CN1372632A - 自特征化振动导管参数检测器 - Google Patents

Abstract

一种在材料处理系统(1)中测量处理参数的自特征化振动导管检测器(5),它包括配置成容纳来自材料处理系统(1)的材料的导管(103A－103B)和用来产生表示在导管(103A－103B)上多个位置的运动的多个运动信号的多个运动转换器(105－105′)。模态参数估算器(30)被配置成接收所述多个运动信号,用来根据所接收的多个运动信号估算模态参数。模态参数、例如模态滤波器参数或力投影参数,使导管的行为与单自由度(SDOF)系统的行为相关。处理参数估算器(40)被配置成接收所述多个运动信号,响应模态参数估算器,并用来按照估算的模态参数、根据所接收的多个运动信号、估算与材料相关的处理参数。估算模态参数的技术包括修正倒易模态向量(MRMV)估算技术或自适应模态滤波技术。

Description

自特征化振动导管参数检测器

发明领域

本发明涉及处理参数检测器及其所周的操作方法，更具体地说，涉及振动导管参数检测器及其采用的操作方法。

问题的陈述

科里奥利效应质量流量计通常用来测量流经导管的材料的质量流量及其他信息。在均授予J.E.Smith等人的1978年8月29日的美国专利第4109524号、1985年1月1日的美国专利第4491025号以及1982年2月11日的再颁布号为31450的美国专利中公开了示范性的科里奥利流量计。这些流量计通常包括具有直或弯结构的一个或多个导管。每个导管可以被看作具有一组振动模式，包括例如单纯弯曲、扭转、径向和互耦模式。在典型的质量流量测量应用中，当材料流经导管时，驱动各导管以其固有模式之一进行共振振荡。振动的材料填充系统的振动模式受到导管总质量和刚度特性以及导管内流动的材料的特性的影响。

科里奥利流量计的常见组件是驱动或激励系统。驱动系统工作，从而向导管施加驱使导管振动的周期性物理力。驱动系统通常包括至少一个安装在流量计的导管上的激励器。激励器通常包括许多众所周知的机电装置之一、如音圈装置，它具有装在第一导管上的磁体和装在第二导管上的线圈，线圈与磁体之间是相对的关系。驱动电路持续向激励器线圈施加周期性、例如正弦波或方波驱动信号。周期性驱动信号使激励器以此后维持的相反周期性方式驱动两个导管。

当存在通过所驱动的流量计导管的有效“零”流量时，沿着导管的各点往往会以近似相同的相位或相对于驱动器为“零流量”的相位振荡，这取决于所驱动的振动模式。随着材料开始从流量计的入口流入、流经导管以及从流量计的出口流出，因材料流而引起的科里奥利力往往会引起沿导管在空间上分离的各点之间的相位偏移。一般，当材料流经导管时，导管入口侧的相位滞后于驱动器，而导管出口侧的相位超前于驱动器。导管上两个位置间产生的相位偏移近似地与流经导管的材料的质量流率成比例。

科里奥利流量计的运动可以用多种振动模式的叠加来建立模型，即，将其当作多个独立的单自由度(SDOF)系统的运动，各个SDOF系统的特征在于固有频率和阻尼。双管科里奥利流量计中常见模式之一是第一不同相弯曲模式、例如科里奥利流量计的两管彼此相反振动的弯曲模式。在典型的振动导管科里奥利流量计中还可以识别其他模式，包括一般可归因于流经导管的材料所产生的科里奥利力的第一不同相扭曲模式，以及由流量计的激励器和与流量计耦合的其他振动源所激励的同相、横向及其他振动模式。

生成产生期望的模态响应的驱动信号的技术已被提出。一种技术是生成使激励器优先激励期望的振动模式的驱动信号的力投影系数的推导。另一种技术是为若干激励器优先激励一种或多种科里奥利流量计导管的期望模式而产生驱动信号。

上面引用的技术通常采用预定模态滤波器来产生力投影系数。预定模态滤波器通常利用经典经验模态分析技术或有限元建模来离线产生。然后可以由模态滤波器利用试错法、逆模态变换或其他技术确定力投影系数。

遗憾的是，预定模态滤波器可能未考虑到检测器特性可能随时间发生的变化。此外，常规技术可能未考虑检测器与其中使用该检测器的材料处理系统之间的交互作用所产生的原位影响。例如，由于与材料处理系统在结构上耦合或者由于材料处理系统中有振动源、如泵，可能激发附加的模式。

发明概述

根据上述内容，本发明的目的之一是提供自特征化振动导管型参数检测器及其所用的操作方法，它能提供材料处理系统的处理参数、如质量流量的更精确的估算。

本发明的另一个目的是提出振动导管型参数检测器及其所用的操作方法，它可以提供对检测器行为的更精确特征化。

本发明的再一个目的是提出振动导管型参数检测器及其所用的操作方法，它能够对检测器行为进行原位特征化。

这些及其他目的、特征和优点是根据本发明、通过自特征化振动导管型参数检测器来实现的，该检测器包括模态参数估算器，该估算器被配置成接收表示检测器导管在多个位置上的运动的运动信号，并且可用来依据所接收的运动信号估算模态参数、例如模态滤波器参数或力投影参数。根据本发明的修正倒易模态向量(MRMV)方面，通过在某频率范围上激励导管来估算模态滤波器参数，在该频率范围上产生频率响应函数(FRF)矩阵，而且根据该FRF矩阵产生模态滤波器参数的估算值。模态滤波器参数的估算值可以在初始化或校准过程中产生。根据自适应模态滤波方面，确定模态滤波器的估算模态响应与参考模态响应之间的误差，并且用误差来为模态滤波器产生新的模态滤波器参数的估算值。因此，可以在检测器工作的同时自适应地更新模态滤波器参数和力投影参数。

