Режекторный фильтр в вибрационном расходомере
Группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к вибрационным измерителям расхода жидкости или газа. Предложены электронная часть вибрационного измерителя, а также способ фильтрации сигнала датчика в вибрационном измерителе с помощью режекторного фильтра. Электроника (20) измерителя включает в себя режекторный фильтр (26), соединенный с возможностью обмена данными с узлом (10) датчика. При этом режекторный фильтр (26) сконфигурирован таким образом, чтобы фильтровать сигнал датчика от узла (10) датчика в вибрационном измерителе (5). Принимаемый сигнал датчика от узла (10) датчика состоит из первой составляющей на резонансной частоте узла (10) датчика и второй составляющей на нерезонансной частоте, причем режекторный фильтр пропускает первую составляющую и практически подавляет вторую составляющую, при этом первая составляющая пропускается практически с нулевым сдвигом фазы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники
Варианты осуществления, описанные ниже, относятся к вибрационным расходомерам и, более конкретно, к режекторному фильтру в вибрационном расходомере.
Уровень техники
Вибрационные измерители, такие как, например, расходомеры Кориолиса, измерители плотности жидкости, измерители плотности газа, измерители вязкости жидкости, измерители удельной плотности газа/жидкости, измерители относительной плотности газа/жидкости и измерители молекулярного веса газа, в целом, являются известными и используются для измерения характеристик текучих сред. Как правило, вибрационные измерители содержат узел датчика и электронику измерителя. Материал в узле датчика может быть текучим или неподвижным. Каждый тип узла датчика может иметь уникальные характеристики, которые измеритель должен учитывать для того, чтобы добиваться оптимальной производительности. Например, некоторые узлы датчиков могут требовать трубчатого оборудования, чтобы вибрировать с конкретными уровнями смещения. Другие типы узла датчика могут требовать специальных компенсационных алгоритмов.
Электроника измерителя, среди выполнения других функций, типично включает в себя сохраненные калибровочные значения датчика для конкретного используемого узла датчика. Например, электроника измерителя может включать в себя эталонный период времени датчика (т.е., обратную величину эталонной резонансной частоты). Эталонный период времени датчика представляет фундаментальную характеристику измерения геометрии датчика для конкретного узла датчика, которая измеряется на производстве в эталонных условиях. Изменение между периодом времени датчика, измеренным после того, как вибрационный измеритель устанавливается на месте заказчика, и эталонным периодом времени датчика может представлять физическое изменение в узле датчика вследствие покраски, эрозии, коррозии или повреждения трубок в узле датчика, в дополнение к другим причинам. Проверка измерителя или испытание для проверки готовности могут обнаруживать эти изменения.
Проверочное испытание измерителя типично выполняется с помощью многокомпонентного возбуждающего сигнала, который может также называться многотональным возбуждающим сигналом, который прикладывается к узлу датчика. Многотональный возбуждающий сигнал типично состоит из резонансной составляющей, или возбуждающего тона, который существует на резонансной частоте узла датчика, и множества нерезонансных составляющих, или испытательных тонов, которые имеют частоты, разнесенные от частоты возбуждающего тона. Это отличается от подхода, когда множество испытательных тонов циклически повторяются последовательно. Любое временное расхождение в системе (например, зависящие от температуры воздействия, изменения в потоке) могут искажать определение частотной характеристики узла датчика, если используется последовательный тональный подход. Многотональный возбуждающий сигнал является преимущественным, так как выборочные данные получаются одновременно.
Чтобы гарантировать, что контур обработки сигнала для измерений потока и плотности и контур обратной связи, используемый для предоставления возбуждающего тона, не включают в себя составляющие, ассоциированные с испытательными тонами, нерезонансные составляющие, они отфильтровываются. Режекторные типично используются, чтобы отфильтровывать нерезонансные составляющие, перед контуром обратной связи. Однако, режекторные фильтры могут индуцировать задержку или сдвиг фазы в резонансной составляющей в фрагменте полосы пропускания режекторных фильтров. Эта задержка или сдвиг фазы может вынуждать частоту возбуждающего тона дрейфовать от резонансной частоты узла датчика. Соответственно, существует необходимость в режекторном фильтре с полосой пропускания, которая не вызывает задержку или сдвиг фазы в резонансной составляющей, в то же время также предохраняя составляющие, ассоциированные с испытательными тонами, от достижения контура обратной связи.
Сущность изобретения
Предоставляется измерительная электронная схема, имеющая режекторный фильтр, сконфигурированный, чтобы фильтровать сигнал датчика из узла датчика в вибрационном измерителе. Согласно варианту осуществления, измерительная электронная схема содержит режекторный фильтр, соединенный с возможностью обмена данными с узлом датчика. Режекторный фильтр конфигурируется, чтобы принимать сигнал датчика от узла датчика, сигнал датчика состоит из первой составляющей на резонансной частоте узла датчика и второй составляющей на нерезонансной частоте и пропускает первую составляющую и практически подавляет вторую составляющую с помощью режекторного фильтра, при этом первая составляющая пропускается практически с нулевым сдвигом фазы.
Предоставляется способ фильтрации с помощью режекторного фильтра сигнала датчика в вибрационном измерителе. Согласно варианту осуществления, способ содержит прием с помощью режекторного фильтра сигнала датчика, содержащего первую составляющую на резонансной частоте узла датчика и вторую составляющую на нерезонансной частоте, и пропускание первой составляющей и практически подавление второй составляющей с помощью режекторного фильтра, при этом первая составляющая пропускается практически с нулевым сдвигом фазы.
