СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И КОРИОЛИСОВ РАСХОДОМЕР
SIGNAL PROCESSING METHOD, SIGNAL PROCESSING APPARATUS AND CORIOLIS FLOW METER

Область техники
Изобретение относится к кориолисову расходомеру для детектирования разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей на расходомерную трубку, чтобы получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды.
Предшествующий уровень техники
Кориолисов расходомер - это массовый расходомер, основанный на том, что кориолисова сила, действующая на расходомерную трубку (в дальнейшем в этом документе, расходомерная трубка для вибрации упоминается как расходомерная трубка), является пропорциональной удельному массовому расходу в случае, когда расходомерная трубка, через которую протекает измеряемая текучая среда, поддерживается с обоих концов, и вибрация прикладывается вокруг опорной точки в направлении, перпендикулярном направлению потока расходомерной трубки. Кориолисов расходомер хорошо известен, и форма расходомерной трубки в кориолисовом расходомере в основном разделяется на тип с прямыми трубками и тип с изогнутыми трубками.
Кориолисов расходомер - это массовый расходомер для детектирования сигнала разности фаз, пропорционального удельному массовому расходу, в симметричных положениях между обоими концевыми опорными участками и центральным участком измерительной трубки в случае, когда измерительная трубка, через которую протекает измеряемая текучая среда, поддерживается с обоих концов, и центральный участок поддерживаемой измерительной трубки попеременно возбуждается в направлении, перпендикулярном линии поддержки. Сигнал разности фаз - это величина, пропорциональная удельному массовому расходу. Когда частота возбуждения поддерживается постоянной, сигнал разности фаз может детектироваться как сигнал разности времен в положениях наблюдения измерительной трубки.
Когда переменная частота возбуждения измерительной трубки задана равной собственной частоте измерительной трубки, получается постоянная частота возбуждения, соответствующая плотности измеряемой текучей среды, и, следовательно, измерительная трубка может возбуждаться с помощью небольшой энергии возбуждения. Соответственно, в последнее время измерительная трубка, в общем, возбуждается при собственной частоте, и сигнал разности фаз детектируется как сигнал разности времен.
Кориолисов расходомер с прямыми трубками имеет конструкцию, в которой в случае, когда вибрация прикладывается в направлении, перпендикулярном оси прямой трубки центрального участка прямой трубки, поддерживаемой с обоих концов, разность смещения прямой трубки, которая вызывается посредством кориолисовой силы, т.е. сигнал разности фаз получается между опорным участком и центральным участком прямой трубки, и удельный массовый расход детектируется на основе сигнала разности фаз. Кориолисов расходомер с прямыми трубками, как описано выше, имеет простую, компактную и жесткую конструкцию. Тем не менее, кориолисов расходомер также имеет проблему в том, что высокая чувствительность детектирования не может быть достигнута.
В отличие от этого, кориолисов расходомер с изогнутыми трубками превосходит кориолисов расходомер с прямыми трубками в том, что может выбираться форма для эффективного исключения кориолисовой силы. Удельный массовый расход может фактически детектироваться с высокой чувствительностью.
Комбинация катушки и магнита, в общем, используется в качестве средства возбуждения для возбуждения расходомерной трубки. Катушка и магнит предпочтительно прикрепляются в положениях, которые не смещаются в направлении вибрации расходомерной трубки, поскольку отклонение от взаимного расположения между катушкой и магнитом минимизируется. Следовательно, в случае кориолисова расходомера с изогнутыми трубками, включающего в себя две параллельные расходомерные трубки, две параллельные расходомерные трубки прикрепляются так, чтобы размещаться между катушкой и магнитом. Следовательно, конструкция выполнена таким образом, что две расположенные напротив расходомерные трубки отстоят друг от друга с таким интервалом, чтобы размещаться, по меньшей мере, между катушкой и магнитом.
Из кориолисовых расходомеров, включающих в себя две расходомерные трубки, расположенные в параллельных плоскостях, кориолисов расходомер, имеющий большой диаметр, или кориолисов расходомер, имеющий высокую жесткость расходомерной трубки, требует повышения мощности средства возбуждения, и, следовательно, необходимо размещать крупное средство возбуждения между двумя расходомерными трубками. Соответственно, конструкция выполнена таким образом, что интервал между расходомерными трубками обязательно расширяется даже на закрепленном концевом участке, который является базовым участком расходомерных трубок.
Как проиллюстрировано на фиг.13, кориолисов расходомер 1, который является общеизвестным и включает в себя U-образные измерительные трубки, включает в себя детектор 4 для двух U-образных измерительных трубок 2 и 3 и преобразователь 5.
Детектор 4 для измерительных трубок 2 и 3 включает в себя вибратор 6 для резонансной вибрации измерительных трубок 2 и 3, левый датчик 7 скорости для детектирования скорости вибрации, генерируемой на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, вибрирующих посредством вибратора 6, правый датчик 8 скорости для детектирования скорости вибрации, генерируемой на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, вибрирующих посредством вибратора 6, и температурный датчик 9 для детектирования температуры измеряемой текучей среды, которая протекает через измерительные трубки 2 и 3, при детектировании скорости вибрации. Вибратор 6, левый датчик 7 скорости, правый датчик 8 скорости и температурный датчик 9 соединяются с преобразователем 5.
Измеряемая текучая среда, которая протекает через измерительные трубки 2 и 3 кориолисова расходомера 1, протекает с правой стороны измерительных трубок 2 и 3 (стороны, на которой предусмотрен правый датчик 8 скорости) в левую сторону (сторону, на которой предусмотрен левый датчик 7 скорости).
Следовательно, сигнал скорости, детектируемый посредством правого датчика 8 скорости, является сигналом скорости на входе измеряемой текучей среды, протекающей в измерительные трубки 2 и 3. Сигнал скорости, детектируемый посредством левого датчика 7 скорости, является сигналом скорости на выходе измеряемой текучей среды, вытекающей из измерительных трубок 2 и 3.
Преобразователь 5 кориолисова расходомера включает в себя модуль 10 управления возбуждением, модуль 11 измерения фазы и модуль 12 измерения температуры.
Преобразователь 5 кориолисова расходомера имеет блочную структуру, как проиллюстрировано на фиг.14.
Таким образом, преобразователь 5 кориолисова расходомера имеет порт 15 ввода и вывода. Выходной вывод 16 сигнала возбуждения, включенный в модуль 10 управления возбуждением, предусмотрен в порту 15 ввода и вывода. Модуль 10 управления возбуждением выводит заранее детектированный сигнал режима от выходного вывода 16 сигнала возбуждения в вибратор 6, прикрепленный к измерительным трубкам 2 и 3, для резонансной вибрации измерительных трубок 2 и 3.
Каждый из левого датчика 7 скорости и правого датчика 8 скорости, которые детектируют скорости вибрации, может быть датчиком ускорения.
Выходной вывод 16 сигнала возбуждения соединяется со схемой 18 возбуждения через усилитель 17. Схема 18 возбуждения формирует сигнал возбуждения для резонансной вибрации измерительных трубок 2 и 3 и выводит сигнал возбуждения в усилитель 17. Усилитель усиливает входной сигнал возбуждения и выводит сигнал возбуждения на выходной вывод 16 сигнала возбуждения. Сигнал возбуждения, выводимый из усилителя 17, выводится из выходного контактного 16 сигнала возбуждения в вибратор 6.
Входной вывод 19 для левого сигнала скорости, в который вводится сигнал детектирования скорости вибрации, генерируемой на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, вибрирующих посредством вибратора 6, предусмотрен в порту 15 ввода и вывода. Входной вывод 19 для левого сигнала скорости включен в модуль 11 измерения фазы.
Входной вывод 20 для правого сигнала скорости, в который вводится сигнал детектирования скорости вибрации, генерируемой на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, вибрирующих посредством вибратора 6, предусмотрен в порту 15 ввода и вывода. Входной вывод 20 для правого сигнала скорости включен в модуль 11 измерения фазы.
Модуль 11 измерения фазы выполняет аналогово-цифровое преобразование для сигналов вибрации пары датчиков скорости в случае, когда заранее детектированный сигнал режима выводится из выходного вывода 16 сигнала возбуждения в вибратор 6, прикрепленный к измерительным трубкам 2 и 3, чтобы вызывать вибрацию в измерительных трубках 2 и 3 посредством вибратора 6, чтобы тем самым выполнять обработку цифрового преобразования, и затем получает разность фаз между преобразованными сигналами.
Входной вывод 19 для левого сигнала скорости соединяется с входным выводом усилителя 21. Выходной вывод усилителя 21 соединяется с аналого-цифровым преобразователем 22. Аналого-цифровой преобразователь 22 преобразует, в цифровое значение, аналоговый сигнал, полученный посредством усиления сигнала вибрации, выводимого из входного вывода 19 для левого сигнала скорости, посредством усилителя 21.
Аналого-цифровой преобразователь 22 соединяется с вычислительным устройством 23.
Дополнительно, входной вывод 20 для правого сигнала скорости соединяется с входным выводом усилителя 24. Выходной вывод усилителя 24 соединяется с аналого-цифровым преобразователем 25. Аналого-цифровой преобразователь 25 преобразует, в цифровое значение, аналоговый сигнал, полученный посредством усиления сигнала вибрации, выводимого из входного контактного вывода 20 для правого сигнала скорости, посредством усилителя 24.
Дополнительно, цифровой сигнал, выводимый из аналого-цифрового преобразователя 25, вводится в вычислительное устройство 23.
Дополнительно, входной вывод 26 сигнала температуры, включенный в модуль 11 измерения температуры, в который вводится значение детектирования от температурного датчика 9, предусмотрен в порту 15 ввода и вывода. Модуль 12 измерения температуры выполняет температурную компенсацию в трубках на основе температуры детектирования, полученной посредством температурного датчика 9, который предусмотрен в измерительных трубках 2 и 3, и детектирует внутреннюю температуру измерительных трубок 2 и 3.
Резистивный температурный датчик, в общем, используется в качестве температурного датчика 9, чтобы измерять значение сопротивления, чтобы тем самым вычислять температуру.
Входной вывод 26 сигнала температуры соединяется со схемой 27 измерения температуры. Схема 27 измерения температуры вычисляет внутреннюю температуру измерительных трубок 2 и 3 на основе значения сопротивления, выводимого от температурного датчика 9. Внутренняя температура измерительных трубок 2 и 3, которая вычисляется посредством схемы 27 измерения температуры, вводится в вычислительное устройство 23.
В способе измерения фазы с использованием кориолисова расходомера 1, как описано выше, вибрация прикладывается в первичном режиме к измерительным трубкам 2 и 3 от вибратора 6, прикрепленного к измерительным трубкам 2 и 3. Когда измеряемая текучая среда протекает в измерительные трубки 2 и 3 в то время, когда применяется вибрация, фазовый режим формируется в измерительных трубках 2 и 3.
Следовательно, сигнал (сигнал скорости на входной стороне) из правого датчика 8 скорости и сигнал (сигнал скорости на выходной стороне) из левого датчика 7 скорости в кориолисовом расходомере 1 выводятся как форма, в которой два сигнала накладываются друг на друга. Сигнал, выводимый как форма, в которой два сигнала накладываются друг на друга, включает в себя не только сигнал расхода, но также и большое число излишних составляющих шума. Помимо этого, частота изменяется в зависимости, например, от изменения плотности измеряемой текучей среды.
Следовательно, необходимо исключать излишний сигнал из сигналов от правого датчика 8 скорости и левого датчика 7 скорости. Тем не менее, чтобы вычислить фазу, очень трудно исключать излишний сигнал из сигналов от правого датчика 8 скорости и левого датчика 7 скорости.
Дополнительно, кориолисов расходомер 1 зачастую должен иметь сверхвысокоточное измерение и высокую скорость отклика. Чтобы удовлетворять таким требованиям, необходимо вычислительное устройство, имеющее поддержку очень сложных вычислений и высокую производительность обработки, и, следовательно, сам кориолисов расходомер 1 является очень дорогим.
Таким образом, кориолисов расходомер 1 требует установленного способа измерения разности фаз с использованием как оптимального фильтра, всегда соответствующего частоте измерений, так и способа высокоскоростных вычислений.
В традиционных способах измерения разности фаз с вычислением расхода, способ обработки с помощью фильтра с исключением шума разделяется на способ с использованием аналогового фильтра и способ с использованием цифрового фильтра.
Способ с использованием аналогового фильтра может быть относительно недорогим (см., например, патентный документ 1 и патентный документ 2). Тем не менее, патентный документ 0 и патентный документ 2 имеют предел повышения производительности фильтра, и, следовательно, имеется проблема в том, что фильтр является недостаточным для кориолисова расходомера.
В последние годы создано большое число кориолисовых расходомеров с использованием обработки цифровых сигналов, и способ с использованием цифрового фильтра создан в качестве способа обработки с помощью фильтра с исключением шума в традиционных способах измерения разности фаз при вычислении расхода.
