Способ и устройство для измерения давления в кориолисовом массовом расходомере

 

Изобретения могут быть использованы для получения точной информации о массовом секундном расходе, а также плотности. Колебания расходомерных трубок возбуждают в двух режимах изгибных колебаний или в режиме изгибных и крутильных колебаний. Отношение основных частот, на которых расходомерные трубки колеблются в каждом из двух режимов колебаний, пропорционально давлению внутри расходомерных трубок. При обработке частотных сигналов используют цифровые режекторные и полосовые фильтры. Изобретения обеспечивают упрощение измерения давления, а также повышение точности измерения массового расхода или плотности за счет использования полученного давления в качестве сигнала коррекции. 2 с. и 18 з.п. ф-лы, 14 ил., 4 табл.

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение касается измерения давления в связи с массовыми расходомерами на эффекте Кориолиса и, в частности, способа и устройства для получения информации о давлении вещества под влиянием действия массового расходомера на эффекте Кориолиса и для получения точной информации о массовом секундном расходе в ответ на действие массового расходомера.

Проблема Известно использование массовых расходомеров на эффекте Кориолиса для измерения массового секундного расхода и получения другой информации о веществах, протекающих по трубопроводу. Такие расходомеры раскрыты в патентах США под номером 4.109.524 от 29 августа 1978 г., 4.491.025 от 1 января 1985 г. и заменяющем патенте Re. 31.450 от 11 февраля 1982 г., выданных Дж. Е. Смиту и др. Эти расходомеры имеют одну или более расходомерные трубки прямой или изогнутой конфигурации. Конфигурация каждой расходомерной трубки в кориолисовом массовом расходомере имеет набор собственных видов колебаний, которые могут быть простыми изгибными, крутильными или связанными колебаниями. Каждую расходомерную трубку приводят к колебанию при резонансе в одном из этих видов собственных колебаний. Вещество проходит в расходомер из подсоединенного трубопровода на впускной стороне массового расходомера, направляется через расходомерную трубку или трубки и выходит из расходомера через выпускную сторону. Собственные виды колебаний заполненной колеблющимся веществом системы определяются частично объединенной массой расходомерных трубок и веществом, протекающим внутри расходомерных трубок.

Когда через расходомер не проходит поток, все точки вдоль расходомерной трубки колеблются с идентичной фазой из-за прикладываемой силы возбудителя. Как только начинает течь вещество, Кориолисовы ускорения заставляют каждую точку вдоль расходомерной трубки иметь отличающуюся фазу. Фаза на входной стороне расходомерной трубки отстает от фазы возбудителя, в то время как фаза на выпускной стороне опережает фазу возбудителя. В расходомерной трубке помещены датчики для образования синусоидальных сигналов, отображающих движение расходомерной трубки. Разность фаз между двумя сигналами датчиков пропорциональна массовому секундному расходу вещества через расходомерную трубку.

Осложняющий фактор при таком измерении состоит в том, что изменяется плотность типичных обрабатываемых веществ. Изменения плотности вызывают изменение частоты видов собственных колебаний. Поскольку система управления возбуждением массового расходомера поддерживает резонансное колебание расходомерных трубок, под действием изменения плотности изменяется частота колебаний. Массовый секундный расход в этой ситуации пропорционален отношению разности фаз и частоты колебаний.

Вышеупомянутый патент США под номером Re. 31.450, выданный Смиту, раскрывает кориолисовый массовый расходомер, в котором при измерении массового секундного расхода устраняется необходимость измерения как разности фаз, так и частоты колебаний. Разность фаз определяется посредством измерения временной задержки между пересечениями уровня двух синусоидальных сигналов массового расходомера. При использовании этого способа аннулируются изменения частоты колебаний, и массовый секундный расход оказывается пропорциональным полученной в результате измерений временной задержке. Этот способ измерения далее называется временной задержкой или измерением t.

Информацию относительно характеристик вещества, протекающего в кориолисовом массовом расходомере, обычно получают с помощью измерительной аппаратуры, которая измеряет фазу или временную задержку между двумя выходными сигналами датчиков расходомера. Эти измерения должны осуществляться с большой точностью, поскольку часто требуется, чтобы полученная информация о расходе имела точность по меньшей мере 0,15% считывания. Эти выходные сигналы расходомера являются синусоидальными и смещены по времени или фазе на величину, определяемую силами Кориолиса, производимыми измерительным устройством, через которое протекает вещество. Схемы обработки сигналов, которые принимают эти выходные сигналы датчиков, измеряют эту разность фаз с точностью и вырабатывают требуемые характеристики протекающего обрабатываемого вещества с требуемой точностью по меньшей мере 0,15% считывания.

В патенте США под номером 5.473.949 от 12 декабря 1995, выданном Кейджу и др., описан способ определения давления и плотности в кориолисовом массовом расходомере. В патенте Кейджа описано возбуждение колеблющегося трубопровода в двух различных режимах. Жидкость заставляют течь по трубопроводу и проводят измерения двух видов колебаний в "рабочей точке" расходомера. Затем определяют давление и плотность протекающего в расходомере вещества с помощью одновременного решения двух уравнений, как предусмотрено патентом Кейджа.

Способы цифровой обработки сигналов (ЦОС) улучшают точность обработки сигналов от датчиков кориолисового массового расходомера. Способы и устройства ЦОС измеряют разность фаз между сигналами датчика без введения сдвигов фаз между двумя сигналами с помощью процесса измерения. Любой сдвиг фазы (задержка), вносимый операцией ЦОС, идентичен для двух сигналов датчиков. Кроме того, способы ЦОС могут более эффективно фильтровать сигналы, чтобы извлекать данные из сигналов шума окружающей среды, наводимых в сигналах окружающей средой, в которой работает расходомер.

Известно, что изменения давления внутри расходомерных трубок расходомера могут влиять на точность измерений массового секундного расхода. Изменения давления вещества, текущего внутри расходомерных трубок, могут изменять жесткость расходомерных трубок расходомера. Это изменяет резонансную частоту расходомерных трубок и вызывает погрешности в измерении массового секундного расхода. Чтобы минимизировать влияния изменений давления на резонансную частоту и измерения массового секундного расхода, обычно усиливают стенки расходомерных трубок. Однако, увеличение жесткости расходомерных трубок для снижения влияния изменений давления может увеличить стоимость массового расходомера, а также снижает чувствительность расходомера. Пониженная чувствительность из-за воздействий давления может ограничить пригодный для использования диапазон применения расходомера.

В технике известно использование манометра вместе с расходомером для измерения мгновенного давления вещества и использование полученных в результате измерений значений давления для коррекции измерений массового секундного расхода. Однако, добавление независимого манометра прибавляет сложность (и связанные с этим затраты) устройства измерения расхода.

Решение Настоящее изобретение разрешает вышеупомянутые и другие проблемы, таким образом усовершенствуя полезную технику, обеспечивая способы и устройство для измерения давления внутри кориолисового массового расходомера без добавления независимого манометра. Измерение давления, получаемое от действия массового расходомера на эффекте Кориолиса, используется для коррекции измерений массового секундного расхода расходомера. Измерение давления можно использовать непосредственно в регулируемом процессе для других целей, требующих измерений давления в трубопроводе. Соответствующие настоящему изобретению способы и устройство приводят в действие массовый расходомер на эффекте Кориолиса путем вибрирования расходомерных трубок как в режиме изгибных колебаний, так и в режиме крутильных колебаний. Каждый вид колебания имеет связанную с ним основную частоту. Известные способы обработки сигналов используются вместе с датчиками, установленными на расходомерных трубках для получения массового секундного расхода в функции колебаний расходомерных трубок. Соответствующие настоящему изобретению способы также осуществляют использование того, что отношение между частотой первого вида колебаний расходомерных трубок (например, частотой режима крутильных колебаний) и второго вида колебаний расходомерных трубок (например, частотой режима изгибных колебаний) изменяется в функции давления внутри расходомерных трубок. Отношение двух полученных в результате измерения частот используется соответствующими настоящему изобретению способами и устройством обработки сигналов для определения давления вещества внутри расходомерных трубок. То же самое устройство обработки сигналов используется как для получения массового секундного расхода, так и для определения давления внутри расходомерных трубок расходомера. Это устраняет необходимость в отдельном устройстве измерения давления во многих применениях измерения потока веществ. Многочисленные другие поправочные коэффициенты, включая температуру расходомерной трубки и плотность вещества, измеряются устройством обработки сигналов и используются для коррекции как определения массового секундного расхода, так и определения давления. Определяя давление внутри расходомерных трубок, можно скорректировать измерения массового секундного расхода, с целью учета влияния давления на измерения массового секундного расхода.

Измеряя давление внутри расходомерных трубок и компенсируя полученный в результате измерений массовый секундный расход для коррекции влияний изменений давления на характеристики колебаний расходомерных трубок, обеспечивают возможность делать стенки расходомерных трубок из более тонкого материала. Расходомерные трубки должны иметь толщину, только достаточную для приемлемого сдерживания статического давления вещества внутри рабочих расходомерных трубок. Не нужно увеличивать толщину расходомерных трубок для единственной цели снижения влияния изменений давления на измерения массового секундного расхода. Эта более тонкая конструкция обеспечивает возможность расходомеру увеличить до максимума чувствительность при применениях измерения расхода. Более тонкие стенки расходомерных трубок обеспечивают лучшую чувствительность для измерений массового секундного расхода. В частности, более тонкая конструкция стенок позволяет расходомеру измерять более низкие массовые секундные расходы типа обычных при измерении массового секундного расхода веществ низкой плотности.

В соответствии с настоящим изобретением, для определения давления можно использовать отношение любых двух частот видов колебаний, если две частоты видов колебаний соответствуют некоторым характеристикам. Два вида колебаний должны реагировать по-разному на изменения давления внутри расходомерных трубок. Любые две частоты видов колебаний, которые отвечают этому критерию, можно использовать для определения давления внутри расходомерных трубок из отношения двух частот видов колебаний. Хотя последующее описание представляет соответствующие настоящему изобретению способы с точки зрения конкретных двух видов колебаний (первая форма изгибных колебаний и первая форма крутильных колебаний), тому же самому критерию могут удовлетворять и другие виды колебаний и могут служить одинаково хорошо для определения давления внутри расходомера. Также в соответствии с настоящим изобретением, получают давление, измеряя частоту одного вида колебаний. Это можно выполнить, когда один из видов либо не подвержен изменениям, либо не подвержен действию изменений условий монтажа, температуры расходомерных трубок и плотности вещества.

Настоящее изобретение приводит расходомерные трубки в колебание как в первой не совпадающей по фазе изгибной форме колебаний (здесь изгибный режим или вид изгибных колебаний), так и в первом не совпадающем по фазе виде кручения (здесь режим кручения или вид крутильных колебаний). В зависимости от потребностей конкретного применения массового расходомера, расходомерные трубки можно приводить в колебание в обоих режимах одновременно или, в качестве альтернативы, трубки можно последовательно и повторяющимся образом приводить в режим крутильных колебаний, после которого следует режим изгибных колебаний. Кроме того, трубки можно приводить в колебание непрерывно в режиме изгибных колебаний для нормальных измерений массового секундного расхода и одновременно приводить в периодические колебания в режиме крутильных колебаний, чтобы на основании их периодически определять поправки на давление и массовый секундный расход.

Устройство обработки сигналов отбирает выходные сигналы датчиков, прикрепленных к колеблющимся расходомерным трубкам для выделения и измерения частоты каждого вида колебаний. Устройство обработки сигналов определяет массовый секундный расход из выборок сигналов вибрации изгибной формы колебаний, как это известно в технике. Отношение частоты изгибной формы колебаний и частоты крутильной формы колебаний изменяется, в частности, в функции давления вещества внутри расходомерных трубок массового расходомера. Устройство обработки сигналов вычисляет и использует это отношение для определения давления внутри массового расходомера. Затем определяется поправочный коэффициент массового секундного расхода, используя измерение давления. Этот поправочный коэффициент используется устройством обработки сигналов для коррекции массового секундного расхода. Это откорректированное измерение массового секундного расхода используется затем для управляющей или сообщаемой иначе информации относительно обрабатываемого потока.

В дополнение к коррекции измерений массового секундного расхода, соответствующее настоящему изобретению измерение давления можно использовать само по себе для устранения необходимости в независимых устройствах измерения давления. Настоящее изобретение удовлетворяет потребность в устройстве измерения давления при применениях кориолисовых массовых расходомеров, где также требуются измерения давления.

Краткое описание чертежей Фиг. 1 изображает типичный расходомер, прикрепленный к измерительному прибору массового секундного расхода, в котором можно благоприятно применять соответствующие настоящему изобретению способы.

Фиг. 2 представляет блок-схему, изображающую дополнительные детали показанного на фиг.1 измерительного прибора массового секундного расхода.

Фиг.3 представляет перспективный вид типичной расходомерной трубки в режиме изгибных колебаний.

Фиг. 4 представляет вид сверху типичной расходомерной трубки в режиме крутильных колебаний.

Фиг. 5 представляет блок-схему, изображающую различные цифровые фильтры, применяемые для выделения и усиления сигналов, обрабатываемых в соответствии с программами в ЦОС внутри показанного на фиг.1 измерительного прибора массового секундного расхода, используя соответствующий настоящему изобретению предпочтительный вариант осуществления способа суммы/разности.

Фиг. 6 представляет блок-схему, изображающую различные цифровые фильтры, применяемые для выделения и усиления сигналов, обрабатываемых в соответствии с программами в ЦОС внутри показанного на фиг.1 измерительного прибора массового секундного расхода, используя соответствующий настоящему изобретению альтернативный вариант осуществления способа фильтра четвертого порядка.

Фиг. 7-9 представляет графические схемы программы, которые описывают соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения способы, действующие в ЦОС представленного на фиг.1 измерительного прибора массового секундного расхода.

Фиг. 10 представляет блок-схему цепи возбудителя, показанного на фиг.2, который выделяет требуемые основные частоты колеблющихся расходомерных трубок, используя способ суммы/разности.

Фиг. 11 представляет блок-схему показанной на фиг.10 цепи сбалансированного операционного усилителя.

Фиг. 12 представляет блок-схему, которая изображает устройства интегральных микросхем в показанном на фиг.1 измерительном приборе массового секундного расхода.

Фиг. 13 представляет график, изображающий типичное соотношение между поправочным множителем массового расходомера и давлением внутри расходомерных трубок расходомера.

Фиг. 14 представляет график, изображающий типичное соотношение между отношением частоты колебания крутильного вида к частоте колебания изгибного вида внутри расходомерных трубок расходомера.

