CN101027538A - 用于Coriolis流量仪的补偿方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于为Coriolis流量仪提供温度流速补偿的方法和设备(121)。所描述的补偿补偿流量振荡因素和当前技术中称给“零”的额定时间延迟。在一个Coriolis流量仪被安装到一个过程中之后，不管该流量仪是用于校准还是用于实际的过程使用，在安装之后它在整个生命周期中只需要被归零一次。相对于在压力或温度的微小改变或安装之后可能需要重新归零的当前技术Coriolis流量仪，这是显著的改善。

Description

用于Coriolis流量仪的补偿方法和设备

技术领域

本发明涉及用于Corioli流量仪的补偿方法和设备。

背景技术

已知使用Coriolis效果质量流量仪测量管线之中流过的材料的质量流量和其它信息，如在1985年1月1日授权给J.E.Smith等人的专利号为4,491,025的美国专利和1882年2月11日给J.E.Smith的Re.31,450中所公开的。填充在流管(flow tube)中的每种材料被驱动以这些自然模式之一的谐振而振荡。这种自然振荡模式部分由所述流管的组合质量和流管中的材料来定义。材料从在进口侧连接的管线流入流量仪。该材料随后经过一个或多个流管并且传送到在出口侧连接的管线。

驱动器施加使得流管振荡的力。当没有流量通过Coriolis流量仪时，沿着流管的所有点以相同的相位振荡。当材料开始流动，Coriolis加速度使沿着流管的每个点相对于沿着流管的其它点具有不同相位。在该流管入口侧的相位滞后于该驱动器；在出口侧的相位领先于该驱动器。在该流管上的拾取(pick-off)传感器产生表示该流管的运动的正弦曲线信号。在两个传感器信号之间的相位差正比于流经该一个或多个流管的材料的质量流速。

已知对具有不同流管结构的Coriolis流量仪的使用。这些流管结构有单流管、双流管、直流管、弯流管和不规则结构的流管。大部分Coriolis流量仪由金属构成，比如铝、钢、不锈钢和钛。玻璃流管也是已知的。在当前技术中，大部分直连续路径Coriolis流量仪由金属构成，特别是由钛构成。

已知随着操作因素改变，Coriolis流量仪的特性可能受到影响。这些因素可以是内部因素，比如，与Coriolis流量仪的发送器相关的电子部件的偏差，或者是外部因素，比如，输送管气压、浓度、粘度的波动，或是周围温度的变化和Coriolis流量仪的驱动频率的变化。大部分当前技术关注的是通过更新或修改电路配置或通过调整流量校准因素来补偿这些变化。这些方法的例子如Zolock所有的美国专利号5,231,884和Van Cleve等所有的美国专利申请号09/343,836中所述。

Coriolis流量仪可以在受控条件下运行，其中压力、浓度和粘度维持恒定，以便减小补偿这些参数的波动的复杂性。但是，这并非总是可行的，因为通常难以阻止工艺材料的温度或Coriolis流量仪所在的操作环境的温度的波动。当压力、浓度和粘度保持恒定的时候，可以通过使用附着在Coriolis流量仪的一个或多个部分的热传感器(通常称为RTD)来实现对该Coriolis流量仪的温度补偿。该RTD测量它所附着的流量仪部分的操作温度。RTD信息和驱动频率信息被施加到电子仪，该电子仪产生温度补偿的质量流速输出。流管拾取信号生成未补偿的质量流量信号，该信号被施加到所述电子仪，该电子仪改变未补偿的接收的质量流速信号以产生驱动频率补偿的质量流量输出信号。

使用RTD热传感器来进行温度补偿存在缺点。第一个缺点是该热传感器不能附着在该流管的振荡部分，因为该传感器的附加重量将会改变该流管的振荡特性并且降低输出信号的准确度。因而，该热传感器必须附着在该Coriolis流量仪的其它部分，或者是该Coriolis流量仪的输入或输出线上。因此，该热传感器不能用于直接测量该流管的振荡部分的工艺材料的温度。因为精确的温度补偿要求测量该流管的活动部分内的材料的温度，使用其它安装位置，比如流管的输入或输出线上的位置，得到的温度不同于期望的温度。这导致该电子仪产生的该温度补偿的流速输出信号不准确。

使用热传感器的第二个缺点是，因为它们不是安装在振荡的流管的活动部分，在该热传感器检测到热变化的时间和该流管材料温度改变的时间之间存在时间差。该时间差进一步导致该流量仪产生的补偿的质量流速输出信号中的不准确性。

发明内容

本发明通过提供一种避免使用热传感器来对Coriolis流量仪进行温度补偿的方法和设备，解决了上述和其它问题并且实现对当前技术的改进。本发明的方法和设备监控所述流管的驱动频率以提供温度补偿。该Coriolis流量仪在除了温度以外对于该流管频率有影响的所有参数都被保持恒定的环境中运行。这些因素包括稳定性或校准因素敏感性，它们都可以影响驱动频率。其它这样的参数包括材料浓度、粘度和压力。在这些受控环境下，振荡频率的改变一定由于温度的改变，这改变了早期系数(Young modulus)和振荡的流管稳定性。

依照本发明的优选实施例设计的Coriolis流量仪在补偿领域具有优点。本发明不仅能补偿流量校准，还可以调整当前技术中称为“零”的额定的时间延迟Δt₀。这意味着在一个Coriolis流量仪被安装到一个过程中之后，不管该流量仪是用于校准还是用于实际的过程使用，在安装之后只需要被调整归零一次。相对于在压力或温度的微小改变之后可能需要重新归零的Coriolis流量仪，这是显著的改善。