Предоставляется способ конфигурирования режекторного фильтра в вибрационном измерителе. Согласно варианту осуществления, способ содержит предоставление режекторного фильтра, сконфигурированного принимать сигнал датчика, содержащий первую составляющую на резонансной частоте узла датчика и вторую составляющую на нерезонансной частоте, и регулировку режекторного фильтра, чтобы пропускать первую составляющую и практически подавлять вторую составляющую, при этом сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется.
Аспекты
Согласно аспекту, электроника (20) измерителя, имеющая режекторный фильтр (26), сконфигурированный, чтобы фильтровать сигнал датчика от узла (10) датчика в вибрационном измерителе (5), содержит режекторный фильтр (26), соединенный с возможностью обмена данными с узлом (10) датчика. Режекторный фильтр (26) конфигурируется, чтобы принимать сигнал датчика от узла (10) датчика, сигнал датчика состоит из первой составляющей на резонансной частоте узла (10) датчика и второй составляющей на нерезонансной частоте, и пропускать первую составляющую и практически подавлять вторую составляющую с помощью режекторного фильтра, при этом первая составляющая пропускается практически с нулевым сдвигом фазы.
Предпочтительно, режекторный фильтр (26), сконфигурированный, чтобы пропускать первую составляющую с практически нулевым сдвигом фазы, является фильтром с точностью с фиксированной точкой.
Предпочтительно, сигнал датчика дополнительно состоит, по меньшей мере, из одной дополнительной нерезонансной составляющей, и режекторный фильтр (26) дополнительно конфигурируется, чтобы практически подавлять, по меньшей мере, одну дополнительную нерезонансную составляющую.
Предпочтительно, измерительная электроника (20) дополнительно содержит задающую схему (22), соединенную с возможностью обмена данными с режекторным фильтром (26) и сконфигурированную, чтобы формировать многотональный возбуждающий сигнал для узла (10) датчика на основе первой составляющей, пропускаемой режекторным фильтром (26).
Согласно аспекту, способ фильтрации с помощью режекторного фильтра сигнала датчика в вибрационном измерителе содержит прием с помощью режекторного фильтра сигнала датчика, содержащего первую составляющую на резонансной частоте узла датчика и вторую составляющую на нерезонансной частоте, и пропуск первой составляющей и практически подавление второй составляющей с помощью режекторного фильтра, при этом первая составляющая пропускается практически с нулевым сдвигом фазы.
Предпочтительно, способ дополнительно содержит пропуск первой составляющей практически с нулевым сдвигом фазы с помощью режекторного фильтра, который является фильтром с точностью с фиксированной точкой.
Предпочтительно, сигнал датчика дополнительно состоит, по меньшей мере, из одной дополнительной нерезонансной составляющей и дополнительно содержит практически подавление, по меньшей мере, одной дополнительной нерезонансной составляющей с помощью режекторного фильтра.
Предпочтительно, способ дополнительно содержит формирование мультитонового возбуждающего сигнала для узла датчика на основе первой составляющей, пропущенной режекторном фильтром.
Согласно аспекту, способ конфигурирования режекторного фильтра в вибрационном измерителе содержит предоставление режекторного фильтра, сконфигурированного, чтобы принимать сигнал датчика, содержащий первую составляющую на резонансной частоте узла датчика и вторую составляющую на нерезонансной частоте, и регулировку режекторного фильтра, чтобы пропускать первую составляющую и практически подавлять вторую составляющую, при этом сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется.
Предпочтительно, регулировка режекторного фильтра, в которой сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется, содержит регулировку режекторного фильтра, в которой сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется в частотном диапазоне, включающем в себя резонансную частоту.
Предпочтительно, регулировка режекторного фильтра, в которой сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется, содержит регулировку режекторного фильтра, в которой сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется на резонансной частоте.
Предпочтительно, способ дополнительно содержит минимизацию погрешности реализации точности с фиксированной точкой для режекторного фильтра посредством сравнения первого сдвига фазы, ассоциированного с режекторным фильтром, имеющим первую точность с фиксированной точкой, и второго сдвига фазы, ассоциированного с режекторным фильтром, имеющим вторую точность с фиксированной точкой.
Предпочтительно, способ дополнительно содержит реализацию формы режекторного фильтра, чтобы в значительной степени минимизировать погрешность реализации точности с фиксированной точкой режекторного фильтра.
Краткое описание чертежей
Один и тот же ссылочный номер представляет один и тот же элемент на всех чертежах. Должно быть понятно, что чертежи необязательно начерчены в масштабе.
Фиг. 1 показывает вибрационный измеритель 5 с режекторными фильтрами.
Фиг. 2 показывает блок–схему вибрационного измерителя 5 с режекторными фильтрами согласно варианту осуществления.
Фиг. 3 и 4 показывают графики 300, 400, иллюстрирующие фазовую характеристику режекторных фильтров в вибрационных измерителях с существенным сдвигом фазы.
Фиг. 5 показывает способ 500 фильтрации с помощью режекторного фильтра сигнала датчика от узла датчика в вибрационном измерителе.
Фиг. 6 показывает способ 600 конфигурирования режекторного фильтра, чтобы фильтровать сигнал датчика от узла датчика в вибрационном измерителе.
Фиг. 7 и 8 показывают графики 700, 800, иллюстрирующие фазные характеристики режекторных фильтров согласно варианту осуществления.
Фиг. 9 и 10 показывают графики 900, 1000, иллюстрирующие фазную характеристику режекторных фильтров в вибрационном измерителе согласно варианту осуществления.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1–10 и последующее описание изображают конкретные примеры, чтобы научить специалистов в области техники тому, как создавать и использовать оптимальный режим вариантов осуществления режекторного фильтра в вибрационном измерителе. В целях обучения принципам изобретения некоторые традиционные аспекты были упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники поймут вариации из этих примеров, которые попадают в рамки настоящего описания. Специалисты в области техники поймут, что отличительные признаки, описанные ниже, могут быть объединены различными способами, чтобы формировать множество разновидностей режекторного фильтра в вибрационном измерителе. В результате, варианты осуществления, описанные ниже, не ограничиваются конкретными примерами, описанными ниже, а только формулой изобретения и ее эквивалентами.
