ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБЫ БЫСТРОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ ДОЛИ КОМПОНЕНТОВ МНОГОФАЗНОГО ФЛЮИДА ПО СИГНАЛУ РАСХОДОМЕРА КОРИОЛИСА Российский патент 2009 года по МПК G01F1/74 G01F1/84 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к измерительному электронному устройству и способам определения массовой доли компонентов потока в материале, протекающем через расходомер.

Уровень техники

Известно использование массовых расходомеров Кориолиса для измерения массового расхода и другой информации о материалах, протекающих через трубопровод (US 4491025 от 1 января 1985 года и переизданный патент 31450 от 11 февраля 1982 года). Эти расходомеры содержат одну или более расходомерных трубок разных конфигураций. Каждая трубная конфигурация может рассматриваться как имеющая набор форм свободных колебаний, в том числе, например, формы колебаний простого изгиба, торсионную, радиальную и связанную. В типичном кориолисовом измерении массового расхода трубная конфигурация возбуждается в одной или более формах колебаний, в то время как материал протекает через трубу, и движение трубы измеряется в точках, разнесенных по трубе.

Формы колебаний заполненных материалом систем частично определяются объединенной массой расходомерных трубок и материала внутри расходомерных трубок. Материал втекает в расходомер из присоединенного трубопровода на входной стороне расходомера. Затем материал направляется через расходомерную трубку или расходомерные трубки и выходит из расходомера в трубопровод, присоединенный на выходной стороне.

Возбудитель прикладывает силу к расходомерной трубке. Сила заставляет расходомерную трубку вибрировать. Когда нет материала, протекающего через расходомер, все точки вдоль расходомерной трубки вибрируют с одинаковой фазой. Когда материал начинает течь через расходомерную трубку, кориолисовы ускорения заставляют каждую точку вдоль расходомерной трубки иметь разную фазу относительно других точек вдоль расходомерной трубки. Фаза на входной стороне расходомерной трубки запаздывает относительно возбудителя, тогда как фаза на выходной стороне опережает возбудитель. Датчики размещены в разных точках на расходомерной трубке, чтобы вырабатывать синусоидальные сигналы, представляющие движение расходомерной трубки в разных точках. Разность фаз между сигналами двух датчиков пропорциональна удельному массовому расходу материала, протекающего через расходомерную трубку или расходомерные трубки.

Одно из применений вибрационного устройства расходомерной трубки, как описано выше, состоит в измерении удельного массового расхода проточного материала. Однако в некоторых средах измерения параметров потока проточный материал содержит многофазный поток, который включает в себя две или более из флюидной фазы, газовой фазы и твердой фазы. Обычный многофазный проточный материал содержит проточный материал флюида, который включает в себя вовлеченный газ, например, такой как воздух.

Расходомер предшествующего уровня техники не может точно, быстро или удовлетворительно отслеживать или определять частоту тензодатчика во время двухфазного потока проточного материала. Вибрационные расходомеры предшествующего уровня техники предназначены для измерения удельного массового расхода относительно устойчивого и однородного проточного материала. Однако так как измерение параметров потока отражает массу проточного материала, резкие изменения в массе могут вызывать ошибочные измерения или изменения массового расхода даже не отслеживаются расходомером. Например, в тех случаях, когда проточный материал включает в себя вовлеченный воздух, пузырьки воздуха, проходящие через расходомер, могут служить причиной пиков в частотной характеристике расходомера. Эти частотные погрешности могут вызывать затруднение при определении точного удельного массового расхода и могут распространяться по любым последующим расчетам или другим характеристикам потока. Следовательно, определение фазы также является медленным и приводит к погрешности, так как предшествующий уровень техники выводит разность фаз с использованием определенной частоты тензодатчика. Поэтому любая погрешность в определении частоты суммируется при определении фазы. Следствием является повышенная погрешность при определении частоты и при определении фазы, ведущих к повышенной погрешности при определении удельного массового расхода. В дополнение, так как определенное значение частоты используется для определения удельного массового расхода и значения плотности (плотность приблизительно равна единице, деленной на квадрат частоты), погрешность при определении частоты повторяется или суммируется при определении массового расхода и плотности.

Подход предшествующего уровня техники к измерению проточного материала неудовлетворительно измеряет отдельные компоненты многофазного потока. Определение частоты является относительно медленным. Определение частоты типично определяет характеристики потока за временной период по меньшей мере в 1-2 секунды, а потому дает среднее значение измерения частоты. Подход удовлетворителен для однофазных потоков и потоков, которые изменяются исключительно медленно и ограниченным образом. Резкие изменения не могут быть измерены. Точное измерение отдельных компонентов потока не может быть достигнуто. Невозможно точно определить массу многофазного потока на момент времени. Нельзя определять массовую долю компонентов потока многофазного потока.

Сущность решения

Технической задачей настоящего изобретения является создание измерительного электронного устройства и способов для определения массовой доли компонентов потока в материале, протекающем через расходомер.

Согласно варианту осуществления изобретения предложено измерительное электронное устройство для определения объемного содержания газа в материале, протекающем через расходомер. Измерительное электронное устройство содержит интерфейс для приема частотной характеристики проточного материала и систему обработки данных, связанных с интерфейсом. Система обработки данных предназначена для приема частотной характеристики от интерфейса и разложения частотной характеристики на по меньшей мере частотную составляющую газа и частотную составляющую флюида. Система обработки данных дополнительно предназначена для определения общей плотности по частотной характеристике и определения плотности газа по частотной составляющей газа. Система обработки данных дополнительно предназначена для определения объемного содержания газа по частотной характеристике и одной или более из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида. Система обработки данных дополнительно предназначена для определения массовой доли по объемному содержанию газа, умноженному на коэффициент плотности газа, деленный на общую плотность.

Согласно варианту осуществления изобретения предложен способ для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер. Способ содержит прием частотной характеристики проточного материала, разложение частотной характеристики на по меньшей мере частотную составляющую газа и частотную составляющую флюида, определение общей плотности по частотной характеристике и определение плотности газа по частотной составляющей газа. Способ дополнительно содержит определение объемного содержания газа по частотной характеристике и одной или более из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида. Способ дополнительно содержит определение массовой доли по объемному содержанию газа, умноженному на коэффициент плотности газа, деленный на общую плотность.

Согласно варианту осуществления изобретения предложен способ для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер. Способ содержит прием частотной характеристики проточного материала, обработку частотной характеристики узкополосным режекторным фильтром, который по существу отфильтровывает одну из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида, определение общей плотности по частотной характеристике и определение плотности газа по частотной составляющей газа. Способ дополнительно содержит определение объемного содержания газа по частотной характеристике и одной или более из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида. Способ дополнительно содержит определение массовой доли по объемному содержанию газа, умноженному на коэффициент плотности газа, деленный на общую плотность.

Согласно варианту осуществления изобретения предложен способ для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер. Способ содержит прием частотной характеристики проточного материала, фильтрацию частотной характеристики первым фильтром, который по существу отфильтровывает частотную составляющую газа и по существу пропускает частотную составляющую флюида, при этом первый фильтр выдает частотную составляющую флюида, и фильтрацию частотной характеристики вторым фильтром, который по существу отфильтровывает частотную составляющую флюида и по существу пропускает частотную составляющую газа, при этом второй фильтр выдает частотную составляющую газа. Способ дополнительно содержит определение общей плотности по частотной характеристике и определение плотности газа по частотной составляющей газа. Способ дополнительно содержит определение объемного содержания газа по частотной характеристике и одной или более из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида. Способ дополнительно содержит определение массовой доли по объемному содержанию газа, умноженному на коэффициент плотности газа, деленный на общую плотность.

В одном из аспектов измерительного электронного устройства плотность газа содержит обратное значение частоты газа, возведенной в квадрат, а общая плотность содержит обратное значение возведенной в квадрат частоты.

В еще одном аспекте измерительного электронного устройства система обработки дополнительно предназначена для определения удельного массового расхода проточного материала по частотной характеристике и определения по меньшей мере одной из массы первого компонента потока и массы второго компонента потока с использованием массовой доли и удельного массового расхода.

В еще одном аспекте измерительного электронного устройства частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а система обработки данных дополнительно предназначена для определения по существу мгновенной частоты и определения по существу мгновенной разности фаз, при этом удельный массовый расход определяется с использованием частоты и разности фаз.

В еще одном аспекте измерительного электронного устройства, частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а система обработки данных дополнительно предназначена для определения по существу мгновенной частоты, определения по существу мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножения временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В еще одном аспекте измерительного электронного устройства частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а система обработки данных дополнительно предназначена для формирования первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисления частоты с использованием первого 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика, определения по существу мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножения временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В еще одном аспекте измерительного электронного устройства частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а система обработки данных дополнительно предназначена для формирования первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисления разности фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, определения по существу мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножения временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В еще одном аспекте измерительного электронного устройства частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а система обработки данных дополнительно предназначена для формирования первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, формирования второго 90-радусного фазового сдвига по сигналу второго датчика, вычисления разности фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, второго 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, определения по существу мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножения временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В еще одном аспекте измерительного электронного устройства частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а система обработки данных дополнительно предназначена для формирования 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисления частотной характеристики с использованием 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика, вычисления разности фаз с использованием по меньшей мере 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, вычисления временной задержки с использованием частотной характеристики и разности фаз, вычисления удельного массового расхода по временной задержке, определения по существу мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножения временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В одном из аспектов способа плотность газа содержит обратное значение частоты газа, возведенной в квадрат, а общая плотность содержит обратное значение возведенной в квадрат частоты.

В еще одном аспекте способ дополнительно содержит определение удельного массового расхода проточного материала по частотной характеристике и определение по меньшей мере одной из массы первого компонента потока и массы второго компонента потока с использованием массовой доли и удельного массового расхода.

В еще одном аспекте способа определение удельного массового расхода содержит определение по существу мгновенной частоты и определение по существу мгновенной разности фаз, при этом, удельный массовый расход определяется с использованием частоты и разности фаз.