在仪器校准时在所述流管上的温度影响通过监视该材料流的频率和温度变化来表征，并且实际温度被改变。随后在所述电子仪中确定和存储用于补偿流量的校准常数。在运行期间，监视该材料流和该流管的振荡的频率。来自于所述仪器的得到的温度变化和频率信息被施加到该电子仪，该电子仪使用所存储的校准常数来计算温度补偿的质量流速

使用流管频率来产生温度补偿的质量流量，相对于使用热传感器是有利的，因为对频率中的变化加以检测以便一旦检测到频率变化就立刻产生补偿的质量流速信号中的改变。流管频率的瞬时变化被施加到所述电子仪，该电子仪产生相对于流管温度的变化具有增加的准确性的校正的补偿的质量流速信号。

本发明的一个方面包括用于为具有至少一个流管的Coriolis流量仪提供热补偿的方法；所述方法包括以下步骤：

生成表示所述流管的Coriolis偏差的第一信号；

生成表示所述流量仪的特性的第二信号，其中所述特性包括所述Coriolis流量仪的驱动频率F和导致的时间延迟Δt；

特征在于提供使用所述第一和第二信号的电子仪，该电子仪用于提供对所述Coriolis流量仪的所述输出信号的热补偿。

优选的，该方法所包括的提供热补偿的步骤包括以下步骤：

从主Coriolis流量仪接收校准的质量流速，和

使用所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来为所述Coriolis流量仪提供所述热补偿。

优选的，该方法包括的提供热补偿的所述步骤包括以下步骤：

使用所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来导出所述Coriolis流量仪的校准常数；和

使用所述校准常数来为所述Coriolis流量仪提供热补偿。

优选的，该方法还包括另一个步骤，即响应于所述生成所述第一和第二信号和为所述Coriolis流量仪提供所述热补偿，来确定所述Coriolis流量仪的热补偿的流速。

优选的，该方法还包括如下步骤：

接收表示所述Coriolis流量仪的校准常数的第三信号；和

使用所述第一和所述第二和所述第三信号和所述校准常数来确定所述Coriolis流量仪的热补偿的流速。

优选的，该方法还包括以下步骤：

根据所述第二信号确定驱动频率F；

导出用于零的线性频率校准常数α_F；和

使用所述驱动频率F和所述用于零的线性频率校准常数α_F来导出所述热补偿的流速。

优选的，该方法还包括补偿的质量流速，包括以下附加步骤：导出流量的系数

；

使用所述驱动频率F和所述用于零的线性频率常数α_F和所述流量的常数

来导出所述热补偿的流速。

优选的，该方法还包括以下步骤：

导出流量的线性频率(临时)常数

和

使用所述驱动频率F和所述用于零的线性频率常数α_F和所述流量的常数 和所述流量的线性频率(临时)常数

来导出所述热补偿的质量流速。

优选的，该方法还包括导出所述校准常数的步骤，该步骤包括：

从主Coriolis流量仪接收质量流速

使用所述接收的质量流速

和所述第二信号来导出所述Coriolis流量仪的所述校准常数。

优选的，该方法包括产生所述校准常数的步骤，该步骤包括：

接收所述第二信号，以便导出流导致的时间延迟Δt和所述Coriolis流量仪的所述驱动频率F；和

使用所述第一信号和所述流导致的时间延迟Δt和所述驱动频率F，来导出所述Coriolis流量仪的所述校准常数。

优选的，该方法包括的产生所述校准常数的步骤包括以下步骤：

导出额定时间延迟Δt₀的线性驱动频率常数α_F；

使用所述驱动频率F和所述额定时间延迟Δt₀的线性驱动频率常数α_F来导出所述校准常数。

优选的，该方法还包括如下校准常数：

Δt₀，α_F，

优选的，该方法还包括导出所述校准常数的步骤，其包括求解下式的步骤：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_0\\ {\mathrm{\α}}_F\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}\end{array}\right]=\mathrm{pinv}\left(\left[1(F-F_0)\stackrel{.}{m}\stackrel{.}{m}(F-F_0)\right]\right)\mathrm{\Δt}---1.10$

其中

Δt  流导致时间延迟

Δt₀ 额定时间延迟

质量流速

F    驱动频率

F₀   驱动频率-额定零流量

α_F  用于零的线性频率常数

与FCF相关的系数

线性频率(临时)常数

优选的，该方法还包括确定所述热补偿的质量流速的步骤，其包括求解下式的步骤：

$\stackrel{.}{m}=\frac{\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_0-(F-F_0){\mathrm{\α}}_F}{[{\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}+(F-F_0){\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}]}---1.5$

其中

Δt  流导致时间延迟

Δt₀ 额定时间延迟

质量流速

F    驱动频率

F₀   零驱动频率

α_F  用于零的线性频率常数

与FCF相关的常数

线性FCF频率(临时)常数

本发明的另一个方面包括用于为具有至少一个流管的Coriolis流量仪提供热补偿的设备；所述设备包括：

生成表示所述流管的Coriolis偏差的第一信号的装置；

生成表示所述流量仪的特性的第二信号的装置，其中所述特性包括所述Coriolis流量仪的驱动频率F和导致的时间延迟Δt；

特征在于提供使用所述第一和第二信号的电子仪，该电子仪用于提供对所述Coriolis流量仪的所述输出信号的热补偿。

优选的，所述提供热补偿的装置包括：

从主Coriolis流量仪接收校准的质量流速的装置，和

使用所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来为所述Coriolis流量仪提供所述热补偿的装置。

