Определение левого и правого собственных векторов в кориолисовом расходомере в режиме с расходом
Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы для создания кориолисовых расходомеров. Способ и устройство позволяют периодически вычислять относительную фазу левого собственного вектора для колеблющегося трубопровода. В нормальном режиме работы два устройства возбуждения применяются в тандеме для возбуждения основной моды колебаний трубопровода. Периодически, сначала одно, затем второе из двух устройств возбуждения выключают, что предоставляет возможность выполнения измерений, которые позволяют определять относительную фазу левого собственного вектора для колеблющегося трубопровода. Технический результат заключается в повышении точности измерений расхода благодаря калибровке сдвига при нулевом расходе. 5 н. и 25 з.п. ф-лы, 5 ил.
Уровень техники изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области расходомеров и, в частности, кориолисовым расходомерам.
Описание предшествующего уровня техники
Массовый расход в кориолисовом расходомере измеряют путем возбуждения колебательных синусоидальных движений труб с расходом текучих сред и измерения времени задержки (или фазового угла) между колебательным откликом в, по меньшей мере, двух местах на трубах. В практических ситуациях время задержки изменяется линейно в зависимости от массового расхода, однако, обычно время задержки не равно нулю при нулевом массовом расходе. Обычно имеет место задержка или сдвиг при нулевом расходе, обусловленная(ный) рядом факторов, например непропорциональным затуханием, откликом упругого последействия, электромагнитными перекрестными помехами или фазовой задержкой в контрольно-измерительной электронике.
Поправку на упомянутый сдвиг при нулевом расходе обычно вносят путем измерения сдвига в режиме нулевого расхода и вычитания измеренного сдвига из последующих измерений, выполненных при наличии расхода. Этого было бы достаточно для коррекции проблемы сдвига при нулевом расходе, если бы сдвиг при нулевом расходе оставался постоянным. К сожалению, сдвиг при нулевом расходе может изменяться при небольших изменениях окружающей среды (например, температуры) или вследствие изменений в трубопроводной системе, по которой протекает материал. Изменения сдвига при нулевом расходе будут вызывать погрешности в измеренных значениях расхода. Во время нормальной работы могут иметь место продолжительные периоды времени между режимами отсутствия расхода. Кориолисов расходомер можно калибровать установкой прибора на нуль только во время данных режимов отсутствия расхода. Изменения нулевого сдвига со временем могут вызывать значительные погрешности измерений расхода.
Поэтому существует потребность в системе и способе для калибровки сдвига при нулевом расходе.
Сущность изобретения
Предлагаются способ и устройство, которые предоставляют возможность периодического вычисления относительной фазы левого собственного вектора колеблющегося трубопровода. В нормальном режиме работы два устройства возбуждения применяются в тандеме для возбуждения основной моды колебаний трубопровода. Периодически, сначала одно, затем второе из двух устройств возбуждения выключают, что допускает выполнение измерений, которые позволяют определять относительную фазу левого собственного вектора для колеблющегося трубопровода.
Аспекты
Один аспект изобретения включает в себя способ, содержащий этапы, на которых:
пропускают поток материала через трубопровод, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода;
измеряют относительное движение колеблющегося трубопровода;
периодически определяют относительную фазу левого собственного вектора для трубопровода.
Предпочтительно способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют относительную фазу правого собственного вектора для трубопровода;
определяют фактический расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы левого собственного вектора и относительной фазы правого собственного вектора.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют нескорректированный расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора;
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод посредством сравнения нескорректированного расхода с фактическим расходом.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют относительную фазу правого собственного вектора;
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод вычислением среднего из относительной фазы правого собственного вектора и относительной фазы левого собственного вектора.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых относительную фазу левого собственного вектора корректируют на отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
измеряют первую относительную фазу между двумя разнесенными местами на колеблющемся трубопроводе, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием как первого устройства возбуждения, так и второго устройства возбуждения, при этом первое устройство возбуждения находится на расстоянии от второго устройства возбуждения;
измеряют вторую относительную фазу между двумя разнесенными местами на колеблющемся трубопроводе, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием только второго устройства возбуждения;
вычисляют отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи, соответствующие первому устройству возбуждения, вычитанием второй относительной фазы из первой относительной фазы;
измеряют третью относительную фазу между двумя разнесенными местами на колеблющемся трубопроводе, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием только второго устройства возбуждения;
вычисляют отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи, соответствующие второму устройству возбуждения, вычитанием третьей относительной фазы из первой относительной фазы.
