Система фильтра расходомера и способ удаления шума из сигнала расходомера (варианты)
Система фильтра расходомера (в варианте - расходомера Кориолиса) включает проходной шумовой фильтр для приема сигнала расходомера и отфильтровывания данных расходомера из принятого сигнала для выделения шумового сигнала, шумовой квантификатор для приема шумового сигнала из проходного шумового фильтра и измерения шумового сигнала для получения шумовых характеристик регулятор демпфирования для приема шумовых характеристик из шумового квантификатора и формирования значения демпфирования на основании шумовых характеристик, и фильтрующий элемент для приема нормализованного сигнала расходомера и значения демпфирования из регулятора демпфирования для демпфирования нормализованного сигнала расходомера на основании значения демпфирования для формирования отфильтрованного сигнала расходомера. Изобретение повышает эффективность удаления периодического перекрестного шума. 3 н. и 33 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области удаления шума из сигнала расходомера, и в частности, к удалению периодического шума, такого как перекрестный шум, из сигнала расходомера.
Расходомеры используются для измерения массы расхода потока, плотности и других характеристик текучих сред. Текучими средами могут быть жидкости, газы, комбинированные жидкости и газы, твердые частицы, взвешенные в жидкостях, и жидкости, включающие газы и взвешенные твердые частицы. Например, расходомеры широко используются в процессе разработки скважин и очистке нефти и нефтепродуктов. Расходомер может быть использован для определения продукции скважины посредством измерения интенсивности расхода, то есть посредством измерения массового расхода через расходомер, и даже может быть использован для определения относительных пропорций газовых и жидкостных составляющих расхода.
В настоящее время используются многочисленные расходомеры, присоединенные к одной и той же технологической линии и/или смонтированные таким образом, что вибрация от одного расходомера может достигать другого расходомера. Хотя это увеличивает оперативность при измерении расхода, многочисленные расходомеры могут создавать помехи друг другу в виде перекрестного шума. Перекрестный шум - явление, при котором сигнал расходомера из первого измерителя оказывает влияние и искажает сигнал расходомера от второго расходомера и наоборот. Перекрестный шум в среде расходомеров, как правило, является относительно большим, медленно изменяющимся сигналом, типично не более высоким, чем 1 герц. Шум может ухудшить точность сигнала расходомера и может привести к чрезвычайно большим погрешностям показываемого расхода. В дополнение, шум может возникать вследствие других факторов и других источников.
Фиг.1 изображает график выходного сигнала расходомера, изменяющегося по времени. Фигура показывает, каким образом на сигнал расходомера оказывают влияние другие расходомеры. Периоды 101 и 103 времени на фигуре показывают сигнал расходомера, когда три расходомера формируют выходной сигнал, следовательно, с двумя другими расходомерами, порождающими перекрестный шум в данном выходном сигнале расходомера. Период времени 102 - сигнал расходомера, когда активен только один другой создающий помеху расходомер. Заметим, что порожденный шум изменяется как по амплитуде, так и по частоте на всем протяжении графика.
В известных решениях осуществлены попытки принять меры касательно шума и перекрестного шума посредством использования традиционных технологий фильтрования, таких как фильтрация высоких частот. Однако вследствие относительно небольшой разницы в частотах между перекрестным шумом и действительными данными расходомера, и вследствие низкочастотных информационных сигналов, выдаваемых расходомерами, было затруднительным удалять шум, не ухудшая данные расходомера.
Целью настоящего изобретение является увеличение эффективности удаления шума из сигнала расходомера.
Согласно изобретению создана система фильтра расходомера, содержащая проходной шумовой фильтр, предназначенный для приема сигнала расходомера и отфильтровывания данных расходомера из сигнала расходомера для выделения шумового сигнала, шумовой квантификатор, предназначенный для приема шумового сигнала из проходного шумового фильтра и измерения шумового сигнала для получения шумовых характеристик, регулятор демпфирования, предназначенный для приема шумовых характеристик из шумового квантификатора и формирования значения демпфирования на основании шумовых характеристик и фильтрующий элемент, предназначенный для приема нормализованного сигнала расходомера и значения демпфирования из регулятора демпфирования для демпфирования нормализованного сигнала расходомера на основании значения демпфирования для формирования отфильтрованного сигнала расходомера.
Проходной шумовой фильтр может быть связывающим фильтром переменного тока или цифровым фильтром второго порядка с бесконечной импульсной характеристикой.
Шумовые характеристики могут включать максимальную амплитуду шума и смещение нуля.
Регулятор демпфирования может быть дополнительно предназначен для приема сформированного фильтрующим элементом сигнала рассогласования, содержащего разность между нормализованным сигналом расходомера и отфильтрованным сигналом расходомера, для приема предварительно заданного максимального значения расхода или для деления смещения нуля на предварительно заданное максимальное значение расхода, для определения центрирования шумового сигнала, по существу, в окрестности нуля, для введения шумовых характеристик в таблицу демпфирования для формирования значения демпфирования или для формирования значения демпфирования на основании шумовых характеристик и коэффициента запаздывания демпфирования.
Фильтрующим элементом может быть фильтр второго порядка, цифровой фильтр с бесконечной импульсной характеристикой, цифровой фильтр второго порядка с бесконечной импульсной характеристикой.
Шумовой сигнал имеет частоту в диапазоне от приблизительно 0,025 Гц до приблизительно 1,0 Гц. Шумовым сигналом может быть периодический шум или перекрестный шум.
Сигнал расходомера может быть сигналом расходомера Кориолиса.
