專利名稱：用于科里奧利氏流量計(jì)的降低噪音濾波系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種濾波器系統(tǒng)，特別涉及到用于科里奧利氏流量計(jì)的一種降低噪音濾波系統(tǒng)。
利用應(yīng)用科里奧利氏效應(yīng)的質(zhì)量流量計(jì)，來(lái)測(cè)量流經(jīng)管路的材料的質(zhì)量流量和其它信息的技術(shù)，已經(jīng)是公知的。比如說(shuō)這種流量計(jì)已經(jīng)在1978年8月29日公開在美國(guó)專利4109524中，在1985年1月1日公開在美國(guó)專利4491025中，在1982年2月11日公開在美國(guó)再頒發(fā)專利31450中，這些專利均是授予J.E.Smith等人的。這些流量計(jì)均具有一個(gè)或是多個(gè)直的或是彎曲的流管。在科里奧利氏質(zhì)量流量計(jì)中的每一條流管均有一組固有振動(dòng)模式，這些模式可能是簡(jiǎn)單彎曲型，簡(jiǎn)單扭轉(zhuǎn)型，也可能是其復(fù)合型。可驅(qū)動(dòng)每一條流管在這些固有模式中的一個(gè)下共振。材料由與流量計(jì)的輸入側(cè)相連接的管路流入流量計(jì)，并直接流經(jīng)流管，再由其輸出側(cè)流出流量計(jì)。對(duì)于振動(dòng)的固有振動(dòng)模式，充滿系統(tǒng)的流體被定義為流管和流管內(nèi)的材料的組合質(zhì)量的一部分。
當(dāng)沒(méi)有流體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在所施加的驅(qū)動(dòng)力的作用下，沿著流管的所有的點(diǎn)在同一相位下振動(dòng)。當(dāng)材料開始流入時(shí)，在沿著流管的每一個(gè)點(diǎn)上，都將產(chǎn)生科里奧利氏加速度，因而會(huì)具有不同的相位。在流管輸入側(cè)的相位滯后于振動(dòng)器相位，在流管輸出側(cè)的相位超前于振動(dòng)器相位?？蓪鞲衅髟O(shè)置在流管上，以產(chǎn)生反映著流管運(yùn)動(dòng)的正弦信號(hào)。在兩個(gè)傳感器信號(hào)之間的相位差正比于流過(guò)流管的材料的質(zhì)量流率。
這種測(cè)量中的一個(gè)復(fù)雜因素，是常規(guī)的處理流體的密度在測(cè)量中會(huì)發(fā)生變化。這一密度的變化將導(dǎo)致固有振動(dòng)頻率的變化。由于流量計(jì)的控制系統(tǒng)要保持為共振，所以共振頻率將隨密度的變化而變化。在這種情況下，質(zhì)量流率將正比于相位差和振動(dòng)頻率的比值。
在上面提到的授予Smith的美國(guó)再頒發(fā)專利31450中公開的科里奧利氏流量計(jì)，并不需要對(duì)相位差和振動(dòng)頻率都進(jìn)行測(cè)量。它是通過(guò)測(cè)量在流量計(jì)的兩個(gè)正弦信號(hào)的水平交叉點(diǎn)之間的時(shí)間滯后來(lái)測(cè)定相位差的。當(dāng)使用這一方法時(shí)，在振動(dòng)頻率中的變化可以被消除，而且質(zhì)量流率正比于測(cè)量出的時(shí)間滯后。在下面，這一測(cè)量方法被稱為測(cè)量時(shí)間滯后或是Δt值測(cè)量方法。
代表流經(jīng)科里奧利氏質(zhì)量流量計(jì)的材料的特性的信息，通?？捎蓽y(cè)量流量計(jì)的兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)之間的相位或是時(shí)間滯后的裝置給出。由于所獲得的流率信息的讀取精度至少要在0.15％以上，所以這種測(cè)量要具有相當(dāng)高的精度。流量計(jì)的輸出信號(hào)是正弦信號(hào)，而且作為由于材料流經(jīng)的流量計(jì)產(chǎn)生的科里奧利氏力確定的量，它隨時(shí)間或是相位的變化而變化。接收這些傳感器輸出信號(hào)的信號(hào)處理回路，高精度地測(cè)量該相位差，并且產(chǎn)生具有所需要的至少為0.15％讀取精度的處理材料的所需的特征參數(shù)。
為了獲得這一精度，信號(hào)處理回路必須在較高精度下運(yùn)行，測(cè)量由流量計(jì)接收到的兩個(gè)信號(hào)的相位漂移。由于在流量計(jì)的兩個(gè)輸出信號(hào)之間的相位漂移，是處理回路獲取材料特性所使用的信息，所以該處理回路必須不能引入可能會(huì)影響到流量計(jì)輸出信號(hào)所提供的相位漂移信息的任何相位漂移。實(shí)際上，處理回路必須具有非常低的固有相位漂移，以便使每一輸入信號(hào)的相位漂移小于.001°，而且在某些情況下，應(yīng)使其小于百萬(wàn)分之幾。如果獲得的處理材料的信息的精度要求為0.15％以下，那么就需要這種量級(jí)的相位精度。
科里奧利氏流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率，位于許多工業(yè)噪聲的頻率范圍之內(nèi)。而且，流量計(jì)輸出信號(hào)的幅度往往很小，在許多情況下，并不比噪聲信號(hào)的幅度大多少。這限制了流量計(jì)的靈敏度，而且使得有用信息的提取非常困難。
至今為止，沒(méi)有什么人能夠?qū)⒘髁坑?jì)的輸出信號(hào)頻率移到噪聲頻帶之外，或者是增大輸出信號(hào)的幅度。實(shí)用的科里奧利氏傳感器和流量計(jì)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮各種因素，所以產(chǎn)生的輸出信號(hào)的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍均不好。這些限制確定了流量計(jì)的特性，并且確定了包括著可以由流量計(jì)的輸出信號(hào)獲得的最大和最小流率的特征曲線。
在給定的驅(qū)動(dòng)頻率下，可以在兩個(gè)科里奧利氏流量計(jì)輸出信號(hào)之間測(cè)量出的最小的時(shí)間滯后的量級(jí)，由下述的許多因素限制著，其中包括著信噪比，所使用的回路和硬件的復(fù)雜程度，以及限制著所使用的回路和硬件的價(jià)格和復(fù)雜程度的經(jīng)濟(jì)因素等等。而且，為了獲得一種經(jīng)濟(jì)上行得通的流量計(jì)，時(shí)間滯后測(cè)量的下限必須盡可能的低。接收兩個(gè)輸出信號(hào)的處理回路，必須能夠有效地測(cè)量出在兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間滯后，以便能夠提供出一種能測(cè)量出具有較低密度和質(zhì)量的、諸如氣體等等的材料的特性的流量計(jì)。
這些限定構(gòu)成了對(duì)能夠在科里奧利氏流量計(jì)的各種可能的運(yùn)行條件下進(jìn)行高精度時(shí)間測(cè)量的常規(guī)電路設(shè)計(jì)方面的限制。在包含有半導(dǎo)線裝置的缺陷的電子裝置中的固有噪聲，以及由其他電路元件產(chǎn)生的噪聲，造成了這種限制。背景噪聲也是限制測(cè)量的上述限制的一個(gè)來(lái)源，盡管可以利用諸如屏蔽，防護(hù)，接地等等技術(shù)將其減小到某一程度。另一個(gè)限制就是傳感器輸出信號(hào)自身的信噪比。
良好的電路設(shè)計(jì)可以克服由電子裝置中的噪聲和環(huán)境中的背景噪聲所產(chǎn)生的某些問(wèn)題。然而，如果不使用濾波器，輸出信號(hào)中的信噪比的改進(jìn)就不可能實(shí)現(xiàn)。但是濾波器會(huì)改變所要處理的信號(hào)的幅度和相位，而這是不能接受的，因?yàn)樵趦蓚€(gè)信號(hào)之間的時(shí)間滯后，是用于獲得處理流體的特性的基本信息。具有未知的或者是變化著的幅度和/或相位特性的濾波器的使用，將會(huì)令人無(wú)法接受地改變?cè)趦蓚€(gè)傳感器輸出信號(hào)之間的相位差，而且會(huì)阻礙高精度地獲得流體材料的信息。