В еще одном аспекте способа частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а определение удельного массового расхода содержит определение по существу мгновенной частоты, определение по существу мгновенной разности фаз, деление разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножение временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В еще одном аспекте способа частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а определение удельного массового расхода дополнительно содержит формирование первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисление частоты с использованием первого 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика, определение по существу мгновенной разности фаз, деление разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножение временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В еще одном аспекте способа частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а определение удельного массового расхода дополнительно содержит формирование первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисление разности фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, определение по существу мгновенной разности фаз, деление разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножение временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В еще одном аспекте способа частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а определение удельного массового расхода дополнительно содержит формирование первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, формирование второго 90-градусного фазового сдвига по сигналу второго датчика, вычисление разности фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, второго 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, определение по существу мгновенной разности фаз, деление разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножение временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

В еще одном аспекте способа частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, а определение удельного массового расхода дополнительно содержит формирование 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисление частотной характеристики с использованием 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика, вычисление разности фаз с использованием по меньшей мере 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, вычисление временной задержки с использованием частотной характеристики и разности фаз, вычисление удельного массового расхода по временной задержке, определение по существу мгновенной разности фаз, деление разности фаз на частоту, для получения временной задержки, и умножение временной задержки на константу, для получения удельного массового расхода.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает расходомер Кориолиса согласно изобретению;

фиг.2 - измерительное электронное устройство согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.3 - блок-схему последовательности операций способа обработки сигнала датчика в расходомере Кориолиса согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.4 - измерительное электронное устройство согласно изобретению;

фиг.5 - блок-схему последовательности операций способа обработки сигналов первого и второго датчиков в расходомере Кориолиса согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.6 - структурную схему части системы обработки данных, согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.7 - блок преобразования Гильберта согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.8 и 9 - структурные схемы двух независимых ветвей блока анализа согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.10 - диаграмму спектральной плотности мощности сигнала тензодатчика расходомера при нормальных условиях согласно изобретению;

фиг.11 - блок преобразования Гильберта согласно варианту осуществления с одиночным фазным сдвигом согласно изобретению;

фиг.12 - блок анализа для варианта осуществления с одиночным фазовым сдвигом согласно изобретению;

фиг.13 - обработку данных датчика в сравнении с предшествующим уровнем техники, при этом сравнивается значение разновременности (Δt) каждого согласно изобретению;

фиг.14 - измерительное электронное устройство согласно еще одному варианту осуществления изобретения;

фиг.15 - диаграмму частотных характеристик расходомера для воздуха, для флюида и для комбинированной смеси воздуха/флюида (то есть для флюида, включающего в себя вовлеченный воздух) согласно изобретению;

фиг.16 - блок-схему последовательности операций способа для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.17 - блок-схему последовательности операций способа для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.18 - диаграмму частоты, показывающую характеристики фильтров нижних частот и верхних частот, которые могут использоваться для выделения частотной составляющей флюида и частотной составляющей газа, согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.19 - блок-схему последовательности операций способа для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.20 - график частотной характеристики узкополосного режекторного фильтра.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг.1-20 и в описании раскрыты примеры для специалистов в данной области техники, каким образом реализовать и использовать наилучший вариант осуществления изобретения. Некоторые традиционные аспекты были упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники будут принимать во внимание отклонения от примеров, которые находятся в пределах объема изобретения, а признаки, описанные ниже, могут комбинироваться различными способами для формирования многочисленных вариантов изобретения. Как результат, изобретение не ограничено характерными примерами, описанными ниже, а только формулой изобретения и ее эквивалентами.

На фиг.1 изображен расходомер 5 Кориолиса, содержащий измерительную сборку 10 и измерительное электронное устройство 20. Измерительная сборка 10 реагирует на удельный массовый расход и плотность технологического материала. Измерительное электронное устройство 20 присоединено к измерительной сборке 10 через провода 100 для предоставления информации о плотности, удельном массовом расходе и температуре через тракт 26, а также другой информации, не относящейся к настоящему изобретению. Описана конструкция расходомера Кориолиса, хотя специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение могло бы осуществляться на практике в качестве вибрационного трубчатого ареометра без дополнительной возможности измерения, предусмотренной массовым расходомером Кориолиса.

Измерительная сборка 10 включает в себя пару патрубков 150 и 150', фланцы 103 и 103', имеющие горловины 110 и 110' фланцев, пару параллельных расходомерных трубок 130 и 130', механизм 180 возбуждения, датчик 190 температуры и пару датчиков 170L и 170R скорости. Расходомерные трубки 130 и 130' содержат два по существу прямых впускных колена 131 и 131' и выпускных колена 134 и 134', которые сходятся по направлению друг к другу на блоках 120 и 120' монтажа расходомерной трубки. Расходомерные трубки 130 и 130' согнуты на двух симметричных участках по своей длине и по существу параллельны по всей своей длине. Планки 140 и 140' ребер жесткости служат для определения осей W и W', около которых вибрирует каждая расходомерная трубка.

Боковые колена 131, 131' и 134, 134' расходомерных трубок 130 и 130' зафиксированы на блоках 120 и 120' монтажа расходомерных трубок, а эти блоки, в свою очередь, зафиксированы на патрубках 150 и 150'. Это обеспечивает непрерывный замкнутый тракт материала через измерительную сборку 10 Кориолиса.

Когда фланцы 103 и 103', имеющие отверстия 102 и 102', присоединены через впускной конец 104 и выпускной конец 104' к технологической линии (не показана), которая переносит технологический материал, который подвергается измерению, материал, который входит в конец 104 измерителя через отверстие 101 во фланце 103, проводится через патрубок 150 в блок 120 монтажа расходомерной трубки, имеющий поверхность 121. В пределах патрубка 150 материал разделяется и направляется через расходомерные трубки 130 и 130'. После выхода из расходомерных трубок 130 и 130' технологический материал повторно объединяется в единый поток в патрубке 150', а после этого направляется к выходному концу 104', присоединенному фланцем 103', имеющим болтовые отверстия 102', к технологической линии (не показана).

Расходомерные трубки 130 и 130' выбираются и надлежащим образом устанавливаются на блоки 120 и 120' монтажа расходомерных трубок, с тем чтобы иметь по существу одинаковое распределение масс, моменты инерции и модуль Юнга вокруг осей W-W и W'-W' изгиба соответственно. Эти оси изгиба проходят через планки 140 и 140' ребер жесткости. Поскольку модуль Юнга расходомерных трубок меняется в зависимости от температуры и это изменение затрудняет расчет расхода и плотности, резистивный термодатчик (RTD) 190 установлен на расходомерную трубку 130', чтобы непрерывно измерять температуру расходомерной трубки. Температура расходомерной трубки, а следовательно, напряжение, появляющееся на концах RTD для заданного тока, проходящего через него, обусловлены температурой материала, проходящего через расходомерную трубку. Зависимое от температуры напряжение, появляющееся на концах RTD, используется, широко известным способом, измерительным электронным средством 20 для компенсации изменения модуля упругости расходомерных трубок 130 и 130', обусловленного любыми изменениями температуры расходомерной трубки. RTD присоединен к измерительному электронному устройству 20 проводом 195.

Обе расходомерные трубки 130 и 130' приводятся в движение возбудителем 180 в противоположных направлениях около своих соответственных осей W и W' изгиба и, что показано, при первой несинфазной форме колебаний изгиба расходомера. Этот механизм 180 возбуждения может содержать любой из многочисленных широко известных компоновок, таких как магнит, установленный на расходомерную трубку 130', и противостоящая катушка, установленная на расходомерную трубку 130 и через которую пропускается переменный ток для вибрации обеих расходомерных трубок. Подходящий сигнал возбуждения подается измерительным электронным устройством 20 через провод 185, чтобы приводить в действие механизм 180.

Измерительное электронное устройство 20 принимает сигнал температуры RTD по проводнику 195, а также левый и правый сигналы скорости, появляющиеся на проводах 165L и 165R соответственно. Измерительное электронное устройство 20 вырабатывает сигнал возбуждения, появляющийся на проводе 185, чтобы приводить в действие элемент 180 и заставлять колебаться трубки 130 и 130'. Измерительное электронное устройство 20 обрабатывает левый и правый сигналы скорости и сигнал RTD, чтобы вычислять удельный массовый расход и плотность материала, протекающего через измерительную сборку 10. Эта информация, наряду с другой информацией, подается измерительным электронным устройством 20 через тракт 26 на средство 29 использования.

На фиг.2 показано измерительное электронное устройство 20 согласно варианту осуществления изобретения. Измерительное электронное устройство 20 может включать в себя интерфейс 201 и систему 203 обработки данных. Измерительное электронное устройство 20 принимает сигналы первого и второго датчиков из измерительной сборки 10, такие как сигналы тензодатчика/датчика скорости. Измерительное электронное устройство 20 обрабатывает сигналы первого и второго датчиков для того, чтобы получать характеристики потока материала, протекающего через измерительную сборку 10. Например, измерительное электронное устройство 20 может определять, например, одно или более из разности фаз, частоты, разновременности (Δt), плотности, удельного массового расхода и объемного расхода по сигналам датчиков. В дополнение, другие характеристики потока могут определяться согласно изобретению. Эти определения обсуждены ниже.

Определение разности фаз и определение частоты гораздо быстрее, точнее и достовернее, чем такие же определения по предшествующему уровню техники. В одном из вариантов осуществления определение разности фаз и определение частоты выводятся непосредственно из фазового сдвига сигнала только одного датчика, без необходимости в каком бы то ни было опорном частотном сигнале. Это преимущественно сокращает время обработки, требуемое для того, чтобы вычислять характеристики потока. В еще одном варианте осуществления разность фаз выводится из фазовых сдвигов сигналов обоих датчиков, тогда как частота выводится только из одного сигнала фазового сдвига. Это повышает точность обеих характеристик потока, и обе могут определяться гораздо быстрее, чем в предыдущем уровне техники.

Способы определения частоты предшествующего уровня техники типично отнимают на выполнение 1−2 секунды. В противоположность, определение частоты согласно изобретению может выполняться за не более чем 50 миллисекунд (мс). Предполагается даже более быстрое определение частоты в зависимости от типа и конфигурации системы обработки данных, частоты выборки частотной характеристики колебаний, размерностей фильтра, коэффициентов прореживания и т.п. При темпе определения частоты в 50 мс измерительное электронное устройство 20 согласно изобретению может быть приблизительно в 40 раз быстрее, чем в предшествующем уровне техники.

Интерфейс 201 принимает сигнал датчика с одного из датчиков 170L и 170R скорости через провода 100 по фиг.1. Интерфейс 201 может выполнять любое необходимое или желательное преобразование сигналов, такое как любой способ форматирования, усиления, буферизации и т.п. В качестве альтернативы, некоторые или все из преобразований сигналов могут выполняться в системе 203 обработки данных.