优选的，所述提供热补偿的装置还包括：

使用所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来导出所述Coriolis流量仪的校准常数的装置；和

使用所述校准常数和所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来为所述Coriolis流量仪提供热补偿的装置。

优选的，该设备还包括响应于所述生成所述第一和第二信号和为所述Coriolis流量仪提供所述热补偿，来确定所述Coriolis流量仪的热补偿的流速的装置。

优选的，该设备包括：

接收表示所述Coriolis流量仪的校准常数的第三信号的装置；和

使用所述第一和所述第二和所述第三信号和所述校准常数来确定所述Coriolis流量仪的热补偿的流速的装置。

优选的，该设备还包括：

根据所述第二信号确定驱动频率F的装置；

导出用于零的线性频率校准常数α_F的装置；和

导出流量的系数

的装置；

导出流量的线性频率(临时)常数

的装置；

使用所述驱动频率F和所述用于零的线性频率常数α_F和所述流量的常数

和所述流量的线性频率(临时)常数

来导出所述热补偿的质量流速的装置。

优选的，所述导出所述校准常数的装置包括：

从主Coriolis流量仪接收质量流速

的装置；

接收所述第二信号以便导出流导致的时间延迟Δt和所述Coriolis流量仪的所述驱动频率F的装置；和

导出额定时间延迟Δt₀的线性驱动频率常数α_F的装置；

使用所述驱动频率F和所述额定时间延迟Δt₀的线性驱动频率常数α_F和所述质量流速

来导出所述校准常数的装置。

优选的，所述校准常数是：

优选的，所述导出所述校准常数的装置包括求解下式的装置：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_0\\ {\mathrm{\α}}_F\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}\end{array}\right]=\mathrm{pinv}\left(\left[1(F-F_0)\stackrel{.}{m}\stackrel{.}{m}(F-F_0)\right]\right)\mathrm{\Δt}---1.10$

其中

Δt   流导致时间延迟

Δt₀  额定时间延迟

质量流速

F     驱动频率

F₀    驱动频率-额定零流量

α_F   用于零的线性频率常数

与FCF相关的系数

线性频率(临时)常数

优选的，所述导出所述热补偿的质量流速的装置求解下式：

$\stackrel{.}{m}=\frac{\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_0-(F-F_0){\mathrm{\α}}_F}{[{\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}+(F-F_0){\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}]}---1.5$

其中

Δt   流导致时间延迟

Δt₀  额定时间延迟

质量流速

F     驱动频率

F₀    零驱动频率

α_F   用于零的线性频率常数

与FCF相关的常数

线性FCF频率(临时)常数

附图说明

参考以下结合附图对本发明的详细说明，能够更好地理解本发明的这些和其它特征和优点，其中：

图1示出了实现了本发明的第一示例性Coriolis流量仪的透视图；

图2是图1的实施例的顶视图。

图3是图1的实施例的前视图。

图4是沿着图2的线4-4的截面图。

图5是示出驱动频率和流管温度之间的关系的曲线图。

图6是示出驱动频率和材料浓度之间的关系的曲线图。

图7-9是示出在校准期间的数据收集的视图。

图10-11是用于校准Coriolis流量仪和确定质量流速 的方法的流程图。

图12示出了校准常数的推导。

图13和14示出了使用频率变化来提供热补偿和使用RTD提供热补偿之间的可比精确性。

图15示出了图1的电子仪121的其它细节。

具体实施方式

术语

FCF当前技术流量校准因素

α   当前技术FCF温度系数

Δt  流导致时间延迟

Δt₀  零流量的额定时间延迟

质量流速

F     操作驱动频率

F₀    制造商选择的额定驱动频率(在一般热条件下)

ZERO(F)  描述没有额定时间延迟的效果频率，Δt₀等于Δt₀₊(F-F₀)α_F

α_F   用于零的线性频率常数

将Δt与质量流量相关联的比例系数。与当前技术中的FCF类似。

的线性频率(临时)系数。与当前技术中的α类似。

FMUT    被测试的流量仪。

图1的描述

图1是实现了本发明的Coriolis流量仪的第一可能示范实施例的透视图。该图示出了流量仪100，其具有通过基板101的引脚117、118插入的流管102。拾取器LP0和RP0和驱动器D耦合到流管102。流量仪100接收来自供应管104的工艺材料，并且通过工艺连接件108将流动延伸到流管102。流管102被驱动器D驱动，以与材料流共振的频率来振荡。得到的Coriolis偏差由拾取器LP0和RP0来检测，该拾取器通过导体112和114将信号提供给Coriolis电子流量仪121。

Coriolis电子流量仪121接收拾取器信号，确定两个拾取器信号之间的相位差，确定振荡的频率并且将关于该材料流的信息通过输出路径122提供给利用电路，该利用电路在图中未示出。电子仪121在图15中详细描绘。

该材料流从流管102流向管106，管106引导该材料流通过返回管103，然后该材料流通过工艺连接件107到达出口管105，出口管105将该材料流传送给用户应用。

工艺连接件107、108、109和110将管104、105和106连接到流管102和返回管的端部。该工艺连接件具有固定部分111，该部分包括螺纹124。锁孔130容纳固定螺丝411以便将部件111与基板101稳固连接，如图4所示。工艺连接件107的可移动部分通过110旋到阳螺纹124上，以便将它们各自的管连接到该工艺连接件的固定体上，六角螺母部分111是该固定体的一部分。这些工艺连接件以与已知的铜管扩张(copper tubing flared)工艺连接件类似的方式工作，将管104、105和106连接到流管102和返回管103的端部。关于该工艺连接件的细节在图4中进一步描述。