Другой аспект изобретения включает в себя следующий способ:
пропускают поток материала через трубопровод, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием, по меньшей мере, двух устройств возбуждения, расположенных с разнесением;
измеряют движение колеблющегося трубопровода;
определяют первое взаимное расположение между первым местом на трубопроводе и первым из устройств возбуждения, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием только первого из устройств возбуждения;
определяют второе взаимное расположение между первым местом на трубопроводе и вторым из устройств возбуждения, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием только второго из устройств возбуждения;
определяют левый собственный вектор с использованием первого взаимного расположения и второго взаимного расположения.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых движение трубопровода измеряют первым датчиком, который совмещен с первым устройством возбуждения, и вторым датчиком, который совмещен со вторым устройством возбуждения.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют относительную фазу правого собственного вектора для трубопровода, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием как первого, так и второго устройств возбуждения;
определяют фактический расход материала через трубопровод вычитанием относительной фазы левого собственного вектора из относительной фазы правого собственного вектора.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют нескорректированный расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора;
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод посредством сравнения нескорректированного расхода с фактическим расходом;
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют относительную фазу правого собственного вектора для трубопровода, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием как первого, так и второго устройств возбуждения;
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод при помощи вычисления среднего из относительной фазы правого собственного вектора и относительной фазы левого собственного вектора;
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
измеряют первое приращение времени между первым местом и вторым местом, при возбуждении колебаний с использованием, по меньшей мере, двух устройств возбуждения;
измеряют второе приращение времени между первым местом и вторым местом, при возбуждении колебаний с использованием всех, кроме первого из устройств возбуждения;
измеряют третье приращение времени между первым местом и вторым местом, при возбуждении колебаний с использованием всех, кроме второго из устройств возбуждения;
вычисляют первую величину коррекции с использованием первого приращения времени и второго приращения времени;
вычисляют вторую величину коррекции с использованием первого приращения времени и третьего приращения времени;
регулируют первое взаимное расположение с использованием первой величины коррекции перед вычислением левого собственного вектора; и,
регулируют второе взаимное расположение с использованием второй величины коррекции перед вычислением левого собственного вектора.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых:
пропускают поток материала через трубопровод, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода;
измеряют относительное движение колеблющегося трубопровода;
измеряют относительную фазу правого собственного вектора, при одновременном возбуждении колебаний трубопровода;
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг;
определяют новый нулевой сдвиг без прерывания расхода материала через трубопровод;
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на новый нулевой сдвиг.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этап, на котором новый нулевой сдвиг определяют с использованием относительной фазы левого собственного вектора для трубопровода.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этап, на котором новый нулевой сдвиг определяют периодически.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этап, на котором периодичность является функцией точности, требуемой при измерении расхода.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этап, на котором новый нулевой сдвиг определяют, когда происходит изменение измеряемого параметра окружающей среды.
Другой аспект изобретения содержит:
трубопровод, выполненный с возможностью вмещения материала, протекающего по трубопроводу;
по меньшей мере, два устройства возбуждения, выполненные с возможностью возбуждения множества мод колебаний трубопровода;
измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения относительного движения колеблющегося трубопровода;
устройство, выполненное с возможностью периодического определения относительной фазы левого собственного вектора для трубопровода с использованием относительного движения колеблющегося трубопровода;
устройство, выполненное с дополнительной возможностью определения относительной фазы правого собственного вектора для трубопровода с использованием относительного движения колеблющегося трубопровода.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этап, на котором фактический расход материала через трубопровод определяют с использованием разности относительной фазы левого собственного вектора в сравнении с относительной фазой правого собственного вектора.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этап, на котором расход материала через трубопровод определяют с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этап, на котором:
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод вычислением среднего из относительной фазы правого собственного вектора и относительной фазы левого собственного вектора.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых фактический расход материала через трубопровод определяют вычитанием относительной фазы левого собственного вектора из относительной фазы правого собственного вектора; и,
нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод определяют сравнением расхода, определенного с использованием относительной фазы правого собственного вектора с фактическим расходом.
В предпочтительном варианте способ дополнительно заключается в том, что относительная фаза левого собственного вектора корректируется на отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этапы, на которых первую относительную фазу между первым местом на колеблющемся трубопроводе и вторым местом на колеблющемся трубопроводе определяют при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием, по меньшей мере, двух устройств возбуждения;
вторую относительную фазу между первым местом на колеблющемся трубопроводе и вторым местом на колеблющемся трубопроводе определяют при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием всех, кроме первого из, по меньшей мере, двух устройств возбуждения;
третью относительную фазу между первым местом на колеблющемся трубопроводе и вторым местом на колеблющемся трубопроводе определяют при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием всех, кроме второго из, по меньшей мере, двух устройств возбуждения; и
отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи для первого из, по меньшей мере, двух устройств возбуждения определяют при помощи вычитания второй относительной фазы из первой относительной фазы;
отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи для второго из, по меньшей мере, двух устройств возбуждения определяют при помощи вычитания третьей относительной фазы из первой относительной фазы.
В предпочтительном варианте способ дополнительно заключается в том, что измерительное устройство содержит, по меньшей мере, два датчика в разнесенных относительно друг друга положениях.
В предпочтительном варианте способ дополнительно заключается в том, что устройство является процессором, исполняющим программу, которая осуществляет определение относительной фазы левого и правого собственных векторов.