Примеры традиционных типов кориолисовых расходомеров с использованием обработки цифровых сигналов включают в себя способ измерения фазы с использованием преобразования Фурье (см., например, патентный документ 3) и способ выбора оптимальной таблицы, соответствующей входной частоте, из таблиц фильтров, включающих в себя режекторный фильтр и полосовой фильтр, чтобы измерять фазу (см., например, патентный документ 4 и патентный документ 5).
Способ измерения фазы с использованием преобразования Фурье
Преобразователь кориолисова расходомера на основе способа измерения фазы с использованием преобразования Фурье имеет блочную структуру, как проиллюстрировано на фиг.15.
На фиг.15 входной вывод 19 левого сигнала скорости, предусмотренный в порту 15 ввода и вывода, в который вводится сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на выходной стороне), который формируется на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, вибрирующих посредством вибратора 6, и который детектируется посредством левого датчика 7 скорости, соединяется с фильтром 30 нижних частот. Фильтр 30 нижних частот является схемой для извлечения, с помощью частотного фильтра, только левого низкочастотного сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне) из левого сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне), выводимого из левого датчика 7 скорости, детектирующего скорость вибрации, генерируемую на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6.
Фильтр 30 нижних частот соединяется с аналого-цифровым преобразователем 31. Аналого-цифровой преобразователь 31 преобразует, в цифровой сигнал, левый сигнал скорости, который является аналоговым сигналом, выводимым из фильтра 30 нижних частот. Левый сигнал скорости, полученный преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 31 как цифровой сигнал, вводится в модуль 32 измерения разности фаз.
Аналого-цифровой преобразователь 31 соединяется с генератором 33 тактовых импульсов. Генератор 33 тактовых импульсов формирует синхронизацию дискретизации M раз (M - это натуральное число) входной частоты.
С другой стороны, входной вывод 20 правого сигнала скорости, предусмотренный в порту 15 ввода и вывода, в который вводится сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на входной стороне), который формируется на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, вибрирующих посредством вибратора 6, и который детектируется посредством правого датчика 8 скорости, соединяется с фильтром 34 нижних частот. Фильтр 34 нижних частот является схемой для извлечения, с помощью частотного фильтра, только низкочастотного правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне) из правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне), выводимого из правого датчика 8 скорости, детектирующего скорость вибрации, генерируемую на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6.
Фильтр 34 нижних частот соединяется с аналого-цифровым преобразователем 35. Аналого-цифровой преобразователь 35 преобразует, в цифровой сигнал, правый сигнал скорости, который является аналоговым сигналом, выводимым из фильтра 34 нижних частот. Правый сигнал скорости, полученный преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 35 как цифровой сигнал, вводится в модуль 32 измерения разности фаз.
Дополнительно, аналого-цифровой преобразователь 35 соединяется с генератором 33 тактовых импульсов. Генератор 33 тактовых импульсов формирует синхронизацию дискретизации M раз (M - это натуральное число) входной частоты.
Дополнительно, входной вывод 20 правого сигнала скорости, предусмотренный в порту 15 ввода и вывода, в который вводится сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на входной стороне), который формируется на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, вибрирующих посредством вибратора 6, и который детектируется посредством правого датчика 8 скорости, соединяется с модулем 36 измерения частоты. Модуль 36 измерения частоты измеряет частоту сигнала детектирования скорости вибрации (сигнала скорости на входной стороне), который формируется на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, вибрирующих посредством вибратора 6, и который детектируется посредством правого датчика 8 скорости.
Модуль 36 измерения частоты соединяется с генератором 33 тактовых импульсов. Частота, измеряемая посредством модуля 36 измерения частоты, выводится в генератор 33 тактовых импульсов. Синхронизация дискретизации M раз (M - это натуральное число) входной частоты формируется посредством генератора 33 тактовых импульсов и выводится в аналого-цифровые преобразователи 31 и 35.
Модуль 32 измерения разности фаз, генератор 33 тактовых импульсов и модуль 36 измерения частоты включены в вычислительное устройство 40 измерения фазы.
В способе измерения фазы с использованием преобразования Фурье, как проиллюстрировано на фиг.15, входной сигнал (сигнал скорости на входной стороне) из правого датчика 8 скорости сначала вводится в модуль 36 измерения частоты, чтобы измерять частоту. Частота, измеряемая посредством модуля 36 измерения частоты, вводится в генератор 33 тактовых импульсов. Синхронизация дискретизации M раз (M - это натуральное число) входной частоты формируется посредством генератора 33 тактовых импульсов и вводится в аналого-цифровые преобразователи 31 и 35.
Дополнительно, сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на выходной стороне), который формируется на левой стороне измерительных трубок 2 и 3 и получается преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 31 как цифровой сигнал, и сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на входной стороне), который формируется на правой стороне измерительных трубок 2 и 3 и получается преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 35 как цифровой сигнал, вводятся в модуль 32 измерения разности фаз. Сигналы детектирования подвергаются преобразованию Фурье посредством модуля дискретного преобразования Фурье, включенного в модуль 32 измерения разности фаз, и разность фаз вычисляется на основе соотношения между действительной составляющей и мнимой составляющей преобразованных сигналов.
Способ измерения фазы с использованием цифрового фильтра
Преобразователи кориолисова расходомера на основе способа измерения фазы с использованием цифрового фильтра описаны в отношении структурных блок-схем, проиллюстрированных на фиг.16 и 17.
Средство выбора частоты, такое как режекторный фильтр или полосовой фильтр, используется в качестве цифрового фильтра. Отношение "сигнал-шум" входного сигнала улучшается с использованием средства выбора частоты, такого как режекторный фильтр или полосовой фильтр.
Фиг.16 иллюстрирует блочную структуру преобразователя кориолисова расходомера с использованием режекторного фильтра в качестве цифрового фильтра.
Порт 15 ввода и вывода, входной контактный вывод 19 для левого сигнала скорости, входной контактный вывод 20 для правого сигнала скорости, фильтры 30 и 34 нижних частот и аналого-цифровые преобразователи 31 и 35, как проиллюстрировано на фиг.16, имеют структуры, идентичные структурам порта 15 ввода и вывода, входного контактного вывода 19 для левого сигнала скорости, входного контактного вывода 20 для правого сигнала скорости, фильтров 30 и 34 нижних частот и аналого-цифровых преобразователей 31 и 35, как проиллюстрировано на фиг.15, соответственно.
На фиг.16 аналого-цифровой преобразователь 31 соединяется с режекторным фильтром 51. Режекторный фильтр 51 выбирает частоту на основе левого сигнала скорости, который получается преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 31 как цифровой сигнал, чтобы улучшать отношение "сигнал-шум" входного сигнала, который должен выводиться.
Режекторный фильтр 51 соединяется с модулем 52 измерения фазы. Модуль 52 измерения фазы измеряет фазу левого сигнала скорости, который получается как цифровой сигнал посредством преобразования и который имеет улучшенное отношение "сигнал-шум" посредством режекторного фильтра 51.
Дополнительно, режекторный фильтр 51 соединяется с модулем 53 измерения частоты. Модуль 53 измерения частоты измеряет частоту левого сигнала скорости, который получается как цифровой сигнал посредством преобразования и который имеет улучшенное отношение "сигнал-шум" посредством режекторного фильтра 51.
Частота, измеряемая посредством модуля 53 измерения частоты, вводится в режекторный фильтр 51.
Дополнительно, аналого-цифровой преобразователь 35 соединяется с режекторным фильтром 54. Режекторный фильтр 54 выбирает частоту на основе левого сигнала скорости, который получается преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 31 как цифровой сигнал, чтобы улучшать отношение "сигнал-шум" входного сигнала, который должен выводиться.
Режекторный фильтр 54 соединяется с модулем 52 измерения фазы. Модуль 52 измерения фазы измеряет фазу правого сигнала скорости, который получается преобразованием как цифровой сигнал и который имеет улучшенное отношение "сигнал-шум" посредством режекторного фильтра 54.
Дополнительно, частота, измеряемая посредством модуля 53 измерения частоты, вводится в режекторный фильтр 54.
На фиг.16 задающий генератор 55 используется для синхронизации и ввода в аналого-цифровые преобразователи 31 и 35, чтобы синхронизировать аналого-цифровой преобразователь 31 и аналого-цифровой преобразователь 35 друг с другом.
Режекторные фильтры 51 и 54, модуль 52 измерения разности фаз, модуль 53 измерения частоты и задающий генератор 55 включены в вычислительное устройство 50 измерения фазы.
Фиг.17 иллюстрирует блочную структуру преобразователя кориолисова расходомера с использованием полосового фильтра (BPF) в качестве цифрового фильтра.
Порт 15 ввода и вывода, входной вывод 19 левого сигнала скорости, входной вывод 20 правого сигнала скорости, фильтры 30 и 34 нижних частот и аналого-цифровые преобразователи 31 и 35, как проиллюстрировано на фиг.17, имеют структуры, идентичные структурам порта 15 ввода и вывода, входного вывода 19 левого сигнала скорости, входного вывода 20 правого сигнала скорости, фильтров 30 и 34 нижних частот и аналого-цифровых преобразователей 31 и 35, как проиллюстрировано на фиг.16, соответственно.
На фиг.17 аналого-цифровой преобразователь 31 соединяется с полосовым фильтром (BPF) 61. Полосовой фильтр 61 является схемой для извлечения, с помощью частотного фильтра, только левого сигнала скорости, имеющего заданную частоту (сигнал скорости на выходной стороне) из левого сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне), который выводится из левого датчика 7 скорости, детектирующего скорость вибрации, сформированную на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, и который получается преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 31 как цифровой сигнал, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6.
Полосовой фильтр 61 соединяется с модулем 62 измерения фазы. Модуль 62 измерения фазы измеряет фазу левого сигнала скорости, который получается преобразованием как цифровой сигнал и который имеет улучшенное отношение "сигнал-шум" посредством полосового фильтра 61.
Дополнительно, полосовой фильтр 61 соединяется с модулем 63 измерения частоты. Модуль 63 измерения частоты измеряет частоту левого сигнала скорости, который получается преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 31 как цифровой сигнал и который имеет улучшенное отношение "сигнал-шум" посредством полосового фильтра 61.
Частота, измеряемая посредством модуля 63 измерения частоты, вводится в полосовой фильтр 61.
Дополнительно, аналого-цифровой преобразователь 35 соединяется с полосовым фильтром 64. Полосовой фильтр 64 является схемой для извлечения, с помощью частотного фильтра, только правого сигнала скорости, имеющего заданную частоту (сигнал скорости на входной стороне) из правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне), который выводится из правого датчика 8 скорости, детектирующего скорость вибрации, генерируемую на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, и который получается преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 35 как цифровой сигнал, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6.
Полосовой фильтр 64 соединяется с модулем 62 измерения фазы. Модуль 62 измерения фазы измеряет фазу левого сигнала скорости, который получается преобразованием как цифровой сигнал и который имеет улучшенное отношение "сигнал-шум" посредством полосового фильтра 64.
Полосовой фильтр 64 соединяется с модулем 63 измерения частоты. Частота, измеряемая посредством модуля 63 измерения частоты, вводится в полосовой фильтр 64.
На фиг.17 задающий генератор 65 используется для синхронизации, и синхросигнал из задающего генератора 65 вводится в аналого-цифровые преобразователи 31 и 35, чтобы синхронизировать аналого-цифровой преобразователь 31 и аналого-цифровой преобразователь 35 друг с другом.
Полосовые фильтры 61 и 64, модуль 62 измерения фазы, модуль 63 измерения частоты и задающий генератор 65 включены в вычислительное устройство измерения фазы 60.
Патентные документы, описанные выше:
Патентный документ 1. JP 02-66410 A;
Патентный документ 2. JP 10-503017 A;
Патентный документ 3. JP 2799243 B;
Патентный документ 4. JP 2930430 B;
Патентный документ 5. JP 3219122 B.
В способе измерения фазы с использованием преобразования Фурье, как описано в патентном документе 3, когда входная частота входного сигнала детектирования скорости вибрации является постоянной, может осуществляться способ измерения фазы, имеющий избирательность в области сверхвысоких частот, поскольку преобразование Фурье используется для выбора частоты.
Тем не менее, в способе с использованием преобразования Фурье, как описано в патентном документе 3, когда входная частота входного сигнала детектирования скорости вибрации изменяется согласно плотности или температуре, необходимо изменять способ преобразования или частоту дискретизации. Следовательно, вычислительный цикл или способ вычисления изменяется, и, следовательно, значение измерения варьируется и тем самым является нестабилизированным.
Помимо этого, в способе с использованием преобразования Фурье, как описано в патентном документе 3, когда входная частота входного сигнала детектирования скорости вибрации изменяется согласно плотности или температуре, необходимо точно синхронизировать частоту дискретизации с входной частотой входного сигнала скорости вибрации, и, следовательно, конструкция является очень усложненной.
