CN1502036A - 利用模式选择性滤波技术的质量流量测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

通过对表示导管(100)运动状况的多个运动信号(109)进行模式选择性滤波，产生多个模式选择性滤波后运动信号(315)，使这些模式选择性滤波后运动信号能够很好地表示与导管振动模式有关的运动状况，从而估计导管内材料的质量流量。从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计(325)。从多个相位估计产生质量流量估计(335)。可以利用从多个模式选择性滤波后运动信号之一得到的相位基准(620)估计多个相位估计。在一些实施方案中，估计多个模式选择性滤波后运动信号的模式选择性滤波后运动信号的频率(710)。在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号(720)。从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计(740)。可以从多个相位估计产生多个时间差估计b，从多个时间差估计产生质量流量估计(630)。可以利用从模式选择性滤波后运动信号估计出来的模式频率，除多个相位估计，从多个相位估计产生多个时间差估计。本发明可以用方法或者装置来实现。

Description

利用模式选择性滤波技术的质量流量测量方法和装置

技术领域

本发明涉及传感器和相关方法，具体而言，涉及质量流量测量方法和装置。

背景技术

许多传感器应用都涉及机械振动或者其它运动的检测。利用这种运动检测技术的传感器实例有科里奥利质量流量计和振动管密度计。这些装置通常都有一个导管或者受到周期性驱动的也就是振动的其它容器。与导管或者容器内所装材料有关的质量流量、密度之类特性可以通过处理容器结构上安装的运动传感器的信号来加以确定，因为填充了材料的振动系统的振动模式一般都会受到导管或者容器结构的总质量、刚性和阻尼特性和其中材料的影响。

典型的科里奥利质量流量计系统中有一个或者多个导管，它们连接成一个管道，或者有其它输送系统和输送材料，例如流体、淤浆等等。可以认为每个导管都有一组自然振动模式，例如有简单弯曲、扭转、径向和耦合模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，当材料流通过导管的时候会激励导管，让它以其自然振动模式中的一个模式谐振，在导管的一些点上测量导管的运动。激励通常都是通过一个激励器，例如声音线圈类型驱动器这种电动机械装置，来实现的，这样的装置会以周期性的方式扰动导管。Smith的第4109524号美国专利、Smith等等的第4491025号美国专利和Smith的Re.31450描述了一些科里奥利质量流量计的实例。

可惜，因为导管结构的非线性性和不对称性、与流量计连接的泵和压缩机产生的力这样的外力引起的运动以及因为流经流量计导管的材料的压力产生的运动，传统科里奥利质量流量计的精度大打折扣。这些力的影响一般都是通过适当的流量计设计来加以减轻，在这些设计中减小外部振动的影响，也可以利用频域滤波器，例如带通滤波器，滤除运动信号中激励频率以外的分量，从而减小它们的影响。但是，机械滤波方法常常受到机械因素限制，例如受到材料限制、安装方面的限制、重量限制、尺寸限制等等，并且频域滤波在去除激励频率附近不需要的振动分量的时候显得不太有效。

发明内容

根据本发明的实施方案，导管内材料的质量流量是通过对说明导管内运动情况的多个运动信号进行模式选择性滤波，产生多个模式选择性滤波后的运动信号，从而使这些模式选择性滤波后的运动信号能够更好地代表导管的振动运动，来进行估计的。从多个模式选择性滤波后的运动信号产生多个相位估计。从这些多个相位估计产生一个质量流量估计。可以利用从多个模式选择性滤波后的运动信号中的一个得到的相位基准来估计这里的多个相位估计。

在本发明的一些实施方案中，对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域内产生多个模式响应信号。对这多个模式响应信号进行模式选择性变换，产生多个模式选择性滤波后的运动信号。在本发明的其它实施方案中，估计多个模式选择性滤波后的运动信号的一个模式选择性滤波后的运动信号的频率。在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号。从多个模式选择性滤波后的运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计。

在本发明的另外一些实施方案中，从多个相位估计产生多个时间差估计，从多个时间差估计产生质量流量估计。可以通过将多个相位估计除以模式频率产生多个时间差值，从多个相位估计产生多个时间差估计。可以将多个零流量基准时间差应用于多个时间差值，产生多个时间差估计。可以从利用多个运动信号产生的模式运动信号估计模式频率。还可以从模式频率估计估计导管内的材料的密度。

根据本发明的其它方面，可以利用多个运动信号之一作为时间基准，产生相似的多个差估计，处理表示导管运动状况的多个运动信号，估计将多个差估计与表示已知质量流量情况下导管运动情况的相似的多个基准差关联起来的定标函数的斜率参数，从而确定导管内材料的质量流量。

在本发明的一些实施方案中，产生包括多个基准差的一个增广矩阵。将这多个差估计乘以这个增广矩阵的假逆，以确定这个斜率参数。在其它实施方案中，将这多个差估计乘以基准时间差的假逆，以确定斜率参数。也可以对定标参数进行迭代估计，利用例如最小均方(LMS)估计程序确定斜率参数。

根据本发明的其它方面，所述装置包括一个导管用来装材料。将多个运动换能器与导管一起使用，产生表示导管运动状况的多个运动信号。一个信号处理电路接收这多个运动信号，对这多个运动信号进行模式选择性滤波，产生多个模式选择性滤波后运动信号，从而使模式选择性滤波后运动信号能够更好地表示与导管的振动模式有关的运动。该信号处理电路从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计，从这多个相位估计产生一个质量流量估计。这个信号处理电路能够利用从多个模式选择性滤波后运动信号之一得到的相位基准产生多个相位估计。

根据本发明的另一些实施方案，所述装置包括一个导管和与导管一起使用的多个运动换能器，产生表示导管运动状况的多个运动信号。信号处理电路接收这多个运动信号，处理这多个运动信号，将多个运动信号中的一个用作时间基准，产生相似的多个差估计。这个信号处理电路估计定标函数的斜率参数，它将多个差估计与表示已知质量流量运动状况的相似的多个基准差联系起来，从估计出来的斜率参数和已知质量流量产生质量流量估计。该信号处理电路可以产生包括多个基准差的一个增广矩阵，并且可以将这多个差估计乘以这个增广矩阵的一个的伪逆，以估计斜率参数。这个信号处理电路也可以将这多个差估计乘以基准时间差的假逆来确定斜率参数。这一信号处理过程同样可以以迭代方式估计定标函数。

根据本发明的其它方面，估计导管内材料的质量流量的计算机程序产品包括计算机可读存储媒介，上面有计算机可读程序代码，储存在计算机可读存储媒介中。计算机可读程序代码包括进行质量流量估计的计算机可读程序代码，对表示导管运动状况的多个运动信号进行模式选择性滤波，产生多个模式选择性滤波后运动信号，从而使模式选择性滤波后运动信号能够更好地表示与导管振动模式有关的运动状况，从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计，从多个相位估计产生质量流量估计。进行质量流量估计的计算机可读的程序代码可以利用从多个模式选择性滤波后运动信号之一得到的相位基准产生多个相位估计。例如，进行质量流量估计的计算机可读的程序代码可以估计多个模式选择性滤波后运动信号的模式选择性滤波后运动信号的频率，在估计出来的频率的基础之上产生第一个和第二个基准信号，从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计。

根据其它实施方案，用于质量流量估计的计算机可读程序代码从多个相位估计产生多个时间差估计，从多个时间差估计产生质量流量估计。用于质量流量估计的计算机可读程序代码可以将模式变换应用于多个运动信号，在模式坐标域产生一个模式运动信号，从模式运动信号估计模式频率，用估计出来的模式频率从多个相位估计产生多个时间差估计。计算机可读程序代码还可以包括用于密度估计的计算机可读程序代码，从估计出来的模式频率估计导管内的材料密度。

根据本发明的其它方面，嵌入在计算机可读存储媒介中的计算机可读程序代码包括用于估计质量流量的计算机可读程序代码，它将多个运动信号之一用作时间基准，处理表示导管运动状况的多个运动信号，产生相似的多个差估计，估计将多个差估计与表示已知质量流量情况下导管运动状况的相似的多个基准差联系起来的定标函数的斜率参数，从估计出来的斜率参数和已知质量流量产生质量流量估计。用于估计质量流量的计算机可读的程序代码可以产生包括多个基准差的一个增广矩阵，将多个差估计乘以这个增广矩阵的假逆，以确定斜率参数。用于估计质量流量的计算机可读程序代码也可以将多个差估计乘以基准时间差的假逆，以确定斜率参数。用于估计质量流量的计算机可读程序代码还可以以迭代方式估计定标函数。

可以看出，一方面，本发明是一种装置，它有多个运动换能器，与一种结构一起，产生表示结构运动状况的多个运动信号；还是这样一种装置，它对表示结构运动状况的多个运动信号进行滤波处理；以及产生多模式选择性滤波后运动信号，从而使模式选择性滤波后运动信号能够更好地表示与这种结构的振动模式相关联的运动状况的一种装置。

