CN1179201C - 用于科里奥利流量计的驱动控制的类型识别 - Google Patents

Abstract

科里奥利流量计一般包括具有两种不同结构的两种不同的类型。本发明将初始驱动信号加至(401)使测流管振动的驱动电路。然后，根据从与测流管相联系的拾取传感器接收的信号，确定(404)测流管的结构。根据测流管的结构，设置(405)用来产生所述驱动信号的参数。

Description

用于科里奥利流量计的驱动控制的类型识别

技术领域

本发明涉及控制装置中的驱动信号的电子元器件，所述装置测量流过该装置中的至少一条振动导管的物质的特性。更具体地说，本发明涉及根据振动导管的振动频率、确定用来产生驱动信号的参数的系统。

背景技术

众所周知，采用科里奥利效应质量流量计来测量流过流量计中导管的物质的质量流量和其他信息。在均授予J.E.Smith等人的1978年8月29日的美国专利4109524、1985年1月1日的4491025和1982年2月11日再颁布的31450中公开了作为实例的科里奥利流量计。这些流量计具有一条或多条直或弯结构的导管。科里奥利质量流量计中的每种导管结构具有一组固有振动模式，这些固有振动模式可以是单纯弯曲、扭转或互耦型的。各个导管被激励而在这些固有模式之一下作共振振荡。物质从流量计入口侧上连接的管道流入流量计，被引导流经某条导管或多条导管，经过流量计的出口侧从流量计流出。振动的物质填充系统的固有振动模式部分地由导管和导管内流动的物质的综合质量来定义。

当没有通过流量计的流量时，由于所加的激励力，沿着导管的所有点均振动，并且具有一致的相位或者可校正的小的初始固定的相位偏移。随着物质开始流过，科里奥利力使沿导管的各个点具有不同的相位。导管入口侧的相位滞后于激励器，而导管出口侧的相位超前于激励器。导管上的各个拾取传感器产生代表导管运动的正弦信号。处理从各拾取传感器输出的信号，确定拾取传感器之间的相位差。两个拾取传感器信号之间的相位差与流过导管的物质的质量流率成正比。

问题是，有时流体是零星的并且包含带入的空气。这种带入的空气令导管振动而改变振幅。这可能导致所测量的流动物质特性、如质量流量的误差。在直测流管结构中尤其如此，因为必须激励直测流管以比弯结构的测流管高得多的频率振动，对直测流管振动的任何破坏可能对特性的计算产生更多负面影响。

发射器产生驱动信号来操纵激励器，并且根据从拾取传感器接收的信号确定物质的质量流率和其他特性。常规发射器由模拟电路构成，它被设计成产生驱动信号和检测来自拾取传感器的信号。近年来，模拟发射器已得到优化，并且制造成本已变得相对低廉。因此，最好设计可以使用常规发射器的科里奥利流量计。

常规发射器只能处理窄工作频率范围内的信号，这是个问题。该工作频率范围一般在20Hz与200Hz之间。这使发射器的设计者限制于产生窄范围的驱动信号，这使测流管以这些频率共振。因此，用常规发射器产生用于某些流量计、如工作在较高频率范围300Hz-800Hz的直管科里奥利流量计的驱动信号是不可能的。所以，无法用常规发射器产生直管流量计所用的驱动信号。

美国专利5321991公开了用于测量导管中质量物质流量的科里奥利流量计。该流量计的元件被直接夹在现有管道或其他没有分流的导管中。该流量计包括激励器、如磁致伸缩激励器，用来使两支承件之间的一段管道振动。激励器安装在该管道段上，处于或者靠近所述管道段的固有频率的第二谐波模式的腹点。一个传感器、如加速计安装在该管道段上、在零流量期间所述管道段的固有频率的第二谐波模式的节点处(零流量节点)。第二个传感器测量由从流过振动管道的物质的质量产生的科里奥利效应力所致的零流量节点的位移幅度。此测量结果表明流过振动管道的物质的质量流率。这种流量计不依赖于相位偏移检测，不易受外来噪声的影响，并且不需要复杂的安装。

科里奥利流量计技术的专业人员希望设计可以供若干不同类型的流量计使用的发射器。这会使制造商可以利用规模经济来生产流量计所用的较廉价的发射器。数字信号处理器是需要的，因为通过在发射器接收信号时、对来自拾取装置的信号数字化，避免了在较高频率下工作的流量计、如直管设计对模拟电子元器件提出的测量分辨率和精度的更高要求。而且，还可以修改数字信号处理器所采用的指令，使其在若干不同频率下工作，用来确定物质的特性和产生驱动信号。

