用於確定氣體空隙度的電子計量器和方法

2023-12-06 05:48:46 2

專利名稱：用於確定氣體空隙度的電子計量器和方法
技術領域：
本發明涉及用於確定流過流量計的流體材料中氣體空隙度的電子計 量器和方法。
背景技術：
採用科裡奧利質量流量計來測量流過管線的材料的質量流量、密度與
體積流量和其它信息是公知常識，在1985年1月1日授權給J. E. Smith 等人的美國專利4， 491， 025中以及1982年2月11日授權給J. E. Smith的 Re.31，450中是已知的。該流量計具有一個或多個不同結構的流管。每一 個管道結構可被視為具有一組自然振動模式，該自然振動模式例如包括簡 單彎曲、扭轉、徑向和耦合模式。在一般的科裡奧利流量計質量流量測量 應用中，當材料流經該管道時，以一個或多個振動模式激勵管道結構，並
且沿著該管道在間隔點處測量該管道的運動。
材料填充系統的振動模式部分地由流管和該流管中材料的組合質量 限定。材料從流量計入口側上連接的管線流到流量計。然後，將該材料引 入流管或多個流管，並從流量計流出而進入連接到出口側上的管線中。
驅動器施加力給流管。該力引起該流管振蕩。當沒有材料流經該流量 計時，沿著流管的所有點以相同的相位振蕩。當材料開始流經該流管時， 科裡奧利加速度引起沿著該流管的每一點相對於沿著該流管的其它點來 講具有不同的相位。該流管入口側上的相位滯後該驅動器，而出口側上的
相位領先該驅動器。該流管上不同點處放置了傳感器，以產生表示不同點 處流管運動的正弦信號。這兩個傳感器信號之間的相差與流經該流管或多 個流管的材料質量流量成比例。在一種現有技術的方法中，利用離散傅裡 葉變換(DFT)或快速傅立葉變換(FFT)來確定傳感器信號之間的相差。 利用該相差和流體管組件的振動頻率響應來獲得質量流量。
在一種現有技術方法中，利用獨立參考信號來確定拾取信號頻率。例 如通過利用發送到振動驅動器系統的頻率。在另一種現有技術方法中，可
以通過中心位於陷波濾波器中的頻率來確定拾取傳感器產生的振動響應
頻率，其中該現有技術流量計試圖將陷波濾波器的槽口 (notch)保持在
拾取傳感器頻率。在靜止條件下，該現有技術工作性能相當好，其中流量 計中的流體材料是均勻的並且其中最終的拾取信號頻率相對穩定。然而， 當流體材料不均勻例如在兩相流體中時，該現有技術的相位測量性能低， 其中在上述兩相流體中，流體材料包括液體和固體或者在液體流體材料中 包含氣泡。在這種情況下，該現有技術確定的頻率會快速波動。在快速且 大幅頻率轉換條件下，拾取信號可以變化到濾波器帶寬外部，導致相位和
頻率測量不準確。這在空一滿一空定量(batching)中也是一個問題，其 中在交替式空和滿條件下反覆操作流量計。此外，如果傳感器的頻率快速 變化，則解調過程不能跟上實際或測量頻率的步伐，導致在不準確的頻率 下進行解調。應當理解的是，如果確定的頻率不準確或不精確，則隨後獲 得的密度、體積流量等數值也會不準確和不精確。此外，會在隨後的流動 特性確定中混合有該誤差。
在現有技術中，拾取信號可以數位化以及數位化操控，從而實現陷波 濾波器。該陷波濾波器僅僅接收窄帶頻率。因此，當目標頻率變化時，該 陷波濾波器在一定時間內不能追蹤目標信號。通常，數字陷波濾波器追蹤 波動目標信號需要l一2秒鐘。因為現有技術確定該頻率所需的時間，所 以結果是不僅頻率和相位確定包含誤差，而且誤差測量所包含的時距 (time span)超過誤差和/或兩相流體實際發生期間的時距。這是因為陷波 濾波器方案的響應相對緩慢。
結果是，當流量計中的流體材料為兩相流體時，該現有技術流量計不 能精確地、快速地或者令人滿意地追蹤或確定拾取傳感器頻率。因此，由 於該現有技術利用確定的拾取頻率來獲得相差，所以相位確定同樣也是緩 慢的並且易出現誤差。因此，在相位確定中混合有頻率確定中的任何誤 差。結果是，在頻率確定以及在相位確定中誤差增大，導致在確定質量流 量中誤差增大。此外，因為確定的頻率值用於確定密度值(密度約等於l 除以頻率平方)，在密度確定中重複或混合有頻率確定誤差。對於體積流 量確定也是如此，其中在體積流量確定中體積流量等於質量流量除以密 度。
因此，在兩相流體條件下該現有技術的準確度低或者損失了測量能 力。在許多流體應用中，流體材料中會帶有空氣(或者其它氣體)。 一種 示例是油田生產，其中，從油井噴出的原油很可能在原油中混有空氣。其 它示例有在食品製造過程中在液體中帶有空氣。所帶的空氣通常在流動液 體中以氣泡排出。空氣氣泡會導致流量計測得的質量流量產生誤差。非常 希望的是，即使由任意量空氣混入到流動液體中，流量計也能夠準確地測 量出流動液體的質量流量。非常希望的是，即使混入的空氣產生波動，流 量計也能夠準確地測量出流動液體的質量流量。

發明內容
通過提供用於確定流體材料中氣體空隙度的電子計量器和方法，可以 解決上述和其它問題，並且實現本領域的技術進步。
根據本發明的實施例，提供用於確定流過流量計的流體材料中氣體空 隙度的電子計量器。該電子計量器包括用於接收流體材料的頻率響應的接 口以及與該接口通信的處理系統。該處理系統配置成從該接口接收頻率響 應，將該頻率響應分解成至少氣體頻率分量和流體頻率分量，並且從該頻
率響應以及一個或多個氣體頻率分量和流體頻率分量中來確定氣體空隙度。
根據本發明的實施例，提供一種用於確定流過流量計的流體材料中氣 體空隙度的方法。該方法包括接收流體材料的頻率響應；將該頻率響應 分解成至少氣體頻率分量和流體頻率分量；以及從該頻率響應以及一個或 多個氣體頻率分量和流體頻率分量中來確定氣體空隙度。
根據本發明的實施例，提供一種用於確定流過流量計的流體材料中氣 體空隙度的方法。該方法包括接收流體材料的頻率響應；利用陷波濾波 器處理該頻率響應，該陷波濾波器基本濾去氣體頻率分量和流體頻率分量 之一；從該頻率響應以及一個或多個氣體頻率分量和流體頻率分量中來確
定氣體空隙度。
根據本發明的實施例，提供一種用於確定流過流量計的流體材料中氣
體空隙度的方法。該方法包括接收流體材料的頻率響應以及利用第一濾 波器對頻率響應進行濾波，該第一濾波器基本濾去氣體頻率分量並且基本
通過流體頻率分量。該第一濾波器輸出該流體頻率分量。該方法還包括利
用第二濾波器對頻率響應進行濾波，該第二濾波器基本濾去流體頻率分量 並且基本通過氣體頻率分量。該第二濾波器輸出該氣體頻率分量。該方法 還包括從該頻率響應以及一個或多個氣體頻率分量和流體頻率分量中來 確定氣體空隙度。 發明方面
在電子計量器的一個方面中，氣體空隙度包括空氣空隙度。 在電子計量器的一個方面中，該接口包括數位化該頻率響應的數字轉 換器。
在電子計量器的另一個方面中，該處理系統還配置成用於從流量計接 收第一傳感器信號和第二傳感器信號，從第一傳感器信號產生90度相 移，並且利用該90度相移來計算該頻率響應。
在電子計量器的另一個方面中，該處理系統還配置成用於從流量計接 收第一傳感器信號和第二傳感器信號，從第一傳感器信號產生90度相
移，並且利用該第一傳感器信號和該90度相移來計算該頻率響應。
在電子計量器的另一個方面中，該處理系統還配置成利用一個或多個 濾波器處理該頻率響應從而分解該頻率響應，其中該一個或多個濾波器基 本濾去氣體頻率分量和流體頻率分量之一。
在電子計量器的另一個方面中，該處理系統還配置成利用陷波濾波器
處理該頻率響應從而分解該頻率響應，該陷波濾波器基本濾去氣體頻率分
量和流體頻率分量之一。
在電子計量器的另一個方面中，該處理系統還配置成利用第一濾波器 對該頻率響應進行濾波以及利用第二濾波器對該頻率響應進行濾波，從而
分解該頻率響應，該第一濾波器基本濾去氣體頻率分量以及基本通過流體 頻率分量，該第二濾波器基本濾去流體頻率分量以及基本通過氣體頻率分 量。該第一濾波器輸出該流體頻率分量，該第二濾波器輸出該氣體頻率分
