CN100565128C - 通过测量两种振动模式之间的科里奥利耦合测量流经管道的流量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方法和装置，其通过测量管道中两种振动模式之间的科里奥利耦合，测量流经管道的流量(702)。首先在两个不同的频率上以两种不同的振动模式激励该管道(704)。通过强制使处于切断模式(off mode)频率的两种模式的相位为零，确定这两种模式之间的耦合(708)。然后使用驱动处于切断模式频率的两种模式相位为零所需的力的大小，可以确定流经管道的流量(710)。

Description

通过测量两种振动模式之间的科里奥利耦合测量流经管道的流量的方法和装置

技术领域

本发明涉及流量计领域，并且特别地，涉及科里奥利流量计。

背景技术

在科里奥利流量计中，通过以正弦运动的方式振动一个(或多个)流体传送管道，并测量在该一个(或多个)管道上两个或多个位置处的振动响应之间的时延(或相位角)，测量流速。但是，对于时延随着流速线性变化的实际情况，时延在零流量处通常不为零。通常存在由一些因素，诸如仪表电子设备中的非比例衰减、残余挠性响应、电磁串扰或相位延迟引起的零流量延迟或偏移。

通过在零流量条件下测量零流量偏移，并从在流动期间进行的随后测量中减去该测得的偏移，该零流量偏移通常被校正。如果该零流量偏移保持不变，那么这将足以校正零流量偏移问题。遗憾地是，该零流量偏移可以被周围环境中的微小变化(诸如温度)所影响，或者被影响到在物质流经于此的管道系统中的变化。这些零流量偏移中的变化将在所测得流速中产生误差。在正常操作期间，在非流动条件之间可能存在长的时间周期。仅通过在这些非流动条件期间零位调整科里奥利流量计，可以校准该科里奥利流量计。随着时间的过去，零偏移中的变化可能导致所测得流量中的显著误差。

因此，需要一种用于测量不依赖于零偏移问题的流量的系统和方法。

发明内容

公开了一种通过测量管道中两种振动模式之间的科里奥利耦合来测量流经管道的流量的方法和装置。首先在两种不同频率上以两种不同振动模式激励该管道。通过将处于切断模式(off mode)频率的两种模式相位强制为零，确定两种模式之间的耦合。然后，使用驱动两种模式相位为零所需的力的大小可以确定流经管道的流量。