Согласно изобретению создан способ удаления шума из сигнала расходомера, содержащий следующие этапы:
прием сигнала расходомера;
приложение большого значения демпфирования к сигналу расходомера для формирования отфильтрованного сигнала расходомера, если сигнал расходомера, по существу, является стабильным;
приложение малого значения демпфирования к сигналу расходомера для формирования отфильтрованного сигнала расходомера, если сигнал расходомера испытывает переходный процесс.
Способ может дополнительно содержать этапы нормализации сигнала расходомера из исходного значения до нормализованного значения перед демпфированием и масштабирования отфильтрованного сигнала расходомера из этапа демпфирования обратно, по существу, до исходной амплитуды сигнала расходомера.
Способ может дополнительно содержать следующие этапы:
отфильтровывание шумового сигнала, по существу, от сигнала расходомера;
измерение шумового сигнала для получения шумовых характеристика;
определение значения демпфирования по шумовым характеристикам, которое выбирается для, по существу, удаления шумового сигнала из сигнала расходомера и формирования отфильтрованного сигнала расходомера.
Способ может дополнительно содержать следующие этапы:
отфильтровывание шумового сигнала, по существу, от сигнала расходомера;
измерение шумового сигнала для получения шумовых характеристик;
определение значения демпфирования по шумовым характеристикам, которое выбирается для, по существу, удаления шумового сигнала из сигнала расходомера;
определение значения рассогласования между нормализованным сигналом расходомера и отфильтрованным сигналом расходомера;
направление значения рассогласования обратно на этап определения значения демпфирования, на котором значение рассогласования учитывается при определении значения демпфирования.
Шумовой сигнал может иметь частоту в диапазоне от приблизительно 0,025 Гц до приблизительно 1,0 Гц. Шумовой сигнал может быть периодическим шумом или перекрестным шумом.
Сигнал расходомера может быть сигналом расходомера Кориолиса.
Способ может дополнительно содержать следующие этапы:
деление смещения нуля шумовых характеристик на максимальное значение расхода для получения значения шума;
сравнение значения шума с предварительно заданным статическим пороговым значением;
использование значения шума для определения нового значения демпфирования, если значение шума меньше предварительно заданного статического порогового значения;
использование текущего значения демпфирования, если значение шума является не меньше предварительно заданного статического порогового значения.
Согласно другому варианту выполнения способ удаления шума из сигнала расходомера содержит следующие этапы:
прием сигнала расходомера;
отфильтровывание шумового сигнала, по существу, от сигнала расходомера;
измерение шумового сигнала для получения шумовых характеристик;
определение значения демпфирования по шумовым характеристикам, которое выбирается для, по существу, удаления шумового сигнала из сигнала расходомера;
демпфирование шума, по существу, в нормализованном сигнале расходомера с использованием значения демпфирования для формирования отфильтрованного сигнала расходомера.
Способ может дополнительно содержать этапы нормализации сигнала расходомера из исходного значения до нормализованного значения перед демпфированием, масштабирование отфильтрованного сигнала расходомера с этапа демпфирования обратно, по существу до исходной амплитуды сигнала расходомера.
Способ может дополнительно содержать этапы определения значения рассогласования между нормализованным сигналом расходомера и отфильтрованным сигналом расходомера и направление значения рассогласования обратно на этап определения значения демпфирования, где значение рассогласования учитывается при определении значения демпфирования.
Демпфирование может дополнительно содержать приложение большого значения демпфирования к сигналу расходомера, если сигнал расходомера является, по существу, стабильным, и приложение малого значения демпфирования к сигналу расходомера, если исходный сигнал расходомера испытывает переходный процесс.
Способ может дополнительно содержать этап выборки сигнала расходомера перед фильтрацией.
Шумовые характеристики могут включать амплитуду шума и смещение нуля.
Шумовой сигнал может иметь частоту в диапазоне от приблизительно 0,025 Гц до приблизительно 1,0 Гц. Шумовым сигналом может быть периодический шум или перекрестный шум.
Сигналом расходомера может быть сигнал расходомера Кориолиса.
Способ может дополнительно содержать следующие этапы:
деление смещения нуля шумовых характеристик на максимальное значение расхода для получения значения шума;
сравнение значения шума с предварительно заданным статическим пороговым значением;
использование значения шума на этапе определения для определения нового значения демпфирования, если значение шума меньше предварительно заданного статического порогового значения;
использование текущего значения демпфирования на этапе демпфирования, если значение шума не меньше предварительно заданного статического порогового значения.
Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает график выходного сигнала расходомера в зависимости от времени;
фиг.2 - систему фильтра расходомера согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.3 - амплитудную и фазовую характеристики для проходного шумового фильтра согласно одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг.4 - блок-схему последовательности операций способа удаления шума из сигнала расходомера согласно еще одному варианту осуществления изобретения;
фиг.5 - блок-схему последовательности операций способа удаления шума из сигнала расходомера согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.6 - график, иллюстрирующий удаление шума демпфированием из сигнала расходомера;
фиг.7 - схему регулятора демпфирования согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.8 - график различных значений демпфирования, которые могут быть реализованы в системе фильтра расходомера согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.9 - график, показывающий увеличение значения демпфирования согласно варианту осуществления изобретения.
фиг.2-9 и последующее описание иллюстрируют отдельные варианты изобретения, для ознакомления специалистов в данной области техники с тем, каким образом создать и использовать лучший вариант осуществления изобретения. С целью изучения изобретательных принципов, некоторые традиционные аспекты изобретения были упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники будут принимать во внимание отклонения от этих примеров, которые попадают в пределы объема изобретения. Специалисты в данной области техники будут принимать во внимание, что признаки, описанные ниже, могут быть скомбинированы различным образом, чтобы сформировать многочисленные варианты изобретения. Как результат, изобретение не ограничено отдельными примерами, описанными ниже, а только формулой изобретения и ее эквивалентами.