在電子計量器的另一個方面中，該處理系統還配置成利用低通濾波 器處理頻率響應從而分解頻率響應，該低通濾波器的低通截止頻率基本高
於流體頻率分量，該低通濾波器基本通過流體頻率分量並且基本濾去氣體 頻率分量；以及利用高通濾波器處理頻率響應從而分解頻率響應，該高通
濾波器的高通截止頻率基本低於氣體頻率分量，該高通濾波器基本通過氣 體頻率分量並且基本濾去流體頻率分量。該低通濾波器輸出該流體頻率分
量，該高通濾波器輸出該氣體頻率分量。
在電子計量器的另一個方面中，該處理系統還配置成從頻率響應計 算整個密度從而確定氣體空隙度；從流體頻率分量計算流體分量密度；從
氣體頻率分量計算氣體分量密度；以及計算氣體空隙度，該氣體空隙度等
於該流體分量密度減去該整個密度的差除以該流體分量密度減去該氣體
分量密度的差的比率。
在電子計量器的另一個方面中，該流量計包括科裡奧利流量計。 在該方法的一個方面中，氣體空隙度包括空氣空隙度。 在該方法的另一個方面中，接收頻率響應的步驟還包括從流量計接
收第一傳感器信號和第二傳感器信號；從第一傳感器信號產生90度相
移；以及利用該90度相移計算該頻率響應。
在該方法的另一個方面中，接收頻率響應的步驟還包括從流量計接
收第一傳感器信號和第二傳感器信號；從第一傳感器信號產生90度相 移；以及利用該第一傳感器信號和該90度相移來計算該頻率響應。
在該方法的另一個方面中，該分解步驟包括利用一個或多個濾波器 處理該頻率響應從而分解該頻率響應，該一個或多個濾波器基本濾去氣體
頻率分量和流體頻率分量之一。
在該方法的另一個方面中，該分解步驟包括利用陷波濾波器處理該 頻率響應從而分解該頻率響應，該陷波濾波器基本濾去氣體頻率分量和流 體頻率分量之一。
在該方法的另一個方面中，該分解步驟包括利用第一濾波器對該頻 率響應進行濾波以及利用第二濾波器對該頻率響應進行濾波，從而分解該 頻率響應，該第一濾波器基本濾去氣體頻率分量以及基本通過流體頻率分 量，該第二濾波器基本濾去流體頻率分量以及基本通過氣體頻率分量。該 第一濾波器輸出該流體頻率分量，該第二濾波器輸出該氣體頻率分量。
在該方法的另一個方面中，該分解步驟包括利用低通濾波器處理頻 率響應從而分解頻率響應，該低通濾波器的低通截止頻率基本高於流體頻 率分量，其中該低通濾波器基本通過流體頻率分量並且基本濾去氣體頻率
分量；以及利用高通濾波器處理頻率響應從而分解頻率響應，該高通濾波 器的高通截止頻率基本低於氣體頻率分量，其中該高通濾波器基本通過氣 體頻率分量並且基本濾去流體頻率分量。該低通濾波器輸出該流體頻率分
量，該高通濾波器輸出該氣體頻率分量。
在該方法的另一個方面中，該確定步驟包括從頻率響應計算整個密 度；從流體頻率分量計算流體分量密度；從氣體頻率分量計算氣體分量密
度；以及計算氣體空隙度，該氣體空隙度等於該流體分量密度減去該整個
密度的差除以該流體分量密度減去該氣體分量密度的差的比率。 在該方法的另一個方面中，該流量計包括科裡奧利流量計。


所有附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。
圖1是本發明實施例中的科裡奧利流量計； 圖2示出了根據本發明實施例的電子計量器；
圖3是根據本發明實施例的科裡奧利流量計中處理傳感器信號的方 法流程圖4示出了根據本發明實施例的電子計量器；
圖5是根據本發明實施例的科裡奧利流量計中處理第一和第二傳感
器信號的方法流程圖6是根據本發明實施例的處理系統一部分的結構圖7示出了根據本發明實施例的希爾伯特變換(Hilbert transform)
塊細節；
圖8和9是根據本發明實施例的分析塊的兩個獨立分支結構圖； 圖10是在通常情況下流量計的拾取傳感器信號的功率頻譜密度圖； 圖11示出了根據單個相移實施例的希爾伯特變換塊； 圖12示出了用於單個相移實施例的分析塊；
圖13示出了與現有技術相比的本發明的傳感器處理，其中比較每一
個時差(At)值；
圖14示出了根據本發明另一實施例的電子計量器；
圖15是響應空氣、流體和組合的空氣/流體混合物(即包括夾帶空氣
的流體)的流量計頻率圖16是根據本發明的實施例，用於確定流過流量計的流體材料中氣 體空隙度的方法的流程圖。
圖17是根據本發明的實施例，用於確定流過流量計的流體材料中氣 體空隙度的方法的流程圖。
圖18是示出根據本發明的實施例的低通和高通濾波器響應的頻率曲 線圖，其中低通和高通濾波器響應用於分解流體頻率分量和氣體頻率分
圖19是根據本發明的實施例，用於確定流過流量計的流體材料中氣 體空隙度的方法的流程圖。
圖20是陷波濾波器頻率響應的曲線圖。
具體實施例方式
圖1_20和下面詳細描述的具體示例教導本領域技術人員如何進行
和使用本發明的最佳模式。為了教導有創造性的原理，己簡化或省略了一 些傳統方面。本領域技術人員可以理解，這些示例的變形落入了本發明的 範圍。本領域技術人員可以理解，下面描述的特徵可以以各種方式組合， 以形成本發明的多種變形。因此，本發明不限於下面描述的具體示例，而 是通過權利要求書和它們的等價物來限定。
圖1示出了科裡奧利流量計5，其包括計量組件10和電子計量器20。 計量組件10響應於處理材料(process material)的質量流量和密度。 通過導線100，電子計量器20連接到計量組件10，以在通道26上方提供 密度、質量流量和溫度信息，以及與本發明不相關的信息。儘管對於本領 域技術人員來說，本發明可實施為振動管比重計是明顯的，其中該振動管 比重計沒有科裡奧利質量流量計提供的額外的測量能力，但是仍然描述了 科裡奧利流量計的結構。
計量組件10包括一對支管150和150'、具有凸緣頸部110和110' 的凸緣103和103'、 一對平行流管130和130'、驅動機構180、溫度傳 感器190和一對速度傳感器170L和170R。流管130和130'具有兩個基本 上直的入口支路131和131'和出口支路134和134'，該入口支路131和 131'與出口支路134和134'在流管安裝塊120和120'處朝彼此會聚。流 管130和130'沿著它們的長度在兩個對稱位置處彎曲，並且在它們的整
個長度上基本上平行。撐杆140和140'用來限定軸W和W'，每一根流管
繞該軸w和w'振蕩。
流管130和130'的側支路131、 131'和134、 134'固定連接到流管安 裝塊120和120'，這些塊依次固定連接到支管150和150'。這提供了穿 過科裡奧利流量計組件10的連續封閉材料通路。
當具有孔102和102'的凸緣103和103'通過入口端104和出口端104
'連接到攜帶有正被測量的處理材料的處理管線(未示出)時，穿過凸緣 103中孔101的該流量計材料入口端104通過支管150引導到具有表面121 的流管安裝塊120。在支管150裡，材料被分配並引入流管130和130'。 通過存在的流管130和130'，處理材料重新混合到支管150'中的單一流 中，並且之後被引入出口端104'，該出口端通過具有螺紋孔102'的凸緣 103'連接到處理管線(未示出)。
選擇流管130和130'並且合適地安裝到流管安裝塊120和120'，以 分別繞彎曲軸W—W和F—W'具有基本相同的質量分布、慣性矩(moment of inertia)和楊氏模量(Young's modulus)。這些彎曲軸穿過撐杆140 和140'。因為流管的楊氏模量隨溫度改變，並且該變化影響流量和密度 的計算，所以將抗溫探測器(RTD) 190安裝到流管130'上，以持續測量 流管溫度。因此，通過流經流管的材料溫度來控制該流管溫度和給定電流 經過RTD出現的電壓。在RTD上出現的溫度相關電壓通過電子計量器20 以已知的方法使用來補償流管130和130'的彈性係數變化，該彈性係數 變化由流管溫度的任何變化引起。該RTD通過導線195連接到電子計量器 20。