本发明的一个方面包括，一种方法，包含：

使物质流经管道；

以至少两种振动模式的固有频率激励该管道的振动；

测量管道的运动；

控制管道的振动以使得这两种振动模式之间的耦合被降低到大约为零；

使用控制功能的测量确定流经管道的物质流量。

优选地，该方法还包含，其中振动模式之一是管道的主弯曲模式。

优选地，该方法还包含，其中振动模式之一是管道的主扭曲模式。

优选地，该方法还包含，其中控制功能是反馈环。

优选地，该方法还包含，其中该反馈环激活实正交模式驱动系统。

优选地，该方法还包含，其中反馈环的输入是使用模态滤波器导出的管道至少两种振动模式之一的模态坐标估计。

本发明的另一个方面包含：

当以第一频率激励管道的第一振动模式时，使物质流经管道；

以第二频率激励管道的第二振动模式；

测量振动管道的相对运动；

对管道施加第一力，以使得处于第一频率的第二模式振动被降低到最小；

对管道施加第二力，以使得处于第二频率的第一模式振动被降低到最小；

基于第一力和第二力的大小确定流经管道的物质流量。

优选地，该方法还包含，其中第一振动模式是管道的主弯曲模式。

优选地，该方法还包含，其中第一频率是管道主弯曲模式的固有频率。

优选地，该方法还包含，其中第二振动模式是管道的主扭曲模式。

优选地，该方法还包含，其中第二频率是管道主扭曲模式的固有频率。

优选地，该方法还包含，其中第一力和第二力同时被施加。

优选地，该方法还包含，其中第一力和第二力由反馈环施加。

优选地，该方法还包含，其中该反馈环激活实正交模式驱动系统。

优选地，该方法还包含，其中该反馈环的输入是使用模态滤波器导出的管道的第一振动模式的模态坐标估计。

本发明的另一方面包含：

当以第一频率激励管道的第一振动模式时，使物质流经管道；

以第二频率激励管道的第二振动模式；

在第一点和第二点处测量振动管道的相对运动；

确定以第一频率测量的第一点和第二点之间的第一dt；

确定以第二频率测量的第一点和第二点之间的第二dt；

对管道施加第一力，以使得第一dt被降低到大约为零；

对管道施加第二力，以使得第二dt被降低到大约为零；

基于第一力和第二力的大小确定流经管道的物质流量。

优选地，该方法还包含，其中第一点和第二点在定距离间隔配置中，并且围绕管道的轴向中心对称间隔。

本发明的另一方面包含：

使物质流经管道；

以管道振动模式的固有频率激励管道的振动；

测量管道的运动；

强制使由流动物质引起的管道感应振动在管道的激励振动模式固有频率上大约为零；

使用力的测量确定流经管道的物质流量。

优选地，该方法还包含，其中管道的激励振动模式是主弯曲模式，并且感应振动模式是管道的主扭曲模式。

优选地，该方法还包含，其中管道的激励振动模式是主扭曲模式，并且感应振动模式是管道的主弯曲模式。

优选地，该方法还包含，其中使用零偏移量校正确定的流经管道的物质流量。

本发明的另一方面包含：

管道，其被配置来包含流经该管道的物质；

至少两个驱动器，其被配置来激励该管道的多个振动模式；

感测装置，其被配置来测量振动管道的相对运动；

控制系统，其被配置来使用该至少两个驱动器激励管道的至少两种振动模式；

该控制系统被配置来确定该管道至少两种振动模式之间的耦合；

该控制系统被配置来向管道施加使该至少两种振动模式之间的耦合降低到大约为零的力；

该控制系统被配置来使用力的测量确定流经管道的物质流量。

优选地，该方法还包含，其中振动模式之一是管道的主弯曲模式。

优选地，该方法还包含，其中振动模式之一是管道的主扭曲模式。

优选地，该方法还包含反馈环。

优选地，该方法还包含：

由该反馈环激活的实正交模式驱动系统。

优选地，该方法还包含，其中该反馈环的输入是使用模态滤波器导出的管道该至少两种振动模式之一的模态坐标估计。

本发明的另一方面包含：

管道，其被配置来包含流经该管道的物质；

至少两个驱动器，其被配置来激励该管道的多个振动模式；

感测装置，其被配置来测量在第一点和第二点处振动管道的相对运动；

控制系统，其被配置来以第一频率激励管道的第一振动模式；

该控制系统被配置来以第二频率激励管道的第二振动模式；

该控制系统被配置来确定以第一频率测量的第一点和第二点之间的第一dt；

该控制系统被配置来确定以第二频率测量的第一点和第二点之间的第二dt；

该控制系统被配置来对管道施加第一力，以使得该第一dt被降低到大约为零；

该控制系统被配置来对管道施加第二力，以使得该第二dt被降低到大约为零；

该控制系统被配置来基于第一力和第二力的大小确定流经管道的物质流量。

优选地，该方法还包含，其中第一点和第二点是在定距离间隔配置中，并且围绕管道的中心对称间隔。

本发明的另一方面包含：

管道，其被配置来包含流经该管道的物质；

至少两个驱动器，其被配置来激励该管道的多个振动模式；

感测装置，其被配置来测量在第一点和第二点处振动管道的相对运动；

控制系统，其被配置来以振动模式的固有频率激励管道的第一振动模式；

该控制系统被配置来强制使由流动物质产生的管道感应振动在管道的激励振动模式固有频率上大约为零；

该控制系统被配置来使用力的测量确定流经管道的物质流量。

优选地，该方法还包含，其中管道的激励振动模式是主弯曲模式，并且感应振动模式是管道的主扭曲模式。

优选地，该方法还包含，其中管道的激励振动模式是主扭曲模式，并且感应振动模式是管道的主弯曲模式。

优选地，该方法还包含，其中使用零偏移量校正确定的流经管道的物质流量。

本发明的另一方面包含：

管道，其被配置来包含流经该管道的物质；

用于激励管道至少两种振动模式的装置；

用于感测振动管道的相对运动的装置；

用于确定该管道至少两种振动模式之间的耦合的装置；

用于向管道施加一个力的装置，该力使该至少两种振动模式之间的耦合降低到大约为零；

用于使用力的测量确定流经管道的物质流量的装置。

附图说明

图1是科里奥利流量计的简单两模式模型的方框图。

图2A是描述科里奥利流量计中管道弯曲模式形状的图。

图2B是表示由弯曲模式和流动的组合产生的分布科里奥利力的大小的图。

图3是表示管的截面和管与管运动的法线方向之间的角度的图。

图4是表示科里奥利流量计中力之间的相位关系的复平面图。

图5A是在本发明具体实施例中处于未偏转位置的管道顶视图。

图5B是在本发明具体实施例中处于对应于主弯曲模式的偏转位置的管道顶视图。

图5C是在本发明具体实施例中处于对应于主扭曲模式的偏转位置的管道顶视图。

图6是用来实施本发明一个具体实施例的控制系统的方框图。

图7是在本发明具体实施例中确定流经管道的物质流量的方法流程图。

具体实施方式

图1-7和下面的说明描述了特定实例，以教导那些本领域技术人员如何构成和使用本发明的最好模式。为了教导创造性原则的目的，一些传统方面已被简化或省略。那些本领域技术人员将认识到落入本发明范围的这些实例的变化。那些本领域技术人员将认识到下面描述的特征可以以各种方式组合，以形成本发明的多种变化。因此，本发明不限于下面描述的特定实例，而仅由权利要求和它们的等价体限定。