Подробное описание изобретения Краткий обзор применений кориолисового расходомера На фиг. 1 показан типичный кориолисовый массовый расходомер 10, имеющий две расходомерные трубки 12, 14, прикрепленные к корпусу 30 коллектора так, чтобы получить по существу идентичные модули упругости и моменты инерции относительно их соответствующих сдвинутых по фазе осей W-W и W'-W изгиба. Специалисты в данной области техники легко поймут, что изображенная на фиг.1 смонтированная на консоли конструкция расходомера предназначена только в качестве примера массового расходомера на эффекте Кориолиса, в которой соответствующие настоящему изобретению способы можно благоприятно применять. Соответствующие настоящему изобретению способы полезно применимы к расходомерам, имеющим много различных конфигураций расходомерных трубок, а также к расходомерам, имеющим множество расходомерных трубок или одну расходомерную трубку.

Катушка и магнит привода 20 установлены в средней области между верхней частью 130 и 130' расходомерных трубок 12, 14, чтобы вызывать сдвинутые по фазе колебания расходомерных трубок 12, 14 относительно осей W-W и W'-W. Это колебание называется здесь "изгибным" видом колебаний или просто "изгибным режимом". На фиг. 3 представлено изображение в перспективе одной расходомерной трубки 14, прикрепленной к корпусу 30 коллектора, колеблющегося в изгибном режиме относителино оси W.

Пара приводных катушек и связанных магнитов 21R и 21L установлены на правой и левой сторонах, соответственно, расходомерных трубок 12, 14, чтобы осуществлять колебания расходомерных трубок 12, 14 относительно центральной оси каждой расходомерной трубки, а именно Т и Т', соответственно, со сдвигом по фазе относительно левой и правой сторон расходомерных трубок. Это колебание называется здесь "крутильным" видом колебаний или просто "крутильным режимом". Специалисты в данной области техники легко поймут, что приводную катушку и магнит 20, установленные на верхних частях 130 и 130', можно исключить, если приводные катушки и магниты 21R и 21L способны приводить расходомерные трубки 12 и 14 к колебанию в обоих режимах. На фиг.4 показан вид сверху одной расходомерной трубки 12, прикрепленной к корпусу 30 коллектора, колеблющейся в крутильном режиме относительно оси Т. Как отмечено на фиг.1, каждая расходомерная трубка 12 и 14 приводится в колебательное движение в крутильном режиме колебаний относительно собственной оси, Т и Т', соответственно.

Левый датчик 16 и правый датчик 18 смонтированы около соответствующих концов верхних частей расходомерных трубок 12, 14 для восприятия относительного движения расходомерных трубок 12, 14. Это восприятие предпочтительно выполняют известными способами, применяющими датчики скорости. Расходомерные трубки 12 и 14 имеют левые боковые стержни 131 и 131' и правые боковые стойки 134 и 134'. Боковые стойки сходятся вниз по направлению друг к другу и крепятся к поверхностям 120 и 120' элементов 121 и 121' коллектора. Бруски распорок 140R и 140L припаяны к стойкам расходомерных трубок 12, 14 и служат для определения осей W-W и W'-W', относительно которых колеблются расходомерные трубки, не совпадая по фазе, когда возбудитель 20 снабжается энергией по тракту 156. Положение осей W-W и W'-W' определяется монтажом брусков распорок 140R и 140L на боковых стойках 131, 131' и 134, 134' расходомерных трубок.

Датчик 22 температуры установлен на боковой стойке 131 расходомерной трубки 14 для измерения температуры расходомерной трубки и аппроксимирования температуры текущего по ней вещества. Эта температурная информация используется для определения изменений модуля упругости расходомерных трубок. Возбудители 20, 21R и 21L, датчики 16 и 18 и датчик 22 температуры соединены с измерительным прибором 24 массового секундного расхода трактами 156, 161, 160, 157, 158 и 159, соответственно. Измерительный прибор 24 массового секундного расхода включает в себя по меньшей мере один микропроцессор, который обрабатывает принимаемые с датчиков 16, 18 и 22 сигналы с целью определения массового секундного расхода вещества, проходящего через расходомер 10, а также другие измерения, типа плотности вещества и температуры. Измерительный прибор 24 массового секундного расхода также подает приводной сигнал по тракту 156 к возбудителю 20 для колебания расходомерных трубок 12 и 14 в изгибном режиме, со сдвигом по фазе относительно осей W-W и W'-W'. Дополнительно, измерительный прибор 24 подает приводной сигнал по трактам 160 и 161 к возбудителям 21R и 21L, соответственно, для колебания расходомерных трубок 12 и 14 в крутильном режиме относительно оси W'. Специалисты в данной области техники легко поймут, что возбудитель 20 можно исключить, если возбудители 21L и 21R физически и электронным способом могут одновременно приводить расходомерные трубки 12 и 14 в требуемых двух видах колебаний. В качестве альтернативы возбудители могут приводить расходомерные трубки последовательно в двух различных режимах - один режим в каждый момент времени.

Специалисты в данной области техники легко поймут, что в зависимости от геометрических конфигураций расходомерных трубок, схема одного возбудителя, должным образом расположенная на расходомерных трубках, может быть способна приводить расходомерные трубки в колебание в обоих режимах.

Корпус 30 коллектора сформован из отливки 150, 150'. Элементы 150, 150' отливки можно присоединять к подводящему трубопроводу и выходному трубопроводу (не показано) с помощью фланцев 103, 103'. Корпус 30 коллектора отводит поток вещества от подводящего трубопровода в расходомерные трубки 12, 14 и затем возвращает в выходной трубопровод. Когда фланцы 103 и 103' коллектора подсоединены через впускной конец 104 и выпускной конец 104' к системе трубопроводов (не показанной), несущей подлежащее измерению обрабатываемое вещество, это вещество поступает в корпус 30 коллектора и элемент 110 коллектора через впускное отверстие 101 во фланце 103 и подается по каналу (не показанному), имеющему постепенно изменяющееся поперечное сечение в элементе 150 отливки, к расходомерным трубкам 12, 14. Вещество разделяется и направляется элементом 121 коллектора к левым стойкам 131 и 131' расходомерных трубок 12 и 14, соответственно. Затем вещество проходит по верхним элементам 130 и 130' труб и через правые боковые стойки 134 и 134' объединяется в единый поток внутри элемента 121' коллектора расходомерных трубок. После этого текучая среда направляется в канал (не показанный) в выпускном элементе 150' отливки и затем в выпускной элемент 110' коллектора. Выпускной конец 104' подсоединен с помощью фланца 103', имеющего отверстия 102' под болты, к системе трубопровода (не показанной). Вещество выходит через выпускное отверстие 101', возвращаясь в поток в системе трубопровода (не показанной).

Измерительный прибор 24 массового секундного расхода анализирует сигналы, поступающие по трактам 157, 158 и 159, и генерирует стандартные выходные сигналы в тракте 155, для индикации массового секундного расхода, используемые системой управления или оператором для контроля и управления массовым секундным расходом через связанную систему трубопроводов (не показанную). Измерительный прибор 24 массового секундного расхода также генерирует выходные сигналы в тракте 162, отображающие давление внутри массового расходомера. Как было отмечено выше, определяемое таким образом давление используется в измерительном приборе массового секундного расхода для коррекции вычислений массового секундного расхода и может использоваться независимо для других целей управления, требующих измерений давления.

Краткий обзор влияния давления на колебания расходомерных трубок Известно, что массовый секундный расход в массовом расходомере на эффекте Кориолиса пропорционален t (обсуждавшемуся выше измерению разности времени). Следовательно массовый секундный расход можно выразить в виде: m = CF t, где CF - поправочный множитель, a m - расход. Однако, при повышении или понижении давления внутри расходомерных трубок массового расходомера на эффекте Кориолиса жесткость расходомерных трубок может изменяться. Изменение жесткости расходомерной трубки влияет на восприятие массового секундного расхода массового расходомера. Изменение жесткости расходомерной трубки также влияет на вибрационные частоты расходомерных трубок. Отношение между частотами колебаний изгибного режима и крутильного режима расходомерных трубок изменяется в ответ на изменения давления в расходомерных трубках. Поэтому отношение частот связано с давлением внутри расходомерных трубок (так же как ряд других факторов).

Фиг.13 и 14 представляют график эмпирических данных функционирующих расходомеров на эффекте Кориолиса, которые изображают описанные выше влияния. Фиг. 13 представляет график, изображающий типичные влияния давления на поправочный коэффициент расходомера. График 1300 иллюстрирует поправочный коэффициент расходомера по оси у в функции давления внутри расходомерных трубок по оси х. Изображенные точки 1302, 1304 и 1306 данных представляют измеряемые данные с функционирующего расходомера Micro Motion D300 (модифицированные с целью обеспечения дополнительных приводных катушек для применения приводной силы крутильных колебаний, а также приводной силы изгибных колебаний). На графике 1300 можно видеть, что поправочный коэффициент увеличивается с увеличением давления внутри расходомерных трубок D300.

Фиг. 14 представляет график, изображающий типичные влияния давления на отношение частот расходомерных трубок. На графике 1400 показано отношение частот колебания крутильного режима по сравнению с колебанием изгибного режима по оси у в функции давления внутри расходомерных трубок по оси х. Кривые 1402 и 1404 соответствуют точкам полученных в результате измерений данных с функционирующего расходомера Micro Motion CMF300 (модифицированного для обеспечения дополнительных приводных катушек для применения приводной силы крутильных колебаний, а также приводной силы изгибных колебаний). В частности, кривая 1402 соответствует точкам данных, измеряемых в то время, когда через расходомер CMF300 протекала вода, а кривая 1404 соответствует точкам данных, измеряемых в то время, когда через расходомер CMF300 протекала кукурузная патока. По кривым 1402 и 1404 графика 1400 можно видеть, что на отношение частот влияет давление внутри расходомерных трубок (а также плотность текущего в них вещества).

Как отмечено на фиг.14, плотность вещества влияет на отношение частот. Аналогично этому, можно показать, что температура и параметры монтажа расходомерных трубок могут влиять на определение отношения частот. Эти влияния можно легко характеризовать и компенсировать калибровкой массового расходомера, используемого в конкретном применении. Поэтому отношение частот с применяемыми к нему такими компенсациями пригодно для использования в качестве косвенного применения давления внутри функционирующих расходомерных трубок массового расходомера. Детали требуемой компенсации описаны ниже.

После соответственного регулирования отношения частот, оно используется для определения соответствующего давления внутри расходомерных трубок. Известные способы поиска подходящей кривой или таблицы и числовой интерполяции можно применять для вычисления давления, даваемого компенсированным отношением частот. Определенное таким образом давление можно использовать само по себе в качестве непосредственного измерения давления для применений, требующих такие определения давления.

Кроме того, определенное таким образом давление используется для коррекции поправочного множителя массового расходомера, чтобы таким образом скорректировать измерения его массового секундного расхода. Давление используется для определения поправочного множителя давления, который затем применяется для коррекции определения массового секундного расхода. Следовательно, массовый секундный расход внутри колеблющихся расходомерных трубок определяется следующим образом:
m = CF CP t,
где CF и t определены выше, а СР - поправочный коэффициент давления. Этот поправочный коэффициент давления определяется при калибровке массового расходомера и вычисляется в функции вычисленного давления следующим образом:
СР-1+((К_р/100)(Р-Р_о)),
где К_р - коэффициент калибровки давления (выраженный в виде процента на количество фунтов на квадратный дюйм (килограммов на квадратный сантиметр) давления), Р - давление (определенное как описано выше) внутри расходомерных трубок и Р_о - калибровочное давление в трубопроводе (то есть, номинальное давление, используемое для калибровки расходомера для нормальной работы в предполагаемом применении). Коэффициент калибровки давления К_р и калибровочное давление в трубопроводе Р_о определяются посредством стандартной заводской калибровки или калибровки на месте известными специалистам в данной области техники способами.

Общее представление об измерительном приборе массового секундного расхода
Настоящее изобретение содержит способы цифровой обработки сигналов, действующие в микросхеме цифрового сигнального процессора (ЦСП) для выполнения вычислительных функций в измерительном приборе 24 массового секундного расхода. Дискретные выборки берутся из аналоговых сигналов, образуемых в виде выходного сигнала с каждого из датчиков расходомерной трубки. Дискретные выборки с левых и правых датчиков преобразуются в цифровой вид при помощи стандартных устройств аналого-цифровых преобразователей (АЦП). После преобразования в цифровой вид дальнейшая обработка выборок выполняется способами цифровой обработки сигналов внутри микросхемы ЦСП.

Это программное обеспечение цифровой обработки сигналов (обсуждаемое ниже) действует в измерительном приборе 24 массового секундного расхода, показанном более подробно на фиг.12. Цифровой сигнальный процессор 1200 на фиг.12 представляет вычислительное устройство, очень похожее на любой обычный микропроцессор, но со специальными целевыми функциями, настроенными для применения задач обработки сигналов. Специалистам в данной области техники известно множество таких устройств ЦСП. Одним примером такого устройства является устройство TMS 320C31 фирмы "Техас Инструментс" (Texas Instruments). Это устройство включает в себя аппаратный процессор с плавающей точкой для улучшения выполнения обработки сигналов. Специалисты в данной области техники легко поймут, что устройства обработки сигналов с фиксированной точкой можно использовать вместе с программными библиотеками эмуляции для точности вычисления с плавающей точкой, в которых, например, соображения стоимости конкретного применения затемняют соображения эффективности.

Процессор 1200 считывает команды программы из ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) 1202 программы через шину 1252 и манипулирует данными и буферами в ЗУПВ (запоминающее устройство с произвольной выборкой) 1204 через шину 1254. Специалистам должно быть понятно, что, в зависимости от нескольких факторов стоимости и характеристик, при некоторых обстоятельствах может оказаться предпочтительным копировать команды программы из ПЗУ 1202 в ЗУПВ 1204 с целью улучшения характеристики процессора 1200 в вызове команд.