在流量計的第一異相彎曲模式下，通過驅動器180繞它們各自的彎曲 軸W和W'在相反方向上驅動兩個流管130和130'。該驅動機構180可包 括任何一種已知的布置，例如磁鐵安裝到流管130'上且相對的線圈安裝 到流管130上，並通過該線圈為振蕩兩根流管傳遞交流電流。通過電子計 量器20，合適的驅動信號經由導線185施加到驅動機構180上。電子計 量器20接收導線195上的RTD溫度信號，並且分別在導線165L和165R 上出現左和右速度信號。電子計量器20產生出現在導線185上的驅動信 號以驅動部件180和振動管130和130'。電子計量器20處理左和右速度
信號以及RTD信號，以計算流經計量組件10的材料的質量流量和密度。
該信息與其它信息一起通過電子計量器20經由通路26施加到應用裝置 29。
圖2示出了根據本發明實施例的電子計量器20。該電子計量器20可 包括接口 201和處理系統203。該電子計量器20從計量組件10接收第一 和第二傳感器信號，諸如拾取/速度傳感器信號。該電子計量器20處理第 一和第二傳感器信號，以獲得流經計量組件10的流體材料的流動特性。 例如，電子計量器20可從這些傳感器信號確定例如一個或多個相差、頻 率、時差(At)、密度、質量流量和體積流量。此外，其它流動特性可根 據本發明確定。下面將討論這些確定。
與現有技術的這些確定相比，相差確定和頻率確定大大加快並且更加 精確和可靠。在一個具體實施例中，不需要任何頻率參考信號，可直接從 僅僅一個傳感器信號的相移獲得該相差確定和頻率確定。這有利地減少了 用以計算流動特性所需的處理時間。在另一個具體實施例中，從兩個傳感 器信號的相移獲得相差，而僅從一個相移信號獲得頻率。這樣增加了這兩 個流動特性的精確度，並且與現有技術相比，可更快地確定這兩個流動特 性。
現有技術的頻率確定方法通常花費1一2秒來進行。相反，根據本發 明的頻率確定可在如50毫秒(ms) —樣少的時間內進行。取決於該處理 系統的類型和結構、振動響應的採樣速率、濾波器尺寸、抽取
(decimation)速率等等，甚至可預期更快的頻率確定。在50ms的頻率 確定速率下，根據本發明的電子計量器20可比現有技術快約40倍。
接口 201經由圖1的導線100接收來自速度傳感器170L和170R之一 的傳感器信號。該接口 201可進行任何需要的或期望的信號調節，例如任 何方式的格式化、放大、緩存等。可選擇地，在該處理系統203中可執行 一些或全部的信號調節。
此外，接口 201可使電子計量器20和外部裝置之間進行通信。接口 201可進行任何方式的電子、光學或無線通信。
在一個具體實施例中的接口 201耦合到數字轉換器202，其中該傳感 器信號包括模擬傳感器信號。數字轉換器202採樣並數位化模擬傳感器信
號並產生數字傳感器信號。該數字轉換器202還可進行任何需要的抽取， 其中該數字傳感器信號可被抽取以減小需要處理的信號量，並減小處理時 間。該抽取將在下面更詳細地討論。
處理系統203管理電子計量器20的操作，並處理來自流體計量組件 IO的流體測量結果。該處理系統203執行一個或多個處理程序，因此處 理這些流體測量結果，以產生一個或多個流動特性。
處理系統203可包括通用計算機、微處理器系統、邏輯電路或一些其 它通用目的和慣用處理裝置。處理系統203可分布在多個處理裝置之間。 處理系統203可包括任何類型的集成或獨立的電子存儲介質例如存儲系 統204。
處理系統203處理傳感器信號210，以從該傳感器信號210確定一個 或多個流動特性。例如，該一個或多個流動特性可包括流體材料的相差、 頻率、時差(At)、質量流量和/或密度。
在示出的具體實施例中，處理系統203從兩個傳感器信號210和211 以及單個傳感器信號相移213確定流動特性。處理系統203可從兩個傳感 器信號210和211以及單個傳感器信號相移213至少確定相差和頻率。因 此，第一或者第二相移傳感器信號(例如一個上遊或下遊拾取信號)可通 過根據本發明的處理系統203而被處理，以確定流體材料的相差、頻率、 時差(At)和/或質量流量。
存儲系統204可存儲流量計參數和數據、軟體程序、常數值和變量 值。在一個具體實施例中，存儲系統204包括通過處理系統203執行的程 序。在一個具體實施例中，該存儲系統204存儲相移程序212、相差程序 215、頻率程序216、時差(At)程序217和流動特性程序218。
在一個具體實施例中，存儲系統204存儲用於操作科裡奧利流量計5 的變量。 一個具體實施例中的存儲系統204存儲變量，例如第一傳感器信 號210和第二傳感器信號211，這些傳感器信號從速度/拾取傳感器170L 和170R接收。此外，存儲系統204可存儲產生的90度相移213，從而確 定流動特性。
在一個具體實施例中，存儲系統204存儲從流體測量結果獲得的一個 或多個流動特性。 一個具體實施例中的存儲系統204存儲流動特性，例如 相差220、頻率221、時差(At) 222、質量流量223、密度224和體積 流量225，這些流動特性都是從傳感器信號210確定的。
相移程序212對輸入信號即傳感器信號210執行90度相移。在一個 具體實施例中，該相移程序212執行希爾伯特變換(下面討論)。
相差程序215使用單個90度相移213來確定相差。還可使用額外的 信息來計算該相差。在一個具體實施例中，從第一傳感器信號210、第二 傳感器信號211和90度相移213計算該相差。確定的相差可存儲在存儲 系統204的相差220中。當從90度相移213確定相差時，可比現有技術 更快地計算和獲得該相差。這可在具有高流速的流量計應用中或者在多相 流動發生的應用中提供臨界差。此外，該相差可獨立於傳感器信號210 或211的頻率來確定。而且，因為該相差獨立於頻率確定，因此相差中的 誤微分量就不包括頻率確定的誤微分量，即在相差測量中沒有混合誤差。 因此，在現有技術的相差基礎上，相差誤差減小。
頻率程序216從90度相移213確定頻率(例如通過第一傳感器信號 210或第二傳感器信號211表示的)。該確定的頻率可存儲在存儲系統204 的頻率221中。當從單個90度相移213確定頻率時，與現有技術相比， 可更快地計算和獲得該頻率。這可在具有高流速的流量計應用中或者在多 相流動發生的應用中提供臨界差。
時差(A t)程序217確定第一傳感器信號210和第二傳感器信號211 之間的時差(At)。該時差(At)可存儲在存儲系統204的時差(At) 222中。該時差(At)基本上包括確定的相位除以確定的頻率，因此用 於確定質量流量。
流動特性程序218可確定一個或多個流動特性。例如，該流動特性程 序218可使用確定的相差220和確定的頻率221，以完成這些附加的流動 特性。可以理解，對於這些確定來說，需要附加信息，例如質量流量或密 度。流動特性程序218可從時差(A t) 222並因此從相差220和頻率221 來確定質量流量。確定質量流量的公式在Titlow等人的美國專利 5， 027， 662中給出了，這裡通過參考引入。該質量流量與計量組件10中 流體材料的質量流量相關。同樣，流動特性程序218還可確定密度224 和/或體積流量225。確定的質量流量、密度和體積流量可分別存儲在存
儲系統204的質量流量223、密度224和體積225中。此外，通過電子計 量器20可將流動特性傳送到外部裝置。
圖3是根據本發明具體實施例的科裡奧利流量計中處理傳感器信號 的方法的流程圖300。在步驟301中，接收第一和第二傳感器信號。第一 傳感器信號可以包括上遊或下遊拾取傳感器信號。
步驟302中，可調節這些傳感器信號。在一個具體實施例中，該調節 可包括濾波以去除噪聲和不期望的信號。在一個具體實施例中，該濾波可 包括帶通濾波，該帶通濾波中心在期望的科裡奧利流量計5的基礎頻率周 圍。此外，也可執行其它調節操作，例如放大、緩存等等。如果傳感器信 號包括模擬信號，則該步驟還可包括任何類型的採樣、數位化和抽取，執 行這些採樣、數位化和抽取以產生數字傳感器信號。