流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常是由所拾取輸出信號(hào)中的一個(gè)獲得的，而且是在該輸出信號(hào)被調(diào)節(jié)，相位漂移之后進(jìn)行的，并被用于產(chǎn)生正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)線圈。由于存在于拾取信號(hào)中的諧波分量和噪聲分量均被放大，并被施加在驅(qū)動(dòng)線圈，使得流管在其共振頻率下振動(dòng)，所以這是不利的。但是，無(wú)用的機(jī)械振動(dòng)和電子干擾會(huì)產(chǎn)生不需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且反饋到流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)回路，在一閉合回路中被增強(qiáng)，從而會(huì)生成振幅相當(dāng)大的自保持干擾信號(hào)，這會(huì)使時(shí)間滯后測(cè)量的精確度和準(zhǔn)確度進(jìn)一步降低。
一個(gè)可以減少上述問(wèn)題的成功的技術(shù)，公開在授予M.Zolock的美國(guó)專利5231884和授予Bruck的美國(guó)專利5228327中。這些專利公開的科里奧利氏流量計(jì)中的信號(hào)處理回路，包括有具有作為濾波器的精密積分器的三條同樣的通道。三條通道中的第一條始終與一個(gè)拾取信號(hào)，比如說(shuō)左側(cè)的拾取信號(hào)相連接。另兩條通道(第二條和第三條)在相繼的時(shí)間間隔中，在每一時(shí)刻交替地有一條與右側(cè)的拾取信號(hào)相連接。當(dāng)其中的一條，比如說(shuō)第二條通道，與右側(cè)拾取信號(hào)相連接時(shí)，第三條通道與第一條通道平行地連接到左側(cè)拾取信號(hào)。在第一時(shí)間間隔中，用比較在當(dāng)前與左側(cè)信號(hào)相連接的兩個(gè)通道的輸出之間的時(shí)間差的方法，測(cè)量在第一和第三通道之間的固有相位滯后。一旦測(cè)定出該特征滯后后，在第二時(shí)間間隔中，切換第三通道和第二通道與右側(cè)拾取信號(hào)的連接狀態(tài)。在這種新的結(jié)構(gòu)中，第二通道處于它的滯后特性的校準(zhǔn)狀態(tài)，而第三通道與右側(cè)拾取信號(hào)相連接?？梢杂每刂苹芈反蠹s每分鐘一次地交替切換第二和第三通道。在這一一分鐘的時(shí)間間隔中(大約30至60秒)，其時(shí)效，溫度以及其他效應(yīng)并不會(huì)對(duì)相位漂移產(chǎn)生什么影響，因此它們的相位關(guān)系是已知的，并可以被認(rèn)為是確定的。
Zolock使用的精確校正積分器，在積分器的振幅傳遞功能方面的改進(jìn)后的信噪比，可達(dá)大約6db/倍頻程頻率響應(yīng)下降。然而，這一6db/倍頻程頻率響應(yīng)下降的改進(jìn)，在科里奧利氏流量計(jì)應(yīng)用的許多環(huán)境中，并不能滿足其需要。其原因在于它的單極濾波器，比如說(shuō)Zolock積分器等等，具有相當(dāng)寬的頻帶。因此，由不需要的流管振動(dòng)，噪音環(huán)境，材料流動(dòng)噪音，各種電磁波頻率干擾等等產(chǎn)生的噪音信號(hào)，并不能被除去，進(jìn)而不能獲得確保精度所需要的流量計(jì)的高靈敏度。隨著它們的頻率不同，它們的幅度也可能被降低，但是當(dāng)測(cè)量諸如氣體等等的低質(zhì)量材料時(shí)，它們?nèi)匀粫?huì)影響到兩個(gè)拾取輸出信號(hào)之間的時(shí)間滯后測(cè)量的精度。
Zolock和Bruck系統(tǒng)中還有另一個(gè)誤差來(lái)源。積分器時(shí)間滯后測(cè)量是在三個(gè)由正弦波拾取信號(hào)限定的點(diǎn)上進(jìn)行的。只有當(dāng)兩個(gè)拾取信號(hào)的形狀是一樣的，并且在波峰值附近是對(duì)稱的時(shí)候，它們才處于理想狀態(tài)。然而當(dāng)產(chǎn)生拾取信號(hào)的兩個(gè)磁回路(傳感器)不是相同的時(shí)候，所產(chǎn)生的非理想波形包含著許多不同的諧波量，它們具有不確定的相位狀態(tài)，可能會(huì)改變其形狀，因而可能會(huì)改變其對(duì)稱特性。這種變化可能會(huì)使得Zolock積分器在常規(guī)測(cè)量過(guò)程中，用一種波形進(jìn)行標(biāo)定，而用另一種波形進(jìn)行測(cè)量。由于其諧波分量以及它的諧波的不確定的和變化的相位，這種波形之間的差異，會(huì)產(chǎn)生不確定的和無(wú)法預(yù)知的錯(cuò)誤量。
目前已經(jīng)有了諸如數(shù)字信號(hào)處理和濾波技術(shù)，可以克服上述的問(wèn)題，并可以改進(jìn)被處理信號(hào)的信噪比。然而，這些技術(shù)均相當(dāng)復(fù)雜，昂貴，而且在許多情況下，還需要進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，以便在非理想狀態(tài)下使用。由此可以看出，如何用電路處理科里奧利氏流量計(jì)的輸出信號(hào)，而保持兩個(gè)輸出信號(hào)的初始相位漂移，使電路不產(chǎn)生任何未知的和不需要的相位漂移或是其它的信號(hào)變化，從而不會(huì)降低由處理電路產(chǎn)生的、代表著流經(jīng)流量計(jì)的材料特性的輸出信號(hào)的精度，仍然是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。
本發(fā)明解決了上述的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的改進(jìn)。本發(fā)明對(duì)使用Zolock和Bruck技術(shù)的科里奧利氏流量計(jì)輸出信號(hào)處理電路，提出了一種附加的和改進(jìn)后的濾波裝置和方法。Zolock的積分濾波器是一種相當(dāng)寬頻帶的6db/倍頻程頻率響應(yīng)下降的濾波器，可以非常有效地濾除遠(yuǎn)高于流量計(jì)輸出頻率的頻率，同時(shí)用最小組分變量法減小對(duì)相位漂移的影響，保持其為精確的量。然而由于它不是銳截止型，所以它不能有效地降低或是消除其頻率接近于流量計(jì)輸出信號(hào)頻率的噪音信號(hào)。因此，即使通過(guò)Zolock自校準(zhǔn)特性來(lái)減少長(zhǎng)期相位漂移產(chǎn)生的誤差，非常接近處理信號(hào)的頻率的噪音信號(hào)，仍然會(huì)由Zolock電路輸出。
在本發(fā)明中，發(fā)明人在Zolock型的精密積分器的前頭，設(shè)置了一個(gè)多極濾波器，比如說(shuō)一個(gè)具有八個(gè)或是更多個(gè)極的濾波器。由于這種濾波器是多極型，所以它具有銳頻率響應(yīng)下降特性，并且可以提供窄通頻帶，以有效地將其頻率接近被處理的流量計(jì)拾取信號(hào)的頻率的所有噪音信號(hào)過(guò)濾掉。在Zolock電路中使用這種濾波器，可以更好的濾掉不需要的信號(hào)，從而可以非常有效地降低被處理的科里奧利氏拾取信號(hào)中的噪音分量。因此，可以處理這些信號(hào)，以產(chǎn)生高精度的、代表處理材料的各種特性的信息。
在使用這種濾波器時(shí)，不需要使穩(wěn)定性滿足其相位漂移小于0.001°的要求，所以可以高精度地測(cè)量?jī)蓚€(gè)拾取信號(hào)之間的相位滯后。這種濾波器可以具有其量級(jí)為幾百度或是更大的不確定的和未知的相位漂移。雖然將一個(gè)具有其量級(jí)為幾百度或是更大的未知的相位漂移的濾波器插入到電路中，而該電路要以0.001°或是更高的精度測(cè)量在兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差，可能會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。但是，這種多極濾波器的相位漂移，雖然相當(dāng)大，而且是未知的，但在幾分鐘的時(shí)間周期中，它是相對(duì)穩(wěn)定的。該Zolock系統(tǒng)實(shí)施其常規(guī)的通道開關(guān)和校準(zhǔn)，從而能有效的消除在通道之間的相位漂移所產(chǎn)生的誤差。
