储器230可以是被配置成存储处理数据例如驱动信号或传感器信号、质量流率或密度测量结果等的存储装置。
质量流率
Figure BPA0000334200550000071
值可以根据下式确定：
Figure BPA0000334200550000072
时间延迟Δt项包括操作上得出的(即，测量的)包括存在于拾取传感器信号之间的时间延迟的时间延迟值，例如在时间延迟是由于与通过振动计量仪5的质量流率有关的科里奥利效应而引起的情况下。时间延迟Δt测量结果最终确定流动物料在其流经振动计量仪5时的质量流率
Figure BPA0000334200550000073
值。零流量Δt0项包括零流量校准常数下的时间延迟/相位差。零流量Δt0项通常在工厂处确定并且被编程到振动计量仪5中。零流量Δt0下的时间延迟/相位差项可能不会改变，即使在流动状况改变的情况下也不会改变，除非在传感器组件中出现变化。流经振动计量仪的物料的质量流率通过将测量的时间延迟(或相位差/频率)乘以流量校准因子FCF来确定。流量校准因子FCF与流量计量仪的物理刚度成比例。
至于密度测量结果ρ，每个导管130、130′将振动的共振频率可以是导管130、130′的弹簧常数除以具有物料的导管130、130′的总质量的平方根的函数。具有物料的导管130、130′的总质量可以是导管130、130′的质量加上导管130、130′内部的物料的质量。导管130、130′中的物料的质量与物料的密度成正比。因此，该物料的密度可以与包含该物料的导管130、130′振荡的周期的平方乘以导管130、130′的弹簧常数成比例。因此，通过确定导管130、130′振荡的周期(本文中也被称为振荡周期)并且通过适当地缩放结果，可以获得导管130、130′所包含的物料的密度的准确测量结果。计量电子设备20可以利用传感器信号165和/或驱动信号185来确定所述周期或共振频率。导管130、130′可以以多于一种振动模式振荡。
由于诸如上述导管130、130′的导管的刚度的变化，即使物料的质量流率
Figure BPA0000334200550000081
和密度ρ保持恒定，质量流率
Figure BPA0000334200550000082
测量结果和密度ρ测量结果也可能随时间变化。例如，如果导管的温度增加，那么导管的刚度可能相应地增加。刚度的增加可能会改变由左拾取传感器和右拾取传感器提供的传感器信号之间的时间延迟Δt(或相位差)。刚度的这种增加也可能改变导管的共振频率。
如从上式[1]可以理解的，通过补偿左传感器信号与右传感器信号之间的时间延迟Δt测量结果(或相位差)，或者通过补偿质量流率
Figure BPA0000334200550000083
测量结果，可以更准确地测量质量流率
Figure BPA0000334200550000084
类似地，通过补偿例如传感器信号中的一个传感器信号的共振频率测量结果(或振荡周期值)，或者通过补偿密度ρ测量结果，可以更准确地测量密度ρ。尽管前面讨论了测量时间延迟Δt、相位差、质量流率
Figure BPA0000334200550000085
共振频率、振荡周期和密度，但是可以补偿其他流体特性测量结果，例如粘度、流率等。
可以通过测量传感器组件的刚度来补偿流体特性测量结果。传感器组件的刚度可以预先与流体特性相关。例如，传感器组件(例如传感器组件的导管)的一个或更多个刚度值可以预先与和流体特性相关联的一个或更多个校正值相关。在更具体的示例中，如下面参照图5A和图5B更详细地描述的，多个刚度值可以预先与多个质量流率
Figure BPA0000334200550000086
误差值或密度ρ误差值相关。该相关性可以用于通过确定传感器组件的当前刚度值来补偿流体特性测量结果，所述当前刚度值可以通过任何合适的技术来确定。
在一种示例性技术中，可以使用用于确定流体特性值的传感器信号来确定传感器组件的当前刚度值。例如，可以使用传感器信号来确定密度值和当前刚度值以及刚度值。这可以通过提供具有共振频率分量和若干非共振频率分量的驱动信号来实现。传感器组件可以响应于这些共振频率和非共振频率而振动。因此，拾取传感器可以提供传感器信号，传感器信号包括分别对应于驱动信号的共振分量和非共振分量的共振频率分量和非共振频率分量。这些共振分量和非共振分量可以由处理系统滤波以确定流体特性值(例如，密度值)和当前刚度值，如下面参照图3更详细地描述的。
