專利名稱：應用復模態(tài)估計的改進的振動管過程參數(shù)傳感器運行方法以及計算機程序產(chǎn)品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種過程參數(shù)傳感器、相關的運行方法以及程序產(chǎn)品，更具體地說，涉及一種振動管過程參數(shù)傳感器、相關的運行方法以及計算機程序產(chǎn)品。
科里奧利效應質(zhì)量流量計通常用于測量流經(jīng)管道的材料的質(zhì)量流量和其它的信息。實例性的科里奧利流量計公開在授予給J.E.Smith等人的1978年8月29日的美國專利US4,109,524、1985年1月1日的US4,491,025和1982年2月11日的Re31,450。這些流量計通常包括具有直的或彎曲結構的一個或更多個管道。每個管道具有一組振動模式，例如包括簡單的彎曲型、扭曲型、徑向型和耦合型。在典型的質(zhì)量流量計的應用中，當材料流經(jīng)管道時驅(qū)動每個管道使其以一種自然模式諧振。組合的管道質(zhì)量和剛性特性和在該管道內(nèi)流動的材料的特性影響填充有材料的振動系統(tǒng)的振動模式。
科里奧利流量計的典型部分是驅(qū)動或激勵系統(tǒng)。運行驅(qū)動系統(tǒng)以給管道施加周期性的作用力以使管道振蕩。驅(qū)動系統(tǒng)通常包括安裝在流量計的管道上的至少一個致動裝置。該致動裝置包括大家公知的許多機電裝置中的一種，比如具有安裝在第一管道的磁體和以相對于該磁體反向安裝在第二管道的線盤的音圈設備。驅(qū)動器通常給傳動線圈施加周期性的驅(qū)動信號比如正弦或方波驅(qū)動信號。周期性的驅(qū)動信號使致動裝置以此后所保持的相反的周期性模式驅(qū)動兩個管道。
當實際上為“零”流量流經(jīng)被驅(qū)動的流量計管道時，根據(jù)驅(qū)動的振動模式沿著管道的點相對于驅(qū)動器趨于以大致相同的相位或“零流量”相位振動。當材料開始從流量計的入口經(jīng)過管道并從流量計的出口流出時，材料流產(chǎn)生的科里奧利力在沿著管道上空間間隔開的點之間產(chǎn)生相移。通常，當材料流經(jīng)管道時，在管道的入口側的相位滯后于驅(qū)動器，而在管道的出口側的相位領先于驅(qū)動器。所產(chǎn)生的在管道上的兩個位置上相移與流經(jīng)管道的材料的質(zhì)量流率大致成比例。
為測量質(zhì)量流率，常規(guī)的科里奧利流量計測量位于管道的每一端附近并相對于中央設置的驅(qū)動器對稱放置的兩換能器上的相位。然而，在換能器位置上的制造產(chǎn)生的不對稱以及在管道結構中的其它結構的不對稱和非線性都可能引起測量的不精確。此外，在一些應用中理想的是應用不對稱的換能器設置。
根據(jù)前面的描述，本發(fā)明的目的是提供一種過程參數(shù)傳感器、相關的運行方法以及計算機程序產(chǎn)品，其能夠更靈活且更精確地測量過程參數(shù)比如質(zhì)量流率、總的質(zhì)量流量等。
依據(jù)本發(fā)明通過提供振動管過程參數(shù)傳感器、相關的運行方法以及計算機程序產(chǎn)品實現(xiàn)上述目的和其它目的、特征以及優(yōu)點，在這些振動管過程參數(shù)傳感器、相關的運行方法以及計算機程序產(chǎn)品中，基于所估計的復模態(tài)變換估計與在傳感器管道中的材料相關的過程參數(shù)。例如，通過估計將表示在未知的質(zhì)量流量下的過程參數(shù)傳感器管道運動的運動信號相關到到表示在已知的質(zhì)量流量下的過程參數(shù)傳感器管道運動的復特征向量的復模態(tài)變換來估計未知的質(zhì)量流量。許多復測量值可以從運動信號中產(chǎn)生，然后應用這些值根據(jù)最佳擬合技術比如線性回歸估計復模態(tài)變換。依據(jù)本發(fā)明的一個方面，接收表示在兩個以上位置上的運動的運動信號，形成一種能夠用于產(chǎn)生更精確的過程參數(shù)估計的測量數(shù)據(jù)的超定組。復模態(tài)變換和過程參數(shù)估計操作可以在微處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)或類似的處理器中實施。
通過應用傳感器管道的運動的復模態(tài)變換，本發(fā)明能夠提供比常規(guī)的測量技術更靈活且更精確的方法以測量過程參數(shù)比如質(zhì)量流量。根據(jù)本發(fā)明，各種不同的測量能夠提供所需的復式信息。此外，依據(jù)本發(fā)明所實現(xiàn)的估計技術非常適合于應用測量值的超定組。