Система фильтра расходомера - фиг.2
Фиг.2 изображает систему 200 фильтра расходомера согласно варианту осуществления изобретения. Система 200 фильтра расходомера принимает сигнал расходомера из одного или более расходомеров и, по существу, отфильтровывает шум в сигнале расходомера. Расходомерами могут быть любые типы расходомера, в том числе расходомеры Кориолиса, турбинные расходомеры, магнитные расходомеры, и т.д. Система 200 в показанном варианте осуществления включает нормализатор 201, преобразователь 202 масштаба, проходной шумовой фильтр 203, шумовой квантификатор 204, регулятор 205 демпфирования и фильтрующий элемент 206. Должно быть понятно, что предполагаются другие конфигурации фильтра расходомера, а показанный вариант осуществления предоставлен только для иллюстрации.
Нормализатор 201 принимает сигнал расходомера и значение максимального расхода и имеет выход, который присоединен к фильтрующему элементу 206. Проходной шумовой фильтр 203 также принимает сигнал расходомера и имеет выход, который присоединен к шумовому квантификатору 204. Шумовой квантификатор 204 принимает выходной сигнал проходного шумового фильтра 203 и имеет выход максимального шума и выход смещения нуля, которые присоединены к регулятору 205 демпфирования. Регулятор 205 демпфирования также принимает значение максимального расхода, принимает выходной сигнал максимального шума и смещения нуля, выведенные из шумового квантификатора 204, и принимает значение рассогласования, выведенное из фильтрующего элемента 206. Регулятор 205 демпфирования имеет выход значения демпфирования. Фильтрующий элемент 206 принимает нормализованный сигнал расходомера, выведенный из нормализатора 201, и значение демпфирования, выведенное из регулятора 205 демпфирования, и имеет в качестве выходных данных значение рассогласования и отфильтрованный сигнал расходомера с демпфированным шумом. Преобразователь 202 масштаба принимает отфильтрованный сигнал расходомера, который выведен из фильтрующего элемента 206, и также принимает вариант значения максимального расхода и выводит масштабированный, отфильтрованный вариант сигнала расходомера.
При работе сигнал расходомера вводится в систему 200 фильтра расходомера. Система 200 фильтра расходомера измеряет шумовые характеристики шума и по шумовым характеристикам определяет значение демпфирования, которое вводится в фильтрующий элемент 206. Фильтрующий элемент 206 демпфирует сигнал расходомера согласно значению демпфирования. Шум, такой как перекрестный шум, имеет типично более высокую частоту/меньшую постоянную времени, чем выводимые данные расходомера и поэтому демпфируется фильтрующим элементом 206. Следовательно, система 200 удаляет шум, по существу, не подвергая воздействию и не ухудшая данные расходомера.
В дополнение к фильтрации перекрестных шумов система 200 также способна к минимизации внешнего шума от других источников, таких как физическое перемещение или вибрация. Например, поршневой насос прямого вытеснения накладывает циклическое изменение на расход, являющийся измеряемым. В некоторых случаях является полезным устранять этот циклический шум для измерения только усредненного сигнала расхода.
Демпфирование предназначено для предотвращения изменений в размахе сигнала, основанном на частоте. Демпфирование может быть использовано для удаления шумового сигнала, когда шумовой сигнал меняется с большей скоростью, чем лежащий в основе сигнал расходомера. Демпфирование, следовательно, может удалять шумовой сигнал, наложенный на сигнал данных расходомера. Значение демпфирования может быть выбрано, например, из таблицы. Выбор может быть основан на одних или более входных данных, таких как диапазон амплитуды шумового сигнала (см. таблицу 1 и сопровождающее описание, приведенные ниже). В варианте осуществления цифрового фильтра значение демпфирования может представлять коэффициенты фильтра.
Однако для предотвращения неблагоприятного влияния/ухудшения сигнала расходомера посредством демпфирования, когда происходит изменение расхода, значение демпфирования может быть выбрано меньшим во время переходного процесса в сигнале расходомера. Переходный процесс является относительно большим или быстрым изменением в данных расходомера. Например, переходный процесс может происходить, когда расходомер подвергается включению или отключению, когда количество материала, проходящего через расходомер, изменяется на значительную величину, когда пузырьки или каверны газа присутствуют в жидкости, и т.д. В одном из вариантов осуществления постоянная времени системы 200 фильтра расходомера уменьшается во время переходного процесса. Следовательно, шум демпфируется на более низком уровне до тех пор, пока не прошел переходный процесс, и сигнал расходомера снова не стал, по существу, статическим, то есть стабильным. В этот момент значение демпфирования может быть увеличено. Демпфирование, следовательно, согласно изобретению динамически управляется для оптимального демпфирования большей части или всего шумового сигнала.
Нормализатор 201 преобразует сигнал расходомера в нормализованный сигнал расходомера на основании введенного значения максимального расхода. Значение максимального расхода является верхним пределом сигнала расходомера и может быть значением, определенным последовательностью операций калибровки, установленным согласно типу измерителя или типу вещества расхода, и т.д. Значение максимального расхода может быть постоянным или может быть функцией времени или изменяемым. Используя значение максимального расхода, нормализатор 201 нормализует введенный сигнала расходомера, чтобы он был не большим, чем значение максимального расхода. Это может быть сделано так, что система 200 фильтра расходомера может быть использована с любым типом расходомера и любым уровнем сигнала расхода, то есть система 200 фильтра расходомера является независимой от типа расходомера и условий расхода. В одном из вариантов осуществления нормализация производится по формуле
Преобразователь 202 масштаба является дополнением нормализатора 201. Преобразователь 202 масштаба принимает отфильтрованный, нормализованный сигнал расходомера из фильтрующего элемента 206 и масштабирует его обратно до, по существу, такой же амплитуды, как у введенного сигнала расходомера. Это делается посредством умножения отфильтрованных выходных данных на максимальное значение расхода. Умножение на максимальное значение расхода является обратным делению сигнала расходомера на максимальное значение расхода в нормализаторе 201.