这种装置最好还包括一种装置，用来从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计。

该装置最好还包括一种装置，用来从多个相位估计产生质量流量估计。

该装置最好还有一种装置，用来在多个模式选择性滤波后运动信号之间产生多个时间差估计；从多个时间差估计产生相关度量的一种装置；以及从产生的相关度量确定质量流量计系统状态的一种装置。

产生多个相位估计的装置最好有一种装置，利用从多个模式选择性滤波后运动信号之一得到的相位基准产生多个相位估计。

用于进行模式选择性滤波的这种装置最好是有一种装置用来对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域产生多个模式响应信号；对多个模式响应信号进行模式选择性变换，产生多个模式选择性滤波后运动信号的装置。

产生多个相位基准的装置最好是有一种装置用来估计多个模式选择性滤波后运动信号的一个模式选择性滤波后运动信号的频率；在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号的装置；以及从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位基准的装置。

从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计的装置最好有一种装置用来将模式选择性滤波后运动信号乘以第一个和第二个基准信号中相应的那些个，产生模式选择性滤波后运动信号相应的实部分量和虚部分量；估计模式选择性滤波后运动信号的实部分量和虚部分量之商的反正切，产生相位估计的装置。

该装置最好还有一种装置，用来从多个相位估计产生多个时间差估计。

该装置最好还有一种装置，用来从多个时间差估计产生质量流量估计。

从多个相位估计产生多个时间差估计的装置最好还有一种装置，用来将多个相位估计除以一个模式频率，产生多个时间差值。

从多个相位估计产生多个时间差估计的装置最好还有一种装置，将多个零流量基准时间差应用于多个时间差值，产生多个时间差估计。

用于进行模式选择性滤波的装置最好还包括一种装置，对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域内产生一个模式运动信号，以及从模式运动信号估计模式频率的装置。

这种装置最好还有一种装置用来从估计出来的模式频率估计导管内材料的密度。

这种装置最好还有一种装置用来估计将多个时间差估计与表示已知扰动情况下所述结构运动的多个基准时间差联系起来的定标函数的参数。

该装置中的扰动最好是质量流量。

估计参数的装置最好还有一种装置，用来产生包括多个基准时间差的一个增广矩阵；以及一种装置，用来将多个时间差估计乘以这个增广矩阵的假逆，以确定所述参数。

估计参数的装置最好还包括以迭代方式估计定标函数的步骤。

以迭代方式估计参数的装置最好还包括应用最小均方(LMS)估计程序的步骤。

估计参数的装置的前面最好有装置用来处理表示已知扰动情况下结构运动状况的多个运动信号，产生多个基准时间差。

定标函数的参数最好是一个斜率参数，还有一种装置用来从斜率参数和已知的质量流量产生质量流量估计。

估计斜率参数的装置最好还有一种装置，用来将多个时间差估计乘以多个基准时间差的假逆，以确定斜率参数。

定标函数的参数最好是一个截距参数，还有一种装置用来从截距参数确定系统状态。

用于模式选择性滤波的装置前面最好有一个装置用来从与所述结构连接的多个运动换能器接收多个运动信号，其中确定系统状态的装置有一种装置用来从截距参数确定运动换能器的状态。

该装置最好还有一种装置用来从估计出来的模式频率估计结构中材料的密度。

该装置最好还有一种装置用来估计多个模式选择性滤波后运动信号中第一个模式选择性滤波后运动信号的频率；以及一种装置用来从多个模式选择性滤波后运动信号的第二个模式选择性滤波后运动信号和估计出来的频率产生差估计。

产生差估计的装置最好还有一种装置用来在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号；以及一种装置用来从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生差估计。

从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生差估计的装置最好还有一种装置，用来从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生相位估计；以及一种装置用来从所述相位估计产生时间差估计。

从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生相位估计的装置最好还有一个装置用来将第二个模式选择性滤波后运动信号乘以第一个和第二个基准信号，产生第二个模式选择性滤波后运动信号相应的实部分量和虚部分量；以及一个装置用来估计第二个模式选择性滤波后运动信号实部分量和虚部分量之商的反正切，产生相位估计。

可以看出，另一方面，本发明是一种装置的工作方法，该方法包括估计结构运动状况的步骤，对表示结构运动状况的多个运动信号进行模式选择性滤波的步骤；以及产生表示与结构的振动模式相联系的运动的多个模式选择性滤波后运动信号的步骤。

该方法最好还包括从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计的步骤。

该方法最好还包括从多个相位估计产生质量流量估计的步骤。

该方法最好还包括以下步骤：从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个时间差估计；以及从多个时间差估计产生相关度量；和

从产生的相关度量确定质量流量计的系统状况。

该方法中产生多个相位估计的步骤最好包括利用从多个模式选择性滤波后运动信号之一得到的相位基准产生多个相位估计的步骤。

该方法中应用模式选择性滤波器的步骤最好还包括以下步骤：对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域内产生多个模式响应信号；对多个模式响应信号进行模式选择性变换，产生多个模式选择性滤波后运动信号。

该方法中产生多个相位估计的步骤最好还包括以下步骤：估计多个模式选择性滤波后运动信号的一个模式选择性滤波后运动信号的频率；根据估计出来的频率产生正交的第一个和第二个基准信号；从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计。

该方法中从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计的步骤最好有以下步骤：将模式选择性滤波后运动信号乘以第一个和第二个基准信号中相应的那些个，产生模式选择性滤波后运动信号相应的实部分量和虚部分量；估计模式选择性滤波后运动信号的实部分量和虚部分量之商的反正切，产生相位估计的步骤。

该方法最好还有从多个相位估计产生多个时间差估计的步骤。

该方法最好还有从多个时间差估计产生质量流量估计的步骤。

该方法中从多个相位估计产生多个时间差估计的步骤最好还有将多个相位估计除以一个模式频率，产生多个时间差值的步骤。

该方法中从多个相位估计产生多个时间差估计的步骤最好还有将多个零流量基准时间差应用于多个时间差值，产生多个时间差估计的步骤。

从多个相位估计产生多个时间差估计的步骤最好还包括用多个零流量相位校正多个相位估计。

该方法中用于进行模式选择性滤波的步骤最好还包括对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域内产生一个模式运动信号的步骤，该方法还包括从模式运动信号估计模式频率的步骤。

该方法最好还有一个步骤用来从估计出来的模式频率估计导管内材料的密度。

该方法最好还有一个步骤用来估计将多个时间差估计与表示已知扰动情况下所述结构运动的多个基准时间差联系起来的定标函数的参数。

这个方法中的扰动最好是质量流量。

估计参数的方法最好还有一个步骤，用来产生包括多个基准时间差的一个增广矩阵；以及一个步骤用来将多个时间差估计乘以这个增广矩阵的假逆，以确定所述参数。

该方法中估计参数的步骤最好还包括以迭代方式估计定标函数的步骤。

该方法中以迭代方式估计参数的步骤最好还包括应用最小均方(LMS)估计程序的步骤。

该方法申估计参数的步骤前面最好有步骤用来处理表示已知扰动情况下结构运动状况的多个运动信号，产生多个基准时间差。

该方法中定标函数的参数最好是一个斜率参数，还有一个步骤用来从斜率参数和已知的质量流量产生质量流量估计。

该方法中估计斜率参数的步骤最好还有一个步骤，用来将多个时间差估计乘以多个基准时间差的假逆，以确定斜率参数。

该方法中定标函数的参数最好是一个截距参数，还有一个步骤用来从截距参数确定系统状态。

该方法中用于模式选择性滤波的步骤前面最好有一个步骤用来从与所述结构连接的多个运动换能器接收多个运动信号，其中确定系统状态的步骤有一个步骤用来从截距参数确定运动换能器的状态。

该方法最好还有一个步骤用来从估计出来的模式频率估计结构中材料的密度。

该方法最好还有一个步骤用来估计多个模式选择性滤波后运动信号中第一个模式选择性滤波后运动信号的频率；以及一个步骤用来从多个模式选择性滤波后运动信号的第二个模式选择性滤波后运动信号和估计出来的频率产生差估计。

该方法中产生差估计的步骤最好还有一个步骤用来在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号；以及一个步骤用来从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生差估计。

该方法中从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生差估计的步骤最好还有一个步骤，用来从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生相位估计；以及一个步骤用来从所述相位估计产生时间差估计。

该方法中从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生相位估计的步骤最好还有一个步骤用来将第二个模式选择性滤波后运动信号乘以第一个和第二个基准信号，产生第二个模式选择性滤波后运动信号相应的实部分量和虚部分量；以及一个步骤用来估计第二个模式选择性滤波后运动信号实部分量和虚部分量之商的反正切，产生相位估计。

术语

模式选择性滤波器：模式选择性滤波器在物理-模式-物理域内工作，只将需要的模式传送给信号处理链路的其余部分。模式通过滤波器有一个模式滤波器，一个选择矩阵以及将模式信息转换回物理域的一个矩阵(通常都是利用模式形状矩阵，Φ，或者它的某个子集)。

