使用標準模態分析的科裡奧利質量流量計校準的製作方法

2023-05-09 02:56:06

專利名稱：使用標準模態分析的科裡奧利質量流量計校準的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器和相關的方法以及電腦程式產品，更具體地，涉及質量流量測量方法、裝置、電腦程式產品。
背景技術：
科裡奧利傳感器通常通過檢測包含流體物質的振動導管的運動來工作。與導管中的物質有關的屬性，如質量流量、密度等，可以通過處理來自與所述導管關聯的運動變送器的信號來確定，因為充滿物質的振動系統的振動模式通常被導管及其中的物質的組合質量、剛度、以及阻尼特性所影響。
典型的科裡奧利質量流量計包括一個或多個導管，這些導管在管道或其它傳送系統中連接成線，並在系統中輸送物質，如液體、漿等。每個導管可以看作是具有一組自然振動模式，包括例如簡單的彎曲、扭轉、徑向和耦合模式。在典型的科裡奧利質量流量測量應用中，當物質流過導管時，導管被激勵在其一種自然振動模式諧振，在沿導管不同的點測量導管的運動。激勵通常是由一個致動器，如以周期方式擾動所述導管的電動機械設備提供的，如音圈型驅動器。質量流速可以通過測量各個變送器位置的運動之間的時間或相位差來確定。示例性的科裡奧利質量流量計在美國專利授予Smith等的4,109,524和授予Smith的Re.31,450中描述。
科裡奧利質量流量計的精確度會受到約束導管振動的裝置的損害。這些限制的影響可以通過使用被平衡以減小外部振動影響的流量計設計和通過使用頻域濾波器如帶通濾波器來減小，該帶通濾波器被設計為濾除運動信號中遠離激勵頻率的分量。但是，機械濾波方法經常受機械因素限制，如，材料限制、安裝約束、重量限制、尺寸限制等，而頻域濾波對於去除激勵頻率附近的有害振動影響效果不佳。
傳統的科裡奧利質量流量計典型地使用一個「校準因子」將質量流速按比例變換到時間差或相位測量值，以生成質量流量估計。典型地，為了生成校準因子，執行一個校準或「校對」程序，其中在測試固定設備中將物質(如，水)通過質量流量計的振動管，同時由質量流量計的運動變送器產生的信號被處理，以確定時間和相位差。該數據然後被處理，以生成該流量計的估算校準因子。
該方法有幾個缺陷。校準程序要花費時間，勞動強度高，且昂貴。此外，因為校準典型地不是現場執行，所以會因測試條件與現場條件不同，包括安裝條件的不同，而不精確。

發明內容
根據本發明的實施例，包括配置為包含一種物質和多個運動變送器的導管的參數傳感器的校準因子是根據導管運動的標準模態動態特徵確定的，所述運動變送器操作產生代表導管運動的運動信號。所述校準因子可以例如將質量流速與由運動變送器產生的運動信號之間的空間-時間關係如時間差或相位關係關聯。所述校準因子可以通過例如生成運動的模態域微分公式的解再從該解生成所述校準因子而生成。
根據本發明的一些實施例，標準模態動態特徵將導管運動的特徵表現為模態科裡奧利項的函數，該模態科裡奧利項描述導管響應其中的質量流量的多個標準模式間的耦合。在校準因子確定之前，可以先從描述導管在標準模式中隨其上位置而變化的運動的振型函數確定所述模態科裡奧利項。標準模態特徵的模態質量和剛度項可以利用如常規模態分析技術來產生。
例如，在有些實施例中，模態科裡奧利項可以從空間科裡奧利特徵確定，該空間科裡奧利特徵描述所述導管的多個離散位置在空間域內響應預定質量流量而作的運動。該模態科裡奧利項可以從所述空間科裡奧利特徵(如，空間科裡奧利矩陣)中使用將空間域與多個標準模式相關聯的變換來確定。與該空間科裡奧利特徵關聯的所述多個離散位置可以包括不同於變送器位置的位置。
將空間域與多個標準模式相關聯的變換可以從描述導管在標準模式的運動隨其上的位置而變化的振型函數來生成。該振型函數可以從一個預定的特徵值和預定的邊界條件確定，例如，從關於導管被約束的邊界條件的假設確定。
根據本發明的其它實施例，確定導管中預定質量流量的振型函數的正交性，以確定導管運動的標準模態動態特徵的模態科裡奧利項。類似的正交性確定可以用來產生標準模態特徵的模態質量和剛度項。這樣的項也可以使用常規模態分析技術產生。
在本發明的其它實施例中，從一個標準模態動態特徵產生導管的多個位置的估計空間響應，從該估計空間響應產生校準因子。例如，可以確定在導管的多個位置的運動之間的空間-時間關係，例如，時間差或相位關係，並且可以從該空間-時間關係確定所述校準因子。
在本發明的其它實施例中，可以通過以下步驟來確定導管中的物質的質量流量從導管運動的標準模態動態特徵確定校準因子，產生表示導管在其上多個位置的運動的多個運動信號，並根據確定的校準因子處理該運動信號以產生質量流量估計。例如，如上所述，校準因子可以從運動的模態微分公式表達來確定。所述質量流量估計可以通過以下方式產生例如確定所述多個運動信號間的空間-時間關係，並將所述校準因子應用於所確定的空間-時間關係以產生質量流量估計。
根據本發明的各方面，上述校準因子可以從描述導管在標準模式的運動隨其上的位置而變化的振型函數確定。該振型函數可以基於假設的導管邊界條件。導管的運動可以約束為引起近似於所假設的邊界條件的邊界條件，例如，通過將導管束縛於一個結構或通過根據導管的運動給導管施加一個力，以產生近似於假設的邊界條件的邊界條件。
在本發明的其它實施例中，提供了一種用於校準參數傳感器的裝置，該參數傳感器包括配置為包含一種物質的導管；多個運動變送器，其可操作產生表示導管運動的運動信號；以及一個質量流量估計電路，其可以操作來根據校準因子從所述運動信號估計質量流量。該裝置包括一個校準因子發生電路，用於從導管運動的標準模態動態特徵產生一個校準因子，該校準因子發生電路包括一個接口電路，用於將產生的校準因子傳送到所述質量流量估計電路。
在有些實施例中，所述校準因子發生電路包括一個標準模態動態特徵描述電路，可以產生導管運動的標準模態動態特徵，還包括一個校準因子確定電路，可以從所述標準模態動態特徵產生校準因子。該標準模態動態特徵可以表示例如模態域中運動的模態微分公式，包括導管運動的多個標準模式，且所述校準因子確定電路可以操作來從運動的模態微分公式的表示產生運動的模態微分公式的解，以及利用例如上述技術從運動的模態微分公式的解產生校準因子。校準因子發生電路可以與質量流量估計電路集成在例如質量流量傳感器裝置中，或可以分別在例如測試和處理裝置中實現。
在本發明的另一實施例中，質量流量傳感器包括一個導管，例如基本直線的管子，其配置為包含一種物質。該質量流量傳感器進一步包括一個致動器來激勵該導管，還包括多個運動變送器，其可以操作來產生表示導管運動的運動信號；以及一個質量流量估計電路，配置為接收所述運動信號，並可操作來利用從呈現導管的預定邊界條件的導管運動的標準模態特徵導出的校準因子從中產生質量流量估計。提供必要裝置來約束導管的運動，以近似預定的邊界條件。
約束導管運動的裝置可以包括例如將導管束縛在一個結構上的裝置，如卡子、焊接、或其它扣緊裝置，其將導管的間隔位置束縛到一個剛性結構。約束導管運動的裝置還可以包括根據導管的運動嚮導管施加力的裝置，從而產生近似於假設邊界條件的邊界條件。例如，嚮導管施加力的裝置可以包括至少兩個運動變送器，其可以操作來產生表示導管運動的運動信號，還可以包括多個在工作時與所述導管相關聯的致動器，以及形狀控制電路，其配置為從至少兩個運動變送器接收運動信號，並可操作來根據所述運動信號驅動所述多個致動器。
根據本發明的其它實施例，提供了用於表達一個參數傳感器的特徵的電腦程式產品，該參數傳感器包括配置為包含一種物質的導管和多個運動變送器，所述運動變送器可操作來產生表示導管運動的運動信號。該電腦程式產品包括嵌入計算機可讀存儲介質的計算機可讀程序代碼，該計算機可讀程序代碼包括用於從導管運動的標準模態動態特徵確定用於處理由多個運動變送器產生的運動信號的校準因子的程序代碼。該用於確定校準因子的程序代碼可以包括用於在包含導管運動的多個標準模式的模態域中產生運動的模態微分公式的解的程序代碼，和用於從產生的運動的模態微分公式的解產生校準因子的程序代碼。所述標準模態動態特徵可以根據一個模態科裡奧利項表達導管運動的特徵，所述模態科裡奧利項描述導管的多個標準模式之間響應導管中的質量流量而進行的耦合。該計算機可讀程序代碼可以包括用於從振型函數確定模態科裡奧利項的程序代碼，所述振型函數描述導管在標準模式的運動隨導管上不同位置的變化。


