CN100430696C - 用于科里奥利流量计的诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明实施例提供一种验证流量计流校准系数的方法。该验证流量计流校准系数的方法包括确定流量计组件的初始弯曲刚度。该验证流量计流校准系数的方法包括确定组件的当前弯曲刚度。该验证流量计流校准系数的方法包括将初始弯曲刚度与当前弯曲刚度相比较。该验证流量计流校准系数的方法还包括响应于初始弯曲刚度与当前弯曲刚度的比较检测校准误差条件。

Description

用于科里奥利流量计的诊断装置及方法

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于科里奥利(Coriolis)流量计的诊断装置及方法。

2.问题阐述

已知使用科里奥利质量流量计测量通过管线流动的原料的质量流量和其它信息，在授予J.E.Smith等人的1985年1月1日的美国专利No.4491025和J.E.Smith等人的1982年2月11日的Re.31450中所公开的。这些流量计具有一个或多个不同结构的流管。每个管道结构可看作具有一系列自然振动模式，包括，例如简单弯曲的、扭曲的、放射状的和结合的模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，当原料流过导管时，导管结构以一种或多种振动模式被激励，并在沿导管间隔的点处测量导管的运动。

填入原料系统的振动模式部分是由流管和流管内的原料相结合的质量而限定。原料在流量计入口侧处从连接的管线流入流量计。而后原料直接通过一个流量管或多个流量管，并从流量计流出至连接出口侧的管线。

驱动器对流管施加力。该力导致流管振荡。当没有原料流入流量计时，所有沿流管的点以相同的相位振荡。在原料开始在流管中流通时，科里奥利力导致沿流管的每个点具有相对于沿流管的其它点的不同的相位。流管入口侧处的相位滞后于驱动器，而出口侧的相位先于驱动器。传感器设置在流管上的不同点处，以产生代表不同点处流管运动的正弦信号。从传感器接收到的信号的相位差在时间单元中计算。

传感器信号间的相位差与通过一个流管或多个流管流动的原料的质量流量速率成比例。原料的质量流量速率通过用相位差乘以一个流校准系数来确定。在流量计安装到管线之前，流校准系数通过校准过程来确定。在校准过程中，已知流体以给定流速流过流管，并且相位差和流速之间的比例被计算出来。

科里奥利流量计的一个优势在于在振动的流管中没有移动部件。流速通过流管上两点间相位差乘以流校准系数来确定。相位差由表示流管上两点振荡的、从传感器接收的正弦信号计算得到。该流校准系数与原料和流管的横截面特性成比例。因此，相位差和流校准系数的测量不受流量计中移动部件磨损的影响。

然而，问题是原料特性、横截面特性以及流管刚度在科里奥利流量计使用过程中会改变。原料特性、横截面特性以及流管刚度的改变由腐蚀、侵蚀、流管中流通的原料形成的流管涂层、改变管线安装和温度所导致。流管横截面特性改变的一个例子就是由流管腐蚀导致的惯性力矩的改变。原料和流管横截面特性的改变的第二个例子为由通过管流动的原料形成的流管涂层导致流管质量增加、横截面积减小。原料特性、横截面特性和流管刚度的变化能改变流量计的流校准系数。如果流量计的流校准系数改变，利用原始流校准系数计算出来的流速就会不精确。因此，本技术领域中需要一种系统，它检测原料特性、横截面特性和/或流管刚度的可能的变化，表明由科里奥利流量计测得的质量流速可能会不精确。

解决方案概述

通过提供一种系统来解决上述和其它问题，并获得技术上的提高，该系统用于通过确定弯曲刚度和其它参数来验证(validate)科里奥利流量计的流校准系数。该描述的验证系统可用于求解单自由度模型，或者求解多自由度模型。

能求解单自由度模型的验证系统的一些例子包括利用辅助位移传感器测量管刚度。辅助位移传感器设在流量计的流管上。已知的力施加到流管上，并且由辅助位移传感器测量产生的偏转。产生的管刚度可用于预测传感器校准系数的改变。

能求解单自由度模型的验证系统的一些例子包括估计来自于驱动循环频率响应的管刚度。该驱动循环响应函数包含刚度项，其会与流管的弯曲刚度相关联。产生的弯曲刚度可用于预测传感器校准系数的改变。