具体地讲，根据本发明，用于为材料处理系统测量处理参数的自特征化检测器包括：导管，它被配置成容纳来自材料处理系统的材料；以及多个运动转换器，它用来产生表示导管的多个位置上的运动的多个运动信号。模态参数估算器被配置成接收所述多个运动信号并且可用来根据所接收的多个运动信号估算模态参数。模态参数、例如模态滤波器参数或力投影参数使导管的行为与单自由度(SDOF)系统的行为相关。处理参数估算器被配置成接收所述多个运动信号，响应模态参数估算器并工作，从而根据所估算的模态参数通过所接收的多个运动信号来估算材料处理系统的处理参数。

根据本发明的修正倒易模态向量(MRMV)估算方面，在某频率范围上激励检测器导管。接收表示响应该激励的运动的多个运动信号，并且根据所接收的多个运动信号确定在该频率范围上关于所述多个位置的多个频率响应。从所确定的多个频率响应中产生该检测器的模态滤波器参数的估算值。从所述多个频率响应中产生频率响应函数(FRF)矩阵。识别对应于该检测器的一种模式的极点，根据所识别的极点产生SDOF向量。然后根据估算的FRF矩阵和估算的SDOF向量产生模态滤波器参数的估算值。

根据本发明的自适应模态滤波方面，确定加在检测器导管上的激励，并将其加在参考模态系统上，从而产生参考模态响应。把模态滤波器应用于多个表示响应该激励的运动的运动信号上，根据所述模态滤波器参数的估算值产生估算模态响应。根据估算模态响应与参考模态响应间的误差，产生新的模态滤波器参数的估算值。可以反复地产生新的模态参数估算值，直到估算模态响应与参考模态响应间的误差满足预定标准为止。从而可以提供改进的参数检测器及其所用的操作方法。

附图简介

图1说明根据本发明的参数检测器的一个实施例。

图2说明根据本发明的模态参数估算器的一个实施例。

图3说明根据本发明的一个方面、用于估算模态参数的操作。

图4说明根据本发明的参数检测器的一个实施例。

图5说明利用修正倒易模态向量(MRMV)估算技术的本发明的参数检测器的一个实施例。

图6说明根据本发明的MRMV方面、估算模态滤波器参数的操作。

图7说明利用自适应模态滤波技术的本发明的实施例。

图8和图9说明根据本发明的自适应模态滤波方面、估算模态滤波器参数的操作。

实施例的详细描述

下面参考其中示出本发明实施例的附图，对本发明进行全面描述。本领域的技术人员应当明白，本发明可以用许多不同形式来实施，而不应被视为仅限于此处提及的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并且全面地将本发明的范围传达给本领域的技术人员。所有图中，类似的标号指的是类似的部分。

下面的讨论涉及科里奥利流量计，其中为材料、例如流经振动导管的流体估算材料处理系统的处理参数、通常为质量流率，所述振动导管作为材料处理系统的一部分被配置成容纳流经振动导管的材料。但是，本领域的技术人员应明白，本发明还适用于与在线检测器不同的振动导管处理参数检测器。例如，本发明适用于取样型振动管密度计，它包括配置成容纳从材料处理系统抽取的材料样本的导管。

图1说明根据本发明的处理参数检测器5的示范性实施例。参数检测器5包括导管组件10。导管组件10包括入口法兰101、出口法兰101′、歧管102以及第一和第二导管103A和103B。撑板106和106′与导管103A和103B相连。与测流管103A和103B相连的是连接到导线100的激励器104和第一与第二运动转换器105和105′。激励器104可响应驱动器20在驱动导线110上提供的驱动信号而工作、从而振动导管103A和103B。第一和第二运动转换器105和105用来在转换器导线111上产生表示导管103A和104B上空间上分离的各位置的运动的运动信号。第一和第二运动转换器105和105′可以包括各种装置，如线圈型位移转换器、光学或超声波运动检测器、加速度计、惯性比检测器等。

当导管组件10插入材料处理系统1时，流入管道材料处理系统1的材料经过入口法兰101进入导管组件10。然后材料流经歧管102，在此处被导入测流管103A和103B。在离开测流管103A和103B之后，材料流回到歧管102，然后经过出口法兰101’流出流量计组件10。当材料流经导管103A和103B时，它产生摄动导管103A和103B的科里奥利力。

导管103A和103B通常由激励器104绕它们各自的弯曲轴W-W和W′-W′以相反的方向驱动，在导管组件10中产生通常所指的第一不同相弯曲模式。激励器104可包括许多众所周知的装置中的任何一种，如包括装在第一导管103A上的磁体和装在第二测流管103B上的反作用线圈的线性激励器。由驱动器20通过驱动导线110提供的驱动信号所产生的交变电流通过该线圈，产生振动导管103A和103B的机械力。虽然图1所示的参数检测器5包括整体激励器104，但是本领域的技术人员应当明白，根据本发明的导管103A和103B的振动可以通过其他技术来实现，如通过在导管组件10外部产生并经流体或机械耦合传送到导管组件10的激励来实现。