Каждый из аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 200 принимает аналоговый сигнал от их соответствующих выходных сигналов датчиков расходомерной трубки, поступающих по трактам 157 и 158, соответственно. Процессор 1200 подает управляющие сигналы в аналогово-цифровые преобразователи 200 по трактам 250 и 252, соответственно, и принимает величины выборок в цифровой форме из аналогово-цифровых преобразователей 200 по трактам 250 и 252, соответственно. Специалисты в данной области техники легко поймут, что синхронизирующие сигналы, требуемые различным компонентам, могут вырабатываться любыми известными способами генерации синхронизирующих сигналов, типа генераторов с кварцевой стабилизацией частоты, или любой из нескольких имеющихся в продаже интегральных микросхем генерации тактовых импульсов.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, аналого-цифровые преобразователи 200 реализованы в одной интегральной микросхеме с множеством преобразователей и одним каналом связи, подключенным к процессору ЦСП. Это помогает гарантировать, что фазовое соотношение между двумя отбираемыми сигналами обусловлено эффектами Кориолиса колеблющихся расходомерных трубок, а не влияниями программ трассировки сигналов на печатной плате, чтобы физически разделить цепи аналого-цифрового преобразователя. Специалистам в данной области техники известно множество таких интегральных микросхем стереофонических аналого-цифровых преобразователей. Одним примером такой интегральной схемы является 2-канальное стереофоническое устройство аналого-цифрового преобразователя CS5329 фирмы "Кристал семикондакторс" (Crystal Semiconductors).

Процессор 1200 определяет значение t из разности фаз между выбранными каналами и посылает сигнал, пропорциональный t, по тракту 1256. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 1206 преобразует цифровое значение сигнала, подаваемое по тракту 1256, в аналоговый сигнал, пропорциональный массовому секундному расходу, посылаемый по тракту 155. Процессор 1200, в соответствии с настоящим изобретением, также определяет давление внутри массового расходомера на эффекте Кориолиса из периодически опрашиваемых каналов и посылает сигнал, пропорциональный давлению, по тракту 1260, в аналоговый сигнал, пропорциональный давлению, посылая его по тракту 162. Сигналы по трактам 155 и 162 подаются на средство использования (не показанное), соответствующее конкретному применению измерения массового расходомера.

Схема 1208 возбудителя принимает аналоговые сигналы, подаваемые по трактам 157 и 158, производимые датчиками левого и правого каналов. Схема 1208 возбудителя выделяет частоту колебаний изгибного режима и частоту колебаний крутильного режима. Схема 1208 возбудителя определяет сумму сигналов левого и правого каналов, а также разность между сигналами левого и правого каналов для отделения частоты изгибного режима от частоты колебаний крутильного режима. Сигналы, посылаемые в сигнальные тракты левого и правого каналов, вызванные колебаниями изгибного режима, по существу синфазны, в то время как сигналы, вызванные колебаниями крутильного режима, осуществляют колебания расходомерных трубок по существу не в фазе (приблизительно на 180^o). Поэтому сумма сигналов левого и правого каналов имеет сильную частотную составляющую в частоте изгибных колебаний и существенно уменьшенную частотную составляющую в частоте крутильных колебаний. Наоборот, разность между сигналами левого и правого каналов имеет сильную частотную составляющую в частоте крутильного режима и существенно уменьшенную частотную составляющую в частоте изгибного режима.

Фиг. 10 и 11 описывают схему 1208 возбудителя с дополнительной подробностью. Схема 1008 сбалансированного операционного усилителя на фиг.10 объединяет сигналы левого и правого каналов, производя сумму и разность сигналов, как отмечено выше. Графики 1000 и 1004 в тракте 157 изображают совмещение колебаний изгибного режима и крутильного режима, соответственно, в тракте 157. Аналогично этому, графики 1002 и 1006 изображают совмещение колебаний изгибного режима и крутильного режима, соответственно, в тракте 158. Отметим, что графики 1000 и 1002, изображающие сигналы, вызванные колебанием изгибного режима, являются по существу синфазными, в то время как графики 1004 и 1006, изображающие сигналы, вызванные колебанием крутильного режима, по существу не совпадают по фазе. График 1010 изображает сумму сигналов левого и правого каналов, создаваемую схемой 1008 сбалансированного операционного усилителя и посылаемую в тракт 156, в то время как график 1012 изображает разность сигналов левого и правого каналов, создаваемую схемой 1008 сбалансированного операционного усилителя и посылаемую в тракты 160 и 161. Специалисты в данной области техники поймут, что сигналы, посылаемые в тракты 156, 160 и 161, должны быть усилены и отрегулированы до их подачи в качестве сигналов возбудителя на расходомер 10. Отметим, что частота, изображенная на графике 1010, является составляющей частоты изгибного режима сигналов левого и правого каналов, в то время как частота, изображенная на графике 1012, является составляющей частоты крутильного режима тех же самых сигналов. Способ создания суммы/разности схемы 1008 выделяет две составляющие совмещенных сигналов в каждом из каналов. На фиг.11 показаны каскадные операционные усилители, которые содержит показанная на фиг.10 схема 1008 сбалансированного операционного усилителя.

Специалисты в данной области техники легко поймут, что способы цифровой обработки эквивалентны обсуждавшейся выше схеме 1208 возбудителя. Обычная конструкция обсуждавшейся выше схемы 1208 возбудителя полагается на то, что выходные сигналы датчиков от датчиков расходомерных трубок сдвинуты на 180^o по фазе относительно друг друга в отношении колебаний крутильного режима, тогда как сигналы датчиков находятся в фазе в отношении колебаний изгибного режима. Этот факт дает возможность использовать конструкцию обсуждавшейся выше аналоговой схемы суммы/разности для выделения частот двух видов колебаний, наложенных на выходные сигналы датчиков. Специалистам в данной области техники будут очевидны цифровые варианты аналоговой схемы. Кроме того, с помощью соответствующих настоящему изобретению способов можно использовать другие виды колебаний, в которых могут не существовать отмеченные выше фазовые соотношения с 0^o и 180^o. В таких случаях, для обеспечения выделения частот различных видов колебаний и для генерации соответствующих сигналов возбуждения можно использовать известные способы цифровой обработки сигналов.

Способы обработки сигналов для определения частот
На фиг.2 изображена соответствующая настоящему изобретению общая структура измерительного прибора 24 массового расходомера и связанного потока информации и, в частности, поток информации и вычислений внутри ЦСП 1200. Соответствующая настоящему изобретению электроника измерителя состоит из двух по существу идентичных "каналов": первый канал для обработки выходного сигнала левого датчика расходомерной трубки и второй канал для обработки выходного сигнала правого датчика расходомерной трубки. Два "канала" по существу симметричны, за исключением весовой адаптации узкополосных режекторных фильтров, как описано ниже.

Последующее обсуждение представлено исходя из обычного применения кориолисового массового расходомера, в котором основная частота колебания расходомерных трубок в изгибном режиме составляет приблизительно 100 Гц. Обычная частота колебаний крутильного режима, соответствующая этой примерной частоте изгибного режима, может составлять, например, приблизительно 250 Гц. Другие конфигурации расходомерных трубок могут осуществлять колебания на других частотах, соответствующих другим отношениям, которые могут быть также полезны при определении давления и корректировании производимых в них измерений массового секундного расхода. Поэтому специалисты в данной области техники легко поймут, что соответствующие настоящему изобретению устройство и способы можно применять ко многим комбинациям режимов и частот колебаний.

Вычисления, выполняемые ЦСП 1200, показаны на фиг.2 в виде блоков вычислительных элементов внутри ЦСП 1200. Многие из обсуждаемых ниже вычислительных элементов работают синхронно с синхронизирующими сигналами, связанными с различными выборками выходных сигналов датчиков расходомерных трубок. Генератор тактовых импульсов 214 на фиг.2 обеспечивает сигналы синхронизации, связанные с различными частотами дискретизации вычислительных элементов, обсуждаемых ниже. Следует понимать, что синхронизирующие сигналы, требуемые для функционирования способов обработки сигналов в измерительном приборе 24 массового секундного расхода, обеспечиваются надлежащим образом генератором тактовых импульсов 214. Тактирование различных вычислений в элементах, изображенных на фиг.2, может дополнительно "синхронизироваться" (или стробироваться) наличием сигналов из более ранней стадии вычислений. Другими словами, каждый вычислительный блок, изображенный внутри ЦСП 1200 фиг.2, может работать синхронно относительно имеющихся данных от более раннего вычисления. Поэтому генератор тактовых импульсов 214 концептуально обеспечивает импульсы синхронизации для всех вычислений, в которых все вычислительные элементы зависят от более ранних промежуточных вычислений, которые, в свою очередь, зависят от точно синхронизированных преобразованных в цифровую форму выборок, вырабатываемых аналого-цифровыми преобразователями 200.

Показанные на фиг.2 информационные каналы, соединяющие различные вычислительные элементы внутри ЦСП 1200, представляют прохождение данных от одного вычислительного элемента или каскада к другому. Специалисты в данной области техники легко поймут, что эквивалентные вычисления могут быть разложены на множество подобных форм так, что можно показывать различные промежуточные этапы вычислений в виде проходящих по различным вычислительным элементам. Конкретное разложение вычислений на элементы, показанные в виде блоков на фиг.2, выбирается лишь для ясности обсуждения. Точные способы описываются ниже относительно показанных на фиг.7-9 графических схем программы.

Генератор тактовых импульсов 214 подает периодические импульсные синхронизирующие сигналы на аналого-цифровые преобразователи 200 по тракту 270 для определения частоты дискретизации исходных (необработанных) сигналов, вырабатываемых датчиками расходомерных трубок. Каждый аналого-цифровой преобразователь 200 выбирает свой соответствующий аналоговый сигнал и преобразует отбираемое значение в цифровую форму один раз для каждого импульса сигнала, подаваемого по тракту 270 генератором тактовых импульсов 214. Этот синхронизирующий сигнал, подаваемый на аналого-цифровые преобразователи 200 по тракту 270, должен иметь частоту высокой точности, чтобы обеспечить возможность производить выборки выходных сигналов датчиков расходомерных трубок с фиксированной частотой дискретизации, как требуется для соответствующей настоящему изобретению обработки. Эта точность тактовых импульсов предпочтительно достигается при помощи использования кварцевого генератора тактовых импульсов. До такой степени, до которой по своей природе программируется генератор тактовых импульсов 214, ЦСП 1200 программирует параметры функционирования генератора тактовых импульсов 214 через соответствующие регистраторы генератора тактовых импульсов 214.

Выходной сигнал с правого датчика 18 расходомерных трубок на фиг.1 поступает на аналого-цифровой преобразователь 200 по тракту 158 фиг.1. Выходной сигнал с левого датчика 16 расходомерных трубок на фиг.1 поступает на аналого-цифровой преобразователь 200 по тракту 157 фиг.1. Аналого-цифровой преобразователь 200 выбивает и преобразовывает аналоговые сигналы с датчиков расходомерных трубок в преобразованные в цифровую форму значения. Аналого-цифровые преобразователи 200 работают от периодического синхронизирующего сигнала фиксированной частоты, принимаемого по тракту 270, обеспечиваемого генератором тактовых импульсов 214 в масштабе системы.

Преобразованное цифровое значение, соответствующее выходному сигналу датчика правого канала, подается по тракту 252 на элемент 202 прореживающего фильтра 48 : 1. Элементы 202 прореживающих фильтров 48 : 1 действуют внутри ЦСП 1200 в ответ на каждую выборку, получаемую от аналого-цифровых преобразователей 200 по каналам. Элементы 202 прореживающих фильтров уменьшают количество выборок на коэффициент 48, в то же время обеспечивая существенную фильтрацию защиты от наложения спектров отбираемых значений сигнала. Специалисты в данной области техники легко поймут, что конкретный коэффициент прореживания 48 : 1 представляет вопрос выбора технического расчета в зависимости от конкретного прикладного окружения. Элемент 202 прореживающих фильтров 48 : 1 выполнен в виде двух ступеней, ступени 8 : 1, за которой следует ступень 6 : 1. Обе ступени элемента 202 прореживающих фильтров предпочтительно выполняются в виде фильтров защиты от наложения спектров с импульсной характеристикой конечной длительности (КИХ). Фильтры КИХ предпочтительно конструируют и реализуют с использованием известного алгоритма Ремеза, который создает оптимальный фильтр. Специалисты в данной области техники понимают, что для ступеней прореживания можно также использовать фильтр с импульсной характеристикой бесконечной длительности (БИХ). Использование фильтрации КИХ или БИХ является вопросом выбора конструкции, основанного на сложности вычислений и относительной мощности вычислительных элементов, используемых в конкретной конструкции.

Первая ступень элемента 202 прореживающих фильтров выполняет снижение 8: 1 скорости дискретизации приблизительно с 39,1 кГц приблизительно до 4,9 кГц. Для этой первой стадии, полоса пропускания заканчивается приблизительно на частоте 300 Гц, а полоса затухания начинается приблизительно на частоте 2319 Гц. Полоса пропускания первой стадии имеет весовой множитель 1, а полоса затухания имеет весовой множитель приблизительно 10⁴. Ядро имеет длину 72. Вторая ступень элемента 202 прореживающих фильтров выполняет понижение 6: 1 скорости дискретизации приблизительно с 4,9 кГц приблизительно до 814 Гц. Для второй стадии, полоса пропускания заканчивается приблизительно на частоте 300 Гц, полоса затухания начинается приблизительно на частоте 400 Гц, полоса пропускания имеет весовой множитель 1, полоса затухания имеет весовой множитель 10⁴, а ядро имеет длину 181.

Коэффициенты ядра для прореживающего фильтра первой стадии предпочтительно представлены в таблице 1.

Коэффициенты ядра для прореживающего фильтра второй стадии предпочтительно представлены в таблице 2.

Левый канал, содержащий аналого-цифровой преобразователь 200 и элемент 202 прореживающих фильтров, подсоединенный через тракт 250, функционирует аналогично описанному выше правому каналу. Аналого-цифровой преобразователь 200 принимает сигнал, вырабатываемый левым датчиком 16, по тракту 157, преобразовывает аналоговый сигнал в цифровую форму и подает цифровое значение по тракту 250 в прореживающий фильтр 202 для левого канала. Выходной сигнал элемента 202 прореживающих фильтров для левого канала с целью дальнейшей обработки подается по тракту 254, а для правого канала с целью дальнейшей обработки подается по тракту 256.

В вычислениях ступеней прореживания для поддержания требуемой точности вычислений предпочтительно используются арифметические операции с плавающей точкой. Последующие вычисления в отношении узкополосной режекторной фильтрации, вычислений фаз, вычислений t и вычислений массового секундного расхода также предпочтительно выполняются с использованием арифметических операций с плавающей точкой из-за широкого диапазона вычислительного масштабирования, содержащегося в более сложных функциях.