图2的描述

图2是图1的流量仪100的顶视图。拾取器LPO和RPO和驱动器D各自包括线圈C。这些元件每一个还包括附着在流管102的底部的磁体，如图3所示。这些元件每一个都包括基底，比如驱动器D的143，以及材料薄片，比如驱动器的133。该材料薄片可以包括印刷线路板，线圈C和其绕组端固定到该印刷线路板。拾取器IPO和RP0也具有相应的基底部件和固定到该基底部件顶部的薄片。该结构有助于安装驱动器或拾取器，通过以下步骤来完成，将磁体M粘贴到流管的下侧，将线圈C粘贴到印刷线路板133(对于驱动器D来说)，将线圈C的开口放置得围绕磁体M，向上移动线圈C以使得磁体M完全进入线圈C，然后将基底部件143置于印刷线路板133下方，并且将这些部件粘合在一起，使得基底143的底部通过粘合固定到大基板116的表面。

图2示出了工艺连接件107-110的阳螺纹124。这些元件每一个的内部细节在图4中示出。开口132容纳导体112、113和114。为了简化起见，图2中没有示出图1的Coriolis电子流量仪121。但是，应该理解导体112、113和114延伸通过开口132，并且进一步在图1的路径123上延伸，到达图1的Coriolis电子流量仪。

图3和图4的描述

图3示出了拾取器LPO和RPO和驱动器D，它们包括附着在流管102底部的磁体M，和附着在拾取器LP0和RP0和驱动器D每一个的基底的线圈C。

图4是沿着图2的线4-4的剖面。图4公开了图3的所有元件，还有工艺连接件108和109的细节，以及O-rings 430。O-rings 430将流管102耦合到基板401。图4还公开了基板101上的开口402、403和404。这些开口的每一个的顶部延伸到拾取器LP0和RPO和驱动器D的基底的下表面。线圈C和磁体M如图4所示彼此关联。图1的Coriolis电子流量仪121在图3和图4中没有示出，以便简化附图。工艺连接件108的元件405在流管102的入口；工艺连接件109的元件406在流管102的出口。

工艺连接件108的固定部分111包括阳螺纹409，该固定部分旋入基板401上的容纳孔420内的配合螺纹之中，以便将固定部分111附加到基板101的401部。右边的工艺连接件109的固定部分类似的通过螺纹409安装和附加到位于基板101的401部内的容纳孔420之中。

工艺连接件108的固定部分111还包括带螺纹的部分124，其螺纹容纳工艺连接件108的可移动部分415。工艺连接件109类似装配。工艺连接件108的固定部分111在其左端还包括圆锥形的短柱413，其与可移动部分415一起作为适合将输入管104的右端压在固定部分111的圆锥形的短柱(stub)413上的端部接头(flare fitting)。这产生了将供应管104的扩张开口(flared opening)紧密固定到该工艺连接件的固定部分111的圆锥形的短柱413的压缩接头。流管102的入口位于工艺连接件的固定部分111中，并且与短柱413的面425齐平。通过该装置，供应管104传送的工艺材料由流管102的入口405接收。该工艺材料通过流管102流向右侧，到达工艺连接件109的固定部分111，其中流管102的出口与短柱413的面425平齐。这将流管102的出口紧密固定到了连接器109。图1的其它工艺连接件107和110与图4中对工艺连接件108和109的细节所述的相同。

图5-12的一般讨论

本发明通过使用驱动频率作为流管温度改变的指示符来对Coriolis流量仪的质量流量输出实现温度补偿。Coriolis流量仪通过计算在该Coriolis流量仪的振荡流管的活动部分的入口和出口端之间的时间延迟(Δt)来直接测量质量流量。测量在零流量的偏移时间延迟(Δt₀)，并且从在有流量期间计算的时间延迟中减去该偏移时间延迟，以产生通过比例常数

与质量流量直接成比例的值，

在当前技术中称为校准因素(FCF)。

液体浓度也影响该流管的驱动频率。为了理解频率对于温度和浓度的敏感性，可以表征浓度影响并且将之与温度影响做比较。本发明的Coriolis流量仪可以用于其特定比重相当有限的稀浆。当使用频率来进行温度补偿的时候，必须估计和确定液体浓度变化的影响以确定质量流量。

流管材料响应温度的变化。为了准确计算质量流速，必须考虑这些变化。传统上，使用热传感器RTD来直接测量温度。它们设置在Coriolis管的非活动部分。这通常是在撑杆(brace bar)之外进行的。所公开的Coriolis流量仪具有单个直流管。对此不存在可以通过在该流管上设置热传感器在其上进行代表流管的温度测量而不影响输出准确率的非活动位置。

本发明通过监视驱动频率来检测流管温度的变化。依照本发明使用驱动频率来确定温度变化和对流输出进行补偿引起以下问题。当前技术使用安装在流管的次要或非活动部分上的RTD热传感器测量温度和推断该Coriolis流管的温度。

本发明的方法和设备提高了温度确定的准确度，也改善了检测温度变化的仪器响应时间。

当使用频率作为检测和补偿温度变化的方式，Δt上的泰勒级数展开(taylor series expansion)将Δt上的频率影响和质量流量隔离开。该展开用于视为流量方程，并且产生了最小平方伪逆问题。假定拾取延迟Δt是质量流量和驱动频率的函数。