发明内容

通过提出一种使科里奥利流量计的发射器中驱动信号的参数初始化的系统，解决上述和其他问题并且作出现有技术的改进。本发明的系统包括存储在存储器中并由处理器执行、以便为振动导管的激励器产生驱动信号的处理程序。作为选择，本发明的处理也可以由模拟电路来执行。本发明的处理程序使发射器可以确定与发射器相连的测流管的结构类型，然后设置产生驱动信号所需的参数。本发明还利用整体驱动增益的第三参数来实现对驱动信号的更好控制，以便获得对测流管振动的更健壮的控制。

在本发明的最佳实施例中，所述系统是由数字信号处理器来提供的，如Texas Instruments的TM3205xx、Analog Devices的ADSP21xx或者Motorola的5306x。本发明的处理程序以指令的形式存储在与数字信号处理器连接的存储器中。数字信号处理器读取并执行这些指令来实现本发明的处理。

该处理以初始驱动信号使测流管振动作为开始。然后确定测流管的振动频率。根据振动频率，确定测流管的类型。然后设置一组预存的参数作为用于产生驱动信号的参数。

这些参数包括整体驱动增益分量。整体增益分量控制设置点与实际目标之间的误差。这提供了对驱动信号的更健壮的控制，它使振动幅度能更精确。这使得即使在不利的流体条件下，也可向检测器提供优化的电力。

根据本发明，本发明的一个方面是一种操作科里奥利流量计的发射器的方法，所述科里奥利流量计具有至少一条测流管，使所述至少一条测流管振动的激励器，以及固定在所述至少一条测流管上、产生表示所述至少一条测流管的运动的拾取信号的传感器，所述方法包括以下步骤：

将初始驱动信号加至使所述测流管振动的所述激励器；以及

根据所述拾取信号确定所述测流管的振动频率；

所述方法的特征在于以下步骤：

响应指示所述测流管的所述振动频率的所述拾取信号，确定所述测流管的类型；以及

响应所述测流管的所述类型的确定，设置用来产生所述驱动信号的参数。

本发明的另一个方面是，确定所述测流管的所述类型的步骤包括以下步骤：将所述振动频率与阈值频率相比较；以及对所述振动频率大于所述阈值频率作出响应，确定所述测流管的所述类型为直测流管。

本发明的另一个方面是，确定所述测流管的所述类型的所述步骤还包括以下步骤：对所述振动频率小于或等于所述阈值频率作出响应，确定所述测流管的类型为弯测流管。

本发明的另一个方面是一种科里奥利流量计的发射器，所述科里奥利流量计具有至少一条测流管，使所述至少一条测流管振动的激励器，以及固定在所述至少一条测流管上、产生表示所述至少一条测流管的运动的拾取信号的传感器，所述发射器包括：

处理装置，该处理装置被配置成

为所述激励器产生使所述测流管振动的初始驱动信号，

将所述驱动信号加至使所述测流管振动的所述激励器，以及

根据所述拾取信号确定所述测流管的振动频率；

所述处理单元还被配置成：

将所述振动频率与一个阈值频率进行比较；

响应所述振动频率与所述阈值频率的比较结果来确定所述测流管的类型，以及

响应所述测流管的所述类型的确定，设置用于产生所述驱动信号的参数。

本发明的再一个方面是，所述发射器对所述振动频率小于或等于所述阈值频率作出响应，确定测流管的所述类型为弯测流管。

本发明的又一个方面是，所述发射器对所述振动频率小于或等于所述阈值频率作出响应，确定所述测流管的所述类型为弯测流管。

附图说明

可以通过以下详细描述和下列附图来理解本发明：

图1说明具有执行本发明的参数初始化处理的数字发射器的双管科里奥利流量计；

图2说明具有执行本发明的参数初始化处理的数字发射器的直管科里奥利流量计；

图3说明数字信号发射器的框图；以及

图4说明数字发射器执行使参数初始化的操作的框图。

具体实施方式

下面参照附图更全面地描述本发明，图中示出本发明的一些实施例。本专业的技术人员应当明白本发明可通过许多不同的形式来实施，而不应当认为仅限于此处陈述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和全面，并且将本发明的范围充分地传达给本专业的技术人员。在所有附图中，相似的标号指的是相似的元件。

科里奥利流量计概述-图1

图1示出科里奥利流量计5，它包括科里奥利流量计组件10和发射器20。发射器20经由导线100与流量计组件10连接，通过通道26提供密度、质量流率、体积流率、总的质量流率和其他信息。此处描述科里奥利流量计5，但是对于本领域的技术人员显而易见，本发明可以结合任何具有测量物质特性的振动导管的装置来实现。这种装置的第二个实例是不具有科里奥利质量流量计所提供的附加测量功能的振管密度计。