图3示出了根据实施方式的具有陷波滤波器的振动计量仪5的框图。如图2中所示，振动计量仪5包括传感器组件10和通信上耦接至传感器组件10的计量电子设备20。计量电子设备20被配置成向传感器组件10提供多音驱动信号。传感器组件10向计量电子设备20提供传感器信号。计量电子设备20包括通信上耦接至传感器组件10的驱动电路322和解调滤波器324。解调滤波器324通信上耦接至FRF估计单元325。陷波滤波器326通信上耦接至驱动电路322以及流量和密度测量模块327。陷波滤波器信号被提供给流量和密度测量模块327，以确定振动计量仪5中的流体的流率和/或密度。
驱动电路322从陷波滤波器326接收传感器信号的共振分量。驱动电路322被配置成生成用于传感器组件10的多音驱动信号。多音驱动信号包括驱动音和测试音。驱动音基于由陷波滤波器326提供的共振分量。例如，驱动电路322可以包括反馈电路，该反馈电路接收共振分量并且通过放大共振分量来生成驱动音。可以采用其他方法。驱动电路322还可以以与共振频率间隔开的预定频率来生成测试音。
解调滤波器324从传感器组件10接收传感器信号，并且滤除可能存在于传感器信号中的互调失真信号。例如，多音驱动信号中的驱动音和测试音可能引发由传感器组件10提供的传感器信号中的互调失真信号。为了滤除互调失真信号，解调滤波器324可以包括解调窗或通带，解调窗或通带包括驱动音和测试音的频率。因此，解调滤波器324提供传感器信号，该传感器信号包括共振分量和对应于测试音的非共振分量，同时防止互调失真信号破坏传感器组件10的计量验证。使用FRF估计单元325执行计量验证，计量验证将对应于测试音的分量与测试音进行比较以表征传感器组件的频率响应。
陷波滤波器326在计量验证期间被使用。因此，在正常的流量和密度测量结果期间可以不接通陷波滤波器326。由于正常操作中相当大的频率变化，因此可能需要频繁地计算和更新陷波滤波器326的系数，这导致附加的计算负载和可能的不期望的瞬变。相反，当利用计量验证时，对驱动音进行采样以确定载波频率，并且基于所确定的载波频率来计算陷波滤波器326的系数。然后，陷波滤波器326被接通，并且测试音被斜升至期望的幅度。在计量验证期间，可以监测载波频率，并且如果所确定的载波频率(如上所述在驱动音的采样期间确定的载波频率)与计量验证期间的载波频率之间的差大于阈值，则通过例如切断陷波滤波器326并断开测试音来终止计量验证。
为了滤除传感器信号分量，陷波滤波器326包括集中在测试音的频率处或附近的多个阻带。传感器信号分量由于集中在阻带的频率处或附近而被衰减或滤除。共振信号由于在陷波滤波器326的通带中而通过。然而，由于陷波滤波器，共振信号可能具有相移。该相移可以增加驱动反馈的总体相位延迟，该总体相位延迟可能增加生成驱动音的驱动算法或电路的总体复杂性，同时还必须在陷波滤波器326被接通以用于计量验证时补偿相移。
替选地，刚度值可以在为流体特性测量结果提供传感器信号之前确定。例如，可以在传感器组件中测量物料之前执行计量验证例程。这可能不需要滤除传感器信号的共振分量。
在以上技术的任一技术中，可以使用一个或更多个振动模式来确定刚度值。也就是说，刚度值可以与特定振动模式或者两个或更多个振动模式的组合相关联。下面参照图4A和图4B讨论各种振动模式。
振动模式
图4A和图4B示出了用于说明诸如上述导管130、130′的导管的振动模式的导管线缆图。如图4A和图4B中所示，通过线缆410描绘导管。线缆410具有用于反映U形导管的U形，该U形导管可以包括左导管和右导管。如图4A和图4B中所示，线缆410包括左静止线缆412a和右静止线缆412b。图4A和图4B中还示出了弯曲轴线W-W、W′-W′，其与线缆410的振动节点并置。在图4A中，线缆410还包括左一阶弯曲模式线缆414a和右一阶弯曲模式线缆414b。还示出了左二阶弯曲模式线缆416a和右二阶弯曲模式线缆416b。在图4B中，线缆410包括左一阶扭转模式418a和右一阶扭转模式418b。