参数检测器、如图1的参数检测器5的行为可以用模式来描述。模态变换、即模态滤波器把物理响应变换到模态响应。标准模态变换由如下公式给出：

                  x＝Φη         (1)

其中x是物理响应的向量，Φ是本征向量矩阵，而η是模态响应的向量。物理响应的向量x可以被看作输入、即送至模态滤波器Φ的反馈信号。解方程(1)，求出η，即模态响应：

                 y＝Φ^↑η        (2)其中Φ^↑是Φ的广义逆矩阵。如果矩阵Φ是方形和非奇异矩阵，则逆矩阵Φ^↑可用于公式(2)。当模态向量为线性独立的且检测器导管上用于提供运动信息的位置的数目等于所考虑模式的数目时，该本征向量矩阵是方形和非奇异阵列。

同样参考图1，参数检测器5还包括模态参数估算器30和处理参数估算器40。模态参数估算器30响应从转换器导线111上的第一和第二运动转换器105和105’接收的第一和第二运动信号。这些运动信号表示导管103A和103B在物理域中的运动，例如，表示当材料流经导管组件10时的位移、速度或加速度的信号。模态参数估算器30处理所接收的运动信号，产生模态参数的估算值、如模态滤波器参数或力投影参数，这些参数使导管在空间域的行为与至少一个独立的单自由度(SDOF)系统在模态域上的行为相关。处理参数估算器40还被配置成接收运动信号，响应估算的模态参数35来估算处理参数、例如与流经导管组件10的材料相关的质量流率、总计质量流量、密度等。

图2说明模态参数估算器30的示范性实施例。如图所示，模态参数估算器30包括取样器32、如取样-保存电路或类似的电路和模-数转换器(A/D)34。取样器32和A/D 34提供这样的装置31，它用来接收第一和第二运动转换器105，105’所产生的运动转换器的运动信号25，对运动信号25取样，并产生样值33，将其通过模-数转换器(A/D)34转换成数字信号值37。所示取样器32和A/D 34的具体操作可以通过本领域的技术人员所熟知的若干电路来执行，此处无需详述。本领域的技术人员应该明白，图2所示的接收装置31可以用多种方式实现，包括附加的预抽样抗混淆滤波、后抽样滤波等。还应当明白，一般，图2所示的接收装置31可以用专用硬件、固件或运行于专用或通用数据处理装置上的软件、或者它们的组合来实现。

模态参数估算器30的各部分可以在计算机50中实现，例如，在微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等中实现。例如，计算机50可以包括适合于线性代数计算的流水线DSP、如TexasInstruments，Inc.所售的DSP中TMS320C4X系列的DSP。在配置适当的程序代码、如软件和/或固件以及存储在存储媒体60、如随机存取存储器(RAM)、电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)、磁盘等中的数据的条件下，计算机50提供装置36，用来根据数字信号值37产生模态滤波器参数的估算值35。处理参数估算器40的各部分也可以通过计算机50和相关的程序代码来实现。例如，可以在计算机50中执行用来实现模态滤波器能够作线性代数计算的程序代码、以及用来产生驱动激励器104的数字信号的代码。

如上所述，图1的处理参数估算器40被配置成从运动转换器接收运动信号，并且用来根据估算的模态参数35来估算有关流经导管103A和103B的材料的处理参数。图3说明根据本发明的实施例，其中处理参数估算器40包括模态滤波器44，它响应模态参数估算器30所提供的模态滤波器参数的估算值35a，用来对表示导管103的物理响应的运动信号25进行滤波。模态滤波器44产生表示物理响应到模态域的映射的模态响应47。选择性模态驱动器48响应模态滤波器44和模态参数估算器30，根据模态响应47和模态参数估算器30所提供的力投影参数35b产生一个或多个驱动信号43。

一个或多个驱动信号43可以被设计成优先激励导管103的一种或多种振动模式，从而提供改进的测量结果。处理参数估算装置46根据转换器105所产生的运动信号25，利用例如授予Smith的再颁布号为31450的美国专利、授予Zolock的美国专利4879911以及授予Zolock的美国专利5231884中所描述的常规科里奥利流率确定电路，产生处理参数、例如质量流量、密度等的估算值45。另外，处理参数的估算值还可以根据模态响应47来产生。

图4说明根据本发明一个方面、使参数检测器特征化的操作400。激励导管、如图1的导管103A和103B(方框410)。例如，可以通过一个或多个激励器、如图1的激励器104将周期性激励加在导管上。接收表示对该激励的物理响应的运动信号(方框420)。根据所接收的运动信号产生模态参数的估算值、例如模态滤波器参数或力投影参数(方框430)。例如，可以利用将在下面详细说明的MRMV或AMF技术中的一种来估算模态滤波器参数，并且根据所估算的模态滤波器参数确定力投影器。

修正倒易模态向量估算

根据本发明的一个方面，修正倒易模态向量(MRMV)估算技术利用振动导管参数检测器的频率响应函数(FRF)产生模态滤波器参数的估算值。可以在原位采用本技术，例如作为参数检测器的初始化处理的部分。MRMV技术还可以用来例如在材料处理系统、如化学加工厂中的参数检测器工作期间、间歇性地更新模态滤波器参数的估算值。