Режекторный фильтр может предоставлять резонансную составляющую генератору возбуждающего сигнала, отфильтровывая нерезонансную составляющую, в то же время предоставляя возможность пропускать резонансную составляющую. Чтобы гарантировать, что существует нулевой сдвиг фазы резонансной составляющей, режекторный фильтр может быть сконфигурирован, чтобы в значительной степени минимизировать сдвиг фазы резонансной составляющей. Сдвиг фазы может быть в значительной степени минимизирован в или около резонансной частоты и в диапазоне частот, которые учитывают широкий диапазон резонансных частот. Сдвиг фаз может также быть в значительной степени минимизирован посредством выбора, например, значения точности с плавающей точкой, которое также уменьшает вычислительную нагрузку на электронику измерителя. Соответственно, не имея необходимости регулировки для сдвига фазы резонансной составляющей, алгоритм или схема возбуждения могут быть упрощены.
Фиг. 1 показывает вибрационный измеритель 5 с режекторными фильтрами. Как показано на фиг. 1, вибрационный измеритель 5 содержит узел 10 датчика и электронику 20 измерителя. Узел 10 датчика реагирует на массовый расход и плотность технологического материала. Электроника 20 измерителя соединяется с узлом 10 датчика через выводы 100, чтобы предоставлять информацию о плотности, массовом расходе и температуре по пути 6, также как и другую информацию.
Узел 10 датчика включает в себя пару патрубков 150 и 150', фланцы 103 и 103', имеющие горловины 110 и 110' фланцев, пару параллельных трубок 130 и 130', возбуждающий механизм 180, резистивный датчик температуры (RTD) 190 и пару датчиков–измерителей 170l и 170r. Трубки 130 и 130' имеют две практически прямых впускных ветви 131, 131' и выпускных ветви 134, 134', которые сходятся друг к другу в блоках 120 и 120' установки трубок. Трубки 130, 130' сгибаются в двух симметричных местоположениях по своей длине и являются практически параллельными по всей своей длине. Распорные стержни 140 и 140' служат, чтобы определять ось W и W', относительно которой каждая трубка 130, 130' колеблется. Ветви 131, 131' и 134, 134' трубок 130, 130' неподвижно прикрепляются к блокам 120 и 120' установки трубок, и эти блоки, в свою очередь, неподвижно прикрепляются к патрубкам 150 и 150'. Это обеспечивает непрерывный замкнутый путь материала через узел 10 датчика.
Когда фланцы 103 и 103', имеющие отверстия 102 и 102', соединяются, через впускной конец 104 и выпускной конец 104' в технологическую линию (не показана), которая несет технологический материал, который измеряется, материал поступает во входной конец 104 измерителя через отверстие 101 во фланце 103 и проводится через коллектор 150 к блоку 120 установки трубки, имеющему поверхность 121. В коллекторе 150 материал делится и направляется по трубкам 130, 130'. По выходе из трубок 130, 130' технологический материал повторно объединяется в один поток в блоке 120', имеющем поверхность 121', и коллекторе 150' и после этого направляется к выпускному концу 104', соединенному посредством фланца 103', имеющего отверстия 102' с технологической линией (не показана).
Трубки 130, 130' выбираются и соответствующим образом устанавливаются на блоки 120, 120' установки трубок так, чтобы иметь практически одинаковое распределение массы, моменты инерции и модуль Юнга относительно осей изгиба W––W и W'––W', соответственно. Эти оси изгиба идут через распорные стержни 140, 140'. Поскольку модуль Юнга трубок изменяется с температурой, и это изменение влияет на вычисление потока и плотности, RTD 190 устанавливается на трубку 130', чтобы непрерывно измерять температуру трубки 130'. Температура трубки 130' и, следовательно, напряжение, возникающее на концах RTD 190 для заданного тока, проходящего через него, регулируется посредством температуры материала, проходящего по трубке 130'. Зависящее от температуры напряжение, возникающее на концах RTD 190, используется в хорошо известном способе электроникой 20 измерителя, чтобы компенсировать изменение в модуле упругости трубок 130, 130' вследствие каких–либо изменений в температуре трубки. RTD 190 соединяется с электроникой 20 измерителя выводом 195.
Обе трубки 130, 130' возбуждаются посредством возбуждающего механизма 180 в противоположных направлениях относительно их соответствующих осей W и W' изгиба, и это называется первой несинфазной изгибной формой колебаний расходомера. Этот возбуждающий механизм 180 может содержать любую одну из множества хорошо известных компоновок, таких как магнит, установленный на трубку 130', и встречно–включенная обмотка, установленная на трубку 130, и по которой пропускается переменный ток для вибрации обеих трубок 130, 130'. Подходящий возбуждающий сигнал прикладывается посредством электроники 20 измерителя, через вывод 185, с возбуждающим механизмом 180.
Электроника 20 измерителя принимает сигнал температуры RTD на выводе 195, и сигналы левого и правого датчика, появляющиеся на выводах 100, несущие сигналы 165l, 165r левого и правого датчика, соответственно. Электроника 20 измерителя формирует возбуждающий сигнал, появляющийся на выводе 185 для возбуждающего механизма 180 и вибрационных трубок 130, 130' Электроника 20 измерителя обрабатывает сигналы левого и правого датчика и сигнал RTD, чтобы вычислять массовый расход и плотность материала, проходящего через узел 10 датчика. Эта информация, вместе с другой информацией, применяется электроникой 20 измерителя на протяжении всего пути 6 в качестве сигнала.