简单两模式模型的理论背景

假定流量计的结构是线性的和非时变的，它可以由一组二阶线性微分方程(1)来描述。在这种情况下，x是表示在该结构上不同位置处的结构运动的向量，F_D表示施加到该流量计结构的力向量。可以将流经该流量计的质量流看作外部信号F，其改变该系统的动态特性。

$M\stackrel{\·\·}{x}+D\stackrel{\·}{x}+\mathrm{Kx}=F_D---\left(1\right)$

现在，为了获得科里奥利流量计操作的一些基本理解，方程(1)将被变换到实正交坐标空间，其中每个方程对应流量计结构的实正交振动模式。由于一些原因，在此使用实正交模式。首先，对于典型结构，实正交模式精确地表示在该结构中所见的实际振动模式。其次，它们允许由流动产生的科里奥利力被针对性地集成到微分方程中。使用该系统的实正交振动特征向量的矩阵Φ执行这个变换。这个变换如下所示。

$x=\mathrm{\Φ\η}$

$\mathrm{M\Φ}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}+\mathrm{D\Φ}\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}+\mathrm{K\Φ\η}=F_D$

${\mathrm{\Φ}}^T\mathrm{M\Φ}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\Φ}}^T\mathrm{D\Φ}\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\Φ}}^T\mathrm{K\Φ\η}=---\left(2\right)$

$N_D={\mathrm{\Φ}}^T{F}_D$

现在这两个变换的矩阵φ^TMφ和φ^TKφ将是对角线的。如果没有非比例衰减或存在于该系统中的科里奥利力，则φ^TDφ也将是对角线的。在这种情况下，这个变换将矩阵微分方程(2)拆成一组独立的二阶微分方程。这个拆开意味着该结构的模式不彼此影响(例如，弯曲模式的运动不会激励扭曲模式)。

为了进一步简化该系统，将仅考虑这些非耦合模式的两种，弯曲模式和扭曲模式。这可以被看作从矩阵方程(2)中拖出两行。而且，我们假定我们可以直接向这两种振动模式施加力，并且测量这两种振动模式，图1描述了这种情况。

现在对于这种分析，假定只有比例衰减存在，并且没有流动，那么该系统可以由一对方程(3)描述(在这个方程中的所有项现在是标量)。

$M_b{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}}_b+D_b{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b+K_b{\mathrm{\η}}_b=N_b---\left(3\right)$

$M_t{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}}_t+D_t{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_t+K_t{\mathrm{\η}}_t=N_t$

在这种情况下，该系统可以被描述为两种独立的模式，完全非耦合。如果将力施加到一种模式，则在另一种模式中将没有响应。现在如果我们增加流量，则模式的运动将被下面机构耦合。一种(或多种)模式的运动结合质量流，从而产生科里奥利力。这个科里奥利力沿着该流量计的长度分布，并且具有与该运动的形状相关的形状。该科里奥利力(在实正交空间中)由方程(4)和图2描述。

$N_c=2\mathrm{\ω}\×\stackrel{\·}{m}---\left(4\right)$

$\stackrel{\·}{m}=\mathrm{\ρA}{v}_f$

其中

是质量流速，ω是管上任意点的角速率，ρ是管中流体密度，A是管的横截面面积，v_f是流体的流率。假定

沿着管是常量。ω是振动形状的函数。典型地，以首先激励弯曲模式的方式驱动流量计，产生对应于弯曲模式振形的振动形状。由这个运动产生的科里奥利力图形的形状结果强投影到扭曲模式上(参见图2B)。这个投影耦合先前未被耦合的模式。现在对于这种我们正驱动弯曲模式的情况，可以导出η_b和ω之间的关系。

${\stackrel{\→}{\mathrm{\η}}}_b(x,t)={\mathrm{\φ}}_b\left(x\right){\mathrm{\η}}_b\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_b\left(x\right)\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{b}t\right)---\left(5\right)$

假定实正交模式，在沿着管的给定位置x和时间t处的管运动可以由方程(5)描述。φ_b(x)将该弯曲模式的形状表示为沿着该管的位移，即振形(mode shape)，的函数。在该管上任意点处的角旋转可以从那一点处该管的倾斜度估计出。假定这些角微小，方程(6)使该倾斜度与该角相关(参见图3)。

$\mathrm{\θ}\≅\frac{\∂{\stackrel{\→}{\mathrm{\η}}}_b(x,t)}{\∂x}---\left(6\right)$

通过方程(7)可以使角速率ω与弯曲模式运动相关。

$\mathrm{\ω}=\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{\∂\∂{\stackrel{\→}{\mathrm{\η}}}_b(x,t)}{\∂t\∂x}$

$\mathrm{\ω}=\frac{d{\mathrm{\φ}}_b\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\frac{d{\mathrm{\η}}_b\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{d{\mathrm{\φ}}_b\left(x\right)}{\mathrm{dx}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b\left(t\right)---\left(7\right)$