$\mathrm{\Δt}=f(\stackrel{.}{m},F)---1.1$

其可以利用泰勒级数关于一个操作点展开：

$\mathrm{\Δt}=f({\stackrel{.}{m}}_0,F_0)+(\stackrel{.}{m}-{\stackrel{.}{m}}_0)\frac{\∂f}{\∂\stackrel{.}{m}}+(F-F_0)\frac{\∂f}{\∂F}+\frac{1}{2}(\stackrel{.}{m}-{\stackrel{.}{m}}_0)(F-F_0)\frac{{\∂}^{2}f}{\∂\stackrel{.}{m}\∂F}+...---1.2$

公式1.2是完全展开，并且可以取出有限数目的高阶项。可以通过获取导致零流量和与温度呈线性关系的FCF的项，和导致零流量和与温度呈二次关系的FCF的项，来实现最佳拟合。但是，在本发明的传感器的操作温度(18-28C)上，行为是线性的就足够了，能仅仅使用频率项来线性影响FCF和Δt。这样做并且重新标识偏导数，则得到：

现在，通过将与零流量相关的项和与流量相关的项分组来重新排列所述项：

$\mathrm{\Δt}\≅[{\mathrm{\Δt}}_0+(F-F_0){\mathrm{\α}}_F]+(\stackrel{.}{m}-{\stackrel{.}{m}}_0)[{\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}+(F-F_0){\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}]---1.4$

为方便起见，选择额定 ${\stackrel{.}{m}}_0=0,$ 则公式1.4可以看作一个流量方程：

$\stackrel{.}{m}=\frac{\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_0-(F-F_0){\mathrm{\α}}_F}{[{\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}+(F-F_0){\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}]}---1.5$

当前技术方程是：

$\stackrel{.}{m}=\mathrm{FCF}(1-\mathrm{\αT})(\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_0)---1.6$

在公式1.5和1.6之间进行类比，可以看出公式1.5中与“零”相关的部分是如下的频率函数：

ZERO(F)＝{Δt₀+(F-F₀)α_F]    1.7

并且公式1.5的与“流量校准因素”相关的部分是如下频率函数：

$\mathrm{FCF}\left(F\right)=\frac{1}{[{\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}+(F-F_0){\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}]}---1.8$

以向量方程的形式重写方程1.4，产生最小平方伪逆问题：

$\mathrm{\Δt}=\left[1(F-F_0)\stackrel{.}{m}\stackrel{.}{m}(F-F_0)\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_0\\ {\mathrm{\α}}_F\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}\end{array}\right]---1.9$

假定当我们记录来自与主Coriolis流量仪相连的序列的质量流量时，我们可以记录来自该Coriolis流量仪的Δt和驱动频率，则我们可以通过在两边乘以行向量的伪逆，来求解方程1.4中的列向量：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_0\\ {\mathrm{\α}}_F\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}\end{array}\right]=\mathrm{pinv}\left(\left[1(F-F_0)\stackrel{.}{m}\stackrel{.}{m}(F-F_0)\right]\right)\mathrm{\Δt}---1.10$

方程1.10是本发明用来最优化表征传感器的温度依赖性需要使用的方程。

如前所述，驱动频率具有对温度的线性依赖性。因此，使用驱动频率来补偿流的温度影响是有利的。

图5的描述

图5在线501和502上示出了两个流管传感器的驱动频率和温度之间的关系。该流管传感器被置于一个恒温器中，其温度在15到35C之间循环。线性趋势线与线501和502各自的数据集拟合，并且传感器的特定操作范围在虚线503和504之间显示。使用每个趋势线501和502的范围，我们可以估计驱动频率的敏感性为整个温度摆幅(swing)对应14Hz。

图6的描述

图6在趋势线601和602上示出了对于两个相同传感器驱动频率和液体特定比重之间的关系。该传感器用于测量稀浆的流速，该稀浆的液体浓度在1.0到1.3SG之间，如趋势线603和604所示。使用了三种液体来跨越传感器的浓度操作范围。每个传感器取三个数据点，并且趋势线与该数据拟合。使用每个趋势线的范围，我们可以估计驱动频率的敏感性为每个SF浓度摆幅4Hz。这看起来很重要，但是应该注意到，每个Coriolis流量仪安装在一个使用该范围内的特定液体的特定工艺之中。另外，一旦安装之后，用户通常将它们的工艺校准到实际流输出，消除由于该设备中的新的工艺液体所造成的误差。

图7-12的描述

图7-12描述了使用本发明的校准过程导出流量方程1.5的校准常数Δt₀，α_F，

这些校准参数使用方程1.10来求出。一旦导出这些参数，将它们与驱动频率F的测量值和Δt(流导致的时间延迟)用在流量公式1.5之中，来确定测量的流速

这在下段中详细描述。使用如下所述的四级过程导出该校准参数Δt₀，α_F，

主Coriolis流量仪与要测量的Coriolis流量仪串联，对其施加测试流。所述对应于下表1的运行(Run)1-4的流数据用于校准。用于标识该主测量仪的质量流量和对Δt的温度/质量贡献的测试矩阵如表1所示。来自该主Coriolis流量仪和串联的要测试的Coriolis流量仪的测量到的质量流量如图7所示。

表1

运行	质量流量(g/min)	液体温度C
			1	350	28
2	50	28
			3	350	18

4

50

18

使用表1的四个测试run测量到的来自该主Coriolis流量仪和串联的要测试的Coriolis流量仪的质量流量，在图7中进行描述。在图7中，该四个run一起示出，并且使用对应的温度值、驱动频率和主Coriolis流量仪的