Фиг. 2 показывает блок–схему вибрационного измерителя 5 с режекторными фильтрами согласно варианту осуществления. Как показано на фиг. 2, вибрационный измеритель 5 включает в себя узел 10 датчика и электронику 20 измерителя, соединенную с возможностью обмена данными с узлом 10 датчика. Электроника 20 измерителя конфигурируется, чтобы предоставлять многотональный возбуждающий сигнал узлу 10 датчика. Узел 10 датчика предоставляет сигналы датчика электронике 20 измерителя. Электроника 20 измерителя включает в себя схему 22 возбуждения и фильтр 24 демодуляции, которые соединены с возможностью обмена данными с узлом 10 датчика. Фильтр 24 демодуляции соединяется с возможностью обмена данными с блоком 25 FRF–оценки. Режекторный фильтр 26 соединяется с возможностью обмена данными со схемой 22 возбуждения и модулем 27 измерения расхода и плотности. Пилообразный отфильтрованный сигнал предоставляется модулю 27 измерения расхода и плотности, чтобы определять расход и/или плотность текучей среды в вибрационном измерителе 5.
Схема 22 возбуждения принимает резонансную составляющую сигнала датчика от режекторного фильтра 26. Схема 22 возбуждения конфигурируется, чтобы формировать многотональный возбуждающий сигнал для узла 10 датчика. Многотональный возбуждающий сигнал состоит из возбуждающего тона и испытательных тонов. Возбуждающий тон основывается на резонансной составляющей, предоставляемой посредством режекторного фильтра 26. Например, схема 22 возбуждения может включать в себя схему обратной связи, которая принимает резонансную составляющую и формирует возбуждающий тон, усиливая резонансную составляющую. Другие способы могут быть применены. Схема 22 возбуждения может также формировать испытательные тоны с предварительно определенными частотами, которые разнесены от резонансной частоты.
Фильтр 24 демодуляции принимает сигнал датчика от узла 10 датчика и отфильтровывает сигналы искажения взаимной модуляции, которые могут присутствовать в сигнале датчика. Например, возбуждающий тон и испытательные тоны в многотональном возбуждающем сигнале могут индуцировать сигналы искажения взаимной модуляции в сигналах датчика, предоставляемых узлом 10 датчика. Чтобы отфильтровывать сигналы искажения взаимной модуляции, фильтр 24 демодуляции может включать в себя окна демодуляции или полосы пропускания, которые включают в себя частоты возбуждающего тона и испытательных тонов. Соответственно, фильтр 24 демодуляции предоставляет сигнал датчика, состоящий из резонансных составляющих и составляющих, которые соответствуют испытательным тонам, в то же время предотвращая искажение сигналами искажения взаимной модуляции проверки измерителя узла 10 датчика. Проверка измерителя выполняется с помощью блока 25 FRF–оценки, который сравнивает составляющие, соответствующие испытательным тонам, и испытательные тоны, чтобы характеризовать частотную характеристику узла датчика.
Режекторный фильтр 26 используется во время проверки измерителя. Соответственно, режекторный фильтр 26 может не быть включен во время обычного измерения расхода и плотности. Вследствие довольно больших изменений частоты при обычной работе, коэффициенты режекторного фильтра 26 должны часто вычисляться и обновляться, что приводит в результате к дополнительной вычислительной нагрузке и возможным нежелательным неустановившимся состояниям. Вместо этого, когда используется проверка измерителя, возбуждающий тон отбирается, чтобы определять несущую частоту, и коэффициенты режекторного фильтра 26 вычисляются на основе определенной несущей частоты. Режекторный фильтр 26 затем включается, и испытательные тоны линейно изменяются до желаемой амплитуды. Во время проверки измерителя несущая частота может наблюдаться, и если различие между определенной несущей частотой (определенной во время выборки возбуждающего тона, как описано выше) и несущей частотой во время проверки измерителя больше порогового значения, тогда проверка измерителя может быть завершена, например, посредством выключения режекторного фильтра 26 и прекращения подачи испытательных тонов.
Чтобы отфильтровывать составляющие сигнала датчика, режекторный фильтр 26 включает в себя множество полос задерживания, центрированных на или около частот испытательных тонов. Составляющие сигнала датчика подавляются или отфильтровываются вследствие центрирования на или около частот полос задерживания. Резонансный сигнал пропускается благодаря нахождению в полосе пропускания режекторного фильтра 26. Однако, резонансный сигнал может иметь сдвиг фазы вследствие режекторных фильтров. Этот сдвиг фазы может увеличивать суммарную задержку фазы ответной реакции на возбуждение, которая может увеличивать суммарную сложность алгоритма или схемы возбуждения, которая формирует возбуждающий тон, в то время как необходимо компенсировать сдвиг фазы, когда режекторный фильтр 26 включается для проверки измерителя.
Фиг. 3 и 4 показывают графики 300, 400, иллюстрирующие фазовую характеристику режекторных фильтров в вибрационных измерителях с существенным сдвигом фазы. Как показано на фиг. 3 и 4, графики 300, 400 включают в себя ось 310, 410 частоты и ось 320, 420 сдвига фазы. На фиг. 3 ось 310 частоты имеет диапазон от 102 до 108 Герц (Гц), а ось 320 сдвига фазы имеет диапазон от –180 до 180 градусов. На фиг. 4 ось 410 частоты имеет диапазон от 104,85 до 105,15 Гц, а ось сдвига фазы имеет диапазон приблизительно от –39,7 и приблизительно до –37,6 градусов. Графики 300, 400 также включают в себя фазовый график 330. Более конкретно, фиг. 4 показывает укрупненный вид фазового графика 330, показанного на фиг. 3. Графики 300, 400 также включают в себя линию 340 несущей частоты и линии 350 дрейфа частоты.