Защищенные от наложения спектров, прореженные, преобразованные в цифровую форму значения сигналов для правого канала подаются по тракту 256 в элемент 204 вычисления частоты/фазы. Аналогично этому, защищенные от наложения спектров, прореженные, преобразованные в цифровую форму значения сигнала для левого канала подаются по тракту 254 в элемент 204 вычисления частоты/фазы. Элемент 204 вычисления частоты/фазы, рассматриваемый подробно ниже, усиливает значения сигналов. Этот процесс выделяет сигналы, производимые изгибным режимом колебательных движений расходомерных трубок, от различных гармоник, шума, и от колебательных движений крутильного режима. Элемент 204 вычисления частоты/фазы устраняет полосу частот (провал), центрированную относительно основной частоты колебания расходомерных трубок в изгибном режиме. Результирующий сигнал представляет весь шум с наружной стороны провала, центрированного относительно основной частоты расходомерных трубок, колеблющихся в изгибном режиме. Затем этот шумовой сигнал вычитается из сигнала, подаваемого в качестве входного сигнала на элемент 204 вычисления частоты/фазы по тракту 256, который является суммой основной частоты и всего шума, не отфильтрованного элементом 202 прореживающих фильтров. Результат вычитания, который представляет основную частоту колеблющихся расходомерных трубок, отфильтрованную от большей части шумовых сигналов, подается затем по тракту 262 в качестве выходного сигнала элемента 204 вычисления частоты/фазы. Значения, отображающие фазу каждого из выходных сигналов левого и правого каналов, вырабатываются в элементе 204 вычисления частоты/фазы и подаются по трактам 260 и 262, соответственно, в элемент 208 вычисления t. Параметры (весовые множители или коэффициенты и параметр исключения систематической ошибки) элемента 204 вычисления частоты/фазы определяют характеристики провала, а именно, форму провала (ширину полосы подавляемых частот) и основную частоту, относительно которой центрирован провал. Параметры вычисляются посредством элементов весовой адаптации в элементе 204 вычисления частоты/фазы. Вычисления, требуемые для адаптации узкополосных режекторных фильтров, ниже объясняются с дополнительными подробностями. Как форму провала, так и основную частоту, относительно которой центрирован провал, можно адаптировать для отслеживания изменений основной частоты. Форма провала определяет скорость, с которой узкополосные режекторные фильтры могут отслеживать изменения основной частоты. Более широкий провал обеспечивает меньшую фильтрацию, но может быстрее настраиваться на изменения основной частоты. Более узкий провал медленнее сходится к изменениям основной частоты, но обеспечивает лучшую фильтрацию входных сигналов датчиков. В предпочтительном варианте осуществления изобретения полагается, что форма провала не должна меняться. Эмпирические данные показывают, что программируемые фильтры способны отслеживать нормальные изменения их соответственных входных сигналов без необходимости изменять форму их соответствующих провалов.

Параметры весовой адаптации, вычисленные в элементе 204 вычисления частоты/фазы, применяются и к левому, и к правому каналам так, чтобы оба канала выходных сигналов датчиков обрабатывались идентично. Использование одного набора параметров, применяемых и к левому, и к правому каналам, служит для поддержания критического фазового соотношения между двумя каналами. Это соотношение используется для вычисления значения t, которое пропорционально массовому секундному расходу.

Основная частота колебаний расходомерной трубки в изгибном режиме вычисляется элементом 204 вычисления частоты/фазы и подается в тракт 266 в качестве входного сигнала элемента 208 вычисления t. Усиленные сигналы далее обрабатываются фильтром Гоэрцела (Goertzel) в элементе 204 вычисления частоты/фазы для определения фазы сигналов, как требуется для вычисления возможного значения t элементом 208. Значения, отображающие фазу изгибного режима колеблющихся трубок, создаются в элементе 204 вычисления частоты/фазы и подаются по трактам 260 и 262, соответствующим левому и правому каналам, соответственно.

При фазовых вычислениях в элементе 204 используются способы преобразования Фурье с двумя окнами Хэннинга для определения фазы фильтрованных сигналов. Длина окна является функцией номинальной или ожидаемой основной частоты расходомерных трубок. Длина окна определяет количество колебательных циклов расходомерных трубок, по которым выборки собираются и взвешиваются для определения фазы расходомерных трубок. Ожидаемую частоту расходомерных трубок можно запрограммировать в соответствующей настоящему изобретению электронике во время изготовления, или можно вводить в виде параметра в конкретном месте установки - применения, или можно определить посредством функционирования расходомера и соответствующих измерений. Длина окна представляет компромисс между временем реагирования и устранением шума, вызванного утечкой. Большее число циклов, накопленных для определения фазы, обеспечивает дополнительное подавление шума, но требует дополнительной задержки, и поэтому замедляет реагирование на изменения соотношения фаз колебаний расходомерных трубок. Меньшее количество выборок снижает задержку, и поэтому улучшает скорость реагирования на изменения фаз колебаний расходомерных трубок, но обеспечивает более слабое подавление шума. В качестве предпочтительной длины окна, измеряемой в циклах, выбрано восемь циклов расходомерных трубок. Принимая данную ожидаемую частоту, предпочтительный размер окна (2N) определяют следующим образом:
Длина_ окна = 2 floor(3200/ожидаемая_частота трубки), где floor(х) - наибольшее целое число, меньшее или равное х.

Окно Хэннинга представлено в виде вектора весовых множителей, применяемых к дискретным выборкам в течение периода одного окна Хэннинга. Где 2N - количество дискретных выборок в одном периоде окна Хэннинга, весовой множитель для k-й дискретной выборки, где k изменяется от 0 до 2N-1, определяется выражением:
h(k) = 1/2(1-cos(2k/(2N-1))
Состояние сигнала половины окна утверждается (в соответствующих настоящему изобретению программных способах) каждые N дискретных выборок (где полное окно Хэннинга отбираемого выходного сигнала датчика имеет 2N дискретные выборки в одном периоде) для целей, обсуждаемых подробно ниже, касающихся параллельных вычислений накладывающихся окон Хэннинга. Кроме того, переменная счетчика (например, названная SAMPNO в соответствующих настоящему изобретению способах) подсчитывает показатель числа выборок внутри выбранного в данный момент окна Хэннинга (например, в качестве функции модуля N от 0 до N-1). SAMPNO подсчитывает приращения переменной с обработкой каждой усиленной выборки из элемента 204 вычисления частоты/фазы. Когда SAMPNO достигает значения N-1, следующая величина выборки возвращает SAMPNO к 0. Сигнал половины окна соответствует счетчику SAMPNO, являющемуся равным нулю. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения счетчик SAMPNO реализован в программном обеспечении, которое подсчитывает количество дискретных прореженных отбираемых значений выходных сигналов датчиков, обрабатываемых в течение окна Хэннинга. Специалисты в данной области техники понимают, что существует много эквивалентных структур и функций для осуществления этой функции либо в программных средствах, либо в эквивалентных схемных структурах.

Выборки сигналов на краях каждого окна дают более низкие весовые множители, чем выборки ближе к середине окна. Для более полного использования имеющихся данных, одновременно выполняются два вычисления с помощью преобразований Фурье так, что окна перекрываются на половину длины окна. Поэтому вырабатываются новые изменения фазы Фурье для каждого канала каждую половину окна выборок.

Использование постоянного размера окна в настоящем изобретении позволяет предварительно вычислять весовые множители окна Хэннинга до начала измерений расхода. При использовании вместе с дискретным преобразованием Фурье (ДПФ), как в настоящем изобретении, размер окна определяет четкость характеристики частотной дискриминации выходного сигнала ДПФ и, таким образом, подавление шума, псевдо-гармоник и утечки. Более длинный размер окна обеспечивает более медленную реакцию фильтра на изменения фазы. Размер окна, как определено выше, представляет лучшую известную аппроксимацию, подходящую для балансирования конкурирующих целей улучшенного частотного распознавания и подавления шума по сравнению с быстрой реакцией на изменения фазы. Предпочтительный размер окна можно менять для различных применений расходомера, с целью оптимизирования для определенных окружающих условий.

Вычисления фазы, выполняемые в элементе 204 вычисления частоты/фазы, суммируют фильтрованные дискретные отбираемые значения, для образования комплексного числа, отображающего фазу отбираемого, фильтрованного выходного сигнала датчика. Это комплексное число используется в последующих вычислениях t. В частности, преобразование Фурье фильтра Гоэлцела применяется к каждому окну Хэннинга фильтрованных, дискретных отбираемых значений выходных сигналов датчиков для определения члена ряда Фурье на частоте изгибного режима и правого, и левого каналов. Коэффициенты фильтра Гоэрцела определяются вычислениями частоты в элементе 204 вычисления частоты/фазы, на основании среднего значения частотного коэффициента изгибного режима РМВ (обсуждаемого ниже) для предшествующей половины окна Хэннинга усиленных значений сигнала. Вычисления фазы для левого и правого каналов выполняют идентично.

Элемент 208 вычисления t определяет результирующую временной задержки от разности фаз между выходными сигналами левого и правого датчиков, принимаемых от элемента 204 по трактам 260 и 262. Определяемая таким образом временная задержка используется вместе с оценками частот колебаний изгибного режима расходомерных трубок, полученными от элемента 204 по тракту 266, для определения массового секундного расхода вещества, проходящего через расходомерные трубки кориолисового расходомера.

Член ряда Фурье (комплексное число, отображающее фазу) левого канала (полученный элементом 208 вычисления t по тракту 260) умножается на сопряженное число члена ряда Фурье правого канала (принимаемого элементом 208 вычисления t по тракту 262). Затем вычисляется угол комплексного результата. Этот угол разности фаз делится на частоту трубки колеблющихся в изгибном режиме расходомерных трубок (принятую элементом 208 вычисления t по тракту 266 и преобразованную в подходящие единицы, для согласования измерений фазы), с целью создания значения t. Определяемое таким образом элементом 208 вычисления t значение t по тракту 294 направляется в элемент 290 вычисления массового секундного расхода. Элемент 290 вычисления массового секундного расхода определяет массовый секундный расход вещества, проходящего через расходомер, пропорционально значению t, поступающему на его входной тракт 294. Как известно в технике вычисления массового секундного расхода можно корректировать для изменений температуры, воспринимаемых датчиком 22, и передавать в элемент 290 вычисления массового секундного расхода по тракту 159.

Массовый секундный расход, определяемый элементом 290 вычисления массового секундного расхода, дополнительно корректируется на величину измерения давления, поступающего по его входному тракту 162. Затем откорректированный массовый секундный расход поступает, через выходной тракт 155, в средство 292 использования, которое использует откорректированный массовый секундный расход для управления базовым процессом.

В дополнение к определению массового секундного расхода от колебания изгибного режима расходомерных трубок (как резюмировано выше), для определения давления внутри расходомера элементами вычисления внутри измерительного прибора 24 массового секундного расхода используется колебание крутильного режима расходомерных трубок. Как отмечено выше, давление внутри расходомера может влиять на точность измерений расхода. Поэтому для коррекции резюмированных выше вычислений массового секундного расхода используется измерение давления внутри измерительного прибора 24 массового секундного расхода. Прореженные отбираемые значения из левого и правого каналов подаются по трактам 254 и 256, соответственно, в элемент 204 вычисления частоты/фазы, как обсуждалось выше. Элемент 204 вычисления частоты/фазы усиливает прореженные отбираемые значения сигналов из каждого канала для отделения сигналов, вырабатываемых колебательными движениями крутильного режима расходомерных трубок, от различных гармоник, шума и от колебательных движений изгибного режима.

Элемент 204 вычисления частоты/фазы определяет основную частоту колебания крутильного режима расходомерных трубок и подает эту частоту по тракту 264. Точно также элемент 204 вычисления частоты/фазы определяет основную частоту колебаний изгибного режима расходомерных трубок и подает эту частоту по тракту 266. Элемент 212 вычисления отношения частот и давления принимает определенные таким образом частоты по трактам 264 и 266 и определяет давление внутри расходомера в виде функции отношения двух частот.

Способы фильтрации частоты/фазы
Элемент 204 вычисления частоты/фазы фиг.2 адаптирован для усиления сигналов, вырабатываемых датчиком перемещения левого канала и датчиком перемещения правого канала, прикрепленными к колеблющимся расходомерным трубкам. Форму провала (например, ширину частот провала) и центральную частоту провала можно приспосабливать посредством вычислений с использованием весовых коэффициентов в элементе 204 вычисления частоты/фазы фиг.2. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, форму провала в различных узкополосных режекторных фильтрах (то есть, ширину провала или ширину полосы частот прохождения) не нужно менять, чтобы обеспечить отслеживание приемлемых изменений, которые можно ожидать в их соответствующих входных сигналах. На фиг.5 и 6 показаны дополнительные детали двух воплощений элемента 204 вычисления частоты/фазы на фиг.2. Элемент 204 вычисления частоты/фазы на фиг.2 содержит цепь цифровых узкополосных режекторных фильтров и цифровых полосовых фильтров вместе с соответствующими адаптационными вычислительными элементами, для приспособления различных цифровых фильтров к изменениям частот в изгибном режиме и крутильном режиме. Различные цифровые фильтры включены каскадно, чтобы обеспечить быструю сходимость параметров фильтров в ответ на изменения центральной частоты соответствующих фильтров при поддержании высокоточной цифровой фильтрации сигналов.

В общем, узкополосный режекторный фильтр, имеющий широкую амплитудно-частотную характеристику (так называемое "низкое Q"), используется вместе с алгоритмом быстрых сопряженных градиентов (БСГ) для приспособления коэффициентов фильтра. Эта комбинация также называется здесь "фильтром БСГ". Фильтр БСГ обрабатывает поступающие сигналы датчиков левого и правого каналов и быстро сходится к оценке основных частот (частот как изгибного, так и крутильного режима). Затем цифровые узкополосные режекторные фильтры и цифровые полосовые фильтры настраиваются на центр оцениваемых основных частот, получаемых от цифровой обработки БСГ, для усиления каждой из двух основных частот. Затем используется алгоритм рекурсивной максимальной вероятности (РМВ) вместе с цифровыми фильтрами, имеющими более узкую амплитудно-частотную характеристику (так называемое "высокое Q"), для дополнительного улучшения характеристики цифровых узкополосных режекторных фильтров и полосовых фильтров, усиливая таким образом их соответствующие входные сигналы. Фильтры РМВ точно определяют частоты изгибного и крутильного режимов колеблющихся расходомерных трубок и посылают эти частоты в выходные тракты элемента 204 вычисления частоты/фазы для дальнейшей обработки элементом 212 вычисления давления фиг.2.

Кроме того, частоты изгибного режима выходных сигналов датчиков как левого, так и правого каналов, усиленных цифровой фильтрацией в элементе 204 вычисления частоты/фазы, подаются в фильтр Гоэрцела внутри элемента 204 для вычислений измерения фазы. Значения фаз выходных сигналов датчиков левого и правого каналов, соответствующих колебаниям изгибного режима расходомерных трубок, подаются в выходные тракты элемента 204 вычисления частоты/фазы для дальнейшей обработки элементом 208 вычисления t, показанным на фиг.2.