模式选择矩阵：对角阵，对应于所需模式的位置上的元素等于1。

模式形状矩阵：缩减到所需物理位置的模式矩阵；模式域到物理域的变换。

振动模式：结构的独一无二特性，可以用它来说明结构如何对力做出响应(运动)。用数学术语来表示就是结构运动方程矩阵(有时叫做动力学矩阵)的一个本征矢量。

相位估计：两个正弦信号之间的差别(用弧度或者度表示)。任意正弦信号都可以分解成3个常数：幅度、相位和频率，它们就能够给定任意时刻t的信号值。传感器信号几乎就可以表示为正弦信号，它们都有一个共同的频率、幅度和相位。传感器信号之间的相位差正比于流量。

相关度量：相关度量描述的是输出量(例如运动、能量、δt等等)与输入量(例如力、能量、流量等等)之间相关的程度。可以用于确认被测和/或计算出来的值之间的假定关系(例如质量流量正比于时间延迟)是否成立。从相关良好变成相关很差就可能意味着假定的关系不再成立，例如是因为传感器发生了故障。相关不好也可能是因为有其它能量被注入该系统，而在初始设置或者标定的时候这个系统中没有该能量。例如，在驱动器中能量输入只有驱动力的实验室条件下工作得很好的科里奥利传感器，在空气注入引起的噪声流量的影响下可能给出错误的流量测量结果，因为此时显然存在其它能量。此时，相关度量，比如估计的标准差，就可以说明系统发生了变化。

模式变换：坐标系统从物理域到模式域的变换，定义为：x＝Φη，其中η是模式座标。模式坐标是可以被看成定义某些事情，然后再看它是不是一个有用定义的那些数学思想之一。。也可以被看成和在x-y平面内定义一个圆，它要求x和y都改变，到使用极坐标r和θ一样简单的一件事情，其中只有θ必须改变。到新坐标的变换能够使这一系统的描述更加简单。

正交的第一个和第二个基准信号：解调正弦信号的一种标准方法。解调是已知信号频率的时候，估计任一正弦信号幅度和相位的一种方法。凹口滤波器给出传感器信号的频率估计。从频率估计产生相同频率的两个正弦信号，它们互相相差90度(正交的含义，相位相差90度)，通常都是单位幅度。

定标函数：将信号乘以一个常数，或者常矢量。

增广矩阵：增广一个矩阵就是给指定矩阵增加一些行或者列。用来将未知矩阵与已知常数合并，全面地描述问题，也就是给矩阵增加1、0构成的行或者列(。用斜率参数来增广截距参数是一种标准的最小平方曲线拟合技术。

斜率和截距参数：等式y＝mx+b是直线的一个参数表示。m是斜率参数，b是截距参数。

增广矩阵的伪逆：从数学上来讲，一条直线完全可以用两个点来表示。但是，任意两个数据点的参数同时有未知的噪声分量。用2个点来表示一条直线会给这条直线带来估计噪声。用许多组数据点能够平均掉现实世界中的噪声，从而得到斜率和截距参数更好、噪声更小的估计。用一条直线拟合有大量噪声的许多点的一种方法是采用最小二乘技术。最小二乘技术的原理是使所有数据点偏离拟合直线的距离的和最小。假逆是进行最小二乘拟合处理的一种高效、标准方法。在假逆中采用增广矩阵能够在一次计算中同时找到斜率和截距参数。增广假逆的矩阵能够使最佳的拟合直线具有非零的截距参数，也就是说，它不必通过原点。

附图说明

图1是弯管流量传感器结构的一个原理示意图。

图2是直管流量传感器结构的一个原理示意图。

图3是说明本发明的实施方案中质量流量估计装置的原理示意图。

图4说明本发明其它实施方案中的信号处理电路。

图5说明本发明其它实施方案中的质量流量估计装置。

图6说明本发明的实施方案中的质量流量和密度估计装置。

图7说明本发明的实施方案中产生相位估计的装置。

图8说明本发明的其它实施方案中产生相位估计的装置。

图9说明本发明的实施方案中产生时间差估计的装置。

图10是说明本发明的实施方案中如何估计质量流量的一个流程图。

图11是本发明的其它实施方案中估计质量流量的流程图。

图12和13是本发明的质量流量估计过程中的波形图。

图14是本发明的实施方案中以迭代方式估计质量流量定标矢量的流程图。

图15是本发明的实施方案中产生相位估计的流程图。

图16是本发明的其它实施方案中估计质量流量的流程图。

图17是本发明的实施方案中产生差估计的流程图。

图18是本发明的实施方案中估计质量流量的流程图。

图19是本发明的实施方案中估计密度的流程图。

图20A、20B和21～27是说明本发明中系统变化的示例性影响的波形图。

图28～30是本发明的实施方案中监视系统状态和补偿系统变化的流程图。

具体实施方式

下面将参考说明本发明优选实施方案的附图，更加详细地介绍本发明。但是，本发明还可以用许多其它形式来实现，不应该理解为局限于这里给出的实施方案；相反，给出这些实施方案的目的是让这一介绍更加全面、更加完整，将本发明的范围全部告诉本领域中的技术人员。在整个说明中相似的数字指相似的部件。如同本领域中的技术人员会明白的一样，本发明可以作为系统(装置)、方法或者计算机程序产品来实现。

这里描述的本发明的实施方案涉及科里奥利质量流量计。但是本领域中的技术人员会明白这里描述的本发明一般都能够被用于确定各种机械结构的运动状态，因此本发明的装置和方法不限于科里奥利质量流量计。

如同本领域中的技术人员所明白的一样，本发明可以作为装置和/或方法和/或计算机程序产品。因此，本发明可以用硬件或者用硬件和软件的结合来实现。除此以外，本发明还可以采取包括上面有计算机可读程序代码的计算机可读存储媒介的计算机程序产品的形式。可以采用计算机可读任何媒介，包括半导体存储器装置(例如RAM、ROM、EEPROM等等)，硬盘，CD-ROM，光存储装置和磁存储装置。

用于实现本发明的计算机程序代码可以用面向目标的编程语言编写，比如Java或者C++，和/或过程程序设计语言，比如“C.”。可以用一台计算机或者数据处理装置来执行程序代码，例如用一个微控制器、微处理器或者数字信号处理器(DSP)，也可以用多个装置来执行，例如，在多个数据处理装置上执行，这些装置通过电路板、机箱或者组合上的串行或者并行数据总线，或者是它们形成数据通信网络的一部分，比如局域网(LAN)、广域网(WAN)或者因特网。

下面参考本发明的实施方案中的流程图和/或方法框图、装置(系统)和计算机程序产品来介绍本发明。显然，流程图和/或框图的每个框，以及流程图和/或框图中框的组合，都可以用计算机程序代码(指令)来实现。可以将这些计算机程序代码提供给通用计算机、专用计算机或者其它可编程数据处理装置的处理器，形成一台机器，从而使通过计算机或者其它可编程数据处理装置的处理器执行的指令实现流程图和/或框图的框说明的功能。

这些计算机程序产品还可以用计算机可读存储媒介来实现(例如磁盘或者半导体存储器，代码磁存储器之类)，它们能够让计算机或者其它可编程数据处理装置按照特定的方式工作，从而使计算机可读存储器中储存的计算机程序能够成为一个产品，其中包括指令装置，实现流程图和/或框图中的框说明的功能。

还可以将计算机程序代码载入计算机或者其它可编程数据处理装置，在计算机或者其它可编程装置上执行一系列的步骤，使得计算机或者其它可编程装置上执行的这些代码能够实现流程图和/或框图中的框说明的功能。

振动导管的模式特征

科里奥利质量流量计导管这种结构的振动特征可以用具有对应自然振动频率的一个或者多个自然模式来描述。从数学上讲，这些模式和对应的自然频率可以用本征矢量和对应的本征值来描述，这些本征矢量的相对幅度是独一无二的，但是绝对幅度则不是这样，关于结构的质量和刚性正交。这一组线性独立的矢量可以被用作到描述结构运动的去耦方程的变换。具体而言，这种结构对激励的响应可以被表示成定标模式的叠加，定标表示每个模式对结构运动的贡献。随着激励的不同，一些模式的贡献可能比其它模式多一些。一些模式是不受欢迎的，因为它们会在所需模式的谐振频率上消耗能量，因此，它们会破坏对所需模式谐振频率的测量，比如，会破坏在驱动频率上的相位差测量。

传统的科里奥利质量流量计通常都是利用结构和时间滤波技术来减少不需要的模式的影响。传统的结构滤波技术包括利用一些机械部件，比如用来消除同相和正交弯曲模式的斜拉杆，放置的位置使得它们不容易激励起不需要的模式的激励器，以及放置的位置使得它们对不需要的模式不敏感的换能器。对于减少不需要的模式的能量，结构滤波技术非常有效，但是它在几何和制造方面受到限制。