圖1示出根據本發明實施例的質量流量傳感器裝置的示意圖；圖2示出根據本發明其它實施例的質量流量傳感器裝置的示意圖；圖3示出根據本發明實施例的校準因子發生器電路的示意圖；圖4-6為根據本發明實施例確定質量流量傳感器的校準因子的典型操作的流程圖；圖7-11為根據本發明其它實施例的質量流量傳感器裝置的示意圖；圖12為根據本發明實施例估計質量流量的典型操作的流程圖；圖13為說明包含物質的導管狀態的自由體圖。
具體實施例方式
下面參考示出本發明實施例的附圖更詳細描述本發明。但是，本發明可以以多種不同形式實現，而不是限於此處提出的實施例，提供這些實施例是為了使公開內容全面和完整，並向本領域的技術人員傳達本發明的範圍。全篇用相似的標號表示相似的元件。本領域的技術人員應當理解，本發明可以實現為系統(裝置)、方法、或電腦程式產品。
此處描述的本發明實施例涉及使用單個基本直線的導管的科裡奧利流量計，其不要求例如機械調諧的平衡梁。本發明在這樣的應用中特別有利。但是，本領域的技術人員應當理解，本發明還可用於其它類型的流量計結構，包括傳統的彎曲管結構和包括機械平衡梁的直管結構。
本領域的技術人員應當理解，本發明可以實現為裝置和/或方法和/或電腦程式產品。本發明可以實現為硬體或硬體與軟體的組合。另外，本發明還可以採取電腦程式的形式，包括計算機可用存儲介質和存儲在該介質上的計算機可用程序代碼。任何合適的計算機可讀介質均可使用，包括半導體存儲器件(如，RAM、ROM、EEPROM等)、硬碟、CD-ROM、光學存儲器件、及磁存儲器件。
執行本發明的操作的電腦程式代碼可以用面向對象的程式語言編寫，如Java或C++，和/或用過程程式語言，如C。程序代碼可以在單個計算機或數據處理設備上執行，如微控制器、微處理器、或數位訊號處理器(DSP)，或者可以在多個設備上執行，如在電子電路板、機架或組合體內通過串行或並行數據總線通訊的多個數據處理設備，或者是形成數據通訊網絡如區域網(LAN)、廣域網(WAN)、或網際網路的一部分的設備。
下面參考根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖描述本發明。應當理解，流程圖和/或方框圖中的塊及其組合可以用電腦程式代碼(指令)實現。這些電腦程式代碼可以提供給一個通用計算機、專用計算機、或其它可編程數據處理設備的處理器以產生一臺機器，使得通過計算機或其它可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生實現所述流程圖和/或方框圖或塊中指定的功能的裝置。這些電腦程式產品還可以存儲在計算機可讀存儲介質中(如，磁碟或半導體存儲器、編碼磁存儲器等)，其可以引導計算機或其它可編程數據處理裝置以特定方式工作，使得存儲在計算機可讀存儲器中的電腦程式產生加工的產品，包括實現所述流程圖和/或方框圖或塊中指定的功能的指令裝置。該電腦程式代碼還可以裝載到計算機或其它可編程數據處理裝置上，使得一系列操作步驟在所述計算機或其它可編程裝置上執行，以產生計算機執行的處理，使得在計算機或其它可編程裝置上執行的代碼提供執行在所述流程圖和/或方框圖或塊中指定的功能的步驟。
概述根據本發明的實施例，科裡奧利質量流量傳感器可以使用該傳感器的含有物質的導管運動的標準模態動態特徵進行校準。在本發明的一些實施例中，該標準模態動態特徵包括運動的模態微分公式，其包括表示所述流量傳感器導管響應質量流量的標準模式之間的耦合的科裡奧利項。
根據本發明的一些實施例，所述科裡奧利項包括一個模態科裡奧利矩陣，該矩陣是從在空間域(如，笛卡兒域)中描述導管受質量流量影響的運動的一個空間(或物理)科裡奧利矩陣產生的。該模態科裡奧利矩陣可以利用一種變換從所述空間科裡奧利矩陣導出，該變換是從描述導管的模態特性隨導管上的位置而變化的振型函數導出的。該振型函數可以從由以操作方式與所述傳感器導管關聯的運動變送器產生的運動信號產生。特別地，來自變送器位置的離散模態響應數據可以用來產生一個連續振型函數，該函數又可以用於計算包含導管上除了實際變送器位置之外的「虛擬」位置的模態-空間變換Φvirtual，如實際變送器位置之間的位置。
該空間科裡奧利矩陣可以表示局部科裡奧利矩陣的組合，這些局部科裡奧利矩陣對應於由一些節點定義的梁狀段，這些節點對應於所述虛擬位置。這些局部科裡奧利矩陣表示在預定質量流量條件下(如，預定質量流速)這些段的運動。變換Φvirtual可以應用於所述空間科裡奧利矩陣以確定(向量)模態微分運動公式的模態科裡奧利項(矩陣)，其也包括模態質量、模態阻尼和模態剛度項。
可以求解上述模態微分運動公式以根據已知的輸入/激勵確定預定質量流速的模態響應。該模態響應可以變換到實際變送器位置的空間域響應，然後根據估算的空間域響應和預定的質量流速確定校準因子。該校準因子可以應用於根據未知的質量流量產生的運動信號，以產生該未知質量流量的估計。
根據本發明的其它實施例，可以採用確定模態科裡奧利矩陣的更通用的方法。特別地，除了從空間科裡奧利矩陣的離散變換確定模態科裡奧利矩陣，也可以通過在預定質量流速確定振型函數的正交性來產生模態科裡奧利矩陣。這樣確定的模態科裡奧利矩陣可以用來產生導管的模態微分運動公式的解，從該解可以沿上述線確定校準因子。
本發明的實施例與傳統校準技術相比有幾個潛在優點。具體地，使用根據本發明實施例的校準技術不需要將物質通過質量流量傳感器，而傳統的校正方法都需要。這可以提供例如現場校準的能力。
本發明還可以方便直管質量流量傳感器的實際實現，如「扣緊」質量流量傳感器，例如包含運動變送器、致動器和相關組件的傳感器，所述相關組件配置為操作地嚙合到一個管道上，使得管道本身充當傳感器的一部分。校準這樣的扣緊傳感器的一個潛在困難是，與傳統科裡奧利質量流量計不同，傳感器的製造商無法得到流量導管。儘管理論上可以將一個校準裝置連接到所述管道，並對照主流量計校準扣緊流量傳感器，但這樣的方法所花費的時間可能叫人無法接受，或由於難於接近傳感器、管道環境的惡劣等不實用。根據本發明的實施例，可以通過在安裝傳感器組件後測量裝置的模態參數進行這樣的傳感器的現場校準。這不需要校準設備或主流量計。
這樣的扣緊流量傳感器的潛在優點是其可以被移到不同位置使用，例如作為檢修故障的臨時傳感器。由於該傳感器組件所附著其上的每個管道可能不同，所以每次重新定位所述傳感器可能都需要校準。根據本發明實施例的現場校準可以提供執行這樣的校準的實用而經濟的方法。
圖1示出根據本發明實施例的質量流量傳感器裝置100。傳感器100包括含有物質108的導管103。致動器106用於激勵導管103。例如，致動器106可以包括一個慣性或相對致動器，由一個驅動電路(未示出)驅動，使得致動器106以預定頻率振動導管103；但是，應當理解，也可以使用使導管103振動的其它機構。運動變送器105(例如，慣性速度變送器、加速計、或其它運動感應器件)沿導管103布置，響應多個力產生表示導管103運動的運動信號107，所述力可以包括例如由致動器106施加的驅動力FD、來自流動物質108的科裡奧利力FC以及外力FE。
傳感器裝置100還包括質量流量確定電路110，其接收由運動變送器105產生的運動信號107。質量流量確定電路110操作，根據由校準因子發生電路150產生的校準因子155處理運動信號107。校準因子發生電路150從導管103運動的標準模態動態特徵，如以下詳細描述的模態微分運動公式，確定校準因子155。如以下詳細描述，標準模態動態特徵可以從一個振型函數導出，該振型函數是從離散模態響應數據產生的，如由表示導管運動的運動信號，如由運動變送器105產生的運動信號，產生的響應數據。