Следовательно, имеется проблема в том, что, когда температура измеряемой текучей среды быстро изменяется, или плотность быстро изменяется посредством подмешивания воздушных пузырьков в текучую среду, точность измерений существенно снижается.
Дополнительно, способ с использованием преобразования Фурье, как описано в патентном документе 3, имеет проблему в том, что объем вычислительной обработки становится очень большим вследствие выполнения преобразования Фурье.
В способах выбора оптимальной таблицы, соответствующей входной частоте, из таблиц фильтров, включающих в себя режекторный фильтр и полосовой фильтр, для измерения фазы, как описано в патентном документе 4 и патентном документе 5, когда частота дискретизации удерживается, конструкция может упрощаться.
Тем не менее, аналогично способу с использованием преобразования Фурье, как описано в патентном документе 3, способы измерения фазы с использованием цифрового фильтра, как описано в патентном документе 4 и патентном документе 5, требуют очень большого числа таблиц фильтров, соответствующих измененным входным частотам, и, следовательно, имеют проблему в том, что объем используемой памяти вычислительного устройства является большим.
Помимо этого, способы измерения фазы с использованием цифрового фильтра, как описано в патентном документе 4 и патентном документе 5, имеют проблему в том, что трудно выбирать оптимальный фильтр в случае, когда входная частота быстро изменяется.
Дополнительно, способы измерения фазы с использованием цифрового фильтра, как описано в патентном документе 4 и патентном документе 5, имеют проблему в том, что варьирующийся большой объем вычислений требуется для того, чтобы повышать производительность выбора частоты.
Способы измерения фазы с использованием цифрового фильтра, как описано в патентном документе 4 и патентном документе 5, имеют следующие проблемы.
(1) Способ не может соответствовать изменению входной частоты с высокой точностью. Таким образом, очень трудно реализовывать измерение в случае, когда плотность измеряемой текучей среды быстро изменяется вследствие подмешивания воздушных пузырьков.
(2) Чтобы повышать производительность выбора частоты, требуется большой объем вычислений. Следовательно, трудно реализовывать значительное быстродействие, и, следовательно, способ является неподходящим для пакетной обработки в течение короткого периода времени.
(3) Объем используемой памяти вычислительного устройства является большим, и, следовательно, конструкция является усложненной. Соответственно, схемная структура и конструкция является усложненной и очень невыгодной по затратам.
Когда все факторы учитываются, в любом из традиционных способов измерения фазы, включающих в себя обработку с помощью цифрового фильтра, шум полосы частот, отличных от частот трубки измерительных трубок 2 и 3, исключается, и, следовательно, переключение таблицы фильтров, изменение способа вычисления и изменение частоты дискретизации всегда должно соответствовать частотам трубки измерительных трубок 2 и 3. Соответственно, имеется проблема в том, что необходимо выполнять вычисление, которое является очень усложненным и имеет недостаточное быстродействие.
Таким образом, когда измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6, с большой вероятностью формируется ошибка в вычислениях при каждом изменении входных частот сигналов скорости вибрации, которые детектируются посредством правого датчика 8 скорости для детектирования скорости вибрации, сгенерированной на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, и левого датчика 7 скорости для детектирования скорости вибрации, сгенерированной на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, и, следовательно, имеется проблема в том, что точность измерений является очень низкой.
Краткое изложение существа изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в создании способа обработки сигналов, устройства обработки сигналов и кориолисова расходомера, в которых, даже когда температура измеряемой текучей среды изменяется, даже когда воздушные пузырьки подмешиваются в измеряемую текучую среду, или даже когда измеряемая текучая среда быстро переходит из газообразной в жидкую форму, измерение всегда может быть выполнено с постоянной точностью, реализовано измерение фазы с высокой производительностью фильтрации, и объем вычислительной обработки может быть уменьшен до очень небольшой величины.
Способ обработки сигналов, описанный в пункте 1, который предусмотрен для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является способом обработки сигналов для кориолисова расходомера, в котором, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок, которая включена в измерительную расходомерную трубку, управляется посредством устройства возбуждения с использованием вибратора для попеременного возбуждения, по меньшей мере, одной расходомерной трубки или пары расходомерных трубок, причем разность фаз и/или частота вибрации, пропорциональная кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, детектируется посредством пары датчиков скорости или пары датчиков ускорения на входе и выходе измеряемой текучей среды, которые являются датчиками детектирования вибрации, когда, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок вибрируют, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды,
при этом способ обработки сигналов характеризуется тем, что он включает в себя этапы, на которых:
измеряют частоту, на основе частоты входного сигнала, по меньшей мере, одного из датчиков детектирования вибрации, двух сигналов расхода, полученных посредством аналогово-цифрового преобразования для двух входных сигналов разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством пары датчиков скорости или пары датчиков ускорения;
передают управляющий сигнал на основе измеренной частоты;
выполняют составное преобразование частоты на основе передаваемого управляющего сигнала для каждого из двух сигналов расхода, полученных посредством аналогово-цифрового преобразования для входных сигналов разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством пары датчиков скорости или пары датчиков ускорения; и
измеряют фазы из суммарного сигнала или разностного сигнала каждой из управляемых преобразованных составных частот, чтобы тем самым получать составляющую сигнала разности фаз.
Способ обработки сигналов, описанный в пункте 2, который предусмотрен для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является способом обработки сигналов по п.1, который характеризуется тем, что управляют суммарным сигналом или разностным сигналом каждой из преобразованных составных частот, полученных посредством выполнения составного преобразования частоты на основе передаваемого управляющего сигнала, так, что суммарная составляющая или разностная составляющая комбинированной составной составляющей является постоянной.
Способ обработки сигналов, описанный в пункте 3, который предусмотрен для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является способом обработки сигналов по п.1 или 2, который характеризуется тем, что выполнение составного преобразования частоты на основе произвольной частоты колебаний включает в себя этапы, на которых:
умножают входной сигнал sinθ1 из одного из датчиков детектирования вибрации на передаваемый управляющий сигнал cosθ2; и
извлекают только низкочастотный сигнал из выходного сигнала, выводимого после умножения, через частотный фильтр.
Способ обработки сигналов, описанный в пункте 4, который предусмотрен для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является способом обработки сигналов по п.1 или 2, который характеризуется тем, что выполнение составного преобразования частоты на основе произвольной частоты колебаний включает в себя этапы, на которых:
умножают входной сигнал sinθ1 из одного из датчиков детектирования вибрации на передаваемый управляющий сигнал cosθ2; и
извлекают только высокочастотный сигнал из выходного сигнала, выводимого после умножения, через частотный фильтр.
Способ обработки сигналов, описанный в пункте 5, который предусмотрен для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является способом обработки сигналов по п.1 или 2, который характеризуется тем, что он включает в себя этапы, на которых:
входные сигналы разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством пары датчиков скорости или пары датчиков ускорения, дискретизируют посредством аналогово-цифрового преобразования, чтобы получать цифровые сигналы; и
каждым из преобразованных составных частотных сигналов, полученных посредством выполнения составного преобразования частоты на основе передаваемого управляющего сигнала, управляют так, что суммарная составляющая или разностная составляющая комбинированной составной составляющей равна 1/4 частоты дискретизации для аналогово-цифрового преобразования.
Устройство обработки сигналов, описанное в пункте 6, которое предусмотрено для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является устройством обработки сигналов для кориолисова расходомера, в котором, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок, которая включена в измерительную расходомерную трубку, управляется посредством устройства возбуждения с использованием вибратора для попеременного возбуждения, по меньшей мере, одной расходомерной трубки или пары расходомерных трубок, причем разность фаз и/или частота вибрации, пропорциональная кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, детектируется посредством датчика скорости или датчика ускорения, который является датчиком детектирования вибрации, когда, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок вибрируют, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды,
при этом устройство обработки сигналов характеризуется тем, что оно включает в себя
модуль измерения частоты для измерения частоты, на основе частоты входного сигнала, по меньшей мере, одного из датчиков детектирования вибрации, двух сигналов расхода, полученных посредством аналогово-цифрового преобразования для двух входных сигналов разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством датчика скорости или датчика ускорения;
передающее устройство для передачи и вывода требуемого частотного сигнала на основе частоты, измеренной посредством модуля измерения частоты;
модуль преобразования частоты для выполнения преобразования частоты, чтобы суммировать (или вычитать) выходную частоту передающего устройства с (или из) каждым из входных сигналов разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством датчика скорости или датчика ускорения; и
модуль измерения разности фаз для измерения разности фаз между частотными сигналами, которые детектируются посредством датчика скорости или датчика ускорения и получаются преобразованием посредством модуля преобразования частоты.
Устройство обработки сигналов, описанное в пункте 7, которое предусмотрено для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является устройством обработки сигналов для кориолисова расходомера, в котором, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок, которая включена в измерительную расходомерную трубку, управляется посредством устройства возбуждения с использованием вибратора для попеременного возбуждения, по меньшей мере, одной расходомерной трубки или пары расходомерных трубок, причем разность фаз и/или частота вибрации, пропорциональная кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, детектируется посредством датчиков скорости или датчиков ускорения, которые являются датчиками детектирования вибрации, когда, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок вибрируют, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды,
при этом устройство обработки сигналов характеризуется тем, что оно включает в себя
модуль измерения частоты для измерения частоты, на основе частоты входного сигнала, по меньшей мере, одного из датчиков детектирования вибрации, двух сигналов расхода, полученных посредством аналогово-цифрового преобразования для двух входных сигналов разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством датчиков детектирования вибрации;
передающее устройство для передачи и вывода требуемого частотного сигнала на основе частоты, измеренной посредством модуля измерения частоты;
первый модуль преобразования частоты для выполнения преобразования частоты, чтобы суммировать (или вычитать) выходную частоту, выводимую из передающего устройства, с (или из) частотой входного сигнала, полученной преобразованием сигнала одного датчика детектирования вибрации из пары датчиков детектирования вибрации в цифровой сигнал посредством первого аналого-цифрового преобразователя;
второй модуль преобразования частоты для выполнения преобразования частоты, чтобы суммировать (или вычитать) выходную частоту, выводимую из передающего устройства, с (или из) частотой входного сигнала, полученной преобразованием сигнала другого датчика детектирования вибрации из пары датчиков детектирования вибрации в цифровой сигнал посредством второго аналого-цифрового преобразователя; и
модуль измерения разности фаз для измерения разности фаз между первым частотным сигналом, преобразованным и выводимым из первого модуля преобразования частоты, и вторым частотным сигналом, преобразованным и выводимым из второго модуля преобразования частоты.
Устройство обработки сигналов, описанное в пункте 8, которое предусмотрено для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является устройством обработки сигналов для кориолисова расходомера, в котором, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок, которая включена в измерительную расходомерную трубку, управляется посредством устройства возбуждения с использованием вибратора для попеременного возбуждения, по меньшей мере, одной расходомерной трубки или пары расходомерных трубок, причем разность фаз и/или частота вибрации, пропорциональная кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, детектируется посредством пары датчиков скорости или пары датчиков ускорения, которые являются датчиками детектирования вибрации, когда, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок вибрируют, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды,
при этом устройство обработки сигналов характеризуется тем, что оно включает в себя
модуль измерения частоты для измерения частоты, на основе частоты входного сигнала, по меньшей мере, одного из датчиков детектирования вибрации, двух сигналов расхода, полученных посредством аналогово-цифрового преобразования для двух входных сигналов разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством датчиков детектирования вибрации;
передающее устройство для передачи и вывода требуемого частотного сигнала на основе частоты, измеренной посредством модуля измерения частоты;
первый модуль преобразования частоты для сдвига по частоте, к сигналу постоянной частоты, частоты входного сигнала, полученной преобразованием сигнала одного датчика скорости из пары датчиков детектирования вибрации в цифровой сигнал посредством первого аналого-цифрового преобразователя и выводимой из первого аналого-цифрового преобразователя, на основе выходной частоты, выводимой из передающего устройства, чтобы перемещать частоту входного сигнала в другую полосу частот;
второй модуль преобразования частоты для сдвига по частоте, к сигналу постоянной частоты, частоты входного сигнала, полученной преобразованием сигнала другого датчика скорости из пары датчиков детектирования вибрации в цифровой сигнал посредством второго аналого-цифрового преобразователя и выводимой из второго аналого-цифрового преобразователя, на основе выходной частоты, выводимой из передающего устройства, чтобы перемещать частоту входного сигнала в другую полосу частот; и
модуль измерения разности фаз для измерения разности фаз между первым частотным сигналом, полученным как сигнал постоянной частоты, который преобразуется и выводится из первого модуля преобразования частоты, и вторым частотным сигналом, полученным как сигнал постоянной частоты, который преобразуется и выводится из второго модуля преобразования частоты.