流量计组件10包括一对法兰101和101′、歧管102以及导管103A和103B。激励器104、拾取传感器105和拾取传感器105′与导管103A和103B相连。撑板106和106′用来定义轴W和W′，各个导管在这些轴附近振动。

当流量计10插入输送正被测量的加工材料的管道系统(未示出)时，物质经过法兰101进入流量计组件10，流过歧管102，在其中物质被引入导管103A和103B，流过导管103A和103B，再流回歧管102，从这里通过法兰101′流出流量计组件10。

选择导管103A和103B并将其适当地安装在歧管102上，使得分别在弯曲轴W-W和W′-W′附近具有基本相同的质量分布、惯性矩和弹性模量。这些导管以基本平行的方式从歧管向外伸出。

导管103A-103B被激励器104关于它们各自的弯曲轴W和W′以相反方向、在所谓的流量计的第一非协调弯曲模式下驱动。激励器104可以包括许多常见配置中的任何一种，如安装在导管103A上的磁铁和安装在导管103B上的反作用线圈，交流电流过该线圈而振动两条导管。发射器20经导线110将适当的驱动信号加至激励器104。

发射器20接收分别出现在导线111和111′上的左右速度信号。发射器20产生出现在导线110上并导致激励器104振动管103A和103B的驱动信号。发射器20处理左右速度信号，从而计算流过流量计组件10的物质的质量流率和密度。此信息被加至通道26。

本领域的技术人员都知道，科里奥利流量计5在结构上与振管密度计非常相似。振管密度计也是利用流体流过其中的振管，或者在样品型密度计的情况中，液体注留在其中。振管密度计也利用激励系统激发导管振动，振管密度计通常只利用信号反馈信号，因为密度测量只需要测量频率，而相位测量不是必需的。此处本发明的描述同样适用于振管密度计。

直管科里奥利流量计-图2

图2公开了直管科里奥利流量计25。直管科里奥利流量计25包括科里奥利检测器200和相关的发射器20。测流管201包括表示为201L的左端部分和表示为201R的右端部分。测流管201及其端部将流量计的整个长度从测流管201的输入端207延伸到测流管的输出端208。平衡杆220的端部通过撑板221与测流管201连接。

测流管201的左端部分201L与入口法兰202固定在一起，右端部分201R与出口法兰202′固定在一起。入口法兰202和出口法兰202′将科里奥利检测器210连接到管道。

以众所周知的常规方式，激励器204、左拾取装置205和右拾取装置205′与测流管201和平衡杆220耦合。激励器204通过通道210从发射器20接收信号，从而使激励器204振动测流管201和平衡杆220，并且在物质填充的测流管201的共振频率下反相。振动测流管201连同其中的物质流的振动以众所周知的方式引起测流管的科氏偏转。拾取装置205和205′检测这些科氏偏转，并且这些拾取装置的输出通过导线211和211′传送到发射器20。

数字发射器20-图3

图3说明数字发射器20的元件。通道111-111′/211-211′将左右速度信号从流量计组件10/200发送到发射器20。这些速度信号被仪表电子装置20中的模数(A/D)转换器303-303’接收。A/D转换器303-303’将所述左右速度信号转换成处理装置301可用的数字信号，并且经通道310-310′发送数字信号。虽然以分立元件的形式示出，但是A/D转换器303-303’可以是信号转换器、如Crystal Semi Inc制造的CS4218立体声16位编解码器芯片。数字信号经通道310-310′送到处理装置301。本领域的技术人员会认识到，任何数目的拾取装置和其他检测器，如用于确定测流管温度的RTD检测器(电阻式温度检测器)都可以连接到处理器301。

经通道312发送激励器的信号，从而把数字化的信号加到D/A转换器302。D/A转换器302还通过通道340从拾取装置105-105′/205-205′其中之一接收电压。驱动信号包含用于修改经通道340接收的电压而生成模拟驱动信号的指令。D/A转换器302是常见的D/A转换器，如Analog Devices制造的AD7943芯片。来自D/A转换器302的模拟信号经通道391加到放大器305上。放大器305生成适当振幅的驱动信号并将驱动信号通过通道110-210加到激励器104-204上。放大器305可以是电流放大器或者电压放大器。D/A转换器302所生成的信号、或者是电流或者是电压，取决于放大器305的类型。