在Zolock系統(tǒng)中使用這種多極銳截止濾波器，可以使該系統(tǒng)具有非常高的db/倍頻程頻率響應(yīng)下降，所以這構(gòu)成了一個(gè)可以基本上全部消除被處理的拾取信號(hào)中的所有的不需要的噪音的濾波器。這種多極濾波器的相位漂移，并不會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，其原因在于它的變化，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間周期中，比如說(shuō)在作為激勵(lì)和非激勵(lì)的過(guò)程中，是非常緩慢的。所有的相位漂移均可以每分鐘一次的由Zolock校準(zhǔn)回路測(cè)定，而且可開關(guān)通道的狀態(tài)在依次的時(shí)間間隔中，依次由激勵(lì)狀態(tài)變化為校準(zhǔn)狀態(tài)，或是由校準(zhǔn)狀態(tài)變化為激勵(lì)狀態(tài)。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，驅(qū)動(dòng)電路可以利用已用本發(fā)明的濾波器將其中的不需要的分量除去后的濾波后的拾取信號(hào)。這種改進(jìn)后的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)不僅不會(huì)產(chǎn)生自激勵(lì)，而且不會(huì)產(chǎn)生其他可能會(huì)帶來(lái)噪音拾取信號(hào)的不需要的振動(dòng)模式。
本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)和特性以及其它的優(yōu)點(diǎn)和特性，可以通過(guò)閱讀下面結(jié)合附圖給出的說(shuō)明，獲得更好的理解。


圖1描述了使用于科里奧利氏材料流率測(cè)量系統(tǒng)的本發(fā)明。
圖2進(jìn)一步詳細(xì)描述了圖1中的電器組件。
圖1示出了科里奧利氏流量計(jì)的機(jī)械組件10和電器組件20。電器組件20通過(guò)導(dǎo)線100與機(jī)械組件10相連接，并將密度、質(zhì)量流率、體積流率和總和質(zhì)量流動(dòng)信息供給至通路26。
機(jī)械組件10包括一對(duì)管型元件110和110’，歧管元件150和150’，一對(duì)平行流管130和130’，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)180，以及一對(duì)速率傳感器170L和170R。流管130和130’具有兩個(gè)基本上直的輸入側(cè)支管131和131’和輸出側(cè)支管134和134’，它們向前方彼此匯聚在具有表面121和121’的元件120和120’處。斜拉管140和140’限定著每一流管振動(dòng)時(shí)的軸W和W’。
流管130和130’的側(cè)支管131和134固定附著在元件120和120’的表面121和121’上，而后者固定附著在歧管元件150和150’上。這樣便可以形成通過(guò)科里奧利氏流量計(jì)機(jī)械組件10的連續(xù)的連接緊密的材料流經(jīng)通路。當(dāng)具有凹緣103和103’的機(jī)械組件10與流體孔口101和101’相連接時(shí)，通過(guò)與引導(dǎo)被測(cè)的處理材料用的流管系統(tǒng)(未示出)連接的輸入側(cè)端部104和輸出側(cè)端部104’，材料將通過(guò)輸入側(cè)端部104的凹緣103中的流體孔口101進(jìn)入流量計(jì)，進(jìn)入輸入側(cè)歧管110，并通過(guò)其橫截面逐步變化的通道路線而引導(dǎo)至具有表面121的元件120處。在這兒，材料將分別流經(jīng)支管131和131’、流管元件130和130’。在流出流管130和130’和支管134和134’時(shí)，處理材料將在具有表面121的元件120中再次合為一股，然后流經(jīng)輸出歧管150’。在輸出側(cè)歧管150’中，通過(guò)其橫截面逐步變化的另一通道路線的材料將由輸入側(cè)歧管150流至輸出側(cè)端部104’處的孔口101’。輸出側(cè)端部104’通過(guò)具有螺紋孔102’的凸緣103’，與管道系統(tǒng)(未示出)相連接。
可以適當(dāng)?shù)剡x擇流管130和130’，并將其適當(dāng)?shù)匕惭b在元件120和120’上，以便能夠相應(yīng)于彎曲軸W-W和W’-W’，分別形成基本上相同的質(zhì)量分布，慣性力矩和彈性模量。這些彎曲軸分別位于相應(yīng)的流管斜拉管140和140’和元件120和120’處的附近。具有彎曲軸W和W’的斜拉管140和140’包含有流管130和130’在被驅(qū)動(dòng)器180異相驅(qū)動(dòng)時(shí)的異相彎曲軸。岐管元件120和120’包括有流管130和130’的同相彎曲軸。這些流管可以在諸如地殼震動(dòng)、人類活動(dòng)以及由附近的機(jī)械產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)等等的環(huán)境失調(diào)的影響下產(chǎn)生同相振動(dòng)。這些流管由安裝構(gòu)件以基本上平行的方式向外側(cè)伸延，并且相應(yīng)于各自的彎曲軸具有基本上相同的質(zhì)量分布、慣性力矩和彈性模量。
由驅(qū)動(dòng)器180沿相應(yīng)于各自的彎曲軸W和W’，以相反的方向驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)流管130，其頻率為該流量計(jì)的第一反相固有頻率。這種振動(dòng)模式也被稱為反相彎曲模式。兩個(gè)流管130和130’象一個(gè)調(diào)諧音叉的兩個(gè)叉尖那樣進(jìn)行反相振動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)機(jī)械180可以為任何一種公知的驅(qū)動(dòng)機(jī)械，比如說(shuō)它可以是包含著安裝在流管130’上的一個(gè)磁體和安裝在流管130上的一個(gè)相對(duì)的線圈，并且使交變電流流過(guò)而使這兩個(gè)流管振動(dòng)等等的驅(qū)動(dòng)機(jī)械。還可以用電器組件20將一個(gè)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線185送至驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)180。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)180和所產(chǎn)生的科里奧利氏力，將使流管130以周期方式振動(dòng)。在流管130的第一個(gè)科里奧利氏振動(dòng)半周期中，附屬側(cè)支管131和131’受到作用，而比與它們相配合的側(cè)支管134和134’更靠近，并且比與它們相配合的上述部件更早地到達(dá)傳動(dòng)的端點(diǎn)，在端點(diǎn)處它們的振動(dòng)為零。在科里奧利氏振動(dòng)的第二個(gè)半周期中，流管130將產(chǎn)生相反的運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，使附屬側(cè)支管134和134’受到作用，而比與它們相配合的側(cè)支管131和131’更靠近。因此，支管134將比支管131更早地到達(dá)傳動(dòng)的端點(diǎn)，在端點(diǎn)處它們的振動(dòng)為零。這一時(shí)間間隔(下面被稱為特定頻率的相位差，或是時(shí)間滯后差，也被稱為“Δt”值)，即這一對(duì)附屬側(cè)支管到達(dá)它們的傳動(dòng)端點(diǎn)，要比與它們相配合的部件(即受力分開的部件)到達(dá)相應(yīng)的傳動(dòng)端點(diǎn)更早的這一間隔，基本上正比于流過(guò)機(jī)械組件10的材料的質(zhì)量流率。各流管的傳動(dòng)端點(diǎn)是測(cè)量Δt的常規(guī)的測(cè)量點(diǎn)。在流管的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，兩個(gè)流管間的Δt關(guān)系均是相同的。
為了測(cè)量該時(shí)間滯后間隔Δt，可將傳感器170L和170R附設(shè)在流管130和130’的自由端部附近。這些傳感器可以為任何公知的類型的傳感器。由傳感器170L和170R產(chǎn)生的信號(hào)給出了流管的復(fù)合傳動(dòng)的速率(或稱位移，也可以稱為加速率)的曲線輪廓，并且可用任何一種公知的方法對(duì)其進(jìn)行處理，計(jì)算出時(shí)間間隔，進(jìn)而得出流過(guò)該流量計(jì)的材料的質(zhì)量流率。