Предпочтительный режим суммы/разности в способах фильтрации частоты/фазы
На фиг. 5 представлена блок-схема, описывающая детали элемента 204 вычисления частоты/фазы. Как изображено на фиг.5, при способе "суммы/разности" отделения вызванных колебаниями изгибного режима сигналов, полученных от датчиков левого и правого каналов в трактах 254 и 256, соответственно, от наложенных вызванных колебаниями крутильного режима сигналов, используются цифровые фильтры второго порядка. В способе суммы/разности используются известные симметрии колебаний изгибного режима и крутильного режима, для выделения двух видов колебаний из сигналов, полученных по трактам 254 и 256. Колебания крутильного режима расходомерных трубок появляются на датчиках левого и правого каналов по существу в противофазе, в то время как колебание изгибного режима расходомерных трубок появляется по существу синфазно в двух каналах. Таким образом, суммируя соответствующие отбираемые значения левого и правого каналов, получим результирующий сигнал, усиленный относительно колебаний изгибного режима, тогда как составляющие от колебаний крутильного режима уменьшаются. Считают, что суммированные значения сигналов имеют сильную составляющую в составляющих колебаний изгибного режима. Наоборот, разность между выходными сигналами двух каналов (сигнал левого канала минус сигнал правого канала) имеет сильную составляющую колебаний крутильного режима и уменьшенную составляющую изгибного режима. Посредством такого разделения двух наложенных синусоид можно легко получить оценку частоты каждого вида колебаний управления различными цифровыми узкополосными режекторными фильтрами и цифровыми полосовыми фильтрами, используемыми для усиления сигналов.

На фиг. 5 значения сигналов датчика левого канала принимаются по тракту 254, а значения датчика правого канала принимаются по тракту 256. Два значения суммируются суммирующим соединением 504, и полученная сумма (также называемая здесь суммой L+R) подается по тракту 554. Кроме того, разность между двумя значениями сигналов вычисляется суммирующим соединением 516, и полученная разность (также называемая здесь разность L-R) подается по тракту 570. Сумма сигналов L+R подается по тракту 554 в фильтр 512 быстрого сопряженного градиента (БСГ), который грубо оценивает частоту колебаний изгибного режима расходомерных трубок. Хотя оценка является грубой из-за отсутствия фильтрации входного сигнала, фильтр 512 БСГ быстро оценивает сходимости в ответ на изменения частоты колебаний изгибного режима. Затем оценка частоты изгибного режима фильтра 512 БСГ подается по тракту 560.

Оценки частоты, вычисленные фильтрами БСГ и РМВ, представлены в виде частотного коэффициента "а", связанного с частотой следующим образом:
a = -2cos(T_s),
где - частота, а Ts - (прореженный) период выборок. Эти значения находятся в форме, необходимой для настройки узкополосных режекторных фильтров второго порядка и полосовых фильтров, используемых в предпочтительном варианте осуществления изобретения на фиг.5 и в варианте осуществления на фиг. 6. Использование этой формы устраняет частную потребность в вычислительных сложных тригонометрических преобразованиях.

Разность сигналов L-R подается по тракту 570 в узкополосный режекторный фильтр 518. Разность сигналов L-R имеет сильный частотный компонент в крутильном режиме колебаний расходомерных трубок и имеет существенно уменьшенный частотный компонент в изгибном режиме. Узкополосный режекторный фильтр 518 установлен, чтобы вырезать остатки частоты колебания изгибного режима из сигнала L-R, поступающего на его входы. Центральная частота провала поступает в качестве параметра по тракту 560 от полученной в результате оценки частоты, вырабатываемой фильтром 512 БСГ. Выделенный компонент колебания крутильного режима расходомерных трубок поступает в качестве выходного сигнала из узкополосного режекторного фильтра 518 по тракту 568.

Сумма сигналов L+R по тракту 554 также подается на вход полосового фильтра 506. Сумма сигналов L+R имеет сильный частотный компонент в изгибном режиме и существенно уменьшенный частотный компонент крутильного режима. Полосовой фильтр 506 пропускает диапазон частот, центрированный относительно частоты изгибного режима, оцененный фильтром 512 БСГ, и поступающий в полосовой фильтр 506 в качестве параметра по тракту 560. Выделенный компонент изгибного режима расходомерных трубок поступает в качестве выходного сигнала с полосового фильтра 506 по тракту 556.

Фильтр 514 БСГ принимает по тракту 568 выделенный компонент колебаний крутильного режима, вырабатываемый узкополосным режекторным фильтром 518. Фильтр 514 БСГ оценивает частоту колебаний крутильного режима и подает оценку по тракту 562 в качестве выходного сигнала. Эта оценка частоты колебаний крутильного режима колеблющихся расходомерных трубок принимается по тракту 562 в качестве параметра центральной частоты для узкополосного режекторного фильтра 508 и полосового фильтра 520. Узкополосный режекторный фильтр 508 дополнительно усиливает компонент изгибного режима, полученный по тракту 566 от полосового фильтра 506, вырезая остатки компонента колебаний крутильного режима в усиленном сигнале. Полосовой фильтр 520 дополнительно усиливает компонент колебаний крутильного режима, полученный по тракту 568 из узкополосного режекторного фильтра 518, отфильтровывая частоты, отличающиеся от частот узкой полосы, центрированной относительно оценки колебаний крутильного режима расходомерных трубок. Другими словами, цепочка фильтров, содержащая полосовой фильтр 506 и узкополосный режекторный фильтр 508, усиливает компонент частоты колебания изгибного режима в сумме сигналов L+R, в то время как цепочка фильтров, содержащая узкополосный режекторный фильтр 518 и полосовой фильтр 520, усиливает компонент частоты колебаний крутильного режима в разности сигналов L-R. Все фильтры в этих цепочках фильтров (506, 508, 518 и 520) быстро приспосабливаются к изменениям частот колеблющихся расходомерных трубок с помощью фильтров 512 и 514 БСГ.

Определяющее уравнение всех узкополосных режекторных фильтров второго порядка предпочтительно имеет следующий вид:
y(k) = (u)k+au(k-1)+u(k-2)-ay(k-1)-²y(k-2),
где u - входная выборка, у - усиленная выходная выборка, - параметр исключения систематической ошибки и а - коэффициент адаптации. Определяющее уравнение всех полосовых фильтров второго порядка предпочтительно имеет следующий вид:
.

Определяющее уравнение для полосовых фильтров второго порядка можно также описать в эквивалентной матричной форме. Матричная форма полезна в описании (приведенном ниже) фильтра БСГ. Для р неизвестных коэффициентов, Х и A(k) ниже представлены посредством р на 1 векторов. Поэтому матричная форма полосовых фильтров второго порядка предпочтительно имеет вид:
y(k) = A(k)X+(²-1)u(k-2)-²y(k-2),
где X[a], A(k) = [(-1)u(k-1)-y(k-1)]
Алгоритм БСГ приспосабливает коэффициенты полосовых и узкополосных режекторных фильтров для настройки фильтров на изменения частот режимов колебаний. Этот алгоритм выбран из-за его свойства быстрой сходимости, устойчивости численного решения и устойчивости вычислений по сравнению с другими известными, существующими алгоритмами. Алгоритм БСГ приспосабливает весовые множители с целью минимизирования интеграла вероятности ошибки подлежащего приспосабливанию фильтра. Интеграл вероятности ошибки, выраженный в матричной форме, предпочтительно имеет вид:
,
где y(i) рассчитывается с самым последним коэффициентом Х_n. Алгоритм БСГ может быть вычислен с помощью следующей системы уравнений, где начальные значения имеют следующий вид:
Х₀=0, Qo=A₀A'₀, e₀=y₀-u₀, g₀=А₀е₀ и d=-g:
_n = Q_nd_n

X_n+1=Х_n+Y_nd_n

e_n+1=y_n+1-u_n+1
g_n+1 = (g_n+Y_nn)+e_n+1A_n+1

если тогда g_n+1=-g_n+1, а также d_n+1 = -g_n+_nd_n.

В вышеупомянутом алгоритме БСГ, для использования в фильтре БСГ второго порядка, все параметры являются скалярными величинами. Для фильтров с р неизвестными коэффициентами, Q_n представляет матрицу р на р, a d_n, g_n и Х_n представляют р на 1 векторы. Параметр в вышеприведенных уравнениях - небольшая величина, добавляемая для избежания в некоторых случаях числовых проблем деления на нуль. Пока величина небольшая, выполнение алгоритма существенно не ухудшается.

Фильтр БГС вырабатывает оценку частоты на своем выходе, используемую для центрирования частоты упомянутых выше узкополосных режекторных и полосовых фильтров. Оценка частоты определяется следующим образом:

Затем выходные сигналы цепочек фильтров усиления крутильного и изгибного режимов поступают в соответствующие фильтры 510 и 522 РМВ для вычисления более точных оценок частот колебаний изгибного режима и крутильного режима расходомерных трубок. В частности, улучшенная оценка составляющей колебания изгибного режима, вырабатываемая в качестве выходного сигнала узкополосного режекторного фильтра 508, подается на фильтр 510 РМВ для заключительной оценки частоты. Точно так же, улучшенная оценка составляющей колебаний крутильного режима, вырабатываемой в качестве выходного сигнала узкополосного режекторного фильтра 520, поступает в фильтр 522 РМВ для заключительной оценки частоты. Фильтры 510 и 522 РМВ обеспечивают превосходные оценки частоты их соответствующих входных сигналов, потому что их входные сигналы были усилены фильтрами для устранения несвязанных и нежелательных составляющих сигналов. Проблемы, связанные с более медленной сходимостью способа фильтрации РМВ, устраняются благодаря усилению сигналов, обеспечиваемых в качестве их соответствующих входных сигналов.

Фильтры РМВ функционируют в соответствии со следующими уравнениями, заданными в скалярной форме обозначений, где начальные значения составляют u_F=0, a(0)=0, а первые N значений а инициализируются с использованием оценок частоты из фильтра БСГ, подсчитываются в этом случае следующим образом:


a(n) = a(n-1)+(n)x(n)y(n)


u_F(n) = u(n)-²u_F(n-2)-u_F(n-1)a(n)


Затем частоты изгибного и крутильного режимов подаются в качестве выходных значений с элемента 204 вычисления частоты/фазы. В частности, частота колебаний крутильного режима расходомерных трубок, вырабатываемая в качестве выходного сигнала фильтра 522 РМВ, подается по тракту 264 для дальнейшей обработки. Кроме того, частота изгибного режима расходомерных трубок, вырабатываемая в качестве выходного сигнала фильтра 510 РМВ, подается по тракту 266 для дальнейшей обработки.

В дополнение к выделению изгибного режима в зависимости от крутильного режима и оценки их соответствующих частот, элемент 204 вычисления частоты/фазы усиливает сигналы изгибного режима для каждого канала, с целью обеспечения точных входных значений синусоидального сигнала для вычислений фазы, выполняемых элементом 528 фильтра Гоэрцела. В частности, оценка частоты колебаний крутильного режима, вырабатываемая фильтром 522 РМВ, подается по тракту 566 в качестве параметра центральной частоты, для приспособления узкополосных режекторных фильтров 500 и 524. Точно также, оценка частоты изгибного режима, вырабатываемая РМВ 510, подается по тракту 564 в качестве параметра центральной частоты, для настройки полосовых фильтров 502 и 526. Неусиленный сигнал из левого канала, получаемый по тракту 254, поступает в узкополосный режекторный фильтр 500 для устранения провала частот, точно центрированных относительно оценки частоты колебаний крутильного режима. Выходной сигнал узкополосного режекторного фильтра 500 подается по тракту 550 в полосовой фильтр 502, который пропускает узкую полосу частот, точно центрированных относительно оценки частоты изгибного режима. Выходной сигнал полосового фильтра 502 поступает по тракту 552 и представляет усиленную версию сигнала изгибного режима, вырабатываемого датчиком левого канала. Аналогично этому, для правого канала, неусиленное значение сигнала правого канала принимается по тракту 256, подается в узкополосный режекторный фильтр 524 для удаления частот колебаний крутильного режима, затем подается по тракту 574 к полосовому фильтру 526 для дополнительного усиления сигнала путем устранения всех частот кроме узкой полосы, точно центрированной относительно частоты изгибного режима. Выходной сигнал полосового фильтра 526 поступает по тракту 576 и представляет усиленную версию сигнала колебания изгибного режима, вырабатываемого датчиком правого канала.

Реакции различных фильтров, изображенных на фиг.5, зависят от определенных значений параметров, выбранных для фильтров в соответствии с приведенными выше определяющими уравнениями. Эмпирические исследования показали, что следующие значения будут эффективными при типичных частотах изгибного и крутильного режимов расходомера (см. таблицу 3).

Усиленные сигналы изгибного режима для датчиков как левого, так и правого каналов подаются по трактам 522 и 576, соответственно, в элемент 528 вычисления фазы фильтра Гоэрцела. Фильтр Гоэрцела также принимает оценку частоты изгибного режима через тракт 564 с фильтра 510 РМВ и определяет среднюю частоту за предыдущий период половины окна выборок. Как отмечено выше, фильтр Гоэрцела применяет взвешенные значения к каждой усиленной выборке и суммирует взвешенные значения по количеству выборок, требуемых для одного окна Хэннинга. Вычисления фильтра Гоэрцела выполняются параллельно для каждого из значений сигналов датчиков левого и правого каналов. Вычисления фильтра Гоэрцела для каждого значения датчиков каналов дают комплексное число, отображающее фазу синусоиды, представленной усиленными значениями сигналов каналов. Результирующие комплексные числа, отображающие фазу для сигналов датчиков как левого, так и правого каналов, подаются по трактам 260 и 262, соответственно, в качестве выходных сигналов элемента 528 вычисления фазы фильтра Гоэрцела.