Как может быть видно на фиг. 4, фазовый график 330 выглядит как прямая линия примерно от –37,6 градусов примерно до –39,7 градусов в частотном диапазоне от 104,85 до 105,15 Гц. На несущей частоте, которая иллюстрируется линией 340 несущей частоты, равной приблизительно 105,1 Гц, фазовый график 330 находится приблизительно на –38,6 градусов. В результате, резонансный сигнал, пропускаемый режекторным фильтром, будет иметь сдвиг фазы приблизительно 38,6 градусов. Алгоритм или схема возбуждения будет должна учитывать сдвиг фазы или задержку, чтобы гарантировать, что суммарная задержка фазы алгоритма или схемы возбуждения находится в желаемом значении, таком как, например, практически ноль.
Фиг. 5 показывает способ 500 фильтрации с помощью режекторного фильтра сигнала датчика от узла датчика в вибрационном измерителе. Как показано на фиг. 5, способ 500, на этапе 510, принимает с помощью режекторного фильтра сигнал датчика, содержащий первую составляющую на резонансной частоте узла датчика и вторую составляющую на нерезонансной частоте. На этапе 520 способ пропускает первую составляющую и практически подавляет вторую составляющую с помощью режекторного фильтра, при этом первая составляющая пропускается с практически нулевым сдвигом фазы.
Первая составляющая может быть резонансным сигналом, который соответствует возбуждающему тону в многокомпонентном возбуждающем сигнале, предоставляемом узлу датчика. Первая составляющая может быть на резонансной частоте узла датчика. Режекторный фильтр может иметь полосу пропускания со сдвигом фазы, который центрируется на резонансной частоте, как будет обсуждаться более подробно в последующем со ссылкой на фиг. 7 и 8.
Вторая составляющая может быть нерезонансной составляющей, которая соответствует, например, одному из испытательных тонов в многотональном возбуждающем сигнале, предоставляемом узлу 10 датчика. Является желательным, чтобы не было второй составляющей после режекторного фильтра 26 для схемы 22 возбуждения и для модуля 27 измерения расхода и плотности. Для блока 25 FRF–оценки могут быть необходимы и первая, и вторая составляющие. Например, нефильтрованный сигнал датчика может быть использован, чтобы соответствовать кривой, такой как полюсный ноль или т.п., которая описывает частотную характеристику узла 10 датчика.
Режекторный фильтр, сконфигурированный, чтобы пропускать первую составляющую, может включать в себя полосу пропускания, имеющую диапазон частот около первой составляющей. Например, резонансная частота узла фильтра может изменяться в диапазоне частот, вынуждая первую составляющую изменяться по различным причинам, таким как температурные изменения, или т.п. В результате, частота первой составляющей может изменяться в пределах полосы пропускания режекторного фильтра. Тем не менее, режекторный фильтр может быть сконфигурирован, чтобы гарантировать, что сдвиг фазы первой составляющей все еще практически равен нулю, когда частота первой составляющей изменяется в пределах полосы пропускания. Способ, который конфигурирует режекторный фильтр, описывается в последующем.
Фиг. 6 показывает способ 600 конфигурирования режекторного фильтра, чтобы фильтровать сигнал датчика от узла датчика в вибрационном измерителе. Как показано на фиг. 6, способ 600, на этапе 610, предоставляет режекторный фильтр, сконфигурированный, чтобы принимать сигнал датчика, содержащий первую составляющую, имеющую частоту на резонансной частоте узла датчика, и вторую составляющую. На этапе 620 способ 600 регулирует режекторный фильтр, чтобы пропускать первую составляющую и практически подавлять вторую составляющую, при этом сдвиг фазы первой составляющей является в значительной степени минимизированным.
Как и со способом 500, первая составляющая, принятая в способе 600, может быть на резонансной частоте узла 10 датчика, а вторая составляющая может быть на нерезонансной частоте. На этапе 620 способ 600 может регулировать режекторный фильтр, так что первая составляющая пропускается посредством центрирования полосы пропускания режекторного фильтра на резонансной частоте узла датчика. Резонансная частота, на которую необходимо полагаться при центрировании полосы пропускания, может быть определена, например, во время проектирования, калибровки, во время эксплуатации или т.п. узла датчика.
Регулировка режекторного фильтра может включать в себя регулировку коэффициентов в цифровом фильтре, таком как фильтр с конечной импульсной характеристикой (FIR) или фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (IIR). Примерные фильтры обсуждаются более подробно в последующем со ссылкой на фиг. 10. Регулировка режекторного фильтра может также включать в себя регулировку других элементов в режекторном фильтре, таких как элементы со сдвигом фазы, которые могут компенсировать сдвиг фазы, вызванный конструкцией режекторного фильтра. Например, может быть желательным вносить задержку в фильтр, чтобы увеличивать скорость вычисления фильтра, но затем компенсировать задержку с помощью элементом со сдвигом фазы.
Сдвиг фазы первой составляющей может быть минимизирован, например, посредством центрирования полосы пропускания режекторного фильтра, предназначенного, чтобы вызывать нулевой сдвиг фазы на резонансной частоте. Сдвиг фазы может также быть минимизирован посредством минимизации сдвига фазы полосы пропускания по всему диапазону частот. Например, как обсуждалось выше со ссылкой на способ 500, сдвиг фазы полосы пропускания может изменяться в частотном диапазоне первой составляющей.
В результате, первая составляющая может быть пропущена режекторным фильтром практически с нулевым сдвигом фазы, в то же время предоставляя возможность для некоторых изменений в резонансной частоте узла датчика. Примерные режекторные фильтры и их фазовые характеристики обсуждаются более подробно в последующем со ссылкой на фиг. 7 и 8.