В дополнение, интерфейс 201 может давать возможность связи между измерительным электронным устройством 20 и внешними устройствами. Интерфейс 201 может быть допускающим любой способ электронной, оптической или беспроводной связи.

Интерфейс 201 в одном из вариантов осуществления связан с дискретизатором 202, при этом сигнал датчика содержит аналоговый сигнал датчика. Дискретизатор 202 производит выборку и оцифровывает аналоговый сигнал датчика и вырабатывает цифровой сигнал датчика. Дискретизатор 202 также может выполнять любое требуемое прореживание, при этом цифровой сигнал датчика прореживается для того, чтобы сократить объем требуемой сигнальной обработки и уменьшить время обработки. Прореживание более подробно будет описано ниже.

Система 203 обработки данных управляет операциями измерительного электронного устройства 20 и обрабатывает измерения параметров потока из сборки 10 расходомера. Система 203 обработки данных выполняет одну или более процедур обработки и, в силу этого, обрабатывает измерения параметров потока, для того чтобы выводить одну или более характеристик потока.

Система 203 обработки данных может содержать компьютер общего назначения, микропроцессорную систему, логическую схему или несколько другое устройство обработки общего назначения или изготовленное по специальным требованиям заказчика. Система 203 обработки данных может быть распределена между многочисленными устройствами обработки. Система 203 обработки данных может включать в себя любой вид интегрального или независимого электронного запоминающего носителя, такого как система 204 хранения.

Система 203 обработки данных обрабатывает сигнал 210 датчика, для того чтобы определять одну или более характеристик потока по сигналу 210 датчика. Одна или более характеристик потока могут включать в себя, например, разность фаз, частоту, разновременность (Δt), удельный массовый расход и/или плотность для проточного материала.

В показанном варианте осуществления система 203 обработки данных определяет характеристики потока по двум сигналам 210 и 211 датчиков и одиночному фазовому сдвигу 213 сигнала датчика. Система 203 обработки данных может определять по меньшей мере разность фаз и частоту по двум сигналам 210 и 211 датчиков и одиночному фазовому сдвигу 213. Как результат, первый либо второй сдвинутый по фазе сигнал датчика (такой как один из сигналов тензодатчиков ниже по потоку или выше по потоку) может обрабатываться системой 203 обработки данных, согласно изобретению, для того чтобы определять разность фаз, частоту, разновременность (Δt) и/или удельный массовый расход для проточного материала.

Система 204 хранения может хранить параметры расходомера и данные, процедуры программного обеспечения, постоянные значения и переменные значения. В одном из вариантов осуществления система 204 хранения включает в себя процедуры, которые выполняются системой 203 обработки данных. В одном из вариантов осуществления система 204 хранения хранит процедуру 212 фазового сдвига, процедуру 215 разности фаз, процедуру 216 частоты, процедуру 217 разновременности (Δt) и процедуру 218 характеристик потока.

В одном из вариантов осуществления система 204 хранения хранит переменные, используемые для управления расходомером 5 Кориолиса. Система 204 хранения в одном из вариантов осуществления хранит переменные, такие как сигнал 210 первого датчика и сигнал 211 второго датчика, которые принимаются с датчиков 170L и 170R скорости/тензодатчиков. Дополнительно система 204 хранения может хранить 90-градусный фазовый сдвиг 213, который формируется для того, чтобы определять характеристики потока.

В одном из вариантов осуществления система 204 хранения хранит одну или более характеристик потока, полученных из измерений параметров потока. Система 204 хранения в одном из вариантов осуществления хранит характеристики потока, такие как разность 220 фаз, частота 221, разновременность (Δt) 222, удельный массовый расход 223, плотность 224 и объемный расход 225, все из которых получены из сигнала 210 датчика.

Процедура 212 фазового сдвига выполняет 90-градусный фазовый сдвиг над входным сигналом, то есть над сигналом 210 датчика. Процедура 212 фазового сдвига в одном из вариантов осуществления реализует преобразование Гильберта (описано ниже).

Процедура 215 разности фаз определяет разность фаз с использованием одиночного 90-градусного фазового сдвига 213. Дополнительная информация также может использоваться для того, чтобы вычислять разность фаз. Разность фаз в одном из вариантов осуществления вычисляется по сигналу 210 первого датчика, сигналу 211 второго датчика и 90-градусному фазовому сдвигу 213. Определенная разность фаз может сохраняться в разности 220 фаз системы 204 хранения. Разность фаз, когда определена по 90-градусному фазовому сдвигу 213, может рассчитываться и получаться гораздо быстрее, чем в предшествующем уровне техники. Это может давать критическую разницу в применениях расходомеров, подвергающихся высоким скоростям потока или где имеют место многофазные потоки. В дополнение, разность фаз может быть получена независимой от частоты сигнала 210 или 211 датчика. Более того, так как разность фаз определяется независимо от частоты, составляющая погрешности в разности фаз не включает в себя составляющую погрешности определения частоты, то есть отсутствует суммирование погрешности при измерении разности фаз. Следовательно, погрешность разности фаз уменьшается по сравнению с разностью фаз предшествующего уровня техники.

Процедура 216 частоты определяет частоту (например, которая демонстрируется сигналом 210 первого датчика либо сигналом 211 второго датчика) по 90-градусному фазовому сдвигу 213. Определенная частота может быть сохранена в частоте 221 системы 204 хранения. Частота, когда определяется по одиночному 90-градусному фазовому сдвигу 213, может рассчитываться и получаться гораздо быстрее, чем в предшествующем уровне техники. Это может давать критическую разницу в применениях расходомеров, подвергающихся высоким скоростям потока, или где имеют место многофазные потоки.

Процедура 217 разновременности (Δt) определяет разновременность (Δt) между сигналом 210 первого датчика и сигналом 211 второго датчика. Разновременность (Δt) может быть сохранена в разновременности (Δt) 222 системы 204 хранения. Разновременность (Δt), по существу, содержит выявленную фазу, деленную на определенную частоту, а потому используется для определения удельного массового расхода.

Процедура 218 характеристик потока может определять одну или более характеристик потока. Процедура 218 характеристик потока может использовать определенную разность 220 фаз и определенную частоту 221, например, для того чтобы достигать этих дополнительных характеристик потока. Должно быть понятно, что для этих определений может потребоваться дополнительная информация, например, такая как удельный массовый расход или плотность. Процедура 218 характеристик потока может определять удельный массовый расход по разновременности (Δt) 222 и поэтому по разности 220 фаз и частоте 221. Формула для определения удельного массового расхода дана в патенте US №5027662, выданном Титлову и другим, и включенном в настоящее описание путем ссылки. Удельный массовый расход имеет отношение к массовому расходу проточного материала в измерительной сборке 10. Подобным образом процедура 218 характеристик потока также может определять плотность 224 и/или объемный расход 225. Определенные удельный массовый расход, плотность и объемный расход могут сохраняться в удельном массовом расходе 223, плотности 224 и объеме 225 системы 204 хранения, соответственно. В дополнение, характеристики потока могут передаваться во внешние устройства.

На фиг.3 показана блок-схема 300 последовательности операций способа обработки сигналов датчика в расходомере Кориолиса согласно варианту осуществления изобретения. На этапе 301 принимаются сигналы первого и второго датчиков. Сигнал первого датчика может содержать сигналы тензодатчика выше по потоку либо ниже по потоку.

На этапе 302 сигналы датчиков могут преобразовываться в нужное состояние. В одном из вариантов осуществления преобразование может включать в себя фильтрацию для удаления шумов и нежелательных сигналов. В одном из вариантов осуществления фильтрация может содержать полосовую фильтрацию, центрированную по ожидаемой основной частоте расходомера 5 Кориолиса. В дополнение могут выполняться другие операции преобразования, такие как усиление, буферизация и т.п. Если сигналы датчиков содержат аналоговые сигналы, этап может дополнительно содержать любой способ выборки, оцифровки и прореживания, которые выполняются для того, чтобы вырабатывать цифровые сигналы датчиков.

На этапе 303 формируется одиночный 90-градусный фазовый сдвиг. 90-градусный фазовый сдвиг содержит 90-градусный фазовый сдвиг сигнала датчика. 90-градусный фазовый сдвиг может выполняться любым видом механизма или операции фазового сдвига. В одном из вариантов осуществления 90-градусный фазовый сдвиг выполняется с использованием преобразования Гильберта, действующего на цифровые сигналы датчиков.

На этапе 304 вычисляется разность фаз с использованием 90-градусного фазового сдвига. Дополнительная информация также может использоваться для того, чтобы вычислять разность фаз. В одном из вариантов осуществления разность фаз определяется по сигналу первого датчика, сигналу второго датчика и одиночному 90-градусному фазовому сдвигу. Разность фаз содержит разность фаз в ответном сигнале, то есть в сигнале тензодатчика, который наблюдается вследствие эффекта Кориолиса в вибрационной измерительной сборке 10.

Результирующая разность фаз определяется без необходимости расчета какого бы то ни было значения частоты. Результирующая разность фаз может получаться гораздо быстрее, чем разность фаз, рассчитываемая с использованием частоты. Результирующая разность фаз обладает большей точностью, чем разность фаз, рассчитанная с использованием частоты.

На этапе 305 вычисляется частота. Частота согласно изобретению преимущественно вычисляется по 90-градусному фазовому сдвигу. Частота в одном из вариантов осуществления использует 90-градусный фазовый сдвиг и соответствующий сигнал датчика, по которому был получен 90-градусный фазовый сдвиг. Частота представляет собой характеристическую частоту колебаний одного из сигнала первого датчика и сигнала второго датчика (в действии частоты сигналов двух датчиков по существу являются идентичными). Частота включает в себя частотную характеристику колебаний расходомерной трубки или расходомерных трубок для вибрации, порожденной возбудителем 180.

Частота, выведенная таким образом, получается без необходимости какого бы то ни было независимого опорного частотного сигнала. Частота получается из одиночного 90-градусного фазового сдвига в течение операции, которая гораздо быстрее, чем в предшествующем уровне техники. Результирующая частота имеет большую точность, чем частота, рассчитываемая в предшествующем уровне техники.

На этапе 306 вычисляется удельный массовый расход проточного материала. Удельный массовый расход вычисляется по результирующей разности фаз и результирующей частоте, вычисленным на этапах 304 и 305. В дополнение, вычисление удельного массового расхода может вычислять разновременность (Δt) по разности фаз и частоте, причем разновременность (Δt), в конечном счете, используется для вычисления удельного массового расхода.

На этапе 307, по выбору, может определяться плотность. Плотность может определяться в качестве одной из характеристик потока, и, например, может определяться по частоте.