能求解多自由度模型的验证系统的一些例子包括从模型参数估计管刚度。代表流量计的响应模型被转换成模态的模型。该模态的模型随后被转换为物理模型。该物理模型包含感兴趣的参数，包括管刚度和阻尼，它们用于确定校准系数的改变。

在一些例子中，获取的数据必须规格化。需要规格化来消除随时间变化的系统特性变化。修正由管温度变化引起的共振频率是需要规格化的一个例子。

验证系统的一些例子包括利用线性或非线性方程、趋向或多种流体校准来修正流校准系数的方法和装置。

附图说明

图1表示本发明实施例中的科里奥利流量计；

图2表示本发明实施例中的验证系统；

图3表示本发明实施例中的验证系统；

图4表示本发明实施例中的验证系统；

图5表示本发明实施例中的验证系统；

图6表示本发明实施例中的验证系统；

图7表示本发明实施例中的验证系统。

发明详述

图1-7和以下的说明书描述了特定实施例，以教导本领域技术人员如何制造并应用本发明的最佳模式。出于教导发明原理的目的，简化或省略了一些常规方面。本领域的技术人员会理解这些实施例的变体落入本发明的范围之内。本领域的技术人员会理解以下描述的特征可以以不同方式结合，从而构成本发明的多个变体。因此，本发明不限于以下描述的特定实施例，而仅由权利要求和其等价物所限定。

实施例1

影响弯曲刚度的系数也影响科里奥利流量计的灵敏度(流校准系数)。弯曲刚度为用已知的力模式挠曲流量管并测量流管位移而推导出的静态弹性系数(spring rate)。可采用任何力模式测量弯曲刚度，只要它是不变的量。作为例子，夹紧梁的弯曲刚度如下：

$K_{\mathrm{Flex}}=\frac{F}{\mathrm{\δ}}=\frac{192\mathrm{EI}}{L^3}---\left(1\right)$

其中：

F-力(N)；

E-杨氏模量(N/m²)；

I-惯性力矩(m⁴)；

L-长度(m)；

K_Flex-流管的弯曲刚度。

对于科里奥利流量计，如果弯曲刚度改变，校准系数也应当改变。科里奥利流量计的弯曲刚度定义为：

K_Flex＝C_PC_GC_S[EI]      (2)

其中：

C_P-力模式对弯曲刚度的影响；

C_G-未挠曲管弯曲几何参量对弯曲刚度的影响；

C_S-未挠曲管应力对弯曲刚度的影响；

对于没有施加预应力的直管科里奥利流量计，以下的表达式表示校准系数取决于EI：

$m=C\left[\frac{\mathrm{EI}}{L^3}\right]\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)$

因此对于直管的流校准系数(FCF)就是：

$\mathrm{FCF}=C\left[\frac{\mathrm{EI}}{L^3}\right]---\left(4\right)$

其中C为由模式形状和采集(pick-off)位置所确定的常数。

图1表示科里奥利流量计5，它通过将已知力施加到流管并测量产生的偏斜能直接估算弯曲刚度。科里奥利流量计5包括流量计组合体(assembly)10和流量计电子器件20。流量计电子器件20通过引线100连接到流量计组合体10，以在路径26上提供密度、质量流速、体积流速、总的质量流量和其它信息。

流量计组合体10包括一对法兰101和101’、歧管102和流管103A和103B。连接到流管103A和103B的是驱动器104、采集传感器105和105’以及辅助位置传感器107。撑杆106和106’用于限定每个流管103A和103B围绕振动的轴W和W’。

当流量计组合体10插入到携带被测原料的管线系统中(未示出)时，原料通过法兰101进入流量计组合体10，通过歧管102传递，在此原料直接导入流管103A和103B，原料流过103A和103B并流回到歧管102，在此原料通过法兰101’流出流量计组合体10。

选择流管103A和103B并适当的安装到歧管102，使得流管在W-W和W’-W’的弯曲轴上基本上分别具有相同的质量分布、惯性力矩、以及弹性模量。流管以实质上平行的方式从歧管向外延伸。