在步驟303中，產生單個90度相移。該90度相移包括傳感器信號的 90度相移。該90度相移可通過任何類型的相移機構或操作進行。在一個 具體實施例中，對數字傳感器信號進行操作，使用希爾伯特變換來進行該 90度相移。
在步驟304中，使用單個90度相移計算相差。還可使用附加信息以 計算該相差。在一個具體實施例中，從第一傳感器信號、第二傳感器信號 和單個90度相移來確定該相差。該相差包括響應信號中的相差，§卩，在 拾取傳感器中，由于振動的計量組件10中的科裡奧利效應，所以這種情 況是可理解的。
在計算中不需要任何頻率值的情況下，確定最終的相差。與使用頻率 計算的相差相比，該最終的相差可更快地獲得。與使用頻率計算的相差相 比，該最終的相差具有更高的精確度。
在步驟305中，計算頻率。根據本發明的頻率有利地從90度相移計 算。 一個具體實施例中的頻率利用90度相移和對應的傳感器信號，該90 度相移從該對應的傳感器信號獲得。該頻率是第一傳感器信號和第二傳感 器信號之一的振動響應頻率(這兩個傳感器信號的頻率在操作中基本相 等)。該頻率包括該流管或這些流管響應於驅動器180產生的振動的振動頻率。
不需要任何獨立的頻率參考信號，而獲得這樣導出的頻率。在比現有
技術更快的操作中，從單個90度相移獲得該頻率。最終的頻率與現有技 術計算的頻率相比具有更高的精確度。
在步驟306中，計算流體材料的質量流量。從步驟304和305中計算 的最終相差和最終頻率中計算該質量流量。此外，質量流量計算可從該相 差和頻率計算時差(At)，最終使用該時差(At)計算質量流量。
在步驟307中，可以選擇性確定密度。該密度可以確定為流動特性之 一，並且可以通過例如頻率來確定。
在步驟308中，可以選擇性確定體積流量。該體積流量可以確定為流
動特性之一，並且可以通過例如質量流量和密度來確定。
圖4示出了根據本發明具體實施例的電子計量器20。與圖2中相同
的部件用相同附圖標記表示。
該具體實施例中的電子計量器20包括第一傳感器信號210和第二傳 感器信號211。處理系統203處理第一和第二 (數字)傳感器信號210和 211，以從這些信號確定一個或多個流動特性。如前所述，該一個或多個 流動特性可以包括流體材料的相差、頻率、時差(At)、質量流量、密度 和/或體積流量。
在示出的該具體實施例中，處理系統203僅僅從該兩個傳感器信號 210和211確定流動特性，而不需要任何外部頻率測量結果也不需要外部 頻率參考信號。處理系統203可從這兩個傳感器信號210和211至少確定 相差和頻率。
如前所述，存儲系統204存儲相移程序212、相差程序215、頻率程 序216、時差(At)程序217和流動特性程序218。存儲系統204存儲第 一傳感器信號210和第二傳感器信號211。存儲系統204還存儲第一 90 度相移213和第二 90度相移以確定流動特性，該第一 90度相移213和第 二90度相移從這些傳感器信號產生。如前所述，存儲系統204存儲相差 220、頻率221、時差(At) 222、質量流量223、密度224和體積流量 225。
相移程序212對輸入信號，包括對第一傳感器信號210和對第二傳感 器信號211執行90度相移。 一個具體實施例中的相移程序212進行希爾 伯特變換(下面討論)。
相差程序215使用第一 90度相移213和第二 90度相移214確定相
差。還可使用額外的信息來計算該相差。在一個具體實施例中，從第一傳 感器信號210、第二傳感器信號211、第一90度相移212和第二90度相 移213計算該相差。如前所述，確定的相差可存儲在存儲系統204的相差 220中。當利用第一和第二90度相移確定相差時，可比現有技術更快地 計算和獲得該相差。這可在具有高流速的流量計應用中或者在多相流動發 生的應用中提供臨界差。此外，該相差可獨立於傳感器信號210和211 的頻率來確定。而且，因為該相差獨立於頻率確定，因此相差中的誤微分 量就不受頻率確定的誤微分量影響，即，在相差測量中沒有混合誤差。因 此，在現有技術的相差基礎上，相差誤差減小。
頻率程序216從第一 90度相移213和第二 90度相移214確定頻率(例 如通過第一傳感器信號210或第二傳感器信號211表示的)。如前所述， 該確定的頻率可存儲在存儲系統204的頻率221中。當從第一和第二 90 度相移確定頻率時，與現有技術相比，可更快地計算和獲得該頻率。這可 在具有高流速的流量計應用中或者在多相流動發生的應用中提供臨界 差。
時差(A t)程序217確定第一傳感器信號210和第二傳感器信號211 之間的時差(At)。如前所述，該時差(At)可存儲在存儲系統204的 時差(At) 222中。該時差(At)基本上包括確定的相位除以確定的頻 率，並因此用於確定質量流量。
如前所述，流動特性程序218可確定質量流量、密度和/或體積流量
中的一個或多個。
圖5是根據本發明具體實施例的科裡奧利流量計中處理第一和第二 傳感器信號的方法流程圖500。在步驟501中，接收第一傳感器信號。在 一個具體實施例中，第一傳感器信號包括上遊或下遊拾取傳感器信號。
在步驟502中，接收第二傳感器信號。在一個具體實施例中，第二傳 感器信號包括下遊或上遊拾取傳感器信號(即與第一傳感器信號相反)。
在步驟503中，可調節這些傳感器信號。在一個具體實施例中，該調 節可包括濾波以去除噪聲和不期望的信號。在一個具體實施例中，如前所 述，該濾波可包括帶通濾波。此外，也可執行其它調節操作，例如放大、
緩存等等。如果傳感器信號包括模擬信號，則該步驟還可包括任何類型的 採樣、數位化和抽取，執行這些採樣、數位化和抽取以產生數字傳感器信號。
在步驟504中，產生第一 90度相移。該第一 90度相移包括第一傳感 器信號的90度相移。該90度相移可通過任何類型的機構或操作來執行。 在一個具體實施例中，對數字傳感器信號進行操作，使用希爾伯特變換來 進行該90度相移。
在步驟505中，產生第二90度相移。該第二90度相移包括第二傳感 器信號的90度相移。與第一90度相移一樣，該90度相移可通過任何類
型的機構或操作進行。
在步驟506中，使用第一 90度相移和第二 90度相移計算第一傳感器 信號和第二傳感器信號之間的相差。還可使用附加信息以計算該相差。在 一個具體實施例中，從第一傳感器信號、第二傳感器信號、第一90度相 移和第二90度相移來確定該相差。該相差包括響應信號中的相差，艮P， 在兩個拾取傳感器中，由于振動的計量組件10中的科裡奧利效應，所以 這種情況是可以理解的。
在計算中不需要任何頻率值的情況下，確定最終的相差。與使用頻率 計算的相差相比，可更快地獲得該最終的相差。與使用頻率計算的相差相 比，該最終的相差具有更高的精確度。
在步驟507中，計算頻率。根據本發明的頻率有利地從第一90度相 移和第二 90度相移計算。 一個具體實施例中的頻率利用這些90度相移和 對應的傳感器信號獲得，從該對應的傳感器信號獲得這些90度相移。該 頻率是第一傳感器信號和第二傳感器信號之一的振動響應頻率(這兩個傳 感器信號的頻率在操作中基本相等)。該頻率包括該流管或這些流管響應 於驅動器180產生的振動的振動頻率。
不需要任何獨立的頻率參考信號，而獲得這樣得到的頻率。在比現有 技術更快的操作中，從這些90度相移獲得該頻率。最終的頻率與現有技 術計算的頻率相比具有更高的精確度。
在步驟508中，計算流體材料的質量流量。該質量流量從步驟506 和507中計算的最終相差和最終頻率中計算。此外，質量流量計算可從該相差和頻率中計算時差(At),最終使用該時差(At)計算質量流量。 在步驟509中，如前所述，可選地確定密度。
在步驟510中，如前所述，可選地確定體積流量。
