[发明专利]用于流量计的高速频率和相位估算

说明书

技术领域

本发明涉及用于处理流量计中的一个或多个传感器信号的仪表电子装置和方法。

背景技术

公知的是使用科里奥利质量流量计测量流过管线的材料的质量流量、密度和体积流以及其他信息，如1985年1月1日的授予J.E.Smith等人的美国专利No.4,491,025和1982年2月11日的授予J.E.Smith的Re.31,450中所公开的内容。这些流量计具有一个或多个不同配置的流管。每个管道配置可以视为具有一组固有振动模式，包括例如简单弯曲模式、扭转模式、径向模式和耦合模式。在典型的科里奥利质量流测量应用中，当材料流过管道时，以一个或多个振动模式激发管道配置，并且在沿着管道间隔的点处测量管道的运动。

填充材料的系统的振动模式部分地由流管和流管内材料的组合质量来定义。材料从流量计入口侧上的连接管线流入流量计。然后材料流过一个或多个流管并离开流量计到达连接在出口侧上的管线。

驱动器对流管施加力。该力导致流管振荡。当没有材料流过流量计时，沿着流管的所有点以相同的相位振荡。当材料开始流过流管时，科里奥利加速度导致沿着流管的每个点具有相对于沿着流管的其他点不同的相位。流管入口侧上的相位滞后于驱动器，而出口侧上的相位超前于驱动器。在流管上的不同点处放置传感器，以产生表示不同点处流管运动的正弦信号。两个传感器信号之间的相位差与流过一个或多个流管的材料的质量流量成正比。在一种现有技术的方法中，使用离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)来确定传感器信号之间的相位差。使用相位差和流管组件的振动频率响应来获取质量流量。

在一种现有技术的方法中，使用独立参考信号来确定截止(pickoff)信号频率，例如通过使用发送到振动驱动器系统的频率来确定截止信号频率。在另一种现有技术的方法中，可以通过在陷波滤波器中集中截止传感器生成的振动响应频率来确定该频率，其中现有技术的流量计尽力将陷波滤波器中的陷波保持在截止传感器频率。这种现有技术在流量计中的流体材料均匀且由此得到的截止信号频率相对稳定的静止状态下工作得非常好。但是，现有技术的相位测量在流体材料不均匀时就会遇到问题，例如在流体材料包括液体和固体或液体流材料中有气泡的二相流中的情况下会遇到问题。在此类情况中，现有技术确定的频率可能快速波动。在频率转变快且大的状况期间，截止信号可能会移到滤波器带宽之外，从而得到不正确的相位和频率测量。这同样是空-满-空批量处理中的问题，其中在交替的空和满状况中重复操作流量计。同样地，如果传感器的频率快速移动，则解调过程将无法跟上实际或测量的频率，从而导致不正确频率下的解调。应该理解，如果确定的频率是不正确或不精确的，则随后导出的密度、体积流量等的值也将是不正确且不精确的。此外，误差可能被混入后续的流量特征确定中。

在现有技术中，可以将截止信号数字化，并以数字方式操作该截止信号，以便实现陷波滤波器。陷波滤波器仅接受窄带的频率。因此，当目标频率变化时，陷波滤波器可能在一段时间内无法跟踪目标信号。通常，数字陷波滤波器实现花费1-2秒来跟踪波动的目标信号。由于现有技术确定频率需要的时间，结果不仅是频率和相位确定含有误差，而且是误差测量包括超过实际出现误差和/或二相流的时间间隔的时间间隔。这是由于陷波滤波器实现的响应的相对迟缓。

结果是现有技术的流量计在流量计中的流体材料的二相流期间无法精确、快速或令人满意地跟踪或确定截止传感器频率。因此，相位确定同样缓慢且易产生误差，因为现有技术使用确定的截止频率导出相位差。因此，频率确定中的任何误差都会被混入相位确定中。结果是频率确定和相位确定中增加的误差，从而导致确定质量流量时增加的误差。此外，因为使用确定的频率值来确定密度值(密度约等于频率的平方分之一)，所以频率确定中的误差会在密度确定中重复或混入密度确定中。对于体积流量的确定来说这种情况也是成立的，其中体积流量等于质量流量除以密度。

在授予Yokoi等人的美国专利No.5,578,764中给出了现有技术的仪表电子装置。Yokoi的专利公开一种希尔伯特变换器21和三角函数计算器31，它们接收上游和下游截止传感器信号并使用这两种信号以便计算信号之间的相位差。希尔伯特变换器21将这两种截止传感器信号相移90度，并在相位差计算中使用两个相移信号。在Yokoi的专利中，结合独立测量的外部频率，使用由此获得的相位差来计算质量流量。因此Yokoi的现有技术不会快速和精确地导出计算高度精确的质量流量所需的频率分量。此外，Yokoi无法快速产生质量流量，因为Yokoi必需等待频率确定。

发明内容