Фиг. 7 и 8 показывают графики 700, 800, иллюстрирующие фазные характеристики режекторных фильтров согласно варианту осуществления. Как показано на фиг. 7 и 8, графики 700, 800 включают в себя ось 710, 810 частоты и ось 720, 820 сдвига фазы. График 700 на фиг. 7 относится к относительно высокочастотному вибрационному измерителю, а график 800, показанный на фиг. 8, относится к относительно низкочастотному вибрационному измерителю. На фиг. 7 ось 710 частоты имеет диапазон приблизительно от 483,8 Гц и приблизительно до 484,8 Гц, а ось 720 сдвига фазы имеет диапазон приблизительно от –0,125 и приблизительно до 0,15 градуса. На фиг. 8 ось 810 частоты имеет диапазон приблизительно от 75,44 Гц и приблизительно до 75,64 Гц, а ось 820 сдвига фазы имеет диапазон приблизительно от –0,5 и приблизительно до 0,65 градуса. Также показаны на фиг. 7 и 8 графики 730, 830 частотной характеристики, и линии 740, 840 несущей частоты. С той или другой стороны линий 740, 840 несущей частоты находятся линии 750, 850 дрейфа частоты.
Как может быть видно, графики 730, 830 фазовой характеристики являются практически центрированными на резонансной частоте узла датчика. Фрагменты графиков 730, 830 фазовой характеристики, которые показаны, находятся в полосе пропускания режекторного фильтра. Соответственно, полоса пропускания режекторного фильтра является центрированной на резонансной частоте узла 10 датчика. В результате, резонансная составляющая (например, первая составляющая, обсужденная выше со ссылкой на способы 500, 600), может быть пропущена режекторным фильтром с практически нулевым сдвигом фазы.
Кроме того, частота резонансной составляющей может изменяться в пределах диапазона, например, в пределах диапазона, определенного линиями 750, 850 дрейфа частоты, в то же время все еще пропускаясь режекторным фильтром с практически нулевым сдвигом фазы. Например, со ссылкой на фиг. 7, при приблизительно 484 Гц, сдвиг частоты режекторного фильтра равен приблизительно 0,1 градуса. С частотой около 484,65 Гц сдвиг фазы режекторного фильтра равен приблизительно –0,1 градуса. В результате, резонансная составляющая может изменяться или дрейфовать в этом диапазоне без вызова более чем 0,1 градуса сдвига фазы. Аналогично, со ссылкой на фиг. 8, сдвиг фазы изменяется в диапазоне приблизительно от 0,4 градуса при частоте приблизительно 75,47 Гц и приблизительно до –0,3 градуса при 75,61 Гц. Эти сдвиги фазы значительно меньше 38–39 градусного сдвига фазы, описанного выше со ссылкой на фиг. 4. Соответственно, режекторные фильтры, характеризуемые графиками 730, 830 фазовой характеристики, могут пропускать резонансную составляющую с практически нулевым сдвигом фазы в диапазоне дрейфа частоты для резонансной составляющей.
Как может быть оценено, режекторные фильтры, характеризуемые графиками 730, 830 фазовой характеристики, могут быть сконфигурированы или отрегулированы согласно способам 500, 600, чтобы дополнительно уменьшать сдвиг фазы к первой составляющей. Например, режекторные фильтры могут иметь множество полос задерживания, аналогичных полосам, показанным на фиг. 3, которые могут быть отрегулированы, чтобы уменьшать сдвиг фазы в полосе пропускания режекторного фильтра. Более конкретно, сдвиг фазы в полосах пропускания режекторных фильтров может быть уменьшен, чтобы уменьшать изменение сдвига фазы в полосе пропускания режекторного фильтра. Соответственно, со ссылкой на фиг. 7, диапазон сдвига фазы в пределах частот, определенных линиями 750 дрейфа частоты, может быть дополнительно уменьшено с 0,1 до –0,1 градусов.
Как может быть также оценено, обработка сигнала, используемая для реализации режекторного фильтра, может иметь точность, ассоциированную с каждым дискретным значением. Например, данный образец сигнала датчика может быть числом с плавающей точкой или фиксированной точкой. Может быть, однако, желательно использовать числа с фиксированной точкой, чтобы обеспечивать надлежащим образом эффективную обработку сигнала посредством процессора, например, в электронике 20 измерителя. Соответственно, предварительно определенная точность с фиксированной точкой может быть минимизирована, в то же время гарантируя, что, например, сдвиг фазы на резонансной частоте является практически нулевым или практически минимизированным, как описывается более подробно в последующем со ссылкой на фиг. 9 и 10.
Фиг. 9 и 10 показывают графики 900, 1000, иллюстрирующие фазную характеристику режекторных фильтров в вибрационном измерителе согласно варианту осуществления. Как показано на фиг. 9 и 10, графики 900, 1000 включают в себя ось 910, 1010 частоты и ось 920, 1020 сдвига фазы. На фиг. 9 и 10 ось 910 частоты изменяется в диапазоне от 104,85 до 106,15 Гц, и ось сдвига фазы изменяется в диапазоне от –1,8 до 0,2 градуса. Также на графиках 900, 1000 показаны графики 930, 1030 фазы. Графики 900, 1000 также включают в себя линию 940 несущей частоты и линии 1050 дрейфа частоты. Линия 940 несущей частоты находится приблизительно на 105 Гц.
Как может быть оценено, графики 930, 1030 фазы не являются прямой линией, в противоположность графику 330 фазы, показанному на фиг. 4. Как может также быть оценено, график 930 фазы, показанный на фиг. 9, является в значительной степени более разделенным или прерывистым по сравнению с графиком 1040 фазы, показанным на фиг. 10. Разделенный внешний вид графиков 930, 1030 фазы существует благодаря точности режекторного фильтра, применяемого, чтобы фильтровать сигнал датчика, который может вызывать, например, погрешность ошибки квантования коэффициента. Более конкретно, коэффициенты с действительным числом, например, IIR–фильтр могут быть квантованы до ближайшего цифровым образом представленного числа.