具體地說，依據(jù)本發(fā)明，通過參數(shù)傳感器估計過程參數(shù)，該參數(shù)傳感器具有包含來自材料處理系統(tǒng)的材料的管道。從許多運動換能器中接收許多運動信號。這些運動信號中的每種信號都表示在管道的許多位置中的一個位置上的運動。從所接收的許多運動信號中估計復模態(tài)變換，然后從所估計的復模態(tài)變換中估計材料處理系統(tǒng)的過程參數(shù)。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，在已知的質(zhì)量流量下提供復特征向量表示在管道的許多位置上的運動。從許多運動換能器中接收許多運動信號，這些許多運動信號表示當材料流經(jīng)該管道時在管道上的許多位置上的運動。估計將所接收的許多運動信號相關到復特征向量的復模態(tài)變換。從已知的質(zhì)量流量和所估計的復模態(tài)變換中估計通過管道的質(zhì)量流量。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，從所接收的許多運動信號中產(chǎn)生許多復測量值，這些許多復測量值中的每一個測量值都與許多位置中的相應的一個位置相對應。估計將所產(chǎn)生的許多復測量值相關到復特征向量的復模態(tài)變換。依據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過從所產(chǎn)生的許多復測量值中構造復矢量并通過確定將復矢量相關到復特征向量的比例旋度來估計復模態(tài)變換。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，確定將許多復測量值最佳地擬合到復特征向量的變換，并根據(jù)所確定的變換從已知的質(zhì)量流量中確定質(zhì)量流量。最佳擬合變換的確定包括執(zhí)行線性回歸以確定將許多復測量值最佳地擬合到復特征向量的變換。
依據(jù)本發(fā)明的空間積分方面，接收表示在超過兩個以上的在物理上分離的位置上的運動的許多運動信號。然后估計復模態(tài)變換，將表示在超過兩個以上的物理分離位置上的運動的許多運動信號相關到復特征向量。
依據(jù)本發(fā)明的校準方面，從許多運動換能器中接收許多運動信號，許多運動信號表示在已知的質(zhì)量流量下的許多位置上的運動。從所接收的許多運動信號中估計復特征向量，并將復特征向量的表示存儲在過程參數(shù)傳感器中。
依據(jù)本發(fā)明的過程參數(shù)傳感器包括包含來自材料處理系統(tǒng)的材料的管道。許多運動換能器用于產(chǎn)生表示在管道上的許多位置上的運動的許多運動信號。復模態(tài)變換估計器響應許多運動換能器，并從許多運動換能器中接收許多運動信號并用于從所接收的許多運動信號中估計復模態(tài)變換。過程參數(shù)估計器響應復模態(tài)變換估計器并從所估計的復模態(tài)變換中估計材料處理系統(tǒng)的過程參數(shù)。在本發(fā)明的實施例中，復模態(tài)變換估計器包括用于估計將所接收的許多運動信號相關到在已知的質(zhì)量流量下表示管道運動的復特征向量的復模態(tài)變換的裝置。過程參數(shù)估計器包括從在已知質(zhì)量流量和所估計的復模態(tài)變換中估計流過管道的質(zhì)量流量的裝置。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，確定與在參數(shù)傳感器的管道中的材料相關的過程參數(shù)的計算機程序產(chǎn)品包括用于接收表示在管道上的許多位置上的運動的許多運動信號的第一計算機可讀程序代碼裝置。第二計算機可讀程序代碼裝置響應第一計算機可讀程序代碼裝置并從所接收的許多運動信號中估計復模態(tài)變換。第三計算機可讀程序代碼裝置響應第二計算機可讀程序代碼裝置并從所估計的復模態(tài)變換中估計與在管道中的材料相關的過程參數(shù)。由此改進過程參數(shù)測量。
附

圖1所示為依據(jù)本發(fā)明的過程參數(shù)傳感器的一個實施例。
附圖2所示為依據(jù)本發(fā)明的一個方面復模態(tài)變換估計器和用于估計過程參數(shù)的裝置的實施例。
附圖3-5所示依據(jù)本發(fā)明的某些方面估計質(zhì)量流量的實例性的操作。
下文參考附圖更完整地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的實施例。在本領域的熟練技術人員會理解到本發(fā)明可以以許多不同的方式實施，并不限于在此所述的實施例；在此給出這些實施例是為了完整地公開本發(fā)明并向本領域的熟練技術人員完整地解釋本發(fā)明的范圍。在附圖中，所有的相同的標號表示相同的元件。
下文的討論參考科里奧利流量計，在該科里奧利流量計中估計流過振動管道的材料(例如液體)的材料處理系統(tǒng)的過程參數(shù)(通常為質(zhì)量流量)，該振動管道作為材料處理系統(tǒng)的一部分并且材料通過該振動管道。然而，在本領域的熟練技術人員會理解到本發(fā)明還可用于除了直列式傳感器外的其它的振動管道的過程參數(shù)傳感器。例如，除了直列型質(zhì)量流量計外，本發(fā)明可用于采樣型振動管密度計，這種采樣型振動管密度計包括包含從材料處理系統(tǒng)中抽取的材料的采樣的管道。