傳感器170L和170R分別向?qū)Ь€165L和165R提供左、右速率信號(hào)。對(duì)該時(shí)間滯后差，或稱Δt，進(jìn)行測(cè)量，便可提供出由左、右速率傳感器信號(hào)之間產(chǎn)生的相位差的一種表示形式。
電器組件20分別接收由導(dǎo)線165L和165R送來(lái)的左右速率輸出信號(hào)。電器組件20還產(chǎn)生通過(guò)導(dǎo)線185送至驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)180的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，后者驅(qū)動(dòng)流管130和130’振動(dòng)。電器組件20處理所接收到的左右速率信號(hào)，以計(jì)算出流經(jīng)機(jī)械組件10的材料的質(zhì)量流率、體積流率和材料密度。
流經(jīng)流量計(jì)10的處理材料的特性由測(cè)量在兩個(gè)傳感器165L和165R輸出信號(hào)之間的相位或是時(shí)間延遲Δt的電器組件20給出。這種時(shí)間延遲測(cè)量必須非常準(zhǔn)確。這需要在信號(hào)施加到電器組件20的輸出通路26上時(shí)，所獲得的處理材料的流量輸出信息的流率精度，至少應(yīng)為流率的0.15％。
為了獲得輸出信號(hào)的精度，就需要用電器組件20中的信號(hào)處理電路高精度的確定傳感器輸出信號(hào)之間的相位差。由于傳感器輸出信號(hào)之間的相位差包括有用于處理電路測(cè)量處理材料信息時(shí)用的輸入信息，所以在電器組件20中的信號(hào)處理電路決不能引入任何相位漂移，以免修正或是改變流量計(jì)給出的傳感器輸出信號(hào)之間的相位差。這一信號(hào)處理電路必須具有恒定的或是基本上穩(wěn)定的相位差，以便使傳感器信號(hào)165R和165L的相位漂移的量級(jí)小于0.001°，在某些情況下，還應(yīng)該小于百萬(wàn)分之幾。如果電器組件20對(duì)于施加在輸出通路26的信號(hào)要獲得小于0.15％的精度，就需要這種量級(jí)的相位精度。
下面說(shuō)明附圖2。
圖2示出了包括如圖1所示的電器組件20的電路。如圖所示，電器組件20包括通過(guò)通路185與驅(qū)動(dòng)線圈180相連接的驅(qū)動(dòng)回路27。驅(qū)動(dòng)電路27將一個(gè)適當(dāng)?shù)男盘?hào)施加在通路185處，在適當(dāng)?shù)恼穹皖l率下激勵(lì)驅(qū)動(dòng)線圈180，以對(duì)流管130和130’產(chǎn)生所需要的反相彎曲振動(dòng)。電路27可以是任何公知的驅(qū)動(dòng)電路，而且由于在本發(fā)明的任何部分都不需要特定形式的驅(qū)動(dòng)電路，所以在這兒不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的討論。值得指出的是，對(duì)于這一點(diǎn)，讀者可以參閱于1991年4月23日授予P.Kalotay等人的美國(guó)專利5009109；于1990年6月19日授予P.Romano的美國(guó)專利4934196。于1989年10月31日授予J.Ruesch的美國(guó)專利4876879。所有這些專利均已為本發(fā)明的有效受讓人所有，而且公開了流管驅(qū)動(dòng)電路的不同的實(shí)施方案。
電器組件20還包括有流量測(cè)量電路23，流量測(cè)量電路23在其左側(cè)通過(guò)通路165L和165R與傳感器170L和170R相連接，以接收傳感器的輸出信號(hào)。包含在這兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)之間的相位差，可以由輸入信息測(cè)量回路23接收并處理，以獲得該處理材料的準(zhǔn)確的信息。輸入信號(hào)165L和165R被輸入多路調(diào)制器31，后者的輸出通過(guò)通路45，55和65分別輸入到通道44，54和64(通道A，C和B)。這些通道以下述的方式運(yùn)行，處理傳感器信號(hào)，并且控制計(jì)數(shù)器74和76的運(yùn)行，而后者的輸出代表著傳感器輸出信號(hào)之間的相位差。
計(jì)數(shù)器74和76的輸出通過(guò)通道87施加在具有下述的功能的微處理器80上，，以對(duì)于處理材料獲得預(yù)期的信息。所獲得的信息通過(guò)通道91輸入到輸出電路90，后者將預(yù)期的處理材料輸出信息通過(guò)導(dǎo)線263和262送到連接導(dǎo)線26。所述的計(jì)數(shù)器74和76，以及多路調(diào)制器31的運(yùn)行，均由下述的控制邏輯電路72控制。
每一通道A，B和C均包含有一個(gè)多極濾波器，一個(gè)積分放大器和至少一個(gè)電位檢測(cè)器。每一通道的多極濾波器的輸出均施加在該通道的積分放大器上，后者的輸出相應(yīng)的施加在電位檢測(cè)器上，電位檢測(cè)器的輸出再施加在計(jì)數(shù)器74和76上，計(jì)數(shù)器74和76測(cè)量發(fā)生在檢測(cè)器輸出信號(hào)的相應(yīng)變化之間的呈時(shí)鐘脈沖形式的時(shí)間間隔。計(jì)數(shù)器輸出的是公知的Δt值，而且該值是隨被處理流體的質(zhì)量流率的變化而變化的。獲得的Δt值和計(jì)數(shù)值通過(guò)通道87施加在微處理器80上，后者響應(yīng)這一信息，計(jì)算出質(zhì)量流率和體積流率，并產(chǎn)生相應(yīng)于處理材料的所需的輸出信息。
包含在通道44，54和64中的電路會(huì)將相位差引入到微處理器80產(chǎn)生的質(zhì)量流量信息中。每一個(gè)電路不僅會(huì)具有在由多極濾波器的輸入端到電位檢測(cè)器的輸出端的彼此不同的測(cè)量的固有相位滯后，而且該相位滯后還是一個(gè)溫度的函數(shù)，并且它們隨溫度，使用時(shí)間等等的變化常常還是彼此不同的。這種變化可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)非受控的通道間相位差，而后者在輸出信號(hào)165L和165R的測(cè)量得到的Δt值中是一個(gè)誤差分量。由于這些信號(hào)給出的Δt值相當(dāng)小，所以由通道電路引入的任何相位滯后的影響，都將是巨大的。
為了消除通道電路中的這種誤差，如圖2所示的電路進(jìn)一步拓展了前述的授予Zolock的美國(guó)專利5231884中給出的技術(shù)教導(dǎo)。在這兒以引用方式給出了上述專利，就如同相關(guān)的技術(shù)已在這兒充分公開了一樣。在本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例中的如圖2所示的回路，較Zolock給出的技術(shù)教導(dǎo)，特別是在授予Zolock的專利中的如圖3A和如圖3B所示技術(shù)教導(dǎo)的內(nèi)容更多。在如圖2所示的技術(shù)中，是用對(duì)如圖2所示的通道A，B和C中的處理電路產(chǎn)生的相位誤差不敏感的儀表，來(lái)產(chǎn)生質(zhì)量流量和質(zhì)量流率值的。這一電路并不會(huì)引入任何不需要的、可能會(huì)對(duì)由通路165L和165R的傳感器輸出的相位漂移信息產(chǎn)生影響的相拉漂移。由流量測(cè)量電路23通過(guò)通路165L和165R接收到的相位漂移信息，將在高精度下進(jìn)行處理，而不會(huì)由通道電路引入不需要的相位漂移。因此，所獲得的由計(jì)數(shù)器74和76通過(guò)通道87施加到微處理器80的處理后的流量計(jì)輸出信號(hào)，代表著與由流量計(jì)通過(guò)通路165L和165R接收到的相位漂移信息相同的信息。這使得微處理器80可以準(zhǔn)確地獲得流經(jīng)流量計(jì)的管道中的處理材料的信息。