Проходной шумовой фильтр 203 принимает ненормализованный сигнал расходомера и пропускает только шумовой сигнал (то есть, данные расходомера блокируются). Цель проходного шумового фильтра 203 состоит в определении амплитуды любого перекрестного шума, присутствующего в сигнале расходомера. Проходной шумовой фильтр 203 может быть любым фильтром, который, по существу, пропускает частоты в диапазоне от приблизительно 0,025 Гц до приблизительно 1 Гц, таким как, например, реализация высокочастотного или полосового фильтра. В одном из вариантов осуществления проходной шумовой фильтр 203 содержит связывающий фильтр переменного тока (то есть аналоговый фильтр). В еще одном варианте осуществления проходной шумовой фильтр 203 содержит цифровой фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ), в том числе цифровой БИХ-фильтр второго порядка.
Проходной шумовой фильтр 203 предпочтительно имеет коэффициенты фильтра, которые были выбраны для обеспечения единичного усиления и нулевой фазы для частот, превышающих 0,025 Гц. В одном из вариантов осуществления проходной шумовой фильтр 203 обладает передаточной функцией, представленной посредством следующего уравнения:
где переменная Z-1 z-преобразования является предыдущим выходным сигналом в момент времени (t-1), переменная Z-2 z-преобразования является предыдущим выходным сигналом в момент времени (t-2), а числовые значения 0,9993, 1,9986 и т.д. являются коэффициентами фильтра. Переменная z-преобразования обыкновенно используется, чтобы представлять:
Должно быть понятно, что числовые коэффициенты фильтра, приведенные выше, являются просто примером, предоставленным для иллюстрации, и изобретение не ограничено данными значениями. Коэффициенты фильтра могут изменяться согласно типу фильтра, количеству фильтров, формирующих шум, условиям расхода, условиям окружающей среды и т.д.
Амплитудные и фазовые характеристики проходного шумового фильтра - фиг.3
Фиг.3 показывает амплитудные и фазовые характеристики для проходного шумового фильтра 203 согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В показанном примере частота была нормализована до значения единицы. Поскольку характеристика проходного шумового фильтра 203 на нижнем краю частотного диапазона является главной заботой, в варианте осуществления цифрового фильтра возможно улучшить быстродействие проходного шумового фильтра 203 посредством регулирования частоты выборки входного сигнала. В идеальном случае проходной шумовой фильтр 203 не должен ослаблять составляющую шумового сигнала и мог бы выводить шумовую составляющую, обладающую амплитудой 0 дБ и нулем градусов фазового сдвига на частотах, превышающих 0,025 Гц. При частоте выборки в 20 Гц выходная амплитуда шумового сигнала в 0,20 Гц в действующей реализации цифрового фильтра была измерена на приблизительно -0,22 дБ. При частоте выборки в 5 Гц амплитуда была измерена на приблизительно -0,0141 дБ, значительное улучшение. Однако недостатком более низкой частоты выборки является большая задержка во времени реакции. Частота выборки, поэтому, является регулируемым параметром, который может быть сконфигурирован во время калибровки или во время работы.
Шумовой квантификатор 204 (фиг.2) измеряет шумовой сигнал, выведенный проходным шумовым фильтром 203, и формирует шумовые характеристики шумового сигнала. В одном из вариантов осуществления шумовой квантификатор 204 измеряет максимальный уровень шума и уровень смещения нуля шумового сигнала (то есть, смещение от нуля среднего уровня шума). Смещение нуля/средний уровень шума служит в качестве признака в отношении того, установился ли проходной шумовой фильтр 203 до, по существу, постоянного (то есть статического) состояния (см. фиг.8 и сопровождающее описание).
Шумовой квантификатор 204 в одном из вариантов осуществления накапливает шумовые данные за период выборки и измеряет шумовые характеристики для периода выборки. Это может быть сделано для того, чтобы точно охарактеризовать шум и чтобы устранить шумовые аномалии от излишнего влияния на снятие характеристик. Поскольку наиболее слабый ожидаемый шумовой сигнал определен как, по меньшей мере, 0,025 Гц (что обеспечивает период колебаний в 40 секунд), важно вычислить среднее значение уровня шума на выборке, которая заключает в себе, по меньшей мере, 40 секунд данных.
Регулятор 205 демпфирования формирует значение демпфирования, которое используется, чтобы демпфировать шум в сигнале расходомера. Цель регулятора 205 демпфирования состоит в адаптивном изменении значения демпфирования фильтрующего элемента 206 на основании текущих уровней шума и текущих вариантов расхода. Регулятор 205 демпфирования принимает в качестве входных данных шумовые характеристики из шумового квантификатора 204 и значение максимального расхода, наряду со значением рассогласования, сформированным фильтрующим элементом 206. Значение рассогласования содержит обратную связь по тому, насколько полно шум демпфируется в нормализованном сигнале расходомера. Регулятор демпфирования делит смещение нуля на значение максимального расхода для того, чтобы определить, является ли шумовой сигнал, по существу, центрированным в окрестностях нуля (то есть регулятор 205 демпфирования определяет, ниже ли средний уровень шума предопределенного статического порогового значения). Один из вариантов осуществления регулятора 205 демпфирования подробно обсужден ниже в связи с фиг.7.