流管103A-B在所称的流量计的第一异相弯曲模式下，围绕它们各自的弯曲轴W和W’由驱动器104以相反的方向驱动。驱动器104可包括多种已知结构的一种，例如安装到流管103A上的磁体和安装到流管103B上的相对的线圈。交流电通过相对的线圈从而引起两管振荡。由流量计电子器件20施加合适的驱动信号，通过引线110施加到驱动器104。由驱动器104产生的力模式在传感器的寿命内是固定的(即，C_P为常数)。驱动器104产生一个恒定的力，并且辅助位置传感器107确定管位移。如图1所示，辅助传感器可靠近采集传感器105或105’定位，然而也可采用其它合适的位置。

流量计电子器件20分别接收出现在引线111和111’上的右和左速度信号、以及引线112上的管位移信号。在引线110上流量计电子器件20产生驱动信号，该驱动信号导致驱动器104振荡管103A和103B。如这里所述，本发明可从多种驱动器中产生多种驱动信号。流量计电子器件20处理左和右速度信号以及管位移信号，以计算质量流速并提供本发明的验证系统。路径26提供输入和输出装置，它使流量计电子器件20与用户对接。

图2所示为采用计算出的弯曲刚度的改变来验证科里奥利流量计5的流校准系数的过程200。过程200以步骤210开始，利用驱动器104向流管103A&B施加已知力。在步骤220中，辅助位置传感器107确定由驱动器104施加力所引起的管位移。弯曲刚度K_new在步骤230中采用来自步骤210和220的力和位移测得。先前的弯曲刚度K_old在步骤240中检索。先前的弯曲刚度或者由厂家确定，或者是在流量计安装后确定。步骤250将K_new与K_old相比较，以确定流量计的弯曲刚度是否已经改变。如果经检测无改变，步骤260发出“无误差”状态信号，并重复该过程。如果经检测有改变，步骤270基于刚度改变修正流校准系数(FCF)。

实施例2

通过估算管频率响应函数(FRF)在预定频率处的点也可确定流管弯曲刚度。而后采用这些点将单自由度模式拟合给数据，并最终确定FRF上的DC(例如零交叉点)点。

可以将任何交叉(未搭配)移动频率响应函数的通式写作为SDOF响应的一个线性组合：

$\frac{v}{f}=H\left(s\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\frac{s}{m_i{s}^2+c_{i}s+k_i}---\left(5\right)$

或者等价模型化为：

$\frac{v}{f}=H\left(s\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\frac{A_{i}s}{s^2+2{\mathrm{\ζ}}_i{\mathrm{\ω}}_{i}s+{{\mathrm{\ω}}_i}^2}---\left(6\right)$

其中v为采集速率、f为驱动力、H(s)为感兴趣的FRF。驱动循环频率响应可以这种方式很好的近似估计。实际上，在接近驱动频率的频率上，对于频率响应的精确近似估计只需总和中的一项。如果在参数估算中需要更精确，那么模型中要保留一种以上的模式。

作为包括多种模式的替换方案，可通过选择驱动器和采集线圈的位置、从驱动循环频率响应中屏蔽(mask)更高频的模式。因为驱动器位于第二模式的节点上，所以可从驱动循环频率响应中屏蔽第二弯曲模式(扭曲模式)。如果采集传感器都定位在第三模式的节点上，也可从驱动循环频率响应中屏蔽第三模式。利用这种驱动器/采集模式，驱动循环频率响应非常贴近SDOF系统。

将驱动循环模型化为SDOF系统产生以下表达式：

$\frac{v}{f}=H\left(s\right)=\frac{s}{m_1{s}^2+c_{1}s+k_1}---\left(7\right)$

或等价模型化为：

$\frac{v}{f}=H\left(s\right)=\frac{A_{1}s}{s^2+2{\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{{\mathrm{\ω}}_1}^2}---\left(8\right)$

通过积分(乘以1/s)可将驱动循环频率响应从移动(速度)转换至接受率(receptance)(位移)：

$\frac{x}{f}=\frac{H\left(s\right)}{s}=\frac{1}{m_1{s}^2+c_{1}s+k_1}---\left(9\right)$

又等价模型化为：

$\frac{x}{F}=\frac{H\left(s\right)}{s}=\frac{A_1}{s^2+2{\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{{\mathrm{\ω}}_1}^2}---\left(10\right)$