Устройство обработки сигналов, описанное в пункте 9, которое предусмотрено для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является устройством обработки сигналов по п.5, 6 или 7, которое характеризуется тем, что модуль преобразования частоты включает в себя:
умножитель для умножения опорного сигнала cosθ2 из передающего устройства на входной сигнал sinθ1 из первого аналого-цифрового преобразователя; и
фильтр нижних частот для фильтрации выходного сигнала, полученного умножением посредством умножителя и выводимого из него, через частотный фильтр, чтобы извлекать только низкочастотный сигнал.
Устройство обработки сигналов, описанное в пункте 10, которое предусмотрено для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является устройством обработки сигналов по п.6, 7 или 8, которое характеризуется тем, что модуль преобразования частоты включает в себя:
умножитель для умножения опорного сигнала cosθ2 из передающего устройства на входной сигнал sinθ1 из первого аналого-цифрового преобразователя; и
фильтр верхних частот для фильтрации выходного сигнала, полученного умножением посредством умножителя и выводимого из него, через частотный фильтр, чтобы извлекать только высокочастотный сигнал.
Устройство обработки сигналов, описанное в пункте 11, которое предусмотрено для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является устройством обработки сигналов по п.8, 9 или 10, которое характеризуется тем, что:
модуль измерения частоты включает в себя:
умножитель, соединенный с первым аналого-цифровым преобразователем;
фильтр нижних частот, соединенный с умножителем; и
передающее устройство для измерения частоты, которое соединяется с фильтром нижних частот и вводит выходной сигнал из фильтра нижних частот; при этом
умножитель выполнен с возможностью сравнения фазы сигнала sinθ датчика, полученного преобразованием сигнала одного из пары датчиков детектирования вибрации в цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя, с фазой выходного сигнала cosδ, выводимого из передающего устройства для измерения частоты, и выводит разностный сигнал и суммарный сигнал в следующий фильтр нижних частот;
фильтр нижних частот является схемой для фильтрации выходного сигнала, выводимого из умножителя, через частотный фильтр, чтобы извлекать только низкочастотный сигнал; и
фазовая величина V формы волны выходного сигнала основного типа формируется на основе низкочастотного сигнала, выводимого из фильтра нижних частот, и всегда удовлетворяет условию V=0, посредством передающего устройства для измерения частоты.
Устройство обработки сигналов, описанное в пункте 12, которое предусмотрено для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является устройством обработки сигналов по п.8, 9, 10 или 11, которое характеризуется дополнительным включением задающего генератора для синхронизации выходного сигнала первого аналого-цифрового преобразователя и выходного сигнала второго аналого-цифрового преобразователя, чтобы синхронизировать цифровой сигнал одного из пары датчиков детектирования вибрации, который выводится из первого аналого-цифрового преобразователя, и цифровой сигнал другого из пары датчиков детектирования вибрации, который выводится из второго аналого-цифрового преобразователя.
Устройство обработки сигналов, описанное в пункте 13, которое предусмотрено для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является устройством обработки сигналов по п.8, 9, 10, 11 или 12, в котором модуль измерения фазы выполняет обработку дискретного преобразования Фурье (DFT) или быстрого преобразования Фурье (FFT).
Кориолисов расходомер, описанный в пункте 14, который предусмотрен для того, чтобы разрешать вышеуказанные проблемы, является кориолисовым расходомером, в котором, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок, которая включена в измерительную расходомерную трубку, управляется посредством устройства возбуждения с использованием вибратора для попеременного возбуждения, по меньшей мере, одной расходомерной трубки или пары расходомерных трубок, причем разность фаз и/или частота вибрации, пропорциональная кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, детектируется посредством датчиков скорости или датчиков ускорения, которые являются датчиками детектирования вибрации, когда, по меньшей мере, одна расходомерная трубка или пара расходомерных трубок вибрируют, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды,
при этом кориолисов расходомер характеризуется тем, что содержит устройство обработки сигналов, включающее в себя:
модуль измерения частоты для измерения частоты, на основе частоты входного сигнала, по меньшей мере, одного из датчиков детектирования вибрации, двух сигналов расхода, полученных посредством аналогово-цифрового преобразования для двух входных сигналов разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей, по меньшей мере, на одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством датчиков детектирования вибрации;
передающее устройство для передачи и вывода требуемого частотного сигнала на основе частоты, измеренной посредством модуля измерения частоты;
первый модуль преобразования частоты для сдвига по частоте, к сигналу постоянной частоты, частоты входного сигнала, полученной преобразованием сигнала одного датчика скорости из пары датчиков детектирования вибрации в цифровой сигнал посредством первого аналого-цифрового преобразователя и выводимой из первого аналого-цифрового преобразователя, на основе выходной частоты, выводимой из передающего устройства, чтобы перемещать частоту входного сигнала в другую полосу частот;
второй модуль преобразования частоты для сдвига по частоте, к сигналу постоянной частоты, частоты входного сигнала, полученной преобразованием сигнала другого датчика скорости из пары датчиков детектирования вибрации в цифровой сигнал посредством второго аналого-цифрового преобразователя и выводимой из второго аналого-цифрового преобразователя, на основе выходной частоты, выводимой из передающего устройства, чтобы перемещать частоту входного сигнала в другую полосу частот; и
модуль измерения разности фаз для измерения разности фаз между первым частотным сигналом, полученным преобразованием как сигнал постоянной частоты, который выводится из первого модуля преобразования частоты, и вторым частотным сигналом, полученным преобразованием как сигнал постоянной частоты, который выводится из второго модуля преобразования частоты,
причем устройство обработки сигналов предоставляет разность фаз между первым частотным сигналом, полученным преобразованием как сигнал постоянной частоты, который выводится из первого модуля преобразования частоты, и вторым частотным сигналом, полученным преобразованием как сигнал постоянной частоты, который выводится из второго модуля преобразования частоты.
Измерительная трубка кориолисова расходомера имеет различные формы. Например, предусмотрена изогнутая трубка и прямая трубка. Предусмотрен тип, возбуждаемый в любом из различных режимов, в том числе в первичном режиме и вторичном режиме, в качестве режима для возбуждения измерительной трубки.
Хорошо известно, что полоса частот возбуждения, полученная из измерительной трубки, составляет от нескольких десятков Гц до нескольких кГц. Например, когда измерительная трубка с применением U-образной трубки вибрирует в первичном режиме, частота составляет приблизительно 100 Гц. Когда измерительная трубка, имеющая прямую форму, вибрирует в первичном режиме, реализуется приблизительно 500-1000 Гц.
Тем не менее, очень трудно выполнять измерение фазы кориолисова расходомера всегда посредством идентичной обработки в полосе частот от нескольких десятков Гц до нескольких кГц в одном преобразователе расходомера. Следовательно, необходимо отдельно проектировать несколько типов.
Согласно способу обработки сигналов в настоящем изобретении, существенные проблемы, как описано выше, могут исключаться посредством преимущественной обработки сигналов на основе алгоритма идентификации. Даже в случае изменения температуры измеряемой текучей среды, подмешивания воздушных пузырьков или быстрого перехода измеряемой текучей среды, из газообразной в жидкую форму, измерение всегда может выполняться с постоянной точностью. Измерение фазы с высокой производительностью фильтрации является преимущественным, и, следовательно, может быть обеспечена высокая эффективность.
Согласно устройству обработки сигналов в настоящем изобретении, даже когда температура измеряемой текучей среды изменяется, даже когда воздушные пузырьки подмешиваются в измеряемую текучую среду, или даже когда измеряемая текучая среда быстро переходит из газообразной в жидкую форму, измерение всегда может выполняться с постоянной точностью, и измерение фазы с высокой производительностью фильтрации может быть реализовано при небольшом объеме вычислительной обработки.
Согласно кориолисову расходомеру в настоящем изобретении, даже когда температура измеряемой текучей среды изменяется, даже когда воздушные пузырьки подмешиваются в измеряемую текучую среду, или даже когда измеряемая текучая среда быстро переходит из газообразной в жидкую форму, измерение всегда может выполняться с постоянной точностью, и измерение фазы с высокой производительностью фильтрации может быть реализовано при небольшом объеме вычислительной обработки.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает структурную схему, иллюстрирующую принцип устройства обработки сигналов согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 изображает структурную схему, иллюстрирующую конкретную структуру устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.1;
Фиг.3 изображает структурную схему, иллюстрирующую конкретную структуру устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.2, с применением способа управления с обратной связью;
Фиг.4 изображает диаграмму, иллюстрирующую выходной сигнал из LPF, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.5 изображает диаграмму, иллюстрирующую выходной сигнал из аналого-цифрового преобразователя, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.6 изображает диаграмму, иллюстрирующую выходной сигнал из передающего устройства, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.7 изображает диаграмму, иллюстрирующую выходной сигнал в умножителе модуля преобразования частоты, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.8 изображает диаграмму, иллюстрирующую выходной сигнал из модуля преобразования частоты, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.9 изображает временные диаграммы для конкретной структуры устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.10 изображает блок-схему последовательности операций способа для конкретной структуры устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.11 изображает структурную схему, иллюстрирующую модуль преобразования частоты устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.12 изображает структурную схему, иллюстрирующую модуль измерения частоты устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3;
Фиг.13 изображает структурную схему, иллюстрирующую общий кориолисов расходомер, к которому применяется настоящее изобретение;
Фиг.14 изображает структурную схему, иллюстрирующую преобразователь на основе кориолисова расходомера, проиллюстрированного на фиг.13;
Фиг.15 изображает блок-схему, иллюстрирующую этапы способа измерения фазы с использованием преобразования Фурье для преобразователя на основе кориолисова расходомера, проиллюстрированного на фиг.14;
Фиг.16 изображает блок-схему, иллюстрирующую этапы способа измерения фазы с использованием режекторных фильтров для преобразователя на основе кориолисова расходомера, проиллюстрированного на фиг.14;
Фиг.17 изображает блок-схему, иллюстрирующую этапы способа измерения фазы с использованием полосовых фильтров для преобразователя на основе кориолисова расходомера, проиллюстрированного на фиг.14.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить возможность всегда выполнять измерение с постоянной точностью, реализовывать измерение фазы с высокой производительностью фильтрации и обеспечить возможность уменьшения объема вычислительной обработки до очень небольшой величины. Данная задача может быть реализована, даже когда температура измеряемой текучей среды изменяется, даже когда воздушные пузырьки подмешиваются в измеряемую текучую среду или даже когда измеряемая текучая среда быстро переходит из газообразной в жидкую форму.
Первый вариант осуществления
В дальнейшем в этом документе описан вариант осуществления 1 режима для осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показана структурная схема, иллюстрирующая принцип способа и устройства обработки сигналов согласно настоящему изобретению. На фиг.2 показана подробная структурная схема, иллюстрирующая структуру устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.1.
На фиг.1 показан принцип способа и устройства обработки сигналов согласно настоящему изобретению.
На фиг.1, когда измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора (например, электромагнитного осциллятора) 6, скорости вибрации, сформированные в измерительных трубках 2 и 3, детектируются посредством датчика 70 детектирования вибрации (например, датчика скорости или датчика ускорения). Детектированные скорости вибрации вычисляются и обрабатываются посредством вычислительного устройства 80 сигналов скорости вибрации. Датчик 70 детектирования вибрации соответствует левому датчику 7 скорости и правому датчику 8 скорости по фиг.13.
Вычислительное устройство 80 сигналов скорости вибрации включает в себя модуль 85 преобразования частоты, передающее устройство 90 и модуль 95 измерения разности фаз.
Модуль 85 преобразования частоты выполняет преобразование частоты для скоростей вибрации, которые формируются в измерительных трубках 2 и 3 и детектируются посредством датчика 70 детектирования вибрации, когда измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6. Сигнал из передающего устройства 90 вводится в модуль 85 преобразования частоты.
Затем, сигналы, полученные преобразованием частоты посредством модуля 85 преобразования частоты, вводятся в модуль 95 измерения разности фаз, предусмотренный на следующей ступени модуля 85 преобразования частоты. Модуль 95 измерения разности фаз выполняет аналогово-цифровое преобразование для соответствующих правых и левых сигналов скорости, детектируемых посредством датчика 70 детектирования вибрации (левого датчика 7 скорости и правого датчика 8 скорости), чтобы тем самым выполнять обработку цифрового преобразования, и затем получает разность фаз между двумя сигналами скорости.
В способе и устройстве обработки сигналов, проиллюстрированных на фиг.1, входные сигналы подвергаются преобразованию частоты для управления частотами после преобразования частоты к постоянным значениям, и измерение фазы выполняется после преобразования частоты. Следовательно, реализуется устройство обработки с помощью фильтра, обеспечивающее выполнение высокоскоростного, постоянного и высокоточного измерения фазы, даже когда частоты входных сигналов изменяются.
Таким образом, в способе и устройстве 80 обработки сигналов, как проиллюстрировано на фиг.1, входные частоты FIN сигналов, выводимых из датчика 70 детектирования вибрации, и выходная частота FX передающего устройства 90 перемножаются посредством модуля 85 преобразования частоты, чтобы суммировать (или вычитать) разности фаз обоих сигналов, и передающее устройство 90 выполнено с возможностью управления, так, что частоты после преобразования частоты являются постоянными, чтобы управлять частотами, вводимыми в модуль 95 измерения фазы, к постоянному значению, чтобы тем самым выполнять измерение фазы на основе сигналов после преобразования частоты.