根据MRMV技术，检测器导管被激励，对于导管上的许多位置测出在一定频率范围上的对应频率响应。可以采用各种频率响应测量技术，比如采用快速傅里叶变换(FFT)技术的相干正弦扫描测量法或宽带测量法。频率响应测量法被用来产生FRF矩阵，该矩阵包括对于导管上多个位置、对于所需各频率的多个频率响应值。对于导管结构的所关注的每种模式识别极点，并且对于每个识别的极点，确定单自由度(SDOF)向量。FRF矩阵的逆矩阵乘以与所关注模式相关的SDOF向量，从而产生关于该关注模式的倒易模态向量。多个关注模式的倒易模态向量可以组合起来而构成模态滤波器，若把该滤波器应用在表示导管在物理域中运动的运动信号上，就得到包括关注模式的模态域中相应运动的估算值。关于用于结构分析的MRMV技术的一般信息在由Sruart J.Shelley在1991年提交给辛辛那提大学研究生研究部(Division of Graduate Studies and Research)的题为“结构动力学应用的离散模态滤波器的研究(Investigation of Discrete ModalFilters for Structural Dynamics Applications)”的论文第70-87页中有述。

为了说明，利用有限元分析来估算(由科罗拉多Boulder的MicroMotion Inc.制造的)CMF300型双U形管科里奥利质量流量计的本征向量。有限元建模技术是本领域的技术人员所熟知的，不构成本发明的部分。示范性的有限元模型是利用SDRC I-DEAS构建的，并且由MSC/NASTRAN来分析，有限元代码由MacNeal-Schwendler提供。在有限元建模领域的技术人员知道，作为选择也可以采用其他有限元建模工具和技术。有关科里奥利流量计的有限元建模的更多信息，参见“A Finite Element for the Vibration Analysis of a Fluid-ConveyingTimeshenko Beam.”(AIAA论文93-1552)。

然后把为模拟的CFM300检测器识别的本征向量减少到三个期望的模式，包括驱动模式、扭转模式和弯曲模式。然后对这三个期望的模式计算对应的固有频率ω和阻尼ζ的值： ${\mathrm{\ω}}_n=\left[\begin{array}{c}73.47\\ 184.53\\ 466.49\end{array}\right]$ 以及 $\mathrm{\ζ}=\left[\begin{array}{c}0.05\\ 0.05\\ 0.05\end{array}\right]$ 采用三个转换器位置，包括靠近U形管结构中央设置的转换器和关于中央转换器对称地设置的左右转换器。

根据MRMV技术，关于某种结构的FRF矩阵最好在靠近该结构的共振峰值的频率处计算，因为这些频率处的信噪比一般比非共振频率处的要高些。最好，在所关注模式的估算共振频率处和半功率点处，以及在关注的频率范围的最大频率处确定频率响应值。对于模拟的CFM300检测器，在所得到的十个频率处(包括最大频率500Hz)计算的FRFH为：

如所示，FRF矩阵H具有实部和虚部。这些实部和虚部构成了公式的无关集，因而可以将FRF矩阵H重构为包括叠加在虚值之上的实值的3乘20矩阵。

除确定FRF矩阵之外，MRMV技术包括极点的识别，例如，为每种关注模式确定频率和阻尼。在根据本发明的自特征化检测器中，极点可用多种方式识别。对于某种类型的检测器，可以利用例如有限元模型或者由检测器群的实验分析产生的集合模型，产生极点估算值。或者，可以通过以下步骤来产生关于某个特定检测器的极点估算值：以某一特定频率激励该检测器；测量对应的频率响应；以及运用各种常见的曲线拟合技术之一产生极点估算值。

根据MRMV技术，把识别的极点λ_k用于产生表示第k个关注模式的SDOF向量，在FRF矩阵中所用的频率下计算： ${\mathrm{SDOF}}_K({\mathrm{\λ}}_K,\mathrm{\ω})=(\frac{-i}{i\·\mathrm{\ω}-{\mathrm{\λ}}_k}+\frac{i}{i\·\mathrm{\ω}+{\mathrm{\λ}}_k})\·i\·\mathrm{\ω},$ 其中 ${\mathrm{\λ}}_k=-({\mathrm{\λ}}_k\·{\mathrm{\ω}}_{n_k})+i\·{\mathrm{\ω}}_{n_k}\·\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}_k^2}$

得到关注模式的FRF矩阵H和SDOF向量，就可以确定该关注模式的倒易模态向量。具体来讲，第k种关注模式的FRF矩阵、SDOF向量和倒易模态向量的关系如下：

H·ψ_k＝SDOF_K，或者

ψ_k＝H^↑·SDOF_K，

其中H^↑是FRF矩阵H的广义逆矩阵。

对于上述的模拟CFM300检测器，弯曲(ψ_b)模式和扭转(ψ_t)模式的修正倒易模态向量(利用有限元分析识别出的极点)为： ${\mathrm{\ψ}}_b=\left[\begin{array}{c}0.4856\\ 1.109\\ 0.4856\end{array}\right],$ 以及 ${\mathrm{\ψ}}_t=\left[\begin{array}{c}2.5933\\ 0\\ -2.5933\end{array}\right].$ 正如所料，在每个向量中，模拟CFM300检测器的对称设置的左右转换器的输出被给予相等的加权值，而弯曲模式的向量比扭转模式的向量给予中央转换器输出的加权值大。可以将修正倒易模态向量组合，构成近似于上述本征向量矩阵Φ的行为的模态滤波器矩阵。