В предпочтительном варианте способ дополнительно заключается в том, что устройство является схемой, которая осуществляет определение относительной фазы левого и правого собственных векторов.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит:
трубопровод, выполненный с возможностью вмещения в себя материала, протекающего по трубопроводу;
средство для возбуждения колебаний трубопровода;
средство для измерения относительного движения колеблющегося трубопровода;
средство для периодического определения относительной фазы левого собственного вектора для трубопровода;
средство для определения относительной фазы правого собственного вектора для трубопровода;
средство для определения нулевого сдвига для материала, протекающего через трубопровод при помощи вычисления среднего из относительной фазы правого собственного вектора и относительной фазы левого собственного вектора;
средство для определения фактического расхода материала с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
Краткое описание чертежей
Фиг.1A - вид сверху трубопровода в неотклоненном положении в примерном варианте осуществления изобретения.
Фиг.1B - вид сверху трубопровода в отклоненном положении, соответствующем основной моде изгибных колебаний в примерном варианте осуществления изобретения.
Фиг.1C - вид сверху трубопровода в отклоненном положении, соответствующем моде изгибных колебаний, вызванных силами Кориолиса в примерном варианте осуществления изобретения.
Фиг.2 - блок-схема последовательности операций способа определения левого собственного вектора в примерном варианте осуществления изобретения.
Фиг.3 - блок-схема последовательности операций способа определения упругого последействия и электронных перекрестных помех в примерном варианте осуществления изобретения.
Фиг.4 - схема, представляющая относительные значения ΔT, измеренные с использованием расстроенного однотрубного расходомера, при переключении между устройствами возбуждения, в примерном варианте осуществления изобретения.
Фиг.5 - блок-схема последовательности операций способа повторной калибровки нулевого сдвига расходомера с расходом в примерном варианте осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
На фиг.1-5 и в нижеследующем описании представлены конкретные примеры для объяснения специалистам в данной области техники способов изготовления и применения лучшего варианта осуществления изобретения. С целью пояснения принципов изобретения некоторые общеизвестные аспекты приведены к более простому виду или опущены. Специалистам в данной области техники должны быть очевидны изменения представленных примеров, которые находятся в пределах объема изобретения. Специалисты в данной области техники должны понимать, что нижеописанные признаки можно сочетать различными способами для создания многочисленных вариантов изобретения. В результате изобретение ограничено не конкретными нижеописанными примерами, а исключительно формулой изобретения и ее эквивалентами.
Теоретические предпосылки
Работу кориолисова расходомера можно описать математическими формулами. Общая система дифференциальных уравнений первого порядка, описывающая движение линейной системы, имеет вид:
В уравнении (1) M и K означают матрицы массы и жесткости системы и C означает матрицу затухания общего вида, которая может содержать симметричный компонент, обусловленный затуханием, и кососимметричный компонент, обусловленный силой Кориолиса.
Уравнение 1 можно переписать в виде уравнения 2, где A равно матрице 
и B равно матрице 
и u равно 
.
Уравнение движения можно понять из рассмотрения уравнений 1 и 2. Обобщенная проблема собственного значения, связанная с уравнением (2), может быть решена для правых собственных векторов, 
, так что:
При симметричных матрицах A и B собственный вектор можно использовать для диагонализации или развязывания уравнений движения. Несвязанные уравнения легко решаются. Для несимметричной системы, например, где C содержит матрицу кориолиса, правые собственные векторы не диагонализируют уравнения движения, что приводит к связанным уравнениям. Решение связанных уравнений сложнее получить и понять. Левые собственные векторы требуются для диагонализации несимметричных матриц A или B. Нижеописанные выводы представляют процесс. Левые собственные векторы получают решением следующей обобщенной задачи собственных значений:
Обычно M и K будут симметричными для кориолисова расходомера. При отсутствии расхода C также будет симметричной, следовательно, матрицы системы A и B будут симметричными. В данном случае уравнения (3) и (4) являются идентичными, и левый и правый собственные векторы являются одинаковыми. При наличии расхода соответствующая асимметрия матрицы C приводит к различию между левым и правым собственными векторами.
Рассмотрим j-й правый собственный вектор:
и i-й левый собственный вектор:
Умножение слева уравнения (5) на 
и умножение в обычном порядке уравнения (6) на 
и вычитание обоих дает:
Умножение уравнения (5) на 
и уравнения (6) на 
и выполнение той же самой процедуры дает:
Уравнения (7) и (8) показывают, что умножением слева и в обычном порядке либо матриц системы A или B на матрицу левых собственных векторов 
и матрицу правых собственных векторов 
соответственно диагонализируют матрицы системы.
Тот факт, что матрицы левых и правых собственных векторов диагонализируют матрицы системы, означает, что как множество правых собственных векторов, так и множество левых собственных векторов являются линейно независимыми. Каждое множество можно использовать как базис системы координат для характеристики. Понимание, что различие между левыми и правыми собственными векторами обусловлено несимметричной матрицей кориолиса, составляет основу настоящего изобретения.