刚度项k₁与弯曲刚度非常相关，并因此成为由弯曲刚度变化所导致的流校准系数改变的精确预测器。

为了估算刚度参数k₁，可采用单或多频率估算。图3所示为利用单频率估算验证流校准系数的过程300。在步骤310中通过确定接受率传递函数(9)开始单频率估算300。在步骤320中，确定接受率传递函数在iω处的反转，以获得反转的接受率频率响应：

$\frac{\mathrm{i\ω}}{H\left(\mathrm{i\ω}\right)}=\frac{m_1{\left(\mathrm{i\ω}\right)}^2+c_1\left(\mathrm{i\ω}\right)+k_1}{1}=m_1{\left(\mathrm{i\ω}\right)}^2+c_1\mathrm{i\ω}+k_1---\left(11\right)$

接下来在步骤330中，我们让ω→0：

$\underset{\mathrm{\ω}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{i\ω}}{H\left(\mathrm{i\ω}\right)}=\underset{\mathrm{\ω}\→0}{\lim }{m}_1{\left(\mathrm{i\ω}\right)}^2+\underset{\mathrm{\ω}\→0}{\lim }{c}_1\mathrm{i\ω}+\underset{\mathrm{\ω}\→0}{\lim }{k}_1---\left(12\right)$

$\underset{\mathrm{\ω}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{i\ω}}{H\left(\mathrm{i\ω}\right)}=\underset{\mathrm{\ω}\→0}{\lim }{k}_1=k_1---\left(13\right)$

因此，对于ω→0：

$k_1\≈\frac{\mathrm{i\ω}}{H\left(\mathrm{i\ω}\right)}---\left(14\right)$

如果m₁是已知的或者是可忽略的，那么可采用更接近ω₁的较大频率以从下式估算k₁：

$k_1\≈\frac{\mathrm{i\ω}}{H\left(\mathrm{i\ω}\right)}-c_1\mathrm{i\ω}---\left(15\right)$

如果c₁和m₁都是已知的，那么可采用任何频率从下式估算k₁：

$k_1\≈\frac{\mathrm{i\ω}}{H\left(\mathrm{i\ω}\right)}{m}_1{\left(\mathrm{i\ω}\right)}^2-c_1\mathrm{i\ω}---\left(16\right)$

在步骤340中我们从带有ω弧度/每秒的表达式(14)、(15)或(16)中计算出k₁，并在步骤350中基于算得的k₁修正流校准系数。

图4所示为采用多频率估算验证流校准系数的过程400。在步骤410中，通过采用任何时域或频域系统识别方法来识别常量m₁、c₁、k₁、ξ₁、ω₁和A₁开始多频率估算400。在步骤420中，曲线拟合程序用于在一系列频率处、在矢量W(弧度/每秒)下将推理连续时间传递函数模型拟合成复杂频率响应矢量H。FRF数据点的数目和位置(以频率)不会影响拟合的质量。采用象两个频率响应数据点这样少的点就能获得好的拟合。推导出的模型为这种形式：

$H\left(s\right)=\frac{b\left(1\right)s^{N_b}+b\left(2\right)s^{(N_b-1)}+...+b(N_b+1)}{s^{N_b}+a\left(2\right)s^{(N_a-1)}+...+a(N_a+1)}---\left(17\right)$

以上的模型与驱动循环频率响应的移动(速度)形式相矛盾，因为没有办法强迫b(N_b+1)＝0。在步骤430中，通过将驱动器采集移动(速度)频率响应数据转换为接受率(位移)形式我们将避免这些限制。测得的移动频率响应数据H应当乘以1/(iω)。测得的移动驱动循环频率响应H应当从驱动线圈电流(与力成比例)至采集电压(与速度成比例)。

将移动数据转换为接受率数据产生如下形式的H(s)：

$H\left(s\right)=\frac{b\left(1\right)}{a\left(1\right)s^2+a\left(2\right)s+a\left(3\right)}---\left(18\right)$

其中a(1)＝1。在步骤440中，感兴趣的模态参数从传递函数模型中提取，如下：

A₁＝b(1)

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{a\left(3\right)}---\left(19\right)$