通过箭头示出左一阶弯曲模式线缆414a与右一阶弯曲模式线缆414b异相180度。即，它们以相反的方式移动。这可以在各种方面是有益的，例如减少由于导管的不平衡位移而引起的振动计量仪的振动。左一阶弯曲模式线缆414a和右一阶弯曲模式线缆414b也被示出为具有与弯曲轴线W-W、W′-W′并置的单个节点。也通过箭头示出左二阶弯曲模式线缆416a与右二阶弯曲模式线缆416b彼此异相180度。然而，左二阶弯曲模式线缆416a和右二阶弯曲模式线缆416b具有两个振动节点，因此被称为“二阶”。左二阶弯曲模式线缆416a和右二阶弯曲模式线缆416b的固有频率可以高于左一阶弯曲模式线缆414a和右一阶弯曲模式线缆414b的固有频率。左一阶扭转模式418a和右一阶扭转模式418b被示出为沿其各自的长度相对于左静止线缆412a和右静止线缆412b具有不对称位移。箭头说明左一阶扭转模式418a和右一阶扭转模式418b彼此异相。
通过线缆410说明的振动模式被示出为分开的，但可以叠加到由线缆410建模的导管上。也就是说，由线缆410建模的导管可以具有多个振动模式。例如，导管中的左导管可以具有一阶弯曲模式、二阶弯曲模式和扭转模式。因此，导管可以具有一阶异相弯曲模式、二阶异相弯曲模式和一阶扭转模式。导管可以具有附加的模式，例如更高阶的弯曲模式(例如，三阶、四阶、五阶等)、同相弯曲模式以及更高阶的扭转模式(例如，二阶、三阶、四阶等)。
如前述说明的，振动模式可以具有形状、幅度和固有频率。可以通过将诸如传感器信号165的传感器信号相互比较来检测振动模式的形状。由左拾取传感器1701提供的传感器信号与由右拾取传感器信号170r提供的传感器信号之间的相位差可以指示由由于管在弯曲模式或其他模式下振动时通过振动计量仪的流引起的科里奥利力导致的扭转模式激励，并且该相位差可以与导管130、130′之间的相位差成比例。振动模式的幅度可以与传感器信号165的幅度成比例。
振动模式的频率可以根据传感器信号165和/或驱动信号185来确定。更具体地，由于每个振动模式具有固有模式频率，因此传感器信号165可以具有对应于导管130、130′的振动模式的分量。因此，可以使用滤波来分离分量以确定每个分量的频率。每个分量的频率对应于振动模式的频率。振动模式的频率可以单独地被称为模式频率。也就是说，模式频率是振动模式的固有频率，固有频率中的每一个与传感器信号165和/或驱动信号185中的分量对应。
如以上所提及的，可以使用振动模式来确定刚度值。例如，可以使用一阶弯曲模式来确定刚度值。传感器信号中与一阶弯曲模式相关联的分量(即，弯曲模式响应分量)可以与驱动信号中的相应非共振分量一起使用以确定刚度值。然而，可以使用多于一个模式来确定刚度值。
例如，传感器信号中与一阶扭转模式相关联的分量可以与弯曲模式响应分量一起使用以确定当前刚度值。这可能是有用的，因为时间延迟Δt值可能会受到两种模式的影响，这两种模式用于确定质量流率m。因此，使用例如一阶弯曲模式刚度与一阶扭转模式刚度的比率来补偿质量流率m测量结果可能比仅使用一阶弯曲模式刚度进行补偿的质量流率测量结果更准确。
附加地或可替选地，振动模式中的一个振动模式的刚度值可以与振动模式中的另一振动模式的频率一起使用以补偿流体测量结果。例如，刚度值可以根据一阶弯曲模式确定，并且频率值可以根据一阶扭转模式确定。这可能是有益的，因为在计算要求等方面，使用扭转模式确定刚度可能是非常昂贵的。
由拾取传感器提供的传感器信号可以被提供给模式滤波器，以确定一阶弯曲模式刚度值、一阶扭转模式共振频率等。更具体地，模式滤波器可以强调或不强调与模式形状相关联的传感器信号，从而允许与模式形状相关联的频率、幅度和/或相位被量化。例如，模式滤波器可以是平均加权滤波器，其中LPO传感器信号被加权0.5，并且RPO传感器信号被加权0.5。加权的LPO传感器信号和RPO传感器信号可以相加。作为LPO传感器信号和RPO传感器信号的平均加权信号的所得信号倾向于强调一阶异相弯曲模式，因为一阶异相弯曲模式引发同相LPO传感器信号和RPO传感器信号。所得信号也倾向于不强调一阶扭转模式，因为一阶扭转模式引发异相180°的LPO传感器信号和RPO传感器信号。
相比之下，为了强调一阶异相扭转模式，LPO传感器信号或RPO传感器信号中的一个在求和之前可以相移180°。通过示例的方式，LPO传感器信号和RPO传感器信号可以各自乘以0.5以提供加权的LPO传感器信号和RPO传感器信号。加权的LPO传感器信号可以相移180°。该相移且加权的LPO传感器信号可以与加权的RPO传感器信号相加。如可以理解的，作为相对相移的LPO传感器信号和RPO传感器信号的平均加权信号的所得信号倾向于强调一阶异相扭转模式，而不强调一阶异相弯曲模式。