В понятиях математической модели прибора, матрицы массы, жесткости и затухания, которые моделируют некориолисовы эффекты, являются симметричными. Для системы без расхода левый и правый собственные векторы являются идентичными (в пределах произвольного масштабного коэффициента). Однако сила кориолиса, соответствующая расходу, проявляется в математической модели в виде кососимметричной матрицы затухания (транспонированная матрица имеет знак, обратный к исходной матрице). Кососимметричная матрица кориолиса вызывает различие левого и правого собственных векторов. Для системы с расходом без непропорционального затухания фазы разных коэффициентов левых собственных векторов взаимосвязаны между собой так же, как аналогичных коэффициентов правых собственных векторов. Для системы без непропорционального затухания упомянутые фазовые величины одинаково смещены как для левых, так и для правых собственных векторов, однако разность остается той же самой. Следовательно, если можно точно измерить фазовые характеристики левых и правых собственных векторов, то данные характеристики позволяют различать фазу, относящуюся к нулевому сдвигу при непропорциональном затухании, и фазу, относящуюся к расходу материала, с исключением тем самым соответствующих погрешностей нулевого сдвига.
Характеристики упругого последействия электромагнитных перекрестных помех и электронной измерительной системы также вносят вклад в нулевой сдвиг. Один подход к истолкованию данных эффектов заключаются в том, что они вносят погрешность в измерение фазы правого собственного вектора. Если режим возбуждения (правый собственный вектор) можно измерить точно, то непропорциональное затухание будет единственным фактором влияния, вызывающим нулевой сдвиг, и данная погрешность будет легко отличимой от факторов влияния, обусловленным расходом, с использованием информации о dT для левого и правого собственных векторов.
Порядок работы
На фиг.1 представлен вид сверху трубопровода 102, выполненного с возможностью вмещения в себя материала, протекающего по трубопроводу. D1 и D2 представляют собой два устройства возбуждения (называемых также приводами), установленных с интервалом вдоль трубопровода 102. В предпочтительном варианте осуществления два устройства возбуждения расставлены симметрично относительно центра оси трубопровода. Устройства возбуждения выполнены с возможностью приложения усилия к трубопроводу 102 для возбуждения множества мод колебаний в трубопроводе 102. Усилие может быть, по существу, когерентным (например, ограниченное узким частотным интервалом) или может быть широкополосным. Устройства возбуждения могут представлять собой такие известные средства, как магнит, прикрепленный к трубопроводу, и катушка, прикрепленная к базе, через которую пропускают колебательный ток.
Позициями S1 и S2 обозначены два датчика, совмещенные с устройствами возбуждения D1 и D2. Датчики выполнены с возможностью выработки множества сигналов, характеризующих расположение и движение трубопровода 102. Датчики могут содержать разнообразные устройства, например катушечные измерительные преобразователи скорости, оптические или ультразвуковые датчики движения, акселерометры, инерционные датчики угловой скорости и т.п. В упомянутом варианте осуществления существует два датчика, каждый из которых показан совмещенным с одним из устройств возбуждения. В других вариантах осуществления может присутствовать только один датчик, выполненный с возможностью измерения положения и движения трубопровода 102 по длине трубопровода 102. Возможны также другие конфигурации, содержащие более чем 2 датчика.
На фиг.1A изображен трубопровод 102 в неотклоненном состоянии. При равномощном возбуждении приводов можно возбудить основную моду изгибных колебаний трубопровода. В патенте США №6,092,429, «Устройство возбуждения для колебания вибрирующего трубопровода», выданном 25 июля, 2000 г., который настоящим включен в данное описание путем отсылки, предлагаются устройства возбуждения, выполненные с возможностью возбуждения разных мод колебаний в трубопроводе. На фиг.1B изображен трубопровод 102 в отклоненном состоянии, соответствующем основной моде изгибных колебаний трубопровода. Упомянутая мода колебаний соответствует также режиму, в котором отсутствует расход материала через трубопровод. Отклонение трубопровода 102 на фиг.1B и 1C увеличено для ясности. Фактические отклонения трубопровода 102 будут намного меньше. Когда материал протекает по колеблющемуся трубопроводу 102, текущий материал вызывает появление сил кориолиса. Силы кориолиса отклоняют трубопровод 102 и возбуждают дополнительные моды колебаний. На фиг.1C показана основная мода колебаний, возбуждаемая силами кориолиса. Относительную разность фаз, определенную между датчиком S1 и датчиком S2, можно использовать для определения расхода материала через трубопровод 102. В режиме с отсутствием расхода (показанном на фиг.1B) обусловленная расходом разность фаз, определяемая между S1 и S2, отсутствует. Могут присутствовать разности фаз из-за состояний нулевого сдвига. Когда по трубопроводу 102 протекает материал, между S1 и S2 будет иметь место разность фаз, обусловленная расходом. Измеренная разность фаз, определяемая между S1 и S2, является мерой относительной фазы правого собственного вектора системы и пропорциональная расходу материала через трубопровод. Пусть θR равно относительной фазе правого собственного вектора, θS1 равно измеренной фазе колебания трубопровода около датчика S1, и θS2 равно измеренной фазе колебания трубопровода около датчика S2, тогда θR=θS1 - θS2. Разновременность, т.е. приращение T можно вычислить по разности фаз делением на частоту колебаний ω, ΔT=(θS1-θS2)/ω. Разновременность ΔT пропорциональна также расходу материала через трубопровод и является мерой, обычно используемой в массовых расходомерах. Более точное определение для расхода материала через трубопровод 102 можно получить вычислением посредством ввода поправки в измеренный расход материала на величину нулевого сдвига, ΔTc=ΔT - Нулевой сдвиг.