ξ₁＝a(2)/2/ω₁

在步骤450中，能够采用以下方程计算物理参数：

m₁＝1/A₁，

c₁＝2ξ₁ω₁/A₁           (20)

k₁＝ω₁ ²/A₁

一旦确定物理参数，流校准系数的改变以及其它参数的改变，包括质量改变和流管长度的改变，都在步骤460中确定并修正。除修正以外，可以基于预定准则发出警告以及关闭流量计。

采用多正弦激励确定频率响应函数

实时精确估算FRF上的点会很难。开窗术(windowing)和谱线估算通常具有估算偏差，其对预测FCF变化的能力具有直接影响。为了更有效确定FRF上的估算点，并消除开窗术的需要，采用多正弦输入。

多正弦输入方法利用最小峰顶因数多正弦输入激励信号实施有效的谱线估算程序。最小峰顶因数信号用于使峰值驱动功率最小化，并限制大的输出信号。大的输出信号通常具有非线性成分，它会导致测量误差。

图5所示为采用多频率估算、计算在验证流校准系数中使用的谱线的过程500。该过程500以步骤510开始，确定感兴趣的测量频率。感兴趣的频率从下式中确定：

f_j+1＝f_j+Δf(j＝1：N_sin)           (21)

接下来，多正弦激励信号在步骤520中定义为：

$x=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N\sin -1}{\mathrm{\Σ}}}\sin (2\mathrm{\π}{f}_j{t}_i+{\mathrm{\φ}}_j)---\left(22\right)$

其中，

f_j＝多正弦的频率

φ_j＝多正弦的相位角，其中-π＜Φi＜π

t_i＝离散时间点

N＝多正弦上数据点的数目

N_sin＝多正弦上正弦波的数目

为了在使峰值最小化的同时使输入能量最大化，在步骤530中峰顶因数(CF)关于φ_j最小化。峰顶因数(CF)定义为最大值/均方根，

$\mathrm{CF}\left(x\right)=\frac{\max \left(x\left(i\right)\right)}{\sqrt{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x{\left(i\right)}^2/N}}---\left(23\right)$

为了有效利用多个正弦，就应当确定总测量时间(步骤540)以及平均总数(步骤550)。采用以下等式能计算总测量时间：

tp＝1/Δf     (24)

等式(24)产生等于多正弦的周期的测量时间，导致受参数变化的影响最小的测量。通常选择所需的平均总数，以减小因噪声引起的估算的标准偏移。信噪比和其对估算确信间隔的直接关系，通常确定了需要精度所必需的平均总数。

步骤560将多正弦x施加到系统的输入，并测量最后得到的输出y。步骤570应用这里描述的技术、采用x和y来确定传递函数、刚度和校准系数。

实施例3

通过应用多自由度模型也可检测和修正变化的流校准系数。在多自由度模型中，流校准系数的改变为模型参数(即质量、刚度、模型形状、复极点(complexpole)等)、流体特性(密度、压力等)以及环境条件(温度、振动等)的函数。

为了确定影响流校准系数的参数，首先应当确定响应模型。响应模型是有价值的，因为它们是真实结构的直接测量。来自于已知激励的结构响应通常为脉冲响应函数(IRF)或频率响应函数(FRF)的形式。响应模型确定后，响应模型转换为模态模型，而后再转换为空间模型。

例如，在模态模型中，流校准系数为模式形状和模态频率的函数，由以下方程证明：

Δ％MFCF＝f(ρ_fluid，K)＝C_fρ_fluid+C_kK

Δ％MFCF＝g(Φ，λ)＝C_ΦΦ+C_λλ        (25)

其中

Δ％MFCF-质量流量校准系数的变化百分比

ρ_fluid-流体密度

K-传感器刚度

Φ_r-模式形状

λ_r-传感器第r个模式的复极点

通过周期性测量模态参数、流体特性和其它环境参数，可检测和修正流校准系数的改变。

图6所示为采用多自由度模型验证科里奥利流量计的流校准系数的过程600。该过程600开始于步骤610，建立结构的响应模型。步骤620将来自于步骤610的响应模型转换为模态模型。在步骤630中，模态模型被转换为空间模型。在步骤640中，物理参数，例如弯曲刚度，可从空间模型中确定。