因此，为了确定例如扭转模式频率，可以使用相对相移的LPO传感器信号和RPO传感器信号的加权平均滤波来提供相对相移的LPO传感器信号和RPO传感器信号的平均加权信号。可以测量相对相移的LPO传感器信号和RPO传感器信号的平均加权信号的频率来确定一阶扭转模式频率。一阶弯曲模式的刚度可以如上所述来确定。例如，可以将LPO传感器信号和RPO传感器信号的加权平均提供给参照图3描述的解调滤波器324。
如从前述讨论可以理解的，振动模式可以具有关系。例如，两个振动模式之间的关系(本文中称为模式关系)可以基于两个振动模式的相位、幅度和/或频率，相位、幅度和/或频率可以是两个振动模式的特征。在一个示例中，模式关系可以是左二阶弯曲模式线缆416a和右二阶弯曲模式线缆416b的频率与左一阶弯曲模式线缆414a和右一阶弯曲模式线缆414b的频率之间的差。模式关系可以被量化为模式差、比率或任何其他合适的值。例如，模式关系可以是左二阶弯曲模式线缆416a和右二阶弯曲模式线缆416b的时间周期与左一阶弯曲模式线缆414a和右一阶弯曲模式线缆414b的时间周期之间的差。
当前刚度值可以单独使用或者作为例如第一异相扭转模式频率与第一异相弯曲模式的刚度之间的关系的一部分使用，其中当前刚度值是第一异相弯曲模式的刚度。也就是说，当前刚度值可以是模式关系，例如一阶扭转模式频率与一阶异相弯曲模式刚度之间的比率、差等的一部分。下面说明了当前刚度值(当前刚度值可以与一阶异相弯曲模式相关联，并且可以是模式关系的一部分，或者不是模式关系的一部分)与一个或更多个刚度值与一个或更多个流体特性值之间的先前确定的相关性一起使用，以补偿流体测量结果。
刚度与流体特性之间的相关性
图5A和图5B示出了说明误差值与刚度值之间的相关性的曲线图。如图5A中所示，误差值是质量流率误差值，而在图5B中，误差值是密度误差值。图5A和图5B中的曲线图分别是质量流率误差曲线图500A和密度误差曲线图500B。质量流率误差曲线图500A和密度误差曲线图500B包括刚度变化轴510A、510B，以及分别包括质量流率误差轴520A和密度误差轴520B，它们是无单位的并且被表示为百分比。尽管示出了百分比，但是可以采用任何合适的值和单位，例如非百分比值。
如所示出的，刚度变化可以是驱动模式刚度。也就是说，可以使用以上参照图4A描述的驱动模式或一阶异相弯曲模式来确定刚度值。然而，可以采用任何合适的振动模式或刚度。此外，百分比可以相对于在例如标称条件(诸如标称温度、流体压力和法兰载荷)下确定的值。标称条件可以在振动计量仪的校准下。
例如，图5A和图5B的刚度变化可以由等式[2]定义：
Figure BPA0000334200550000131
在等式[2]中，Stiffness Shift是刚度变化，StiffnessMeasured是振动计量仪5在例如处理条件下的刚度，并且StiffnessPredetermined是振动计量仪的预定刚度。预定刚度可在标称条件下在校准期间确定。刚度变化可以在刚度变化关系中由百分比(例如，假如等式[2]的结果乘以100)、比率、分数或小数倍数来表示。
质量流率误差曲线图500A和密度误差曲线图500B还分别包括质量流率误差曲线530A和密度误差曲线530B，它们沿刚度变化轴510A、510B范围都在约-15％至约7％。质量流率误差曲线530A沿质量流率误差轴520A范围在约15％至-6％。密度误差曲线530B沿密度误差轴520B范围在约0.9％至约-0.4％。然而，可以采用其他流体特性轴的任何合适的范围、单位和比率。质量流率误差曲线530A和密度误差曲线530B可以通过相对于各种刚度值确定的质量流率误差值和密度误差值的线性插值来确定，所述各种刚度值如所示出的是刚度变化值。也就是说，质量流率误差曲线530A和密度误差曲线530B是传感器组件的刚度值与流体特性值之间的相关性。
流体特性值与刚度值之间的相关性可以是刚度与流体特性关系，例如线性关系。例如，流体特性值与刚度值之间的相关性可以由具有斜率和截距的线性关系表示，其中线性关系是流体特性值与刚度值之间的。例如，线性关系可以由等式[3]描述：
ErrorFM＝A*Stiffness Shift+B   [3]