В одном примерном варианте осуществления изобретения, во время нормальной работы оба устройства возбуждения применяются для возбуждения основной моды изгибных колебаний трубопровода. Расход материала через трубопровод определяют измерением относительной фазы правого собственного вектора, преобразованием в область ΔT и коррекцией данного значения на величину поправки на нулевой сдвиг ΔTRC=ΔTR - нулевой сдвиг. Трубопровод возбуждают с периодическим использованием только одного и затем другого устройства возбуждения. Производят измерения разности фаз сигнала возбуждения и положения на трубопроводе. Эти данные измерений используют для определения относительной фазы левого собственного вектора системы.
На фиг.2 представлена блок-схема последовательности операций способа определения левого собственного вектора в примерном варианте осуществления изобретения. На этапе 202, в нормальном режиме работы для возбуждения колебаний трубопровода применяются оба устройства возбуждения. На этапе 204, для возбуждения колебаний трубопровода применяется только устройство возбуждения D1. В это время измеряется разность фаз между сигналом возбуждения, применяемым в устройстве возбуждения D1, и датчиком S1. Обозначим данную измеренную разность фаз как θ1. На этапе 206 устройство возбуждения D1 выключено, и для возбуждения колебаний трубопровода применяется только устройство возбуждения D2. В это время измеряется разность фаз между сигналом возбуждения, применяемым в устройстве возбуждения D2, датчиком S1. Обозначим данную измеренную разность фаз как θ2. На этапе 208 относительную фазу левого собственного вектора θL системы можно вычислить как θL=θ1-θ2. Преобразование во временную область дает относительное приращение T левого собственного вектора: ΔTL=(θ1-θ2)/ω. На этапе 210 возобновляется работа в нормальном режиме и оба устройства возбуждения применяются для возбуждения колебаний трубопровода. Последовательность, в которой устройства возбуждения включаются и выключаются, не имеет значения.
Поскольку относительные фазы (θ1 и θ2) для левого собственного вектора определяются при возбуждении колебаний трубопровода только одним устройством возбуждения, отклик упругого последействия (RF) и электромагнитные перекрестные помехи (EC) должны быть скорректированы. Каждое устройство возбуждения вызывает какой-то отклик упругого последействия и электромагнитные помехи. Их влияние затухает до нуля почти мгновенно, когда устройство возбуждения выключается. Путем непродолжительного выключения устройства возбуждения можно определить изменение измеренной фазы у каждого датчика, обусловленное откликом упругого последействия и электромагнитными помехами, относящимися к данному датчику. Изменение измеренной фазы можно определить измерением скачкообразного изменения разности между датчиками, которое случается, когда выключают каждое устройство возбуждения. На фиг.3 представлена схема последовательности операций для одного варианта осуществления способа определения упругого последействия и электронных перекрестных помех.
На этапе 302, в нормальном режиме работы оба устройства возбуждения применяются для возбуждения колебаний трубопровода. Приращение T при обоих работающих устройствах возбуждения ΔTD1D2 измеряется между датчиком S1 и датчиком S2. На этапе 304 устройство возбуждения D2 выключается и для возбуждения колебаний трубопровода применяется только устройство возбуждения D1. В это время измеряется приращение T только с одним работающим устройством возбуждения D1, ΔTD1 между датчиком S1 и датчиком S2. Разность между ΔTD1D2 и ΔTD1 обусловлена упругим последействием и электронными перекрестными помехами от устройства возбуждения D2. На этапе 306 устройство возбуждения D1 выключено и для возбуждения трубопровода применяется только возбудитель D2. В это время измеряется приращение T только с одним работающим устройством возбуждения D2, ΔTD2 между датчиком S1 и датчиком S2. Разность между ΔTD1D2 и ΔTD2 обусловлена упругим последействием и электронными перекрестными помехами от устройства возбуждения D1. Для коррекции измеренного ΔT на упругое последействие и электронные перекрестные помехи от обоих устройств возбуждения разность между ΔTD1D2 и ΔTD1 и разность между ΔTD1D2 и ΔTD2 вычитают из измеренного ΔT. Поэтому скорректированное приращение T равно ΔTC=ΔT-(ΔTD1D2-ΔTD1)-(ΔTD1D2-ΔTD2). При использовании данного метода приращение T для относительной фазы левого собственного вектора ΔTLC можно скорректировать на упругое последействие и электронные перекрестные помехи ΔTLC=ΔTL-(ΔTD2-ΔTD1).