时间滤波技术一般都要改变换能器信号的时域或者频域参数。例如，典型的科里奥利质量流量计可以包括用来消除与不需要的模式明显相关联的频率分量的频域滤波器。但是，不需要的模式的非共振能量对所需模式谐振频率上的能量有显著贡献。因为频域滤波器一般都不能很好地区分给定频率上多个模式的贡献，因此，被测频率上不需要的模式的贡献会成为过程参数测量中一个很大的误差来源。

可以假设阻尼和零流量可以忽略的传感器导管结构具有纯真实自然或者正常振动模式，也就是说，在每个模式中，结构的每一点都同时达到它的最大差。但是不能忽略阻尼，以及有材料流经的真实导管对激励的响应一般都是复的，也就是说，不是结构的所有点都同时达到最大值。导管结构的运动可以被描述为具有实部分量和虚部分量，或者幅度和相位分量，的复模式。流经的材料产生的科里奥利力使得传感器导管的运动从数学上来讲是复的。

即使是复数的，也可以将导管结构的运动描述成定标自然(“正常”或者“单自由度(SDOF)”)模式的叠加，因为按照定义，复模式的实部和虚部是线性独立的。为了表示复运动，可以结合实正交模式采用复定标系数。特定的实正交模式可以与复模式的虚部分量密切相关，而与复模式的实部分量关系不那么大。因此，这些特定的实正交模式可以与传感器导管中的材料产生的科里奥利力的关系更加密切，因而能够为产生材料的精确参数估计提供信息。

在图1中画出了一种科里奥利质量流量计传感器100的一个概念模型。运动传感器105A、105B、105C、105D(例如速度换能器)用来监测传感器100的第一个和第二个弯曲导管103A、103B的相对运动，当材料108流经导管103A、103B的时候，激励器106振动它们，运动换能器105A、105B、105C、105D产生运动信号109。图2所示的“直管”科里奥利流量计传感器200有一个导管203用来容纳来自管道207的材料208，该管道207通过法兰盘202与传感器200连接。在包围导管203的外壳204中，激励器激励导管203。运动换能器205A、205B、205C、205D(例如速度换能器，加速度计或者其它运动传感装置)都排列在导管203上。运动换能器205A、205B、205C、205D产生运动信号209，表示导管203因为多个力F的作用而产生的运动，例如，这些力有激励器206产生的驱动力，流经的材料208产生的科里奥利力，材料208产生的压力，以及其它外力，例如管道207产生的力，与管道207连接的泵、压缩机和其它设备(图中没有画出)产生，通过法兰202传递给导管203的力。

对于图1和2所示的那种流量计结构，可以从结构上的换能器产生的信号构建响应矢量x，例如从图1和图2所示的运动换能器105A、105B、105C、105D、205A、205B、205C、205D产生的运动信号109、209。例如，可以对运动信号采样，产生响应矢量x的运动信号值x1、x2、...、xn。实正交模式矩阵Φ，也就是将物理运动矢量与表示多个自然(SDOF)模式的模式运动矢量η联系起来的本征值矩阵，可以写成：

x＝Φη       (1)

模式矩阵Φ可以用多种技术来确定。例如，可以采用反复试验或者反演技术，就象转让给本发明的受让人，1997年7月11日提交的第08/890785号美国专利申请所描述的一样，在这里将它全部引入作为参考。

示例性的质量流量计

根据本发明的实施方案，用选择性的模式滤波技术来产生模式选择性滤波后运动信号，然后用它们来产生相位估计，再用这些信号估计来产生质量流量估计。下面将介绍本发明中这一方面的示例性实施方案，特别是采用图2所示传感器200那种“直管”传感器的实施方案。但是本领域中的技术人员会明白，本发明也能应用于弯曲导管结构，比如图1所示传感器100中使用的那种，以及质量流量计、密度计之类使用的容纳材料的其它结构。本领域中的技术人员还会明白，本发明也能应用于确定多种其它结构的运动特性。

图3画出了本发明的实施方案中的一个质量流量估计装置300。装置300有一个容纳材料的导管203，流量计传感器200的运动换能器，以及信号处理电路301，它从运动换能器205A、205B、205C、205D产生的运动信号305产生质量流量估计。图2和3中用相似的数字来表示传感器200中相似的部件，因此不再重复图2中的描述。

信号处理电路301有一个模式选择性滤波器310，用来接收运动信号305，有选择地通过运动信号305的一个或者多个分量，产生多个模式选择性滤波后运动信号315。最好根据传感器200的模式特性来设计模式选择性滤波器310，就象1998年7月16日提交的第09/116410号美国专利申请所介绍的一样，在这里将它的内容全部引入作为参考。信号处理电路301还有一个相位估计器320，它响应模式选择性滤波后运动信号315，产生多个相位估计325。信号处理电路301还有一个质量流量估计器330，它响应相位估计器320，从多个相位估计325产生质量流量估计335。

图4说明本发明的实施方案中模式选择性滤波器410、相位估计器420和质量流量估计器430的一种示例性实施方案。多个运动信号405a，例如从速度或者与导管或者其它材料容器连接的其它运动换能器输出的模拟信号，用一个模数转换器440进行采样和数字化，产生多个数字运动信号405b。用一个数字模式选择性滤波器410处理数字运动信号405b，产生多个模式选择性滤波后数字运动信号415。数字相位估计器420从多个模式选择性滤波后数字运动信号415产生多个数字相位估计425。数字质量流量估计器430从多个数字相位估计425产生一个数字质量流量估计435。如图所示，模式选择性滤波器410、相位估计器420和质量流量估计器430可以用数据处理器450，例如计算机(例如微处理器、微控制器、数字信号处理器或者其它计算装置)和有关存储媒介(例如半导体存储器、磁存储器和/或光存储器)的结合，执行的计算机可读程序代码实现。

图5画出了本发明的其它实施方案中的一个示例性质量流量估计装置500。装置500有一个容纳材料的导管203，以及与直管传感器200的运动换能器205A、205B、205C、205D连接，就象参考图2所介绍的一样，与参考图2所作描述相同的地方不再详细介绍。信号处理电路501有一个模式选择性滤波器510，用来接收传感器200产生的运动信号505，有选择地通过运动信号505中的一个或者多个分量，产生多个模式选择性滤波后运动信号515。模式选择性滤波器510还被用来产生至少一个模式运动信号517，也就是在导管203的至少一个自然(SDOF)模式给出的模式域中导管203的运动的至少一个信号。模式选择性滤波器510最好是按照传感器200的模式特性来设计，就象1998年7月16日提交的第09/116410号美国专利申请所介绍的一样。

信号处理电路501还有一个相位估计器520，它响应模式选择性滤波器510，从多个模式选择性滤波后运动信号515产生多个相位估计525。信号处理电路501还有一个质量流量估计器530，它响应相位估计器520，用模式频率估计器540产生的至少一个模式频率估计545，从多个相位估计525产生一个质量流量估计535。模式频率估计器540根据至少一个模式运动信号517产生至少一个模式频率估计545。信号处理电路501还有一个密度估计器550，它根据至少一个模式频率估计545，产生一个密度估计555。

图6画出了本发明中实施方案里的一个装置600，它根据多个运动信号605，估计质量流量和密度。装置600有一个模式选择性滤波器610，一个相位估计器620，一个质量流量估计器630，一个模式频率估计器640和一个密度估计器650。模式选择性(或者“模式通过式”)滤波器610有一个模式变换612，将多个运动信号605变换成多个模式运动信号613，用多个自然模式表示运动，就象上面参考等式(1)和前面提到的1998年7月16日提交的第09/116410号美国专利申请所介绍的一样。模式选择性滤波器610还有一个模式选择性变换614，它有选择地将多个模式运动信号613变换出模式域，产生模式选择性滤波后运动信号615，它经过了滤波，原始运动信号615中与一个或者多个需要的模式有关的分量能够通过，而与不需要的自然模式有关的分量则不能通过。1998年7月16日提交的第09/116410号美国专利申请也介绍了这样的模式选择性变换。模式运动信号613被传递给模式频率估计器640，产生一个或者多个模式频率估计645。

模式选择性滤波后运动信号615被传递给相位估计器620，利用从多个运动信号605得到的相位基准产生多个相位估计625。例如，如同下面参考图7所介绍的一样，可以从一个或者多个模式选择性滤波后运动信号615得到相位基准。另外，还可以从模式频率估计器640用一个或者多个模式运动信号613产生的一个或者多个模式频率估计645得到相位基准。