现在组合(4)和(7)，科里奥利力可以由方程(8)描述。

$N_c=2\mathrm{\ρA}[\frac{d{\mathrm{\φ}}_b\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\×v_f]{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b\left(t\right)---\left(8\right)$

这个方程可以被分成两项，一项是该振动形状的函数，另一项是该运动频率的函数。

是科里奥利力图形的形状。在这种情况下，其中我们正驱动该弯曲模式，这个图形会是如此以致它强投影到该扭曲模式。现在我们准备检查这些模式是如何耦合的。我们可以定义耦合项，方程(9)，

$C{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_t\left(x\right)\·N_c$

$C={\mathrm{\φ}}_t\left(x\right)\·2\mathrm{\ρA}[\frac{d{\mathrm{\φ}}_b\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\×v_f]---\left(9\right)$

C是科里奥利力图形如何很好地投影到扭曲模式形状的函数。这一项C表示弯曲模式和扭曲模式之间的科里奥利耦合量。由于问题中的对称性，从扭曲模式到弯曲模式的耦合具有相同的大小，但符号相反。而且，它是作为耦合基础的模态速度。当由于科里奥利力而产生的耦合存在时，这些事实被用在(10)中，来表示该系统的动态特性。

$M_b{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}}_b+D_b{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b+C{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_t+K_b{\mathrm{\η}}_b=N_b---\left(10\right)$

$M_t{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}}_t+D_t{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_t-C{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b+K_t{\mathrm{\η}}_t=N_t$

为清楚起见，我们可以重新整理这个方程，从而该科里奥利力出现在该方程的右侧。

$M_b{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}}_b+D_b{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b+K_b{\mathrm{\η}}_b=N_b-C{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_t=N_b-N_{\mathrm{ct}}---\left(11\right)$

$M_t{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}}_t+D_t{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_t+K_t{\mathrm{\η}}_t=N_t+C{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b=N_t+N_{\mathrm{cb}}$

由于扭曲模式速度引起的科里奥利力N_ct＝Cη_c施加力到弯曲模式。由于弯曲模式速度引起的科里奥利力 $N_{\mathrm{cb}}=C{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b$ 施加力到扭曲模式。因此，随着流动，现在这两种模式被耦合(例如，即使只在外部驱动弯曲模式，扭曲模式可以被激励)。接下来，我们需要理解由科里奥利力引起的位移(和因此被测量的速度)。为简单起见，让我们假定我们只驱动弯曲模式(N_b≠0，N_t＝0)，而且，假定由于扭曲速度引起的弯曲模式上的科里奥利力是微小的( $N_{\mathrm{ct}}\≅0$ )。应该是这样一种情况，即使我们用E_cb驱动扭曲模式，它仍被分离共振，因此这种模式的运动量将是微小的，并且因此与它相关的科里奥利力也将是微小的。在这种情况下，(11)简化为(12)。

$M_b{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}}_b+D_b{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_b+K_b{\mathrm{\η}}_b=N_b$

$M_t{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\η}}}_t+D_t{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_t+K_t{\mathrm{\η}}_t=N_{\mathrm{cb}}---\left(12\right)$

科里奥利力N_cb处于弯曲模式的频率。由于弯曲模式频率远低于扭曲模式，所以它充分低于其共振地驱动扭曲模式。这个事实可以被用来简化扭曲模式的响应。考虑一个简化的未衰减一阶系统(13)。

$\frac{\mathrm{\η}}{F}=\frac{1}{{\mathrm{Ms}}^2+K}---\left(13\right)$

沿着jω轴估计，

$\frac{\mathrm{\η}}{F}=\frac{1}{-M{\mathrm{\ω}}^2+K}---\left(14\right)$

现在让我们检查jω轴上的一些点。对于 $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{K}{M}},$ 在共振处，由于质量和硬度引起的位移的作用是相同的。由于ω增加，因此这种转移函数由质量项控制，并且可以被近似为

其对应于180度相移和随着ω²衰减的幅度。现在对于 $\mathrm{\&omega;}<<\sqrt{\frac{K}{M}},$ 硬度项处于支配地位，并且该转移函数为

其对应于与输入同相的输出并与硬度分之一成比例。使用这个，我们可以将方程(12)的第二行简化为方程(15)。由于比例衰减引起的响应也被忽略。

$M_b{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b+D_b{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b+K_b{\mathrm{\&eta;}}_b=N_b$

$K_t{\mathrm{\&eta;}}_t=N_{\mathrm{cb}}---\left(15\right)$

${\mathrm{\&eta;}}_t=\frac{N_{\mathrm{cb}}}{K_t}=\frac{C{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b}{K_t}$

眼下，重要的是理解这些不同的力和响应的相位关系。图4描述这些相位关系。假定以弯曲模式共振地驱动管道，弯曲模式位置η_b将与弯曲模式力N_b异相90度。弯曲模式速度