На фиг.4 приведена схема, представляющая относительные значения ΔT, измеренные с использованием расстроенного однотрубного расходомера, при переключении между устройствами возбуждения, в примерном варианте осуществления изобретения. В данном расходомере устройства возбуждения DR1 и DR2 ориентированы под 45 градусов от вертикали и расположены в одном месте по оси с датчиком PR3. При возбуждении DR1 и DR2 одинаковым сигналом получают псевдосовмещенную пару устройства возбуждения/датчика. Такая же взаимосвязь применяется для создания псевдосовмещенной пары устройств возбуждения/датчика с помощью устройств возбуждения DL1 и DL2 и датчика PL3. Две пары датчиков-устройств возбуждения (DR1/DR2/PR3 и DL1/DL2/PL3) расставлены симметрично относительно центра оси расходомера. В период времени от нуля до 30 секунд для возбуждения колебаний расходомера применялись обе пары псевдоустройств возбуждения. Скачкообразное изменение значений ΔT приблизительно на 30 секунде происходит, когда выключается пара устройств возбуждения DL1/DL2. Такое изменение ΔT обусловлено откликом упругого последействия и электромагнитными перекрестными помехами от псевдоустройства возбуждения DL1/DL2. В момент примерно на 65 секунде выключается пара устройств возбуждения DR1/DR2 и включается пара устройств возбуждения DL1/DL2. На отметке приблизительно 100 секунд снова включается пара устройств возбуждения DR1/DR2 и для возбуждения колебаний расходомера применяются обе пары псевдоустройств возбуждения. Изменение измеренных значений ΔT в период от 100 до 120 обусловлено откликом упругого последействия и электромагнитными перекрестными помехами псевдоустройства возбуждения DR1/DR2.
В расходомерах, в которых устройства возбуждения и датчики расположены симметрично относительно центра оси расходомера, упругое последействие и электронные перекрестные помехи, соответствующие каждому устройству возбуждения, равны и противоположны. В нормальном режиме работы, когда для возбуждения колебаний трубопровода применяются оба устройства возбуждения, их влияния погашаются и обычно не нуждаются в коррекции для точного измерения приращения T правого собственного вектора. Измерения для левого собственного вектора и упругого последействия и электронных перекрестных помех можно снимать одновременно, когда кратковременно выключают каждое устройство возбуждения.
Методы компенсации непостоянства фазы между разными электронными измерительными каналами широко известны в технике. Например, на вход можно подавать известный сигнал и измерять фазовые искажения. Данную процедуру можно выполнять при наличии расхода при обеспечении запасного измерительного канала, который принимает на себя измерительную функцию контролируемого канала, когда осуществляют контроль канала.
После того, как относительные ΔT для левого и правого собственных векторов измерены и скорректированы на влияние упругого последействия, электронных перекрестных помех и т.п., вычисляют вклад потока и непропорционального затухания. Влияние расхода потока F равно частному от деления разности между относительными ΔT левого и правого собственных векторов на 2: F=(ΔTR-ΔTL)/2. Новый нулевой сдвиг можно вычислить сравнением влияния расхода F с расходом, определенным измерением ΔTR в нормальном режиме работы. Нулевой сдвиг=ΔTR-F. Новый нулевой сдвиг можно использовать для коррекции измеренного расхода в нормальном режиме работы, пока в следующий раз не определяется значение для левого собственного вектора.
Влияние непропорционального затухания ND равно среднему из левого и правого собственных векторов ND=(ΔTR+ΔTL)/2. Данное значение можно использовать как новое значение нулевого сдвига.
На фиг.5 представлена блок-схема последовательности операций способа повторной калибровки нулевого сдвига расходомера с расходом в примерном варианте осуществления настоящего изобретения. На этапе 502, в нормальном режиме работы, для возбуждения трубопровода служат оба устройства возбуждения. Определяется нескорректированное относительное приращение T для правого собственного вектора. Затем нескорректированное относительное приращение T для правого собственного вектора корректируется с использованием нулевого сдвига. Расход через расходомер определяется с использованием скорректированного относительного приращения T правого собственного вектора. Периодически, на этапе 504, устройства возбуждения D1 и D2 попеременно выключаются и определяются относительное приращение T левого собственного вектора и упругое последействие (RF) и электронные перекрестные помехи (EC). Относительное приращение T левого собственного вектора корректируется на влияние упругого последействия и электронных перекрестных помех. На этапе 506 скорректированное относительное приращение T левого собственного вектора и нескорректированное приращение T правого собственного вектора применяются для определения нового нулевого сдвига. Новый нулевой сдвиг подставляется вместо старого нулевого сдвига и процесс возобновляется с этапа 502. При вычислении и подстановке нового нулевого сдвига в расходомер расходомер оказывается повторно калиброванным по режиму нулевого расхода во время течения материала через расходомер.
В одном примерном варианте осуществления определение момента, когда следует производить повторную калибровку, можно выполнять с использованием фиксированных временных интервалов между калибровками. В другом примерном варианте осуществления повторную калибровку можно выполнять, когда обнаруживаются изменения в окружающей среде или трубопроводной системе. Например, когда изменение температуры больше пороговой величины, может выполняться повторная калибровка. Определение момента выполнения повторной калибровки может быть комбинированным, по периодическому таймеру и обнаружению изменений в окружающей среде. Период времени между повторными калибровками может быть короче для систем, которые нуждаются в более высокой точности, чем для систем, требования к точности которых менее строги.