将相位估计625传递给质量流量估计器630，它有一个时间差估计器632和一个空间积分器634。利用模式频率估计器640产生的一个或者多个模式频率估计645，时间差估计器632从多个相位估计625产生多个时间差估计633。时间差估计器640还可以用零流量基准时间差631，也就是零质量流量条件下的时间差值，在其它质量流量速率下会破坏测量，产生修正了这种“零偏移”的时间差。如同下面将描述的一样，可以由模式频率估计器640产生驱动模式频率的一个估计，可以用估计出来的这个驱动模式频率除相位估计，得到未修正的时间差估计。然后可以用零流量基准时间差631(例如通过从中减去)修正未修正的时间差估计，产生时间差估计633。

将时间差估计器632产生的时间差估计633提供给空间积分器634。如同下面详细介绍的一样，空间积分器634可以决定将多个时间差估计633与对应于已知质量流量的多个基准时间差637联系起来的一个定标矢量函数的斜率参数。可以随后用这个斜率参数从已知质量流量产生质量流量估计635。

同样如同在图6所说明的一样，质量估计器650也可以用模式频率估计645产生要确定其质量流量的材料的密度估计。密度估计器650可以用类似于从非模式选择性滤波后换能器信号产生密度估计655的那些技术，比如Buttler等等的第56871000号美国专利(1997年11月11日发布)以及Arunachalam等等的第5295084号美国专利(1994年3月15日发布)所描述的那些技术，在这里将它们全部引入作为参考。例如，根据本发明的一些实施方案，可以用模式频率估计替换前面的专利使用的传统频率估计来产生密度估计。

图7～9说明实现图6所示各种分量的示例性结构。应该明白，图6中和图7～9所示结构中的模式选择性滤波器610、相位估计器620、质量流量估计器630、模式频率估计器640都可以在数字域中实现，例如，作为微处理器、微控制器、DSP或者其它计算装置中运行的可执行模块、子程序、目标码和/或其它类型的软件和/或固件。在这种方式中，模式运动信号613、模式选择性滤波后运动信号615和相位估计633这样的“信号”可以包括计算阶段产生，对它们进行计算实现上述功能的数字信号值的矢量。但是应该明白，总的来说，这些信号中的全部或者部分可以是数字的，也可以是模拟的，对它们所进行的操作可以用专用数字硬件和/或相似的模拟硬件进行。

图7给出了本发明的实施方案中相位估计器700的一个实例。相位估计器700有一个频率估计器710，用来估计多个模式选择性滤波后运动信号701₁、701₂、...、701_n的一个模式选择性滤波后运动信号701₁的频率。频率估计器710产生一个频率估计715，提供给正交性基准信号发生器720，产生第一个和第二个(例如正弦和余弦)基准信号725a、725b，它们的频率为估计出来的频率，相位互相正交。例如，频率估计器710可以是一个数字自适应陷波滤波器，可以用它来确定频率估计715，正交基准信号发生器720可以用“旋转”函数产生正交基准信号725a、725b，其方式类似于1999年6月28日提交，标题是“振动导管上传感器信号的多速率数字信号处理器”，转让给本发明的受让人的第09/344840号美国专利申请所介绍的方式，在这里将它全部引入作为参考。但是应该明白，还可以采用其它技术来产生频率估计715和/或正交基准信号725a、725b，包括用于产生正交相位和正交基准信号的其它数字和模拟信号处理技术。例如，不是从图7所示的模式选择性滤波后信号产生频率估计715，而是频率估计是一个模式频率估计，比如图6所示的模式频率估计器640产生的一个或者多个模式频率估计。

将第一个和第二个相位基准信号725a、725b应用于多个相位计算器73₀、730₂、...、730_n，它们中间对应的那些从模式选择性滤波后运动信号701₁、701₂、...、701_n中对应的那些产生对应的相位估计735₁、735₂...、735_n。然后用归一化器740相对于相位估计735₁归一化相位估计735₂、...、735_n，产生多个归一化的相位估计745₁、745₂、...、745_n。然后用归一化的相位估计745₁、745₂、...、745_n估计质量流量，如同前面参考图6所介绍的一样。

再一次参考图6，模式频率估计器640可以利用类似于上面参考图7所介绍的那些频率估计技术。例如，标题为“振动导管上传感器信号的多速率数字信号处理器”的第09/344840号美国专利申请所描述的确定频率的自适应陷波滤波技术可以被用于为至少一个模式运动信号617产生至少一个频率估计645。

在图8中给出利用合成正交(例如正弦和余弦)基准信号725a、725b解调模式选择性滤波后运动信号701_j的示例性计算操作。用每一个正交基准信号725a、725b分别乘以模式选择性滤波后运动信号701j，产生信号的实部分量和虚部分量805b、805a。然后，反正切计算器810计算实部分量和虚部分量805b、805a的反正切，产生相位估计735j。最好是在提供给反正切计算器810之前对实部分量和虚部分量805b、805a进行滤波，从而衰减掉信号805b、805a中的非直流分量。

图9画出了本发明的实施方案中产生修正时差估计633的示例性计算结构。将相位估计625的一个矢量除以估计出来的模式频率645，最好是与驱动模式有关的一个或者多个频率。然后通过减去零流量基准时差631的一个对应矢量，修正得到的时差915的矢量，产生修正时差估计633的一个矢量。可以通过从上面介绍的相位估计735₁、735₂、...、735_n减去与零流量有关的一个相位值矢量，从而得到类似的修正。

时差估计的空间积分

根据本发明的其它方面，可以用“空间积分”程序处理上面描述的修正时差估计这样的时差估计，产生质量流量估计。根据下面将介绍的本发明的各种实施方案，可以用多种技术来确定将未知质量流量的时差估计与已知质量流量的基准时差联系起来的斜率参数，包括闭合形式的假逆技术和迭代技术。可以用这种斜率参数来产生未知质量流量的估计。

如同上面提到的1998年7月16日提交的第09/116410号美国专利申请所介绍的一样，可以确定对于已知质量流量F_c是插值矢量Y_e，通过标量乘，可以用这个基准时差矢量Y_e表示未知质量流量，也就是说，未知质量流量的时差估计矢量X_e可以用一个标量系数a(以后叫做“斜率参数”)乘以基准时差矢量Y_e来产生。为了确定未知质量流量，将已知的质量流量F_c乘以斜率参数a。基准时差矢量Y_e和时差估计矢量X_c之间的关系为：

              X_e＝aY_e+b                     (2)

重新调整等式(2)得到：

其中增广矩阵Z是通过在基准时差矢量Y_e上加上一列1得到的。可以通过事先将时差估计矢量X_e乘以增广矩阵Z的假逆W来求解等式(3)得到定标矢量c：

                 c＝Z^-1X_e＝WX_c              (4)

其中的逆矩阵运算符(^-1)被用于表示假逆。求解矢量c，然后将F_c乘以矢量c的斜率参数，就能够得到质量流量的估计。

图10和11是说明本发明的各种实施方案中从多个时差估计产生质量流量估计的示例性操作的一个流程图。本领域中的技术人员会明白，这些流程图中的操作可以用计算机指令来实现。这些指令可以在计算机上执行，也可以在其它数据处理装置上执行，比方说图4所示的数据处理器450，用它来形成一种装置(系统)，完成图示操作。计算机指令也可以作为计算机可读媒介上的计算机可读程序代码储存起来，例如储存在集成电路存储器、磁盘、磁带之类上，它们能够让计算机或者其它数据处理装置进行图示操作，从而得到装置完成图示操作。计算机可读程序代码也可以在计算机或者其它数据处理装置上执行，让这个装置进行计算机能够进行的处理。因此，图10和11支持装置(系统)、计算机程序产品和方法来进行图示操作。

图10说明本发明的实施方案中沿着上述行从时差估计矢量X_e产生质量流量估计的操作1000。确定(框1010)包括已知质量流量F_c用一列1增广后的基准时差估计矢量Y_e的增广矩阵Z的一个假逆W。可以偶尔地确定以此增广矩阵Z和假逆矩阵W，例如在校准的时候，以减少计算负担。江时差估计矢量X_e乘以假逆矩阵W，产生定标矢量c，包括斜率参数a和截距参数b(框1020)。然后将斜率参数a乘以已知质量流量F_c，产生质量流量估计(框1030)。应该指出，可以对质量流量估计进行进一步的处理，例如，可以将质量流量估计与一段时间内得到的其它质量流量估计一起做平均，产生滤波后的质量流量度量(框1040)。也可以监视截距参数b，例如，以检测系统变化(框1050)。

下面将说明监视矢量c的截距参数b有几个好处。但是，必须计算截距参数b，以便产生质量流量估计。等式(2)可以被重新写成：

              X_c＝Y_ea              (5)

没有用任何截断参数b。等式(5)可以被看作将时差估计矢量X_e的形状与基准时差估计矢量Y_e的形状相匹配，而不考虑相位归一化，的一种尝试。如果时差估计矢量Y_c和基准时差估计矢量X_e是任意归一化的，等式(5)就能够工作，如果所有相位都在确定时差估计X_e以前用基准相位进行归一化，就能得到更好的结果。为了求解斜率参数a，可以采用以下关系：

            a＝Y_e ^-1X_e                    (6)