其中ErrorFM是流体特性误差(例如，质量流率误差、密度误差或粘度)，A是线性关系的恒定斜率，Stiffness Shift是刚度变化。Stiffness Shift可以使用等式[2]确定，并且B是关系的恒定截距。在实施方式中，例如，流体特性误差可以由百分比(例如，假如等式[3]的结果乘以100)、比率、分数或小数表示。
如图5A和图5B中所示，流体特性测量结果由被示出为离散图的质量流率误差值540A和密度误差值540B示出。质量流率误差值540A和密度误差值540B可以通过例如经由有限元方法(FEM)进行模拟来确定，所述有限元方法模拟改变传感器组件的温度、压力和/或法兰载荷的影响。质量流率误差值540A和密度误差值540B也可以通过经验方法来确定，在经验方法中与质量流率和密度测量结果同时测量刚度值。
质量流率误差值540A和密度误差值540B可以分别相对于标称质量流率值和密度值。也就是说，在导致传感器组件的刚度改变的变化处理条件下确定质量流率值和密度值。质量流率误差值540A和密度误差值540B可以通过将在标称条件下确定的质量流率值和密度值减去在标称条件上确定的质量流率值和密度值，并且分别将结果除以在标称条件下确定的质量流率值和密度值来确定。
如以上所讨论的，质量流率误差值540A和密度误差值540B与其对应的刚度值之间存在线性关系。质量流率误差曲线530A和密度误差曲线530B可以分别通过从质量流率误差值540A和密度误差值540B进行线性插值来生成。然而，可以通过任何合适的手段，例如推断、使用非线性拟合等来生成任何合适的曲线。
如从以上讨论中可以理解的，刚度值可以与流体特性值相关，而与什么导致振动计量仪的刚度改变无关。因此，流体特性测量结果可以被补偿，而与可能导致流体特性测量结果不准确的各条件或处理条件无关，如以下更详细地讨论的。
质量流率误差曲线530A、密度误差曲线530B、质量流率误差值540A和密度误差值540B可以是传感器组件的一个或更多个刚度值与对应的一个或更多个流体特性值之间的先前确定的相关性。例如，把质量流率误差值540A与刚度值关联起来的表可以被存储在例如上述计量电子设备20中。类似地，把密度误差值540B与对应的刚度值关联起来的表可以被存储在上述计量电子设备20中。附加地或可替选地，质量流率误差曲线530A和密度误差曲线530B可以以例如等式形式被存储在计量电子设备中，所述等式形式可以用于根据当前刚度值确定质量流率误差值或密度误差值。
因此，当随后由传感器组件测量处理物料并且还确定传感器组件的当前刚度值时，那么可以通过使用相关性来补偿质量流率测量结果和/或密度测量结果。例如，可以将当前刚度值输入到表示质量流率误差曲线530A的等式中以确定对应的质量流率误差值，该质量流率误差值可以用于补偿根据由传感器组件提供的传感器信号确定的质量流率值。
因此，质量流率误差曲线530A、密度误差曲线530B、质量流率误差值540A和密度误差值540B使一个或更多个刚度值与流体特性校正值相关。如上所述，流体特性校正值是百分比误差值。也就是说，流体特性校正值被表示为相对于标称值的误差。百分比误差值是质量流率误差值和密度误差值，所述质量流率误差值和密度误差值可以根据质量流率误差值540A和密度误差值540B直接地确定，或者通过插值诸如质量流率误差曲线530A和密度误差曲线530B间接地确定。
当前刚度值可以与流体特性测量结果同时确定，或者可以先前确定。也就是说，当前刚度值可以根据与流体特性测量结果相同的传感器信号来确定，或者可以在流体特性测量结果之前确定。在后一种情况下，当传感器组件经受已知的处理条件(例如温度、压力和法兰载荷)时，当前刚度值可以根据传感器信号来确定。例如，当测量流体特性时，可以假设这些值是相同的。例如，可以假设温度、压力和/或法兰载荷贯穿一系列流体特性测量结果是恒定的。
质量流率误差曲线530A、密度误差曲线530B、质量流率误差值540A和/或密度误差值540B可以是先前确定的刚度值与流体特性校正值之间的相关性。例如，通过将当前刚度值与质量流率误差曲线530A的先前确定的刚度值进行比较，并且确定对应的质量流率误差值，可以使当前刚度值与质量流量误差曲线530A的质量流率误差值相关。质量流率误差值可以用作流体特性校正值，以校正根据以上等式[1]计算的质量流率值。可以使用密度误差曲线530B进行类似的校正。这些和其他值可以被存储在计量电子设备20中以用于补偿流体测量结果，如以下更详细地描述的。