如圖2所示的電路將在三條通道A，B和C中產(chǎn)生可以被測(cè)量，從而可以被有效地消除的固有相位漂移。多路調(diào)制器31通過(guò)通路165L和165R與流量計(jì)的兩個(gè)輸出端相連接，從而可以每次在三條通道中的兩條上施加輸入信號(hào)。如果將通道C永久性地與通路165L相連接，則另兩條通道A和B的輸入端將依次按預(yù)定的時(shí)間間隔，與通路165R相連接。在如圖2所示的狀態(tài)下，右側(cè)的傳感器輸出165R通過(guò)可動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)f和e，與通道B通過(guò)通路65相連接。在下一個(gè)時(shí)間間隔中，這些開關(guān)觸點(diǎn)依次變化其位置，從而使通路165R通過(guò)觸點(diǎn)f和d，與通路65上的通道B中的輸入端相連接。當(dāng)可開關(guān)通道，比如說(shuō)通道B，與通路165L相連接時(shí)，該通道被稱為激勵(lì)通道。當(dāng)其它的可開關(guān)通道，比如說(shuō)通道A，與通路165R相連接時(shí)，它也被稱為激勵(lì)通道。一般稱當(dāng)可開關(guān)通道A或B與通路165L相連接，而通道C永久性地與通路165L相連接時(shí)，可開關(guān)通道A或B被稱為處于其校準(zhǔn)狀態(tài)。
三條通道A，B和C的輸出，通過(guò)導(dǎo)線49，69和59與計(jì)數(shù)器74和76的輸入端相連接。通過(guò)這些通道，計(jì)數(shù)器74由通道A和C的輸出接收輸入信號(hào)。計(jì)數(shù)器76通過(guò)通道C和B的輸出接收輸入信號(hào)。這使得計(jì)數(shù)器74能夠測(cè)量出通道A和C的輸出信號(hào)之間的相位滯后。類似的，計(jì)數(shù)器76能夠測(cè)量出通道B和C的輸出信號(hào)之間的相位滯后。當(dāng)通道B處于校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，通道B和C之間的固有相位滯后，可以通過(guò)下述的方式測(cè)量，即通過(guò)觸點(diǎn)f和d使通道B的輸入端與通道165L相連接，并且將通道B和C的輸出信號(hào)施加在測(cè)量在通道B和C的輸出信號(hào)之間的相位差的計(jì)數(shù)器76上。由于兩條通道均與同一輸入點(diǎn)相連接，所以現(xiàn)在測(cè)量出的通道B和C之間的相位差，是由這兩條通道的固有的電路元件確定的。當(dāng)通道A的輸入端通過(guò)開關(guān)觸點(diǎn)c和b，與輸入通道165L相連接時(shí)，在通道A和C之間的固有相位滯后可以用類似的方式測(cè)定。在通路49和59中的兩條通道之間的相位差，可以由計(jì)數(shù)器74測(cè)定。當(dāng)相應(yīng)的通道A或B處于校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，由計(jì)數(shù)器74和76測(cè)量出的相位差，可以通過(guò)通道87輸入至微處理器80的RAM83。將這一校準(zhǔn)信息暫時(shí)存儲(chǔ)在RAM83中。
按照這種方式，可以用將其輸出與通道C的輸出相比較的方法，測(cè)定每一非激勵(lì)通道的相位。然后，當(dāng)一條非激勵(lì)通道在下一時(shí)間間隔，被依次地轉(zhuǎn)換為激勵(lì)通道時(shí)，可以將目前存儲(chǔ)在RAM83中的它的固有相位滯后，按代數(shù)方式，耦合在相應(yīng)的計(jì)數(shù)器74和76的相應(yīng)的輸出信號(hào)中，從而測(cè)定在兩個(gè)輸入信號(hào)165L和165R之間的真實(shí)相位滯后。
在通道A作為激勵(lì)通道的時(shí)間間隔時(shí)，計(jì)數(shù)器74的輸出代表著信號(hào)165L和165R之間的相位差，以及由于通道A和C之間的固有相位漂移產(chǎn)生的誤差。然而，激勵(lì)通道A相應(yīng)于通道B的固有相位滯后，是一個(gè)已知的參數(shù)，并且存儲(chǔ)在RAM83中。用微處理器80通過(guò)通道87接收計(jì)數(shù)器74給出的相位滯后。用代數(shù)方式將計(jì)數(shù)器74給出的測(cè)量得到的相位差，疊加在RAM83給出的相位滯后修正參數(shù)上，使微處理器80對(duì)這兩個(gè)量求和，從而便可以獲得僅僅代表著信號(hào)165L和165R之間的相位差的相位滯后信息。通道B可以以類似的方式，相應(yīng)于計(jì)數(shù)器76動(dòng)作。在這一過(guò)程中，計(jì)數(shù)器76將通道B處于校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的校準(zhǔn)相位滯后信息，存儲(chǔ)在RAM83中，并且在通道B處于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)的時(shí)間間隔中，不改變?cè)谛盘?hào)165L和165R之間的相位差。由微處理器80對(duì)這兩個(gè)信號(hào)求和，從而獲得當(dāng)通道B處于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)的、在信號(hào)165L和165R之間的真實(shí)相位差。
通道B可以相對(duì)于其計(jì)數(shù)器76以類似的方式運(yùn)行，即將通道B處于校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的校準(zhǔn)相位滯后信息，存儲(chǔ)在RAM83中，并且在通道B處于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)，測(cè)量在信號(hào)165L和165R之間的相位差。
由于每一通道對(duì)大體每分鐘改變一次狀態(tài)，所以由計(jì)數(shù)器74和76兩者給出的當(dāng)前的相位滯后信息，反映在傳感器輸出信號(hào)165L和165R給出的相位信息中。因?yàn)橛擅恳患?lì)通道對(duì)給出的測(cè)量值Δt，用相應(yīng)于該激勵(lì)通道的當(dāng)前的固有相位滯后進(jìn)行了修正，所以Δt值中不會(huì)包含有任何明顯的由通道引入的相位誤差。
概括地說(shuō)就是，如圖2所示的流量測(cè)量電路通過(guò)下述方式，利用了三條通道A，B和C，即對(duì)兩個(gè)激勵(lì)通道對(duì)中的每一個(gè)，比如說(shuō)通道A和C，和通道B和C，分別進(jìn)行通道之間的相位差測(cè)量。通道A和B被稱為可開關(guān)通道。通道C一直與通路165L相連接，而且可以被稱為參考電路。通路165L通過(guò)多路調(diào)制器31，在某一時(shí)間間隔，與通道A的輸入端相連接，而在下一時(shí)間間隔與通道B的輸入端相連接。在該時(shí)間間隔中，一條通路，比如說(shuō)通道B，處于校準(zhǔn)狀態(tài)，而且不與通路165R相連接，它的輸入端與通道C的輸入端并聯(lián)連接在通路165L上。在校準(zhǔn)時(shí)間間隔中，測(cè)量通道C和通道B之間的相位差。通道C和B的輸出端與計(jì)數(shù)器76的輸入端相連接，使后者的輸出代表著通道B和C的輸出之間的相位滯后。
所有這三條通道均可能會(huì)具有不同的和不穩(wěn)定的相位滯后。然而，由于通道A和B的相位滯后的測(cè)量，是相對(duì)于參考通道C進(jìn)行的，所以在通道A-C和通道B-C之間的相位滯后的差可以是已知的。只要在一條通道，比如說(shuō)通道B，的校準(zhǔn)時(shí)間間隔將其連接好，便可以在下一間隔里，切換輸入端到通道B，使其成為激勵(lì)通道。這時(shí)，通道A成為校準(zhǔn)通道，它的輸入端的連接，被改變?yōu)槭蛊渑c通道C的輸入端相平行，并同時(shí)連接到通路165L。
當(dāng)一對(duì)通道，比如說(shuō)通道B和C，處于校準(zhǔn)模式，另一對(duì)通道，通道A和C，便處于測(cè)量模式，并且用于測(cè)量在通路165L和165R的信號(hào)之間的相位差。對(duì)于任何一對(duì)通道，其由輸入信號(hào)165L和165R測(cè)量出的、可以由一個(gè)計(jì)數(shù)器，比如說(shuō)計(jì)數(shù)器74獲得的Δt值，均要用下述的方式進(jìn)行修正，即用代數(shù)的方法，將測(cè)量出的Δt值與預(yù)先測(cè)量出的、目前存儲(chǔ)在RAM83中的這兩條通道的固有相位滯后相疊加。