На этапе 308, по выбору, может определяться объемный расход. Объемный расход может определяться в качестве одной из характеристик потока и может определяться, например, по удельному массовому расходу и плотности.

Фиг.4 показывает измерительное электронное устройство 20 согласно варианту осуществления изобретения. Элементы, подобно показанным на фиг.2, совместно используют одинаковые номера ссылок.

Измерительное электронное устройство 20 в этом варианте осуществления включает в себя сигнал 210 первого датчика и сигнал 211 второго датчика. Система 203 обработки данных обрабатывает (цифровые) сигналы 210 и 211 первого и второго датчиков, для того чтобы определять одну или более характеристик потока по этим сигналам. Как описано ранее, одна или более характеристик потока могут включать в себя разность фаз, частоту, разновременность (Δt), удельный массовый расход, плотность и/или объемный расход для проточного материала.

В показанном варианте осуществления система 203 обработки данных определяет характеристики потока только по двум сигналам 210 и 211 датчиков, без необходимости в каком бы то ни было внешнем измерении частоты и без необходимости во внешнем опорном частотном сигнале. Система 203 обработки данных может определять по меньшей мере разность фаз и частоту по двум сигналам 210 и 211 датчиков.

Как обсуждалось ранее, система 204 хранения хранит процедуру 212 фазового сдвига, процедуру 215 разности фаз, процедуру 216 частоты, процедуру 217 разновременности (Δt) и процедуру 218 характеристик потока. Система 204 хранения сохраняет сигнал 210 первого датчика и сигнал 211 второго датчика. Система 204 хранения также сохраняет первый 90-градусный фазовый сдвиг 213 и второй 90-градусный фазовый сдвиг, которые формируются из сигналов датчиков, для того чтобы определять характеристики потока. Как описано ранее, система 204 хранения сохраняет разность 220 фаз, частоту 221, разновременность (Δt) 222, удельный массовый расход 223, плотность 224 и объемный расход 225.

Процедура 212 фазового сдвига выполняет 90-градусный фазовый сдвиг над входным сигналом, в том числе над сигналом 210 первого датчика и над сигналом 211 второго датчика. Процедура 212 фазового сдвига в одном из вариантов осуществления реализует преобразование Гильберта (описано ниже).

Процедура 215 разности фаз определяет разность фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига 213 и второго 90-градусного фазового сдвига 214. Дополнительная информация также может использоваться для того, чтобы вычислять разность фаз. Разность фаз в одном из вариантов осуществления вычисляется по сигналу 210 первого датчика, сигналу 211 второго датчика, первому 90-градусному фазовому сдвигу 212 и второму 90-градусному фазовому сдвигу 213. Определенная разность фаз может сохраняться в разности 220 фаз системы 204 хранения, как описано ранее. Разность фаз, когда определена с использованием первого и второго 90-градусных фазовых сдвигов, может быть рассчитана и получена гораздо быстрее, чем в предшествующем уровне техники. Это может давать критическую разницу в применениях расходомеров, подвергающихся высоким скоростям потока или где имеют место многофазные потоки. В дополнение, разность фаз может определяться независимо от частоты сигналов 210 и 211 датчиков. Более того, так как разность фаз определяется независимо от частоты, составляющая погрешности в разности фаз не страдает от составляющей погрешности определения частоты, то есть нет суммирования погрешности при измерении разности фаз. Следовательно, погрешность разности фаз уменьшается по сравнению с разностью фаз предшествующего уровня техники.

Процедура 216 частоты определяет частоту (например, которая демонстрируется сигналом 210 первого датчика либо сигналом 211 второго датчика) по первому 90-градусному фазовому сдвигу 213 и второму 90-градусному фазовому сдвигу 214. Определенная частота может быть сохранена в частоте 221 системы 204 хранения, как описано ранее. Частота, когда определяется по первому и второму 90-градусным фазовым сдвигам, может быть рассчитана и получена гораздо быстрее, чем в предшествующем уровне техники. Это может давать критическую разницу в применениях расходомеров, подвергающихся высоким скоростям потока или где имеют место многофазные потоки.

Процедура 217 разновременности (Δt) определяет разновременность (Δt) между сигналом 210 первого датчика и сигналом 211 второго датчика. Разновременность (Δt) может сохраняться в разновременности (Δt) 222 системы хранения 204, как описано ранее. Разновременность (Δt), по существу, содержит выявленную фазу, деленную на определенную частоту, а потому используется для определения удельного массового расхода.

Процедура 218 характеристик потока может определять одно или более из удельного массового расхода, плотности и/или объемного расхода, как описано ранее.

Фиг.5 - блок-схема 500 последовательности операций способа обработки сигналов первого и второго датчиков в расходомере Кориолиса согласно варианту осуществления изобретения. На этапе 501 принимается сигнал первого датчика. В одном из вариантов осуществления сигнал первого датчика содержит сигнал тензодатчика выше по потоку или ниже по потоку.

На этапе 502 принимается сигнал второго датчика. В одном из вариантов осуществления сигнал второго датчика содержит сигнал тензодатчика ниже по потоку или выше по потоку (то есть разноименный сигналу первого датчика).

На этапе 503 сигналы датчиков могут преобразовываться в нужное состояние. В одном из вариантов осуществления преобразование может включать в себя фильтрацию для удаления шумов и нежелательных сигналов. В одном из вариантов осуществления фильтрация может содержать полосовую фильтрацию, как описано ранее. В дополнение, могут выполняться другие операции преобразования, такие как усиление, буферизация и т.п. Если сигналы датчиков содержат аналоговые сигналы, этап может дополнительно содержать любой способ выборки, оцифровки и прореживания, которые выполняются для того, чтобы вырабатывать цифровые сигналы датчиков.

На этапе 504 формируется первый 90-градусный фазовый сдвиг. Первый 90-градусный фазовый сдвиг содержит 90-градусный фазовый сдвиг сигнала первого датчика. 90-градусный фазовый сдвиг может выполняться любым видом механизма или операции. В одном из вариантов осуществления 90-градусный фазовый сдвиг выполняется с использованием преобразования Гильберта, действующего на цифровые сигналы датчиков.

На этапе 505 формируется второй 90-градусный фазовый сдвиг. Второй 90-градусный фазовый сдвиг содержит 90-градусный фазовый сдвиг сигнала второго датчика. Как и в первом 90-градусном фазовом сдвиге, 90-градусный фазовый сдвиг может выполняться любым видом механизма или операции.

На этапе 506 разность фаз вычисляется между сигналом первого датчика и сигналом второго датчика с использованием первого 90-градусного фазового сдвига и второго 90-градусного фазового сдвига. Дополнительная информация также может использоваться для того, чтобы вычислять разность фаз. В одном из вариантов осуществления разность фаз определяется по сигналу первого датчика, сигналу второго датчика, первому 90-градусному фазовому сдвигу и второму 90-градусному фазовому сдвигу. Разность фаз содержит разность фаз в ответном сигнале, то есть на двух тензодатчиках, которая наблюдается вследствие эффекта Кориолиса в вибрационной измерительной сборке 10.

Результирующая разность фаз определяется без необходимости расчета какого бы то ни было значения частоты. Результирующая разность фаз может получаться гораздо быстрее, чем разность фаз, рассчитываемая с использованием частоты. Результирующая разность фаз обладает большей точностью, чем разность фаз, рассчитанная с использованием частоты.

На этапе 507 вычисляется частота. Частота согласно изобретению преимущественно вычисляется по первому 90-градусному фазовому сдвигу и второму 90-градусному фазовому сдвигу. Частота в одном из вариантов осуществления использует 90-градусный фазовый сдвиг и соответствующий сигнал датчика, по которому был получен 90-градусный фазовый сдвиг. Частота представляет собой характеристическую частоту колебаний одного из сигнала первого датчика и сигнала второго датчика (в действии частоты сигналов двух датчиков по существу являются идентичными). Частота включает в себя частотную характеристику колебаний расходомерной трубки или расходомерных трубок для вибрации, порожденной возбудителем 180.

Частота, выведенная таким образом, получается без необходимости какого бы то ни было независимого опорного частотного сигнала. Частота получается из 90-градусных фазовых сдвигов в течение операции, которая гораздо быстрее, чем в предшествующем уровне техники. Результирующая частота имеет большую точность, чем частота, рассчитываемая в предшествующем уровне техники.

На этапе 508 вычисляется удельный массовый расход проточного материала. Удельный массовый расход вычисляется по результирующей разности фаз и результирующей частоте, вычисленным на этапах 506 и 507. В дополнение вычисление удельного массового расхода может вычислять разновременность (Δt) по разности фаз и частоте, причем разновременность (Δt), в конечном счете, используется для вычисления удельного массового расхода.

На этапе 509, по выбору, может определяться плотность, как описано ранее.

На этапе 510, по выбору, может определяться объемный расход, как описано ранее.

Фиг.6 - структурная схема 600 части системы 203 обработки данных согласно варианту осуществления изобретения. На фигуре, блоки изображают схемы обработки либо действия/процедуры обработки. Структурная схема 600 включает в себя блок 601 фильтра каскада 1, блок 602 фильтра каскада 2, блок 603 преобразования Гильберта и блок 604 анализа. Входы LPO и RPO содержат сигнальный вход левого тензодатчика и сигнальный вход правого тензодатчика. LPO либо RPO может содержать сигнал первого датчика.

В одном из вариантов осуществления блок 601 фильтра каскада 1 и блок 602 фильтра каскада 2 содержат цифровые прореживающие многофазные фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ, FIR), реализованные в системе 203 обработки данных. Эти фильтры обеспечивают оптимальный способ для фильтрации и прореживания одного или обоих сигналов датчиков, с фильтрацией и прореживанием, выполняемыми в один и тот же хронологический момент времени и с одинаковым коэффициентом прореживания. В качестве альтернативы, блок 601 фильтра каскада 1 и блок 602 фильтра каскада 2 могут содержать фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ, IIR) или другие подходящие цифровые фильтры или последовательности операций фильтра. Однако должно быть понятно, что другие последовательности операций фильтрации и/или варианты осуществления фильтрации предполагаются и находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.