圖6是根據本發明具體實施例的處理系統203 —部分的結構圖。在該 圖中，這些方塊表示處理電路或處理動作/程序。該結構圖600包括1階 濾波器塊601、 2階濾波器塊602、希爾伯特變換塊603和分析塊604。該 LPO和RPO輸入包括左拾取信號輸入和右拾取信號輸入。該LPO或RPO 可包括第一傳感器信號。
在一個具體實施例中，1階濾波器塊601和2階濾波器塊602包括在
處理系統203中實施的數字有限脈衝響應(RIR)多相抽取濾波器。這些
濾波器提供濾波和抽取一個或兩個傳感器信號的最優方法，在相同的時序
下並且在相同的抽取速率下進行該濾波和抽取。可替換地，l階濾波器塊
601和2階濾波器塊602可包括有限脈衝響應(IIR)濾波器或其它合適
的數字濾波器或濾波器處理。然而，可以理解在說明書和權利要求書的範
圍內，可預期其它濾波處理和/或濾波的實施例。
圖7示出了根據本發明具體實施例的希爾伯特變換塊603的細節。在
示出的該具體實施例中，希爾伯特變換塊603包括LPO支路700和RPO支
路710。該LPO支路700包括與LPO濾波器塊702並聯的LPO延遲塊701。
同樣，RP0支路包括與RP0濾波器塊712並聯的RP0延遲塊711。 LPO延
遲塊701和RP0延遲塊711引導採樣延遲。因此，LPO延遲塊701和RPO
延遲塊711選擇LPO和RPO數位訊號樣本，該LPO和RPO數位訊號樣本在
時序上晚於LPO濾波器塊702和RPO濾波器塊712濾波的LPO和RPO數字
信號樣本。LPO濾波器塊702和RPO濾波器塊712對輸入的數位訊號樣本
進行90度相移。
希爾伯特變換塊603是用以提供相位測量的第一步驟。希爾伯特變換 塊603接收被濾波、抽取的LPO和RPO信號，並執行希爾伯特變換。希 爾伯特變換產生LPO和RP0信號的90度相移版本，即，它產生原始的、 同相(I)信號分量的90相移(Q)分量。因此，與原始的同相(I)信號 分量LPO I和RPO I —起，希爾伯特變換塊603的輸出提供新的90度相 移(Q)分量LPO Q和RPO Q。
希爾伯特變換塊603的輸入可表示為 LP6> = 4。 cos(— (2) 腫0 =《。咖(紐+ 0) (3) 利用希耳伯特變換，輸出變成
LPOMbert=Alp。 sin( w t) (4)
RPOMbert二Arp。 sin(cot + (|) ) (5)
結合原始項與希爾伯特變換的輸出產生
= 4,。[c。s—) + ,sinO,)] = ^。e/(ffl° (6)
WO =《。[cos(^ + + sin( W +州=《。—(°^) (7)
圖8和9是根據本發明具體實施例的分析塊604兩個獨立分支的結構 圖。分析塊604是最後階的頻率、微分相位和德爾塔T (At)測量結果。 圖8是包括第一分支的相位部分604，該第一分支從同相(I)和90度相 移(Q)分量確定相差。圖9是頻率部分604b，頻率部分604b從單個傳 感器信號的同相(I)和90度相移(Q)分量確定頻率。該單個傳感器信 號可包括LPO信號，如示出的，或者可選擇地包括RPO信號。
在圖8的具體實施例中，分析塊604的相位部分604a包括連接塊801a 和801b、共軛塊802、複數乘法塊803、濾波器塊804和相位角度塊805。
連接塊801a和801b接收傳感器信號的同相(I)和90度相移(Q) 分量並傳遞它們。共軛塊802對傳感器信號(這裡為LPO信號)進行復共 軛，並形成負的虛信號。複數乘法塊803將RP0信號與LP0信號相乘，執 行下面的方程(8)。濾波器塊804進行數字濾波，例如前述的FIR濾波。 濾波器塊804可包括多相抽取濾波，利用該多相抽取濾波以從傳感器信號 的同相(I)和90度相移(Q)分量中去除諧波分量，並且抽取該信號。 可選擇濾波係數以提供輸入信號的抽取，例如抽取因子為10。相位角度 塊805從LPO信號和RPO信號的同相(I)和90度相移(Q)分量中確定 相位角度。該相位角度塊805執行下面示出的方程(11)。
圖8中示出的相位部分604a執行下面的等式
formula see original document page 24
然後
formula see original document page 25(10)
最終的微分相位角為 sin⑨ cos⑨
圖9是根據本發明分析塊604的頻率部分604b的結構圖。頻率部分 604b可工作在左或右拾取信號(LP0或RP0)上。示出的該具體實施例中 的頻率部分604b包括連接塊901、復共軛塊902、採樣塊903、複數乘法 塊904、濾波器塊905、相位角度塊906、常數塊907和除法塊908。
如前所述，連接塊901接收傳感器信號的同相(I)和90度相移(Q) 分量並傳遞它們。共軛塊902對傳感器信號(這裡為LPO信號)進行復共 軛，並形成負的虛信號。延遲塊903引入採樣延遲到頻率部分604b，因 此，選擇在時序上較老的數位訊號採樣。該時序上較老的數位訊號採樣乘 以複數乘法塊904中的當前數位訊號。複數乘法塊904將LPO信號與LPO 共軛信號相乘，執行下面的方程(12)。濾波器塊905進行數字濾波，例 如前述的FIR濾波。濾波器塊905可包括多相抽取濾波，利用該多相抽取 濾波以從傳感器信號的同相(I)和90度相移(Q)分量中去除諧波分量， 並且抽取該信號。可選擇濾波係數以提供輸入信號的抽取，例如抽取因子 為IO。相位角度塊906從LP0信號的同相(I)和90度相移(Q)分量中 確定相位角度。該相位角度塊906執行下面的方程(13)的一部分。該常 數塊907提供因子，如等式(14)所示，該因子包括採樣速率FJ餘以兩 倍pi。除法塊908執行等式(14)的除法操作。
，部分604b執行下面的方程
formula see original document page 25(12)
兩個連續樣本之間的角度因此為
i[sm(K)] (13)
其是左拾取的角頻率，轉換成赫茲formula see original document page 25(14)
其中，Fs是希爾伯特轉換塊603的速率。在前述例子中，"Fs"約為
2kHz。
圖10是在一般條件下的流量計拾取傳感器信號的功率頻譜密度圖。 該流量計的基礎頻率為圖的最高峰值，且位於約135Hz。該圖還示出了該 頻譜中的幾個其它的大峰值(第一非基礎模式是頻率在約1. 5倍基礎模式 頻率下的扭曲模式)。這些峰值包括流量計的諧波頻率，並且還包括其它 的、不期望的傳感器模式(即扭曲模式、第二彎曲模式等等)。
圖11示出了根據單相移具體實施例的可替換希爾伯特變換塊603'。 該具體實施例中的希爾伯特變換塊603'包括LP0支路1100和RP0支路 1110。該LP0支路1100包括與濾波器塊702並聯的延遲塊701。該具體 實施例中的RPO支路1110僅包括延遲塊701。如前所述，該延遲塊701 引入釆樣延遲。如前所述，濾波器塊702對輸入的數位訊號樣本進行90 度相移。可以理解，可替換的希爾伯特變換塊603'可正好對RP0信號進 行相移。
該處理實施例利用僅僅一個傳感器信號的希爾伯特變換/相移來獲得 頻率和相差(見圖2—3)。這大大地減少了進行相位測量所需要的計算數 量，並且大大地減少了獲得質量流量所需的計算數量。
該實施例中，希爾伯特變換塊603'的輸出將提供左或右傳感器信 號、但不是兩者的90度相移(Q)分量。在下面的示例中，對該LPO信號 進行了相移。
formula see original document page 26 (27)
利用希耳伯特變換，該輸出變成 formula see original document page 26 (29)
結合LPO原始項與希爾伯特變換的輸出(即通過90度相移)，產生
formula see original document page 26 (30)
而RPO保持相同