Режекторный фильтр, характеризуемый на фиг. 9, имеет 16–битную точность, тогда как режекторный фильтр, характеризуемый на фиг. 10, имеет 32–битную точность. Как может быть оценено, фазовый график 930, показанный на фиг. 9, не является практически нулевым или минимизированным на несущей частоте 105 Гц. В отличие от этого, график 1030 фазы, показанный на фиг. 10, имеет приблизительно –0,1 градуса на несущей частоте 105 Гц, что является практически нулевым или минимизированным. Соответственно, режекторный фильтр с 32–битной точностью является более подходящим по сравнению с режекторным фильтром с 16–битной точностью.
В дополнение к точности режекторного фильтра конструкция режекторного фильтра может влиять на сдвиг фазы режекторного фильтра. Например, результаты, показанные на фиг. 9 и 10, реализуются с помощью IIR–фильтра второго порядка, который может быть выражен как функция z–перехода H(z):
, (1)
где:
является центральной частотой полосы задерживания; и
является параметром ширины полосы пропускания.
Это может быть улучшением, например, по сравнению с модифицированной формой IIR–фильтра второго порядка с задержанным выводом, который может вызывать сдвиги фазы, показанные на фиг. 3 и 4. Для четырех испытательных тонов, включающих в себя два, показанных на фиг. 3 и 4, коэффициент α ширины полосы пропускания может быть вектором [0,9999 0,99987 0,9999 0,9999]. Т.е., каждое значение в векторе соответствует частоте испытательного тона, около которой центрируется частота полосы задерживания. Соответственно, режекторный фильтр может быть сконструирован как каскад из четырех ступеней IIR–фильтра второго порядка, каждая из которых имеет центральную частоту полосы задерживания, которая находится на частоте испытательного тона и имеет соответствующий параметр α ширины полосы пропускания из вышеупомянутого вектора.
Более конкретно, параметр α ширины полосы пропускания каждого из режекторных фильтров может быть отрегулирован, чтобы гарантировать, что сдвиг фазы по ступеням каскадного режекторного фильтра является нулевым на центральной частоте ω0. Хотя вышеупомянутое перечисляет четыре параметра α ширины полосы пропускания для ступеней каскадного режекторного фильтра, другие значения могут быть использованы в других вариантах осуществления. Параметры α ширины полосы пропускания, перечисленные выше, могут приводить в результате к практически нулевому сдвигу фазы для первого, пропускаемого, сигнала. В этих и других вариантах осуществления, параметры α ширины полосы пропускания типично регулируются один раз, в режиме оффлайн (например, во время проектирования, калибровки или т.п.), хотя параметры α ширины полосы пропускания могут регулироваться динамически в реальном времени, например, во время проверки измерителя.
Кроме того, после того как параметры α ширины полосы пропускания вычисляются, сдвиг фазы должен быть практически нулевым для широкого диапазона центральных частот. Например, параметры α ширины полосы пропускания могут быть выбраны, чтобы работать в диапазоне несущих частот, т.е., чтобы сдвиг фазы при центральной частоте ω0 не был функцией центральной частоты ω0. Возможность для этого может быть предоставлена посредством реализации этих IIR–фильтров, когда они реализуются параметрически с точки зрения параметров α полосы пропускания и центральной частоты ω0. Параметры α ширины полосы могут не изменяться с центральной частотой ω0. Коэффициенты фильтра, основанные на параметрах α ширины полосы пропускания и центральной частоте ω0 (и времени выборки), могут быть вычислены в реальном времени, когда фильтры применяются. Эта реализация означает, что единственный набор параметров α ширины полосы пропускания может быть использован для широкого диапазона центральных частот ω0 и все еще имеет минимальный сдвиг фазы.
Альтернативные формы могут быть использованы, которые имеют минимизированный сдвиг фазы с более низкой точностью с фиксированной точкой. Например, решетчатая форма режекторного фильтра, описанная следующим уравнением, может быть реализована:
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
где:
является центральной частотой полосы задерживания в режекторном фильтре;
является частотой выборки;
является параметром полосы пропускания, который является пропорциональным ширине полосы пропускания для полосы задерживания;
является параметром, связанным с частотой режекции; и
является параметром, связанным с α.
Когда режекторный фильтр реализуется с решетчатой формой, режекторный фильтр может иметь точность 16–бит, но все еще обеспечивать приемлемый сдвиг фазы на несущей или частоте возбуждающего тона. Например, вместо больших сдвигов фазы, показанных на фиг. 9 для 16–битного режекторного фильтра, реализованного в нерешетчатой форме, сдвиг фазы 16–битной решетчатой формы режекторного фильтра может быть аналогичным сдвигу фазы, показанному на фиг. 10. Соответственно, с помощью конкретной цифровой формы фильтра, более низкая точность с фиксированной точкой может добиваться желаемого практически минимизированного или нулевого сдвига фазы.
Способ 600 предоставляет новый и улучшенный режекторный фильтр, так что сдвиг фазы составляющей сигнала датчика, такой как резонансная составляющая, в значительной степени минимизируется. Посредством минимизации в значительной степени сдвига фазы алгоритм возбуждения или схема возбуждения может считать задержку фазы в значительной степени минимизированной, или что режекторный фильтр имеет практически нулевую задержку фазы. Это может упрощать алгоритм или схему возбуждения, тем самым, уменьшая затраты на проектирование электроники 20 измерителя. Новый и улучшенный способ 500 и вибрационный измеритель 5 используют режекторный фильтр, чтобы ослаблять или отфильтровывать составляющие сигнала датчика в сигнале датчика, предоставляемом узлом 10 датчика, тем самым, предотвращая использование сигналов датчика для формирования сигнала возбуждения. Это может уменьшать вычислительную нагрузку процессора в электронике 20 измерителя.