Фиг.7 показывает детализацию блока 603 преобразования Гильберта согласно варианту осуществления изобретения. В показанном варианте осуществления блок 603 преобразования Гильберта включает в себя ветвь 700 LPO и ветвь 710 RPO. Ветвь 700 LPO включает в себя блок 701 задержки LPO в параллель с блоком 702 фильтра LPO. Подобным образом ветвь RPO включает в себя блок 711 задержки RPO в параллель с блоком 712 фильтра RPO. Блок 701 задержки LPO и блок 711 задержки RPO вводят задержки выборки. Поэтому блок 701 задержки LPO и блок 711 задержки RPO выбирают отсчеты цифровых сигналов LPO и RPO, которые являются хронологически более поздними по времени, чем отсчеты цифровых сигналов LPO и RPO, которые фильтруются блоком 702 фильтра LPO и блоком 712 фильтра RPO. Блок 702 фильтра LPO и блок 712 фильтра RPO выполняют 90-градусный фазовый сдвиг над введенными отсчетами цифровых сигналов.

Блок 603 преобразования Гильберта является первым этапом для обеспечения измерения фазы. Блок 603 преобразования Гильберта принимает отфильтрованные, прореженные сигналы LPO и RPO и выполняет преобразование Гильберта. Преобразование Гильберта вырабатывает сдвинутые на 90 градусов по фазе варианты сигналов LPO и RPO, то есть оно создает квадратурные (Q) составляющие исходных синфазных (I) составляющих сигналов. Поэтому выходной сигнал блока 603 преобразования Гильберта выдает новые квадратурные (Q) составляющие LPO Q и RPO Q наряду с исходными, синфазными (I) составляющими LPO I и RPO I сигналов.

Входные сигналы для блока 603 преобразования Гильберта могут быть представлены как:

С использованием преобразования Гильберта выходной сигнал обращается в:

Объединение исходных членов с результатом преобразования Гильберта дает:

Фиг.8 и 9 - структурные схемы двух независимых ветвей блока 604 анализа согласно варианту осуществления изобретения. Блок анализа 604 является конечным каскадом измерения частоты, разности фаз и дельты Т (Δt). Фиг.8 − фазовая часть 604а, содержащая первую ветвь, которая определяет разность фаз по синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющим. Фиг.9 − частотная часть 604b, которая определяет частоту по синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющим одиночного сигнала датчика. Одиночный сигнал датчика может содержать сигнал LPO, как показано, или, в качестве альтернативы, содержать сигнал RPO.

В варианте осуществления по фиг.8 фазовая часть 604а блока 604 анализа включает в себя блоки 801а и 801b объединения, блок 802 сопряжения, блок 803 комплексного умножения, блок 804 фильтра и блок 805 фазового угла.

Блоки 801а и 801b объединения принимают обе, синфазную (I) и квадратурную (Q), составляющие сигнала датчика, и пропускают их дальше. Блок 802 сопряжения выполняет комплексное сопряжение над сигналом датчика (здесь сигналом LPO) и формирует отрицательное значение мнимого сигнала. Блок 803 комплексного умножения перемножает сигнал RPO и сигнал LPO, реализуя равенство (8), приведенное ниже. Блок 804 фильтра реализует цифровой фильтр, такой как КИХ-фильтр, обсужденный выше. Блок 804 фильтра может содержать многофазный прореживающий фильтр, который используется для удаления коэффициента гармоник из синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих сигнала датчика, а также для прореживания сигнала. Коэффициенты фильтра могут выбираться для обеспечения прореживания введенного сигнала, например, такого как прореживание согласно коэффициенту 10. Блок 805 фазового угла определяет фазовый угол по синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющим сигнала LPO и сигнала RPO. Блок 805 фазового угла реализует равенство (11), показанное ниже.

Фазовая часть 604а, показанная на фиг.8, реализует следующее равенство:

где - комплексное сопряжение LPO. При условии, что

то

Результирующим дифференциальным фазовым углом является:

Фиг.9 − структурная схема частотной части 604b блока 604 анализа согласно изобретению. Частотная часть 604b может оперировать сигналом левого или правого тензодатчика (LPO или RPO). Частотная часть 604b в показанном варианте осуществления включает в себя блок 901 объединения, блок 902 комплексного сопряжения, блок 903 выборки, блок 904 комплексного умножения, блок 905 фильтра, блок 906 фазового угла, блок 907 константы и блок 908 деления.

Как описано ранее, блок 901 объединения принимает обе, синфазную (I) и квадратурную (Q), составляющие сигнала датчика и пропускает их дальше. Блок 902 сопряжения выполняет комплексное сопряжение над сигналом датчика, здесь сигналом LPO, и формирует отрицательное значение мнимого сигнала. Блок 903 задержки вводит задержку дискретизации в частотную часть 604b и поэтому выбирает отсчет цифрового сигнала, который хронологически является более давним во времени. Этот более давний отсчет цифрового сигнала перемножается с текущим цифровым сигналом в блоке 904 комплексного умножения. Блок 904 комплексного умножения перемножает сигнал LPO и сопряженный сигнал LPO, реализуя равенство (12), приведенное ниже. Блок 905 фильтра реализует цифровой фильтр, такой как КИХ-фильтр, обсужденный ранее. Блок 905 фильтра может содержать многофазный прореживающий фильтр, который используется для удаления коэффициента гармоник из синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих сигнала датчика, а также для прореживания сигнала. Коэффициенты фильтра могут выбираться для обеспечения прореживания введенного сигнала, например, такого как прореживание согласно коэффициенту 10. Блок 906 фазового угла определяет фазовый угол по синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющим сигнала LPO. Блок 906 фазового угла реализует часть равенства (13), приведенного ниже. Блок 907 константы выдает коэффициент, содержащий частоту F_S выборки, деленную на два π, как показано в равенстве (14). Блок 908 деления выполняет операцию деления по равенству (14).

Частотная часть 604b реализует следующее равенство:

Поэтому угол между двумя следующими друг за другом отсчетами составляет:

которое является угловой частотой левого тензодатчика.

Преобразуя в Гц:

где F_S - частота блока 603 преобразования Гильберта. В описанном ранее примере F_S составляет приблизительно 2 кГц.

Фиг.10 - график спектральной плотности мощности сигнала тензодатчика расходомера при нормальных условиях. Основная частота расходомера является самым высоким пиком графика и расположена приблизительно на 135 Гц. Фигура также показывает несколько других больших пиков в частотном спектре (первая не основная форма колебаний является формой колебаний кручения с частотой, приблизительно в 1,5 раза большей частоты основной формы колебаний). Эти пики содержат гармонические частоты расходомера, а также содержат другие, нежелательные формы колебаний датчика (то есть форму колебаний кручения, вторую форму колебаний изгиба и т.д.).

Фиг.11 показывает альтернативный блок 603' преобразования Гильберта согласно варианту осуществления с одиночным фазовым сдвигом. Блок 603' преобразования Гильберта в этом варианте осуществления включает в себя ветвь 1100 LPO и ветвь 1110 RPO. Ветвь 1100 LPO включает в себя блок 701 задержки в параллель с блоком 702 фильтра. Ветвь 1110 RPO в этом варианте осуществления включает в себя только блок 701 задержки. Как раньше, блоки 701 задержки вводят задержки выборки. Как раньше, блок 702 фильтра выполняет 90-градусный фазовый сдвиг над введенным отсчетом цифрового сигнала. Должно быть понятно, что, в качестве альтернативы, блок 603' преобразования Гильберта мог бы сдвигать по фазе только сигнал RPO.

Этот вариант осуществления обработки использует преобразование Гильберта/фазовый сдвиг сигнала только одного датчика, для того чтобы выводить как частоту, так и разность фаз (см. фиг.2−3). Это значительно сокращает количество вычислений, необходимых для выполнения измерения фазы, и значительно сокращает количество вычислений, необходимых для получения удельного массового расхода.

В этом варианте осуществления выходной сигнал блока 603' преобразования Гильберта будет выдавать квадратурную (Q) составляющую сигнала левого или правого датчика, но не обоих. В примере, приведенном ниже, сигнал LPO сдвигается по фазе.

С использованием преобразования Гильберта выходной сигнал обращается в:

Комбинирование исходного члена LPO с выходом преобразования Гильберта (то есть с 90-градусным фазовым сдвигом) дает:

тогда как RPO остается прежним:

Фиг.12 показывает блок 604а' анализа для варианта осуществления с одиночным фазовым сдвигом. Блок 604а' анализа в этом варианте осуществления включает в себя один блок 801 объединения, блок 803 комплексного умножения, блок 1201 фильтра нижних частот и блок 805 фазового угла. Блок 604а' анализа в этом варианте осуществления реализует следующее равенство:

Блок 1201 фильтра нижних частот содержит фильтр нижних частот, который удаляет высокочастотную составляющую, создаваемую блоком 803 комплексного умножения. Блок 1201 фильтра нижних частот может реализовывать любой вид операции фильтрации нижних частот. Результат операции умножения дает два члена. Член (-ωt+ωt+⌀) объединяется и упрощается до только фазового члена ⌀ (результат постоянной составляющей), так как члены (-ωt) и (+ωt) нейтрализуют друг друга. (ωt+ωt+⌀) упрощается до члена (2ωt+⌀), с вдвое большей частотой. Так как результатом является сумма 2-х членов, высокочастотный член (2ωt+⌀) может быть удален. Единственным интересующим сигналом здесь является член постоянной составляющей. Высокочастотный член (2ωt+⌀) может быть отфильтрован из результата с использованием фильтра нижних частот. Срез фильтра нижних частот может быть расположен где угодно между нулем и 2ω.

После фильтрации результатом является:

Поэтому дифференциальным фазовым углом является:

Взятием преобразования Гильберта по сигналу одного тензодатчика вместо двух вычислительная нагрузка, необходимая для выполнения расчета фазы и частоты в массовых расходомерах Кориолиса, преимущественно уменьшается. Поэтому фаза и частота могут определяться с использованием сигналов двух датчиков, но с использованием только одного 90-градусного фазового сдвига.

Фиг.13 показывает обработку данных датчика по изобретению в сравнении с предшествующим уровнем техники, при этом сравнивается значение разновременности (Δt) каждого. График показывает проточный материал, включающий в себя поток газа (то есть, например, пузырьки газа). При этом условии шумы потока по существу устраняются в новом алгоритме вследствие темпа расчета фазы и частоты. По графику можно видеть, что результат, полученный согласно изобретению, не отображает больших пиков и впадин, которые отражены в результатах измерения (Δt) предшествующего уровня техники.

Изобретение отличается от предшествующего уровня техники. Во-первых, предшествующий уровень техники типично определяет частоту тензодатчика с использованием сигнала тензодатчика и независимого источника частоты, такого как сигнал возбудителя, отправляемый в систему возбудителя, для того чтобы определять характеристическую частоту колебаний. В противоположность, изобретение определяет частоту посредством сдвига фазы одного из сигналов двух датчиков. Предшествующий уровень техники не определяет характеристическую частоту колебаний по фазовому сдвигу сигнала датчика.