應用復模態(tài)估計確定過程參數(shù)附圖1所示為依據(jù)本發(fā)明的過程參數(shù)傳感器5的實例性的實施例。過程參數(shù)傳感器5包括管道組件10。管道組件10包括入口法蘭101、出口法蘭101’、歧管102和第一和第二管道103A、103B。撐桿106、106’連接管道103A、103B。連接到管道103A、103B的致動裝置104用于振動管道103A、103B以響應驅(qū)動器20。第一和第二運動換能器105、105’用于產(chǎn)生表示在管道103A、104B的空間上分離的位置上的運動的許多運動信號。運動換能器105A、105’可以包括各種裝置比如線圈型的速度傳感器、光學或超聲運動傳感器、加速度計、慣性率傳感器等類似的設備。導線100連接到致動裝置104和運動換能器105、105’。
當管道組件10插入到材料處理系統(tǒng)1時，在材料處理系統(tǒng)1中流動的材料通過入口法蘭101進入到管道組件10。然后材料流經(jīng)歧管102，在歧管102中材料分別進入管道103A、103B。在離開管道103A、103B后，材料回流到歧管102并通過出口法蘭101’流出流量計組件10。當材料流經(jīng)管道103A、103B時，它產(chǎn)生擾動管道103A、103B的科里奧利力。
通過致動裝置104在相反的方向上分別沿著它們的彎曲軸W-W和W’-W’上常規(guī)地驅(qū)動管道103A、103B，在管道組件10中產(chǎn)生通常被稱為第一異相彎曲模式。致動裝置104可以包括許多公知的裝置中的任何一種，比如包括安裝在第一管道103A上的磁體和安裝在第二管道103B上的相對的線圈的線性致動裝置。通過驅(qū)動引線110由驅(qū)動器20所提供的驅(qū)動信號所感應的交流電流流經(jīng)該線圈，產(chǎn)生振動管道103A、103B的機械力。雖然在附圖5所示的參數(shù)傳感器5包括整體的致動裝置104，但是在本領域的普通技術人員將會理解到依據(jù)本發(fā)明的管道103A、103B的振動可以通過其它的技術實現(xiàn)，比如通過在管道組件10之外產(chǎn)生的并經(jīng)過法蘭101、101’之中的一個傳遞到管道組件的激勵。
在零質(zhì)量流量下振動過程參數(shù)傳感器管道的穩(wěn)態(tài)運動描述為與由驅(qū)動器激勵的基本模式相關的實簡正特征向量。在如附圖1所示的雙管道傳感器的情況下，這種模式通常是第一異相彎曲模式，在這種第一異相彎曲模式中兩個管道103A、103B沿著軸線W-W、W-W’彎曲。在這種情況下，在管道103A、103B上的離散點集{x}的運動描述為{x}(t)=α{φ}dcos(ω,t),(1)這里{φ}d表示與驅(qū)動模式相關的實簡正特征向量，ωd是與該驅(qū)動模式相關的自然頻率。標量α使特征向量{φ}d與振動的幅值相匹配。在給定的時間t上，能夠直接確定在管道上的任何點的運動。
通過將過程參數(shù)傳感器看作在受力響應狀態(tài)中的運行的系統(tǒng)可以產(chǎn)生振動管道過程參數(shù)傳感器的運行的更完整的表示。受力響應可以模擬成許多實簡正模態(tài)響應η的疊加。根據(jù)這種模擬，{x}(t)=[φ]{|η|cos(ωdt-ang(η))},(2){x}=[φ]{η},{η}=[φ]-1{x},{x}=[H]{F}，{η}=[φ]-1[H]{F},(3)這里{η}是模態(tài)響應矢量，{F}是受力函數(shù)矢量，[H]是頻率響應函數(shù)(FRF)矩陣，[φ]-1是振型矩陣[φ]的逆矩陣。從等式(1)中可以看出，矢量{x}的每一項都與相位相關。在零流量流經(jīng)管道時，如果力矢量{F}和在FRF矩陣[H]中所包含的系統(tǒng)特征都已知，通過測量在管道上的任一點上的相位就一般都能夠產(chǎn)生在管道任何其它點上的正確的相位。
本發(fā)明源自如下認識在管道中流動的材料可以通過科里奧利力表示，該科里奧利力在管道組件的模態(tài)模型中引入了復雜度(Complexity)。通過應用在描述過程參數(shù)傳感器管道的運動的線性差分方程中在與速度項相關的矩陣中的附加項來模擬科里奧利力。當這些科里奧利力項都包括在表示管道的特征值中時，特征向量即振型變成復型。更詳細地說，管道運動的線性差分方程表示為[M]{x..}+[c]{x.}+[K]{x}={F},---(4)]]>這里[M]是質(zhì)量矩陣，[K]是剛度矩陣，[F]是所施加的力矢量，而[C]是影響速度項的科里奧利力矩陣。由于包括了科里奧利力矩陣[C]在特征值中引入了復雜度，即產(chǎn)生了復特征向量。
具有流經(jīng)其中的流體的管道的運動可以模擬成成比例的復特征向量。復特征向量在每個自由度上具有兩個獨立的分量。這些分量可以包括實部和虛部，或者說幅值和相位分量。依據(jù)這種模擬方式，通過自由響應描述管道的運動，即在運動的描述中可以忽略驅(qū)動力。在管道上的離散點集{X}的運動可以描述為{x}(t)=α{|φd|cos(ωdt-ang(φd)},(5)這里{φ}d為與驅(qū)動模式相關的復特征向量，ωd為與驅(qū)動模式相關的自然頻率，標量α為使特征向量的幅值與運算幅值相匹配的比例系數(shù)。