Регулятор 205 демпфирования в одном из вариантов осуществления использует введенный шум и значения рассогласования в качестве входных данных к таблице значений демпфирования и подыскивает надлежащее значение демпфирования. Таблица 1, приведенная ниже, является примером одного из вариантов осуществления таблицы значений демпфирования.
| Таблица 1 | ||
| Значение | Нижний диапазон | Верхний диапазон |
| демпфирования | ||
| 0 | NC*(1+RC*0,256) | |
| 1 | NC*(1+RC*0,128) | NC*(1+RC*0,256) |
| 2 | NC*(1+RC*0,064) | NC*(1+RC*0,128) |
| 4 | NC*(1+RC*0,032) | NC*(1+RC*0,064) |
| 8 | NC*(1+RC*0,016) | NC*(1+RC*0,032) |
| 16 | NC*(1+RC*0,008) | NC*(1+RC*0,016) |
| 32 | NC*(1+RC*0,004) | NC*(1+RC*0,008) |
| 64 | NC*(1+RC*0,002) | NC*(1+RC*0,004) |
| 128 | NC*(1+RC*0,001) | NC*(1+RC*0,002) |
| 256 | NC*(1+RC*0,0005) | NC*(1+RC*0,001) |
| 512 | NC*(1+RC*0,0005) |
где NC - постоянная нормализованных шумовых данных, которая является уровнем собственных шумов, a RC - заранее заданная постоянная масштабирования. Заранее заданная постоянная RC масштабирования является необязательным признаком и может быть включена в таблицу для того, чтобы производить изменения общего масштабирования. Нормализованное значение рассогласования сравнивается с таблицей соответствия, чтобы определить значение демпфирования.
Регулятор 205 демпфирования в одном из вариантов осуществления может приращивать значение демпфирования с текущего значения демпфирования до нового значения демпфирования и может не производить полное изменение в значение демпфирования незамедлительно. Так как важно обеспечить быстрые переходы от медленных к быстрым значениям демпфирования, также является важным ограничить то, насколько быстро регулятор 205 демпфирования возвращается к медленным значениям демпфирования. Если новое значение демпфирования является более быстрым, чем предшествующее значение демпфирования (то есть оно является меньшим значением демпфирования), то новое значение демпфирования отправляется непосредственно в фильтрующий элемент 206. Однако, если новое значение демпфирования является более медленным, чем предшествующее значение демпфирования (то есть оно является большим значением демпфирования), то выведенное значение демпфирования медленно наращивается до нового значения демпфирования (см. фиг.7 и сопровождающее описание).
Фильтрующий элемент 206 предназначен для приема значения демпфирования и демпфирования нормализованного сигнала расходомера. Фильтрующий элемент 206 в одном из вариантов осуществления содержит фильтр второго порядка. В еще одном варианте осуществления фильтрующий элемент 206 содержит цифровой БИХ-фильтр, в том числе цифровой БИХ-фильтр второго порядка. Преимущество использования цифрового фильтра, в противоположность аналоговому фильтру, состоит в том, что цифровой фильтр может быть динамически управляемым во время работы. Поэтому величина демпфирования может быть изменена для того, чтобы оптимально удалять шум, не влияя на информационный сигнал расходомера. В одном из вариантов осуществления фильтрующий элемент 206 содержит цифровой БИХ-фильтр второго порядка, который имеет передаточные функции
и
где t - временное значение выборки, Ut - текущая входная выборка, Xt определяется по текущей входной выборке Ut и предыдущему значению Х-Xt-1, a Yt определено в качестве выходных данных, определенных из текущей входной выборки Ut, вычисленного значения Xt, и предыдущего выходного значения Yt-1 Цифровой фильтр, такой как цифровой фильтр, описанный выше, может быть реализован в системе обработки данных, такой как, например, устройство цифрового сигнального процессора (ЦСП).
Способ фильтрации сигнала расходомера - фиг.4
Фиг.4 изображает блок-схему 400 последовательности операций способа удаления шума из сигнала расходомера согласно варианту осуществления изобретения. На этапе 401 принимается сигнал расходомера. Сигнал расходомера может быть предварительно обработан любым образом, включая нормализацию сигнала расходомера.
На этапе 402, если сигнал расходомера является, по существу, статическим, способ следует на этап 403, в ином случае способ следует на этап 404.
На этапе 403, поскольку сигнал расходомера является, по существу, неизменным, большое значение демпфирования применяется к сигналу расходомера. Поскольку сигнал расходомера изменяется относительно медленно, большая величина демпфирования может быть применена без оказания влияния на данные расходомера в сигнале расходомера, и только шумовая составляющая сигнала расходомера ослабляется сильным демпфированием.
На этапе 404, поскольку сигнал расходомера испытывает большие или быстрые изменения в значении, малое значение демпфирования применяется к сигналу расходомера. Таким образом, шумовая составляющая сигнала расходомера, по существу, удаляется, но не оказывая влияния на данные расходомера.
Способ фильтрования сигнала расходомера - фиг.5
Фиг.5 изображает блок-схему 500 последовательности операций способа удаления шума из сигнала расходомера согласно еще одному варианту осуществления изобретения. На этапе 501 принимается сигнал расходомера, как обсуждалось ранее.
На этапе 502 данные расходомера, по существу, отфильтровываются от первого варианта сигнала расходомера для получения, по существу, чистого шумового сигнала. Измерение может быть выполнено для характеристики шума и динамического демпфирования шума в сигнале расходомера. Например, данные могут быть удалены фильтром верхних частот или полосовым фильтром, как обсуждалось ранее.