圖2示出根據本發明其它實施例的質量流量傳感器裝置200。傳感器200包括配置為包含物質208的導管203。相對致動器206附著到一個結構204上(其可以包括，例如，封裝該導管203的外殼)，使得它引起導管203相對於結構204的運動。如圖所示，相對運動變送器205(例如，速度變送器、加速計、或其它運動檢測器件)沿導管203布置，測量導管203相對於結構204的運動。運動變送器205產生表示導管203響應作用於其上的力而運動的運動信號207。應當理解儘管運動變送器205示為相對運動變送器，但絕對或「慣性」運動傳感器(如加速計)或相對和絕對運動變送器的組合(如相對速度變送器和加速計的組合)也可以使用。
傳感器裝置200進一步包括質量流量確定電路210，其接收由運動變送器205產生的運動信號。質量流量確定電路210根據由校準因子發生電路250產生的校準因子255處理該運動信號。校準因子發生電路250從導管203運動的標準模態動態特徵確定校準因子。
應當理解，總體上，根據本發明實施例的校準因子發生電路，如圖1和2的校準因子發生電路150、250，的功能可以實現為模擬電路、數字電路、和其組合。該電路可以集成為單個器件，如微處理器、微控制器、數位訊號處理器(DSP)、專用集成電路、或其它單塊集成電路器件，也可以分布在多個器件之間。進一步應當理解，根據本發明實施例的校準因子發生電路可以集成在一個流量傳感器裝置內，例如使用處理電路，該處理電路還用於實現質量流量確定電路，如圖1中的質量流量確定電路110、120；或者可以實現為分立硬體，如測試或維護裝置或過程控制計算裝置。例如，校準因子發生電路可以實現為測試設備，該測試設備設計為與流量傳感器的運動變送器連接，以便從由運動變送器產生的運動信號確定一個校準因子，並將所確定的校準因子下載到流量傳感器的質量流量確定電路中。
下面的討論提供了基本的理論描述，其支持根據本發明實施例的裝置、方法和電腦程式產品。應當理解，本發明的範圍不限於該理論解釋。例如，下面的討論描述計算操作。儘管這些操作呈現一種具體的順序和組織以便於理解本發明，但應當理解，該操作可以重新排序、以不同方式組合、或在本發明的範圍內修改。因此，進一步應當理解，總體上，本發明不僅包括此處描述的具體計算操作，還包括等價的操作。
單個直線流量計導管，如圖1的導管103運動的模態微分公式為[mr]{..}+[cr]{.]+[dr]{.}+[kr]{}={N}--(1)]]>其中，{η}、 分別表示包含導管振動的多個標準(即，正交)模式的標準模態域中的位移、速度、和加速度矢量，[mr]是模態質量矩陣，[cr]是模態科裡奧利矩陣，其描述導管響應其中的質量流量的多個標準模式之間的耦合，[dr]是模態阻尼矩陣，[kr]是模態剛度矩陣，以及[kr]是作用於導管的模態激勵。模態質量矩陣[mr]和模態剛度矩陣[kr]可以使用傳統的模態分析技術確定。但是，確定模態科裡奧利矩陣[cr]較困難。如以下更詳細描述的，流量校準因子(FCF)可以假設對阻尼較敏感，且與模態科裡奧利矩陣[cr]緊密相關。
標題為「DETERMINING PROPERTIES OF A FLOW TUBE AND OF A FLUIDFLOWING THROUGH A FLOW TUBE OF ACORIOLIS FLOWMETER」的美國專利申請No.09/941,332描述了從產生表示流量計導管運動的運動信號的運動變送器獲得的流量計導管的離散振型信息如何能夠用於確定連續振型函數，即根據描述導管在多個標準模式中的運動隨其上的位置變化的函數。該申請在此同時提交，並將其全部內容引作參考。從這樣的連續振型函數可以綜合出「虛擬」採樣(pickoff)響應，即不同於變送器位置的位置響應。
上述專利申請No.09/941,332描述以下形式的連續振型函數r(x)=e1rxe-1rxej2rxe-j2rxbc1bc2bc3bc4r--(2)]]>其中，Φr是第r個標準模式的振型函數，振型函數Φr的特徵值λ1r、λ1r和邊界條件{bc1，bc2，bc3，bc4}r可以從模態測量值計算。
這樣的振型函數可以用於將空間或「物理」科裡奧利矩陣變換為模態科裡奧利矩陣。特別地，流量計導管的多個選擇位置的模態變換[Φvirtual]可以使用上述振型函數進行綜合。這樣的「虛擬」位置的個數最好大於存在運動變送器的位置的個數。然後，可以根據以下公式使用[Φvirtual]從該多個虛擬位置的空間科裡奧利矩陣[C]計算模態科裡奧利矩陣[cr][cr]＝[Φvirtual]T[C][Φvirtual] (3)空間科裡奧利矩陣[C]可以使用傳統技術產生。導管的多個虛擬位置可以看作定義多個對應於虛擬位置的具有第一和第二節點的量狀段，每個段在預定質量流速 的空間科裡奧利矩陣由下式給出 =m.010gzl+l260gz+5l21-10gzl+l260gz+5l2-10gzl+l260gz+5l2010gzl+l260gz+5l2-l4360gz+30l2-1-10gzl+l260gz+5l2010gzl+l260gz+5l210gzl+l260gz+5l2l4360gz+30l2-10gzl+l260gz+5l20--(4)]]>其中，「局部」科裡奧利矩陣[Clocal]的第一行/列對應於一個段的第一節點的物理位移，第二行和列對應於該段的第一節點的角位移，第三行/列對應於該段的第二節點的物理位移，第四行和列對應於該段的第二節點的角位移。在公式(4)中，l是段的長度，gz表示導管的組合物質和幾何屬性，其可以由下式給出gz=EItk^GAt--(5)]]>其中，E是導管材料的彈性係數，It是導管慣性的面積矩，G是導管材料的剪切彈性係數，At是導管橫截面積， 是隨導管橫截面積而變化的數值因數。導管的空間科裡奧利矩陣[C]可以利用本領域技術人員熟知的技術從局部科裡奧利矩陣[Clocal]構造。
然後可以產生驅動頻率激勵，即導管振動的頻率，的模態動態剛度矩陣[MDS]，並求逆，以確定一個模態頻率響應函數[MDS]-1，其可以用來確定預定質量流量 的模態響應{η}{η}＝(-ωdrv2[mr]+jωdrv[cr]+jωdrv[dr]+[kr]-1){N}＝[MDS]-1{N} (6)模態響應{η}可以變換為如下的空間域響應向量{y}{y}＝[Φmeasured][MDS]-1[Φmeasured]T{F} (7)變送器位置之間的空間-時間關係，如對應於變送器位置的運動信號之間的時間差(「Δt」)或相位關係，在預定質量流速 可以從估計的空間響應{y}確定。例如，可以採用一種空間積分技術，用於從由多個空間分布的運動變送器提供的空間運動信息產生時間差或相位估計。在美國專利No.6,233,526中描述了一種空間積分技術的例子，該專利在此引作參考。
時間差或相位關係-此處可以總稱為Δ-以及預定質量流速 可以用於確定適當單位的流量校準因子FCF(如，質量/秒/秒，或質量/秒/度)FCF=m/--(8)]]>響應未知質量流速 產生的時間差或相位關係測量值(通常，Δmeasured)可以與校準因子FCF相乘，以產生未知質量流速 的估計m.unknown=FCF(measured-0)--(9)]]>其中，Δ0是在基本0流量時變送器信號間的偏移(如，時間或相位)(「0偏移」)。
試驗表明，在許多實際應用中，質量流速在質量流速的一定範圍內與時間差近似成線性比例，因此，FCF可以假設為常數。但是，如果FCF隨流量變化不夠恆定，可以在一個假設流速範圍內估計來獲得，如，一個查找表或其函數表示法。FCF還可以根據其它參數改變，如溫度，例如，可以補償FCF中由於係數(E)隨溫度變化而發生的變化。
如果假設質量流量傳感器的流量管端點被約束，使得導管端子運動的強制響應大約為0，如果進一步假設支持運動變送器的外殼或其它結構足夠的硬和結實，使得其象一個剛體，則由傳感器的運動變送器產生的運動信號可以作為近似絕對速度信號處理。在這樣的條件下，流量管可以被認為在導管激勵的頻率具有近似恆定的邊界條件。因此，該邊界條件和特徵值至少可以對歐拉梁假設確定。