Когда используется такая структура, могут быть реализованы постоянные, практически безошибочные и высокоскоростные вычисления без предоставления большого числа фильтров, соответствующих входным частотам, и выполнения какой-либо усложненной обработки, к примеру, изменения способа вычисления.
(выражение 1)
Fc=FX+FIN (или Fc=FX-FIN)
(1)
На фиг.2 показана структура устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.1.
На фиг.2 левый измерительный датчик (LPO) 7 (соответствующий левому датчику 7 скорости) соединяется с фильтром 30 нижних частот. Таким образом, в ходе вибрации с помощью вибратора (например, электромагнитного осциллятора) 6, когда сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на выходной стороне), который формируется на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, детектируется посредством датчика скорости (датчика детектирования вибрации) 7, расположенного на выходе измеряемой текучей среды, сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на выходной стороне) вводится в фильтр 30 нижних частот.
Фильтр 30 нижних частот является схемой для извлечения, через частотный фильтр, только низкочастотного левого сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне) из левого сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне), выводимого из левого датчика 7 скорости, детектирующего скорость вибрации, сформированную на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6.
Фильтр 30 нижних частот соединяется с аналого-цифровым преобразователем 31. Аналого-цифровой преобразователь 31 преобразует левый сигнал скорости (сигнал скорости на выходной стороне), который является аналоговым сигналом, выводимым из фильтра 30 нижних частот, в цифровой сигнал. Левый сигнал скорости (сигнал скорости на выходной стороне), полученный как цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя 31, вводится в устройство 100 обработки сигналов.
Дополнительно, устройство 100 обработки сигналов соединяется с аналого-цифровым преобразователем 31. Устройство 100 обработки сигналов преобразует по частоте входной сигнал (сигнал скорости на выходной стороне) в требуемую частоту, обрабатываемую посредством модуля измерения фазы, расположенного на следующей ступени, и выполняет измерение фазы после преобразования частоты, чтобы сдвигать полосу входных частот и реализовывать стабильное измерение фазы.
С другой стороны, правый измерительный датчик (RPO) 8 (соответствующий правому датчику 8 скорости) соединяется с фильтром 34 нижних частот. Таким образом, во время вибрации с использованием вибратора (например, электромагнитного осциллятора) 6, когда сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на входной стороне), который формируется на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, детектируется посредством датчика 8 скорости (датчика детектирования вибрации), расположенного на входе измеряемой текучей среды, сигнал детектирования скорости вибрации (сигнал скорости на входной стороне) вводится в фильтр 34 нижних частот.
Фильтр 34 нижних частот является схемой для извлечения, через частотный фильтр, только низкочастотного правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне) из правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне), выводимого из правого датчика 8 скорости, детектирующего скорость вибрации, сформированную на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6.
Фильтр 34 нижних частот соединяется с аналого-цифровым преобразователем 35. Аналого-цифровой преобразователь 35 преобразует правый сигнал скорости (сигнал скорости на входной стороне), который является аналоговым сигналом, выводимым из фильтра 34 нижних частот, в цифровой сигнал. Дополнительно, устройство 100 обработки сигналов соединяется с аналого-цифровым преобразователем 35. Устройство 100 обработки сигналов преобразует по частоте входной сигнал (сигнал скорости на входной стороне) в требуемую частоту, обрабатываемую посредством модуля измерения фазы, расположенного на следующей ступени, и выполняет измерение фазы после преобразования частоты, чтобы сдвигать полосу входных частот и реализовывать стабильное измерение фазы.
Аналого-цифровой преобразователь 31 соединяется с модулем 110 преобразования частоты. Модуль 110 преобразования частоты преобразует по частоте цифровой сигнал левого сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне), выводимого из аналого-цифрового преобразователя 31 и затем вводимого в него, в требуемую частоту, обрабатываемую посредством модуля измерения фазы, расположенного на следующей ступени.
Дополнительно, аналого-цифровой преобразователь 35 соединяется с модулем 140 преобразования частоты. Модуль 140 преобразования частоты преобразует по частоте цифровой сигнал правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне), выводимого из аналого-цифрового преобразователя 35 и затем вводимого в него, в требуемую частоту способом, идентичным описанному выше.
Дополнительно, сигнал из передающего устройства 120 вводится в модуль 110 преобразования частоты. Когда сигнал, выводимый из передающего устройства 120, вводится в модуль 110 преобразования частоты, модуль 110 преобразования частоты преобразует по частоте входной сигнал (сигнал скорости на выходной стороне), вводимый из левого измерительного датчика (LPO) 7, на основе сигнала, выводимого из передающего устройства 120.
Сигнал, полученный преобразованием частоты посредством модуля 110 преобразования частоты, преобразуется в требуемый частотный сигнал на основе выходного сигнала из передающего устройства 120.
Дополнительно, сигнал из передающего устройства 120 также вводится в модуль 140 преобразования частоты. Когда сигнал, выводимый из передающего устройства 120, вводится в модуль 140 преобразования частоты, модуль 140 преобразования частоты преобразует по частоте входной сигнал (сигнал скорости на входной стороне), вводимый из правого измерительного датчика (RPO) 8, на основе сигнала, выводимого из передающего устройства 120.
Сигнал, полученный преобразованием частоты посредством модуля 140 преобразования частоты, преобразуется в требуемый частотный сигнал на основе выходного сигнала из передающего устройства 120.
Когда передающее устройство 120 управляется так, как описано выше, аналогично случаю модуля 110 преобразования частоты, также в модуле 140 преобразования частоты, частота, полученная после выполнения преобразования частоты правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне), вводимого из аналого-цифрового преобразователя 35, управляется к требуемой частоте, которая должна обрабатываться посредством модуля 130 измерения разности фаз, расположенного на следующей ступени, на основе выходной частоты, выводимой из передающего устройства 120.
Левый сигнал скорости (сигнал скорости на выходной стороне), который выводится из аналого-цифрового преобразователя 31 и вводится в модуль 110 преобразования частоты, одновременно преобразуется по частоте и вводится в модуль 130 измерения разности фаз, чтобы выполнять измерение разности фаз.
Когда используется такая структура, согласно этому варианту осуществления, входные частоты (левый сигнал скорости и правый сигнал скорости) одновременно преобразуются в требуемые полосы частот. Следовательно, даже когда входные частоты (левый сигнал скорости и правый сигнал скорости) изменяются, частота обработки измерения фазы всегда задается равной постоянному значению, чтобы значительно сокращать число таблиц фильтров. Помимо этого, обработка измерения фазы может выполняться более эффективно.
Согласно преимуществу настоящего изобретения, могут быть реализованы постоянные, практически безошибочные и высокоскоростные вычисления без предоставления большого числа фильтров, соответствующих входным частотам, и выполнения какой-либо усложненной обработки, к примеру, изменения способа вычисления. Разумеется, обработка модуля измерения фазы может быть реализована даже с использованием дискретного преобразования Фурье (DFT) или быстрого преобразования Фурье (FFT).
Синхросигнал вводится из задающего генератора 150 в аналого-цифровой преобразователь 31 и аналого-цифровой преобразователь 35. Задающий генератор 150 синхронизирует цифровой сигнал левого сигнала скорости, выводимого из аналого-цифрового преобразователя 31, и цифровой сигнал правого сигнала скорости, выводимого из аналого-цифрового преобразователя 35, чтобы реализовывать одновременную дискретизацию.
Модуль 110 преобразования частоты, передающее устройство 120, модуль 130 измерения разности фаз, модуль 140 преобразования частоты и задающий генератор 150 включены в устройство 100 обработки сигналов.
Соответствующие входные сигналы (левый сигнал скорости и правый сигнал скорости), которые являются цифровыми сигналами, полученными преобразованием посредством аналого-цифровых преобразователей 31 и 35, как описано выше, подвергаются преобразованию частоты посредством модулей 110 и 140 преобразования частоты на основе выходного сигнала из передающего устройства 120.
Далее описан конкретный способ вычисления для вычисления измерения разности фаз в устройстве 100 обработки сигналов, проиллюстрированном на фиг.2.
Когда измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6 кориолисова расходомера 1, выходные сигналы (левый сигнал скорости и правый сигнал скорости) из датчика 70 детектирования вибрации (левого измерительного датчика 7 и правого измерительного датчика 8), предусмотренного в измерительных трубках 2 и 3, получаются как входные сигналы LPO (левый измерительный датчик 7) и RPO (правый измерительный датчик 8), как проиллюстрировано на фиг.2.
В этом случае, входные сигналы LPO и RPO заданы следующим образом (δφ - это разность фаз между LPO и RPO).
(выражение 2)
Правый измерительный датчик: sin(θ)
(2)
(выражение 3)
Левый измерительный датчик: sin(θ+δφ)
(3)
Выходные сигналы (левый сигнал LPO скорости и правый сигнал RPO скорости) из этих двух датчиков детектирования вибрации (левого измерительного датчика 7 и правого измерительного датчика 8) преобразуются из аналоговых сигналов в цифровые сигналы посредством аналого-цифровых преобразователей 31 и 35 через фильтры 30 и 34 нижних частот, предусмотренные в преобразователе кориолисова расходомера 1, соответственно, и затем передаются в устройство 100 обработки сигналов.
Как описано выше, устройство 100 обработки сигналов разделяется на четыре блока, включающие в себя модуль 110 преобразования частоты, передающее устройство 120, модуль 130 измерения разности фаз и модуль 140 преобразования частоты. Разность фаз между выходным сигналом LPO из левого измерительного датчика 7 и выходным сигналом RPO из правого измерительного датчика 8 вычисляется и, затем, преобразуется в сигнал расхода на основе частот, выводимых из датчиков скорости вибрации, и температурных данных, детектируемых посредством температурного датчика 9.
Следует отметить, что измерение температуры не раскрыто на чертеже.
Частота преобразования, выводимая из модуля 110 преобразования частоты, получается суммированием (или вычитанием) выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120, с (или из) частотой θ входного сигнала, выводимой в случае, когда левый сигнал скорости (сигнал скорости на выходной стороне), который детектируется посредством левого измерительного датчика 7 (левого датчика скорости) и извлекается как низкочастотный сигнал посредством фильтра 30 нижних частот, преобразуется в цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя 31.
Как описано выше, относительно частоты входного сигнала, которая выводится из модуля 110 преобразования частоты и вводится в модуль 130 измерения фазы, частота θ входного сигнала, которая является низкочастотным левым сигналом скорости (сигналом скорости на выходной стороне) цифрового сигнала, выводимого из аналого-цифрового преобразователя 31, сдвигается по частоте к другой полосе частот на основе выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120, в модуле 110 преобразования частоты.
Следовательно, сигнал, который сдвигается по частоте и выводится посредством модуля 110 преобразования частоты, и сигнал, который сдвигается по частоте и выводится посредством модуля 140 преобразования частоты, имеющие идентичную обработку, подвергаются вычислению фазы посредством модуля 130 измерения фазы.
Значение (θ+θXn) измерения частоты, выводимое из модуля 110 преобразования частоты, управляется так, чтобы, в конечном счете, стать заданным значением θC частоты измерения фазы, которое задается произвольно.
(выражение 4)
θC=θ+θXn
(4)
Когда передающее устройство 120 управляется так, что значение (θ+θXn) измерения частоты, вводимое в модуль 130 измерения фазы, всегда становится постоянной частотой θC, как описано выше, может быть достигнута высокоскоростная обработка следующего измерения фазы.
Способ управления частотой согласно настоящему изобретению включает в себя способ для регулирования частоты передающего устройства 120 так, что выходные частоты модулей (110 и 140) преобразования частоты становятся равными θC в условии выражения (4), т.е. является способом управления с прямой связью.
В дальнейшем в этом документе описаны способ обработки сигналов и устройство обработки сигналов согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 показана схема устройства обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.2, с применением способа управления с прямой связью.
Устройство 100 обработки сигналов, проиллюстрированное на фиг.3, выполняет требуемое преобразование частоты для входных сигналов (сигналов скорости на входной и выходной стороне) и выполняет измерение фазы после преобразования частоты, и, следовательно, может быть достигнуто стабильное измерение фазы без учета полос входных частот.
На фиг.3 аналого-цифровой преобразователь 31 соединяется с модулем 160 измерения частоты. Модуль 160 измерения частоты измеряет частоту θ входного сигнала (частоту θ измерений), которая является цифровым сигналом, который получается преобразованием посредством аналого-цифрового преобразователя 31 и выводится из него.
Дополнительно, аналого-цифровой преобразователь 35 соединяется с модулем 140 преобразования частоты. Модуль 140 преобразования частоты выполняет преобразование частоты для цифрового сигнала правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне), выводимого из аналого-цифрового преобразователя 35 и затем вводимого в него.