這兩個(gè)計(jì)數(shù)器74和76按預(yù)定的時(shí)間間隔，比如說(shuō)每分鐘一次地轉(zhuǎn)換各通道的狀態(tài)。因此，對(duì)于通道A為激勵(lì)通道而且與通路165R相連接的時(shí)間間隔，計(jì)數(shù)器74為激勵(lì)計(jì)數(shù)器，而且其輸入端與通道A和C的輸出端相連接。在這時(shí)，通道B為校準(zhǔn)通道，而且由于計(jì)數(shù)器76的輸入端與通道B和C的輸出端相連接，并在測(cè)量在這兩條通道之間的固有相位差，所以它被稱為校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器。隨后，在通道A和B的狀態(tài)被切換而使通道B為激勵(lì)通道的下一時(shí)間間隔中，由于計(jì)數(shù)器76的輸入端與通道B和C的輸出端相連接，測(cè)量在通路165L和165R的信號(hào)之間的相位差，所以它被稱為激勵(lì)計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器74的輸入端與通道A和C的輸出端相連接，而兩者的輸入端在此時(shí)通過(guò)多路調(diào)制器31與通路165L相連接，所以它被稱為校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器。在這時(shí)，計(jì)數(shù)器74的輸出代表著通道A和C之間的固有相位差，而計(jì)數(shù)器76的輸出代表著流量計(jì)信號(hào)165L和165R之間的相位差，后者包含著由于在通道B和C作為激勵(lì)通道時(shí)在通道B和C之間的固有相位差產(chǎn)生的相位差誤差。然而，這一通道間的相位差已經(jīng)在前一時(shí)間間隔中預(yù)先測(cè)定了，并將該誤差信息存儲(chǔ)在了微處理器80的RAM83中。所以當(dāng)微處理器80接收到計(jì)數(shù)器74給出的相位差信息時(shí)，可以利用代數(shù)方法，用存儲(chǔ)在RAM83中的校準(zhǔn)相位差修正測(cè)量出的相位差信息，以消除由于通道間的相位差產(chǎn)生的誤差。這樣便可以用微處理器，獲得僅僅與由流量計(jì)接收到的信號(hào)165L和165R之間的相位差有關(guān)的處理材料的信息。
每一通道均包含有一個(gè)多極濾波器，一個(gè)積分放大器和一個(gè)電位檢測(cè)器。對(duì)于通道A，這些組件由多極濾波器41，積分放大器46和電位檢測(cè)器48構(gòu)成。多極濾波器可以是任何高次濾波型的濾波器，只要是一個(gè)其轉(zhuǎn)角頻率略高于傳感器輸出信號(hào)的頻率的、具有相當(dāng)高的銳截止濾波器即可。但是，濾波器的拾取特性相當(dāng)尖銳，所以高于或者是低于傳感器信號(hào)頻率的噪聲信號(hào)都將被大大衰減。該多極濾波器可以包含有有源或者是無(wú)源的元件，而且還可以具有不確定的、量級(jí)為幾百度的相位漂移。無(wú)需努力控制所說(shuō)多級(jí)濾波器的相移的長(zhǎng)期漂移。但是，它的短期相位特性，比如說(shuō)在幾分鐘內(nèi)，應(yīng)該是相當(dāng)穩(wěn)定的，不會(huì)產(chǎn)生較大變化。多極濾波器的輸出施加在積分放大器46上，而后者是一個(gè)6db/倍頻程頻率響應(yīng)下降的單極濾波器。積分放大器46主要被用作消除在連接多極濾波器41和積分放大器46的導(dǎo)體42上可能會(huì)出現(xiàn)的信號(hào)dc偏移。在積分放大器輸出信號(hào)中的任何dc偏移都必須被消除，以便能使電位檢測(cè)器元件48在高精度下運(yùn)行。
電位檢測(cè)器元件48是一個(gè)高效的窗口比較器，即使在積分放大器產(chǎn)生的輸出信號(hào)大于一預(yù)定的正電位，或是小于一預(yù)定的負(fù)電位，它也能夠給出輸出信號(hào)中的電位變化。
每一條通道A、B和C均具有基本上相同的功能。然而在通道B中，電位檢測(cè)器58是一個(gè)簡(jiǎn)單的電位檢測(cè)器，而不是一個(gè)窗口比較器，它用于檢測(cè)積分放大器56的輸出信號(hào)何時(shí)穿過(guò)零電位。
控制邏輯電路72控制計(jì)數(shù)器74和76的運(yùn)行，以及多路調(diào)制器31的開關(guān)操作。元件72是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)械，它限定著時(shí)間間隔的周期和相應(yīng)的狀態(tài)的重復(fù)出現(xiàn)次序。按照在數(shù)學(xué)和物理學(xué)科中通常使用的科學(xué)標(biāo)注方法，這些間隔可以標(biāo)注為序列…，n-1，n，n+1，…?？刂七壿嬰娐?2與計(jì)數(shù)器74和76協(xié)調(diào)運(yùn)行，以分別對(duì)通道對(duì)A-C和B-C確定其計(jì)時(shí)測(cè)量?？刂七壿嬰娐?2可以用公知的組合件構(gòu)成，也可以采用其它的邏輯電路。在對(duì)于校準(zhǔn)和開關(guān)間隔的流管循環(huán)過(guò)程的初始化之后，控制邏輯電路72產(chǎn)生信號(hào)，施加在通路34上，并且通過(guò)控制元件32使多路調(diào)制器31動(dòng)作，進(jìn)而使傳感器165R的輸出信號(hào)在不同的時(shí)間間隔內(nèi)輸入到通道A或B中的一個(gè)，進(jìn)而使該通道對(duì)在其校準(zhǔn)狀態(tài)和激勵(lì)狀態(tài)之間重復(fù)循環(huán)。而且控制邏輯電路72還產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，通過(guò)通路79和77使計(jì)數(shù)器74和76在每一計(jì)時(shí)間隔開始的時(shí)候復(fù)位。
當(dāng)控制邏輯電路72使其在不同的狀態(tài)之間循環(huán)時(shí)，它將當(dāng)前狀態(tài)的值記錄在通過(guò)通道85與微處理器80相連接的內(nèi)部存儲(chǔ)器(未示出)中。該微處理器讀取這一數(shù)據(jù)，并用其處理由計(jì)數(shù)器74和76給出的計(jì)數(shù)值。隨著每一通道對(duì)在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)變化，微處理器80接收通道之間的相位差測(cè)量值，以及每一通道對(duì)的Δt值。微處理器80還將適當(dāng)?shù)男盘?hào)施加在通路82和84上，以控制控制邏輯電路72的運(yùn)行。
微處理器80通過(guò)通路91與公知的輸出電路90相連接，以便在通路263輸出一系列諸如4-20MA輸出信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，在通路262輸出換算標(biāo)定后的頻率信息。通路263和262構(gòu)成為一條輸出通路26，該輸出通路26與公知的可以利用如圖2所示的電路獲得的被處理的材料信息的電路(未示出)相連接。
微處理器80可以由任何公知的、經(jīng)濟(jì)上可行的處理器構(gòu)成，后者應(yīng)具有有效的隨機(jī)存儲(chǔ)存儲(chǔ)器83和ROM86。由于它的程序是利用事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)體系構(gòu)成的，所以數(shù)據(jù)庫(kù)耦合在微處理器80中，以便于數(shù)據(jù)傳輸，在不同的作業(yè)中分享測(cè)量和計(jì)算出的數(shù)據(jù)。對(duì)于每一對(duì)通道，包括通道之間的相位差和Δt值的計(jì)時(shí)測(cè)量，使得微處理器80可以修正由每一通道對(duì)給出的測(cè)量得到的Δt值，從而可以對(duì)目前正處于激勵(lì)狀態(tài)的通道對(duì)之間的相位滯后進(jìn)行處理。
在每一通道中的多極濾波器的設(shè)置，大大提高了如圖2所示的電路的信號(hào)處理能力。這樣，在每一通道中的多極濾波器的設(shè)置，可以提供一個(gè)窄通頻帶或者稱銳截止濾波器，從而可以大大降低出現(xiàn)在導(dǎo)體通路165L和165R上的噪音信號(hào)的幅度。截止到目前，在每一通道中未使用本發(fā)明的多極濾波器的在先技術(shù)，流量計(jì)的運(yùn)行靈敏度均要受到噪音信號(hào)的幅度的限制。在每一通道中，諸如標(biāo)號(hào)46所示的積分放大器，由于它是衰減為6db/倍頻程頻率響應(yīng)下降的單極濾波器，所以它對(duì)上述問(wèn)題起不了什么作用。這一6db/倍頻程頻率響應(yīng)下降，對(duì)于那些其頻率非常接近傳感器信號(hào)頻率的噪音信號(hào)的消除是不適用的。在積分放大器的前面附加上多極濾波器，便可以解決上述問(wèn)題，因?yàn)樗梢詫?duì)接收到的其頻率非常接近傳感器輸出信號(hào)頻率的噪音信號(hào)，加以銳截止和急劇衰減。因此，多極濾波器的使用，可以大大減小在積分放大器輸入導(dǎo)體通道處的噪音信號(hào)的幅度，進(jìn)而可以減小電位檢測(cè)器48，58和68輸入端處的噪音信號(hào)的幅度。由于電位檢測(cè)器的輸入信號(hào)基本上與噪音無(wú)關(guān)，所以它們可以在良好的精度下運(yùn)行，以測(cè)定在傳感器輸出信號(hào)之間的時(shí)間滯后，而這一時(shí)間滯后可以遠(yuǎn)較在先技術(shù)中所能處理的量小得多。