步骤650将当前物理参数数据与先前确定的物理参数数据相比较，以确定是否发生变化。如果没有发生变化，测量继续并以用户请求的预定间隔发生。如果发生改变，在步骤660中产生误差信号。产生误差信号以后，步骤670修正校准系数。修正或者可以自动进行，或者只在用户请求下进行。

采用不同方法，包括系数估算、多流体校准和趋向(trending)可实现流校准系数的修正。系数估计采用方程，象以上的具有C_f和C_k的估算值的方程25。例如，如果流量计的材料特性受温度影响，可利用有限元分析和标称的材料特性随温度的改变来估算C_f和C_k值。

多流体校准涉及在两种不同刚度采用至少两种流体来校准流量计。可以通过采用以下最小二乘法拟合来确定系数C_f和C_k：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{M}{{\mathrm{MFCF}}_1}\\ {\mathrm{MFCF}}_N\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cc}\underset{M}{{\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{fluid}}_1}}& \underset{M}{K_1}\\ {\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{fluid}}_N}& K_N\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{C}_f\\ C_K\end{array}\right\}---\left(26\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{C}_f\\ C_K\end{array}\right\}={\left[\begin{array}{cc}\underset{M}{{\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{fluid}}_1}}& \underset{M}{K_1}\\ {\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{fluid}}_N}& K_N\end{array}\right]}^{+}\left\{\begin{array}{c}\underset{M}{{\mathrm{MFCF}}_1}\\ {\mathrm{MFCF}}_N\end{array}\right\}$

可采用趋向技术修正流校准系数。初始的模型参数、流体特性和温度数据在发射器中收集并且将确定用于多项式的、n维“操作表面”f(ρ_fluid、K、T、σ、P，...)的系数。因为在流校准系数、流体特性、模型参数和温度之间通常存在线性关系，当更新的数据显示系数关于初始系数变化时，改变就会被识别。

作为一个例子，假设流体密度对流校准系数没有影响，或C_f为零。由于流管材料特性改变，测得的刚度会随温度改变。而且，由于温度影响变换器(transducer)的材料特性和灵敏度，测得的刚度会改变。因此，由温度引发的刚度改变率是未知的。然而，刚度和温度可在特定时间，即安装时间，测得。该数据可用于建立刚度和温度之间的关系。大多数的材料特性在大范围内随着温度而线性改变，如所示：

K(T)＝f(T)≈C_KC_trans1ΔT+C_trans2            (27)

其中

C_K＝由温度引起的刚度变化率，

C_trans1＝变换器灵敏度改变的变化率，以及

C_trans2＝变换器的偏移

安装时取得的或由厂家取得的初始数据在流管温度范围内允许你计算C_K、C_trans1和C_trans2。

在任何温度处测得的刚度会落入趋向线。当在合理的温度范围内进行足够的刚度测量，采用最小二乘法拟合能估算出关于温度的刚度变化斜度或速率。这是关于温度的共有的刚度改变。当测得刚度和温度、而数据点没有落入到曲线上时，传感器已发生改变，而且MFCF也已经改变了。

刚度估算随温度改变的事实表明流管材料和变换器材料特性存在微小误差。在温度修正系数中可进行修正，以使测得的刚度对温度的斜率等于零。通过优化过程可进行修正以使误差最小化。继这个修正之后，刚度改变会表明MFCF的改变。

多自由度模型的概念可应用到其它参数，包括由流体密度、压力、外部振动等引起的流校准系数的改变。

规格化

当结构不随时间改变时，所描述的多自由度模型的求解是理想的。然而，在一些应用中结构会随时间而改变。在流量传感器的情况下，由传感器传送的处理流体的密度可以随时间改变、导致传感器质量的变化。而且周围温度和处理流体温度可随时间变化，改变传感器的材料特性。为了在变化条件下搜集有意义的数据，必须实施规格化处理。

对于流量传感器的情形，存在三种主要类型的规格化。第一种是关于共振频率使数据规格化。不同的处理流体特性，例如流体密度、流量、以及压力导致共振频率移位。第二种是关于参考温度使数据规格化。第三种是关于位移或一些其它的响应变量使数据规格化。

例如，对于特定的材料密度，典型的科里奥利流量计在特定的共振下工作。在一种流体密度下，共振频率为152Hz。如果流体密度增加，共振频率下移到121Hz。共振频率相对于测试频率的位置导致模型参数估算中的显著误差。因此，为了产生有意义的结果，数据需要规格化。