Переключение между устройствами возбуждения D1 и D2 для измерения относительной фазы левого собственного вектора не подразумевает обязательного прерывания нормального режима работы расходомера (т.е. измерения расхода с использованием ΔT правого собственного вектора). Например, когда устройства возбуждения расположены симметрично относительно осевой линии трубопровода, каждое устройство возбуждения возбуждает колебания с одинаковой силой. Например, удвоением тока в D2, когда D1 выключено, можно поддерживать амплитуду приводящего усилия.
В вышеприведенном описании изобретения представлен однотрубный расходомер. Как будет очевидно специалистам, в данной области техники настоящее изобретение применимо в расходомерах других конфигураций, например в двухтрубных расходомерах. Изобретение описано также на примере прямолинейного трубопровода, но возможны другие геометрические формы расходомера, например с изогнутым трубопроводом.
1. Способ определения относительной фазы левого собственного вектора для трубопровода, содержащий этапы, на которых:
пропускают поток материала через трубопровод при одновременном возбуждении колебаний трубопровода;
измеряют относительное движение колеблющегося трубопровода; и
периодически определяют относительную фазу левого собственного вектора для трубопровода (208).
2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых:
определяют относительную фазу правого собственного вектора для трубопровода (302); и
определяют фактический расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы левого собственного вектора и относительной фазы правого собственного вектора.
3. Способ по п.2, дополнительно содержащий этапы, на которых:
определяют нескорректированный расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора; и
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод посредством сравнения нескорректированного расхода с фактическим расходом (506).
4. Способ по п.3, дополнительно содержащий этапы, на которых:
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг (502).
5. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых:
определяют относительную фазу правого собственного вектора; и
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод при помощи вычисления среднего из относительной фазы правого собственного вектора и относительной фазы левого собственного вектора.
6. Способ по п.5, дополнительно содержащий этап, на котором:
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
7. Способ по п.1, в котором относительную фазу левого собственного вектора корректируют на отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи.
8. Способ по п.7, дополнительно содержащий этапы, на которых:
измеряют первую относительную фазу между двумя разнесенными местами на колеблющемся трубопроводе при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием, как первого устройства возбуждения (304), так и второго устройства возбуждения, при этом первое устройство возбуждения находится на расстоянии от второго устройства возбуждения;
измеряют вторую относительную фазу между двумя разнесенными местами на колеблющемся трубопроводе при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием только второго устройства возбуждения (304);
вычисляют отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи, соответствующие первому устройству возбуждения вычитанием второй относительной фазы из первой относительной фазы (308);
измеряют третью относительную фазу между двумя разнесенными местами на колеблющемся трубопроводе при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием только первого устройства возбуждения (306); и
вычисляют отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи, соответствующие второму устройству возбуждения путем вычитания третьей относительной фазы из первой относительной фазы (308).
9. Способ определения относительной фазы левого собственного вектора для трубопровода, содержащий этапы, на которых:
пропускают поток материала через трубопровод при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием, по меньшей мере, двух устройств возбуждения, расположенных с разнесением;
измеряют движение колеблющегося трубопровода;
определяют первое взаимное расположение между первым местом на трубопроводе и первым из устройств возбуждения при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием только первого из устройств возбуждения (204);
определяют второе взаимное расположение между первым местом на трубопроводе и вторым из устройств возбуждения при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием только второго из устройств возбуждения (206); и
определяют левый собственный вектор с использованием первого взаимного расположения и второго взаимного расположения (208).
10. Способ по п.9, в котором движение трубопровода измеряют первым датчиком, который совмещен с первым устройством возбуждения, и вторым датчиком, который совмещен со вторым устройством возбуждения.
11. Способ по п.9, дополнительно содержащий этапы, на которых:
определяют относительную фазу правого собственного вектора для трубопровода при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием, как первого, так и второго устройств возбуждения; и
определяют фактический расход материала через трубопровод вычитанием относительной фазы левого собственного вектора из относительной фазы правого собственного вектора.
12. Способ по п.11, дополнительно содержащий этапы, на которых:
определяют нескорректированный расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора;
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод посредством сравнения нескорректированного расхода с фактическим расходом; и
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
13. Способ по п.9, дополнительно содержащий этапы, на которых:
определяют относительную фазу правого собственного вектора для трубопровода при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием, как первого, так и второго устройств возбуждения;
определяют нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод при помощи вычисления среднего из относительной фазы правого собственного вектора и относительной фазы левого собственного вектора; и
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
14. Способ по п.9, дополнительно содержащий этапы, на которых:
измеряют первое приращение времени между первым местом и вторым местом при возбуждении колебаний с использованием, по меньшей мере, двух устройств возбуждения (302);
измеряют второе приращение времени между первым местом и вторым местом при возбуждении колебаний с использованием всех, кроме первого из устройств возбуждения (304);
измеряют третье приращение времени между первым местом и вторым местом при возбуждении колебаний с использованием всех, кроме второго из устройств возбуждения (306);
вычисляют первую величину коррекции с использованием первого приращения времени и второго приращения времени (308);
вычисляют вторую величину коррекции с использованием первого приращения времени и третьего приращения времени (308);
регулируют первое взаимное расположение с использованием первой величины коррекции перед вычислением левого собственного вектора; и
регулируют второе взаимное расположение с использованием второй величины коррекции перед вычислением левого собственного вектора.