積分放大器還需要有次級(jí)濾波器以及dc抑制器，以消除可能會(huì)出現(xiàn)在多極濾波器輸出信號(hào)中的dc偏移。
與上面所述的授予Zolock的美國(guó)專利5,231,884中的技術(shù)相比較，如圖2所示的電路的運(yùn)行還進(jìn)一步包括有控制微處理器80的運(yùn)行的處理程序。而與上面所述的授予Bruck的美國(guó)專利5228327中的技術(shù)相比較，本發(fā)明還進(jìn)一步包括有微處理器80和與其相連接的元件的運(yùn)行控制。
不難理解，上述的本發(fā)明還包括在本發(fā)明所公開的主題和范圍內(nèi)的其他變形和改型。比如說(shuō)，本發(fā)明是結(jié)合如圖1所示的流量計(jì)來(lái)說(shuō)明的，然而不難理解，本發(fā)明并不僅限于如圖1所示的這一種形式的流量計(jì)。它也可以適用于基于科里奧利氏原理的任何形式的流量計(jì)，這些流量計(jì)可以具有單管，雙管，直管，或是不規(guī)則管的結(jié)構(gòu)。而且，可以使用本發(fā)明的流量計(jì)，并不需要具有如圖1所示的特定的凸緣和孔口結(jié)構(gòu)，它可以通過(guò)任何適當(dāng)?shù)慕M件安裝在其上，與和流量計(jì)相連接的管線相接。在圖2所示的多極濾波器41，51和61，是以低通銳截止型濾波器為例進(jìn)行描述的，這也不是限定性的。如果需要的話，這些濾波器也可以是具有同樣的銳截止的準(zhǔn)帶通濾波器，只是它的處理頻率濾波能力低于傳感器輸出信號(hào)的帶通中心頻率。這種濾波器可以除去高于和低于流管共振頻率的各種噪音，從而可以改進(jìn)其精度，信噪比，等等。由于這種濾波器是窄通濾波器，所以它可以追隨相應(yīng)于密度和質(zhì)量流率的變化而變化的流管頻率。這種準(zhǔn)帶通濾波器也是本領(lǐng)域公知的，因而不需要進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
權(quán)利要求
1.用于測(cè)定在兩個(gè)接收到的輸入信號(hào)之間的相位差的信號(hào)處理裝置，所述的信號(hào)處理裝置包括一條第一通道(54)和一條第二通道(44)；用于將所述的輸入信號(hào)中的第一個(gè)輸入到所述的第一通道的輸入端的組件(55)；用于在第n個(gè)時(shí)間間隔中，將所述的第二通道的輸入端與所述的第一通道的輸入端相連接以接收所述的第一輸入信號(hào)，而在第n+1個(gè)時(shí)間間隔中，使所述的第二通道的輸入端不與所述的第一通道的輸入端相連接，以將所述的輸入信號(hào)中的第二個(gè)輸入到所述的第二通道的輸入端的、控制用的開關(guān)組件(31)；在所述的第n+1個(gè)時(shí)間間隔中，可以有效地測(cè)量在所述的第一和第二輸入通道的輸出信號(hào)之間的相位差的組件(74，76)；其特征在于該裝置還包括有；位于所述的第一和第二通道中的、與其相連接的具有相位漂移的多極濾波器(41，51)，用于將在所述的第一和第二通道的每一條的輸入端(45，55)接收到的信號(hào)傳遞至所述的第一和第二通道的每一條的輸出端(49，59)；用于在第n個(gè)時(shí)間間隔中，有效地獲得相應(yīng)于輸出信號(hào)之間的相位差的第一校正參數(shù)的組件(80)，所述的輸出信號(hào)是由所述的第一和第二通道響應(yīng)所述的施加在第一和第二通道上的第一輸入信號(hào)而產(chǎn)生的；用于在第n+1個(gè)時(shí)間間隔中，用將所述的第一校正參數(shù)與測(cè)量出的在所述的第一和第二通道的輸出信號(hào)之間的相位差相疊加的方式，獲得校正后的相位差的組件(80)。
2.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)處理裝置，其特征在于所述的信號(hào)處理裝置還包括有一條第三通道(64)；位于所述的第三通道中的、與其相連接的具有相位漂移的多極濾波器(61)，用于將在所述的第三通道的輸入端接收到的信號(hào)傳遞至所述的第三通道的輸出端；包括有所述的開關(guān)組件(31)的組件，所述的開關(guān)組件可以在第n-1個(gè)時(shí)間間隔中，將所述的第三通道的輸入端與所述的第一通道的輸入端相連接，以用所述的第一和第三通道接收所述的第一輸入信號(hào)；用于在第n-1個(gè)時(shí)間間隔中，有效地產(chǎn)生相應(yīng)于所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差的第二校正參數(shù)的組件(80)；包括有所述的開關(guān)組件(31)的組件，所述的開關(guān)組件可以在第n個(gè)時(shí)間間隔中，使所述的第三通道的輸入端不與所述的第一通道的輸入端相連接，并且連接所述的第三通道的輸入端至所述的第二輸入信號(hào)；在所述的第n個(gè)時(shí)間間隔中，可以有效地測(cè)量在所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差的組件(74，76)；用于在第n個(gè)時(shí)間間隔中，響應(yīng)所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差的測(cè)量的組件(80)，它可以用將所述的第二校正參數(shù)與所述的測(cè)量出的、在所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差相疊加的方式，獲得在所述的第一和第二通道之間的校正后的相位差。
3.如權(quán)利要求2所述的信號(hào)處理裝置，其特征在于所述的每一條通道還包括有一個(gè)具有與所述的多極濾波器的輸出端相連接的輸入端的運(yùn)算放大器(46，56，66)，所述的運(yùn)算放大器可以有效地消除由所述的多極濾波器的輸出端施加在其輸入端上的信號(hào)中的任何DC偏移；一個(gè)電位檢測(cè)器(48，58，68)；所述的運(yùn)算放大器的輸出端將不包含有DC偏移的AC信號(hào)施加在所述的電位檢測(cè)器的輸入端；而且所述的信號(hào)處理裝置還包括有一個(gè)與所述的第一和第二通道的輸出端相連接以產(chǎn)生相應(yīng)于在所述的第一和第二通道的輸出信號(hào)之間的相位差的輸出信號(hào)的第一計(jì)數(shù)器(74)；一個(gè)與所述的第一和第三通道的輸出端相連接以產(chǎn)生相應(yīng)于在所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差的輸出信號(hào)的第二計(jì)數(shù)器(76)；所述的每一個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)(87A，87B)，給出了測(cè)量出的在某一時(shí)間間隔中的相應(yīng)的通道的輸入信號(hào)之間的相位差，而且給出了在另一時(shí)間間隔中的相應(yīng)通道之間的相位校正參數(shù)；一個(gè)處理器(80)；用于將所述的計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)輸入到所述的處理器，以產(chǎn)生在接收到的、施加在所述的相應(yīng)于每一計(jì)數(shù)器的通道的輸入端的信號(hào)之間的校正后的相位差信息的組件(87)。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于它還與下述組件相耦合包含流經(jīng)所述的流量計(jì)的振動(dòng)流管的處理材料的科里奧利氏流量計(jì)(10)；與所述的振動(dòng)流管相耦合以產(chǎn)生表示由所述的處理材料流動(dòng)而產(chǎn)生的科里奧利氏運(yùn)動(dòng)的輸出信號(hào)的傳感器(170L，170R)；將所述的傳感器與所述的信號(hào)處理裝置相連接以將所述的輸出信號(hào)作為接收到的輸入信號(hào)施加在所述的信號(hào)處理裝置上的組件(165L，165R)；而且所述的信號(hào)處理裝置還進(jìn)一步包括有，用于獲得在所述的輸入信號(hào)之間的校正后的相位差以測(cè)定相應(yīng)于所述的處理材料的信息的組件(80)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的科里奧利氏流量計(jì)還包括有用于使所述的流管振動(dòng)的振動(dòng)器(180)；所述的裝置還包括有具有與所述的振動(dòng)器相連接的輸出端以將激勵(lì)信號(hào)施加在所述的振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路(27)；用于將所述的一條通道的運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)作為已濾波的信號(hào)施加在所述的驅(qū)動(dòng)電路的輸入端的組件(185)。