将与弯曲模式位置η_b异相90度。科里奥利力N_C与弯曲速度

同相。假定以充分低于扭曲模式共振的扭曲模式驱动管道，那么扭曲响应η_t将与科里奥利力同相。扭曲模式速度

将与扭曲模式位置η_t异相90度。

对于下一步，我们需要确定由于这两种模式引起的拾取点(pickoff)处的速度。因为在实际的流量计中该速度被典型地测量，所以在这里速度被导出。在给定拾取点处的响应是在拾取点位置处两种模式的线性组合(16)。φ_opo和φ_tpo是弯曲和扭曲振形的函数。

${\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_{\mathrm{po}}={\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bpo}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{tpo}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t---\left(16\right)$

现在扭曲模式响应η_t与弯曲模式的相位η_b异相90度(参见图5)。考虑这种情况，我们可以使用复数记法来描述在任意拾取点处的速度，(17)。

${\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_{\mathrm{po}}={\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bpo}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b+i{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{tpo}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t---\left(17\right)$

现在如果我们关注拾取点信号的相位，它可以由(18)来近似(假定α是微小的)。

$\mathrm{\&alpha;}={\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ipo}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t}{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bpo}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b}\right)\&cong;\frac{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{tpo}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t}{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bpo}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b}---\left(18\right)$

现在我们需要估计

由于我们在弯曲频率处以单一正弦波驱动，

可以由方程(19)描述。

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{N}}_{\mathrm{cb}}}{K_t}=\frac{C{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b}{K_t}=\frac{C{\mathrm{\&omega;}}_b{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b}{K_t}---\left(19\right)$

现在如果我们将(18)与(19)组合，那么我们可以将沿着该管任意点处的相位描述为(20)。

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ipo}}C{\mathrm{\&omega;}}_b}{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bpo}}{K}_t}---\left(20\right)$

有趣的是，注意到相位α是弯曲模式频率的函数；然而，如果我们考虑dt，则这种相关性就被消除了，(21)。

$\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&omega;}}_b}=\frac{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ipo}}C}{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bpo}}{K}_t}---\left(21\right)$

现在检查方程(21)，我们可以看到，dt是振形(φ_t和φ_b)、科里奥利耦合C和扭曲模式的残余挠性K_t的函数。这个方程将被用来确定科里奥利耦合，并由此确定流经该流量计的物质流量。

操作

图5表示管道502的顶视图，该管道502被配置来包含流经该管道的物质。D1和D2是沿着管道502间隔的两个驱动器(也称为激励器)。在该优选的模式中，这两个驱动器围绕该管道的轴向中心对称间隔。该驱动器被配置来给管道502一个力，从而在管道502中激励多个振动模式。该力可以实质上是一致的(例如，被限制到窄频)或者可以是宽频带的。该驱动器可以是已知的装置，诸如连接到管道的磁体，和连接到基准的线圈，通过该线圈传送振荡电流。

S1和S2描述与驱动器D1和D2共同定位的两个传感器。在另一个实施例中，该传感器可以被定位在不是处于驱动器位置的位置。该传感器被配置来产生表示管道502的位置和运动的多个信号。该传感器可以包括多个设备，诸如线圈型速度传感器、光学或超声波运动传感器、加速计、惯性速度传感器等等。在这个实施例中，显示了两个传感器，每个传感器与驱动器之一共同定位。在另一个实施例中，可以只有一个传感器，其被配置来测量沿着管道502长度的管道502的位置和运动。具有超过2个传感器的其它配置也是可能的。

图5A示出了处于未偏转状态的管道502。通过以相等功率同相地驱动激励器，可以激励管道的主弯曲模式。图5B示出了处于对应于管道主弯曲模式的偏转状态的管道502。通过以弯曲模式的固有频率f_b驱动这些激励器，可以使管道进入弯曲模式的共振。

通过使用相等功率异相180度驱动激励器，可以激励管道的主扭曲模式。图5C示出了处于对应于管道主扭曲模式的偏转状态的管道502。通过调整驱动力的频率来匹配扭曲模式的固有频率f_t，可以使管道进入扭曲模式的共振。2000年7月25日授权并且标题为“Driver foroscillating a vibrating conduit”的美国专利6,092,429公开了被配置来在管道中激励不同振动模式的驱动器，该专利在此引用以作为参考。为清楚起见，图5B和5C中管道502的偏转已被放大。管道502的实际偏转将小得多。该管道具有可以被激励的另外振动模式。

弯曲模式的共振频率典型地远低于扭曲模式的共振频率。当没有流经该系统的流量时，只假定比例衰减，这些模式完全不耦合。当将力施加给一种振动模式时，在另一种振动模式中没有响应。例如，如果激励主扭曲模式，则该管道将扭曲而不弯曲(即，该管道的中心将不转移)。一旦流动开始，科里奥利力耦合这两种振动模式。通过测量耦合量，可以确定科里奥利力，并由此可以确定流经管道的物质流量。