對於圖13所示的自由體圖中所示的流量傳感器導管1310V-tAt-dy..+Fc+c(+)+F(x,t)=0--(10)]]>M′-Sy′-ρtIt-Mc＝0其中，V是作用於導管1310上的剪切力，ρt是導管1310的材料密度，At是導管1310的橫截面積，d是阻尼係數。 是導管1310的加速度，Fc是導管1310中包含的物質1320之間耦合的力，τ是導管中的物質1320與導管1310內壁之間的粘滯剪切力，θ是導管1310的角位移，α是導管1310的切向畸變差，F(x，t)是作用於導管1310的驅動力，M是導管1310的彎曲力矩，S是導管1310上的張力，ρtIt是導管1310每單位長度的慣性，c是導管1310的內表面周長，且其中圓點表示時間導數，撇號表示關於長度的空間導數。對於導管1310中包含的物質1320-fAf(t+vfx)2y-Fc-c(+)=0--(11)]]>-fIf..+Mc+PAfy=0]]>其中，ρfAf是導管1310中的物質1320的單位長度質量，y是導管1310的位移，vf是導管1310中的物質1320的速度，ρfIf是導管1310中的物質1320的單位長度慣性， 是導管1310的角加速度，P是導管1310中的物質1320的壓力，Af是導管1310中的物質1320的橫截面積。
去掉耦合力(Fc)、力矩(Mc)和導管「梁」壁上的流體剪切(□)V-tAt-dy..+fAf(t+vfx)2y+F(x,t)=0--(12)]]>M-Sy+V-(tIt+fIf)..+PAfy=0]]>根據基本彈性原理y′(x，t)＝θ(x，t)+α(x，t)V(x,t)=k^GAt(x,t)]]>M(x，t)＝EItθ′(x，t) (13)這可以根據y(x，t)和x，t減少為兩個公式k^GAt(y-)-tAty..-dy.-fAf(t+vfx)2y+f(x,t)=0--(14)]]>EIt-Sy+k^GAt(y-)-(tIt+fIf)..+PAfy=0]]>對公式(14)中的基本獨立變量無量綱化，其中下劃線表示空間或時間的無量綱變量，尖括號表示所述變量的美國習慣單位
x＝Lxdx＝Ldxt=11t]]>dt=11dt]]>r=r1]]>=1]]>r(t)=ejt=r(t)=ej1t=ejtin>]]>r(t)=1Lr(t)0>]]>r(x)=r(x)=r(x)0>]]>r(x)=e1rxe-1rxej2rxe-j2rx{BCr}0>]]>r(x)=e1rLxe-1rLxej2rLxe-j2rLx{BCr}0>]]>r(x)=e1rLxe-1rLxej2rLxe-j2rLx{BCr}0>]]>r(x)=r(x)=1Lr(x)1/in>]]>r(x)=e1rxe-1rxej2rxe-j2rx[ur]{BCr}1/in>]]>r(x)=e1rLxe-1rLxej2rLxe-j2rLx[ur]{BCr}1/in>]]>r(x)=e1rLxe-1rLxej2rLxe-j2rLx[ur]{BCr}0>]]>[ur]=L[ur]]]>(15)y(x,t)=rr(x)r(t)=rr(x)r(t)=y(x,t)=in>]]>y(x,t)=1Lrr(x)r(t)=rr(x)r(t)0>]]>(x,t)=rr(x)r(t)=rr(x)r(t)=(x,t)=0>]]>(x,t)=r1Lr(x)Lr(t)=rr(x)r(t)0>]]>對無量綱化的振型Φr、Ψr進行微分和積分
y(x,t)x=1Lr(x)xr(t)=r(x)xr(t)0>]]>2y(x,t)x2=1L22r(x)x2r(t)=1L2r(x)x2r(t)1/in>]]>y(x,t)t=1r(x)r(t)t=1Lr(x)r(t)tin/sec>]]>2y(x,t)t2=12r(x)2r(t)t2=12Lr(x)r(t)tin/sec2>]]>2y(x,t)xt=1Lr(x)xr(t)t=1r(x)xr(t)t1/sec>]]>(x,t)x=1Lr(x)xr(t)=1Lr(x)xr(t)1/in>]]>2(x,t)x2=1L22r(x)x2r(t)=1L22r(x)x2r(t)1/in2>]]>(x,t)t=1r(x)r(t)t=1r(x)r(t)t1/sec>--(16)]]>2(x,t)t2=12r(x)2r(t)t2=12r(x)r(t)t1/sec>]]>r(x)x=1Lr(x)x=1/in>]]>r(x)x=1Lr(x)x=1/in2>]]>(17)xLxRr(x)dx=LxL/LxR/Lr(x)dx=in>]]>xLxRn1(x)n(x)dx=LxL/LxR/Lm(x)n(x)dx=in>]]>在公式(17)中，積分xR/L和xL/L的範圍分別為0-1或-1/2-+1/2，取決於坐標系的位置。公式(18)與公式(14)相同，但包含了全部無量綱關係
k^GAtEIt(1L2r(x)x2-1Lr(x)x)r(t)-A12LEItr(x)2r(t)t2-d1LEItr(x)r(t)t-...]]>2fAfvf1EItr(x)xr(t)t-fAfvf2EIt1L2r(x)x2r(t)+1EItF(xdrv,t)=0]]>1L22r(x)x2r(t)+(PAf-S)EItr(x)xr(t)+k^GAtEIt(r(x)x-r(x))r(t)-...]]>I12EItr(x)2r(t)t2=0]]>(18)對公式(18)的全部分別用L2和L相乘k^GAtL2EIt(1L2r(x)x2-1Lr(x)x)r(t)-A12L4EIt1Lr(x)2r(t)t2-d1L4EIt1Lr(x)r(t)t-...]]>2fAfvf1L3EIt1Lr(x)xr(t)t-fAfvf2L2EIt1L2r(x)x2r(t)+L2EItF(x,t)=0]]>1L2r(x)x2r(t)+(PAf-S)L2EIt1Lr(x)xr(t)+k^GAtL2EIt(1Lr(x)x-1Lr(x))r(t)-...]]>I12L2EIt1Lr(x)2r(t)t2=0]]>(19)在公式(19)中，S對張力是正的，因此，當張力為正時，S為負A=A12L4EIt]]>S=(PAf-S)L2EIt]]>I=I12L2EIt]]>A=fAfvf2L2EIt]]>B=k^GAL2EIt]]>m.=fAfvf2EIt--(20)]]>f=L3EItf(x,t)]]>F=L2EItF(xdrv,t)]]>dr=2rrA1L4EIt]]>將公式(19)排列為緊湊的矩陣形式
注意到振型函數 和 是無量綱的。當計算正交性時，1/L項用來使積分無量綱化。「方框」符號是微分算子的佔位符。公式(21)的第一項解決比例阻尼和科裡奧利效應。第三項解決梁的剛度、離心力、壓力、和張力。剛度矩陣是基本對角的，其中一些項稍微不對稱。
為了計算任意兩個模式m和r的正交性，或「自共軛性」，微分公式的每一項在梁的整個長度上積分 (22)修改積分，使得積分在長度L上被無量綱化 (23)長度L抵消，得出無量綱模態質量、阻尼、科裡奧利、和剛度矩陣mr、dr、cr、krmrm,n=xL/LxR/Lm(x)m(x)TA00Ir(x)r(x)dx--(24)]]> Nm=m(xdrv)m(xdrv)TF0--(27)]]>流量運動的模態微分公式可以簡化為矩陣形式[mr]{..(t)}+[dr+cr]{.(t)}+[kr]{(t)}={Nr}--(28)]]>模態響應{η(t)}可以認為是和諧的，從而公式(28)被改為公式(29)(對於固定端部的梁，最好在ω＝ω1驅動傳感器導管)(-ω2[mr]+jω[dr+cr]+[kr]){η(t)}＝{N}(29)左邊括號內的量可以認為是類似以上參考公式(6)和(7)描述的「模態動態剛度」。通過對該模態動態剛度(模態頻率響應函數)求逆，將其移到右邊可以計算無量綱模態響應{η(t)}＝(-ω2[mr]+jω[dr+cr]+[kr])-1{N} (30)此時，可以簡化假設所述梁的作用就像歐拉/伯努利梁，即ρI≈A≈S≈0。對於歐拉/伯努利梁，模態剛度可以表示為