线703表示主Coriolis流量仪的流速。

图8示出了从图7的四个测试run获得的数据。这是用来导出校准常数Δt₀，α_F，

的值的数据曲线图，如随后为方程1.1所描述的。线803表示主Coriolis流量仪的流速。

图9示出使用频率补偿和温度(RTD)补偿用于稳定流速状态的结果。两个方法都给出了在稳定状态流情况下，对Coriolis流量仪的校准的良好数据拟合。图9在线901上示出了驱动频率，在线902上示出了温度，在线903上示出了每个run的流速

和在线905上示出了误差率。两个补偿方法的结果由线905来表示，因为它们都与稳定状态流一致。两种方法的由零误差表示的准确性跨越线905的所有四个测试run。

图1和15所示的电子仪121，执行实现图7-9所示的操作所需的数据处理函数。

图10和11的描述

图10是描述本发明的用于导出校准常数的方法和设备的方框图1000。图10示出了多个处理或程序步骤，每个步骤表示在Coriolis电子流量仪121的存储器1502中存储的一个或多个程序指令。该指令由Coriolis电子流量仪121的处理器1502执行，结果存储在该电子流量仪的存储器1501中，或者输出到用户路径122。图10的过程导出校准常数Δt₀，α_F，

导出的校准常数被输入到图13，在那里它们被用于推导出温度补偿的质量流速

在图10中，元件1002接收来自图1的LPO和RPO的输入拾取信号，并且将它们施加到元件1004，该元件1004使用接收到信息来导出所测试的流量仪的检测到的Δt和驱动频率F。元件1006从元件1003接收表示串联的参考流量仪的测量到的流速

的信号。元件1006从元件1004和1003接收上述的信息，并且使用它们通过解方程1.10来导出校准常数Δt₀，α_F，

导出的校准常数从元件1006提供给图11的元件1106。元件1102从图1的拾取器LPO和RPO接收输入拾取信号用于所测试的流量仪。该信息被提供给元件1104，在元件1104导出所测试的流量仪的Δt和驱动频率F，并且将它们提供给元件1106。元件1106接收元件1104和1006的输出，并且通过使用元件1106表示的方程1.5来导出测试的流量仪的温度补偿的质量流速。元件1006导出项Δt和Δt₀。方程1.5的分子和分母中的式子F-F₀由元件1106从元件1104获取。项α_F由元件1004获取。项

和

从元件1104获取。

元件1106将所述的所有项应用到方程1.5的右边，以便从电子流量仪121提供温度补偿的质量流速输出给图1的用户输出122。

图12的描述

图12示出了本发明用来使用方程1.10导出校准参数Δt₀，α_F

的方法。导出测试的流量仪(FMUT)的校准参数Δt₀，α_F，

需要：

-来自与测试的Coriolis流量仪串联的串联参考流量仪的实际流量测量值。

-来自FMUT的温度测量值。

-来自FMUT的驱动频率测量值。

当FMUT面临表1所示的处理条件时，这些测量值如下所示。

表1

运行	理想的参考质量流量(g/min)	理想的液体温度C
			1	350	28
2	50	28
			3	350	18
4	50	18

由于FMUT基于其校准的流量的可控性的限制，实际的参考质量流量和液体温度与理想的参考质量流量和液体温度可能不同。

对于表1的每个run，进行对于实际质量流量、FMUT温度和FMUT驱动频率的多个测量。令：

M＝Run1期间三个前述数量的测量值的#。

N＝Run2期间三个前述数量的测量值的#。

O＝Run3期间三个前述数量的测量值的#。

P＝Run4期间三个前述数量的测量值的#。

在图8的校准Run期间，参考质量流量

FMUT温度和FMUT驱动频率各自被测量M+N+O+P次。要求M+N+O+P至少等于使用方程1.10解出的参数的数值。但是，推荐M+N+O+P的和远远大于解出的参数的数值。这是我们试图解决的最小平方问题的定义。

为了减少模糊，假定M＝N＝O＝P，这样参考质量流量、FMUT温度和FMUT驱动频率的总的测量次数是M的4倍。在尺寸上，图12还示出了方程1.10中所示、表1规定的、并且图8描绘的校准问题。

一旦获取了图8的数据并且解出了方程1.10，就获得了四个值，即Δt₀，α_F，

这些是期望的校准常数。项Δt₀是FMUT的零偏移。该值来自于在传统方式下将该仪器归零(即按下零按钮)。项α_F是线性频率(因而温度)对FMUT的零偏移的效果。项

是FMUT的流量校准因素(FCF)。

项

是线性频率(因而温度)对FMUT的FCF的效果。现在这些校准参数可以在方程1.5中使用，以计算频率(因而温度)的FMUT质量流量补偿效果。

图1和15所示的电子流量仪121，执行要实现图12所示的操作所需的数据处理。

图13的描述

图13示出了使用频率确定来实现热补偿和使用RTD热传感器来监视流管频率和提供热补偿的比较结果。图13清楚示出了基于频率的温度补偿与使用RTD的补偿相比的优点。线1303表示主Coriolis流量仪所提供的质量流量。实线1308描绘了使用RTD传感器获得的结果。虚线1309示出了使用依照本发明的频率监视。