处理装置301是微处理器、处理器或处理器组，它从存储器中读取指令并执行指令，从而执行流量计的各种功能。在最佳实施例中，处理装置301是Analog Devices生产的ADSP-2185L微处理器。所实现的功能包括但不限于从只读存储器(ROM)320经通道321：计算物质的质量流率、计算物质的体积流率以及计算物质的密度。用于完成各种功能的数据以及指令存储在随机存取存储器(RAM)330中。处理装置301通过通道331执行RAM存储器330中的读写操作。

数字发射器20所执行的操作的概述-图4

图4是为了使科里奥利流量计5/25的驱动信号参数初始化、数字发射器20所执行的处理的概述。以上是对科里奥利流量计5/25所用的数字发射器20的描述，下面是对为了提供使参数初始化的系统、数字发射器20所执行的处理的描述。本领域的技术人员会认识到，利用模拟电路实现相同的处理是可能的。

在步骤401，处理400开始，数字发射器20产生初始驱动信号。把初始驱动信号加到驱动电路，而驱动电路又把该初始驱动信号加到激励器104/204。激励器104/204使测流管103A-B/201振动。拾取装置105-105′/205-205′测量测流管的振动，把信号加到导线111-111′/211-211′上。然后在步骤402，发射器20接收到这些信号。在步骤403，发射器20确定测流管的振动频率。确定振动频率的一种可能的方法是陷波滤波器自适应线估算子技术，在与本申请同日提交并转让给Boulder，Colorado的Micro Motion公司的、题为“利用数字发射器确定流过导管的物质的特性的系统”的专利申请中详细地描述了该技术。在1996年9月10日授予Derby等人并转让给BoulderColorado的Micro Motion公司、题为“科里奥利质量流量计测量的自适应线提高的方法和装置”的美国专利5555190中提出另一种确定信号频率的可能方法。

在步骤404，根据测流管的振动频率确定测流管的类型。实现这一点的一种方式是确定频率是否大于阈值频率。如果振动频率大于阈值频率，则流量计是直管结构。如果该频率小于或等于阈值频率，则流量计具有弯结构的测流管。这是根据设计分析知道的并且通过测流管的现场试验得到验证。

在步骤405，根据流量计类型的确定，设置关于驱动信号的控制参数。下表是参数设置的实例。

参数	频率＜＝300赫兹表明弯结构	频率＞300赫兹表明直测流管结构
			毫伏/赫兹	3.4	1.0
Kp，比例驱动增益	1000	2000
			Ki，整体驱动增益	5	5

毫伏/赫兹是驱动目标或设置点的量度。比例驱动增益目标是驱动测流管所需的毫伏/赫兹的值。整体驱动增益是信号可接受的以毫伏/赫兹为单位的偏差。在最佳的示范性的实施例中，直管和双管流量计的整体驱动增益是相同的，这是个巧合。

在步骤405之后，处理400结束。发射器20现在能够根据在处理400中识别的检测器类型产生并维持对测流管103A-B或201的稳定驱动控制。根据流量计的独特的结构动力学，维持稳定的驱动控制，并且提供对流量计中无关输入扰动的最佳响应时间。

以上描述了用于使驱动电路的参数初始化的系统。可以预期其他人会设计替代的系统和处理方法，这些或者在字面上或者通过等效原则侵犯如以下权利要求书中所陈述的本发明。

Claims (3)

1.一种科里奥利流量计(5)的发射器(20)，所述科里奥利流量计具有至少一条测流管(103A-103B)，使所述至少一条测流管振动的激励器(104)，以及固定在所述至少一条测流管上、产生表示所述至少一条测流管的运动的拾取信号的传感器(105-105’)，所述发射器包括：

处理装置(301)，该处理装置被配置成为所述激励器产生使所述测流管振动的初始驱动信号，将所述驱动信号加至使所述测流管振动的所述激励器，以及根据所述拾取信号确定所述测流管的振动频率；

所述处理装置还被配置成：

将所述振动频率与一个阈值频率进行比较；

响应所述振动频率与所述阈值频率的比较结果来确定所述测流管的类型，以及

响应所述测流管的所述类型的确定，设置用于产生所述驱动信号的参数。

2.如权利要求1所述的发射器(20)，其特征在于，所述处理装置(301)被配置成通过以下方式确定所述测流管(103A-103B)的所述类型：

对所述振动频率大于所述阈值频率作出响应，确定所述测流管的所述类型为直测流管。

3.如权利要求2所述的发射器(20)，其特征在于，所述处理装置(301)被配置成通过以下方式确定所述测流管(103A-103B)的所述类型：

对所述振动频率小于或等于所述阈值频率作出响应，确定所述测流管的所述类型为弯测流管。

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