在当前科里奥利流量计中，通过以弯曲模式激励管道的振动，并接着测量被科里奥利力耦合到管道中的扭曲模式量，来测量由科里奥利力引起的耦合。遗憾地是，在真实的科里奥利流量计中，该管道可以以除了主弯曲和扭曲模式之外的许多其它振动模式振动。这可以由该流量计中的一些非比例衰减产生。外力也可以产生管道的振动，例如连接到包含科里奥利流量计的管道系统的泵。由于有助于管道的速度和位移的所有不同振动模式，该管道运动可以变得复杂。由于该管道的复杂运动，测量管道中扭曲模式量可能变得困难。使用多信道模态滤波器来创建n个单一自由度模型响应信号，可以分解不同振动模式对该管道速度的贡献。由Timothy J.Cunningham等人发明的并于2002年3月19日公开的美国专利“Generalized modal space drivecontrol system for a vibrating tube process parameter sensor(6,360,175)，教导了这样一种多信道模态滤波器，并对于它所教导的一切在此引用以作为参考。使用模态滤波器，可以确定由于处于弯曲模式频率的扭曲模式振动引起的管道速度。一旦已经确定了由于扭曲模式引起的管道速度，比较在两点处管道速度之间的相对相位。例如，来自S1和S2的信号将被滤波，然后传感器S1和传感器S2之间检测的相对相位差将被比较。在S1和S2之间检测的所测量的相位差是该系统右特征向量的相对相位的量度，并且与流经该管道的质量流量成比例。让θR等于右特征向量的相对相位，θS1是在传感器S1测量的管道振动相位，并且θS2是在传感器S2测量的管道振动相位，然后θR＝θS1-θS2。时间差，ΔT，可以用振动频率ω除相位差计算出。ΔT＝(θS1-θS2)/ω。时间差ΔT还与流经管道的质量流量成比例，并且是典型地用在质量流量计中的量度。振动频率ω典型地是弯曲模式的固有频率f_b。

使用控制环以弯曲模式固有频率f_b在弯曲模式激励管道的振动。该控制环可以使用模态响应信号作为该控制环的反馈。使用的模态响应信号对应于处于弯曲模式的管道振动。对于弯曲模式振动，该控制环调整产生管道的给定位移或最大速度所需要的力。该控制环可以是模态空间驱动控制系统，其用来以弯曲模式固有频率激励管道的振动。由TimothyJ.Cunningham等人发明的并于2002年3月19日公开的美国专利“Generalized modal space drive control system for a vibratingtube process parameter sensor”(6,360,175)，教导了这样一种模态空间驱动控制系统。

所显示的模态驱动的控制环驱动方程是方程22。

$N_D=\left[\begin{array}{c}{N}_b\\ N_t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t\end{array}\right]---\left(22\right)$

将该控制环驱动方程与系统方程(3)组合，产生最终动态系统方程(23)。

$M\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{b}_{b1}+\mathrm{\&alpha;}& 0\\ 0& b_{t2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t\end{array}\right]+K\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_b\\ {\mathrm{\&eta;}}_t\end{array}\right]=0---\left(23\right)$

在当前科里奥利流量计的标准控制环中，自动增益控制(AGC)起作用，用于通过控制衰减项(b_b1+α)调整处于弯曲模式固有频率的振动幅度。如果该衰减项(b_b1+α)小于零，那么能量被从该系统中消除，并且降低运动幅度。当该衰减项大于零时，能量被增加到该系统，并且增加处于弯曲模式固有频率的振动幅度。当衰减项等于零时，振动幅度不变。

在本发明的一个具体实施例中，控制环将对所有的速度项使用反馈，构成新的反馈方程(24)。

$N_D=\left[\begin{array}{c}{N}_b\\ N_t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_1& {\mathrm{\&beta;}}_1\\ {\mathrm{\&beta;}}_2& {\mathrm{\&alpha;}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t\end{array}\right]---\left(24\right)$

方程(24)中的衰减项将由三个不同类型的衰减组成：比例衰减α，非比例衰减b和由科里奥利力引起的衰减C。这些分量是相关的，如方程(25)中所示。

$\left[\begin{array}{c}{D}_b\\ D_t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_1& b+C\\ b-C& {\mathrm{\&alpha;}}_2\end{array}\right]---\left(25\right)$

使用反馈方程(24)和衰减矩阵(25)，描述该系统特性的微分方程可以被重新写为(26)。

$M\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b\\ {\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{b}_{b1}+{\mathrm{\&alpha;}}_b& b+C+{\mathrm{\&beta;}}_b\\ b-C+{\mathrm{\&beta;}}_t& b_{t2}+{\mathrm{\&alpha;}}_t\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_b\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}}_t\end{array}\right]+K\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_b\\ {\mathrm{\&eta;}}_t\end{array}\right]=0---\left(26\right)$