一一 +e-)
formula see original document page 26 (31)
圖12示出了單個相移實施例的分析塊604a'。該具體實施例中的分析塊604a'包括一個連接塊801、複數乘法塊803、低通濾波器塊1201和 相位角度塊805。該具體實施例中的分析塊604a'執行下面的等式
formula see original document page 27(32)
低通濾波器塊1201包括低通濾波器，該低通濾波器去除複數乘法塊 803產生的高頻分量。低通濾波器塊1201可進行任何類型的低通濾波操 作。乘法操作的結果產生兩個項。由於(一cot)和(cot)項可互相抵消， 所以項(一cot+"t+dO結合併簡化為僅僅相位小項(DC結果)。在兩 倍頻率下，該("t+"t+4))項簡化為(2cot+4))。因為該結果是兩 項和的結果，所以高頻項(2"t+小)可去除。這裡關注的唯一信號是 DC項。高頻項(2"t+(tO可利用低通濾波器從結果中濾波掉。低通濾 波器的截止可定位在0到2co之間的任何位置。
濾波後，結果為
formula see original document page 27因此，微分相位角是
—tan-(34)
COS(0)
通過對一個拾取信號而不是對兩個拾取信號進行希爾伯特變換，有利 地減小了在科裡奧利質量流量計中進行相位和頻率估計所需的計算負
荷。因此，該相位和頻率可利用兩個傳感器信號、但只利用一個90度相
移來確定。
圖13示出了與現有技術相比的本發明傳感器處理，其中比較每一個 時差(At)值。該圖表示出了包括氣流(例如氣泡)的流體材料。在該 條件下，因為相位和頻率計算速率，所以流體噪聲基本上在新的算法中減 小。從圖可見，本發明獲得的結果沒有顯示現有技術(At)測量中反映 出的那些大峰值和谷值。
圖14示出根據本發明的另一個實施例的電子計量器20。該實施例的 電子計量器20可以確定流過相關流量計的流體材料的氣體空隙度。該電 子計量器20可以接收流體材料的頻率響應，將該頻率響應分解成至少氣 體頻率分量和流體頻率分量，並且從該頻率響應以及一個或多個氣體頻率
分量和流體頻率分量中來確定氣體空隙度。該空隙度可以包括基本瞬時的 空隙度。該電子計量器20因此可以確定流體的流動特性，而不管含有的 氣體的存在與否或量的多少。
該流體可以包括流體的任何形式，並且該氣體可以包括氣體的任何形 式。該氣體可以包括例如空氣。下面的說明集中在流體中的空氣，但是應 當理解的是本發明可以應用到任何氣體。
該實施例中的處理系統203可以包括空隙度程序1401、陷波濾波器 程序1402以及一個或多個濾波器或濾波器程序，例如低通濾波器程序 1403和高通濾波器程序1404。可替換地，該一個或多個濾波器或濾波器 程序可以包括陷波濾波器結構或可以濾去窄帶頻率的其它濾波器結構。該 處理系統203還包括頻率響應1410和空隙度1418，它們能夠分別存儲頻 率響應測量值和空隙度確定值。該處理系統203還包括流體頻率分量1416 和氣體頻率分量1412，它們存儲用於空隙度確定的工作頻率值。該處理 系統203還包括整個密度1420、氣體分量密度1421以及流體分量密度 1422，它們存儲用於空隙度確定的工作密度值。
一個實施例中的頻率響應1410包括前述從計量組件10接收到的頻率 221 (參見圖2和4)。該頻率響應1410利用前述處理塊來確定(參見圖6 一7和9)。有利地，當利用前述高速頻率確定時，本發明可以快速地、準 確地以及可靠地確定氣體1418的空隙度。
在一個實施例中，頻率響應1410從第一和第二傳感器信號中導出， 其中這兩個傳感器信號被處理系統203處理，以便獲得頻率響應1410。 該處理可以包括相移一個傳感器信號，如前所述，然後基於相移信號和這 兩個傳感器信號來產生頻率值。
頻率響應1410包括混合頻率(fmix),其中頻率響應1410可以包括氣 體頻率分量(fgas) 1412和流體頻率分量(fflmd) 1416。在任何時候，頻率 響應1410可以包括任意量的氣體頻率分量(fgas) 1412 (也就是，夾帶氣 體)。
圖15是用於空氣、用於流體以及用於組合的空氣/流體混合物(也就 是，包括夾帶空氣的流體)的流量計頻率響應的曲線圖。本發明的基本理 念是，氣體的密度可以區分於流過流量計的流體材料中流體的密度。由於
可以從通過流量計獲得的測量頻率中導出密度，所以空氣相關的頻率也可 以區分於流體的頻率。這對於其它氣體或氣體混合物也是如此。 用於計算頻率的等式為
formula see original document page 29(35)
其中C0是科裡奧利流量計的角頻率。該(Dd項表示從之前的或者較老
的樣本周期獲得的角頻率樣本。將該角頻率co轉換成單位赫茲(Hz)的
頻率f得到
formula see original document page 29(36)
該等式假設僅存在一個頻率。如果存在兩個頻率，如夾帶空氣的情況
下(空氣的頻率和流體材料流體的頻率)，則新等式變成
formula see original document page 29(37)
其中fmix是整個流體材料的頻率響應，包括氣體頻率分量(fgas)和流 體頻率分量(fflmd)。
低通濾波器程序1403實現低通濾波器。低通濾波器通過基本低於低
通截止頻率的低頻。因此低通濾波器用於去除高頻。
高通濾波器程序1404實現高通濾波器。高通濾波器通過基本高於高 通截止頻率的高頻。因此，高通濾波器用於去除低頻。
陷波濾波器程序1402實現陷波濾波器。陷波濾波器濾去窄範圍的頻 率，該窄範圍的頻率中心位於陷波濾波器的頻率響應中的"槽口"上。僅僅 槽口中的頻率由陷波濾波器濾去。因此，陷波濾波器對於從頻率響應1410 中去除已知的、不期望的頻率非常有用。
在操作中，電子計量器20接收頻率響應1410。電子計量器20將頻 率響應1410分解成氣體頻率分量1412和流體頻率分量1416。電子計量 器20採用頻率響應1410和一個或多個氣體頻率分量1412和流體頻率分 量1416，從而確定氣體空隙度。電子計量器20從頻率響應1410中確定 整個密度(pmix) 1420。類似的，從氣體頻率分量1412中確定體分量密度 (pai》1421，以及從流體頻率分量1416中確定流體分量密度(pfluid) 1422 (參見下面的等式38和39)。這些密度值用於確定空隙度。因此，對於流
體材料中的基本任何氣體和基本任何流體確定空隙度。 密度(P)包括
formula see original document page 30(38)
其中m是質量流量測量值，f是頻率測量值，以及b是某些形式的校 準因數。因此，氣體空隙度1418計算為等於流體分量密度(pfluid) 1422 減去整個密度(pmix) 1420的差除以流體分量密度(pfluid) 1422減去氣體 分量密度(pgas) 1421的差得到的比率。計算具有以下形式
formula see original document page 303 9)
最終的氣體空隙度1418反映了流體材料中氣體和流體之間的比率。
應當理解的是，如果氣體或流體是已知的，則僅需要氣體頻率分量 1412和流體頻率分量1416之一。例如，如果氣體包括空氣，則可以假設 標準空氣頻率響應(和密度)。因此，可以濾出已知的氣體或流體頻率， 並且僅需要一個濾波步驟。
電子計量器20還可以確定其它流動特性，例如整個質量流量、僅僅 流體分量的質量流量、流體密度等等。電子計量器20可以和計量組件10 進行通信，其中計量組件10包括產生頻率響應的任何形式的流量計。在 一個實施例中，計量組件10包括科裡奧利流量計。在另一個實施例中， 計量組件10包括振動密度計。