krm,r=EItxLxR2m(x)x22r(x)x2dx]]>(31)krm,r=xL/LxR/L2m(x)x22r(x)x2dx]]>這允許從積分中去除無量綱常數，使得公式(31)簡化為公式(32)，其中∧表示由振型的積分產生的常矩陣{(t)}=(-2A[m^r]+j(d[d^r]+m.[c^r])+[k^r])-1{N}--(32)]]>具有基本固定的端部的導管在第一彎曲模式頻率可以假設具有近似固定端部的梁的響應。因此，導管的物理響應可以近似為好像固定梁振型和固定梁模態響應的乘積，這意味著振型可以假設為在激勵頻率實際上被保持為恆定。因此，模態質量、阻尼、科裡奧利、和剛度矩陣 和 可以假設為恆定。假設模態激勵不變，則公式(32)中變化的變量只有ρA、d和 還可以假設ω＝1，因為第一彎曲模式典型地在直管科裡奧利流量計中驅動。理論上，質量流量可以在模態域中測量，因為有流量時{η(t)}很複雜A=((tAt+fAf)L)12L3EIt]]>(33)m.=fAfvf2EIt]]>其中，(tAt+fAf)Llbfsec2in>]]>表示流量管和其內部流體的質量，ω1是驅動頻率(第一彎曲模式的假設驅動)，且EItL3lbfin>]]>與梁的光度成正比。
擴展無量綱參數，並提取公共變量，得到{(t)}=EIt((A)L)L3(-2[m^r]+2j[r\\][d^r]+2j(fAfvf)((A)L)L3[c^r]+EIt((A)L)L3[k^r])-1{N}--(34)]]>如果流體密度在公式(34)中關於每單位長度的總質量保持恆定，則校準偏差與Eit/L3成正比。如果該假設成立，則公式34中剩餘的變量是EIt、ρfAfνf、ω、和ζ，其中，ω是激勵頻率，ρfAfνf是質量流速，EIt是導管的抗彎剛度。在流量傳感器應用中，長度通常是已知的，並由設計確定。如果流量傳感器導管限制於基本固定的邊界條件中，則振型和模態頻率也可以已知。因此，模態質量、阻尼、科裡奧利、和剛度矩陣 和 可以假設為恆定。因此，物理響應可以變換到任意數量的物理響應點p，其中r是模式個數。只要導管端部基本固定，則用於將模態響應反變換為物理響應的模態矩陣就是已知的{y(x,t)}p=[r(xp)]p,rL{(t)}r--(35)]]>該物理響應較複雜。如上所述使用時間差或相位測量值可以從物理響應得到質量流量測量。
從公式(34)和(35)，未知的只有質量/單位長度EIt。如果簡化假設，即假設傳感器導管是歐拉梁，則可以確定振型的特徵值λr。因此，如果測量到EIt，可以較精確地確定校準因子，例如，誤差小於1％。對於具有固定/固定邊界條件的歐拉/伯努利梁，特徵值(λr)可能已知。通常至少驅動模式的頻率為已知。因此，ρA/EIt可以從頻率和特徵值信息如下估算r4=r2AEIt--(36)]]>對於更精確的傳感器，影響流量管頻率和邊界條件的剪切剛度和旋轉慣性可以考慮。張力影響也可考慮。下面示出如何消除公式(20)中的前4個特徵值參數。公式(20)提供了如下無量綱關係A=A12L4EIt]]>S=(PAf-S)L2EIt]]>I=I12L2EIt]]>B=k^GAL2EIt--(37)]]>從公式(37)，可以使用實際標準模式假設導出模式的頻率公式det|(A-B)r2-A2Br-(S+B)rB-r2-I2|=0--(38)]]>公式(38)可以根據特徵值、模態頻率、和無量綱特徵值重新排列，得到
(1r2+2r2)2=1r2r4(A+S)22(A+S)(AB+I)-4A(AB+I)2-4ABI=1r2r4{{V1}2]]>1r2-2r2=1r2-(A+S)-(AB+I)=1r2{V2}]]>(39)對於固定/固定梁，或具有其它可計量邊界條件的梁，公式(39)左邊可以是已知的，並對許多模式可以認為是常量。如果測量了至少3個模式的模態頻率，則可以求解ρA、S、ρI、和BS=-V20=-V10]]>A=V11+2V20V214]]>B=-2AV22V222-V13-2A[(V22V222-V13)2-1V222-V13]1/2--(40)]]>I=-V22-AB]]>使用從頻率響應函數(FRF)測量值可以將特徵值參數分解為ρA、ρI、EIt、 和S。測量ρA和ρI的一種方法是測量流量導管的模態質量。一種從有限量的FRF測量值進行循環擬合的方法可以提供模式的特徵值的估計值和餘數。第r個模式的模態質量mr可以從餘數Rqqr計算，其中qqr指的是第r個模式的驅動點響應Rqqr=qqr2-j2mrr--(41)]]>mr=qqr2-j2Rqqrr]]>然後可以產生ρA和ρI的最小二乘估計
現在， 和 可以看作近似恆定(但不是對角)矩陣，並可以從公式(42)中消去(pulled)。通過將列向量疊加，並進行偽求逆(pseudo inverse)，可以獲得ρA和ρI的最小二乘估計 通常，ρA和ρI隨流體密度的變化而變化。在安裝時，流體密度可能不知道。但是，期望的參數EIt和 通常不隨時間變化，儘管E和G隨溫度有微小變化，It和At隨壓力而變化。因此，在安裝時，ρA和ρI可以被測量，並用於計算EIt和 有這些信息在手，就可以進行校準因子的現場估計。如果從相位測量值得出質量流量測量值，則ρA可能改變校準偏差。這樣的流體密度對校正偏差的影響可以通過使用時間差測量值代替相位測量值得到減小。
上述技術的一個潛在好處是模態質量的測量通常要求確定驅動點響應，例如，在流量管被驅動的位置的響應。但是，測量流量卻不需要這樣的驅動點響應。因此，如果在流量傳感器工作的過程中測量驅動點響應不方便，則可以在驅動點使用一個運動變送器來安裝/校準，然後在正常工作時去除該變送器(或忽略其輸出)。
示範校準裝置和操作圖3示出根據本發明實施例的校準因子發生電路300的一種典型實現。校準因子發生電路300可以確定一個流量傳感器的校準因子。如圖所示，校準因子發生電路300包括標準模態動態特徵描述電路310，該電路310可以產生導管運動的標準模態動態特徵，例如，在包括多個標準模式的模態域中一個微分運動公式的表示。該校準因子發生電路300還包括校準因子確定電路320，其可以從標準模態動態特徵315確定校準因子325。例如，校準因子確定電路320可以操作來從標準模態動態特徵315產生所述模態微分運動公式的解，以及例如通過從該解產生時間差或相位關係的估計來從該解確定校準因子，並從中確定校準因子325。校準因子發生電路300還包括接口電路330，其可操作來將確定的校準因子325傳遞到質量流量傳感器的質量流量估算器360。如圖3所示，標準模態動態特徵描述電路310可以利用由振型函數發生電路350產生的振型函數Φ產生標準模態動態特徵315。振型函數發生電路350從表示質量流量傳感器的導管運動的運動信號301產生所述振型函數Φ，如上述美國專利申請No.09/941,332所述，標準模態動態特徵描述電路310還可以利用由模態分析電路340產生的模態質量、阻尼、和剛度項[mr]，[dr]，[kr]，或者可以使用振型函數Φ來產生這樣的信息，如以上參考公式(24)、(25)和(27)所述。在執行流量傳感器導管的模態分析時，模態分析電路340可以例如產生驅動信號303來激勵質量流量傳感器導管，並可以利用例如傳統技術來處理表示響應該激勵的運動的運動信號302。標準模態動態特徵描述電路310還可以使用空間科裡奧利矩陣[C]來產生標準模態動態特徵315的模態科裡奧利矩陣項，如參考公式(3)所描述的，或可以直接從振型函數Φ確定這樣的科裡奧利項。