图11说明本发明的实施方案中产生质量流量估计而没有确定截距参数b所进行的操作1100。确定已知质量流量F_c的基准时差矢量Y_e的假逆Y_e ^-1(框1110)。可以偶尔地计算一次假逆Y_e ^-1，例如在校准的时候，以减少计算负担。将时间差估计X_e乘以假逆Y_e ^-1，以确定斜率参数a(框1120)。然后用已知质量流量F_c乘以斜率参数a，产生质量流量估计(方框1130)。显然可以对质量流量估计进行进一步的处理，例如可以将质量流量估计与一段时间内的其它质量流量估计进行平均，产生滤波后质量流量度量(方框1140)。

图12和13说明本发明的实施方案中科里奥利质量流量计原型的测试结果，它说明计算截距参数b并不是产生质量流量估计所必需的。具体而言，图12和13说明利用上述假逆方法中对应的那些方法(也就是分别计算和没有计算截距参数b)在感兴趣的时间段内(大约10到30秒)产生的质量流量估计说明与用其它装置获得的所述时间段内试验性的质量流量速率测量结果同样相符。

根据本发明的其它实施方案，可以用迭代技术而不是用上面的伪逆技术来求解矢量c。可以给出误差等式：

       L(k)＝X_e(k)-Zc(k-1)                (7)

和有关的费用函数：

        J＝1/2L²                          (8)

可以用梯度方法来找到解，它将费用函数J减小到需要的程度，梯度由下式给出：

$\frac{\∂J}{\∂c}=-\mathrm{LZ}.-----\left(9\right)$

按照梯度接近费用函数J最小值的时候可以采用较小的步长。在第k步，用以下关系产生矢量c(k)的新估计：

$c\left(k\right)=c(k-1)-\mathrm{\γ}\frac{\∂J}{\∂c}=c(k-1)+\mathrm{\γLZ},-------\left(10\right)$

其中矢量c(k-1)表示前面k-1次迭代产生的结果，γ是这一过程的自适应速率。反复计算，直到费用函数J减小到预定程度。γ应该大于零，小于2，以确保收敛。γ的值一般都会影响收敛速率和迭代过程对噪声的敏感程度。一般而言，γ值越大，收敛越快；但是，γ很大会增大对噪声的敏感性。γ的最佳值可以通过实验来确定，它的典型值是0.1。

等式(10)表示参数估计的最小均方(LMS)法。也可以按照以下方式采用这种自适应方法的潜在更加坚固的归一化最小均方(NLMS)法：

$c\left(k\right)=c(k-1)-\mathrm{\γ}\frac{Z^{T}L\left(k\right)}{\mathrm{\α}+\left|\right|Z{\left|\right|}_2^2},-------\left(11\right)$

其中：

                0＜γ＜2      (12)

其中a是一个常数，如果Z的模接近0，就用它来减小数字不稳定的可能性。为了让等式(11)收敛，应该满足等式(12)。a最好是一个很小的正值，可以根据试验来选择。

图14说明本发明的实施方案中的操作1400，在其中沿着上述线以迭代方式计算定标矢量c。产生时差估计矢量X_e(方框1410)。产生初始定标矢量估计c(k)(方框1420)。初始值c(k)可以是例如0，也可以是从前面的X_e值产生的定标矢量c的最终估计。假设不同流量度量之间流量速率变化不大，那么后一种选择能够提高收敛速度，定标矢量c的前面的估计值应该接近要计算的新值。例如用等式(7)和(8)计算有关的误差L(k)和费用函数J(k)(方框1440)。如果费用函数J(k)小于一个预定值，就说明可以产生定标矢量估计c(k)的一个可以接受的精度，以及质量流量的一个估计(方框1450、1455)，产生新的时差估计矢量X_e(方框1410)。如果不是，就利用例如等式(10)或者等式(11)产生定标矢量c(k)的一个更新估计(方框1460、1470)，计算新误差和费用函数值(方框1430、1440)。

本领域中的技术人员会明白，本发明还可以采用图14所描述的那些以外的操作。例如，应该明白，许多计算可以合并起来或者加以改变。还应该明白，除了上面介绍的LMS和NLMS技术以外，还有许多不同的迭代技术可以被用来求解等式(3)。

图15～19是本发明中各种实施方案的示例性操作流程图。本领域中的技术人员会明白，可以用计算机指令来实现这些流程。这些指令可以在计算机上或者在其它数据处理装置上执行，比如在图4所示的数据处理器450上，形成一个装置(系统)来执行所示操作。计算机指令也可以作为计算机可读程序代码储存在计算机可读媒介上，例如，集成电路存储器，磁盘，磁带之类，这些指令能够让计算机或者其它数据处理装置进行所示操作，从而形成一个装置完成所示操作。计算机可读程序代码也可以在计算机或者其它数据处理装置上执行，从而形成装置完成计算机过程。因此，图15～19支持装置(系统)、计算机程序产品和方法来进行所述操作。

根据图15所示的本发明的实施方案，产生与结构运动有关的相位估计的操作1500包括对表示结构运动的多个运动信号进行模式选择性滤波，利用例如参考图6所介绍的那些技术，产生对应的多个模式选择性滤波后运动信号(方框1510)。然后从这多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计(方框1520)。

在图16所示本发明的实施方案中示例性的质量流量估计操作1600里，对表示导管运动的多个运动信号进行模式选择性滤波，产生多个模式选择性滤波后运动信号(方框1610)。然后从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计(方框1620)，用于产生质量流量估计(方框1630)。

在图17所示本发明的其它实施方案中的示例性的差估计操作1700中，对表示结构运动的多个运动信号进行模式选择性滤波，产生多个模式选择性滤波后运动信号(方框1710)。利用例如上面参考图7所描述的自适应陷波滤波操作，确定第一个模式选择性滤波后运动信号的频率(方框1720)。然后利用例如参考图7介绍的解调操作，从第二个模式选择性滤波后运动信号产生一个差估计，例如相位差估计和/或时间差估计(方框1730)。

图18说明本发明的其它实施方案中产生质量流量估计的操作1800。对表示导管运动状况的多个运动信号进行处理，产生多个差估计，例如，时间差估计或者相位差估计(方框1810)。然后估计将多个差估计与对应于已知质量流的多个差估计联系起来的斜率参数(方框1820)，从估计出来的斜率参数和已知的质量流量产生质量流量估计(方框1830)。这些操作可以用例如参考图10和11所介绍的操作实现。

在图19所示本发明的其它实施方案中的示例性密度估计操作1900中，对表示容纳材料的容器运动状况的多个运动信号进行模式变换，在容器的至少一个振动模式给出的模式域内产生至少一个模式运动信号(方框1910)。然后从这至少一个模式运动信号确定至少一个模式频率(方框1920)，从这至少一个模式频率估计确定容器中材料的密度(方框1930)，例如如同参考图6所介绍的一样。

监视空间截距或者其它相关度量来监测系统状态

如同前面参考图10和11所介绍的一样，虽然定标矢量c的截距参数b对于质量流量估计而言不是必不可少的，但是它对于监测系统的变化却是有帮助的，比如运动换能器故障。安装条件变化等等。截距参数的潜在用途在图20A～20B和21中说明。图20A～20B用图形方式说明大约20秒，运动换能器发生故障的时候，计算出来的质量流量速率和空间截距参数的仿真变化，特定换能器的故障是通过消除换能器产生的时间差估计矢量中的对应元素来仿真的。如图20A所示，换能器的损失在计算出来的质量流量速率中产生变化，它有可能被错误地解释成质量流量速率发生了变化。

根据本发明的实施方案，可以将截距参数的变化用来启动故障修正程序。例如，如图20A和20B所示，可以通过去掉对应于发生故障的换能器对应的那一行来重新计算增广矩阵Z的假逆W，然后用来产生新的质量流量估计。如图20A所示，在大约40秒，对质量流量估计进行这样的修正的时候，能够提高精度。具体地说，对于图示实例，进行这样的修正能够使误差为0.5％，而不进行这样的修正，误差就会达到4％。

如图21所示，它说明一组5个运动换能器中每一个换能器发生故障的时候的截距参数值，可以用截距参数的突变来发现运动换能器的故障，仅仅是质量流量的变化通常都不会出现这种现象。其它系统变化，比方说安装或者其它条件的变化，也可以用截距参数的变化来发现。具体而言，图22说明给一个科里奥利质量流量计原型的结构增加了阻尼以后，它的截距参数的变化。

根据本发明的实施方案，截距参数是可以用来监测系统变化的各种不同相关度量中的一种。总的来说，一旦计算出定标矢量c，就可以用上面的等式(3)来得到时间差矢量X_est，它是“被测”时间差矢量X_e(按照上述方式产生的)一个最小平方拟合X_e：

               X_est＝Zc            (13)

可以将预测出来的时间差X_est矢量与被测时间差估计矢量X_e进行比较，产生能够用于各种目的的一个相关度量。这一比较可以偶尔进行，或者在每次计算质量流量的时候进行。