На этапе 503 шум измеряется и, таким образом, получаются шумовые характеристики. Шумовые характеристики могут включать максимальную амплитуду шума и смещение нуля, как обсуждалось ранее. Должно быть понятно, что шумовые характеристики являются динамическими и могут меняться со временем. Например, шумовые характеристики обыкновенно изменяются, когда другие расходомеры присоединены в технологической линии и, поэтому, порождают перекрестный шум. Однако также предполагаются другие источники шума, такие как шум окружающей среды, к примеру, от насосного оборудования.
На этапе 504 значение демпфирования определяется по текущим шумовым характеристикам. Значение демпфирования представляет величину демпфирования, которая, по существу, будет удалять шум из сигнала расходомера, по существу, не воздействуя на сигнал расходомера.
На этапе 505 значение демпфирования и сигнал расходомера вводятся в фильтрующий элемент 206, а фильтрующий элемент 206 демпфирует шум с использованием значения демпфирования. В дополнение, демпфирование может приращиваться от текущего значения демпфирования до нового значения демпфирования.
График воздействия демпфирования - фиг.6
Фиг.6 изображает график, иллюстрирующий удаление шума демпфированием из сигнала расходомера. График включает сигнал 601 расходомера и шумовой сигнал 602. По фигуре можно видеть, что, когда шумовой сигнал 602 демпфирован, сигнал 601 расходомера может приближаться к прямоугольному колебанию. Когда происходит смена этапа в момент времени 605, время отклика системы фильтра меняется до фильтра с очень быстрым временем отклика. В течение этого времени отфильтрованный сигнал будет более близко походить на исходный сигнал расходомера, до тех пор, пока со временем система 200 фильтра не возвратится обратно к сильно демпфированному сигналу.
Регулятор демпфирования - фиг.7
Фиг.7 изображает схему регулятора 205 демпфирования согласно варианту осуществления изобретения. Регулятор 205 демпфирования в этом варианте осуществления включает блоки 701 и 703 абсолютного значения, блоки 702 и 706 результата, блоки 704 и 710 переключения, блоки 705 и 712 единичной задержки (такие как, например, блоки единичной задержки 1/Z), интерфейс 707, блок 708 значения демпфирования, блок 709 оператора отношения и блок 711 коэффициента запаздывания демпфирования. Регулятор 205 демпфирования включает входные данные значения рассогласования, максимального шума, максимального расхода и смещения нуля, как ранее обсуждалось, и выводит значение демпфирования.
Блок 702 результата делит смещение нуля на значение максимального расхода для формирования значения шума. Значение шума является иллюстрирующим средний уровень шума и указывает расстояние от шумового сигнала до нуля. Если это значение шума является меньшим, чем заранее заданное статическое пороговое значение, то уровень шума определяется, по существу, статическим и, следовательно, достаточно точным, чтобы быть использованным в блоке 708 поиска значения демпфирования.
Блоки 701 и 703 абсолютного значения принимают абсолютные значения их соответственных входных данных. Блок 703 абсолютного значения выводит положительное значение шума в блок 705 переключения. Блок 701 абсолютного значения выводит положительное значение рассогласования в интерфейс 707.
Блок 704 переключения принимает значение максимального шума, значение шума, и единичную задержку, сформированную блоком 705 единичной задержки. Блок 704 переключения предназначен для вывода значения шума, если значение шума является меньшим, чем максимальное значение шума, и вывода значения максимального шума в ином случае. В дополнение, блок 704 переключения может выводить выходные данные предыдущего переключения (из блока 705 единичной задержки), при отсутствии вывода либо значения шума, или максимального значения шума. Выход блока 704 переключения присоединен к входу блока 705 единичной задержки и к блоку 706 результата.
Блок 706 результата также принимает значение шума и максимальное значение расхода. Блок 706 результата делит максимальное значение расхода на значение шума для формирования нормализованного значения шума, которое выводится в интерфейс 707.
Интерфейс 707 пропускает нормализованный сигнал рассогласования и нормализованный сигнал шума в блок 708 поиска значения демпфирования. Интерфейс 707 в одном из вариантов осуществления мультиплексирует нормализованный шумовой сигнал и нормализованный сигнал ошибки в векторный формат, при этом блок 708 поиска значения демпфирования принимает единственный входной сигнал.
Блок 708 поиска значения демпфирования формирует значение демпфирования из нормализованных входных сигналов нормализованного рассогласования и нормализованного шума. В одном из вариантов осуществления блок 708 поиска значения демпфирования выполняет поиск по таблице для того, чтобы получить значение демпфирования, такой как Таблица 1, обсужденная в сочетании с фиг.2, приведенная выше. Блок 708 поиска значения демпфирования выводит значение демпфирования в блок 709 оператора отношения.
Компоненты 709-712 регулятора 205 демпфирования управляют скоростью, с которой может быть изменено значение демпфирования. Блок 709 оператора отношения сравнивает новое значение демпфирования (выведенное блоком 708 поиска значения демпфирования) с текущим значением демпфирования, имеющимся в распоряжении на выходе регулятора 205 демпфирования. Блок 709 оператора отношения формирует выходные данные отношения, которые указывают, является ли новое значение демпфирования меньшим, чем текущее значение демпфирования.
Блок 710 переключения имеет в качестве входных данных новое значение демпфирования, текущее значение демпфирования и выходные данные отношения. Блок 710 переключения предназначен выбирать и выводить либо новое значение демпфирования, либо текущее значение демпфирования, в зависимости от выходных данных отношения. Если новое значение демпфирования является меньшим, чем текущее значение демпфирования, то блок 710 переключения направляет новое значение демпфирования прямо на выход. Однако, если новое значение демпфирования является большим, чем текущее значение демпфирования, то блок 710 переключения направляет новое значение демпфирования через коэффициент 711 запаздывания демпфирования и единичную задержку 712 и приращивает выходные данные значения демпфирования с текущего значения демпфирования до нового значения демпфирования умножением нового значения демпфирования на коэффициент запаздывания. Блок 710 переключения выводит выбранное значение демпфирования в коэффициент 711 запаздывания демпфирования.