线1303描绘了驱动频率。线1302描绘了温度。线1301描绘了得到的质量流速。在线1303的直线部分，主仪器的结果、使用RTD和频率的结果与另一个结果重合，只在表示质量流速的突然变化的部分1305、1306和1307所表示的部分出现偏离。元素1305包含线1303、1308和1309。线1303表示主仪器的质量流速。线1308表示RTD的响应。线1309表示使用频率监视的响应。可以看出，在元素1305所表示的转变期间，线1303和1309的响应基本相同。可以看出，元素1305的表示RTD的响应的响应1308与主仪器的响应明显偏离。可以相对于元素1306和1307进行同样的观察，其中由线1309描绘的使用频率补偿获得的结果比使用线1308描绘的表示使用RTD热补偿获得的结果，与由1303描绘的主仪器的响应更接近。

图13的质量流速

对应于图7、8和9相应指定的元素。

从图13的分析得出的结论是，当在质量流速的转变条件期间要求准确性时，使用频率监视提供热补偿比使用RTD优越。

图1和15所示的电子仪121，执行要实现图13所示的操作所需的数据处理。

图14的描述

图14示出了使用频率监视和使用RTD的响应准确性的比较。线1401描绘了驱动频率，线1402描绘温度，线1403描绘质量流速。线1404表示使用频率监视与使用RTD相比较的补偿误差。可以看出，当质量流速基本恒定时，使用RTD与使用频率监视相比产生可比较的结果。但是，元素1405、1406和1407表示质量流速发生转变的情况。如元素1405所示，使用频率监视的响应1415比RTD的响应1405与主仪器的质量流速1414更接近。

图1和15所示的电子仪121执行实现图14所示的操作所需的数据处理。

图15的描述

如图15所示，电子仪121包括处理器1501和存储器1502。

处理器1501可以包括常规CPU。或者，它可以包括特殊或专用处理器或DSP。存储器1502可以包括任何类型的存储系统，诸如闪存或常规的ROM和RAM，用于长期或短期地存储信息。

电子仪121通过路径123接收输入信息，并且将其输出信息通过路径122提供给用户。电子仪121通过路径123从拾取器LPO和RPO接收输入信息。这些拾取器信号在图10中在元件1002中示出。这些拾取器信号从元件1002提供给元件1004，元件1004执行指定的功能并且将信息输出到元件1006。元件1002和元件1004与图11中的元件1102和1104是复本。图10的元件1006接收元件1004和1003的输出，并且导出指定的校准常数。图15的存储器1502和处理器1501用于该功能。

图11的元件1106接收元件1006和1104的输出，并且通过解方程1.5导出指定的质量流速。这些功能由图15的存储器1502和处理器1501来执行。

电子仪121的存储器1502和处理器1501还用来执行图5、6、7、8、9、12、13和14所示的各种计算和功能。

应该理解本发明不局限于对本发明优选实施例的描述，而是包括在本发明的范围和精神之内的其它修改和变更。尽管结合本发明描述了特定关系和方程，应该理解本发明包括对所公开的方程和关系的修改并且可以利用这种修改来实现。虽然结合Coriolis流量仪示出了本发明的方法和设备，但是应该理解本发明的方法和设备可以使用其它类型的Coriolis流量仪，包括具有金属、塑料或玻璃流管的Coriolis流量仪。

Claims (24)

1.一种为具有至少一个流管的Coriolis流量仪提供热补偿的方法，所述方法包括以下步骤：

生成表示所述流管的Coriolis偏差的第一信号；

生成表示所述流量仪的特性的第二信号，其中所述特性包括所述Coriolis流量仪的驱动频率F和导致的时间延迟Δt；

特征在于提供使用所述第一和第二信号的电子仪，该电子仪用于提供对所述Coriolis流量仪的所述输出信号的热补偿。

2.权利要求1所述的方法，其中所述提供热补偿的步骤包括：

从主Coriolis流量仪接收校准的质量流速，和

使用所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来为所述Coriolis流量仪提供所述热补偿。

3.权利要求2所述的方法，其中所述提供热补偿的步骤包括：

使用所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来导出所述Coriolis流量仪的校准常数；和

使用所述校准常数来为所述Coriolis流量仪提供热补偿。

4.权利要求1-3中任何一个权利要求所述的方法，还包括响应于所述生成所述第一和第二信号和为所述Coriolis流量仪提供所述热补偿，来确定所述Coriolis流量仪的热补偿的流速的步骤。