在本发明的实施方案中，可以从预测出来的时间差矢量X_est产生相关系数r，用来检测系统变化。相关系数r是+1和-1之间的一个无量纲标量，它利用一个量X，这个量等于时间差估计X_e的平均：

$\stackrel{-}{X}=\mathrm{mean}\left(X_e\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{X_{\mathrm{ei}}}{N},------\left(14\right)$

其中N是数据点数，例如运动换能器信号的数量。可以将相关系数r定义为说明的变化与总变化的一个比值：

$r=\±\sqrt{\frac{\mathrm{explainedvariation}}{\mathrm{totalvariation}}}=\±\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(X_{\mathrm{est}}-\stackrel{-}{X})}^2}{\mathrm{\Σ}{(X_e-\stackrel{-}{X})}^2}}.-----\left(15\right)$

图23说明如何应用这个相关系数，特别是如何用它来检测换能器故障。在0～15秒的第一个时间段利用换能器#1～#5产生的运动信号产生的时间差估计矢量X_e估计质量流量。然后通过消除对应于一个运动换能器(#2)从15到30秒的时间段内对应的运动信号值来扰动随后产生的时间差估计矢量X_e，模拟这一段时间内换能器的故障。然通过让#2号换能器的运动信号值加倍，扰动45～60秒这段时间内时间差估计矢量X_e，模拟换能器的增益变化或者“有噪声的”换能器信号。如图23所示，消除#2号换能器输入的时候，质量流量估计减小了大约20lbm/min，运动信号输入加倍的时候，增加大约15lbm/min。

利用标准的流量测量技术，很难说清楚这种变化是因为质量流量发生了变化还是发生了测量故障。但是，按照上面参考截距参数所描述的方式，可以用相关系数r来检测这种系统变化。如图24所示，它说明在图23所示的同一段时间段内，相关系数r的特性，相关系数r可以说明发生了故障(消掉了的)或者有噪声的运动信号的情况下，值发生较大的变化。

估计的误差是能够用于检测系统状态的另一个相关度量。估计的标准误差S_x，y可以表示为：

$s_{x,y}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(X_e-X_{\mathrm{est}})}^2}{N}}-----\left(16\right)$

如图25所示，它说明图23和24所示时间段内误差的标准误差S_x，y的特性，估计的标准误差S_x，y对于上面描述的系统变化会发生很大的改变(采样定理表明对于数量不多的换能器输入(例如6个)，通过将分母中的N换成N-2能够得到更高的精度)。

还可以利用误差估计度量的其它特性来确定故障来源，比如发生了故障的特定换能器到底是哪一个。可以将估计的标准误差看成类似于这一组数据的标准偏差，也就是说，可以说在99.7％的时间内，时间差估计的估计误差在预测的时间差矢量X_est的标准误差估计S_x，y的3倍以内。因此，可以检查相应换能器时间差估计的估计误差，检查它们是否在估计标准误差预先确定的倍数范围之内(例如3倍以内)。这样的测试可以表示为以下不等式：

            X_est-K*s_x，y≤X_e≤X_est+K*s_x，y’         (17)

整理以后得到：

            -K*s_x，y≤X_e-X_est≤+K*s_x，y              (18)

例如，为了找出发生了故障的换能器，将等式(17)和(18)的判据应用于时间差估计的每个矢量的每个分量。与发生了故障的换能器有关的时间差估计X_e的误差(X_e-X_est)可能是估计标准误差的许多倍。这一点在图26中说明，其中画出了一组换能器中发生了故障的2号换能器的误差(X_e-X_est)与这一组的估计的标准偏差之间的关系(为了方便，将它们的值减去一个标称矢量而归一化)。如图所示，2号换能器的误差完全在这一组中估计误差的边界以外(在图中它大约是±0.07，在图26这样的图中太小看不出来)。

一旦找出发生了故障的换能器，就还有可能进一步修正利用它计算出来的质量流量速率。例如，可以通过删除与发生了故障的换能器有关的那一行来重新调整增广矩阵Z。然后可以通过计算调整后增广矩阵Z的逆，形成新的假逆矩阵W。然后就能够通过预先将与发生了故障的换能器有关的行消除了以后的时间差估计矢量X_e乘以新的假逆矩阵W来估计质量流量速率。图27说明如何修正质量流量速率估计。

根据本发明的实施方案，流量计装置可以监视截距参数、相关系数、估计的标准误差或者其它相关度量来检测系统状态。例如，检测到截距参数发生了很大变化的时候，就能够找出发生故障的换能器，就能够重新计算模式选择性滤波器和/或这个装置用来产生差估计的假逆矩阵，以补偿发生了故障的换能器。同样，与特定换能器有关的时间差估计的误差超出了估计的标准误差的范围的时候，就能够被用来检测换能器的故障，触发修正程序。

图28说明本发明的实施方案中检测系统状态所进行的操作2800。产生多个差估计，例如上面描述的时间差估计X。(方框2810)。计算相关度量，比如截距参数、相关系数或者估计的误差(方框2820)。然后从计算出来的相关度量确定系统状态(方框2830)。

图29说明本发明的其它实施方案中的示例性操作2900。产生时间差估计矢量Xe(方框2910)。计算相关度量，比如截距参数、相关系数或者估计误差(方框2920)。如果相关度量中的变化满足预定判据，就找出发生了故障的换能器(方框2930、2940)。找出了发生故障的换能器以后，就去掉增广矩阵Z中的适当元素，可以重新计算假逆矩阵W，用于随后的质量流量和其它计算(方框2950、2960、2910)。这样就能够从随后的质量流量估计中排除掉发生了故障的换能器的输入。

还可以根据相关度量采取其它修正措施。例如，在图30所示本发明的实施方案中的示例性操作3000中，监视截距参数(方框3010)，如果截距参数的变化符合预定判据，这个装置就能够重新计算它用来产生质量流量估计的模式选择性滤波器(方框3020、3030)。可以使用各种变化判据，比如截距参数与初始值的最大偏差，预定时间段内截距参数的平均偏差，等等。

本领域中的技术人员会明白，本发明可以用上面描述的实施方案以外的多种其它方式进行。例如，这里描述的计算可以是单独的计算，也可以结合进得到等价结果的一个或者多个计算中去。总的来说，这里介绍的功能可以用数字和/或模拟信号处理技术实现。本领域中的技术人员还会明白，虽然本发明可以用于科里奥利质量流量计这样的装置，或者应用于这些装置所采用的方法，但是本发明还可以应用于用来与流量计或者传感器装置一起使用的装置之中，比如过程控制装置中。还应该明白，本发明还可以应用于磁盘、集成电路存储器、磁带、磁泡存储器之类的计算机可读存储媒介上计算机可读指令或者程序代码这种形式的商品中。这样的计算机程序指令可以用计算机或者其它数据处理器来执行，响应导管或者其它容器之类结构上运动换能器提供的运动信号。

在附图和说明中，公开了本发明的典型的优选实施方案，虽然采用了具体术语，但是只是用于一般性的和说明性的目的，而不是对本发明进行限制，本发明的范围在下面的权利要求中给出。

Claims (59)

1.一种装置，包括：

能够产生表示结构(100)运动状况的多个运动信号(109)的一种装置(105A～D)；

能够对表示结构运动状况的多个运动信号进行滤波的一种装置(310)；和

产生多个模式选择性滤波后运动信号(315)，从而使得这些模式选择性滤波后运动信号能够很好地表示结构振动模式运动情况的一种装置。

2.权利要求1所述的装置，还包括一种装置(320)，用来从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计(325)。