图5说明自特征化参数检测器5的实施例，它可以工作而运用MRMV技术来估算检测器的模态参数。模态参数估算器30包括频率响应确定装置510，用来产生导管103的多个位置在一定频率范围上的多个频率响应。激励确定装置560确定加在导管103上的激励，向频率响应确定装置510提供加在导管103上的激励的测量值，以便可以获得导管组件上多个位置的频率响应测量值。但是，本领域的技术人员应该明白可以用其他方式确定激励电平。例如，可以假定或者可以根据激励器104的驱动命令得出激励电平，这就使图5所示的激励确定装置560变成不必要的。

产生FRF矩阵525的装置520响应所述频率响应确定装置510，产生包括导管103的多个位置处(列)的在多个频率上(行)的频率响应值的FRF矩阵525。SDOF向量产生装置530产生表示极点识别装置540所识别的导管103的极点的固有频率和阻尼信息的SDOF向量535。极点识别装置540可以响应频率响应确定装置510，例如，利用上述各种常见的极点识别技术之一原位产生极点估算值。或者，极点识别装置540可以利用离线技术、如上述的有限元建模来识别导管103的极点。用于产生模态滤波器参数的估算值的装置550响应FRF矩阵产生装置520和SDOF向量产生装置530，从FRF矩阵525和SDOF向量535中产生模态滤波器参数的估算值35。

本领域的技术人员应该明白，图5所示的激励确定装置560、频率响应确定装置510、极点识别装置540、SDOF向量产生装置530、FRF矩阵产生装置520以及模态参数估算值产生装置550可以用例如计算机或其他数据处理装置、如图2所示的计算机50来实现。应当明白，图5所示的装置一般可以用专用硬件、运行在专用或通用计算硬件上的软件或固件、或者它们的组合来实现。

图6说明根据本发明、利用MRMV技术估算模态滤波器参数的操作600。在一定频率范围上激励导管(方框610)。接收表示对导管的多个位置上的激励的物理响应的运动信号(方框620)。根据所接收的多个运动信号，在所述频率范围上，关于多个位置确定多个频率响应(方框630)。然后根据所述多个频率响应产生FRF矩阵(方框640)。识别导管的极点(方框650)，并由此产生SDOF向量。根据所述FRF矩阵和SDOF向量产生模态滤波器参数的估算值(方框670)。

本领域的技术人员应该知道，上述的频率响应测量可以用多种方式实现。例如，可以执行正弦扫描，利用一系列基本相干的周期性激励依次激励导管，在各激励频率上执行频率响应测量。或者，用具有一定频率范围内频率的多个周期性分量的宽带激励激发导管，利用诸如快速傅里叶变换(FFT)技术之类的技术在该频率范围上执行频率响应测量。本领域的技术人员应该明白，极点识别处理(方框650)可以在频率响应测量处理(方框630)之前离线进行，也可以如上所述、响应所述频率响应测量处理而执行。

自适应模态滤波

根据本发明的自适应模态滤波器方面，当在原位运行参数检测器时，迭代地产生模态滤波器参数的相继估算值。构成模态滤波器向量的初始估算值

(即，模态滤波器系数的初始估算值)。初始估算值可以是零向量或者最好与所期望结果差异不大以导致收敛问题的其他值。初始模态滤波器向量加在根据从导管组件上的转换器接收的运动信号推导出的实际运动值x_k，产生该检测器的模态响应的初始估算值

。可以将误差定义为时间k的估算模态响应 和“真实”模态响应η_k之差： $e_k={\mathrm{\η}}_k-{\widehat{\mathrm{\η}}}_k----\left(3\right)$ 可以利用误差e_k来修改模态滤波器，从而使估算模态响应

与真实模态响应η_k一致。但是，真实模态响应η_k一般是未知的，所以根据本发明，采用具有与振动导管型检测器的真实模态行为高度相关的参考模态响应η^r _k的参考模态系统来提供用于调整模态滤波器参数的信息。参考模态系统可以根据由该系统的关注模式的极点构造的SDOF模型来产生。参考模态系统的连续时间SDOF系统模型由以下公式给出：其中η^r是参考模态响应。

公式(4)可以被转换成适合在数字计算机中实现的离散形式：

其中f是加在导管上的激励，例如力或者力的某种量度、如激励器电流。公式(5)可以在一系列时间阶段上运用，通过连续产生模态滤波器向量的修正估算值

使误差e_k减至最小。利用最小均方(LMS)技术可以获得某个解。可以采用各种LMS技术、如归一化LMS技术，或者其他自适应技术、如格型滤波器、卡尔曼滤波器或者自适应最小均方法。

根据示范性技术，使误差平方e_k ²最小化。对于第k个时间样本，计算误差e_k ²的梯度的估算值 ，调整估算的模态滤波器向量

，使得采取梯度 以下的步阶来减小误差e_k ²。梯度的估算值

由如下公式给出： ${\widehat{\▿}}_k=\frac{\∂e_k^2}{\∂{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k}=2e_k\frac{\∂e_k}{\∂{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k}=2e_k(-{\mathrm{\χ}}_k)----\left(6\right)$ 在每次迭代时，

通过减去梯度的小倍数得以调整：

        ψ_k+1＝ψ_k+2μe_kx_k            (7)其中μ是一般确定收敛速度和稳定性的自适应增益。

对于多输入的情况，某种模式的响应可以被看作多个输入力所导致的结果。这些输入力中每个力的影响可以由通常复合力支配系数{l}的未知向量来描述。关于这种情况的参考模型由如下公式给出：其中{f_k}是所加的力的向量。参考系统由模态力来驱动，所述模态力包括按照力支配系数{l}加权的输入力{f_k}之和。对应的参考模态坐标可以通过驱动N_I个参考模型来产生：