Коэффициент 711 запаздывания демпфирования определяет коэффициент демпфирования и управляет тем, насколько быстро регулятор 205 демпфирования может осуществлять приращение до нового значения демпфирования. Коэффициент 711 задержки демпфирования в одном из вариантов осуществления является числом, немного большим, чем единица. Выходные данные коэффициента 711 запаздывания демпфирования вводятся в единичную задержку 712.
Единичная задержка 712 задерживает значение демпфирования на предварительно определенный период задержки. Предопределенный период задержки может быть, например, постоянным значением или может быть получен из таблицы. Выходные данные единичной задержки 712 являются выходными данными значения демпфирования регулятора 205 демпфирования. Следовательно, регулятор 205 демпфирования формирует значение демпфирования на основании шумовых характеристик и коэффициента 711 запаздывания демпфирования.
График значений демпфирования - фиг.8
Фиг.8 изображает график различных значений демпфирования, которые могут быть реализованы в системе 200 фильтра расходомера согласно варианту осуществления изобретения. Фигура показывает нормализованный расход во времени для различных значений демпфирования. Можно видеть, что значение демпфирования может быть выбрано, не только на основании желательной величины демпфирования, но на периоде времени, требуемом для того, чтобы добиться желательного демпфирования шума. Например, значение демпфирования в 1 имеет гораздо более быстрое время реакции, чем значение демпфирования в 256.
График приращения значения демпфирования - фиг.9
Фиг.9 изображает график, который показывает приращение значения демпфирования согласно варианту осуществления изобретения. Прямая линия 900 является желательным значением демпфирования, тогда как кривая 901 является значением демпфирования, которое является наращиваемым со временем.
Скорость приращения может быть выбрана для осуществления приращения от начальной точки до целевого значения демпфирования по прошествии заранее заданного периода времени.
Преимущественно фильтрация сигнала расходомера согласно изобретению обеспечивает фильтрацию шума из сигнала расходомера, в том числе перекрестного шума. Фильтрация совершается без ухудшения данных расходомера в сигнале расходомера. В дополнение, фильтрация приспосабливается к информационным переходным процессам в данных расходомера.
Другим преимуществом изобретения, является размер. Аналоговые фильтры, сконструированные для низких частот, типично требуют физически больших компонентов. Реализация цифрового фильтра по некоторым из описанных вариантов осуществления достигает более оптимального фильтрования, но с физически меньшими компонентами. В некоторых вариантах осуществления система 200 фильтра расходомера может быть реализована, например, в специализированной интегральной схеме.
Другим преимуществом использования цифрового фильтра, в противоположность аналоговому фильтру, состоит в том, что цифровой фильтр может быть динамически управляемым во время работы. Фильтрование может быть динамически управляемым согласно шумовым условиям и согласно условиям/уровням расхода. Поэтому величина демпфирования может быть изменена для оптимального удаления шума, не влияя на информационный сигнал расходомера. Это является отличным от аналоговой схемы фильтрации, в которой выполняется фиксированный объем фильтрации. Такая фиксированная схема фильтрации хорошо работает, только когда информационный сигнал и шумовой сигнал являются предсказуемыми и доброкачественными.
1. Система фильтра расходомера, содержащая проходной шумовой фильтр, предназначенный для приема сигнала расходомера и отфильтровывания данных расходомера из сигнала расходомера для выделения шумового сигнала, шумовой квантификатор, предназначенный для приема шумового сигнала из проходного шумового фильтра и измерения шумового сигнала для получения шумовых характеристик; регулятор демпфирования, предназначенный для приема шумовых характеристик из шумового квантификатора и формирования значения демпфирования на основании шумовых характеристик; и фильтрующий элемент, предназначенный для приема нормализованного сигнала расходомера и значения демпфирования из регулятора демпфирования для демпфирования нормализованного сигнала расходомера на основании значения демпфирования для формирования отфильтрованного сигнала расходомера.
2. Система фильтра расходомера по п.1, в которой проходной шумовой фильтр является связывающим фильтром переменного тока.
3. Система фильтра расходомера по п.1, в которой проходной шумовой фильтр является цифровым фильтром второго порядка с бесконечной импульсной характеристикой.
4. Система фильтра расходомера по п.1, в которой шумовые характеристики включают максимальную амплитуду шума и смещение нуля.
5. Система фильтра расходомера по п.1, в которой регулятор демпфирования дополнительно предназначен для приема сформированного фильтрующим элементом сигнала рассогласования, содержащего разность между нормализованным сигналом расходомера и отфильтрованным сигналом расходомера.
6. Система фильтра расходомера по п.1, в которой регулятор демпфирования дополнительно предназначен для приема предварительно заданного максимального значения расхода.
7. Система фильтра расходомера по п.1, в которой регулятор демпфирования дополнительно предназначен для деления смещения нуля на предварительно заданное максимальное значение расхода для определения центрирования шумового сигнала, по существу, в окрестности нуля.
8. Система фильтра расходомера по п.1, в которой регулятор демпфирования дополнительно предназначен для введения шумовых характеристик в таблицу демпфирования для формирования значения демпфирования.
9. Система фильтра расходомера по п.1, в которой регулятор демпфирования дополнительно предназначен для формирования значения демпфирования на основании шумовых характеристик и коэффициента запаздывания демпфирования.
10. Система фильтра расходомера по п.1, в которой фильтрующим элементом является фильтр второго порядка.