3.权利要求2所述的装置，还包括一种装置(330)，用来从多个相位估计产生质量流量估计(335)。

4.权利要求1所述的装置，还包括：

产生多个模式选择性滤波后运动信号之间的多个时差估计(633)的一种装置(632)；和

从多个时差估计产生相关度量的一种装置(634)；和

从产生的相关度量确定质量流量计系统状态的一种装置(450)。

5.权利要求2所述的装置，其中产生多个相位估计的装置包括一种装置(620)，用来利用从多个模式选择性滤波后运动信号之一得到的相位基准产生多个相位估计。

6.权利要求1所述的装置，其中的模式选择性滤波装置包括：

对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域产生多个模式响应信号的一种装置(612)；和

对多个模式响应信号进行模式选择性变换，产生多个模式选择性滤波后运动信号的一种装置(614)。

7.权利要求2所述的装置，其中产生多个相位估计的装置包括：

估计多个模式选择性滤波后运动信号的一个模式选择性滤波后运动信号频率的一种装置(710)；

在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号的一种装置(720)；和

从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计的一种装置(740)。

8.权利要求7所述的装置，其中从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计的装置包括：

将模式选择性滤波后运动信号乘以第一个和第二个基准信号中相应的那些，产生模式选择性滤波后运动信号相应的实部分量和虚部分量的一种装置(725)；和

估计模式选择性滤波后运动信号的实部分量和虚部分量之商的反正切，产生相位估计的一种装置(810)。

9.权利要求2所述的装置，还包括一种装置(632)，用来从多个相位估计产生多个时间差估计。

10.权利要求9所述的装置，还包括一种装置(630)，用来从多个时间差估计产生质量流量估计。

11.权利要求9所述的装置，其中从多个相位估计产生多个时间差估计的装置包括一种装置(530)，用来将多个相位估计除以模式频率产生多个时间差值。

12.权利要求11所述的装置，其中从多个相位估计产生多个时间差估计的装置还包括装置(632)用来将多个零流量基准时间差应用于多个时间差估计产生多个时间差估计。

13.权利要求11所述的装置，其中进行模式选择性滤波的装置包括：

对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域产生模式运动信号的一种装置(612)；和

从模式运动信号估计模式频率的一种装置(640)。

14.权利要求13所述的装置，还包括一种装置(650)，用于从估计出来的模式频率估计导管内材料的密度。

15.权利要求9所述的装置，还包括一种装置用来估计将多个时间差估计与表示已知扰动条件下结构运动的多个基准时间差联系起来的定标函数的参数。

16.权利要求15所述的装置，其中的扰动是质量流量。

17.权利要求15所述的装置，其中估计参数的装置包括：

产生包括多个基准时间差的增广矩阵的一种装置；和

将多个时间差估计乘以增广矩阵的假逆，确定参数的一种装置。

18.权利要求15所述的装置，其中估计参数的装置包括以迭代方式估计定标函数的步骤。

19.权利要求18所述的装置，其中以迭代方式估计参数的装置包括应用最小均方(LMS)估计程序的步骤。

20.权利要求15所述的装置，其中估计参数的装置前面有装置用来处理表示已知扰动情况下结构运动状况的多个运动信号，产生多个基准时间差。

21.权利要求16所述的装置，其中的定标函数参数是一个斜率参数，还有一种装置(630)用来从斜率参数和已知质量流量产生质量流量估计。

22.权利要求21所述的装置，其中估计斜率参数的装置(634)包括装置用来将多个时间差估计乘以多个基准时间差的假逆，以确定斜率参数。

23.权利要求15所述的装置，其中的定标函数参数是一个截距参数，还有一个装置用来从截距参数确定系统状态。

24.权利要求23所述的装置，其中的模式选择性滤波装置前面有装置用来从与结构有关的多个运动换能器接收多个运动信号，其中确定系统状态的装置有一个装置用来从截距参数确定运动换能器的状态。

25.权利要求13所述的装置，还包括装置(650)用来从估计出来的模式频率估计结构中材料的密度。

26.权利要求1所述的装置，还包括：

估计多个模式选择性滤波后运动信号的第一个模式选择性滤波后运动信号频率的装置(640)；和

从多个模式选择性滤波后运动信号的第二个模式选择性滤波后运动信号和估计出来的频率产生差估计的装置。

27.权利要求26所述的装置，其中产生差估计的装置包括：

在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号的装置(720)；和

从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生差估计的装置。

28.权利要求27所述的装置，其中从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生差估计的装置包括：

从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生相位估计的装置；和

从相位估计产生时间差估计的装置。

29.权利要求28所述的装置，其中从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生相位估计的装置包括：

将第二个模式选择性滤波后运动信号乘以第一个和第二个基准信号产生第二个模式选择性滤波后运动信号实部分量和虚部分量的装置；和

估计第二个模式选择性滤波后运动信号实部和虚部分量之商的反正切，产生相位估计的装置。

30.让权利要求1所述的装置工作起来的一种方法，该方法包括：

估计结构运动的步骤；

对表示结构运动状况的多个运动信号进行模式选择性滤波的步骤；和

产生多个模式选择性滤波后运动信号表示结构振动模式运动状况的步骤。

31.权利要求30所述的方法，还包括一个步骤，用来从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个相位估计。

32.权利要求31所述的方法，还包括一个步骤，用来从多个相位估计产生质量流量估计。

33.权利要求31所述的方法，还包括以下步骤：

从多个模式选择性滤波后运动信号产生多个时差估计；和

从多个时差估计产生相关度量；和

从产生的相关度量确定质量流量计系统的状态。

34.权利要求31所述的方法，其中产生多个相位估计的步骤包括一个步骤，用来利用从多个模式选择性滤波后运动信号之一得到的相位基准产生多个相位估计。

35.权利要求30所述的方法，其中的模式选择性滤波步骤包括以下步骤：

对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域产生多个模式响应信号；和

对多个模式响应信号进行模式选择性变换，产生多个模式选择性滤波后运动信号。

36.权利要求31所述的方法，其中产生多个相位估计的步骤包括以下步骤：

估计多个模式选择性滤波后运动信号的一个模式选择性滤波后运动信号频率；

在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号；和

从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计。

37.权利要求36所述的方法，其中从多个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生多个相位估计的步骤包括：

将模式选择性滤波后运动信号乘以第一个和第二个基准信号中相应的那些，产生模式选择性滤波后运动信号相应的实部分量和虚部分量；和

估计模式选择性滤波后运动信号实部分量和虚部分量之商的反正切，产生相位估计。

38.权利要求31所述的方法，还包括一个步骤，用来从多个相位估计产生多个时间差估计。

39.权利要求38所述的方法，还包括一个步骤，用来从多个时间差估计产生质量流量估计。

40.权利要求38所述的方法，其中从多个相位估计产生多个时间差估计的步骤包括一个步骤，用来将多个相位估计除以模式频率产生多个时间差值。

41.权利要求40所述的方法，其中从多个相位估计产生多个时间差估计的步骤还包括步骤用来将多个零流量基准时间差应用于多个时间差估计产生多个时间差估计。

42.权利要求40所述的方法，其中从多个相位估计产生多个时间差估计的步骤包括用多个零流量相位值修正多个相位估计。

43.权利要求40所述的方法，其中进行模式选择性滤波的步骤包括对多个运动信号进行模式变换，在模式坐标域产生模式运动信号，该方法还包括从模式运动信号估计模式频率的步骤。

44.权利要求43所述的方法，还包括一个步骤，用于从估计出来的模式频率估计导管内材料的密度。

45.权利要求38所述的方法，还包括一个步骤用来估计将多个时间差估计与表示已知扰动条件下结构运动的多个基准时间差联系起来的定标函数的参数。

46.权利要求45所述的方法，其中的扰动是质量流量。

47.权利要求45所述的方法，其中估计参数的步骤包括以下步骤：

产生包括多个基准时间差的增广矩阵；和

将多个时间差估计乘以增广矩阵的假逆以确定参数。

48.权利要求45所述的方法，其中估计参数的步骤包括以迭代方式估计定标函数的步骤。

49.权利要求48所述的方法，其中以迭代方式估计参数的步骤包括应用最小均方(LMS)估计程序的步骤。

50.权利要求45所述的方法，其中估计参数的步骤前面有步骤用来处理表示已知扰动情况下结构运动状况的多个运动信号，产生多个基准时间差。

51.权利要求46所述的方法，其中的定标函数参数是一个斜率参数，还有一个步骤用来从斜率参数和已知质量流量产生质量流量估计。

52.权利要求51所述的方法，其中估计斜率参数的步骤包括步骤用来将多个时间差估计乘以多个基准时间差的假逆，以确定斜率参数。

53.权利要求45所述的方法，其中的定标函数参数是一个截距参数，还有一个步骤用来从截距参数确定系统状态。

54.权利要求53所述的方法，其中的模式选择性滤波步骤前面有步骤用来从与结构有关的多个运动换能器接收多个运动信号，其中确定系统状态的步骤有一个步骤用来从截距参数确定运动换能器的状态。

55.权利要求43所述的方法，还包括步骤用来从估计出来的模式频率估计结构中材料的密度。

56.权利要求30所述的方法，还包括以下步骤：

估计多个模式选择性滤波后运动信号的第一个模式选择性滤波后运动信号的频率；和

从多个模式选择性滤波后运动信号的第二个模式选择性滤波后运动信号和估计出来的频率产生差估计的一个步骤。

57.权利要求56所述的方法，其中产生差估计的步骤包括以下步骤：

在估计出来的频率的基础之上产生正交的第一个和第二个基准信号；和

从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生差估计。

58.权利要求57所述的方法，其中从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生差估计的步骤包括以下步骤：

从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生相位估计；和

从相位估计产生时间差估计。

59.权利要求58所述的方法，其中从第二个模式选择性滤波后运动信号以及第一个和第二个基准信号产生相位估计的步骤包括以下步骤：

将第二个模式选择性滤波后运动信号乘以第一个和第二个基准信号产生第二个模式选择性滤波后运动信号实部分量和虚部分量；和

估计第二个模式选择性滤波后运动信号实部和虚部分量之商的反正切，产生相位估计。

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