可以認為α{|φ|d}即復特征向量的幅值由將換能器驅(qū)動到給定幅值的驅(qū)動電路控制。由于ang(φd)即特征向量的復雜度為未知，可以應用關于在兩個位置上的運動的信息來確定科里奧利力。參考方程式(3)，復模態(tài)響應{η}包含由FRF矩陣[H]表示的系統(tǒng)特征和所施加的力矢量{F}?？梢约僭O所施加的力矢量{F}已知。然而，在FRF矩陣{H}中包含的系統(tǒng)特征為質(zhì)量流率的函數(shù)，因此為未知的。附加的信息例如在除了驅(qū)動器的其它的點上的相位都可以確定的質(zhì)量流率。
依據(jù)本發(fā)明所應用的復模態(tài)測量技術在測量過程參數(shù)比如質(zhì)量流量的過程中能夠比常規(guī)的方法提供更大的靈活性。例如，如果在一個位置例如驅(qū)動器位置上能夠精確地控制幅值，則另一個位置的幅值或相位能夠提供計算質(zhì)量流量的足夠的信息?？商鎿Q的是，通過在兩個分離的位置上同時進行測量幅值，并且將每個幅值測量值歸一化到在該位置上的最大幅值，這樣能夠提供足夠進行質(zhì)量流量測量的信息。
模式的復雜度可以看作特征向量在復平面中的旋度。通過已知在任何兩個位置上的特征向量的虛部能夠得出關于該振型的復雜度的信息。虛部的旋度與質(zhì)量流量相關。校準某一儀表以使旋度即復特征向量在已知的質(zhì)量流量下為已知。未知的質(zhì)量流量例如未知的質(zhì)量流率、總的質(zhì)量流量等都可以通過確定相應的復矢量并將該矢量與所校準的復特征向量的復模態(tài)變換相對應來確定。例如應用曲線擬合技術可以從所校準的復特征向量和測量矢量中估計該變換。然后應用所估計的變換來從已知的質(zhì)量流量中估計未知的質(zhì)量流量。
所校準的復特征向量可以通過許多方法識別。例如，作為制造過程的一部分可以脫機校準傳感器，所校準的復特征向量存儲在過程參數(shù)傳感器的電子部件的可編程的只讀存儲器(PROM)或其它的存儲裝置中。所以校準的復特征向量可以以許多方式存儲，例如包括通過存儲復特征向量的許多值或通過存儲復特征向量的表示或近似。還可以通過在已知的質(zhì)量流量下使材料流經(jīng)過程參數(shù)傳感器并在微處理器或類似的計算裝置的控制下通過執(zhí)行復模態(tài)分析來確定所校準的復特征向量來在現(xiàn)場校準過程參數(shù)傳感器。可以應用許多計算技術來估計給定流率的復特征向量并計算與表示不同的流率的復特征向量相關的變換。這些技術可以包括各種不同的曲線擬合技術比如回歸技術。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，應用廣義的線性回歸技術來確定質(zhì)量流量。例如，如果在兩個位置上應用換能器，在已知的質(zhì)量流率下構造兩元素的矢量{Ye}{Ye}=y1y2---(6)]]>例如{Ye}可以包括在過程參數(shù)傳感器管道上的兩個換能器位置上的相位測量值。在未知的質(zhì)量流率下當材料流經(jīng)該管道時，從在這兩個換能器位置上的復測量值中構造另一個兩元素矢量{X}{X}=x1x2---(7)]]>如上所述，應用除了相位測量值以外的測量值可以產(chǎn)生{Ye}和{X}的復值。
在進行線性回歸的計算中，建立如下的變換以使{Yc}=a{X}+b,(8)這里a和b分別是表示斜率和偏移的常數(shù)。整理式(8)得 這里[Z]是從{X}中構造的增廣矩陣，{c}是以a和b作為第一和第二元素的矢量。
式(9)是計算{c}的形式。對于給定的兩個換能器實例，當[Z]具有相等數(shù)量的行數(shù)和列數(shù)時，這可以通過對式(9)的兩邊左乘[Z]-1來實現(xiàn)。然而，依據(jù)本發(fā)明的另一方面，[Z]表示一種超定系統(tǒng)，即[Z]可以具有更多的行和列。如果在管道上在超過兩個的位置上進行測量即如果{X}具有超過兩個的元素，就出現(xiàn)這種情況。
在這種超定的情況下，可以通過在兩邊左乘[Z]的轉(zhuǎn)置矩陣來求解式(9)[Z]T{Yc}=([Z]T[Z])-1{c},(10)[Z]T[Z]為方陣，該方陣對于物理上適定的問題而言具有逆陣。
{c}=([Z]T[Z])-1[Z]R{Yc},(11)通過對式(8)的兩邊左乘[Z]T[Z]的逆陣，得出{c}為結果{c}表示依據(jù)最小二乘法準則將矢量{X}最佳擬合到復特征向量{Ye}中。{c}的第一元素即斜率a表示擬合{Ye}的{X}的比例旋度的比例系數(shù)。例如，如果{X}和{Ye}都從相位測量值中構造，則與{X}相對應的質(zhì)量流率Kunknown可以從已知的質(zhì)量流率Kknown中估計kunknown=khnowna---(12)]]>在題為“應用空間積分改進的振動管道參數(shù)傳感器及其運行方法”的美國專利申請中應用超定信息源來提供過程參數(shù)的空間綜合測量值，該專利申請轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并且與本申請同時申請。