用于补偿流体特性测量结果的计量电子设备
图6示出了用于补偿流体特性测量结果的计量电子设备20。如图4中所示，计量电子设备20包括接口601和处理系统602。例如，计量电子设备20从例如传感器组件10接收振动响应。计量电子设备20对振动响应进行处理以便获得流经传感器组件10的流动物料的流动特征。
接口601可以从图1和图2中所示的拾取传感器1701、170r中的一个接收传感器信号165。接口601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。可替选地，可以在处理系统602中执行信号调节中的一些或全部。另外，接口601可以实现计量电子设备20与外部装置之间的通信。接口601能够进行任何方式的电子、光学或无线通信。接口601可以基于振动响应来提供信息。接口601可以与数字化装置例如图2中所示的CODEC 222耦接，其中，传感器信号包括模拟传感器信号。数字化装置对模拟传感器信号进行采样并将其数字化，并且产生经数字化的传感器信号。
处理系统602引导计量电子设备20的操作，并且对来自传感器组件10的流量测量结果进行处理。处理系统602执行一个或更多个处理例程并且从而对流量测量结果进行处理以便产生一个或更多个流量特征。处理系统602通信上耦接至接口601并且被配置成从接口601接收信息。
处理系统602可以包括通用计算机、微处理系统、逻辑电路或一些其他的通用或定制处理装置。附加地或可替选地，处理系统602可以分布在多个处理装置之间。处理系统602还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604。
存储系统604可以存储流量计量仪参数和数据、软件例程、常量值和变量值。在一个实施方式中，存储系统604包括由处理系统602执行的例程，例如振动计量仪5的操作例程610和补偿例程620。存储系统还可以存储统计值，例如标准偏差、置信区间等。
操作例程610可以执行测量流体的流体特性和确定传感器组件(例如上述传感器组件10)的当前刚度值所必需的功能。例如，操作例程610可以确定LPO传感器信号与RPO传感器信号之间的时间延迟，测量LPO传感器信号或RPO传感器信号的频率等。
因此，操作例程610可以确定流体特性值612，例如时间延迟或相位差、共振频率等。流体特性值也可以是质量流率值、密度值等。操作例程610可以将流体特性值存储在流体特性值612中。操作例程610还可以确定传感器组件的当前刚度值614。例如，操作例程610可以同时确定当前刚度值614和流体特性值612，如以上参照图3描述的。
补偿例程620可以通过例如根据当前刚度值确定质量流率误差值来校正流体特性值，例如质量流率值。也就是说，质量流率误差值可以是流体特性校正值。可以采用其他校正值并且其他校正值可以具有单位，而不是百分比误差值。因此，补偿例程620可以使用流体特性校正值与当前刚度值之间的相关性来校正流体特性值。通过示例的方式，可以通过使用质量流率误差值调整质量流率值来校正质量流率值。
处理系统602可以相应地存储相关性630。如图6中所示，相关性630包括刚度值632、校正值634和关系636。相关性630可以以任何合适的方式使刚度值632与校正值634相关。可以通过使用刚度值632的刚度值或根据刚度值632确定的刚度值来使当前刚度值与所存储的或根据校正值634确定的流体特性校正值相关。因此，刚度值632可以是预定的刚度值。刚度值632可以是模式关系的一部分，例如一阶扭转模式的刚度与一阶弯曲模式的频率之间的关系的一部分。当前刚度值可以通过使用例如关系636中的先前确定的刚度与流体特性关系来与流体特性校正值相关。示例性刚度与流体特性关系可以是以上讨论的等式[3]的刚度变化与流体特性误差，尽管可以采用任何合适的刚度与流体特性关系。
方法
图7示出了用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的方法700。如图7中所示，方法700通过在步骤710中基于传感器信号确定流体特性值而开始。传感器信号可以由上述传感器组件10提供，尽管可以采用任何合适的传感器组件。流体特性值可以是质量流率值、密度值、时间延迟或相位差、传感器组件的共振频率等。在步骤720中，方法700利用流体特性校正值来校正流体特性值。流体特性校正值可以与传感器组件的当前刚度值相关。