Модуль 160 измерения частоты соединяется с передающим устройством 120. Передающее устройство 120 имеет частоту θC передачи, которая задается произвольно. Частота θC передачи является заданным значением частоты измерения фазы. В передающем устройстве 120, заданное значение θC частоты измерения фазы сравнивается с частотой θ измерений, и выводится частота θXn, соответствующая разности.
(выражение 5)
θXn=θC-θ (или θXn=θC+θ)
(5)
Таким образом, cos(θXn) выводится из передающего устройства 120.
Значение θ измерения частоты, измеряемое посредством модуля 160 измерения частоты, выводится в передающее устройство 120. Когда частота θ сигнала, измеряемая посредством модуля 160 измерения частоты, вводится в передающее устройство 120, заранее детектированный частотный сигнал θXn передается на основе выражения (5) и выводится из передающего устройства 120 в модуль 110 преобразования частоты и модуль 140 преобразования частоты.
Аналогично, частота преобразования, выводимая из модуля 110 преобразования частоты, получается суммированием (или вычитанием) выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120, с (или из) частотой θ входного сигнала, выводимой в случае, когда левый сигнал скорости (сигнал скорости на выходной стороне), который детектируется посредством левого измерительного датчика 7 (левого датчика скорости) и извлекается как низкочастотный сигнал посредством фильтра 30 нижних частот, преобразуется в цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя 31.
Дополнительно, частота преобразования, выводимая из модуля 140 преобразования частоты, получается суммированием (или вычитанием) выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120, с (или из) частотой (θ+δφ) входного сигнала, выводимой в случае, когда правый сигнал скорости (сигнал скорости на входной стороне), который детектируется посредством правого измерительного датчика 8 (правого датчика скорости) и извлекается как низкочастотный сигнал посредством фильтра 34 нижних частот, преобразуется в цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя 35.
Как описано выше, относительно частоты входного сигнала, которая выводится из модуля 140 преобразования частоты и вводится в модуль 130 измерения фазы, частота (θ+δφ) входного сигнала, которая является низкочастотным правым сигналом скорости (сигналом скорости на входной стороне) цифрового сигнала, выводимого из аналого-цифрового преобразователя 35, сдвигается по частоте к другой полосе частот на основе выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120, в модуле 140 преобразования частоты.
Как описано выше, передающее устройство 120 соединяется с модулем 110 преобразования частоты и модулем 140 преобразования частоты. Частотный сигнал θXn, выводимый из передающего устройства 120, вводится в модуль 110 преобразования частоты и модуль 140 преобразования частоты.
Когда частотный сигнал θXn, выводимый из передающего устройства 120, вводится в модуль 110 преобразования частоты и модуль 140 преобразования частоты, выходная частота θC каждого из модуля 110 преобразования частоты и модуля 140 преобразования частоты выражается следующим образом:
(выражение 6)
θXn+θ=θC
(6)
Следовательно, когда частотный сигнал θXn, выводимый из передающего устройства 120, вводится в модуль 110 преобразования частоты, модуль 110 преобразования частоты выводит сигнал, выражаемый следующим образом:
(выражение 7)
<img file="00000001.tif" he="17" wi="34" img-content="undefined" img-format="tif" />
(7)
Дополнительно, когда частотный сигнал θXn, выводимый из передающего устройства 120, вводится в модуль 140 преобразования частоты, модуль 140 преобразования частоты выводит сигнал, выражаемый следующим образом:
(выражение 8)
<img file="00000002.tif" he="15" wi="47" img-content="undefined" img-format="tif" />
(8)
Дополнительно, модуль 110 преобразования частоты сконфигурирован так, что сигнал из передающего устройства 120 вводится в него. Когда сигнал, выводимый из передающего устройства 120, вводится в модуль 110 преобразования частоты, модуль 110 преобразования частоты выполняет преобразование частоты для входного сигнала (сигнала скорости на выходной стороне), вводимого из левого измерительного датчика 7, на основе сигнала, выводимого из передающего устройства 120.
Сигнал, полученный преобразованием частоты посредством модуля 110 преобразования частоты, преобразуется в сигнал постоянной частоты на основе выходного сигнала из передающего устройства 120.
Дополнительно, модуль 140 преобразования частоты также сконфигурирован так, что сигнал из передающего устройства 120 вводится в него. Когда сигнал, выводимый из передающего устройства 120, вводится в модуль 140 преобразования частоты, модуль 140 преобразования частоты выполняет преобразование частоты для входного сигнала (сигнала скорости на входной стороне), вводимого из правого измерительного датчика 8, на основе сигнала, выводимого из передающего устройства 120.
Сигнал, полученный преобразованием частоты посредством модуля 140 преобразования частоты, преобразуется в сигнал постоянной частоты на основе выходного сигнала из передающего устройства 120.
Когда управление осуществляется посредством модулируемого передающего устройства 120, как описано выше, аналогично случаю модуля 110 преобразования частоты, модуль 140 преобразования частоты также выполняет преобразование частоты на основе выходной частоты, выводимой из передающего устройства 120.
Частота преобразования, выводимая из модуля 140 преобразования частоты, получается суммированием (или вычитанием) выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120, с (или из) частотой (θ+δφ) входного сигнала, выводимой в случае, когда правый сигнал скорости (сигнал скорости на входной стороне), который детектируется посредством правого измерительного датчика 8 (правого датчика скорости) и извлекается как низкочастотный сигнал посредством фильтра 34 нижних частот, преобразуется в цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя 35.
Как описано выше, относительно частоты входного сигнала, которая выводится из модуля 140 преобразования частоты и вводится в модуль 130 измерения фазы, частота (θ+δφ) входного сигнала, которая является низкочастотным правым сигналом скорости (сигналом скорости на входной стороне) цифрового сигнала, выводимого из аналого-цифрового преобразователя 35, сдвигается по частоте к другой полосе частот на основе выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120, в модуле 140 преобразования частоты.
Когда передающее устройство 120 управляется так, как описано выше, аналогично случаю модуля 110 преобразования частоты, также в модуле 140 преобразования частоты преобразование частоты выполняется на основе выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120.
Модулируемое передающее устройство 120 управляется по частоте с использованием очень простого вычислительного выражения, как описано выше.
Дополнительно, модуль 110 преобразования частоты соединяется с модулем 130 измерения разности фаз. Дополнительно, модуль 140 преобразования частоты соединяется с модулем 130 измерения разности фаз.
В модуле 130 измерения разности фаз, каждая из частоты θ левого сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне), который выводится из аналого-цифрового преобразователя 31 и вводится в модуль 110 преобразования частоты, и частоты (θ+δφ) правого сигнала скорости (сигнала скорости на входной стороне), который выводится из аналого-цифрового преобразователя 35 и вводится в модуль 140 преобразования частоты, преобразуется в одну постоянную требуемую частоту, для выполнения измерения разности фаз.
Когда используется такая структура, согласно этому варианту осуществления, входные частоты (левый сигнал скорости и правый сигнал скорости) преобразуются в требуемые полосы частот. Следовательно, полосы входных частот (левый сигнал скорости и правый сигнал скорости) сдвигаются, и число таблиц фильтров значительно сокращается. Помимо этого, обработка измерения фазы может выполняться более эффективно.
Согласно преимуществу настоящего изобретения, могут быть реализованы постоянные, практически безошибочные и высокоскоростные вычисления без предоставления большого числа фильтров, соответствующих входным частотам, и выполнения какой-либо усложненной обработки, к примеру, изменения способа вычисления. Разумеется, обработка модуля измерения фазы может быть реализована даже с использованием дискретного преобразования Фурье (DFT) или быстрого преобразования Фурье (FFT).
Синхросигнал вводится из задающего генератора 150 в аналого-цифровой преобразователь 31 и аналого-цифровой преобразователь 35. Задающий генератор 150 синхронизирует выводы аналого-цифрового преобразователя 31 и аналого-цифрового преобразователя 35 и, тем самым, имеет важную функцию для исключения ошибки дискретизации между цифровым сигналом левого сигнала скорости, выводимого из аналого-цифрового преобразователя 31, и цифровым сигналом правого сигнала скорости, выводимого из аналого-цифрового преобразователя 35.
Соответствующие входные сигналы (левый сигнал скорости и правый сигнал скорости), которые являются цифровыми сигналами, полученными преобразованием посредством аналого-цифровых преобразователей 31 и 35, как описано выше, подвергаются преобразованию частоты посредством модулей 110 и 140 преобразования частоты на основе выходного сигнала из передающего устройства 120.
В фильтре 30 нижних частот, проиллюстрированном на фиг.3, когда исключается гармонический шум для исключения влияния наложения спектров при аналогово-цифровом преобразовании, выводится синусоидальный сигнал (sinθ), как проиллюстрировано на фиг.4.
Синусоидальный сигнал (sinθ), выводимый из фильтра 30 нижних частот, как проиллюстрировано на фиг.4, дискретизируется для преобразования цифровых сигналов с произвольным постоянным интервалом посредством аналого-цифрового преобразователя 31, для получения сигнала (sinθ) дискретизации, как проиллюстрировано на фиг.5, и затем выводится из аналого-цифрового преобразователя 31.
Сигнал (sinθ), как проиллюстрировано на фиг.5, который выводится из фильтра 30 нижних частот и дискретизируется для преобразования цифровых сигналов посредством аналого-цифрового преобразователя 31, вводится в модуль 110 преобразования частоты устройства 100 обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3. Дополнительно, выходной сигнал передающего устройства, выводимый из передающего устройства 120, также вводится в модуль 110 преобразования частоты.
Когда частота θ сигнала, измеряемая посредством модуля 160 измерения частоты, вводится в передающее устройство 120, частотный сигнал θXn передачи передается на требуемой частоте посредством передающего устройства 120 на основе выражения (5), и косинусоидальный сигнал (cosθXn), как проиллюстрировано на фиг.6, выводится на выходной скорости передачи, идентичной интервалу дискретизации входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе 31.
Когда выходной сигнал (cosθXn) из передающего устройства 120 вводится в модуль 110 преобразования частоты, в модуле 110 преобразования частоты сигнал (sinθ), как проиллюстрировано на фиг.5, который дискретизируется для преобразования цифровых сигналов посредством аналого-цифрового преобразователя 31, умножается на выходной сигнал (cosθXn), выводимый из передающего устройства 120, как проиллюстрировано на фиг.6 (sinθ·cosθXn), посредством умножителя, предусмотренного в модуле 110 преобразования частоты, для получения сигнала (sinθ·cosθXn), как проиллюстрировано на фиг.7.
Сигнал (sinθ·cosθXn), как проиллюстрировано на фиг.7, который получается умножением (sinθ·cosθXn) посредством умножителя, предусмотренного в модуле 110 преобразования частоты, проходит через фильтр верхних частот (HPF), предусмотренный в модуле 110 преобразования частоты, чтобы исключать низкочастотную составляющую, для получения сигнала (sinθC), как проиллюстрировано на фиг.8. Сигнал (sinθC), как проиллюстрировано на фиг.8, выводится из модуля 110 преобразования частоты и вводится в модуль 130 измерения разности фаз.
Разность фаз между выходными сигналами (левым сигналом скорости и правым сигналом скорости) из датчика 70 скорости вибрации (левого измерительного датчика 7 и правого измерительного датчика 8), предусмотренного в измерительных трубках 2 и 3, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6 кориолисова расходомера 1, вычисляется посредством четырех блоков, включающих в себя модули 110 и 140 преобразования частоты, передающее устройство 120, модуль 130 измерения разности фаз и модуль 160 измерения частоты, включенных в устройство 100 обработки сигналов, проиллюстрированное на фиг.3. Затем, вычисленная разность фаз преобразуется в сигнал расхода на основе частотного сигнала, выводимого из модуля 160 измерения частоты, и температурных данных, детектируемых посредством температурного датчика 9.
Далее описана работа устройства 100 обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3, в отношении временных диаграмм, проиллюстрированных на фиг.9.
Во-первых, в фильтре 30 нижних частот, проиллюстрированном на фиг.3, когда исключается гармонический шум, для исключения влияния наложения спектров при аналогово-цифровом преобразовании, выводится синусоидальный сигнал (sinθ), как проиллюстрировано на фиг.5.
Когда выводится синусоидальный сигнал (sinθ), проиллюстрированный на фиг.5, он вводится в аналого-цифровой преобразователь 31. Затем, сигнал дискретизируется для преобразования цифровых сигналов с произвольным постоянным интервалом посредством аналого-цифрового преобразователя 31, для получения сигнала дискретизации (Y1=sinθ), как проиллюстрировано на фиг.9(A), и выводится из аналого-цифрового преобразователя 31.
Сигнал (sinθ) дискретизации, проиллюстрированный на фиг.9(A), который выводится из аналого-цифрового преобразователя 31, вводится в модуль 110 преобразования частоты устройства 100 обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3, и вводится в модуль 160 измерения частоты устройства 100 обработки сигналов.