如圖3概念性地所示，校準因子發生電路300可以包括一個單獨的單元，或可以與模態分析電路340和/或振型函數發生電路350和/或質量流量估算電路360相結合。例如，校準因子發生電路300的全部或一部分可以與質量流量估算電路360集成在一個公用的數據處理器中，如，構成一個質量流量傳感器裝置一部分的微控制器、微處理器或數位訊號處理器(DSP)，從而使得例如標準模態動態特徵描述電路310、校準因子確定電路320、接口電路330、和質量流量估算電路360實現為軟體對象、模塊等，其配置為在所述公用數據處理器上協調運行。可選地，校準因子發生電路300的全部或一部分可以與振型函數發生電路350和/或模態分析電路340集成在例如用於一件測試或過程控制設備的一個公用數據處理裝置中，使得例如這些電路實現為協調運行的對象、模塊等。應當理解，普遍而言，校準因子發生電路300可以使用在通用或專用數據處理器上運行的專用硬體、軟體或固件或其結合實現。
圖4-6為根據本發明各種實施例的示範操作的流程圖說明。本領域的技術人員能夠理解，這些流程圖的操作可以使用計算機指令實現。這些指令可以在計算機或其它數據處理裝置上執行，例如，可以用來實現圖3的校準因子發生電路300，以產生能夠執行所示操作的裝置(系統)。這些計算機指令還可以在計算機可讀介質例如集成電路存儲器、磁碟、磁帶等上存儲為計算機可讀程序代碼，該代碼可以引導計算機或其它數據處理裝置執行所示操作，從而提供執行所示操作的裝置。該計算機可讀程序代碼也可在計算機或其它數據處理裝置上執行，使該裝置執行計算機實現的處理。相應地，圖4-6支持裝置(系統)、電腦程式產品和方法，以執行此處所示操作。
本領域的技術人員應當理解，本發明可以根據不同於此處所示實施例的多種其它方式實現。例如，此處所述計算可以實現為單獨計算或組合為實現相同結果的一個或多個計算。此處所述功能一般可以使用數字和/或模擬信號處理技術實現。本領域的技術人員還應理解，儘管本發明可以在例如科裡奧利質量流量計的裝置內實現，或實現為可由這樣的裝置執行的方法，但本發明也可在配置為與流量計或傳感器裝置聯合操作的裝置中實現，例如在過程控制裝置中。還應理解，本發明可以實現為計算機可讀指令或程序代碼形式的產品，該指令或程序代碼存儲在計算機可讀存儲介質如磁碟、集成電路存儲設備、磁帶、磁泡存儲器等上。這樣的電腦程式代碼可以由計算機或其它數據處理器執行，並響應從運動變送器提供的運動信號來執行，這些運動變送器的操作與流量傳感器或類似結構關聯。
圖4示出根據本發明實施例產生一個流量傳感器的校準因子的示範操作400。從測量的響應數據，例如從由圖1所示的運動變送器產生的運動信號，確定一個振型函數，例如以上參考公式(2)描述的振型函數(塊410)。然後從該振型函數產生一個標準模態動態特徵(塊420)。例如，通過如以上參考公式(3)-(15)所描述的，利用模態分析技術確定模態質量和硬度剛度矩陣，並從一個預定質量流量的離散物理科裡奧利矩陣產生一個模態科裡奧利矩陣，可以產生包括模態質量項、模態剛度項、模態阻尼項以及模態科裡奧利項的模態微分公式，這可以看作是相對於空間科裡奧利特徵(例如，物理科裡奧利矩陣)確定離散振型的正交性。可選地，模態科裡奧利矩陣可以通過確定預定質量流速的連續模態函數的正交性(例如，相對於它自己和其它振型函數)來確定，如參考公式(26)所描述，而模態質量和剛度矩陣可以通過類似的標準化，如公式(24)、(25)和(27)，或通過傳統的模態分析技術來確定。然後可以從所述標準模態特徵確定校準因子(塊430)。例如，可以求解包括模態質量、剛度、阻尼、和科裡奧利項的模態微分公式，並轉換到空間域，來得出估計的空間響應，從該響應可以確定校準因子，如參考公式(3)、(6)-(8)以及(32)-(35)所描述的。
圖5示出根據本發明一些實施例確定一個流量傳感器校準因子的示範操作500。利用例如傳統模態分析技術確定一個模態微分運動公式的模態質量和剛度項，如公式(6)的[mr]和[kr]矩陣(塊510)。然後從空間科裡奧利特徵和振型函數，如公式(3)中描述的物理科裡奧利矩陣[C]，確定運動公式的模態科裡奧利項，如公式(6)的[cr]矩陣(塊520)。然後，從導管運動隨模態質量、剛度、和科裡奧利項而變化的標準模態動態特徵，例如從模態微分運動公式，確定校準因子(塊530)。
圖6示出根據本發明其它實施例確定一個流量傳感器校準因子的示範操作600。利用例如傳統模態分析技術或通過如參考公式(24)和(25)所描述的振型函數標準化，確定一個模態微分運動公式的模態質量和剛度項，如公式(34)的 和 矩陣(塊610)。然後通過確定一個預定質量流速的振型函數的正交性，如參考公式(26)描述的，確定運動公式的模態科裡奧利項，如公式(34)的 矩陣(塊620)。然後，從導管隨模態質量、剛度、和科裡奧利項運動的標準模態動態特徵，例如從模態微分運動公式的解，確定校準因子(塊630)。
如上所述，如果適當約束導管的運動以提供預定的邊界條件，則可以對流量傳感器導管的模態特性進行簡化假設。例如，通過固定傳感器導管的端部，可以獲得導管的至少一個模式的基本確定的、近似的邊界條件。
例如，如圖7所示，流量傳感器700可以包括由致動器706驅動(振動)的導管703。當物質708流過導管703時，運動傳感器705產生表示導管703的運動狀態的運動信號707。質量流量確定電路710利用從傳感器700的標準模態動態特徵導出的校準因子755從該運動信號707產生質量流量估計715。
具體地，如上所述，可以通過假設導管703的正常模式的一種預定的邊界條件，例如假設由致動器706驅動的第一彎曲模式的固定/固定邊界條件，可以導出校準因子755。如圖7中概念性地所示，該邊界條件可以通過將導管703的位置703A、703B固定到基本剛性結構730來近似。應當理解，對位置703A、703B的該固定可以通過多種不同方式實現。例如，導管704的位置703A、703B可以利用卡子、焊接或其它緊固技術來固定到剛性結構。
應當理解，根據本發明的實施例，這樣的方式可以便於實現簡單的直管科裡奧利流量計，這種科裡奧利流量計不需要許多傳統直管傳感器中所用的機械調諧平衡梁。還應當理解，上述技術還使得能夠在實踐中實現一種「扣緊(clamp-on)」流量傳感器，即，由變送器、致動器和與構成一個處理裝置的一部分的管子或其它導管的長度關聯的電路實現的流量傳感器，例如精煉、處理廠或其它設備中的現有管線。
根據本發明實施例的直管流量傳感器結構的一個例子示於圖8。在圖8中，流量傳感器800包括一個導管803，其附著於一個外殼804並被該外殼包圍。該導管803配置為從例如附著於法蘭802的管線(未示出)接收物質或向其發送物質。傳感器800進一步包括一個或多個致動器806，其導致導管803和外殼804之間的相對運動。多個運動變送器805產生表示導管803和外殼804之間的相對運動的運動信號807。
傳感器接口電路810包括一個質量流量確定電路812，其操作接收所述運動信號807，並根據校準因子855從中產生一個質量流量估計813。該傳感器接口電路810還包括驅動器電路814，用於控制所述一個或多個致動器806。
校準因子855由標準模態動態特徵化校準電路850產生。該校準電路850從導管803的運動的一個標準模態動態特徵導出所述校準因子855。如虛線連接所示，所述校準電路850可以操作接收由變送器805產生的運動信號807和/或產生驅動信號，來驅動一個或多個致動器806。這一能力可以用來確定振型函數和模態微分運動公式的項，以及確定所述校準因子855所需的其它參數。
如上所述，校準因子855可以根據一種假設來導出，即，假設導管803將約束於預定的邊界條件，例如導管803的第一彎曲模式的固定端部邊界條件。為了近似這樣的預定邊界條件，對導管803的運動加以限制。例如，如圖8概念性所示，通過將導管803約束到剛性結構，可以將靠近法蘭802的運動限制於近似固定條件，從而使得靠近法蘭802的運動幾乎消失。應當理解，這樣的固定可以通過多種不同方式實現。例如，可以通過將連接到法蘭802的一條管線卡、焊或採取其它方式固定到剛性結構來限制靠近法蘭802的運動。也可以通過例如將外殼804固定到剛性結構來實現固定，假設外殼804的剛度足以限制靠近法蘭802的運動。