Подробные описания вышеупомянутых вариантов осуществления не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов осуществления, рассматриваемых изобретателями как находящиеся в рамках настоящего описания. В действительности, специалисты в области техники поймут, что определенные элементы вышеописанных вариантов осуществления могут по–разному быть объединены или устранены, чтобы создавать дополнительные варианты осуществления, и такие дополнительные варианты осуществления попадают в рамки и учения настоящего описания. Также обычным специалистам в данной области техники будет очевидно, что вышеописанные варианты осуществления могут быть объединены в целом или частично, чтобы создавать дополнительные варианты осуществления в рамках и учениях настоящего описания.
Таким образом, хотя конкретные варианты осуществления описываются в данном документе в иллюстративных целях, различные эквивалентные модификации возможны в рамках настоящего описания, как поймут специалисты в связанной области техники. Учения, предоставленные в данном документе, могут быть применены к другим режекторным фильтрам в вибрационных измерителях, а не только к вариантам осуществления, описанным выше и показанным на сопровождающих чертежах. Соответственно, рамки вариантов осуществления, описанных выше, должны быть определены из последующей формулы изобретения.
1. Электроника (20) измерителя, имеющая режекторный фильтр (26), сконфигурированный, чтобы фильтровать сигнал датчика от узла (10) датчика в вибрационном измерителе (5), причем электроника (20) измерителя содержит:
режекторный фильтр (26), соединенный с возможностью обмена данными с узлом (10) датчика и сконфигурированный, чтобы:
принимать сигнал датчика от узла (10) датчика, при этом сигнал датчика состоит из первой составляющей на резонансной частоте узла (10) датчика и второй составляющей на нерезонансной частоте; и
пропускать первую составляющую и в значительной степени подавлять вторую составляющую с помощью режекторного фильтра, при этом первая составляющая пропускается практически с нулевым сдвигом фазы.
2. Электроника (20) измерителя по п. 1, в которой режекторный фильтр (26), сконфигурированный, чтобы пропускать первую составляющую с практически нулевым сдвигом фазы, является фильтром с точностью с фиксированной точкой.
3. Электроника (20) измерителя по одному из п. 1 или 2, при этом сигнал датчика дополнительно состоит, по меньшей мере, из одной дополнительной нерезонансной составляющей, и режекторный фильтр (26) дополнительно конфигурируется, чтобы практически подавлять, по меньшей мере, одну дополнительную нерезонансную составляющую.
4. Электроника (20) измерителя по одному пункту из предшествующих пп. 1–3, дополнительно содержащая схему (22) возбуждения, соединенную с возможностью обмена данными с режекторным фильтром (26) и сконфигурированную, чтобы формировать многотональный возбуждающий сигнал для узла (10) датчика на основе первой составляющей, пропускаемой режекторным фильтром (26).
5. Способ фильтрации сигнала датчика в вибрационном измерителе с помощью режекторного фильтра, способ содержит этапы, на которых:
принимают с помощью режекторного фильтра сигнал датчика, содержащий первую составляющую на резонансной частоте узла датчика и вторую составляющую на нерезонансной частоте; и
пропускают первую составляющую и практически подавляют вторую составляющую с помощью режекторного фильтра, при этом первая составляющая пропускается практически с нулевым сдвигом фазы.
6. Способ по п. 5, дополнительно содержащий этап, на котором пропускают первую составляющую практически с нулевым сдвигом фазы с помощью режекторного фильтра, который является фильтром с точностью с фиксированной точкой.
7. Способ по одному из п. 5 или 6, при этом сигнал датчика дополнительно состоит, по меньшей мере, из одной дополнительной нерезонансной составляющей и дополнительно содержит этап, на котором практически подавляют, по меньшей мере, одну дополнительную нерезонансную составляющую с помощью режекторного фильтра.
8. Способ по любому одному пункту из предшествующих пп. 5–7, дополнительно содержащий этап, на котором формируют многотональный возбуждающий сигнал для узла датчика на основе первой составляющей, пропускаемой режекторным фильтром.
9. Способ конфигурирования режекторного фильтра в вибрационном измерителе, способ содержит этапы, на которых:
предоставляют режекторный фильтр, сконфигурированный, чтобы принимать сигнал датчика, содержащий первую составляющую на резонансной частоте узла датчика и вторую составляющую на нерезонансной частоте; и
регулируют режекторный фильтр, чтобы пропускать первую составляющую и практически подавлять вторую составляющую, при этом сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется.
10. Способ по п. 9, при этом регулировка режекторного фильтра, в которой сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется, содержит регулировку режекторного фильтра, в которой сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется в частотном диапазоне, включающем в себя резонансную частоту.
11. Способ по одному из п. 9 или 10, при этом регулировка режекторного фильтра, в котором сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется, содержит регулировку режекторного фильтра, в которой сдвиг фазы первой составляющей в значительной степени минимизируется на резонансной частоте.
12. Способ по одному любому пункту из предшествующих пп. 9–11, дополнительно содержащий этап, на котором минимизируют погрешность реализации точности с фиксированной точкой для режекторного фильтра посредством сравнения первого сдвига фазы, ассоциированного с режекторным фильтром, имеющим первую точность с фиксированной точкой, и второго сдвига фазы, ассоциированного с режекторным фильтром, имеющим вторую точность с фиксированной точкой.
13. Способ по одному любому пункту из вышеупомянутых пп. 9–12, дополнительно содержащий этап, на котором реализуют форму режекторного фильтра, чтобы в значительной степени минимизировать погрешность в реализации точности с фиксированной точкой для режекторного фильтра.