6.用于使測(cè)量在兩個(gè)接收到的輸入信號(hào)之間的相位差的信號(hào)處理裝置運(yùn)行的方法，所述的信號(hào)處理裝置包括一條第一通道(54)和一條第二通道(44)；所述的方法包括下述步驟將所述的輸入信號(hào)中的第一個(gè)輸入到所述的第一通道的輸入端；在第n個(gè)時(shí)間間隔中，將所述的第二通道的輸入端與所述的第一通道的輸入端相連接以接收所述的第一輸入信號(hào)，而在第n+1個(gè)時(shí)間間隔中，使所述的第二通道的輸入端不與所述的第一通道的輸入端相連接，從而將所述的輸入信號(hào)中的第二個(gè)輸入到所述的第二通道的輸入端的；在所述的第n+1個(gè)時(shí)間間隔中，測(cè)量在所述的第一和第二輸入通道的輸出信號(hào)之間的相位差；其特征在于所述的裝置還包括有位于所述的第一和第二通道中的每一條的通道中的、具有相位漂移的多極濾波器，后者用于在所述的第一和第二通道的每一條的輸入端(45，55)至所述的第一和第二通道的每一條的輸出端(49，59)拓展所接收到的信號(hào)；而且所述的方法還進(jìn)一步包括有下述步驟在第n個(gè)時(shí)間間隔中，獲得相應(yīng)于輸出信號(hào)之間的相位差的第一校正參數(shù)，所述的輸出信號(hào)是由所述的第一和第二通道響應(yīng)所述的施加在第一和第二通道上的第一輸入信號(hào)而產(chǎn)生的；將所述的第一校正參數(shù)與測(cè)量出的在所述的第一和第二通道的輸出信號(hào)之間的相位差相疊加，獲得校正后的相位差。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的信號(hào)處理裝置還包括有一條第三通道(64)；位于所述的第三通道中的具有相位漂移的多極濾波器(61)，用于在所述的第三通道的輸入端至所述的第三通道的輸出端拓展所接收到的信號(hào)；而且所述的方法還進(jìn)一步包括有下述步驟在第n-1個(gè)時(shí)間間隔中，將所述的第三通道的輸入端與所述的第一通道的輸入端相連接，以用所述的第一和第三通道接收所述的第一輸入信號(hào)；在第n-1個(gè)時(shí)間間隔中，產(chǎn)生相應(yīng)于所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差的第二校正參數(shù)；在所述的第二通道的輸入端與所述的第一通道的輸入端相連接的第n個(gè)時(shí)間間隔中，使所述的第三通道的輸入端不與所述的第一通道的輸入端相連接，并且連接所述的第三通道的輸入端至所述的第二輸入信號(hào)；在所述的第n個(gè)時(shí)間間隔中，測(cè)量在所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差；在第n個(gè)時(shí)間間隔中，響應(yīng)所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差的測(cè)量，用將所述的第二校正參數(shù)與所述的測(cè)量出的、在所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差相疊加的方式，獲得校正后的在所述的第一和第二通道之間的校正后的相位差。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述的方法還進(jìn)一步包括有下述步驟運(yùn)行一個(gè)具有與所述的多極濾波器的輸出端相連接的輸入端的運(yùn)算放大器，所述的運(yùn)算放大器可以有效地在其輸出信號(hào)中，消除由所述的多極濾波器的輸出端施加在其輸入端上的信號(hào)中的任何DC偏移；將所述運(yùn)算放大器輸出的不包含DC偏移的AC信號(hào)，施加在電位檢測(cè)器的輸入端；所述的電位檢測(cè)器響應(yīng)在其輸入端處接收到的信號(hào)，產(chǎn)生反映施加在所述的通道的輸入端處的信號(hào)的輸出信號(hào)；使一個(gè)與所述的第一和第二通道的輸出端相連接的第一計(jì)數(shù)器運(yùn)行，以產(chǎn)生相應(yīng)于在所述的第一和第二通道輸出端的信號(hào)之間的相位差的輸出信號(hào)；使一個(gè)與所述的第一和第三通道的輸出端相連接的第二計(jì)數(shù)器運(yùn)行，以產(chǎn)生相應(yīng)于在所述的第一和第三通道的輸出信號(hào)之間的相位差的輸出信號(hào)；所述的每一個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)，反映著測(cè)量出的在某一時(shí)間間隔中的相應(yīng)的通道的輸入信號(hào)之間的相位差，而且給出了在另一時(shí)間間隔中的相應(yīng)通道之間的相位校正參數(shù)；將所述的每一計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)輸入到處理器，以產(chǎn)生代表著在接收到的施加在所述的每一通道的輸入端的信號(hào)之間的相位差的信息。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于它還與下述組件相耦合一個(gè)包含流經(jīng)所述的流量計(jì)的振動(dòng)流管的處理材料的科里奧利氏流量計(jì)；所述的方法還進(jìn)一步包括有將傳感器與所述的流管相耦合，以產(chǎn)生代表由所述的處理材料流動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)流管的科里奧利氏運(yùn)動(dòng)的輸出信號(hào)；將所述的傳感器與所述的信號(hào)處理裝置相連接，以將所述的輸出信號(hào)作為接收到的輸入信號(hào)施加在所述的信號(hào)處理裝置上；測(cè)定響應(yīng)在所述的輸入信號(hào)之間的校正后的相位差的處理結(jié)果的所述的處理材料的信息。
全文摘要
一種用于測(cè)量在科里奧利氏流量計(jì)的輸出信號(hào)之間的相位差的低噪音的系統(tǒng)和方法。將輸出信號(hào)施加在具有三條測(cè)量通道的信號(hào)處理電路中，每一條通道均包含有一個(gè)具有相當(dāng)大的相位漂移的多極濾波器。通道對(duì)按預(yù)定時(shí)間間隔，依次在校準(zhǔn)狀態(tài)和激勵(lì)狀態(tài)之間切換。在校準(zhǔn)狀態(tài)中，這兩條通道在某一時(shí)間間隔中與同一輸入信號(hào)相連接，測(cè)量這兩條通道的輸出信號(hào)以確定在這兩條校準(zhǔn)通道之間的固有相位滯后。然后在下一時(shí)間間隔中，將這兩條通道切換到激勵(lì)狀態(tài)，這時(shí)它們分別與流量計(jì)的兩個(gè)輸出信號(hào)相連接。測(cè)量通道的輸出信號(hào)，并用代數(shù)方法將最后測(cè)量出的相位滯后與在校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)測(cè)量出的相位滯后相疊加，以獲得在由科里奧利氏流量計(jì)給出的兩個(gè)信號(hào)之間的真實(shí)相位滯后。
文檔編號(hào)G01F1/84GK1159224SQ95195043
公開日1997年9月10日 申請(qǐng)日期1995年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月20日
發(fā)明者P·Z·卡洛泰 申請(qǐng)人:微動(dòng)公司