在方程26中有可以被用来调整驱动模式的振动幅度的两个参数(α_b，α_t)和可以被调整用于确定由于科里奥利力引起的衰减的两个参数(β_b和β_t)。使用衰减项(b_b1+α)，驱动环可以控制处于弯曲模式固有频率f_b的管道振动幅度。使用项(b_t2+α_t)，驱动环可以同时控制处于扭曲模式固有频率f_t的管道振动。一旦管道以弯曲和扭曲模式共振，就要对弯曲模式和扭曲模式进行dt测量。弯曲模式的dt测量是在弯曲模式频率测量的S1和S2之间的相位差。扭曲模式的dt是在扭曲模式频率测量的S1和S2之间的相位差。当确定弯曲和扭曲模式的dt值时，模态滤波可以被用来帮助隔离扭曲和弯曲模式响应。

方程21使dt与振形(Φ_t和Φ_b)、科里奥利耦合C和扭曲模式的残余挠性K_t相关。考虑反馈参数β_b的影响，对于弯曲模式的dt，方程21可以被重写为(27)。

${\mathrm{dt}}_b=\frac{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{tpo}}(b+C+{\mathrm{\&beta;}}_b)}{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bpo}}{K}_t}---\left(27\right)$

将残余挠性项K_t移动到方程的另一侧，并且调整β_b直到dt等于零，这就产生一个方程(28)，该方程将施加到弯曲模式的力与非比例衰减和科里奥利耦合C相关。

0＝(b+C+β_b)                            (28)

β_b＝-(b+C)

以弯曲模式频率测量的值为零的dt弯曲对应于一个振动，其中在弯曲模式频率不存在管道扭曲(即，由S1和S2测量的速度在弯曲模式频率处同相)。β_b是施加的力，其对于导致处于弯曲模式频率的扭曲模式的振动消除是必需的，并且与非比例衰减加上科里奥利耦合成比例。

考虑反馈参数β_t的影响，对于扭曲模式的dt，方程21可以被重写为(29)。

${\mathrm{dt}}_1=\frac{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{tpo}}(b-C+{\mathrm{\&beta;}}_t)}{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bpo}}{K}_b{M}_b{\mathrm{\&omega;}}^2}---\left(29\right)$

将残余挠性项K_bM_bω²移动到方程的另一侧，并且调整β_t直到dt_t等于零，这就产生一个方程(30)，其使施加到扭曲模式的力与非比例衰减和科里奥利耦合C相关。

β_t＝-(b-C)                            (30)

在扭曲模式频率测量的值为零的dt扭曲对应于一个振动，其中在扭曲模式频率上不存在管道扭曲(即，由S1和S2测量的速度是在扭曲模式频率处异相180度)。β_t是施加的力，其对于导致在扭曲模式频率的弯曲模式的振动消除是必需的，并且与非比例衰减减去科里奥利耦合成比例。

组合方程28和30形成方程31。

β_b-β_t＝b+C-(b-C)＝2C                 (31)

如可以看到的，非比例衰减项抵消，留下由系统中科里奥利力引起的与测量的力(β_b-β_t)成比例的衰减。因此通过测量这两个力β_b和β_t可以确定独立于非比例衰减的物质流量。使用这项技术，残余挠性中的变化不会影响测量的流量。

通过将dt_t和dt_b强制为零，这两种振动模式之间的耦合已被降低到零。零耦合被定义为在弯曲模式频率上没有扭曲和在扭曲模式频率上没有弯曲。可以使用控制系统将这两种振动模式之间的耦合调整到零。该控制系统可以使用模态滤波器，来确定管道实正交模式运动的估计。该控制系统还可以使用力占用向量(force appropriation vectors)来驱动弯曲和扭曲模式的振动。图6是本发明具体实施例中控制系统的方框图。在方框604中测量管道的运动。在方框606中将模态滤波器施加给测量的信号，以创建针对弯曲

和扭曲

模式的模态坐标估计。在方框612中模态坐标估计被用来确定dt_t和dt_b。已确定的dt和所希望的dt之间的差(即，零)被方框610中的反馈调整算法使用，从而调整方框608的反馈增益矩阵。模态坐标估计还可以被方框608中的反馈增益矩阵使用，从而产生力占用向量N_b和N_t。方框602中的驱动器使用力占用向量来驱动管道的运动。在方框610中使用的反馈调整算法可以是被设计来最小化目标函数的任何自适应算法，例如多变量牛顿算法。

上面描述的本发明具体实施例可以被用来确定独立于非比例衰减的流经管道的物质流量。在本发明的另一个具体实施例中，通过只迫使dt值之一例如dt_b到零，确定流经管道的物质流量。使用这个方法，通过从确定的流量中减去零偏移量，可以校正非比例衰减的影响。例如，将以主弯曲模式的固有频率激励管道的主弯曲模式。流动物质将在管道中引起扭曲模式。控制系统将强制使dt_b在主弯曲模式的固有频率处为零。在弯曲模式固有频率处管道的最终运动是纯弯曲运动。流经管道的物质流量将由使dt_b为零所需的力的大小确定。通过减去零偏移量将校正确定的流量。被激励的模式可以是管道的主弯曲模式或管道的主扭曲模式，或者类似的模式。在本发明的所有实施例中可以补偿导致其它测量误差的影响，例如电磁串扰或电测量相位延迟。