實例性的過程參數(shù)傳感器再次參考附圖1，依據(jù)本發(fā)明的過程參數(shù)傳感器5的實施例包括復模態(tài)變換估計器30和過程參數(shù)估計器40。引線100將管道組件連接到驅(qū)動器20和復模態(tài)變換估計器30。
復模態(tài)變換估計器30從分別在第一和第二引線111、111’上的第一和第二運動換能器105、105’中接收表示當材料流經(jīng)管道組件10時的管道103A、103B運動的第一和第二運動信號(例如表示位移、速度或加速度的信號)。復模態(tài)變換估計器30處理所接收的運動信號以估計將該運動信號相關到在已知質(zhì)量流量下表示管道103A、103B的運動的復特征向量的復模態(tài)變換35。過程參數(shù)估計器40根據(jù)所估計的復模態(tài)變換35從已知的質(zhì)量流量中產(chǎn)生未知的質(zhì)量流量估計45例如所估計的質(zhì)量流率。這些操作在下文中詳細地討論。
附圖2所示為復模態(tài)變換估計器30和過程參數(shù)估計器40的實例性的實施例。如圖所示，復模態(tài)變換估計器30包括采樣器32(例如采樣保持器或類似的電路)和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)34。采樣器32和A/D34形成裝置31，該裝置31用于接收由第一和第二運動換能器105、105’所產(chǎn)生的運動換能器的運動信號25、采樣該運動信號25并從其中產(chǎn)生采樣33，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)34將該采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號值37。所示的采樣器32和A/D34的技術細節(jié)可以通過在本領域中熟練技術人員公知的許多電路實現(xiàn)，在此不需要更詳細地討論。在本領域的熟練技術人員還會理解到在附圖2中所示的接收裝置31可以通過許多方式實現(xiàn)，包括附加式預采樣抗混迭濾波、后采樣濾波等。還應該理解的是通常在附圖2中所示的接收裝置31可以以專用硬件或在專用或通用數(shù)據(jù)處理設備上運行的微程序或軟件或其組合實現(xiàn)。復模態(tài)變換估計器30的一部分可以包含在計算機50例如微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器(DSP)等中。例如，計算機50可以包括例如專用于線性代數(shù)計算的流水線DSP，比如TexasInstruments Inc公司出售的TMS320C4X型DSP系列的DSP。設計適當?shù)某绦虼a例如軟件和/或微程序和數(shù)據(jù)并存儲在例如存儲媒體60(比如隨機存取存儲器(RAM)、電子可擦可編程序只讀存貯器(EEPROM)、磁盤等)中，計算機50提供用于從數(shù)字信號值37中產(chǎn)生復測量值39的裝置36，該復測量值表示管道103A、103B的運動。計算機50和相關的程序代碼還提供用于從復測量值39中估計復模態(tài)變換35的裝置38，所估計的復模態(tài)變換將復測量值39相關到表示管道103A、103B在已知質(zhì)量流量下的運動的復特征向量。
過程參數(shù)估計器40也可以在計算機50中實現(xiàn)。例如，以在計算機50上運行的軟件或微程序?qū)崿F(xiàn)，過程參數(shù)估計器40根據(jù)由復模態(tài)變換估計裝置38所產(chǎn)生的經(jīng)計算的估計復模態(tài)變換35從已知的質(zhì)量流量中計算未知的質(zhì)量流量估計45。在下文中參考在附圖3-5中所示的流程圖更詳細地討論執(zhí)行這些操作的裝置、方法以及程序產(chǎn)品。
在本領域的熟練的技術人員會理解到附圖1-2示出實例性的實施例，并且本發(fā)明也可以應用其它不同的裝置。例如，還可以應用除了在附圖1中所示的管道結構以外的其它不同的管道結構，包括直的和彎曲的管道結構以及應用單管或多管的結構。驅(qū)動器20、復模態(tài)變換估計器30和過程參數(shù)估計器40都可以以集成的方式實施，例如以連接到管道組件10的電子封裝的方式或應用適當?shù)耐ㄐ琶襟w鏈接的部件以分布方式實施。因此，在此所描述的過程參數(shù)傳感器并不限于單一封裝。
復模態(tài)變換估計器30和/或過程參數(shù)估計器40還可以以硬件和/或軟件模塊實施，這些硬件和/或軟件模塊與已有的管道組件10(包括換能器105A、105B和相關的引線)連接，由此提供一種用于使已有的參數(shù)傳感器具有復模態(tài)測量技術的裝置。驅(qū)動器20也可以與這種模塊集成。類似地，還可以提供一種成套裝置，該成套裝置包括復模態(tài)變換估計器30、過程參數(shù)估計器40和安裝在已有的管道結構上的運動換能器。雖然在此所描述的復模態(tài)變換估計器30和過程參數(shù)估計器40可以應用在數(shù)字計算機裝置上實施的數(shù)字計算技術比如DSP以執(zhí)行依據(jù)本發(fā)明的某些方面的估計運算，但是在本領域的熟練技術技術人員會理解到復模態(tài)變換估計器30和/或過程參數(shù)估計器40可以包括非數(shù)字部件，比如可以執(zhí)行部分或所有的這些估計操作的模擬計算電路。