Во-вторых, большинство расходомеров предшествующего уровня техники определяют разность фаз между сигналами тензодатчиков с использованием определения частоты предшествующего уровня техники. Как следствие, любая погрешность, включенная в определение частоты предшествующего уровня техники, включается в определение разности фаз предшествующего уровня техники, с наращиванием общей погрешности при определении удельного массового расхода предшествующего уровня техники. В противоположность, изобретение определяет разность фаз непосредственно из одного или двух сдвинутых по фазе сигналов датчиков, не используя никакое определение частоты. Как результат, любой элемент погрешности является результатом только фазовой манипуляции и измерения фазы определения разности фаз и не подвергается влиянию никакой погрешности определения частоты.

В-третьих, предшествующий уровень техники определяет удельный массовый расход с использованием независимо определенной внешней частоты. Типично, предшествующий уровень техники также использует разность фаз, которая была получена с использованием независимо определенной внешней частоты. Следовательно, в предшествующем уровне техники удельный массовый расход может дважды подвергаться влиянию любой ошибки при определении частоты, а потому не является удовлетворительно точным и достоверным. В противоположность, в изобретении определение частоты и определение разности фаз выводятся независимо. Определение частоты и определение разности фаз по изобретению поэтому включают в себя гораздо меньший элемент погрешности. Как результат, с использованием измерительного электронного устройства и способа по изобретению погрешность при определении удельного массового расхода значительно уменьшается. Следовательно, плотность и удельный объемный расход согласно изобретению также улучшаются по точности и достоверности.

В-четвертых, определение частоты по предшествующему уровню техники отнимает относительно длительное время. В ситуациях, где проточный материал содержит двухфазный или трехфазный поток, такой как жидкость, включающая в себя вовлеченные твердые частицы и/или вовлеченные газы (такие как воздушные пузырьки), определение частоты предшествующего уровня техники может отнимать не более чем 1-2 секунды для предоставления устойчивого и относительно точного измерения частоты. В противоположность, определения частоты и разности фаз согласно изобретению могут получаться гораздо быстрее, например, в порядке миллисекунд или сотен миллисекунд. Все характеристики потока, выведенные из частоты и разности фаз, также могут быть получены за гораздо меньшее время.

Фиг.14 показывает измерительное электронное устройство 20 согласно другому варианту осуществления изобретения. Измерительное электронное устройство 20 по этому варианту осуществления может включать в себя интерфейс 201, дискретизатор 202, систему 203 обработки данных и систему 204 хранения, как описано ранее. Компоненты и/или процедуры, подобно другим вариантам осуществления, совместно используют общие номера ссылок. Должно быть понятно, что измерительное электронное устройство 20 по этой фигуре может включать в себя другие различные компоненты и/или процедуры, такие как обсужденные ранее.

В действии измерительное электронное устройство 20 обрабатывает сигналы первого и второго датчиков из измерительной сборки 10, для того чтобы определять массовую долю компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер 5. Массовая доля является отношением массового расхода между первым компонентом потока и вторым компонентом потока в струе двухфазного потока. Массовая доля может использоваться для определения масс различных компонентов потока. Например, поток может содержать флюидный компонент и газовый компонент. Суммарный удельный массовый расход проточного материала может умножаться на массовую долю, для того чтобы выводить один или более из удельного массового расхода флюидного компонента и удельного массового расхода газового компонента. Флюид может содержать любой вид флюида, а газ может содержать любой вид газа. Газ может содержать, например, воздух. Обсуждение, приведенное ниже, сосредотачивается на воздухе во флюиде, но должно быть понятно, что изобретение использует любой газ.

Измерительное электронное устройство 20 принимает и обрабатывает частотную характеристику 1410 измерительной сборки 10, например, сигнал 1410 первого датчика и сигнал 1411 второго датчика, из расходомера. Измерительное электронное устройство 20 раскладывает частотную характеристику 1410 на частотную составляющую 1412 газа и частотную составляющую 1416 флюида. Измерительное электронное устройство 20 определяет общую плотность (ρ_mix) 1420 по частотной характеристике 1410. Подобным образом плотность (ρ_gas) 1421 газового компонента определяется по частотной составляющей 1412 газа. Измерительное электронное устройство 20 использует частотную характеристику 1410 и одну или более из частотной составляющей 1412 газа и частотной составляющей 1416 флюида для определения объемного содержания газа 1418. Измерительное электронное устройство 20 дополнительно использует объемное содержание 1418, общую плотность 1420 и плотность 1421 газа для определения массовой доли 1419. Массовая доля (mf) определена как:

В одном из вариантов осуществления массовая доля заключает в себе массовую долю газа (mf_gas). Массовая доля газа составляет:

Однако должно быть понятно, что, в качестве альтернативы, изобретение может определять массовую долю флюида (mf_fluid) в проточном материале (или любую другую массовую долю). Массовая доля флюида (mf_fluid) составляет дополнение массовой доли газа:

Однако это обсуждение будет сосредотачиваться на массовом расходе газа (mf_gas) в целях простоты.

Сигнал 1410 первого датчика и сигнал 1411 второго датчика содержат изменяющиеся по времени электрические сигналы, которые по существу непрерывно принимаются и обрабатываются измерительным электронным устройством 20, такие как сигналы с тензодатчиков 170L и 170R. Частотная характеристика 1410 может определяться с использованием обсужденных ранее блоков обработки (смотрите фиг.6−7 и 9). Преимущественно, при использовании обсужденного ранее высокоскоростного определения частоты, изобретение может быстро, точно и достоверно определять объемное содержание газа 1418.

Система 203 обработки данных в этом варианте осуществления может включать в себя процедуру 1401 объемного содержания, процедуру 1402 узкополосного режекторного фильтра и процедуру 1405 массовой доли. Система 203 обработки данных дополнительно может включать в себя один или более фильтров или процедур фильтров, таких как процедура 1403 фильтра нижних частот и процедура 1404 фильтра верхних частот. В качестве альтернативы, одни или более фильтров или процедур фильтра могут включать в себя конфигурацию узкополосного режекторного фильтра или другую конфигурацию фильтра, которая отфильтровывает узкую полосу частот. Система 203 обработки данных дополнительно может включать в себя частотную характеристику 1410 и объемное содержание 1418 и массовую долю 1419, которые могут хранить измерения частотной характеристики, определения объемного содержания и определения массовой доли соответственно. Система 203 обработки данных дополнительно может включать в себя частотную составляющую 1416 флюида и частотную составляющую 1412 газа, которые хранят рабочие значения частоты для определения объемного содержания. Система 203 обработки данных дополнительно может включать в себя общую плотность 1420, плотность 1421 газового компонента и плотность 1422 флюидного компонента, которые хранят рабочие значения плотности для определений объемного содержания и массовой доли.

Частотная характеристика 1410 содержит частоту (f_mix) смеси, при этом частотная характеристика 1410 может включать в себя частотную составляющую (f_gas) 1412 газа и частотную составляющую 1416 (f_fluid) флюида. Объемное содержание и массовая доля могут определяться после того, как эти частотные составляющие выделены из частоты (f_mix) смеси и определены. В любое время частотная характеристика 1410 может включать в себя любую величину частотной составляющей (f_gas) 1412 газа (то есть вовлеченного газа).

Фиг.15 - график частотных характеристик расходомера для воздуха, для флюида и для комбинированной смеси воздуха/флюида (то есть, для флюида, включающего в себя вовлеченный воздух). Плотность газа является отличимой от плотности флюида в проточном материале, протекающем через расходомер. Так как плотность может выводиться из измеренной частоты, частота, ассоциативно связанная с воздухом, также является отличимой от частоты флюида. Это также верно для других газов или газовых смесей.

Равенство для расчета частоты:

где ω − угловая частота расходомера Кориолиса. Член ω_-1 изображает отсчет угловой частоты из предыдущего или более раннего периода выборки. Преобразование угловой частоты ω в частоту f в Герцах (Гц) дает:

Это равенство предполагает, что присутствует только одна частота. Если присутствуют две частоты, как в случае вовлеченного воздуха (частота воздуха и частота флюида проточного материала), новое равенство обращается в:

где f_mix − частотная характеристика проточного материала в целом, включая частотную составляющую (f_gas) газа и частотную составляющую (f_fluid) флюида.

Снова со ссылкой на фиг.14, процедура 1403 фильтра нижних частот реализует фильтр нижних частот. Фильтр нижних частот пропускает низкие частоты, по существу, ниже частоты среза нижних частот. Поэтому фильтр нижних частот может использоваться для удаления высоких частот.

Процедура 1404 фильтра верхних частот реализует фильтр верхних частот. Фильтр верхних частот пропускает высокие частоты, по существу, выше частоты среза верхних частот. Поэтому фильтр верхних частот может использоваться для удаления низких частот.

Процедура 1402 узкополосного режекторного фильтра реализует узкополосный режекторный фильтр. Узкополосный режекторный фильтр отфильтровывает узкий диапазон частот, который центрирован по «провалу» в частотной характеристике узкополосного режекторного фильтра. Только частоты в провале отфильтровываются узкополосным режекторным фильтром. Поэтому узкополосный режекторный фильтр очень полезен для удаления известных нежелательных частот из частотной характеристики 1410.

Процедура 1401 объемного содержания определяет объемное содержание (типично, газа) в проточном материале. Объемное содержание может определяться по плотностям компонентов потока, где общая плотность (ρ_mix) содержит сумму плотности газового компонента (ρ_gas) и плотности флюидного компонента (ρ_fluid).

Плотность (ρ) составляет:

где f - измерение частоты частотной составляющей 1416 флюида (то есть f_mix). Плотность 1422 флюидного компонента (p_fluid) может рассчитываться с использованием частотной составляющей 1416 флюида. В одном из вариантов осуществления частотная составляющая 1416 флюида содержит среднюю частоту смеси. Плотность 1421 газового компонента (ρ_gas) может рассчитываться с использованием частотной составляющей 1412 газа. Следовательно, объемное содержание газа 1418 рассчитывается в качестве отношения плотности 1422 флюидного компонента (ρ_fluid) минус общая плотность (ρ_mix) 1420, деленные на плотность 1422 флюидного компонента (ρ_fluid) минус плотность 1421 газового компонента (ρ_gas). Вычисление объемного содержания имеет вид:

Результирующее объемное содержание газа 1418 отражает отношение газа к флюиду в проточном материале.