進一步應當理解，傳感器接口電路810可以通過多種不同方式實現。例如，傳感器接口電路810可以實現為帶有外殼804的電子封裝。可選地，傳感器接口電路810的全部或部分的位置可以與外殼804和其中的組件分離。例如，傳感器接口電路810的全部或部分可以包括在連接到所述一個或多個致動器806和/或運動變送器805的遠程過程控制裝置中。
進一步應當理解，校準電路850可以通過多種不同方式實現。例如，校準電路850的全部或部分可以與傳感器接口電路810集成。校準電路850的全部或部分也可以包括在例如設計為與工廠或其它設備中的傳感器800接口的遠距離過程控制或其它設備。校準電路850的全部或部分也可以在例如測試設備(現場或工廠)中提供，該測試設備配置為連接到傳感器800用於校準，但在傳感器800正常運行時拆除或使無效。傳感器接口電路810還可以與校準電路850共享組件，如處理電路或驅動器電路。
圖9示出根據本發明其它實施例的「扣緊」流量傳感器構造的一個例子。管線903在第一和第二位置903A、903B通過第一和第二管卡911A、911B卡在剛性結構930上。多個運動變送器905，如慣性或相對變送器，被配置為在各個位置與管線903嚙合，並產生表示導管903的運動狀態的運動信號907。傳感器接口電路910包括一個質量流量確定電路912，其操作來根據從管線903的運動的標準模態動態特徵導出的校準因子955處理所述運動信號907。一個或多個致動器906還配置為與管線903嚙合，並被傳感器接口電路910中包含的驅動器電路914驅動。
校準因子955由標準模態動態特徵校準電路950產生。校準電路950從導管903的運動的標準模態動態特徵導出校準因子955。如虛線連接所示，校準電路950可以接收由變送器905產生的運動信號907和/或產生驅動信號來驅動所述一個或多個變送器906。這一能力可以用於確定例如振型函數和模態微分運動公式的項，和確定校準因子955所需的其它參數。
校準因子955可以根據一種假設來導出，即，假設導管903將約束於預定的邊界條件，例如導管903的第一彎曲模式的固定端部邊界條件。為了近似這樣的預定邊界條件，對導管903的運動加以約束。例如，如圖9所示，可以通過將導管903附著於剛性結構930上的卡子911A和911B來約束導管903在相互隔開的第一和第二位置903A和903B的運動。應當理解，這樣的固定可以通過其它方式實現。
傳感器接口電路910可以通過多種不同方式實現。例如，傳感器接口電路910可以實現為被配置靠近變送器905和致動器906的電子封裝。可選地，傳感器接口電路910的全部或部分的位置可以與變送器905和一個或多個致動器906分離。例如，傳感器接口電路910的全部或部分可以包含在通過通訊連結與一個或多個致動器906和/或運動變送器905連接的遠程過程控制裝置中。
進一步應當理解，校準電路950可以通過多種不同方式實現。例如，校準電路950的全部或部分可以與傳感器接口電路910集成。校準電路950的全部或部分也可以包括在過程控制或其它設備中。校準電路950的全部或部分也可以在例如測試設備(現場或工廠)中提供，該測試設備連接到致動器906和變送器905用於校準，但在正常運行時拆除或使無效。傳感器接口電路910還可以與校準電路950共享組件，如處理電路或驅動器電路。
圖10示出根據本發明實施例的扣緊流量傳感器構造的另一個例子。管線1003在第一和第二位置1003A、1003B通過第一和第二管卡1011A、1011B卡在剛性結構1030上。管卡1011A、1011B也附著於剛性結構1004上，如剛性梁。多個相對運動變送器1005被配置為在各個位置與管線1003嚙合，並提供表示導管1003相對於結構1004的運動的運動信號1007。傳感器接口電路1010包括一個質量流量確定電路1012，其操作來根據從管線1003的運動的標準模態動態特徵導出的校準因子1055處理所述運動信號1007。一個或多個致動器1006還配置為與管線1003嚙合，並根據傳感器接口電路1010中包含的驅動器電路1014驅動導管1003。
校準因子1055是由標準模態動態特徵校準電路1050產生的。該校準電路1050從所述導管1003的運動的標準模態動態特徵導出校準因子1055。如虛線連接所示，校準電路1050可以操作接收由變送器1005產生的運動信號1007，和/或產生驅動信號來驅動所述一個或多個變送器1006。該能力可以用於例如確定振型函數和模態微分運動公式的項，以及確定校準因子1055所需的其它參數。
校準因子可以根據一種假設來導出，即，假設導管1003將約束於預定的邊界條件，例如導管1003的第一彎曲模式的固定端部邊界條件。為了近似這樣的預定邊界條件，對導管1003的運動加以約束。例如，如圖10概念性所示， 可以通過附著於剛性結構1030上的卡子1011A和1011B來約束導管1003在相互隔開的第一和第二位置1003A和1003B的運動。應當理解，這樣的固定可以通過其它方式實現。
傳感器接口電路1010可以通過多種不同方式實現。例如，傳感器接口電路1010可以實現為被配置靠近變送器1005和致動器1006的電子封裝。可選地，傳感器接口電路1010的全部或部分的位置可以與變送器1005和一個或多個致動器1006分離。例如，傳感器接口電路1010的全部或部分可以包含在通過通訊連結與一個或多個致動器1006和/或運動變送器1005連接的遠程過程控制裝置中。
進一步應當理解，校準電路1050可以通過多種不同方式實現。例如，校準電路1050的全部或部分可以與傳感器接口電路1010集成。校準電路1050的全部或部分也可以包括在例如過程控制或其它設備中。校準電路1050的全部或部分也可以在例如測試設備(現場或工廠)中提供，該測試設備連接到致動器1006和變送器1005用於校準，但在正常運行時拆除或使無效。傳感器接口電路1010還可以與校準電路1050共享組件，如處理電路或驅動器電路。
根據本發明的其它實施例，用於流量傳感器導管的預定邊界條件也可以通過利用限制質量流量傳感器的導管運動的振型控制技術來近似。這樣的振型控制技術在例如標題為「Sensor Apparatus，Methodsand Computer Program Products Employing Vibrational ShapeControl」的美國專利申請09/942,189中描述，該申請屬於Wheeler，此處共同提交並將全文引作參考。特別地，上述申請描述了與流量傳感器導管操作關聯的致動器如何可以用於近似導管的至少一種振動模式的固定邊界條件，例如，直管型導管傳感器的第一彎曲模式。
圖11示出利用根據本發明實施例的振型控制的質量流量傳感器裝置1100。該裝置1100包括一個導管1103。多個致動器1106操作來在多個位置上為所述導管施加力。多個運動變送器1105也在操作時與導管1103關聯，並響應導管1103的運動而產生運動信號1107。
兩個或更多運動信號1107可以被傳感器接口電路1110的質量流量確定電路1112處理，以利用根據導管1103的一種模式(例如，第一彎曲模式)的預定邊界條件的假設從導管1103運動的標準模態動態特徵導出的校準因子產生質量流量估計1113。例如，假設的預定邊界條件可以包括在導管1103的位置1103A和1103B幾乎沒有運動(例如，在一個慣性框架內)。
傳感器接口電路1100進一步包括一個振型控制電路1114，該電路操作時接收部分或全部運動信號1107，並響應該信號產生驅動信號1109。例如，振型控制電路1120可以操作來以第一彎曲模式振動導管1103，同時約束導管1103的運動，使得校準因子1155所根據的預定邊界條件得到近似。例如，振型控制電路1120可以驅動致動器1106，使得導管1103的第一彎曲模式被驅動，同時在導管位置1103A和1103B保持基本為零的第一彎曲模式的運動。
校準因子1155是由標準模態動態特徵校準電路1150產生的。該校準電路1150可以操作來接收由變送器1105產生的運動信號1107和/或產生驅動一個或多個變送器1106的驅動信號(為清楚起見，圖11中未示出連接)。這一能力可以用於例如確定振型函數和模態微分運動公式的項，以及確定校準因子1155所需的其它參數。