復模態(tài)測量的實例性的實施附圖3-5為依據(jù)本發(fā)明的方法、裝置以及程序產(chǎn)品的流程圖。在所示的流程圖中的塊或塊的組合可以應用計算機可讀程序代碼實現(xiàn)，例如以在計算機或數(shù)據(jù)處理器比如在附圖2中所示的計算機50上運行的程序指令和/或數(shù)據(jù)實現(xiàn)。正如在此所應用，計算機可讀程序代碼可以包括(但并不限于)操作系統(tǒng)指令(例如目標碼)、高級語言指令等以及與可以被讀取、訪問或連同這種程序指令一起以其它形式利用的數(shù)據(jù)。
程序代碼可以裝入到計算機或類似的數(shù)據(jù)處理裝置中，這些數(shù)據(jù)處理裝置包括(但并不限于)微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器(DSP)等。程序代碼和計算機的結合提供了一種用于實現(xiàn)在所示的流程圖的塊或多個塊中所指定的功能的裝置。類似地，程序代碼也可以裝入到計算機或數(shù)據(jù)處理裝置中以使程序代碼和計算機形成一種用于執(zhí)行在流程圖的塊中所執(zhí)行的功能的裝置。
程序代碼還可以存儲在計算機可讀存儲媒體中比如存儲在磁盤或磁帶、磁泡存儲器、可編程存儲裝置比如電子可擦可編程序只讀存貯器(EEPROM)或類似的存儲器中。所存儲的程序代碼可以控制計算機訪問存儲媒體以實現(xiàn)其功能，以使存儲在存儲媒體中的程序代碼形成一種制造件，該制造件包括用于實現(xiàn)在流程圖的一個或多個塊中所指定的功能的程序代碼裝置。程序代碼還可以裝入到計算機中以執(zhí)行一系列的操作步驟，由此實施一種過程以使程序代碼連同計算機一起實施在流程圖中的塊所指定的功能的步驟。因此，流程圖的塊支持執(zhí)行特定的功能的裝置、執(zhí)行特定的功能的裝置組合、執(zhí)行特定的功能的步驟組合以及包含在計算機可讀存儲媒體中并用于執(zhí)行指定的功能的計算機可讀程序代碼裝置。
還可以理解的是，所示的流程圖的每個塊和在流程圖中的塊的組合都可以通過特定的硬件、在通用計算機上執(zhí)行的軟件或微程序或這兩者的組合來實現(xiàn)。例如，通過專用集成電路(ASIC)、可編程的柵極陣列或類似的專用設備或通過裝入在微處理器、微控制器、DSP或其它的通用的計算機設備上并執(zhí)行的程序指令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)流程圖的塊的功能。
附圖3所示的實例性的操作300用于確定在振動管道型過程參數(shù)傳感器中的質(zhì)量流量。形成復特征向量(塊310)，該復特征向量表示在已知的質(zhì)量流量下的過程參數(shù)傳感器管道的運動。從許多運動換能器中接收許多運動信號(塊320)，該運動信號表示當材料流經(jīng)該管道時在許多位置上的管道運動。例如，如上所描述應用線性回歸技術估計將運動信號相關到復特征向量的復模態(tài)變換(塊330)。然后從已知的質(zhì)量流量和所估計的復模態(tài)變換中估計質(zhì)量流量(塊340)。
附圖4所示的實例性操作330用于估計將來自運動換能器的許多運動信號相關到復特征向量{Ye}的復模態(tài)變換，尤其是并入在線性回歸中的估計操作。從所接收的許多運動信號中產(chǎn)生許多復測量值(塊331)。矢量{X}是從許多復測量值中構造的(塊332)。從矢量{X}中構造增廣矩陣[Z](塊333)。然后確定變換{c}以使{Ye}=[Z]{c}(塊334)。
附圖5所示為用于形成表示過程參數(shù)傳感器管道在已知的質(zhì)量流量下的運動的復特征向量的實例性操作310。從設置在管道的許多位置上的許多換能器中接收許多運動信號(塊311)，這些許多運動信號表示在過程參數(shù)傳感器管道在已知的質(zhì)量流量下的運動。然后從許多復校準值中確定表示在已知的質(zhì)量流量下的管道的運動的復特征向量(塊312)。然后將復特征向量表示存儲在過程參數(shù)傳感器中(塊324)，例如存儲在附圖2中所示的存儲媒體60中。
本發(fā)明的附圖和說明書公開了本發(fā)明的實施例。雖然應用特定的術語，但僅在一般意義上使用它們，并不構成特定的限制。可以預計的是在本領域中熟練的技術人員可以制造、使用或銷售在下文所附的權利要求的范圍內(nèi)的變型的實施例。
權利要求
1．一種確定在參數(shù)傳感器(5)中的過程參數(shù)(45)的方法(300)，該參數(shù)傳感器(5)具有管道(103A-103B)，該管道包含有來自材料處理系統(tǒng)的材料，該方法包括如下步驟從與管道(103A-103B)操作性相關的許多運動換能器(105A-105B)中接收(320)許多運動信號，這些許多運動信號表示在管道上的許多位置上的運動；從所接收的許多運動信號中估計(330)復模態(tài)變換(35)；以及從所估計的復模態(tài)變換中估計(340)材料處理系統(tǒng)的過程參數(shù)(45)。