15. Способ определения расхода материала через трубопровод, содержащий этапы, на которых:
пропускают поток материала через трубопровод при одновременном возбуждении колебаний трубопровода;
измеряют относительное движение колеблющегося трубопровода;
измеряют относительную фазу правого собственного вектора при одновременном возбуждении колебаний трубопровода;
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг (502);
определяют новый нулевой сдвиг без прерывания расхода материала через трубопровод; и
определяют расход материала через трубопровод с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на новый нулевой сдвиг.
16. Способ по п.15, в котором новый нулевой сдвиг определяют с использованием относительной фазы левого собственного вектора для трубопровода.
17. Способ по п.15, в котором новый нулевой сдвиг определяют периодически.
18. Способ по п.17, в котором периодичность является функцией точности, требуемой при измерении расхода.
19. Способ по п.15, в котором новый нулевой сдвиг определяют, когда происходит изменение измеряемого параметра окружающей среды.
20. Устройство для определения относительной фазы левого и правого собственных векторов для трубопровода, содержащее:
трубопровод (102), выполненный с возможностью вмещения в себя материала, протекающего по трубопроводу;
по меньшей мере, два устройства (D1, D2) возбуждения, выполненные с возможностью возбуждения колебаний трубопровода;
измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения относительного движения колеблющегося трубопровода;
устройство, выполненное с возможностью периодического определения относительной фазы левого собственного вектора для трубопровода с использованием относительного движения колеблющегося трубопровода; и
устройство, выполненное с дополнительной возможностью определения относительной фазы правого собственного вектора для трубопровода с использованием относительного движения колеблющегося трубопровода.
21. Устройство по п.20, в котором фактический расход материала через трубопровод определяется с использованием разности относительной фазы левого собственного вектора в сравнении с относительной фазой правого собственного вектора.
22. Устройство по п.20, в котором расход материала через трубопровод определяется с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
23. Устройство по п.22, дополнительно содержащее:
определение нулевого сдвига для расхода материала через трубопровод при помощи вычисления среднего из относительной фазы правого собственного вектора и относительной фазы левого собственного вектора.
24. Устройство по п.22, в котором фактический расход материала через трубопровод определяется при помощи вычитания относительной фазы левого собственного вектора из относительной фазы правого собственного вектора; и
нулевой сдвиг для расхода материала через трубопровод определяется при помощи сравнения расхода, определенного с использованием относительной фазы правого собственного вектора, с фактическим расходом.
25. Устройство по п.20, в котором относительная фаза левого собственного вектора корректируется благодаря отклику упругого последействия и электромагнитным перекрестным помехам.
26. Устройство по п.25, в котором первая относительная фаза между первым местом на колеблющемся трубопроводе и вторым местом на колеблющемся трубопроводе определяется при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием, по меньшей мере, двух устройств возбуждения;
вторая относительная фаза между первым местом на колеблющемся трубопроводе и вторым местом на колеблющемся трубопроводе определяется при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием всех, кроме первого из, по меньшей мере, двух устройств возбуждения;
третья относительная фаза между первым местом на колеблющемся трубопроводе и вторым местом на колеблющемся трубопроводе определяется при одновременном возбуждении колебаний трубопровода с использованием всех, кроме второго из, по меньшей мере, двух устройств возбуждения; и
отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи для первого из, по меньшей мере, двух устройств возбуждения определяются при помощи вычитания второй относительной фазы из первой относительной фазы; и
отклик упругого последействия и электромагнитные перекрестные помехи для второго из, по меньшей мере, двух устройств возбуждения определяются при помощи вычитания третьей относительной фазы из первой относительной фазы.
27. Устройство по п.20, в котором измерительное устройство содержит, по меньшей мере, два датчика в разнесенных относительно друг друга положениях.
28. Устройство по п.20, в котором устройство является процессором, исполняющим программу, которая осуществляет определение относительной фазы левого и правого собственных векторов.
29. Устройство по п.20, в котором устройство является схемой, которая осуществляет определение относительной фазы левого и правого собственных векторов.
30. Устройство для определения фактического расхода материала, содержащее:
трубопровод (102), выполненный с возможностью вмещения в себя материала, протекающего по трубопроводу;
средство для возбуждения колебаний трубопровода;
средство для измерения относительного движения колеблющегося трубопровода;
средство для периодического определения относительной фазы левого собственного вектора для трубопровода;
средство для определения относительной фазы правого собственного вектора для трубопровода;
средство для определения нулевого сдвига для материала, протекающего через трубопровод, при помощи вычисления среднего из относительной фазы правого собственного вектора и относительной фазы левого собственного вектора; и
средство для определения фактического расхода материала с использованием относительной фазы правого собственного вектора, скорректированной на нулевой сдвиг.