图7所示为用于规格化数据，以便采用多自由度模型修正科里奥利流量计的流校准系数的过程700。过程700开始于步骤710，从结构中接收数据。一旦接收数据，就关于共振频率规格化该数据。这使得对于任何流体密度都能从测得的数据中计算出模型参数。追踪共振频率允许将测试频率设置为共振频率的标量。

接下来在步骤730中，我们关于参考温度使数据规格化。这修正了在两个不同温度下测得的数据导致的误差。例如，两种重要的材料特性随温度改变，导致测得数据间的矛盾。管材弹性模量改变约-4.2％/100℃。既然大多数科里奥利流量计采用声线圈变换器来测量流量并驱动，温度变化会改变磁场强度，并改变线圈中导线的长度。对于典型的AlNiCo磁体，驱动器和采集传感器的磁通密度变化约-2.1％/100℃。

科里奥利流量计的模量也会随温度改变。为了报告传感器中的流体温度，科里奥利流量计典型的应用温度传感器。利用这种温度测量，可将FRF测量修正回到某些参考温度。

在步骤740中，数据关于位移或一些其它的响应变量而被规格化。这通过从移动(速度/力)到接受率(位移/力)的积分来实施。以下就是用于规格化测得数据的方程的举例：

$H_{\mathrm{normalized}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{test}\_\mathrm{frep}},T_{\mathrm{ref}})=\frac{[1=C_8(T-T_{\mathrm{ref}})]H({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{test}\_\mathrm{freq}},T)}{[1+C_{\mathrm{drive}\_\mathrm{mag}}(T-T_{\mathrm{ref}})][1+C_{\mathrm{pickoff}\_\mathrm{mag}}(T-T_{\mathrm{ref}})]\left({\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{test}\_\mathrm{frep}}\right)}---\left(28\right)$

一旦数据已经规格化，步骤750采用这里描述的方法修正流校准系数。

Claims (33)