2．依據(jù)權利要求1所述的方法(300)，進一步包括形成復特征向量的步驟(310)，復特征向量表示在已知的質(zhì)量流量下的許多位置上的管道的運動，以及其中所說的估計復模態(tài)變換的步驟(330)包括估計(331)將所接收的許多運動信號相關到復特征向量的復模態(tài)變換的步驟；以及其中所說的估計過程參數(shù)的步驟(340)包括從已知的質(zhì)量流量和所估計的復模態(tài)變換中估計流經(jīng)管道的質(zhì)量流量的步驟。
3．依據(jù)權利要求2所述的方法(300)，其中所說的估計復模態(tài)變換的步驟(330)包括如下步驟從所接收的許多運動信號中產(chǎn)生(331)許多復測量值，這些許多復測量值中相應的一個復測量值都對應于許多位置中的相應的一個位置；以及估計(332)將所產(chǎn)生的許多復測量值相關到復特征向量的復模態(tài)變換。
4．依據(jù)權利要求3所述的方法(300)，其中所說的估計復模態(tài)變換的步驟(330)包括如下步驟從所產(chǎn)生的許多復測量值中構造(332)復矢量；以及確定(334)將該復矢量相關到復特征向量的比例旋度。
5．依據(jù)權利要求3所述的方法(300)，其中所說的估計復模態(tài)變換的步驟(330)包括確定(334)將許多復測量值相關到復特征向量的比例系數(shù)。
6．依據(jù)權利要求3所述的方法(300)其中所說的估計復模態(tài)變換的步驟(330)包括確定(333)將許多復測量值最佳擬合到復特征向量的變換的步驟；以及其中所說的估計質(zhì)量流量的步驟(340)包括根據(jù)所確定的變換從已知的質(zhì)量流量中估計質(zhì)量流量的步驟。
7．依據(jù)權利要求6所述的方法(300)，其中所說的確定變換的步驟(333)包括執(zhí)行線性回歸以確定將許多復測量值最佳擬合到復特征向量的變換的步驟。
8．依據(jù)權利要求6所述的方法其中所說的形成復特征向量的步驟(310)包括形成(312)在已知的質(zhì)量流量下表示管道的運動的許多復校準值的步驟；以及其中所說的確定所說的變換的步驟(334)包括執(zhí)行線性回歸以確定將許多復校準值相關到復測量值的變換的步驟。
9．依據(jù)權利要求6所述的方法(300)，其中所說的確定變換的步驟(334)包括根據(jù)最小二乘法準則確定將許多復測量值最佳地擬合到復特征向量的變換的步驟。
10．依據(jù)權利要求3所述的方法(300)其中所說的接收的步驟(310)包括接收表示在超過兩個在物理上分離的位置上的運動的許多運動信號的步驟；以及其中所說的估計復模態(tài)變換的步驟(340)包括估計將表示在超過兩個在物理上分離的位置上的運動的許多運動信號相關到復特征向量的復模態(tài)變換的步驟。
11．依據(jù)權利要求3所述的方法(300)其中所說的接收的步驟(310)包括接收(311)表示在超過兩個在物理上分離的位置上的運動的許多運動信號的步驟；其中所說的產(chǎn)生許多復測量值的步驟(331)包括產(chǎn)生超過兩個的復測量值的步驟；以及其中所說的估計所說的復模態(tài)變換的步驟(332)包括估計將所產(chǎn)生的至少兩個復測量值相關到復特征向量的復模態(tài)變換的步驟。
12．依據(jù)權利要求3所述的方法，其中所說的產(chǎn)生許多復測量值的步驟(331)包括產(chǎn)生對應于許多位置中的一個位置的測量相位值的步驟。
13．依據(jù)權利要求3所述的方法，其中所說的產(chǎn)生許多復測量值的步驟(332)包括產(chǎn)生對應于許多位置中的一個位置的測量的幅值的步驟。
14．依據(jù)權利要求2所述的方法，其中所說的形成復特征向量的步驟(310)包括產(chǎn)生表示在已知的質(zhì)量流量下管道運動的許多復校準值的步驟。
15．依據(jù)權利要求2所述的方法，其中所說的形成復特征向量的步驟(310)包括如下步驟從許多運動換能器中接收(311)許多運動信號，這些許多運動信號表示在已知的質(zhì)量流量下在許多位置上的運動；從所接收的許多運動信號中確定(312)復特征向量；以及存儲(313)復特征向量的表示。
16．依據(jù)權利要求2所述的方法，其中所說的形成復特征向量的步驟(310)包括存儲(313)復特征向量表示的步驟。
17．一種從表示在管道(103A-103B)的許多位置上的管道運動的許多運動信號中確定與流經(jīng)該管道的材料相關的過程參數(shù)(45)的裝置(5)，該裝置包括復模態(tài)變換估計器(30)，該復模態(tài)變換估計器(30)從與所說的管道相關的許多運動換能器(105-105’)中接收所說的許多運動信號并從所說的許多運動信號中產(chǎn)生復模態(tài)變換(35)的估計；以及響應所說的復模態(tài)變換的過程參數(shù)估計器(40)，該過程參數(shù)估計器(40)從所說的復模態(tài)變換(35)中產(chǎn)生材料處理系統(tǒng)的過程參數(shù)(45)的估計。