На фиг.7-9 представлены графические схемы программы, описывающие функционирование ЦСП 1200 при выполнении способов фильтрации суммы/разности. Способы, показанные на графических схемах программы на фиг.7-9, представляют другой вид функциональных возможностей, описанных выше относительно блок-схемы фиг.5. Представленные на фиг.7-9 графические схемы программы описывают архитектуру программного обеспечения, действующего в ЦСП 1200. Элементы 700-720 на фиг.7 описывают действие первой фазы (первой стадии) фильтрации в элементе 204 вычисления частоты/фазы. В частности, эта первая стадия обеспечивает оценки, использующие способы фильтрации БСГ частот колебаний и изгибного, и крутильного режимов. Способ фильтрации БСГ обеспечивает быструю оценку частот полученных значений суммы/разности, вычисленных на основании выходных значений датчиков левого и правого каналов. Элементы 722-742 фиг.8 описывают вторую стадию фильтрационной обработки в ЦСП 1200. Вторая стадия усиливает оценки частот изгибного и крутильного колебаний, обеспеченных первой стадией, посредством использования узкополосных режекторных фильтров, полосовых фильтров и способов фильтрации РМВ. Наконец, элементы 744-754 фиг. 9 используют усиленные частоты изгибных и крутильных колебаний, с целью обеспечения фильтрации усиления выходных значений датчиков левого и правого каналов, вычисления давления внутри массового расходомера на эффекте Кориолиса и вычисления и коррекции массового секундного расхода полученных усиленных значений сигналов для левого и правого каналов, а также усиленных частот изгибного и крутильного режимов. Наконец, на третьей стадии, изображенной на фиг. 9, используются вырабатываемые таким образом значение давления и значение массового секундного расхода для управления определенного применяемого процесса.

Элемент 700 задает начальные условия двум переменным, используемым для модификации вычислений фильтрации РМВ, когда вычисления фильтрации БСГ определяют, что оценки частоты РМВ находятся вне требуемого диапазона. Известно, что способы вычисления фильтрации РМВ плохо сходятся к изменениям входной частоты, когда оцененное значение выходит за пределы приемлемого ожидаемого диапазона. Обе переменные инициализированы на подсчет 100 выборок, чтобы задержать вычисления фильтрации РМВ в начале способов фильтрации. Пока обрабатываются 100 выборок, вычисление фильтрации БСГ, производящее оценочные частоты колебаний изгибного и крутильного режимов, не могут сходиться на устойчивой оценке с достаточной точностью для того, чтобы позволить использовать фильтр РМВ для окончательного усиления оценок частот. В течение этого промежутка времени, для инициализирования фильтра РМВ используется оценка частоты соответствующего фильтра БСГ. Эта особенность настоящего изобретения вынуждает исходную точку адаптации РМВ находиться около правильной частоты, таким образом обеспечивая быструю сходимость адаптации РМВ. Далее элемент 702 действует так, чтобы получить пригодную отбираемую пару сигналов левого и правого каналов. Отбираемые сигналы подаются по трактам 254 и 256, как показано на фиг. 2, прореживающими фильтрами 202 фиг.2. Специалисты в данной области техники также поймут, что пара сигналов выборки, при соответствующих настоящему изобретению способах, считывается из памяти обратного магазинного типа или матрицы запоминающего устройства, в которой хранятся прореженные величины выборки.

Затем элемент 704 вычисляет сумму величин левого и правого каналов, извлеченных элементом 702. Как отмечено выше, поскольку колебания изгибного режима между сигналами левого и правого каналов в общем синфазны, а частоты колебаний крутильного режима в общем не совпадают по фазе на 180^o, сумма величин выборки левого и правого каналов по существу устраняет составляющую частоты колебаний крутильного режима из суммированных сигналов, в то же время усиливая составляющую частоты изгибного режима суммированных сигналов. Поэтому сумма сигналов двух каналов имеет сильную частотную составляющую частоты колебаний изгибного режима и существенно уменьшенную частотную составляющую частоты колебаний крутильного режима.

Дальше действует элемент 706 с целью оценки изгибной частоты из суммы сигналов левого и правого каналов, используя способ фильтрации БСГ. Затем действует элемент 708 для определения, являются ли оценки частот фильтров БСГ и РМВ достаточно близкими друг к другу. Адаптивный фильтр БСГ сходится намного быстрее, чем соответствующий фильтр РМВ, особенно когда погрешность частоты большая. Таким образом, если оценки частоты сильно отличаются, можно полагать, что оценка БСГ является лучшей аппроксимацией текущей частоты, чем усиленная оценка РМВ. При этих условиях, сходимость фильтра РМВ можно ускорить посредством принуждения фильтра РМВ отслеживать (использовать) оценку частоты фильтра БСГ. Переменная DELAY_RML_BEND (Задержка_РМВ_изгибн._режима) является показанием счетчика, установленным на "приостановление" оценок частоты фильтром РМВ. Во время приостанавливания таким образом оценки фильтра РМВ, вычисления оценок частоты фильтром РМВ остаются близкими к правильной частоте из-за использования оцененной частоты фильтром БСГ при инициализации вычислений фильтра РМВ. Когда обработке фильтра РМВ позволяют возобновить работу (после того, как отрицательные приращения устанавливают счетчик DELAY_ RML_ BEND на нуль), вычисленная фильтром РМВ оцененная частота быстро сходится на более точном оцененном значении частоты. Для определения, являются ли оценки частоты БСГ и РМВ достаточно близкими, найдена полезной следующая проверка:
|1-(+2cos_БСГ)/(+2cos_РМВ)|0,01
Специалисты в данной области техники поймут, что для задержки (приостановления) использования вычислений фильтрации РМВ можно использовать любое значение. Опытным путем нашли, что задержка на 100 выборок обеспечивает достаточное время для обеспечения стабилизации оценок вычисления фильтрации БСГ изгибной частоты, прежде чем фильтрация РМВ использует оцененную изгибную частоту, как обсуждается ниже. Дополнительно к этому, специалисты в данной области техники понимают, что можно использовать другие испытания неравенства для определения, является ли выходной сигнал фильтра РМВ достаточно близким к оценке фильтра БСГ, чтобы оказаться полезным. Специалисты в данной области техники могут найти варианты, касающиеся определенных применений или конструкций расходомера.

Далее действует элемент 712 с целью вычисления разности между значениями сигналов левого и правого каналов. Снова, из-за фазовых соотношений частот изгибного и крутильного режимов, как отмечалось выше, разность между двумя сигналами выборки имеет усиленную частотную составляющую на частоте колебаний крутильного режима и существенно уменьшенную частотную составляющую на частоте изгибного режима. Затем действует элемент 714, чтобы вырезать величину разностного сигнала для устранения каких-либо остатков частоты изгибного режима. Другими словами, элемент 714 несколько усиливает значение сигнала, вычисленное в виде разности между значениями сигналов левого и правого каналов. Далее действует элемент 716 для оценки значения частоты колебаний крутильного режима, используя вычисление фильтрации БСГ, применяемое к значению разности, усиленному узкополосным режекторным фильтром элемента 714. Элементы 718 и 720 действуют способом, аналогичным обсуждавшимся выше элементам 708 и 710. В частности, элемент 718 определяет, не слишком ли сильно оценка частоты колебаний крутильного режима, полученная вычислением фильтрации БСГ элемента 716, и оценка частоты, полученная вычислением фильтрации РМВ, разделены для быстрой сходимости вычислений фильтра РМВ. Если сильно, то элемент 720 дальше действует для повторной установки переменной счетчика интервалов задержки, чтобы задать дополнительную задержку при использовании вычислений фильтрации РМВ. В другом случае, обработка продолжается в соответствии с фиг.8 на второй стадии обработки фильтрации.

Элемент 722 на фиг.8 применяет вычисление полосовой фильтрации к сумме, определенной выше действием элемента 704. Частотная полоса, центрированная относительно изгибной частоты, полученной действием элемента 706, пропускается посредством операции полосовой фильтрации. Далее действует элемент 724 с целью дополнительного усиления частоты изгибного режима, применяя узкополосный режекторный фильтр для дополнительного устранения остатков частоты колебаний крутильного режима в частично усиленной оценке частоты изгибного режима, полученной действием элемента 722. Следующим действует элемент 726 с целью получения усиленной оценки частоты изгибного режима, используя способ фильтра РМВ. Благодаря использованию усиленного варианта сигналов колебания изгибного режима в качестве входного сигнала, элемент 726 производит более точную оценку частоты изгибного режима, чем делает обсуждавшийся выше элемент 706.

Элементы 728-732 действуют для определения, следует ли коэффициент вычислений, применяемых в фильтрации РМВ, установить в исходное состояние в соответствии со значением признака задержки, установленного действием элемента 710 или элемента 700. В частности, элемент 728 действует для определения, является ли значение счетчика интервалов задержки, установленное действием элементов 710 или 700, ненулевым. Если значение счетчика интервалов задержки является ненулевым, элементы 730 и 732 действуют дальше, устанавливая повторно коэффициент вычисления фильтрации РМВ на оцененный коэффициент, обеспеченный выше описанным действием фильтрации БСГ в элементе 706. Элемент 732 действует с целью уменьшения значения счетчика интервалов задержки, чтобы показать, что коэффициент РМВ, используемый в вычислениях фильтрации РМВ, задержан на один период выборки.

Элементы 734-742 действуют способом, аналогичным вышеописанным элементам 722-732 для усиления составляющей крутильного режима считываемых сигналов. В частности, элемент 734 применяет полосовой фильтр к значению разности, вычисленному вышеописанными элементами 712-714. Полосовая фильтрация пропускает узкую полосу частот, центрированных относительно оцененной частоты крутильных колебаний, вычисленной вышеописанным действием элемента 716. Дальше действует элемент 736 для того, чтобы получить усиленную оценку частоты колебания крутильного режима, используя известный способ фильтра РМВ. Благодаря использованию усиленного варианта сигнала крутильного режима в качестве входного сигнала 736 вырабатывает более точную оценку, чем обсуждаемый выше элемент 716.

Затем действуют элементы 738-742 для определения, следует ли устанавливать коэффициент вычисления фильтрации РМВ в соответствии со значением счетчика интервалов задержки, установленным вышеописанным действием элемента 720 или 700. В частности, если значение счетчика интервалов задержки ненулевое, элемент 740 действует для установления коэффициента вычисления фильтрации РМВ на оцененный коэффициент, обеспеченный действием вычисления фильтрации БСГ, выполненный вышеописанным действием элемента 716. Затем действует элемент 742, давая отрицательное приращение значению счетчика интервалов задержки, чтобы показать, что коэффициент РМВ установлен в исходное состояние для одного дополнительного периода выборок. В другом случае, обработка затем продолжается на третьей стадии операции фильтрации, изображенной на фиг.9.

На третьей стадии фильтрации, представленной элементами 744-762 на фиг. 9, используются усиленные значения частот колебаний крутильного режима и изгибного режима для усиления составляющей частоты колебания изгибного режима сигналов левого и правого каналов. Различные значения усиленных сигналов затем используются на третьей стадии обработки для определения давления в функционирующем массовом расходомере на эффекте Кориолиса и определения откорректированного массового секундного расхода в виде функции усиленных значений выборок левого и правого каналов и расчетного давления внутри массового расходомера на эффекте Кориолиса.

В частности, элемент 744 сначала действует, чтобы вырезать сигналы с частотой крутильного режима из значений сигнала левого канала, а затем пропустить полосу сигналов частот изгибного режима из усиленного значения сигнала левого канала. Действие элемента 744 соответствует узкополосному режекторному фильтру 500 и полосовому фильтру 502, изображенным на фиг.5. Элемент 746 аналогично действует для усиления составляющей частоты изгибного режима значения сигнала правого канала. Действие элемента 744 соответствует действию узкополосного режекторного фильтра 524 и полосового фильтра 526 на фиг.5.

Хотя может казаться, что комбинация полосовой фильтрации и фильтрации провалов в цепочках фильтров типа элементов 500 и 502 на фиг.5 может быть избыточной по своей природе, специалисты в данной области техники легко поймут, что простые полосовые фильтры второго порядка могут оказаться неспособными для достаточного подавления шума и других сигналов вне выбранной полосы. В частности, трудно добиться эффективного ослабления частоты колебания крутильного режима с приемлемой шириной полосы частот фильтра. По этим причинам, наилучший известный в настоящее время способ осуществления изобретения для достаточного усиления полезных сигналов требует сочетания полосовой фильтрации и фильтрации провалов в цепочках фильтров.

Элементы 748 и 750 корректируют вычисления фильтра Гоэрцела и усреднение оцененных частот для каждой дискретной (прореженной и усиленной) выборки. В частности, элемент 748 корректирует непрерывное вычисление фильтра Гоэрцела для выборок на настоящем окне (половине) Хеннинга, умножая усиленные величины выборок левого и правого каналов на соответствующее значение весового коэффициента окна Хэннинга. Затем это значение включается в продолжающееся вычисление ДПФ для настоящего окна (половины) Хэннинга, чтобы получить величину, отображающую фазу, используемую в последующих вычислениях. Элемент 750 корректирует непрерывное вычисление средней частоты для каждого режима колебаний колеблющихся расходомерных трубок. Чтобы минимизировать использование сложных в вычислительном отношении обратных тригонометрических функций, действительные частоты изгибного и крутильного режимов вычисляются только однажды в каждый период половины окна даже при том, что фильтры РМВ, используемые для отслеживания частот изгибного и крутильного режимов, осуществляют оценки для каждой (прореженной) выборки. Как отмечено выше, фильтры РМВ представляют их соответствующие оценки частоты в форме коэффициентов, которые связаны с частотой формулой:
a = -2cos(T_s),
где - частота, а T_s - прореженная частота выборки. Оценки частот колебаний изгибного и крутильного режимов вычисляются каждый период половины окна Хэннинга путем вычисления средней величины представляющего частоту коэффициента "а" за предыдущий период половины окна и подставляя его в формулу:
= cos^-1(-a/2)T_s.

Поэтому элемент 750 определяет среднюю величину этого представляющего частоту коэффициента для оценок частот колебаний и изгибного, и крутильного режимов.

Элемент 752 функционирует для определения, завершила ли эта конкретная (прореженная и усиленная) выборка обработку выборок в настоящем периоде половины окна Хэннинга. Если нет, обработка продолжается посредством возвращения цикла назад к элементу 702 (в отметке "А"), ожидая следующую выборку. В противном случае, обработка продолжается с помощью элементов 754-762, для завершения обработки настоящего периода половины окна Хэннинга.

Элемент 754 вычисляет значение t в виде функции ("f") значений, вырабатываемых фильтрами Гоэрцела по последнему (только что законченному) окну Хэннинга. Как отмечено выше, фильтры Гоэрцела производят комплексное число, отображающее фазу каждого из выходных сигналов датчиков для каждого из левого и правого каналов. Как известно в технике, фазу значений сигналов выборок можно использовать для определения значения t, которое, в свою очередь, пропорционально массовому секундному расходу вещества, протекающего в расходомерных трубках массового расходомера на эффекте Кориолиса.

Затем элемент 756 определяет давление внутри расходомерных трубок в виде функции ("g") усиленных, усредненных оценок частот колебаний изгибного и крутильного режимов расходомерных трубок. Как отмечалось выше, отношение частоты крутильного режима к частоте изгибного режима пропорционально давлению внутри расходомерных трубок функционирующего массового расходомера.