·

·(9)

·

通过N_i个未加权的力，利用力支配向量{l}来构成N_i个参考模态坐标的加权平均值：

                 ＝{l}^T{η_k ^(r)}“总的”标量模态坐标响应η^r _k是由模态参与向量{l}和与各个输入力相关的部分标量模态坐标{η^(r) _k}向量的内积推导出来的。

然后由如下公式给出多输入模态滤波器误差： $e_k={\mathrm{\η}}_k^r-{\widehat{\mathrm{\η}}}_k$ $={\left\{l\right\}}^T\left\{{\mathrm{\η}}_k^{\left(r\right)}\right\}-{\left\{\mathrm{\ψ}\right\}}^T\left\{{\mathrm{\χ}}_k\right\}----\left(11\right)$

以此形式，问题的解同时得到模态滤波器向量{ψ}和力支配或模态参与向量{l}。要避免的平凡解是这样的零误差解，其中模态滤波器向量{ψ}和力支配向量{l}均为零。这可以通过使系数之一归一化成预定的数值，如1来实现。例如，如果l₁被归一化为1，则公式(11)变为：

这种方法有一个潜在缺点：如果l_i系数接近于零，则该问题可能是病态的，并且可得到不精确的结果。另一种解法涉及对解向量加以范数约束，其中例如将解向量的范数约束为1。这种方法避免了病态问题，但是可能对测量数据中的噪声更敏感。

图7说明根据本发明、利用自适应模态滤波技术的参数检测器5的实施例。一个或多个激励器104将激励加在导管103上，转换器105对此响应而产生运动信号。模态参数估算器30包括激励确定装置710，用于确定加在导管103上的激励。把所确定的激励加在装置720上，用于产生参考模态响应725、即参考模态系统的响应。用于产生检测器模态响应的估算值、例如估算模态滤波器的装置730对转换器104作出响应，根据提供至此的模态滤波器参数的估算值745产生估算的模态响应735。设置装置750，用来确定估算的模态响应735与参考模态响应725之间的误差755。设置装置740，用来根据误差755产生模态滤波器参数的估算值745。

本领域的技术人员应该明白，图7所示的激励确定装置710、参考模态响应产生装置720、模态响应估算值产生装置730、误差确定装置750以及模态滤波器参数估算值产生装置740可以在例如计算机或其他数据处理装置、如图2所示的计算机50中实现。应当明白，一般，图7所示装置可以用专用硬件、在专用或通用计算硬件上运行的软件或固件、或它们的组合来实现。

图8说明利用自适应模态滤波产生模态滤波器参数的估算值的操作800。确定加至检测器导管的激励(方框810)，将所确定激励加至参考模态系统以产生参考模态响应(方框820)。将模态滤波器应用于表示检测器导管对所加激励的响应的运动信号上，根据模态滤波器参数的估算值产生估算的模态响应(方框830)。根据估算的模态响应与参考模态响应之间的误差产生模态滤波器参数的新估算值(方框840)。如果误差无法满足预定标准(方框850)，例如，如果误差或其某种形式大于预定阈值，则重复方框810-840的操作，直到满足该标准为止。

图9说明本发明的另一个方面，具体来讲，说明用于产生模态滤波器参数的估算值的操作900，其中按照上述公式(5)执行离散计算周期。产生模态滤波器参数的初始估算值(方框905)。确定在时间k加至检测器导管的激励(方框910)，并由此产生参考模态响应值η_k ^r(方框915)。接收表示检测器导管在物理域上的运动的运动信号(方框920)，确定运动值x_k(方框925)，并由此产生估算的模态响应值η_k。然后确定估算的模态响应与参考模态响应之间的误差(方框935)，并利用例如上述公式(7)、根据该误差产生模态参数的新估算值(方框940)。如果误差不满足预定标准，例如数值大于预定的阈值，则重复估算处理过程(方框945-950和方框910-940)，直到满足预定标准。

应当明白，图4、6和8-9所示流程图中方框或方框的组合可以用计算机可读的程序代码、例如计算机或数据处理器、如图2所示的计算机50中操作的程序指令和/或数据来实现。正如此处所采用的，计算机可读的程序代码可包括但不限于操作系统命令之类的(例如目标代码)、高级语言指令等以及可以读取、访问或结合这种程序指令使用的数据。

程序代码可以装入计算机或类似的数据处理装置，包括但不限于微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等。程序代码与计算机的组合可以提供用来实现流程图的某方框或某些方框中指定的一种或多种功能的装置。类似地，程序代码可以装入计算机或数据处理装置，使得程序代码和计算机提供用来执行流程图某方框或某些方框中指定的功能或多个功能的装置。

程序代码还可以存储在计算机可读的存储媒体、诸如磁盘或磁带、磁泡存储器、可编程存储器件、如电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)等中。所存储的程序代码可以使访问存储媒体的计算机面向功能，使得存储在存储媒体中的程序代码组成包括用于实现流程图某方框或某些方框中指定的一种或多种功能的程序代码工具的产品。程序代码还可以装入计算机，使一系列的操作步骤得以执行，从而实现处理过程，使得程序代码与计算机的结合提供实现流程图一个或多个方框中所指定的各功能的步骤。因此，流程图的各方框支持可用来执行指定功能的装置、用来执行指定功能的装置的组合、执行指定功能的步骤的组合、以及用于执行指定功能的嵌入计算机可读存储媒体中的计算机可读程序代码工具。