方法700还可以确定传感器组件的当前刚度值。也就是说，方法700可以使用例如由传感器组件提供的传感器信号并且确定当前刚度值。当前刚度值可以是模式关系的一部分。附加地或可替选地，方法700可以通过获得在确定流体特性值之前确定和存储的所存储的当前刚度值来确定当前刚度值，然而，当前刚度值是传感器组件的刚度的准确测量结果。例如，在测量流体以确定流体特性值之前不久，可以通过确定传感器组件在处理条件下的刚度值来确定当前刚度值。随后，诸如温度、压力等的处理条件可以保持恒定，从而确保当前刚度值是准确的。
方法700还可以使用传感器组件的先前确定的刚度值来使当前刚度值与流体特性校正值相关。例如，方法700可以根据刚度值632和校正值634读取或计算先前确定的刚度值和流体特性校正值。先前确定的刚度值和流体特性校正值可以是相关的，例如，如上面参照图5A和图5B所描述的。可以将当前刚度值与先前确定的刚度值进行比较，以确定流体特性校正值是否可以用于校正流体特性值。例如，当前刚度值在先前确定的刚度值的范围内，可以使用与先前确定的刚度值相关的流体特性校正值。因此，当前刚度值可以与流体特性校正值相关。
如以上所讨论的，可以通过使用与步骤710中提供传感器信号的传感器组件相同的传感器组件、具有相同和类似设计的类似传感器组件等的经验分析或计算机模型来确定传感器组件的先前确定的刚度值、流体特性校正值以及先前确定的刚度值与流体特性校正值之间的相关性。针对测量流体以确定要校正的流体特性值的传感器组件来确定当前刚度值。先前确定的刚度值与流体特性校正值之间的相关性可以通过值的表、等式等表示。
上述振动计量仪5、计量电子设备20和方法700可以使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果。因此，可以采用少数的传感器，例如温度传感器、压力传感器等。更具体地，因为传感器组件的当前刚度值取决于传感器组件的温度、由传感器组件测量的流体的压力等，所以当前刚度值可以在不使用流体和/或传感器组件的温度值、压力值或其他非刚度值的情况下校正流体特性值。
另外，因为当前刚度值取决于各种处理条件，所以可以采用先前确定的刚度值与流体特性校正值之间的单一相关性。也就是说，代替温度、压力和其他处理条件与流体特性校正值之间的多重相关性，可能只需要一个相关性。这可以简化和减少补偿流体特性测量结果所需的计算。因此，处理系统602可以更有效地操作并且将更多计算资源致力于其他任务，从而改进处理系统602的功能。
此外，利用当前刚度值校正流体特性值也可以比使用温度和/或压力传感器的那些更准确。例如，当前刚度值可以取决于施加到传感器组件的法兰载荷。法兰载荷可能无法准确地被测量，并且可能随时间显著变化。因为当前刚度值取决于法兰载荷，所以当前刚度值与流体特性校正值之间的相关性可能比例如法兰载荷的估计以及估计与流体特性校正值的相关性更准确。振动计量仪5的操作因此通过提供更准确的流体特性测量结果而得到改善。
以上实施方式的详细描述并不是对发明人所设想的落入本说明书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，上述实施方式的某些元素可以被不同地组合或消除以创建另外的实施方式，并且这样的另外实施方式落入本说明书的范围和教导内。对于本领域普通技术人员将明显的是，上述实施方式可以整体或部分地组合以创建在本说明书的范围和教导内的附加实施方式。
因此，尽管出于说明性目的在本文中描述了特定实施方式，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本说明书的范围内可以进行各种等效修改。本文中提供的教导可以应用于用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的其他计量电子设备、振动计量仪以及方法，而不仅仅是以上所描述的和在附图中示出的实施方式。因此，以上描述的实施方式的范围应当根据所附权利要求书来确定。

Claims (18)