В модуле 160 измерения частоты и передающем устройстве 120 устройства 100 обработки сигналов, требуемый частотный сигнал θXn передачи передается на основе сигнала (sinθ) дискретизации, проиллюстрированного на фиг.9(A), который выводится из аналого-цифрового преобразователя 31. Косинусоидальный сигнал (Y2=cosθXn), как проиллюстрировано на фиг.9(B), выводится в модуль 110 преобразования частоты устройства 100 обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3, на выходной скорости передачи, идентичной интервалу дискретизации входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе 31.
Когда косинусоидальный сигнал (Y2=cosθXn), проиллюстрированный на фиг.9(B), выводится из передающего устройства 120, и косинусоидальный сигнал (Y2=cosθXn) вводится в модуль 110 преобразования частоты, косинусоидальный сигнал умножается на сигнал дискретизации (Y1=sinθ), проиллюстрированный на фиг.9(A), который выводится из аналого-цифрового преобразователя 31 (sinθ·cosθXn), посредством умножителя, предусмотренного в модуле 110 преобразования частоты, для получения сигнала (Y3=sinθ·cosθXn), как проиллюстрировано на фиг.9(C).
Сигнал (Y3=sinθ·cosθXn), как проиллюстрировано на фиг.9(C), который получается умножением (sinθ·cosθXn) посредством умножителя, предусмотренного в модуле 110 преобразования частоты, проходит через фильтр верхних частот (HPF), предусмотренный в модуле 110 преобразования частоты, для исключения низкочастотной составляющей, чтобы тем самым получать сигнал (Y4=1/2·sinθC), как проиллюстрировано на фиг.9(D). Сигнал (Y4=1/2·sinθC), как проиллюстрировано на фиг.9(D), выводится из модуля 110 преобразования частоты и вводится в модуль 130 измерения разности фаз.
Дополнительно, в фильтре 34 нижних частот, проиллюстрированном на фиг.3, когда исключается гармонический шум, для исключения влияния наложения спектров при аналогово-цифровом преобразовании, выводится синусоидальный сигнал (sin(θ+δφ)).
Когда синусоидальный сигнал (sin(θ+δφ)) выводится, синусоидальный сигнал (sin(θ+δφ)) вводится в аналого-цифровой преобразователь 35. Затем, сигнал дискретизируется для преобразования цифровых сигналов с произвольным постоянным интервалом посредством аналого-цифрового преобразователя 35.
Сигнал, выводимый из аналого-цифрового преобразователя 35, умножается на сигнал дискретизации, выводимый из аналого-цифрового преобразователя 35, посредством умножителя, предусмотренного в модуле 140 преобразования частоты, для получения сигнала.
Сигнал, полученный умножением посредством умножителя, предусмотренного в модуле 140 преобразования частоты, проходит через фильтр верхних частот (HPF), предусмотренный в модуле 140 преобразования частоты, для исключения низкочастотной составляющей, чтобы тем самым получать сигнал (Y5=1/2·sin(θC+δφ)), как проиллюстрировано на фиг.9(E). Сигнал (Y5=1/2·sin(θC+δφ)), проиллюстрированный на фиг.9(E), выводится из модуля 140 преобразования частоты и вводится в модуль 130 измерения разности фаз.
В модуле 130 измерения разности фаз, сигнал (Y6=δφ), проиллюстрированный на фиг.9(F), выводится как разность фаз δφ на основе сигнала (Y4=1/2·sinθC), проиллюстрированного на фиг.9(D), который выводится из модуля 110 преобразования частоты и вводится в модуль 130 измерения разности фаз, и сигнала (Y5=1/2·sin(θC+δφ)), проиллюстрированного на фиг.9(E), который выводится из модуля 140 преобразования частоты и вводится в модуль 130 измерения разности фаз.
Когда интервал вычислений синхронизирован со временем дискретизации, как описано выше, производительность в реальном времени для измерения фазы может быть повышена.
Дополнительно, каждый из набора сигналов скорости вибрации (sinθ и sin(θ+δφ)) подвергается идентичной обработке для вычисления фазы, и, следовательно, практически отсутствует ошибка в вычислениях. Следовательно, может быть достигнуто точное вычисление фазы.
Второй вариант осуществления
Далее описан способ обработки сигналов для конкретной структуры устройства 100 обработки сигналов, проиллюстрированного на фиг.3, в отношении блок-схемы последовательности операций способа, проиллюстрированной на фиг.10.
На фиг.10 показана блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая частотную модуляцию и измерение фазы в случае, когда используется прямая связь.
На фиг.10, на этапе 200, инициализируют параметры устройства 100 обработки сигналов, которое является вычислительным устройством. Когда параметры устройства 100 обработки сигналов инициализированы, на этапе 200 задают целевую частоту для частотной модуляции, т.е. целевую частоту после частотной модуляции.
Когда параметры устройства 100 обработки сигналов, которое является вычислительным устройством, инициализированы, и целевая частота после частотной модуляции задана на этапе 200, на этапе 210 сигнал фазы и скорости, выводимый из левого измерительного датчика (LPO) 7 (левого датчика 7 скорости), дискретизируют для преобразования цифровых сигналов с произвольным интервалом дискретизации посредством аналого-цифрового преобразователя 31, и сигнал фазы и скорости, выводимый из правого измерительного датчика (RPO) 8 (правого датчика 8 скорости), дискретизируют для преобразования цифровых сигналов с произвольным интервалом дискретизации посредством аналого-цифрового преобразователя 35.
Сигнал фазы и скорости, дискретизированный для преобразования цифровых сигналов с произвольным интервалом дискретизации посредством аналого-цифрового преобразователя 31, вводят в модуль 160 измерения частоты и модуль 110 преобразования частоты. Сигнал фазы и скорости, дискретизированный для преобразования цифровых сигналов с произвольным интервалом дискретизации посредством аналого-цифрового преобразователя 35, вводят в преобразователь 140 частоты.
Когда сигнал дискретизируется для преобразования цифровых сигналов с произвольным интервалом дискретизации на этапе 210, на этапе 220 измеряют частоту. Таким образом, когда вводят сигнал фазы и скорости, дискретизированный для преобразования цифровых сигналов с произвольным интервалом дискретизации посредством аналого-цифрового преобразователя 31, модуль 160 измерения частоты измеряет частоту на основе сигнала фазы и скорости.
Когда на этапе 220 измерена частота, выходную частоту опорного сигнала вычисляют на этапе 230. Таким образом, на этапе 230, частоту, измеряемую посредством модуля 160 измерения частоты, сравнивают с первоначально заданной целевой частотой.
Когда на этапе 230 измеренную частоту сравнивают с первоначально заданной целевой частотой, на этапе 240 выходную частоту задают для передающего устройства 120 для опорного сигнала на основе результата, полученного в сравнении, чтобы тем самым формировать опорный сигнал. Когда опорный сигнал сформирован, опорный сигнал, имеющий заданную частоту, выводят из передающего устройства 120 и вводят в преобразователи 110 и 140 частоты.
Когда опорный сигнал сформирован в передающем устройстве 120 на этапе 240, на этапе 25 выполняют обработку преобразователей 110 и 140 частоты, т.е. преобразование частоты.
Следовательно, преобразователь 110 частоты, в который вводят опорный частотный сигнал, выводимый из передающего устройства 120, преобразует сигнал фазы и скорости, выводимый из аналого-цифрового преобразователя 31, в сигнал фазы и скорости, имеющий произвольную частоту, на основе опорного сигнала, выводимого из передающего устройства 120.
Преобразователь 140 частоты, в который вводят опорный частотный сигнал, выводимый из передающего устройства 120, преобразует сигнал фазы и скорости, выводимый из аналого-цифрового преобразователя 35, в сигнал фазы и скорости, имеющий произвольную частоту, на основе опорного сигнала, выводимого из передающего устройства 120.
Как результат, сигнал, полученный преобразованием частоты, преобразуют в произвольную постоянную частоту и переносят в модуль 130 измерения разности фаз.
Когда на этапе 250 выполнено преобразование в сигнал фазы и скорости, имеющий произвольную частоту, на этапе S260 выполняют измерение фазы.
Таким образом, на этапе 260 сигнал фазы и скорости, полученный преобразованием произвольной постоянной частоты на основе частоты передачи опорного сигнала, выводимого из передающего устройства 120, вводят в модуль 130 измерения фазы. Модуль 130 измерения фазы выполняет измерение фазы с использованием FFT и т.п. на основе сигнала фазы и скорости, полученного преобразованием произвольной постоянной частоты, который выводят из преобразователя 110 частоты. Когда измерение фазы выполнено с использованием FFT, как описано выше, высокоточное измерение разности фаз всегда может выполняться с одинаковым интервалом вычислений.
В дальнейшем в этом документе описаны четыре блока, включающие в себя модули 110 и 140 преобразования частоты, передающее устройство 120, модуль 130 измерения разности фаз и модуль 160 измерения частоты, включенные в устройство 100 обработки сигналов.
(1) Модуль преобразования частоты
Модуль 110 преобразования частоты устройства 100 обработки сигналов имеет структуру, как проиллюстрировано на фиг.11.
На фиг.11 модуль 110 преобразования частоты включает в себя умножитель 111, фильтр 112 нижних частот (LPF) (или фильтр верхних частот (HPF)).
Опорный сигнал cosθ2 из передающего устройства 120 и входной сигнал sinθ1 из аналого-цифрового преобразователя 31 перемножаются и затем подвергаются обработке с помощью фильтра 112 нижних частот.
Опорный сигнал cosθ2 из передающего устройства 120 умножается на входной сигнал sinθ1, полученный преобразованием, в цифровой сигнал, посредством аналого-цифрового преобразователя 31, низкочастотного левого сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне), который детектируется посредством левого измерительного датчика 7 (левого датчика скорости) и извлекается посредством фильтра 30 нижних частот, и затем выводится из него, чтобы тем самым комбинировать суммарные и разностные частотные сигналы.
(выражение 9)
<img file="00000003.tif" he="13" wi="97" img-content="undefined" img-format="tif" />
(9)
Суммарные и разностные частотные сигналы фильтруются посредством фильтра 132 нижних частот (или фильтра верхних частот), чтобы извлекать только разностный сигнал (или суммарный сигнал).
В этом случае, согласно конкретному описанию, извлекается суммарный сигнал. Тем не менее, даже когда извлекается разностный сигнал, не возникает никаких сложностей, и, следовательно, способ обработки с помощью фильтра применяется надлежащим образом согласно способу преобразования частоты.
Вывод из фильтра 112 нижних частот (или фильтра верхних частот) выражается следующим образом:
(выражение 10)
<img file="00000004.tif" he="14" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" />
(10)
В этом случае, частота θ3 выходного сигнала из фильтра 112 нижних частот (или фильтра верхних частот) всегда управляется к постоянному значению.
Следовательно, один и тот же фильтр всегда может использоваться независимо от входного сигнала.
Таким образом, измерение фазы в модуле 130 измерения разности фаз, расположенном на следующей ступени модуля 110 преобразования частоты, может быть очень единообразным и упрощенным.
(2) Модуль измерения частоты
В этом варианте осуществления, принцип контура фазовой синхронизации (PLL) используется для способа измерения частоты. PLL - это известная электронная схема, в которой сигнал, который равняется по частоте входному сигналу переменного тока, синхронизирован по фазе с ним, и выводится из другого осциллятора посредством управления с обратной связью.
Следовательно, PLL, главным образом, является схемой фазовой синхронизации и может формировать сигнал, синхронизированный по фазе с входным сигналом.
PLL - это колебательная схема для управления с обратной связью осциллятором в колебательном контуре так, что разность фаз между опорным сигналом, вводимым извне, и выходным сигналом из осциллятора в контуре является постоянной. Следовательно, PLL может относительно легко создаваться с использованием вычислительного устройства и может выполнять высокоскоростные вычисления.
Модуль 160 измерения частоты устройства 100 обработки сигналов имеет структуру, как проиллюстрировано на фиг.12.
На фиг.12 модуль 160 измерения частоты включает в себя умножитель 161, фильтр 162 нижних частот (LPF) и передающее устройство 163 для измерения частоты.
Умножитель 161 сравнивает фазу левого сигнала sinθ скорости (сигнала скорости на выходной стороне), который получается преобразованием, как цифровой сигнал, посредством аналого-цифрового преобразователя 31, с фазой выходного сигнала cosδ, выводимого из передающего устройства 153 для измерения частоты и выводит сигналы как разностный сигнал и суммарный сигнал в фильтр 162 нижних частот.
Следовательно, выходная сторона умножителя 161 соединяется с фильтром 162 нижних частот. Фильтр 162 нижних частот извлекает только низкочастотный сигнал из выходного сигнала, выводимого из умножителя 161, через частотный фильтр.
Таким образом, в этом случае, извлекается только разностная составляющая из выходного сигнала, выводимого из умножителя 161.