在上面的描述中，本发明使用单一管道流量计描述。正如在本领域中所清楚理解的，本发明可以被用在其它配置的流量计中，例如，双管道流量计。本发明还可以使用直管道描述，但流量计几何结构的其它配置是可能的，例如弯曲管道。

Claims (19)

1、一种用于使用科里奥利效应，通过使物质流经管道(702)，以至少两种振动模式的固有频率激励该管道的振动(704)，并测量该管道的运动(706)来测量流经管道的物质流量的方法，其特征在于：

通过把一个以上力施加于该管道，而把所述至少两种振动模式之间的耦合降低到零，所述一个以上力是按照控制功能而产生的(708)；以及

根据所述一个以上力的大小确定确定流经管道的物质的流量(710)。

2、根据权利要求1所述的方法，其中振动模式之一是管道的主弯曲模式。

3、根据权利要求1所述的方法，其中振动模式之一是管道的主扭曲模式。

4、根据权利要求1所述的方法，其中控制功能是反馈环。

5、根据权利要求4所述的方法，其中该反馈环激活实正交模式驱动系统。

6、根据权利要求4所述的方法，其中反馈环的输入是使用模态滤波器导出的该管道至少两种振动模式之一的模态坐标估计。

7、根据权利要求1所述的方法，还包含：

以第一频率激励管道的第一振动模式，其中该第一振动模式是该至少两种振动模式之一；

以第二频率激励管道的第二振动模式，其中该第二振动模式是该至少两种振动模式之一；

对管道施加第一力，以使得处于第一频率的第二模式振动被降低到最小；

对管道施加第二力，以使得处于第二频率的第一模式振动被降低到最小；

基于第一力和第二力的大小确定流经管道的物质流量。

8、根据权利要求7所述的方法，其中第一振动模式是管道的主弯曲模式。

9、根据权利要求7所述的方法，其中第一力和第二力同时被施加。

10、根据权利要求1所述的方法，包含：

以第一频率激励管道的第一振动模式，其中该第一振动模式是该至少两种振动模式之一；

以第二频率激励管道的第二振动模式，其中该第二振动模式是该至少两种振动模式之一；

在第一点和第二点处测量振动管道的相对运动；

确定以第一频率测量的第一点和第二点之间的第一dt；

确定以第二频率测量的第一点和第二点之间的第二dt；

对管道施加第一力，以使得该第一dt被降低到零；

对管道施加第二力，以使得该第二dt被降低到零；

基于第一力和第二力的大小确定流经管道的物质流量。

11、根据权利要求10所述的方法，其中该第一点和第二点是在间隔一段距离的配置中，并且围绕管道的轴向中心对称间隔。

12、一种科里奥利流量计，包含，

管道(502)，其被配置来包含流经该管道的物质，至少两个驱动器(D1，D2)，其被配置来激励该管道的多个振动模式，感测装置，其被配置来测量振动管道的相对运动，控制系统，其被配置来使用该至少两个驱动器激励管道的至少两种振动模式，其特征在于：

该控制系统被配置来确定该管道至少两种振动模式之间的耦合；

该控制系统被配置来向管道施加使该至少两种振动模式之间的耦合降低到零的力；

该控制系统被配置来使用力的测量确定流经管道的物质流量。

13、根据权利要求12所述的科里奥利流量计，其中振动模式之一是管道的主弯曲模式。

14、根据权利要求12所述的科里奥利流量计，其中振动模式之一是管道的主扭曲模式。

15、根据权利要求12所述的科里奥利流量计，其中该控制系统包含反馈环。

16、根据权利要求15所述的科里奥利流量计，还包含：

由该反馈环激活的实正交模式驱动系统。

17、根据权利要求16所述的科里奥利流量计，其中该反馈环的输入是使用模态滤波器导出的该管道至少两种振动模式之一的模态坐标估计。

18、根据权利要求12所述的科里奥利流量计，还包含：

该感测装置被配置来测量在第一点和第二点处振动管道的相对运动；

该控制系统被配置来使用该至少两个驱动器以第一频率激励管道的第一振动模式，其中该第一振动模式是该至少两种振动模式之一；

该控制系统被配置来使用该至少两个驱动器以第二频率激励管道的第二振动模式，其中该第二振动模式是该至少两种振动模式之一；

该控制系统被配置来确定以第一频率测量的第一点和第二点之间的第一dt；

该控制系统被配置来确定以第二频率测量的第一点和第二点之间的第二dt；

该控制系统被配置来对管道施加第一力，以使得该第一dt被降低到零；

该控制系统被配置来对管道施加第二力，以使得该第二dt被降低到零；

该控制系统被配置来基于第一力和第二力的大小确定流经管道的物质流量。

19、根据权利要求18所述的科里奥利流量计，其中第一点和第二点是在间隔一段距离的配置中，并且围绕管道的中心对称间隔。

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