1.一种用于使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的计量电子设备(20)，所述计量电子设备(20)包括：
接口(601)，其被配置成通信上耦接至传感器组件(10)并且从所述传感器组件(10)接收传感器信号；以及
处理系统(602)，其通信上耦接至所述接口(601)，所述处理系统(602)被配置成：
基于所述传感器信号来确定流体特性值；以及
利用流体特性校正值来校正所述流体特性值，所述流体特性校正值与所述传感器组件的当前刚度值相关。
2.根据权利要求1所述的计量电子设备(20)，其中，所述处理系统(602)还被配置成确定所述传感器组件(10)的当前刚度值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的计量电子设备(20)，其中，所述处理系统(602)还被配置成使用所述传感器组件的先前确定的刚度值来使所述当前刚度值与所述流体特性校正值相关。
4.根据权利要求3所述的计量电子设备(20)，其中，所述先前确定的刚度值与所述流体特性校正值相关。
5.根据权利要求4所述的计量电子设备(20)，其中，通过使用所述传感器组件的经验分析和计算机模型中的至少一个使所述先前确定的刚度值与所述流体特性校正值相关。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的计量电子设备(20)，其中，通过使用先前确定的刚度与流体特性关系使所述流体特性校正值与所述当前刚度值相关。
7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的计量电子设备(20)，其中，所述流体特性值是质量流率值、密度值、时间延迟值、相位差值、共振频率值和振荡周期值中的一个。
8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的计量电子设备(20)，其中，所述流体特性校正值是百分比误差值。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的计量电子设备(20)，其中，所述当前刚度值是模式关系的一部分，所述模式关系是两个振动模式的特征之间的关系。
10.一种使用刚度测量结果来补偿流体特性测量结果的方法，所述方法包括：
基于由包含流体的传感器组件提供的传感器信号来确定所述流体的流体特性值；以及
利用流体特性校正值来校正所述流体特性值，所述流体特性校正值与所述传感器组件的当前刚度值相关。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括确定所述传感器组件的当前刚度值。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，还包括使用所述传感器组件的先前确定的刚度值来使所述当前刚度值与所述流体特性校正值相关。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述先前确定的刚度值与所述流体特性校正值相关。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过使用所述传感器组件的经验分析和计算机模型中的至少一个来使所述先前确定的刚度值与所述流体特性校正值相关。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，还包括通过使用先前确定的刚度与流体特性关系来使所述流体特性校正值与所述当前刚度值相关。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述流体特性值是质量流率值、密度值、时间延迟值、相位差值、共振频率值和振荡周期值中的一个。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，所述流体特性校正值是百分比误差值。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其中，所述当前刚度值是模式关系的一部分，所述模式关系是两个振动模式的特征之间的关系。
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