11. Система фильтра расходомера по п.1, в которой фильтрующим элементом является цифровой фильтр с бесконечной импульсной характеристикой.
12. Система фильтра расходомера по п.1, в которой фильтрующим элементом является цифровой фильтр второго порядка с бесконечной импульсной характеристикой.
13. Система фильтра расходомера по п.1, в которой шумовой сигнал имеет частоту в диапазоне от приблизительно 0,025 Гц до приблизительно 1,0 Гц.
14. Система фильтра расходомера по п.1, в которой шумовым сигналом является периодический шум.
15. Система фильтра расходомера по п.1, в которой шумовым сигналом является перекрестный шум.
16. Система фильтра расходомера по п.1, в которой сигнал расходомера является сигналом расходомера Кориолиса.
17. Способ удаления шума из сигнала расходомера, содержащий следующие этапы:
прием сигнала расходомера;
приложение большого значения демпфирования к сигналу расходомера для формирования отфильтрованного сигнала расходомера, если сигнал расходомера, по существу, является стабильным;
приложение малого значения демпфирования к сигналу расходомера для формирования отфильтрованного сигнала расходомера, если сигнал расходомера испытывает переходный процесс.
18. Способ по п.17, дополнительно содержащий этапы нормализации сигнала расходомера из исходного значения до нормализованного значения перед демпфированием и масштабирования отфильтрованного сигнала расходомера из этапа демпфирования обратно, по существу, до исходной амплитуды сигнала расходомера.
19. Способ по п.17, дополнительно содержащий следующие этапы:
отфильтровывание шумового сигнала, по существу, от сигнала расходомера;
измерение шумового сигнала для получения шумовых характеристик;
определение значения демпфирования по шумовым характеристикам, которое выбирается для, по существу, удаления шумового сигнала из сигнала расходомера, и формирование отфильтрованного сигнала расходомера.
20. Способ по п.17, дополнительно содержащий следующие этапы:
отфильтровывание шумового сигнала, по существу, от сигнала расходомера;
измерение шумового сигнала для получения шумовых характеристик;
определение значения демпфирования по шумовым характеристикам, которое выбирается для, по существу, удаления шумового сигнала из сигнала расходомера;
определение значения рассогласования между нормализованным сигналом расходомера и отфильтрованным сигналом расходомера;
направление значения рассогласования обратно на этап определения значения демпфирования, на котором значение рассогласования учитывается при определении значения демпфирования.
21. Способ по п.17, в котором шумовой сигнал имеет частоту в диапазоне от приблизительно 0,025 Гц до приблизительно 1,0 Гц.
22. Способ по п.17, в котором шумовой сигнал является периодическим шумом.
23. Способ по п.17, в котором шумовой сигнал является перекрестный шумом.
24. Способ по п.17, в котором сигнал расходомера является сигналом расходомера Кориолиса.
25. Способ по п.17, дополнительно содержащий следующие этапы:
деление смещения нуля шумовых характеристик на максимальное значение расхода для получения значения шума;
сравнение значения шума с предварительно заданным статическим пороговым значением;
использование значения шума для определения нового значения демпфирования, если значение шума меньше предварительно заданного статического порогового значения;
использование текущего значения демпфирования, если значение шума является не меньше предварительно заданного статического порогового значения
26. Способ удаления шума из сигнала расходомера, содержащий следующие этапы:
прием сигнала расходомера;
отфильтровывание шумового сигнала, по существу, от сигнала расходомера;
измерение шумового сигнала для получения шумовых характеристик;
определение значения демпфирования по шумовым характеристикам, которое выбирается для, по существу, удаления шумового сигнала из сигнала расходомера;
демпфирование шума, по существу, в нормализованном сигнале расходомера с использованием значения демпфирования для формирования отфильтрованного сигнала расходомера.
27. Способ по п.26, дополнительно содержащий этапы нормализации сигнала расходомера из исходного значения до нормализованного значения перед демпфированием; масштабирование отфильтрованного сигнала расходомера с этапа демпфирования обратно, по существу до исходной амплитуды сигнала расходомера.
28. Способ по п.26, дополнительно содержащий этапы определения значения рассогласования между нормализованным сигналом расходомера и отфильтрованным сигналом расходомера и направления значения рассогласования обратно на этап определения значения демпфирования, где значение рассогласования учитывается при определении значения демпфирования.
29. Способ по п.26, в котором демпфирование дополнительно содержит приложение большого значения демпфирования к сигналу расходомера, если сигнал расходомера является, по существу, стабильным, и приложение малого значения демпфирования к сигналу расходомера, если исходный сигнал расходомера испытывает переходный процесс.
30. Способ по п.26, дополнительно содержащий этап выборки сигнала расходомера перед фильтрацией.
31. Способ по п.26, в котором шумовые характеристики включают амплитуду шума и смещение нуля.
32. Способ по п.26, в котором шумовой сигнал имеет частоту в диапазоне от приблизительно 0,025 Гц до приблизительно 1,0 Гц.
33. Способ по п.26, в котором шумовым сигналом является периодический шум.
34. Способ по п.26, в котором шумовым сигналом является перекрестный шум.
35. Способ по п.26, в котором сигналом расходомера является сигнал расходомера Кориолиса.
36. Способ по п.26, дополнительно содержащий следующие этапы:
деление смещения нуля шумовых характеристик на максимальное значение расхода для получения значения шума;
сравнение значения шума с предварительно заданным статическим пороговым значением;
использование значения шума на этапе определения для определения нового значения демпфирования, если значение шума меньше предварительно заданного статического порогового значения;
использование текущего значения демпфирования на этапе демпфирования, если значение шума не меньше предварительно заданного статического порогового значения.