傳感器接口電路1110可以以多種不同的方式實現。例如，傳感器接口電路1110可以實現為在變送器1105和致動器1106附近配置的電子裝置封裝。可選地，全部或部分傳感器接口電路1110的位置可以遠離變送器1105和一個或多個致動器1106。例如，全部或部分傳感器接口電路1110可以包括在通過通訊鏈路與致動器1006和/或運動變送器1105連接的遠程過程控制裝置中。
進一步應當理解，校準電路1150可以以多種不同方式實現。例如，校準電路1150的全部或部分可以與傳感器接口電路1150集成在一起。校準電路1150的全部或部分可以包括在例如遠離導管1103的過程控制或其它裝置中。校準電路1150的全部或部分也可以在測試裝置(現場或工廠)中提供，該測試裝置連接到致動器1106和變送器1105進行校準，但在正常操作時被去除或使無效。校準電路1150的全部或部分也可以與校準電路1150共享諸如信號處理電路和驅動電路這樣的組件。
進一步應當理解，類似於以上參考圖8-10所描述的配置，參考圖11所描述的有源振動控制方法可以用於實現直管流量傳感器，包括集成和扣緊結構。
圖12示出根據本發明另一方面的示範操作1200。假設一種預定邊界條件，例如導管的一個或多個標準模式的固定端部邊界條件，從傳感器導管的標準模態動態特徵確定質量流量傳感器的校準因子(塊1210)。產生表示導管運動的運動信號，同時通過例如將導管的適當位置附著於固定結構和/或通過使用形態控制，將導管的運動約束為與預定邊界條件近似(塊1220)。根據校準因子對這樣產生的運動信號進行處理，以產生質量流量估計(塊1230)。
在附圖和說明中，公開了本發明的典型實施例。儘管其中運用的特定的術語，但這只是在一般的和敘述性意義上使用，而不是為了限制的目的。本發明的範圍在下面的權利要求中提出。
權利要求
1.一種用於確定被配置為含有物質的導管中的質量流量的方法，該方法的特徵在於以下步驟從導管運動的標準模態動態特徵確定校準因子；產生表示導管在其上多個位置處的運動的運動信號；和根據所確定的校準因子處理該運動信號，以產生一個質量流量估計。
2.如權利要求1所述的方法，其中確定校準因子包括在包含導管的多個標準運動模式的模態域中產生模態微分運動公式的解；和根據所產生的模態微分運動公式的解產生校準因子。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述校準因子將質量流速與上述的多個運動信號間的空間-時間關係聯繫起來。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述校準因子將質量流速與時間差或相位關係中的一個聯繫起來。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述標準模態動態特徵表示導管的運動隨模態科裡奧利項變化的特徵，該科裡奧利項描述導管響應其中的質量流量的多個標準模式之間的耦合。
6.如權利要求5所述的方法，其中確定校準因子之前，先從一個振型函數確定所述模態科裡奧利項，該振型函數描述導管在標準模式的運動隨導管上的位置的變化。
7.如權利要求5所述的方法，其中確定校準因子之前，先從一個空間科裡奧利特徵確定所述模態科裡奧利項，該空間科裡奧利特徵在空間域中描述導管的多個離散位置響應預定質量流量的運動。
8.如權利要求6所述的方法，其中所述振型函數是一個特徵值和邊界條件的函數。
9.如權利要求6所述的方法，進一步包括確定所述振型函數。
10.如權利要求9所述的方法，其中確定所述振型函數包括從預定的特徵值和預定的邊界條件確定所述振型函數。
11.如權利要求6所述的方法，其中確定校準因子之前，先確定導管中含有預定質量流量時一個振型函數的正交性，該振型函數描述導管在標準模式的運動隨其上位置不同的變化。
12.如權利要求11所述的方法，進一步包括確定所述振型函數。
13.如權利要求1所述的方法，其中確定校準因子包括從所述標準模態動態特徵產生導管的多個位置的估算空間響應；和從該估算空間響應產生所述校準因子。
14.如權利要求13所述的方法，其中從所述估算空間響應產生所述校準因子包括確定所述多個位置的運動之間的空間-時間關係；和從所確定的空間-時間關係確定所述校準因子。
15.如權利要求1所述的方法，其中確定校準因子包括從由多個運動變送器產生的運動信號產生所述校準因子。
16.一種質量流量傳感器，包括配置為包含一種物質(108)的導管(103)；多個運動變送器(105)，其操作產生表示導管的運動的運動信號；至少一個致動器(106)，其操作激勵所述導管；和質量流量估算電路(360)，其操作根據一個校準因子從所述運動信號估算質量流量，其特徵在於一個校準因子發生器電路(300)，其操作來從所述導管運動的標準模態動態特徵產生校準因子，該校準因子發生器電路包括一個接口電路(330)，其操作將產生的校準因子(325)傳送到所述質量流量估算電路。
17.如權利要求16所述的質量流量傳感器，其中所述校準因子發生器電路包括一個標準模態動態特徵化電路(310)，該電路操作產生導管運動的標準模態動態特徵。
18.如權利要求16所述的質量流量傳感器，其中所述標準模態動態特徵表述導管的運動隨一個模態科裡奧利項而變化的特徵，該模態科裡奧利項描述導管響應其中的質量流量的多個標準模式之間的耦合。
19.如權利要求18所述的質量流量傳感器，其中所述校準因子發生器電路操作來從一個振型函數確定所述科裡奧利項，該振型函數描述導管在標準模式中的運動隨其上位置的變化。
20.如權利要求19所述的質量流量傳感器，其中所述校準因子發生器電路操作來從一個預定特徵值和一個預定邊界條件確定所述振型函數。
21.如權利要求16所述的質量流量傳感器，其中所述校準因子發生器電路操作來從所述標準模態動態特徵產生導管的多個位置的估算空間響應，並從該估算空間響應產生所述校準因子。
22.如權利要求16所述的質量流量傳感器，其中所述校準因子發生器電路配置為從參數傳感器的多個運動變送器接收運動信號，並操作來從所接收到的運動信號產生所述校準因子。
23.如權利要求16所述的質量流量傳感器，其中所述質量流量估算電路配置為接收所述運動信號，並操作來利用從所述導管運動的標準模態特徵導出的校準因子，從該運動信號產生一個質量流量估算，所述導管運動的標準模態特徵假設導管的一種預定邊界條件，並進一步包括用於約束導管的運動使其近似於所述預定邊界條件的裝置(730A和730B)。
24.如權利要求23所述的質量流量傳感器，其中所述質量流量估算電路操作來確定時間差和相位關係，並將所述校準因子應用於所確定的時間差或相位關係二者中的一個，以產生質量流速的估算。
25.如權利要求23所述的質量流量傳感器，其中約束導管運動的所述裝置包括響應導管的運動向該導管施加力的裝置，以引起近似於所述假設的邊界條件的邊界條件。
26.如權利要求23所述的質量流量傳感器，進一步包括形狀控制電路，其配置為從至少兩個運動變送器接收運動信號，並操作響應該運動信號控制所述至少一個致動器。
全文摘要
用於一個傳感器的校準因子從導管運動的標準模態動態特徵確定，該傳感器包括一個含有物質的導管和多個運動變送器，該運動變送器操作來產生表示所述導管運動的運動信號。該校準因子可以通過在包括導管運動的多種標準模式的模態域中產生模態微分運動公式的解，並從該解產生所述校準因子來產生。所述標準模態動態特徵可以描述導管運動隨一個模態科裡奧利項而變化的特徵，所述模態科裡奧利項描述導管響應導管中的質量流量的多個標準模式之間的耦合。該模態科裡奧利項可以從一個振型函數確定，該振型函數描述導管的模態運動隨導管上位置的變化。本發明可以實現為方法、裝置、和電腦程式產品。
文檔編號G01F1/84GK1575408SQ02821038
公開日2005年2月2日 申請日期2002年8月26日 優先權日2001年8月29日
發明者D·F·諾爾門 申請人:微動公司