Процедура 1405 массовой доли определяет массовую долю 1419 по частотной характеристике 1410. В одном из вариантов осуществления процедура 1405 массовой доли использует определенное объемное содержание (VF) 1418 наряду с выведенными значениями плотности, для того чтобы рассчитывать массовую долю 1419.

Масса (m) и объем (V) соотносятся плотностью (ρ). Поэтому плотность составляет:

Как результат, массовая доля (mf) может быть упрощена до:

Так как объемное содержание (VF) составляет отношение объемов:

то массовая доля (mf) составляет:

Как результат, массовая доля может определяться по объемному содержанию (VF), плотности 1421 газового компонента (ρ_gas) и общей плотности 1422 (ρ_mix). Плотность 1421 газового компонента (ρ_gas) и общая плотность 1422 (ρ_mix) могут определяться по частотной составляющей 1412 газа и частотной характеристике 1410 соответственно.

Должно быть понятно, что может потребоваться только одна из частотной составляющей 1412 газа и частотной составляющей 1416 флюида, если газ или флюид известны. Например, если газ содержит воздух, то может допускаться стандартная частотная характеристика (и плотность) воздуха. Как результат, известная частота газа или флюида может отфильтровываться, и необходим только один этап фильтрации.

Измерительное электронное устройство 20 дополнительно может определять другие характеристики потока, такие как общий удельный массовый расход, массовые расходы компонентов, объемы компонентов и т.п. Измерительное электронное устройство 20 может быть на связи с измерительной сборкой 10, где измерительная сборка 10 может содержать любой вид расходомера, который формирует частотную характеристику. В одном из вариантов осуществления измерительная сборка 10 содержит расходомер Кориолиса. В еще одном варианте осуществления измерительная сборка 10 содержит вибрационный ареометр.

Фиг.16 - блок-схема 1600 последовательности операций способа для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, согласно варианту осуществления изобретения. На этапе 1601, принимается частотная характеристика. Частотная характеристика может приниматься, например, в измерительном электронном устройстве 20. Частотная характеристика содержит частотную характеристику для вибрационной измерительной сборки 10, которая включает в себя проточный материал.

На этапе 1602 частотная характеристика раскладывается на частотную составляющую 1412 газа и частотную составляющую 1416 флюида. Это возможно потому, что частотная характеристика 1410 содержит частотную составляющую газа, которая имеет отношение к расходу газа в проточном материале, и частотную составляющую флюида, которая имеет отношение к расходу флюида. Разложение может выполняться одним или более фильтрами, как описано ранее.

На этапе 1603 общая плотность (ρ_mix) определяется по частотной характеристике. Общая плотность (ρ_mix) отражает плотность объединенных флюидного и газового компонентов потока. Как описано ранее, общая плотность (ρ_mix), по существу, содержит квадрат единицы, деленной на частотную характеристику (то есть инвертированной частотной характеристики).

На этапе 1604 плотность 1421 газового компонента (ρ_gas) определяется по частотной составляющей газа (f_gas). Плотность газового компонента (ρ_gas) отражает плотность только газового компонента потока.

На этапе 1605, как описано ранее, объемное содержание (VF) газа 1418 определяется с использованием частотной характеристики 1410, частотной составляющей 1412 газа и частотной составляющей 1416 флюида. Результирующее объемное содержание газа 1418 может быть выражено в виде отношения, процента или другой меры.

На этапе 1606 массовая доля определяется по объемному содержанию (VF) 1418 и отношению плотности газа (ρ_gas) к общей плотности (ρ_mix), как показано в равенстве 46.

Фиг.17 - блок-схема 1700 последовательности операций способа для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, согласно варианту осуществления изобретения. Один из способов выделения частотных составляющих газа и флюида из частотной характеристики содержит выполнение двух операций фильтрации. Одна операция фильтрации содержит фильтрацию частотной характеристики первым фильтром, который, по существу, отфильтровывает частотную составляющую газа и, по существу, пропускает частотную составляющую флюида. Вторая операция фильтрации содержит фильтрацию частотной характеристики вторым фильтром, который, по существу, отфильтровывает частотную составляющую флюида и, по существу, пропускает частотную составляющую газа. Как результат, первый фильтр выдает частотную составляющую флюида, тогда как второй фильтр выдает частотную составляющую газа.

На этапе 1701 принимается частотная характеристика, как описано ранее.

На этапе 1702 частотная характеристика фильтруется первым фильтром. Первый фильтр по существу отфильтровывает частотную составляющую газа и по существу пропускает частотную составляющую флюида (смотрите фиг.18). В одном из вариантов осуществления первый фильтр содержит фильтр нижних частот, при этом частота среза нижних частот фильтра нижних частот, по существу, выше частотной составляющей флюида. Как результат, фильтр нижних частот, по существу, пропускает частотную составляющую флюида и, по существу, отфильтровывает частотную составляющую газа.

На этапе 1703 частотная характеристика фильтруется вторым фильтром. Второй фильтр, по существу, отфильтровывает частотную составляющую флюида и, по существу, пропускает частотную составляющую газа. В одном из вариантов осуществления второй фильтр содержит фильтр верхних частот, при этом частота среза верхних частот фильтра верхних частот, по существу, ниже частотной составляющей газа (но выше частотной составляющей флюида). Как результат, фильтр верхних частот, по существу, пропускает частотную составляющую газа и, по существу, отфильтровывает частотную составляющую флюида.

На этапе 1704 определяется общая плотность (ρ_mix), как описано ранее.

На этапе 1705 определяется плотность газа (ρ_gas), как описано ранее.

На этапе 1706, как описано ранее, объемное содержание газа 1418 определяется с использованием частотной характеристики 1410, частотной составляющей 1412 газа и частотной составляющей 1416 флюида.

На этапе 1707 определяется массовая доля 1419, как описано ранее.

Фиг.18 - график частоты, показывающий характеристики фильтров нижних частот и верхних частот, которые могут использоваться для выделения частотной составляющей флюида и частотной составляющей газа согласно варианту осуществления изобретения. Нижняя линия графика изображает частотную характеристику расходомера, включающую в себя резонансный максимум частотной составляющей флюида и резонансный максимум частотной составляющей газа. Резонансный максимум частотной составляющей флюида является более низким по частоте, чем резонансный максимум частотной составляющей газа. Верхние линии содержат характеристику фильтра нижних частот и характеристику фильтра верхних частот наряду с частотой среза. Здесь частота среза для обоих фильтров, нижних частот и верхних частот, по существу, центрирована между двумя резонансными максимумами. Фильтры нижних частот и верхних частот могут иметь общую частоту среза или могут иметь разные частоты среза в зависимости от частотных составляющих флюида и газа. Можно видеть, что фильтр нижних частот будет выдавать частотную составляющую флюида, а фильтр верхних частот будет выдавать частотную составляющую газа. Поэтому два фильтра могут раскладывать частотную характеристику 1410 на частотную составляющую 1412 газа и частотную составляющую 1416 флюида.

Еще один способ выделения частотных составляющих флюида и газа включает в себя отфильтровывание одиночной известной частотной составляющей и использование частотной составляющей, пропущенной операцией фильтра, для того чтобы определять плотности флюидного и газового компонентов. Например, в тех случаях, когда газом в проточном материале является воздух, операция фильтрации может быть предназначена для отфильтровывания относительно узкой полосы частот, центрированной по типичной частотной характеристике воздуха. Впоследствии общая плотность, выведенная из частотной характеристики, и составляющая плотности флюида, выведенная из оставшейся частотной составляющей флюида, могут использоваться для определения элемента плотности воздуха. Например, в тех случаях, когда известно, что газ является атмосферным воздухом, фильтр (например, такой как узкополосный режекторный фильтр) может использоваться, чтобы, по существу, отфильтровывать частотную составляющую воздуха частотной характеристики. Как результат, общая плотность (ρ_mix) 1420 может рассчитываться по частотной характеристике 1410, а плотность (ρ_fluid) 1422 флюидного компонента может рассчитываться по частотной составляющей 1416 флюида. Поэтому плотность 1421 воздушного компонента (ρ_gas) составляет:

Это равенство может быть переписано как:

В качестве альтернативы, должно быть понятно, что частотная составляющая флюида может быть удалена/отфильтрована, а объемное содержание может определяться с использованием частотной составляющей газа. Как раньше, удаление этой одиночной частоты может выполняться в тех случаях, когда флюид обладает известными типовыми частотной характеристикой и плотностью. Поэтому способ удаления одиночной частоты может удалять либо частотную составляющую флюида, либо частотную составляющую газа.

В одном из вариантов осуществления одиночная частотная составляющая может удаляться одним или более фильтрами, тогда как другая частотная составляющая пропускается операцией фильтрации. Один или более фильтров в одном из вариантов осуществления содержат узкополосный режекторный фильтр. Узкополосный режекторный фильтр пропускает все частоты за исключением частот в пределах узкого диапазона (то есть провала в частотной характеристике). В качестве альтернативы, один или более фильтров могут содержать любой удовлетворительный фильтр или сочетание фильтров.

Фиг.19 - блок-схема 1900 последовательности операций способа для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, согласно варианту осуществления изобретения. На этапе 1901, принимается частотная характеристика 1410, как описано ранее.

На этапе 1902 частотная характеристика обрабатывается узкополосным режекторным фильтром. Узкополосный режекторный фильтр пропускает частоты выше и ниже провала, такие как выше и ниже частотной характеристики газа, в этом варианте осуществления. Поэтому узкополосный режекторный фильтр по существу отфильтровывает частотную составляющую 1412 газа. Узкополосный режекторный фильтр по существу пропускает частотную составляющую 1416 флюида.

Фиг.20 - график частотной характеристики узкополосного режекторного фильтра. В показанном примере провал центрирован по частоте газа. Узкополосный режекторный фильтр пропускает по существу все из частот выше и ниже провала, и только частота газа по существу отфильтровывается узкополосным режекторным фильтром.

Снова со ссылкой на фиг.19, на этапе 1903 определяется общая плотность (ρ_mix), как описано ранее.

На этапе 1904 определяется плотность газа (ρ_gas), как описано ранее.

На этапе 1905 определяется объемное содержание газа 1418, как описано ранее.

На этапе 1906 определяется массовая доля 1419, как описано ранее.