Затем элемент 758 функционирует для вычисления корректированного массового секундного расхода, усредненного по последнему периоду (только что завершенному) окна Хэннинга, в виде функции ("h") величин t и давления, вычисленных выше. Как объясняется в дополнительном подробном описании ниже, корректированный массовый секундный расход вычисляется в виде итеративного процесса, основанного на некорректированном массовом секундном расходе и нескольких поправочных коэффициентах (основным среди них является коррекция давления, определяемая в соответствии с положениями данного изобретения).

Элемент 760 представляет любую обработку, которая использует по существу откорректированные вычисления массового секундного расхода или давления для определения или управления состоянием процесса. Это использование может представлять любое полезное применение по существу откорректированного массового секундного расхода или давления, полученных соответствующими настоящему изобретению способами.

Наконец, элемент 762 функционирует для установления в исходное состояние вычислений, выполняемых вышеописанными элементами 748 и 750, которые работают в течение периода окна Хэннинга. В частности, взвешенные и усредняющие вычисления частот фильтром Гоэрцела устанавливаются в исходное состояние при подготовке к началу периода следующего окна Хэннинга. Затем обработка для этого окна Хэннинга заканчивается, и способы продолжаются посредством возвращения обратно к элементу 702 (в отметке "А"), ожидая появления другой прореженной выборки.

Использование фильтра четвертого порядка для способов фильтрации частоты/фазы
На фиг.6 изображены дополнительные детали альтернативного варианта осуществления элемента 204 вычисления частоты/фазы, в котором используется функция фильтра БСГ четвертого порядка для обеспечения аппроксимаций частот колебаний как изгибного режима, так и крутильного режима расходомерных трубок. В дополнение к вырабатыванию оценок частот, фильтр БСГ четвертого порядка обеспечивает некоторое усиление входного сигнала. Вариант осуществления БСГ четвертого порядка имеет преимущество по сравнению с представленными выше лучшими известными способами суммы/разности, заключающееся в том, что фильтр БСГ четвертого порядка менее чувствителен к любой несбалансированности выходными сигналами датчиков левого и правого каналов. Однако, фильтр БСГ четвертого порядка несколько более сложен в вычислительном отношении. Результаты эмпирических исследований показали, что при практическом применении представленных выше способов суммы/разности, потенциальная несбалансированность сигналов датчиков левого и правого каналов не влияет на результаты оценок частот и усиление сигнала. Поэтому дополнительная сложность фильтра БСГ четвертого порядка для улучшения точности измерений массового секундного расхода или давления не требуется.

Усиленный выходной сигнал фильтра БСГ четвертого порядка подается в каждую из двух цепочек фильтров для выделения и дальнейшего усиления частот колебаний изгибного режима и крутильного режима расходомерных трубок. Каждая цепочка фильтров содержит узкополосный режекторный фильтр, который принимает усиленный выходной сигнал фильтра БСГ четвертого порядка, и выходной сигнал которого поступает в находящийся в цепочке полосовой фильтр. Выходной сигнал полосового фильтра каждой цепочки фильтров поступает в фильтр РМВ второго порядка для завершения усиления каждого выделенного сигнала частоты. Дополнительная пара цепочек фильтров связана с каналами левого и правого датчиков для усиления создаваемых в них сигналов колебаниями изгибного режима расходомерных трубок. Затем усиленный сигнал для каждого из датчиков левого и правого каналов подается в элемент 528 вычисления фазы фильтров Гоэрцела, как обсуждалось выше в отношении фиг.5.

Фильтр 600 БСГ четвертого порядка принимает значения сигналов левого канала из тракта 254. БСГ 600 четвертого порядка вычисляет оценки частоты для двух самых сильных сигналов (самые высокие амплитудные синусоиды) в его входных данных. Более низкая из двух полученных в результате оценки частот принимается в качестве частоты изгибного режима, а более высокая из двух полученных в результате оценки частот принимается в качестве частоты крутильного режима. Таким образом БСГ 600 четвертого порядка обеспечивает оценку частоты колебаний изгибного режима расходомерных трубок и посылает эту оценку по тракту 652. Фильтр 600 БСГ четвертого порядка таким же образом обеспечивает оценку частоты колебаний крутильного режима и посылает эту оценку по тракту 654. Наконец, фильтр 600 БСГ четвертого порядка обеспечивает умеренное усиление входного сигнала из тракта 254 с целью устранения сигналов помех за пределами двух сильных составляющих и посылает усиленный сигнал по тракту 650.

Определяющие уравнения всех узкополосных режекторных и полосовых фильтров второго порядка и фильтров РМВ такие, как отмечалось выше. Определяющее уравнение полосового фильтра четвертого порядка в скалярной форме предпочтительно имеет следующий вид:

где u - входной сигнал, у - усиленный выходной сигнал, - параметр исключения систематической ошибки, а х(1) и х(2) - адаптирующие коэффициенты, и х(1)= а+b, х(2)=2+аb. Определяющее уравнение можно также описать в эквивалентной матричной форме следующим образом:
y(k) = A(k)X+(⁴-1)u(k-4)-⁴y(k-4),
где

Фильтр 600 БСГ четвертого порядка вырабатывает две оценки частоты на своих выходах, используемых для центрирования частоты различных узкополосных режекторных и полосовых фильтров, показанных на фиг.6. Оценки частот определяются следующим образом:


В качестве альтернативы, фильтр 600 БСГ четвертого порядка может принимать на своем входе сигнал из значений датчиков правого канала, поступающих по тракту 256. Специалисты в данной области техники легко поймут эквивалентность двух вариантов входных сигналов в отношении работы фильтра 600 БСГ четвертого порядка.

Первая цепочка фильтров далее выделяет и усиливает составляющую частоты изгибного режима из сигнала, посылаемого во входной тракт 650. Узкополосный режекторный фильтр 602 сначала вырезает частоты, центрированные относительно оцененной частоты крутильного режима, вычисленной элементом 612. Выходной сигнал узкополосного режекторного фильтра 602 подается по тракту 656 в полосовой фильтр 604, чтобы пропустить узкую полосу частот, центрированную относительно оцененной частоты изгибного режима, вычисленной элементом 600. Выходной сигнал полосового фильтра 604 подается по тракту 658 в фильтр 606 РМВ второго порядка для формирования окончательной оценки частоты изгибного режима. Эта окончательная оценка подается затем по тракту 266.

Вторая цепочка фильтров далее выделяет и усиливает частотную составляющую колебаний крутильного режима из сигнала, поступающего во входной тракт 650. Узкополосный режекторный фильтр 608 сначала вырезает частоты, центрированные относительно оцененной частоты колебания изгибного режима, вычисленной элементом 606. Выходной сигнал узкополосного режекторного фильтра 608 подается по тракту 660 в полосовой фильтр 610 для пропускания узкой полосы частот, центрированной относительно оцененной частоты крутильного режима, вычисленной элементом 600. Выходной сигнал полосового фильтра 610 подается по тракту 662 в фильтр 612 РМВ второго порядка для формирования окончательной оценки частоты колебаний крутильного режима. Эта окончательная оценка частоты затем подается по тракту 264.

Оценка частоты изгибного режима, вырабатываемая фильтром 600 БСГ четвертого порядка и посылаемая по тракту 652, принимается полосовым фильтром 604 для настройки центральной частоты полосы пропускания фильтра. Точно так же, оценка частоты колебаний крутильного режима, вырабатываемая фильтром 600 БСГ четвертого порядка и посылаемая по тракту 654, принимается полосовым фильтром 610 для настройки центральной частоты полосы пропускания фильтра. Точная частота изгибного режима расходомерных трубок, вырабатываемая фильтром РМВ второго порядка и посылаемая по тракту 266, принимается узкополосным режекторным фильтром 608 для настройки центральной частоты узкополосного режекторного фильтра. Точно такая же частота колебаний крутильного режима расходомерных трубок, вырабатываемая фильтром 612 РМВ второго порядка и посылаемая по тракту 264, принимается узкополосным режекторным фильтром 602 для настройки центральной частоты узкополосного режекторного фильтра.

Вторая пара цепочек фильтров используется с целью выделения и усиления частоты изгибного режима для каждого из сигналов датчиков левого и правого каналов. Узкополосный режекторный фильтр 614 принимает неусиленные значения сигналов датчика левого канала по тракту 254 и отфильтровывает частоты внутри провала, центрированного относительно точной частоты колебаний крутильного режима, поступающей по тракту 264 из фильтра 612 РМВ второго порядка. Усиленный сигнал, вырабатываемый узкополосным режекторным фильтром 614, подается по тракту 664 в полосовой фильтр 616. Полосовой фильтр 616 пропускает узкую полосу частот, центрированных относительно точной частоты колебаний изгибного режима, поступающей по тракту 266 из фильтра 606 РМВ второго порядка. Усиленный полосовым фильтром 616 выходной сигнал представляет сигнал изгибного режима значений сигналов датчика левого канала и подается по тракту 666 в элемент 528 фильтра Гоэрцела способом, подобным обсужденному выше относительно фиг.5.

Аналогичная цепочка фильтров обрабатывает значения сигналов датчика правого канала. Узкополосный режекторный фильтр 618 принимает неусиленные значения сигнала датчика правого канала по тракту 256 и отфильтровывает частоты внутри провала, центрированного относительно точной частоты колебаний крутильного режима, поступающей по тракту 264 из фильтра 612 РМВ второго порядка. Усиленный сигнал, вырабатываемый узкополосным режекторным фильтром 618, подается по тракту 668 в полосовой фильтр 620. Полосовой фильтр 620 пропускает узкую полосу частот, центрированных относительно точной частоты изгибного режима, поступающей по тракту 266 из фильтра 606 РМВ второго порядка. Усиленный выходной сигнал полосового фильтра 620 представляет сигнал изгибного режима значений сигнала датчика правого канала и подается по тракту 670 в элемент 528 фильтра Гоэрцела способом, подобным описанному выше относительно фиг.5.

Характеристики различных фильтров, изображенных на фиг.6, зависят от определенных значений параметров, выбранных для фильтров в соответствии с приведенными выше определяющими уравнениями. Эмпирические исследования показали, что эффективными с типичными частотами изгибного и крутильного режимов расходомера будут следующие значения (см. таблицу 4).

Важно отметить, что оценки частот, вырабатываемые элементами 606 и 612 фильтров РМВ, используются в реверсивном устройстве обратной связи. Другими словами, оценка частоты, вырабатываемая элементом 606 фильтра РМВ, используется для управления узкополосным режекторным фильтром 608, который фильтрует входной сигнал фильтра 612 РМВ. И наоборот, оценка частоты, вырабатываемая элементом 612 фильтра РМВ, используется для управления узкополосным режекторным фильтром 602, который фильтрует входной сигнал фильтра 606 РМВ.

Надлежащая сходимость этой перекрестно соединенной системы обеспечена двумя путями. Во-первых, полосовые фильтры 604 и 610 настраиваются с использованием выходного сигнала фильтра 600 БГС четвертого порядка. Это обеспечивает сильное ослабление ненужных составляющих для каждой цепочки фильтров (то есть удаление частоты крутильного режима для цепочки фильтров, включающей фильтр РМВ, и удаление частоты изгибного режима в цепочке фильтров, включающих фильтр 612 РМВ). Узкополосные режекторные фильтры 602 и 608 дополнительно уменьшают ненужные составляющие. Во-вторых, если оценки частоты РМВ существенно отличаются от соответствующих оценок частоты режима, вырабатываемых фильтром 600 БСГ четвертого порядка, инициализируется соответствующий фильтр РМВ (606 или 612), используя соответствующую оценку фильтра БСГ способом, аналогичным описанному выше относительно способов суммы/разности. Эта инициализация обозначена пунктирной линией, проходящей к фильтрам РМВ (606 и 612) от фильтра БСГ четвертого порядка.

Элемент 528 вычисления фазы фильтра Гоэрцела, как обсуждалось выше относительно фиг.5, принимает усиленные сигналы, представляющие колебательное движение изгибной формы колебаний датчиков левого и правого каналов, и определяет фазу синусоиды сигнала каждого канала. Фаза каждого канала, представляемая комплексным числом, определяемым суммированием значений выборок под управлением весовых множителей окна Хэннинга, подается по трактам 260 и 262 для дальнейшей обработки с помощью показанного на фиг.2 элемента 212 вычисления t.
Компенсация отношения частот
Обсуждавшиеся выше соответствующие настоящему изобретению способы предназначаются для точного определения частоты колебаний изгибного режима и частоты колебаний крутильного режима колеблющихся расходомерных трубок. Отношение крутильного режима к изгибному режиму можно использовать для определения давления внутри расходомерных трубок, как обсуждалось выше. Однако, как было отмечено выше, на отношение частот влияют другие параметры расходомера. Эти другие факторы можно использовать для компенсации отношения частот известными способами калибровки. Затем компенсированное отношение частот можно использовать для точного определения давления внутри расходомерных трубок массового расходомера.

Необработанное отношение частот FR_НЕОБР периодически определяется, как обсуждалось выше, в виде отношения частоты крутильного режима к частоте изгибного режима колеблющихся расходомерных трубок. FR_НЕОБР корректируется путем применения вычисления компенсации физического монтажа, температуры, плотности и полученного в результате оценки массового секундного расхода (массового секундного расхода, итерационно корректируемого посредством периодов выборок) для определения FR_КОРР следующим образом:
FR_КОРР = FR_НЕОБР-FR₀-FR_T+FR+FR_m,
FR₀ представляет значение компенсации, которое учитывает изменения частотной характеристики расходомерных трубок под влиянием физического монтажа расходомера. Физический монтаж массового расходомера при его применении по назначению может изменять ответ чувствительности к колебаниям расходомерных трубок по сравнению с физическим монтажом, использованным для калибровки расходомера во время изготовления.

FR₀ определяют путем измерения отношения частот при установке или повторной установке на нуль массового расходомера (FR_s, смонтированный в трубопроводе для применения по назначению) и вычитания отношения частот, измеренных при калибровке (FR₀, смонтированный при калибровочном креплении). Измеренное установочное отношение частот (FR_s) также регулируют на различия установочной температуры по сравнению с калибровочной температурой. FR₀ определяют следующим образом:
FR₀ = FR_S-(f_T(T₀)-(f_T(T_s))-FR₀,
где f_T(T₀) - многочлен с переменной То (калибровочная температура расходомерных трубок), соответствующий конкретному расходомеру, a fr(T_s) - многочлен с переменной T_s (установочная температура расходомерных трубок), соответствующий конкретному расходомеру.