應當理解的是，該附圖中的電子計量器20可以包括前述的各種其它 部件和/或程序。和其它實施例相同的部件和/或程序採用相同的附圖標記 來表示。電子計量器20如前所述可以確定流體材料的頻率響應和密度。
從頻率響應中分解流體和氣體頻率分量的一種方法包括執行兩個濾 波操作。 一個濾波操作包括利用第一濾波器對頻率響應進行濾波，該第一 濾波器基本濾去氣體頻率分量並且基本通過流體頻率分量。第二濾波操作 包括利用第二濾波器對頻率響應進行濾波，該第二濾波器基本濾去流體頻 率分量並且基本通過氣體頻率分量。因此，第一濾波器輸出流體頻率分 量，而第二濾波器輸出氣體頻率分量。
圖16是根據本發明的實施例用於確定流過流量計的流體材料中氣體 空隙度的方法的流程圖1600。在步驟1601中，接收頻率響應。例如可以
在電子計量器20中接收該頻率響應。該頻率響應包括響應于振動計量組 件IO (包括流體材料)的頻率響應。該流體材料可以包括氣體。
在一個實施例中，該頻率響應可以包括第一傳感器信號和第二傳感器
信號。可以從例如計量組件10的拾取傳感器170L和170R中接收第一傳 感器信號和第二傳感器信號。從任一傳感器信號中可以產生90度相移。 該90度相移和第一和第二傳感器信號可以用於計算頻率響應，其中該頻 率響應根據流體材料的質量流量以及根據所夾帶氣體的存在與否和量大 小而隨時間變換。
在步驟1602中，頻率響應分解成氣體頻率分量1412和流體頻率分量 1416。這是可以實現的，因為頻率響應1410包括和流體材料中氣體流量 相關的氣體頻率分量以及和流體流量相關的流體頻率分量。該流體包括任 何形式的流體。該分解步驟可以通過第一濾波器和第二濾波器來執行，如 前所述。此外，該分解步驟可以通過低通濾波器和高通濾波器來執行，如 前所述。
在步驟1603中，如前所述，利用頻率響應1410、氣體頻率分量1412 和流體頻率分量1416來確定氣體空隙度1418。該確定步驟可以包括從頻 率響應1410、氣體頻率分量1412和流體頻率分量1416中來確定密度值， 如前所述。最終的氣體空隙度1418可以表示為比率、百分比或其它測量值。
圖17是根據本發明的實施例用於確定流過流量計的流體材料中氣體 空隙度的方法的流程圖1700。在步驟1701中，接收頻率響應，如前所述。
在步驟1702中，通過第一濾波器濾波該頻率響應。第一濾波器基本 濾去氣體頻率分量並基本通過流體頻率分量(見圖18)。在一個具體實施 例中，第一濾波器包括低通濾波器，其中該低通濾波器的低通截止頻率基 本上在流體頻率分量以上。因此，低通濾波器基本通過流體頻率分量並基 本濾去氣體頻率分量。
在步驟1703中，通過第二濾波器濾波該頻率響應。第二濾波器基本 濾去流體頻率分量並基本通過氣體頻率分量。在一個具體實施例中，第二 濾波器包括高通濾波器，其中該高通濾波器的高通截止頻率基本上在氣體 頻率分量以下(但在流體頻率分量以上)。因此，高通濾波器基本通過氣
體頻率分量並基本濾去流體頻率分量。
在步驟1704中，如前所述，利用頻率響應1410、氣體頻率分量1412 和流體頻率分量1416來確定空氣空隙度1418。
圖18是頻率圖表，其示出了根據本發明實施例的低通和高通濾波器
響應，該低通和高通濾波器響應用於分解成流體頻率分量和氣體頻率分
量。該圖的下部線條表示包括流體頻率分量波瓣和氣體頻率分量波瓣的流 量計頻率響應。上部線條包括沿著截止頻率的低通濾波器響應和高通濾波
器響應。這裡，對於低通濾波器和高通濾波器的截止頻率的中心基本上都 位於上述兩個波瓣之間。低通濾波器和高通濾波器可具有共同的截止頻 率，或者可以具有不同的截止頻率，這取決於流體和氣體頻率分量而定。 可以看到，低通濾波器將輸出流體頻率分量，高通濾波器將輸出氣體頻率 分量。因此，這兩個濾波器可將頻率響應1410分解成氣體頻率分量1412 和流體頻率分量1416。
分解成流體和氣體頻率分量的另一方法包括濾波單個的、已知的頻率 分量並利用濾波操作通過的頻率分量來確定流體和氣體分量密度。例如， 在流體材料中的氣體為空氣的情況下，那麼可配置該濾波操作以濾波相對 窄的頻帶，該相對窄的頻帶以一般的空氣頻率響應為中心。隨後，從頻率 響應導出的整個密度以及從剩下的流體頻率分量導出的流體密度分量可 用於確定空氣密度項。例如，在氣體己知為大氣壓下空氣的情況下，濾波 器(例如陷波濾波器)可用於基本上濾去該頻率響應的空氣頻率分量。因 此，整個密度(P mix) 1420可從頻率響應1410中計算，流體分量密度(P fluid) 1422可從流體頻率分量1416中計算。因此，空氣分量密度(Pgas) 1421為整個密度(pmix) 1420減去流體分量密度(pfMd) 1422。
可替換地，可以理解的是，流體頻率分量可去除/濾波掉，並且空隙 度可利用氣體頻率分量確定。如前所述，在該流體擁有已知的特徵頻率響 應和密度的情況下，可進行單個頻率去除。因此，單個頻率去除的方法可 去除流體頻率分量或氣體頻率分量。
在一個具體實施例中，可通過一個或多個濾波器去除單個頻率分量，
而其它頻率分量可通過該濾波操作。 一個具體實施例中的一個或多個濾波 器包括陷波濾波器。除了窄帶範圍內的頻率(即頻率響應中的槽口)之外，
陷波濾波器通過所有頻率。可替換地， 一個或多個濾波器可包括任何令人 滿意的濾波器或濾波器組合。
圖19是根據本發明的實施例用於確定流過流量計的流體材料中氣體
空隙度的方法的流程圖1900。在步驟1901中，接收頻率響應1410，如前所述。
步驟1902中，通過陷波濾波器處理該頻率響應。陷波濾波器通過槽 口以下或以上的頻率，例如在該具體實施例中通過該氣體頻率響應以上或 以下的頻率。因此，陷波濾波器基本上濾去氣體頻率分量1412。陷波濾 波器基本通過流體頻率分量1416。
圖20是陷波濾波器頻率響應圖。在示出的示例中，該槽口以氣體頻 率為中心。該陷波濾波器基本通過該槽口以上和以下的所有頻率，並且該 陷波濾波器基本上僅僅濾去氣體頻率。
在步驟1903中，利用頻率響應、氣體頻率分量1412和流體頻率分量 1416來確定氣體空隙度1418，如前所述。
根據本發明的電子計量器和方法可以根據任何實施例來實現，從而獲 得所需的若干好處。本發明能夠確定兩相流體中的氣體空隙度。本發明能 夠確定多相流體中的氣體空隙度。本發明能夠確定空氣的空隙度。本發明 能夠提供更高準確度和可靠度的氣體空隙度確定。本發明能夠提供比現有 技術更快同時消耗更少處理時間的氣體空隙度確定。
權利要求
1.用於確定流過流量計(5)的流體材料中氣體空隙度的電子計量器(20)，該電子計量器(20)包括用於接收流體材料的頻率響應的接口(201)；以及與該接口(201)通信的處理系統(203)，並且該處理系統配置成從該接口(201)接收頻率響應，將該頻率響應分解成至少氣體頻率分量和流體頻率分量，並且通過該頻率響應以及一個或多個氣體頻率分量和流體頻率分量來確定氣體空隙度。
2. 根據權利要求1所述的電子計量器(20)，其中該氣體空隙度包括 空氣空隙度。
3. 根據權利要求l所述的電子計量器(20)，其中該接口 (201)包 括數位化該頻率響應的數字轉換器(202)。
4. 根據權利要求1所述的電子計量器(20)，其中該處理系統(203) 還配置成用於從流量計(5)接收第一傳感器信號和第二傳感器信號，從 第一傳感器信號中產生90度相移，並且利用該90度相移來計算該頻率響 應。
5. 根據權利要求l所述的電子計量器(20)，其中該處理系統(203) 還配置成用於從流量計(5)接收第一傳感器信號和第二傳感器信號，從 第一傳感器信號產生90度相移，並且利用該第一傳感器信號和該90度相 移來計算該頻率響應。
6. 根據權利要求1所述的電子計量器(20)，其中該處理系統(203) 還配置成通過利用一個或多個濾波器處理該頻率響應，從而分解該頻率響 應，該一個或多個濾波器基本濾去氣體頻率分量和流體頻率分量之一 。