Измерительное электронное устройство и способ согласно изобретению могут быть реализованы согласно любому из вариантов осуществления, для получения некоторых преимуществ, если требуется. Изобретение может определять массовую долю в двухфазном потоке. Изобретение может определять массовую долю в многофазном потоке. Изобретение может определять массовую долю газа или массовую долю флюида. Изобретение может определять массовую долю воздуха. Изобретение может определять массы отдельных компонентов потока, например, таких как масса потока газа и масса потока флюида. Изобретение может обеспечивать определение массовой доли с большей точностью и достоверностью. Изобретение может обеспечивать определение массовой доли быстрее, чем предшествующий уровень техники, и наряду с расходованием меньшего времени обработки.

Измерительное электронное устройство (20) расходомера содержит интерфейс (201) для приема частотной характеристики проточного материала и систему (203) обработки данных, которая принимает от интерфейса (201) частотную характеристику, содержащую сигналы первого и второго датчиков, и раскладывает ее на частотную составляющую газа и частотную составляющую флюида. Система (203) обработки данных определяет общую плотность по частотной характеристике, плотность газа по частотной составляющей газа, объемное содержание газа по частотной характеристике и одной или более из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида и массовую долю по объемному содержанию газа, умноженному на отношение плотности газа, деленной на общую плотность. Система (203) обработки данных дополнительно предназначена для определения мгновенной частоты и мгновенной разности фаз, с использованием которых определяется массовый расход. Изобретение повышает точность измерений массовой доли компонентов и массы резко меняющихся двухфазных потоков среды с включенными воздушными пузырьками. 4 н. и 32 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Измерительное электронное устройство (20) для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер (5), содержащее
интерфейс (201) для приема частотной характеристики проточного материала, и
систему (203) обработки данных, связанную с интерфейсом (201) и предназначенную для приема частотной характеристики от интерфейса (201), разложения частотной характеристики на по меньшей мере частотную составляющую газа и частотную составляющую флюида, определения общей плотности по частотной характеристике, определения плотности газа по частотной составляющей газа, определения объемного содержания газа по частотной характеристике и одной или более из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида, и определения массовой доли по объемному содержанию газа, умноженному на отношение плотности газа, деленной на общую плотность.

2. Измерительное электронное устройство (20) по п.1, отличающееся тем, что плотность газа содержит обратное значение частоты газа, возведенной в квадрат, а общая плотность содержит обратное значение частоты, возведенной в квадрат.

3. Измерительное электронное устройство (20) по п.1, отличающееся тем, что система (203) обработки дополнительно предназначена для определения массового расхода проточного материала по частотной характеристике и определения по меньшей мере одной массы из массы первого компонента потока и массы второго компонента потока с использованием массовой доли и массового расхода.

4. Измерительное электронное устройство (20) по п.3, отличающееся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом система (203) обработки данных дополнительно предназначена для определения, по существу, мгновенной частоты и определения, по существу, мгновенной разности фаз, при этом массовый расход определяется с использованием частоты и разности фаз.

5. Измерительное электронное устройство (20) по п.3, отличающееся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом система (203) обработки данных дополнительно предназначена для определения, по существу, мгновенной частоты, определения, по существу, мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту, чтобы определить временную задержку, и умножения временной задержки на константу, чтобы получить массовый расход.

6. Измерительное электронное устройство (20) по п.3, отличающееся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом система (203) обработки данных дополнительно предназначена для формирования первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисления частоты с использованием первого 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика, определения, по существу, мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту, чтобы определить временную задержку, и умножения временной задержки на константу, чтобы получить массовый расход.

7. Измерительное электронное устройство (20) по п.3, отличающееся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом система (203) обработки данных дополнительно предназначена для формирования первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисления разности фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, определения, по существу, мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и умножения временной задержки на константу, чтобы получить массовый расход.

8. Измерительное электронное устройство (20) по п.3, отличающееся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом система (203) обработки данных дополнительно предназначена для формирования первого 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, формирования второго 90-радусного фазового сдвига по сигналу второго датчика, вычисления разности фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, второго 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, определения, по существу, мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту, чтобы определить временную задержку, и умножения временной задержки на константу, чтобы получить удельный массовый расход.

9. Измерительное электронное устройство (20) по п.3, отличающееся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом система (203) обработки данных дополнительно предназначена для формирования 90-градусного фазового сдвига по сигналу первого датчика, вычисления частоты с использованием 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика, вычисления разности фаз с использованием по меньшей мере 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, вычисления временной задержки с использованием частотной характеристики и разности фаз, вычисления массового расхода по временной задержке, определения, по существу, мгновенной разности фаз, деления разности фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и умножения временной задержки на константу, чтобы получить массовый расход.

10. Способ для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, заключающийся в том, что
принимают частотную характеристику проточного материала,
раскладывают частотную характеристику по меньшей мере на частотную составляющую газа и частотную составляющую флюида,
определяют общую плотность по частотной характеристике,
определяют плотность газа по частотной составляющей газа,
определяют объемное содержание газа по частотной характеристике и одной или более из составляющих из группы, состоящей из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида, и
определяют массовую долю по объемному содержанию газа, умноженному на отношение плотности газа, деленной на общую плотность.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что плотность газа содержит обратное значение частоты газа, возведенной в квадрат, при этом общая плотность содержит обратное значение частоты, возведенной в квадрат.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что дополнительно
определяют массовый расход проточного материала по частотной характеристике, и
определяют по меньшей мере одну массу из массы первого компонента потока и массы второго компонента потока с использованием массовой доли и массового расхода.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что для определения массового расхода
определяют, по существу, мгновенную частоту, и
определяют, по существу, мгновенную разность фаз, при этом массовый расход определяют с использованием частоты и разности фаз.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода
определяют, по существу, мгновенную частоту,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку,
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
вычисляют частоту с использованием первого 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
вычисляют разность фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту, чтобы определить временную задержку, и умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
формируют второй 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу второго датчика,
вычисляют разность фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, второго 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту, чтобы определить временную задержку, и умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

18. Способ по п.12, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения удельного массового расхода дополнительно
формируют 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика, вычисляют частотную характеристику с использованием 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика,
вычисляют разность фаз с использованием по меньшей мере 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика,
вычисляют временную задержку с использованием частотной характеристики и разности фаз,
вычисляют массовый расход по временной задержке,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

19. Способ для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, заключающийся в том, что
принимают частотную характеристику проточного материала,
обрабатывают частотную характеристику узкополосным режекторным фильтром, который, по существу, отфильтровывает одну из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида,
определяют общую плотность по частотной характеристике,
определяют плотность газа по частотной составляющей газа,
определяют объемное содержание газа по частотной характеристике и одной или более из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида, и
определяют массовую долю по объемному содержанию газа, умноженному на отношение плотности газа, деленной на общую плотность.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что плотность газа содержит обратное значение частоты газа, возведенной в квадрат, а общая плотность содержит обратное значение частоты, возведенной в квадрат.

21. Способ по п.19, отличающийся тем, что дополнительно
определяют массовый расход проточного материала по частотной характеристике, и
определяют по меньшей мере одну массу из массы первого компонента потока и массы второго компонента потока с использованием массовой доли и массового расхода.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что для определения массового расхода
определяют, по существу, мгновенную частоту, и
определяют, по существу, мгновенную разность фаз, при этом массовый расход определяют с использованием частоты и разности фаз.

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода
определяют, по существу, мгновенную частоту,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

24. Способ по п.21, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
вычисляют частоту с использованием первого 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

25. Способ по п.21, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
вычисляют разность фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика, определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

26. Способ по п.21, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
формируют второй 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу второго датчика,
вычисляют разность фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, второго 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

27. Способ по п.21, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика, вычисляют частоту с использованием 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика,
вычисляют разность фаз с использованием по меньшей мере 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика,
вычисляют временную задержку с использованием частотной характеристики и разности фаз,
вычисляют массовый расход по временной задержке,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

28. Способ для определения массовой доли компонентов потока в проточном материале, протекающем через расходомер, заключающийся в том, что
принимают частотную характеристику проточного материала,
фильтруют частотную характеристику первым фильтром, который, по существу, отфильтровывает частотную составляющую газа и, по существу, пропускает частотную составляющую флюида, при этом первый фильтр выдает частотную составляющую флюида,
фильтруют частотную характеристику вторым фильтром, который, по существу, отфильтровывает частотную составляющую флюида и, по существу, пропускает частотную составляющую газа, при этом, второй фильтр выдает частотную составляющую газа,
определяют общую плотность по частотной характеристике,
определяют плотность газа по частотной составляющей газа,
определяют объемное содержание газа по частотной характеристике и одной или более из частотной составляющей газа и частотной составляющей флюида, и
определяют массовую долю по объемному содержанию газа, умноженному на отношение плотности газа, деленной на общую плотность.

29. Способ по п.28, отличающийся тем, что плотность газа содержит обратное значение частоты газа, возведенной в квадрат, а общая плотность содержит обратное значение частоты, возведенной в квадрат.

30. Способ по п.28, отличающийся тем, что дополнительно
определяют массовый расход проточного материала по частотной характеристике, и
определяют по меньшей мере одну массу из массы первого компонента потока и массы второго компонента потока с использованием массовой доли и массового расхода.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что для определения массового расхода
определяют, по существу, мгновенную частоту, и
определяют, по существу, мгновенную разность фаз, при этом массовый расход определяют с использованием частоты и разности фаз.

32. Способ по п.30, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода
определяют, по существу, мгновенную частоту,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту, чтобы определить временную задержку, и умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

33. Способ по п.30, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
вычисляют частоту с использованием первого 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

34. Способ по п.30, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
вычисляют разность фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

35. Способ по п.30, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют первый 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
формируют второй 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу второго датчика,
вычисляют разность фаз с использованием первого 90-градусного фазового сдвига, второго 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту, чтобы определить временную задержку, и умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.

36. Способ по п.30, отличающийся тем, что частотная характеристика содержит сигнал первого датчика и сигнал второго датчика, при этом для определения массового расхода дополнительно
формируют 90-градусный фазовый сдвиг по сигналу первого датчика,
вычисляют частоту с использованием 90-градусного фазового сдвига и сигнала первого датчика,
вычисляют разность фаз с использованием по меньшей мере 90-градусного фазового сдвига, сигнала первого датчика и сигнала второго датчика,
вычисляют временную задержку с использованием частотной характеристики и разности фаз,
вычисляют массовый расход по временной задержке,
определяют, по существу, мгновенную разность фаз,
делят разность фаз на частоту для того, чтобы определить временную задержку, и
умножают временную задержку на константу, чтобы получить массовый расход.