коэффициент компенсации, который учитывает для изменения отношения частот расходомерных трубок под влиянием изменений температуры расходомерной трубки от калибровочной температуры. В частности, FR_T определяется следующим образом;
FR_T = f_T(T₀)-f_T(T_m),
где f_T(T_o) - многочлен с переменной Т_о (калибровочная температура расходомерных трубок), соответствующий конкретному расходомеру, а f_т(Т_m) - многочлен с переменной Т_m (измеренная в данный момент температура расходомерных трубок), соответствующий конкретному расходомеру.

FR - коэффициент компенсации, который учитывает изменения отношения частот расходомерных трубок под влиянием изменений плотности вещества, текущего внутри расходомерных трубок, от калибровочной плотности. В частности, FR определен следующим образом:
FR = f(₀)-f(_m),
где f(₀) - многочлен с переменной ₀ (калибровочная плотность вещества в расходомерных трубках), соответствующий конкретному расходомеру, a f(_m) - многочлен с переменной _m (измеренная в данный момент плотность вещества в расходомерных трубках), соответствующий конкретному расходомеру.

FR_m - коэффициент компенсации, который учитывает изменения отношений частот расходомерных трубок под влиянием изменений массового секундного расхода через расходомерные трубки. В частности, FR_m определяется следующим образом:
FR_m = f_m(m),
где f_m(m) - многочлен с переменной m (массовый секундный расход, итерационно корректируемый посредством периодов выборок), соответствующий конкретному расходомеру. Коэффициент компенсации массового секундного расхода является итерационным в том смысле, что поправочный коэффициент создается отчасти в виде коррекции из ранее откорректированного значения прошлого периода выборок. Поэтому этот конкретный коэффициент компенсации обеспечивает управление с обратной связью коррекции массового секундного расхода, основанное на предыдущих вычислениях коррекции.

Имея таким образом вычисленное и откорректированное отношение частот, можно определить связанное с ним давление стандартными вычислениями, основанными на градуировочной кривой, созданной при изготовлении, связывающей давление с отношением частот. Для FR_КОРР можно применять полиномиальную функцию, соответствующую кривой, согласованной с калибровочными данными отношения частот в функции давления. В качестве альтернативы, для таблицы, представляющей полученные в результате измерений калибровочные данные, согласующие отношение частот с давлением, можно применять стандартные способы табличного поиска и интерполяции.

В зависимости от конкретного массового расходомера и его применения, некоторые или все описанные выше коррекции необработанного отношения частот FR_НЕОБР не являются необходимыми для определения измерения давления с подходящей точностью. Например, если на частоты видов колебаний, представляющих интерес для данного расходомера в конкретном применении, не воздействуют или не влияют изменения в условиях монтажа, температуры, плотности и массового секундного расхода, то FR_НЕОБР можно использовать непосредственно для вычисления величины давления, как описано выше. Если на частоты видов колебаний, представляющих интерес для конкретного расходомера, воздействуют только некоторые из условий монтажа, температуры, плотности или массового секундного расхода, то требуется корректировать FR_НЕОБР только относительно тех факторов, которые имеют такое влияние.

Может случиться то, что на один из видов колебаний, используемых для конкретного расходомера, могут не влиять изменения давления, условий монтажа, температуры, плотности и массового секундного расхода, или что влияние от изменений этих параметров является незначительным в пределах требуемой точности измерения давления. При этих условиях можно определять давление, измеряя только одну частоту. Примером является расходомер, имеющий частоту изгибного режима, которая не подвержена воздействию, подвержена незначительному воздействию или на которую не влияют изменения вышеупомянутых факторов, включая давление. Давление определяют путем измерения частоты крутильного режима и непосредственного связывания частоты крутильного режима с давлением. Это выполняют с помощью соответствующих настоящему изобретению способов, как описано выше, но учитывая, что одна из частот, используемых в отношении частот, либо числитель, либо знаменатель, в зависимости от обстоятельств, является постоянной величиной. Там, где на частоту изгибного режима расходомера, например, воздействуют вышеупомянутые факторы, но воздействуют в относительной степени, существенно меньшей, чем на частоту крутильного режима для этого расходомера, можно принимать более низкую характеристику измерения давления и использовать только частоту крутильного режима для измерения давления и компенсации давления.

Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что соответствующие настоящему изобретению способы в одинаковой степени применимы к денсиметрам колеблющихся труб. Измерительную трубу денсиметра колеблющихся труб возбуждают в двух режимах колебания, как описано выше. Измеряют и обрабатывают две частоты, как описано выше, для образования сигнала, отображающего давление внутри колеблющейся трубы. Поскольку денсиметры не используют для измерения массового секундного расхода, измерение давления используют в качестве индикации давления и компенсации полученной в результате измерений плотности и не используют, как описано выше, для компенсации сигнала массового секундного расхода.

Следует четко понимать, что заявляемое изобретение не ограничено описанием предпочтительного варианта его осуществления, а охватывает другие модификации и изменения в пределах сущности и объема притязаний обладающей признаками изобретения концепции. В частности, соответствующие настоящему изобретению способы и устройство можно применять для массовых расходомеров на эффекте Кориолиса с большим многообразием форм труб, включая так называемые "U"-образные трубы, прямые трубы и другие. Много переменных вносят вклад в проверку соответствующих настоящему изобретению способов для конкретной конфигурации расходомера. Поэтому, показанные на различных чертежах данные представлены только в качестве иллюстрации. Из-за множества включенных переменных нельзя полагать, что показанные численные значения будут легко воспроизведены другими.

Формула изобретения

1. Способ для определения давления вещества, текущего внутри расходомера или денсиметра, имеющего средство колеблющейся расходомерной трубки, содержащий этапы, при которых осуществляют колебания средства расходомерной трубки в первом режиме изгибных колебаний, определяют первую резонансную частоту упомянутого средства расходомерной трубки в ответ на первый режим изгибных колебаний расходомерной трубки, отличающийся тем, что осуществляют колебание упомянутого средства расходомерной трубки во втором режиме изгибных колебаний или крутильных колебаний, определяют вторую резонансную частоту расходомерной трубки в ответ на второй режим изгибных или крутильных колебаний и определяют давление внутри упомянутого средства расходомерной трубки путем вычисления отношения между первой резонансной частотой и упомянутой второй резонансной частотой.

2. Способ по п. 1, в котором упомянутое давление определяют независимо от плотности упомянутого вещества.

3. Способ по п. 1, в котором упомянутое давление определяют при нулевом массовом секундном расходе упомянутого вещества.

4. Способ по п. 1, в котором упомянутое давление определяют при массовом секундном расходе упомянутого вещества больше, чем нуль.

5. Способ по п. 1, в котором упомянутый расходомер является кориолисовым массовым расходомером.

6. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы: определяют неоткорректированный массовый секундный расход, соответствующий веществу, проходящему по упомянутому расходомеру, и получают откорректированный массовый секундный расход для вещества, проходящего через упомянутый расходомер, под влиянием определения упомянутого неоткорректированного массового секундного расхода и упомянутого определения давления.

7. Способ по п. 1, в котором этап определения упомянутой первой резонансной частоты содержит этапы: считывают первый сигнал, вырабатываемый движением первого датчика, связанного с колеблющимся средством расходомерной трубки упомянутого расходомера, осуществляют считывание второго сигнала, вырабатываемого движением второго датчика, связанного с колеблющимся средством расходомерной трубки упомянутого расходомера, осуществляют фильтрацию упомянутого первого сигнала и упомянутого второго сигнала и извлекают составляющую сигнала, соответствующую упомянутой первой резонансной частоте.

8. Способ по п. 7, в котором этап фильтрации включает в себя этапы: осуществляют добавление упомянутого первого сигнала к упомянутому второму сигналу, осуществляют образование выделенного сигнала, имеющего сильную частотную составляющую в частоте изгибного режима, осуществляют усилие упомянутого выделенного сигнала для устранения нежелательных составляющих в упомянутом выделенном сигнале и образовывают усиленный сигнал в частоте изгибного режима.

9. Способ по п. 7, дополнительно содержащий этапы: определяют неоткорректированный массовый секундный расход, соответствующий веществу, проходящему через упомянутый расходомер, под влиянием упомянутых колебаний упомянутого средства расходомерной трубки в упомянутом изгибном режиме колебаний и получают откорректированный массовый секундный расход вещества, протекающего через упомянутый расходомер, под влиянием определения упомянутого неоткорректированного массового секундного расхода и определения упомянутого давления.

10. Способ по п. 1, в котором этап определения упомянутой второй резонансной частоты содержит этапы: осуществляют считывание первого сигнала, вырабатываемого движением первого датчика, прикрепленного к колеблющемуся средству расходомерной трубки упомянутого расходомера, осуществляют считывание второго сигнала, вырабатываемого движением второго датчика, прикрепленного к колеблющемуся средству расходомерной трубки упомянутого расходомера, фильтруют упомянутый первый сигнал и упомянутый второй сигнал и осуществляют извлечение составляющей сигнала, соответствующей упомянутой второй резонансной частоте.

11. Способ по п. 10, в котором упомянутым вторым режимом колебаний осуществляют колебание упомянутого средства расходомерной трубки в крутильном режиме колебаний.

12. Способ по п. 11, в котором этап фильтрации упомянутого первого сигнала и упомянутого второго сигнала содержит этапы: вычитают упомянутый второй сигнал из упомянутого первого сигнала и создают выделенный сигнал, имеющий сильную частотную составляющую в частоте колебаний крутильного режима, осуществляют усиление упомянутого выделенного сигнала для устранения нежелательных компонентов в упомянутом выделенном сигнале и производят усиленный сигнал частоты колебаний крутильного режима.

13. Способ по п. 1, в котором осуществляют колебания упомянутого средства расходомерной трубки одновременно и в упомянутом первом режиме изгибных колебаний и в упомянутом втором режиме изгибных или крутильных колебаний.

14. Способ по п. 1, в котором осуществляют колебания упомянутого средства расходомерной трубки последовательно в одном режиме в каждый момент времени, в упомянутом первом режиме изгибных колебаний и в упомянутом втором режиме изгибных или крутильных колебаний.

15. Способ по п. 1, в котором на этапе определения упомянутого давления определяют отношение между упомянутой первой резонансной частотой и упомянутой второй резонансной частотой осуществляют компенсацию упомянутого отношения из-за изменений в упомянутом отношении, вызванном изменениями параметра упомянутого расходомера, и в котором упомянутое давление определяют под влиянием упомянутого компенсированного отношения.

16. Способ по п. 15, в котором упомянутый параметр является условием монтажа упомянутого расходомера и в котором на упомянутом этапе компенсации определяют первый поправочный множитель, когда упомянутый расходомер откалиброван при первом условии монтажа, определяют второй поправочный множитель, когда упомянутый расходомер установлен на его применение по назначению при втором условии монтажа, осуществляют вырабатывание значения компенсации отношения под влиянием упомянутого определения упомянутого первого поправочного множителя и упомянутого второго поправочного множителя, компенсируют упомянутое отношение с помощью упомянутого значения компенсации отношения и в котором упомянутое давление определяют под влиянием упомянутого компенсированного отношения.

17. Способ по п. 15, в котором упомянутый параметр является температурой упомянутого средства колеблющейся расходомерной трубки и в котором на упомянутом этапе компенсации осуществляют определение первого поправочного множителя, когда упомянутый расходомер откалиброван при первой температуре, определяют второй поправочный множитель, когда упомянутый расходомер откалиброван при второй температуре, осуществляют вырабатывание значения компенсации отношения под влиянием упомянутого определения первого поправочного множителя и упомянутого второго поправочного множителя, измеряют температуру упомянутого средства колеблющейся расходомерной трубки, осуществляют компенсацию упомянутого отношения с помощью упомянутого значения компенсации отношения под влиянием упомянутой полученной при измерении температуры и упомянутое давление определяют под влиянием упомянутого компенсированного отношения.

18. Способ по п. 15, в котором упомянутый параметр представляет собой плотность упомянутого вещества в средстве колеблющейся расходомерной трубки и в котором на упомянутом этапе компенсации определяют первый поправочный множитель, когда упомянутый расходомер откалиброван с упомянутым веществом, имеющим первую плотность, определяют второй поправочный множитель, когда упомянутый расходомер откалиброван с упомянутым веществом, имеющим вторую плотность, вырабатывают значение компенсации отношения под влиянием упомянутого определения упомянутого первого поправочного множителя и упомянутого второго поправочного множителя, осуществляют измерение плотности упомянутого вещества в упомянутом средстве колеблющейся расходомерной трубки, осуществляют компенсацию упомянутого отношения с помощью упомянутого значения компенсации отношения под влиянием упомянутой полученной в результате измерения плотности и упомянутое давление определяют под влиянием упомянутого компенсированного отношения.

19. Способ по п. 15, в котором на упомянутом этапе определения упомянутого отношения осуществляют определение первого поправочного множителя, когда упомянутый расходомер откалиброван с упомянутым веществом, имеющим первый массовый секундный расход, осуществляют определение второго поправочного множителя, когда упомянутый расходомер откалиброван с упомянутым веществом, имеющим второй массовый секундный расход, вырабатывают значение компенсации отношения под влиянием упомянутого определения упомянутого первого поправочного множителя и упомянутого второго поправочного множителя, осуществляют компенсацию упомянутого отношения с помощью упомянутого значения компенсации отношения под влиянием упомянутого откорректированного массового секундного расхода и упомянутое давление определяют под влиянием упомянутого компенсированного отношения.

20. Устройство для определения давления вещества, текущего внутри расходомера или средства для измерения плотности, имеющего средство колеблющейся трубки, содержащее средство для колебания упомянутого средства расходомерной трубки в первом режиме изгибных колебаний, средство датчика, прикрепленное к упомянутому средству колеблющейся расходомерной трубки, выполненное с возможностью выработки сигналов, чувствительных к движению упомянутого средства расходомерной трубки, средство, чувствительное к упомянутому средству датчика, выполненное с возможностью определения первой частоты упомянутого первого режима изгибных колебаний, отличающееся тем, что содержит средство для колебания упомянутого средства расходомерной трубки во втором режиме изгибных или крутильных колебаний, средство, чувствительное к упомянутому средству датчика, выполненное с возможностью определения второй частоты упомянутого второго режима изгибных или крутильных колебаний, средство для определения отношения между упомянутой первой частотой и упомянутой второй частотой, средство для измерения плотности упомянутого вещества в упомянутом средстве колеблющейся расходомерной трубки, средство для компенсации упомянутого отношения под влиянием упомянутой полученной в результате измерений плотности и средство для определения упомянутого давления под влиянием упомянутого компенсированного отношения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22