5.权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

接收表示所述Coriolis流量仪的校准常数的第三信号；和

使用所述第一和所述第二和所述第三信号和所述校准常数来确定所述Coriolis流量仪的热补偿的流速。

6.权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：

根据所述第二信号确定驱动频率F；

导出用于零的线性频率校准常数α_F；和

使用所述驱动频率F和所述用于零的线性频率校准常数α_F来导出所述热补偿的流速。

7.权利要求6所述的补偿质量流速的方法，还包括以下步骤：

导出流量的系数

使用所述驱动频率F和所述用于零的线性驱动频率常数α_F和所述流量的常数

来导出所述热补偿的流速。

8.权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：

导出流量的线性频率(临时)常数

和

使用所述驱动频率F和所述用于零的线性驱动频率常数α_F和所述流量的常数

和所述流量的线性频率(临时)常数 来导出所述热补偿的质量流速。

9.权利要求3所述的方法，其中所述导出所述校准常数的步骤包括以下步骤：

从主Coriolis流量仪接收质量流速

使用所述接收的质量流速

和所述第二信号来导出所述Coriolis流量仪的所述校准常数。

10.权利要求9所述的方法，其中所述生成所述校准常数的步骤还包括以下步骤：

接收所述第二信号，以便导出流导致的时间延迟Δt和所述Coriolis流量仪的所述驱动频率F；和

使用所述第一信号和所述流导致的时间延迟Δt和所述驱动频率F，来导出所述Coriolis流量仪的所述校准常数。

11.权利要求10所述的方法，其中所述生成所述校准常数的步骤还包括以下步骤：

导出额定时间延迟Δt₀的线性驱动频率常数α_F；

使用所述驱动频率F和所述额定时间延迟Δt₀的线性驱动频率常数α_F来导出所述校准常数。

12.权利要求9-11中任何一个权利要求所述的方法，其中所述校准常数是：

Δt₀，α_F，

13.权利要求3-11中任何一个权利要求所述的方法，其中所述导出所述校准常数的步骤包括求解下式的步骤：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_0\\ {\mathrm{\α}}_F\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}\end{array}\right]=\mathrm{pinv}\left(\right[1(F-F_0)\stackrel{.}{m}\stackrel{.}{m}(F-F_0)\left]\right)\mathrm{\Δt}---1.10$

其中

Δt  流导致时间延迟

Δt₀    额定时间延迟

        质量流速

F       驱动频率

F₀      驱动频率一额定零流量

α_F     用于零的线性频率常数

        与FCF相关的系数

        线性频率(临时)常数

14.权利要求4-8中任何一个所述的方法，其中所述确定所述热补偿的质量流速的步骤包括求解下式的步骤：

$\stackrel{.}{m}=\frac{\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_0-(F-F_0){\mathrm{\α}}_F}{[{\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}+(F-F_0){\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}]}---1.5$

其中

Δt     流导致时间延迟

Δt₀    额定时间延迟

      质量流速

F       驱动频率

F₀      零驱动频率

α_F     用于零的线性频率常数

      与FCF相关的常数

      线性FCF频率(临时)常数

15.一种为具有至少一个流管的Coriolis流量仪提供热补偿的设备；所述设备包括：

生成表示所述流管的Coriolis偏差的第一信号的装置(1002)；

生成表示所述流量仪的特性的第二信号的装置(1004)，其中所述特性包括所述Coriolis流量仪的驱动频率F和导致的时间延迟Δt；

特征在于提供使用所述第一和第二信号的电子仪(121)，该电子仪用于提供对所述Coriolis流量仪的所述输出信号的热补偿。

16.权利要求15所述的设备，其中所述提供热补偿的装置包括：

从主Coriolis流量仪接收校准的质量流速的装置(1003)，和

使用所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来为所述Coriolis流量仪提供所述热补偿的装置(1006，1106)。

17.权利要求16所述的设备，其中所述提供热补偿的装置还包括：

使用所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来导出所述Coriolis流量仪的校准常数的装置(1006)；和

使用所述校准常数和所述第一和所述第二信号和所述校准的质量流速来为所述Coriolis流量仪提供热补偿的装置(1106)。

18.权利要求15-17所述的设备，包括响应于所述生成所述第一和第二信号和为所述Coriolis流量仪提供所述热补偿，来确定所述Coriolis流量仪的热补偿的流速的装置(1106)。

19.权利要求15所述的设备，还包括：

接收表示所述Coriolis流量仪的校准常数的第三信号的装置(1106)；和

使用所述第一和所述第二和所述第三信号和所述校准常数来确定所述Coriolis流量仪的热补偿的流速的装置。

20.权利要求15所述的设备，还包括：

根据所述第二信号确定驱动频率F的装置(1004)；

导出用于零的线性频率校准常数α_F的装置(1006)；

导出流量的系数

的装置(1006)；

导出流量的线性频率(临时)常数

的装置(1006)；

使用所述驱动频率F和所述用于零的线性频率常数α_F和所述流量的常数

和所述流量的线性频率(临时)常数

来导出所述热补偿的质量流速的装置(1106)。

21.权利要求17所述的设备，其中所述导出所述校准常数的装置(1006)包括：

从主Coriolis流量仪接收质量流速

的装置(1006)；

接收所述第二信号以便导出流导致的时间延迟Δt和所述Coriolis流量仪的所述驱动频率F的装置(1006)；

导出额定时间延迟Δt₀的线性驱动频率常数α_F的装置(1006)；

使用所述驱动频率F和所述额定时间延迟Δt₀的线性驱动频率常数α_F和所述质量流速

来导出所述校准常数的装置(1006)。

22.权利要求17、19和21所述的设备，其中所述校准常数包括

Δt₀，α_F，

23.权利要求19和21中任何一个权利要求所述的设备，其中所述导出所述校准常数的装置(1006)包括求解下式的装置：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_0\\ {\mathrm{\α}}_F\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}\\ {\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}\end{array}\right]=\mathrm{pinv}\left(\right[1(F-F_0)\stackrel{.}{m}\stackrel{.}{m}(F-F_0)\left]\right)\mathrm{\Δt}---1.10$

其中

Δt   流导致时间延迟

Δt₀  额定时间延迟

    质量流速

F     驱动频率

F₀    驱动频率-额定零流量

α_F   用于零的线性频率常数

    与FCF相关的系数

    线性频率(临时)常数

24.权利要求18和20中任何一个所述的设备，其中所述导出所述热补偿的质量流速的装置(1106)求解下式：

$\stackrel{.}{m}=\frac{\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_0-(F-F_0){\mathrm{\α}}_F}{[{\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}}+(F-F_0){\mathrm{\α}}_{\stackrel{.}{m}F}]}---1.5$

其中

Δt    流导致时间延迟

Δt₀   额定时间延迟

     质量流速

F      驱动频率

α_F    用于零的线性频率常数

     与FCF相关的常数

     线性FCF频率(临时)常数

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