还应当明白，流程图中每个方框和流程图中各方框的组合可由专用硬件、运行于通用计算机上的软件或固件、或者它们的组合来实现。例如，流程图的方框的功能可以由专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列或类似的专用装置来实现，或者通过装入微处理器、微控制器、DSP或其他通用计算装置并由其执行的程序指令和数据来实现。

如上所述，振动导管参数检测器、例如科里奥利流量计、振动管密度计等包括模态参数估算器，可用来响应检测器的转换器产生的运动信号、估算检测器的模态参数。模态参数可以用许多技术来估算。例如，模态滤波器参数可以利用修正倒易模态向量(MRMV)估算技术或自适应模态滤波技术来估算。估算的模态滤波器参数可以用来产生力投影参数以便选择性地激励检测器导管的一种或多种模式。这些技术可以在本发明的范围内以附加方式进行修改。例如，实现改进的测量方法可以利用估算的模态滤波器和力投影参数来优先激励检测器导管的某一种模式，以便可以获得关于该模式的更精确的估算值、例如极点估算值、频率响应估算值等，进而将其用于产生更精确的模态参数估算值。

本申请的附图和说明书公开了本发明的实施例。虽然使用了具体术语，但是仅在广义和描述性意义上使用这些术语，而不是为了限定。可以预见，本领域的技术人员可以并将设计、采用或出售或者在字面上或者依据等价物原则、在下列权利要求书的范围内的替代的实施例。

Claims (27)

1.一种用于测量材料的处理参数的装置5，它具有：材料流经其中的导管103A-103B；贴在所述导管103A-103B上、振动所述导管103A-103B的激励器104；以及贴在所述导管103A-103B上、用来产生表示所述导管上的多个位置的运动的多个运动信号的运动转换器105-105′，所述装置5包括：

第一电路30，它被配置成接收所述多个运动信号，并且用来根据所述接收的多个运动信号估算模态参数35，所述模态参数使所述导管103A-103B的行为与单自由度(SDOF)系统的行为相关；以及

第二电路40，它被配置成从所述多个运动转换器接收所述多个运动信号，从所述第一电路30接收所述模态参数35，以及按照所述估算的模态参数、根据所述接收的多个运动信号来估算所述材料的处理参数45。

2.如权利要求1所述的装置5，其特征在于：所述第一电路30包括被配置成产生模态滤波器参数的估算值的电路。

3.如权利要求2所述的装置5，其特征在于：被配置成产生模态滤波器参数的估算值的所述电路包括：

响应所述多个运动转换器的电路，它被配置成根据所述多个运动信号、确定在一定频率范围上关于所述多个位置的多个频率响应；以及

响应被配置成确定多个频率响应的所述电路的电路，它被配置成根据所述确定的多个频率响应、产生模态滤波器参数的估算值。

4.如权利要求1所述的装置5，其特征在于：所述激励器104用来以具有某个激励频率的相干周期性激励来激励所述导管103A-103B；以及被配置成产生多个频率响应的所述电路包括用于确定在所述激励频率下、关于所述多个位置的多个频率响应值的装置。

5.如权利要求1所述的装置5，其特征在于：所述激励器104用来以包含多个周期性分量的激励来激励所述导管103A-103B；所述多个周期性分量中各个分量具有与之相关的各个频率，而且所述周期性分量的所述频率分布在所述频率范围上；以及用来确定多个频率响应的所述装置包括用来确定所述频率范围上的多个频率响应值的装置。

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，被配置成产生模态滤波器参数的估算值的所述电路包括：

电路520，它响应用来产生多个频率响应的所述装置，被配置成根据所述多个频率响应产生频率响应函数(FRF)矩阵；

电路540，它响应用来产生FRF矩阵的所述装置，被配置成识别与所述检测器的某种模式对应的极点；

电路530，它响应用来识别极点的所述装置，被配置成根据所识别的极点产生SDOF向量；以及

电路550，它响应所述配置成产生FRF矩阵的电路和配置成产生SDOF向量的电路，被配置成根据所述估算的FRF矩阵和所述估算的SDOF向量产生模态滤波器参数的估算值。

7.如权利要求2所述的装置5，其特征在于，被配置成产生模态滤波器参数的估算值的所述电路包括：

被配置成确定加至所述导管的激励的电路；

响应所述激励确定装置的电路710，它被配置成响应所述确定的激励产生参考模态响应；

响应所述多个运动转换器的电路720，它被配置成按照所述模态滤波器参数的估算值、根据所述多个运动信号产生估算的模态响应；以及

电路740，它响应用来产生参考模态响应的所述装置和用来产生估算的模态响应的所述装置，被配置成根据所述估算的模态响应与所述参考模态响应间的误差产生所述模态滤波器参数的新估算值。

8.如权利要求1所述的装置5，其特征在于，所述第二电路40包括配置成产生使SDOF系统中的力与所述导管的激励相关的力投影参数的估算值，以及所述驱动器响应被配置成产生力投影参数的估算值的所述电路，并且用来根据所述力投影参数的所述产生的估算值、响应模态力命令将驱动信号加至所述激励器。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第二电路包括用来估算质量流量的装置。

10.一种使检测器5特征化的方法400，所述检测器包括配置成容纳来自材料处理系统1的材料的导管103A-103B和工作时与所述导管103A-103B相关的多个运动转换器105-105′，所述方法包括以下步骤：