1、一种验证流量计组件的流校准系数的方法，包括步骤：

确定所述流量计组件的初始弯曲刚度；

确定所述流量计组件的当前弯曲刚度；

将所述的初始弯曲刚度与所述的当前弯曲刚度相比较；以及

响应于所述初始弯曲刚度与所述当前弯曲刚度的比较，检测校准误差条件。

2、权利要求1的方法，还包括步骤：

发信号通知所述校准误差条件。

3、权利要求1或2的方法，还包括步骤：

响应于所述校准误差条件被检测到，修正所述流校准系数。

4、权利要求1的方法，其中，通过求解单自由度模型来确定所述的初始和当前弯曲刚度。

5、权利要求4的方法，其中，采用包括以下步骤的方法求解所述单自由度模型：

向所述流量计组件施加已知力；

测量所述流量计组件生成的偏差；以及

响应于所述力和偏差确定所述的初始和当前弯曲刚度。

6、权利要求4的方法，其中，采用包括以下步骤的方法求解所述单自由度模型：

确定接受率传递函数；

计算反转的接受率频率响应；以及

响应于所述频率响应确定所述的初始和当前弯曲刚度。

7、权利要求4的方法，其中，采用包括以下步骤的方法求解所述单自由度模型：

识别常量；

将传递函数模型应用于复数频率响应；

将所述传递函数从移动形式转换至响应形式；

从所述传递函数中提取模态参数；以及

响应于所述模态参数计算初始和当前弯曲刚度。

8、权利要求6或7的方法，其中，采用多正弦激励方法确定所述传递函数，包括步骤：

确定感兴趣的测量频率；

定义多正弦激励信号；

执行峰顶因数最小化；

定义总测量时间；

定义总平均数；

将所述多正弦施加到到所述流量计组件的输入；

响应于所述施加的多正弦测量生成输出；以及

响应于所述施加的多正弦和所述生成输出确定所述传递函数。

9、权利要求1的方法，其中，通过求解多自由度模型确定所述的初始和当前弯曲刚度。

10、权利要求9的方法，其中，求解多自由度模型的所述方法包括步骤：

产生所述流量计结构的响应模型；

将所述响应模型转换为模态模型；

将所述模态模型转换为空间模型；以及

从所述空间模型确定所述的初始和当前弯曲刚度。

11、权利要求9的方法，其中，采用系数估算技术修正所述校准误差。

12、权利要求9的方法，其中，采用多流体校准技术修正所述校准误差。

13、权利要求9的方法，其中，采用趋向技术修正所述校准误差。

14、权利要求10的方法，其中，产生响应模型的所述步骤还包括规格化模型数据的步骤。

15、权利要求14的方法，其中，所述的规格化步骤包括步骤：

关于共振频率规格化所述模型数据；

关于参考温度规格化所述模型数据；以及

关于响应变量规格化所述模型数据。

16、权利要求15的方法，其中，所述响应变量为位移。

17、一种验证流量计组件的流校准系数的系统，包括：

用于确定所述流量计组件的初始弯曲刚度的装置；

用于确定所述流量计组件的当前弯曲刚度的装置；

用于将所述的初始弯曲刚度与所述的当前弯曲刚度相比较的装置；以及

用于响应于所述初始弯曲刚度与所述当前弯曲刚度的比较检测校准误差条件的装置。

18、权利要求17的系统，其中，所述系统还包括用于发信号通知所述校准误差条件的装置。

19、权利要求17或18的系统，其中，所述系统还包括用于修正所述流校准系数误差条件的装置。

20、权利要求17的系统，其中，所述用于确定所述的初始和当前弯曲刚度的装置包括用于求解单自由度模型的装置。

21、权利要求20的系统，其中，所述用于求解所述单自由度模型的装置包括：

用于向所述流量计组件施加已知力的装置；

用于测量所述流量计组件的生成的偏差的装置；以及

用于响应于所述力和偏差确定所述的初始和当前弯曲刚度的装置。

22、权利要求20的系统，其中，所述用于求解所述单自由度模型的装置包括：

用于确定接受率传递函数的装置；

用于计算反转的接受率频率响应的装置；以及

用于响应于所述频率响应确定所述的初始和当前弯曲刚度的装置。

23、权利要求20的系统，其中，所述用于求解所述单自由度模型的装置包括：

用于识别常量的装置；

用于向复数频率响应应用传递函数模型的装置；

用于将所述传递函数从移动形式转换为响应形式的装置；

用于从所述传递函数中提取模态参数的装置；以及

用于响应于所述模态参数计算初始和当前弯曲刚度的装置。

24、权利要求22或23的系统，其中，采用多正弦激励装置确定所述传递函数，所述多正弦激励装置包括：

用于确定感兴趣的测量频率的装置；

用于定义多正弦激励信号的装置；

用于执行峰顶因数最小化的装置；

用于定义总测量时间的装置；

用于定义总平均数的装置；

用于将所述多正弦施加到所述流量计组件的输入的装置；

用于响应于所述施加的多正弦测量生成输出的装置；以及

用于响应于所述施加的多正弦和所述生成的输出确定所述传递函数的装置。

25、权利要求17的系统，其中，所述用于确定所述的初始和当前弯曲刚度的装置包括求解多自由度模型的装置。

26、权利要求25的系统，其中，所述求解多自由度模型的装置包括：

用于产生所述流量计结构的响应模型的装置；

用于将所述响应模型转换为模态模型的装置；

用于将所述模态模型转换为空间模型的装置；以及

用于从所述空间模型中确定所述的初始和当前弯曲刚度的装置。

27、权利要求19的系统，其中，用于修正所述流校准误差的所述装置采用系数估算技术修正。

28、权利要求19的系统，其中，用于修正所述流校准误差的所述装置采用多流体校准技术修正。

29、权利要求19的系统，其中，用于修正所述流校准误差的所述装置采用趋向技术修正。

30、权利要求26的系统，其中，产生所述流量计结构的响应模型的装置还包括用于规格化模型数据的装置。

31、权利要求30的系统，其中，用于规格化模型数据的装置还包括：

关于共振频率规格化所述模型数据的装置；

关于参考温度规格化所述模型数据的装置；以及

关于响应变量规格化所述模型数据的装置。

32、权利要求31的系统，其中，所述响应变量为位移。

33、权利要求31的系统，其中，所述响应变量为加速度。

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