7. 根據權利要求l所述的電子計量器(20)，其中該處理系統(203)還配置成用於利用陷波濾波器處理該頻率響應，從而分解該頻率響應，該 陷波濾波器基本濾去氣體頻率分量和流體頻率分量之一。
8. 根據權利要求1所述的電子計量器(20)，其中該處理系統(203) 還配置成用於利用第一濾波器對該頻率響應進行濾波以及利用第二濾波 器對該頻率響應進行濾波，從而分解該頻率響應，其中該第一濾波器基本濾去氣體頻率分量以及基本通過流體頻率分量，該第二濾波器基本濾去流 體頻率分量以及基本通過氣體頻率分量，其中該第一濾波器輸出該流體頻 率分量，該第二濾波器輸出該氣體頻率分量。
9. 根據權利要求l所述的電子計量器(20)，其中該處理系統(203) 還配置成用於利用低通濾波器處理頻率響應從而分解頻率響應，該低通 濾波器的低通截止頻率基本高於流體頻率分量，該低通濾波器基本通過流 體頻率分量並且基本濾去氣體頻率分量；以及利用高通濾波器處理頻率響應從而分解頻率響應，該高通濾波器的高通截止頻率基本低於氣體頻率分 量，該高通濾波器基本通過氣體頻率分量並且基本濾去流體頻率分量，其 中該低通濾波器輸出該流體頻率分量，該高通濾波器輸出該氣體頻率分
10. 根據權利要求1所述的電子計量器(20)，其中該處理系統(203) 還配置成用於從頻率響應計算整個密度，從而確定氣體空隙度；從流體 頻率分量計算流體分量密度；從氣體頻率分量計算氣體分量密度；以及計 算氣體空隙度，該氣體空隙度等於該流體分量密度減去該整個密度的差除 以該流體分量密度減去該氣體分量密度的差的比率。
11. 根據權利要求l所述的電子計量器(20)，其中該流量計(5)包 括科裡奧利流量計(5)。
12. —種用於確定流過流量計的流體材料中氣體空隙度的方法，該方 法包括接收流體材料的頻率響應；將該頻率響應分解成至少氣體頻率分量和流體頻率分量；以及 從該頻率響應以及一個或多個氣體頻率分量和流體頻率分量中來確定氣體空隙度。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中該氣體空隙度包括空氣空隙度。
14. 根據權利要求12所述的方法，其中該接收頻率響應的步驟還包括從流量計接收第一傳感器信號和第二傳感器信號； 從第一傳感器信號中產生90度相移；以及利用該90度相移計算該頻率響應。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中該接收頻率響應的步驟還包括從流量計接收第一傳感器信號和第二傳感器信號； 從第一傳感器信號中產生90度相移；以及利用該第一傳感器信號和該90度相移來計算該頻率響應。
16. 根據權利要求12所述的方法，其中該分解步驟包括利用一個或多個濾波器處理該頻率響應，該一個或多個濾波器基本濾去氣體頻率分 量和流體頻率分量之一。
17. 根據權利要求12所述的方法，其中該分解步驟包括利用陷波濾波器處理該頻率響應，該陷波濾波器基本濾去氣體頻率分量和流體頻率 分量之一。
18. 根據權利要求12所述的方法，其中該分解步驟包括利用第一濾波器對該頻率響應進行濾波，該第一濾波器基本濾去氣體頻率分量以及基本通過流體頻率分量；以及利用第二濾波器對該頻率響應進行濾波，該第二濾波器基本濾去流體頻率分量以及基本通過氣體頻率分量；其中該第一濾波器輸出該流體頻率分量，該第二濾波器輸出該氣體頻 率分量。
19. 根據權利要求12所述的方法，其中該分解步驟包括利用低通濾波器處理頻率響應，該低通濾波器的低通截止頻率基本高 於流體頻率分量，其中該低通濾波器基本通過流體頻率分量並且基本濾去氣體頻率分量；以及利用高通濾波器處理頻率響應，該高通濾波器的高通截止頻率基本低於氣體頻率分量，其中該高通濾波器基本通過氣體頻率分量並且基本濾去流體頻率分量；其中該低通濾波器輸出該流體頻率分量，該高通濾波器輸出該氣體頻率分量。
20. 根據權利要求12所述的方法，其中該確定步驟包括從頻率響應中計算整個密度；從流體頻率分量中計算流體分量密度； 從氣體頻率分量中計算氣體分量密度；以及計算氣體空隙度，該氣體空隙度等於該流體分量密度減去整個密度的 差除以該流體分量密度減去氣體分量密度的差的比率。
21. 根據權利要求12所述的方法，其中該流量計包括科裡奧利流量計。
22. —種用於確定流過流量計的流體材料中氣體空隙度的方法，該方法包括接收流體材料的頻率響應；利用陷波濾波器處理該頻率響應，該陷波濾波器基本濾去氣體頻率分量和流體頻率分量之一；以及從該頻率響應以及一個或多個氣體頻率分量和流體頻率分量中來確定氣體空隙度。
23. 根據權利要求22所述的方法，該氣體空隙度包括空氣空隙度。
24. 根據權利要求22所述的方法，該接收頻率響應的步驟還包括 從流量計接收第一傳感器信號和第二傳感器信號； 從第一傳感器信號產生90度相移；以及利用該90度相移計算該頻率響應。
25. 根據權利要求22所述的方法，該接收頻率響應的步驟還包括 從流量計接收第一傳感器信號和第二傳感器信號； 從第一傳感器信號產生90度相移；以及 利用該第一傳感器信號和該90度相移來計算該頻率響應。
26. 根據權利要求22所述的方法，該確定步驟包括從頻率響應計算整個密度；如果通過陷波濾波器濾去氣體頻率分量，則從流體頻率分量中計算流體分量密度，或者如果濾去流體頻率分量則計算氣體分量密度；如果通過陷波濾波器濾去氣體頻率分量，則估測氣體分量密度，或者如果濾去流體頻率分量則估測流體分量密度；計算氣體空隙度，該氣體空隙度等於該流體分量密度減去該整個密度的差除以該流體分量密度減去該氣體分量密度的差的比率。
27. 根據權利要求22所述的方法，其中該流量計包括科裡奧利流量計。
28. —種用於確定流過流量計的流體材料中氣體空隙度的方法，該方法包括接收流體材料的頻率響應；利用第一濾波器對頻率響應進行濾波，該第一濾波器基本濾去氣體頻 率分量並且基本通過流體頻率分量，其中該第一濾波器輸出該流體頻率分利用第二濾波器對頻率響應進行濾波，該第二濾波器基本濾去流體頻 率分量並且基本通過氣體頻率分量，其中該第二濾波器輸出該氣體頻率分從該頻率響應以及一個或多個氣體頻率分量和流體頻率分量中來確 定氣體空隙度。
29. 根據權利要求28所述的方法，該氣體空隙度包括空氣空隙度。
30. 根據權利要求28所述的方法，該接收頻率響應的步驟還包括 從流量計接收第一傳感器信號和第二傳感器信號； 從第一傳感器信號產生90度相移；以及利用該90度相移計算該頻率響應。
31. 根據權利要求28所述的方法，該接收頻率響應的步驟還包括 從流量計接收第一傳感器信號和第二傳感器信號； 從第一傳感器信號產生90度相移；以及 利用該第一傳感器信號和該90度相移來計算該頻率響應。
32. 根據權利要求28所述的方法，該確定步驟包括 從頻率響應計算整個密度；從流體頻率分量計算流體分量密度； 從氣體頻率分量計算氣體分量密度；以及計算氣體空隙度，該氣體空隙度等於該流體分量密度減去該整個密度的差除以該流體分量密度減去該氣體分量密度的差的比率。
33. 根據權利要求28所述的方法，該流量計包括科裡奧利流量計。
34. 根據權利要求28所述的方法，該第一濾波器包括低通濾波器， 該第二濾波器包括高通濾波器。
全文摘要
根據本發明的實施例提供用於確定流過流量計(5)的流體材料中氣體空隙度的電子計量器(20)。該電子計量器(20)包括用於接收流體材料的頻率響應的接口(201)；以及與該接口(201)通信的處理系統(203)。該處理系統(203)配置成從該接口(201)接收頻率響應，將該頻率響應分解成至少氣體頻率分量和流體頻率分量，並且從該頻率響應以及一個或多個氣體頻率分量和流體頻率分量中來確定氣體空隙度。
文檔編號G01F1/84GK101194148SQ200680017445
公開日2008年6月4日 申請日期2006年5月19日 優先權日2005年5月20日
發明者C·B·麥卡納利, M·J·貝爾 申請人:微動公司