410激励所述导管；

420从所述多个运动转换器接收多个运动信号，所述多个运动信号表示响应所述激励的所述导管上多个位置上的运动；以及

430根据所述接收的多个运动信号产生检测器5的模态参数的估算值，所述模态参数使所述导管的行为与单自由度(SDOF)系统的行为相关。

11.如权利要求10所述的方法400，其特征在于：产生模态参数的估算值的所述步骤包括产生使所述导管的运动与SDOF系统的运动相关的模态滤波器参数的估算值的步骤。

12.如权利要求11所述的方法400，其特征在于：

所述激励步骤410包括在一定频率范围上激励所述导管的步骤610；以及

产生模态滤波器参数的估算值的所述步骤420包括以下步骤：

630根据所述接收的多个运动信号确定所述频率范围上关于所述多个位置的多个频率响应；以及

670根据所述确定的多个频率响应、产生所述检测器的模态滤波器参数的估算值。

13.如权利要求12所述的方法400，其特征在于：

所述激励步骤410包括以具有第一激励频率的相干周期性激励来激励所述导管的步骤610；

所述接收步骤包括在以所述第一激励频率激励所述导管的同时、接收表示所述导管的运动的多个第一运动信号；

确定多个频率响应的所述步骤420包括根据所述多个第一运动信号、确定关于所述多个位置的所述第一激励频率下的多个第一频率响应值的步骤；

所述激励步骤410还包括以具有第二激励频率的相干周期性激励来激励所述导管的步骤610；

所述接收步骤还包括在以所述第二激励频率激励所述导管的同时接收表示所述导管的运动的多个第二运动信号的步骤；以及

确定多个频率响应的所述步骤420还包括根据所述多个第二运动信号确定关于所述多个位置的在所述第二激励频率下的多个第二频率响应值的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：

所述激励步骤410包括施加包含多个周期性分量的激励的步骤，各个所述周期性分量具有各自与之相关的频率，并且所述周期性分量的所述频率分布在所述频率范围上；

所述接收步骤包括在以包含多个周期性分量的所述激励来激励所述导管的同时、接收表示所述导管的运动的多个运动信号的步骤；以及

确定多个频率响应的所述步骤还包括确定在所述频率范围上关于所述多个位置的多个频率响应值的步骤。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，产生模态滤波器参数的估算值的所述步骤430包括以下步骤：

640根据所述多个频率响应，产生频率响应函数(FRF)矩阵；

650识别对应于所述检测器的某一模式的极点；

660根据所述识别的极点产生SDOF向量；以及

670根据所述估算FRF矩阵和所述估算的SDOF向量产生模态滤波器参数的估算值。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，产生模态滤波器参数的估算值的所述步骤430包括以下步骤：

910确定加至所述导管的激励；

925将所确定的激励加至参考模态系统以产生参考模态响应；

930将模态滤波器应用在所述多个运动信号上，从而根据所述模态滤波器参数的估算值产生估算的模态响应；以及

940根据所述估算的模态响应和所述参考模态响应之间的差异，产生所述模态滤波器参数的新估算值。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述确定步骤、所述施加步骤和所述产生步骤被反复执行，直到所述估算的模态响应与所述参考模态响应之间的误差满足预定标准为止。

18.如权利要求10所述的方法，其特征在于包括以下步骤：

915产生参考模态响应值；

920产生所述模态滤波器参数的估算值；

925确定某一时刻的运动值；

930根据所述模态滤波器参数的所述估算值和所述运动值，产生估算的模态响应值；

935确定所述估算的模态响应值与所述参考模态响应值之间的误差；以及

940根据所述模态滤波器参数的前一个估算值、所述运动值和所确定的误差，产生所述模态滤波器参数的新估算值。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于：产生模态响应值、确定运动值、产生估算的模态响应值、确定误差以及产生所述模态滤波器参数的新估算值的所述各步骤被反复执行，直到所述估算的模态响应值与参考模态响应值之间的误差满足预定标准为止。

20.如权利要求10所述的方法，其特征在于还包括确定加至导管的激励的步骤，估算模态参数的所述步骤包括根据所述确定的激励和所述多个运动信号估算模态参数的步骤。

21.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述检测器包括工作时与所述导管相关联的激励器，以及所述激励步骤包括用所述激励器激励所述导管的步骤。

22.如权利要求10所述的方法，其特征在于：产生模态参数的估算值的所述步骤包括产生使SDOF系统中的力与加至所述导管的激励相关的力投影参数的估算值的步骤。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述激励步骤包括根据所产生的所述力变换的估算值激励所述导管的步骤。

24.如权利要求10所述的方法，其特征在于：

所述激励步骤在估算所述检测器的多种模式的步骤之前；以及

所述激励步骤包括将激励加至导管，用来优先激励所估算的模式之一的步骤。

25.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在产生模态参数的估算值的所述步骤之后进行以下步骤：

在所述导管中容纳来自所述材料处理系统的材料；

从所述多个运动转换器接收多个运动信号；以及

响应所述模态参数的所述估算值，产生关于所述材料处理系统的处理参数的估算值。

26.如权利要求23所述的方法，其特征在于：产生处理参数的所述步骤包括估算流经所述导管的质量流量的步骤。

27.如权利要求24所述的方法，其特征在于：产生处理参数的估算值的所述步骤之后接着以下步骤：

产生所述模态参数的新估算值；

在所述导管中容纳来自所述材料处理系统的材料；

从所述多个运动转换器接收多个运动信号；以及

响应所述模态参数的所述新估算值，产生处理参数的估算值。

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