18．依據(jù)權利要求17的裝置(5)其中所說的復模態(tài)變換估計器(35)包括估計將所接收的許多運動信號相關到表示在已知的質(zhì)量流量下所說的管道的運動的復特征向量的所說的復模態(tài)變換的裝置(38)；以及其中所說的過程參數(shù)估計器(40)包括從已知的質(zhì)量流量和所說的所估計的復模態(tài)變換(35)中估計流經(jīng)所說的管道(103A-103B)的質(zhì)量流量估計的裝置。
19．依據(jù)權利要求18的裝置(5)，其中所說的復模態(tài)變換估計器(35)包括接收許多運動信號的裝置(320)；響應接收所說的許多運動信號從所說的所接收的許多運動信號中產(chǎn)生許多復測量值的裝置(330)；以及響應所說的測量值的產(chǎn)生估計將所說的所產(chǎn)生的許多復測量值相關到復特征向量的復模態(tài)變換的裝置(340)。
20．依據(jù)權利要求19的裝置(5)，其中所說的估計所說的復模態(tài)變換的裝置(330)包括從所說的所產(chǎn)生的許多復測量值中構造復矢量的裝置(332)；以及響應所構造的所說的復矢量確定將復矢量相關到復特征向量的比例旋度的裝置(333)。
21．依據(jù)權利要求19的裝置(5)其中所說的估計所說的復模態(tài)變換的裝置(330)包括確定將許多復測量值相關到復特征向量的比例系數(shù)的裝置；以及其中所說的估計質(zhì)量流量的裝置(340)包括從已知的質(zhì)量流量和所計算的比例系數(shù)中估計質(zhì)量流量的裝置。
22．依據(jù)權利要求19的裝置(5)；其中所說的估計所說的復模態(tài)變換的裝置(330)包括確定將許多復測量值最佳擬合到復特征向量的變換的裝置(334)；以及其中所說的估計質(zhì)量流量的裝置(340)包括根據(jù)所確定的變換從已知的質(zhì)量流量中估計質(zhì)量流量的裝置。
23．依據(jù)權利要求22的裝置(5)，其中所說的確定所說的變換的裝置(334)包括執(zhí)行線性回歸以確定將許多復測量值最佳擬合到復特征向量的變換的裝置。
24．依據(jù)權利要求22的裝置(5)，進一步包括形成表示在已知的質(zhì)量流量下管道運動的許多復校準值的裝置，以及其中所說的確定變換的裝置(334)包括執(zhí)行線性回歸以確定將許多復校準值相關到許多復測量值的變換的裝置。
25．依據(jù)權利要求22的裝置(5)，其中所說的確定變換的裝置(334)包括依據(jù)最小乘方準則確定將許多復測量值最佳地擬合復特征向量的變換的裝置。
26．依據(jù)權利要求22的裝置(5)，其中所述許多運動信號表示在管道上在超過兩個在物理上分離的位置上的運動，以及其中所說的復模態(tài)變換估計器接收表示在物理上分離的兩個以上的位置上的運動的許多運動信號并估計將所接收的表示在超過兩個在物理上分離的位置上的運動的許多運動信號相關到復特征向量的復模態(tài)變換。
27．依據(jù)權利要求22的裝置(5)，其中許多運動信號表示在管道上在超過兩個在物理上分離的位置上的運動，以及其中所說的產(chǎn)生許多復測量值的裝置(331)包括從所接收的表示在超過兩個在物理上分離的位置上運動的許多運動信號中產(chǎn)生超過兩個的復測量值的裝置，以及其中所說的估計復模態(tài)變換的裝置(340)包括估計將超過兩個的復測量值相關到復特征向量的復模態(tài)變換的裝置。
28．依據(jù)權利要求22的裝置(5)，其中所說的產(chǎn)生許多復測量值的裝置包括用于產(chǎn)生與所說的許多位置中的一個位置相對應的所測量的相位值的裝置。
29．依據(jù)權利要求22的裝置(5)，其中所說的產(chǎn)生許多復測量值的裝置包括用于產(chǎn)生與所說的許多位置中的一個位置相對應的所測量的幅值的裝置。
30．依據(jù)權利要求21的裝置(5)，進一步包括存儲復特征向量的表示的裝置(313)。
全文摘要
應用從表示參數(shù)傳感器管道的運動的許多運動信號中估計的復模態(tài)變換確定在振動管道過程參數(shù)傳感器(5)中的過程參數(shù)(45)比如質(zhì)量流量。依據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供表示在已知的質(zhì)量流量下在許多位置上管道運動的復特征向量。從許多運動換能器中接收許多運動信號,這些許多運動信號表示當材料流經(jīng)該管道時在管道的許多位置上的運動。估計將許多運動信號相關到復特征向量的復模態(tài)變換。從已知的質(zhì)量流量和所估計的復模態(tài)變換中估計流經(jīng)該管道的質(zhì)量流量。本發(fā)明還討論了相關的裝置和計算機程序產(chǎn)品。
文檔編號G01F1/84GK1319178SQ99810306
公開日2001年10月24日 申請日期1999年6月23日 優(yōu)先權日1998年7月16日
發(fā)明者T·J·昆寧哈姆 申請人:微動公司