Фильтр 162 нижних частот соединяется с передающим устройством 163 для измерения частоты. Передающее устройство 163 для измерения частоты формирует данные δ фазы на основе низкочастотного сигнала, выводимого из фильтра 162 нижних частот.
Передающее устройство 163 для измерения частоты выводит выходной сигнал cosδ в умножитель 161. В умножителе 161, фаза частоты θ входного сигнала, полученной преобразованием, в цифровой сигнал, посредством аналого-цифрового преобразователя 31, низкочастотного левого сигнала скорости (сигнала скорости на выходной стороне), который детектируется посредством левого измерительного датчика 7 (левого датчика скорости) и извлекается посредством фильтра 30 нижних частот и выводится из него, сравнивается с фазой выходного сигнала cosδ, и сигналы выводятся как разностный сигнал и суммарный сигнал в фильтр 162 нижних частот.
Контур обратной связи формируется так, что выходные данные "V" (функция V вычисления частоты) только разностной составляющей, полученные посредством фильтрации посредством фильтра 162 нижних частот, становятся равными 0.
Как проиллюстрировано на фиг.12, вывод ADC-31 sinθ вводится в умножитель 161. Когда выходной сигнал, выводимый из передающего устройства 163 для измерения частоты в модуле 160 измерения частоты, выражается посредством cosδ, оба сигнала умножаются посредством умножителя 161 следующим образом:
(выражение 11)
<img file="00000005.tif" he="10" wi="68" img-content="undefined" img-format="tif" />
(11)
Форма входного сигнала: sinθ
Форма выходного сигнала передающего устройства для измерения частоты: cosδ
Когда результат, полученный умножением посредством умножителя 151, как выражено посредством выражения (11), фильтруется посредством фильтра 162 нижних частот, исключается высокочастотная составляющая для получения следующего выражения.
(выражение 12)
V=sin(θ-δ)
(12)
Когда значение (θ-δ) в выражении (12) является достаточно небольшим значением (V≈0), функция V вычисления частоты, указывающая результат, полученный умножением посредством умножителя 161, может приблизительно выражаться следующим образом:
(выражение 13)
V=θ-δ≈0
(13)
Когда форма выходного сигнала передающего устройства 163 для измерения частоты управляется так, что функция V вычисления частоты становится равной 0, может быть получена предыдущая фаза θ, полученная преобразованием частоты посредством модуля 110 преобразования частоты.
Когда фаза θ вывода ADC-31 sinθ, которая получается так, как описано выше, вычисляется с использованием следующих выражений (14) и (15), может быть получена частота f:
(выражение 14)
<img file="00000006.tif" he="14" wi="40" img-content="undefined" img-format="tif" />
(14)
ω - это угловая скорость (рад/с).
Следует отметить, что ΔT указывает изменение во времени и равно интервалу вычислений (частоте дискретизации).
Следовательно, изменение в фазе (θ) задается следующим образом:
(выражение 15)
θ=2*π*f*Ta
(15)
где Ta - это изменение во времени (интервал дискретизации) (секунд)
f - это входная частота (Гц)
θ - это изменение в фазе (рад)
Входная частота f задается следующим образом:
(выражение 16)
<img file="00000007.tif" he="15" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
(16)
Когда такое вычисление выполняется посредством модуля 160 измерения частоты, может быть достигнуто высокоскоростное измерение частоты.
(3) Передающее устройство
На фиг.3 выходная частота модулируемого передающего устройства 120 управляется на основе результата (θ), полученного измерением посредством модуля 160 измерения частоты.
Таким образом, в передающем устройстве 120, частота θ сигнала детектирования скорости вибрации (сигнала скорости на выходной стороне), формируемого на левой стороне измерительных трубок 2 и 3, которая детектируется посредством левого измерительного датчика 7 и вводится в модуль 130 преобразования частоты, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6, управляется к требуемой частоте для обработки посредством модуля 150 измерения разности фаз.
Модуль 110 преобразования частоты и модуль 140 преобразования частоты имеют идентичную структуру. Следовательно, аналогично случаю частоты, выводимой из модуля 110 преобразования частоты, частота, выводимая из модуля 140 преобразования частоты, более конкретно, частота (θ+δφ) сигнала детектирования скорости вибрации (сигнала скорости на входной стороне), формируемого на правой стороне измерительных трубок 2 и 3, которая детектируется посредством правого измерительного датчика 8 и вводится в модуль 140 преобразования частоты, в случае, если измерительные трубки 2 и 3 вибрируют посредством вибратора 6, преобразуется в требуемую частоту.
(4) Модуль измерения разности фаз
Предусмотрены различные способы измерения фазы. В случае измерения фазы с использованием преобразования Фурье частота является фиксированной, и, следовательно, могут быть достигнуты сверхвысокоскоростные вычисления.
В дальнейшем в этом документе описан пример дискретного преобразования Фурье (DFT). Дискретное преобразование Фурье - это преобразование Фурье для дискретной группы, зачастую используемой для частотного анализа дискретных цифровых сигналов при обработке сигналов, а также используемой для эффективного решения дифференциального уравнения в частных производных или интеграла свертки. Дискретное преобразование Фурье может вычисляться с высокой скоростью (посредством компьютера) с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT).
Когда входной сигнал, дискретизированный в модуле 130 измерения разности фаз, выражается посредством g(n), DFT-G(k) задается следующим образом:
(выражение 17)
<img file="00000008.tif" he="39" wi="81" img-content="undefined" img-format="tif" />
(17)
Для более простого выражения, когда часть сложной показательной функции выражается следующей подстановкой:
(выражение 18)
<img file="00000009.tif" he="14" wi="90" img-content="undefined" img-format="tif" />
(18)
Выражение (17) выражается следующим образом:
(выражение 19)
<img file="00000010.tif" he="13" wi="37" img-content="undefined" img-format="tif" />
(19)
Допустим, что внимание сфокусировано на сложной показательной функции WNnk, и N выражается посредством N=2M (M - целое число) и, например, N=8. Когда входная частота равна 1/4 частоты дискретизации, функция действительной части и функция мнимой части могут выражаться следующим образом, посредством 0, 1 и -1 вследствие периодичности тригонометрических функций.
(выражение 20)
Реальная часть
Мнимая часть
(20)
W<sub>8</sub> <sup>0</sup>
1
0
W<sub>8</sub> <sup>2</sup>
0
-1
W<sub>8</sub> <sup>4</sup>
-1
0
W<sub>8</sub> <sup>6</sup>
0
1
Следовательно, входные сигналы LPO и RPO, полученные преобразованием частоты в 1/4 частоты дискретизации, могут очень просто подвергаться преобразованию Фурье. При обычном измерении фазы только одна частота (частота вибрации) предпочтительно подвергается преобразованию Фурье, и преобразование для другой полосы частот не выполняется, и, следовательно, вычисление может выполняться только посредством суммирования и вычитания.
Фактически, когда входной сигнал, вводимый в модуль 130 измерения разности фаз, выражается посредством g(n), входной сигнал g(n) составляет частоту в 1/4 от частоты дискретизации, а N выражается посредством N=2M (M - целое число), DFT-G(n) может вычисляться следующим образом:
(выражение 21)
Вычисление действительной части (Re)
Вычисление мнимой части (Re)
(21)
<img file="00000011.tif" he="73" wi="62" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000012.tif" he="73" wi="56" img-content="undefined" img-format="tif" />
Даже когда значение M увеличивается, основное вычисление не изменяется полностью. Следовательно, когда M увеличивается, вычисление может выполняться с очень высокой точностью, и вычислительная нагрузка почти не изменяется.
Когда два входных сигнала подвергаются дискретному преобразованию Фурье (DFT) в процедуре, описанной выше, RPO-сигнал может подставляться следующим образом:
(выражение 22)
RPO-сигнал:
<img file="00000013.tif" he="10" wi="91" img-content="undefined" img-format="tif" />
(22)
и LPO-сигнал может подставляться следующим образом:
(выражение 23)
LPO-сигнал:
<img file="00000014.tif" he="8" wi="106" img-content="undefined" img-format="tif" />
(23)
В этом случае, фазовый угол tanδφ входного сигнала выражается следующим образом:
(выражение 24)
<img file="00000015.tif" he="18" wi="64" img-content="undefined" img-format="tif" />
(24)
После того, как фазовый угол tanδφ входного сигнала получается с использованием выражения (24), когда вычисляется tan-1δφ, может быть получен сигнал δφ разности фаз.
Удельный массовый расход Q измеряемой текучей среды является пропорциональным фазовому углу и обратно пропорциональным частоте F возбуждения и тем самым выражается следующим образом:
(выражение 25)
Q=S(t)*δφ/F
(25)
где S(t) указывает поправочный коэффициент, ассоциированный с температурой измеряемой текучей среды.
Когда измеренный фазовый угол δφ и частота F возбуждения подставляются в выражение (28), может быть вычислен удельный массовый расход Q.
Удельный массовый расход Q, полученный так, как описано выше, подвергается надлежащему масштабированию и преобразованию единиц измерения и может выводиться наружу в различных формах посредством добавления последующей обработки, такой как аналоговый вывод, импульсный вывод или последовательная связь.
Признак способа измерения фазы с использованием преобразования частоты
Согласно признаку системы измерения фазы в настоящем изобретении, сигналы могут дискретизироваться с интервалом дискретизации, не связанным с частотой θ входных сигналов, которые получаются преобразованием, в цифровые сигналы, посредством аналого-цифровых преобразователей 31 и 35, низкочастотных сигналов скорости, которые детектируются посредством датчиков детектирования вибрации (левого измерительного датчика 7 и правого измерительного датчика 8) и извлекаются посредством фильтров 30 и 34 нижних частот и выводятся из них, и которые вводятся в модули 110 и 140 преобразования частоты. Следовательно, структура является очень простой, таблицы фильтров не требуются, и сверхвысокоскоростные вычисления могут быть достигнуты при небольшой ошибке в вычислениях.
Дополнительно, согласно системе измерения фазы в настоящем изобретении, даже когда быстрое изменение частоты возникает во входных сигналах, которые получаются преобразованием, в цифровые сигналы, посредством аналого-цифровых преобразователей 31 и 35, низкочастотных сигналов скорости, которые детектируются посредством датчиков детектирования вибрации (левого измерительного датчика 7 и правого измерительного датчика 8) и извлекаются посредством фильтров 30 и 34 нижних частот и выводятся из них, и которые вводятся в модули 110 и 140 преобразования частоты, измеряется частота до преобразования частоты, и затем выполняется преобразование частоты. Следовательно, даже когда быстро изменяется входная частота, изменение частоты после преобразования частоты минимизируется, и, следовательно, система является очень подходящей для измерения фазы в случае, когда непрерывно изменяется частота возбуждения измерительных трубок.
Дополнительно, согласно системе измерения фазы в настоящем изобретении, предусмотрено небольшое ограничение на полосу частот измерения фазы посредством входной частоты входных сигналов, вводимых в модули 110 и 140 преобразования частоты. Следовательно, может быть реализована связанность с датчиками, имеющими различные частоты возбуждения, и входная частота не влияет на точность вычислений, и, следовательно, всегда может быть достигнуто высокоточное измерение фазы.
Третий вариант осуществления
Измерительные трубки 2 и 3, включающие в себя, по меньшей мере, одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, выступающие в качестве измерительных расходомерных трубок, управляются посредством устройства возбуждения с использованием вибратора 6. Измерительные трубки 2 и 3, включающие в себя одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, попеременно возбуждаются, чтобы вызывать вибрацию в расходомерных трубках. В кориолисовом расходомере разность фаз и/или частота вибрации, пропорциональная кориолисовой силе, действующей на измерительные трубки 2 и 3, включающие в себя одну расходомерную трубку или пару расходомерных трубок, детектируется посредством пары датчиков скорости или датчиков ускорения, соответствующих датчикам детектирования вибрации, включающих в себя левый измерительный датчик (LPO) 7 и правый измерительный датчик (RPO) 8, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды.
Кориолисов расходомер включает в себя: модуль 160 измерения частоты для измерения частоты, на основе частоты входного сигнала, по меньшей мере, одного датчика (например, входного сигнала (сигнала скорости на выходной стороне), вводимого из левого измерительного датчика 7), двух сигналов расхода, полученных посредством аналогово-цифрового преобразования для двух входных сигналов разности фаз и/или частоты вибрации, пропорциональной кориолисовой силе, действующей на измерительные трубки 2 и 3, включающие в себя пару расходомерных трубок, которые детектируются посредством датчиков скорости или датчиков ускорения; и передающее устройство 120 для передачи и вывода требуемого частотного сигнала на основе частоты, измеренной посредством модуля измерения частоты.
Сигнал датчика скорости (например, входной сигнал (сигнал скорости на выходной стороне), вводимый из левого измерительного датчика 7) из одного из пары датчиков детектирования вибрации (левого измерительного датчика 7 и правого измерительного датчика 8) преобразуется в цифровой сигнал посредством первого аналого-цифрового преобразователя 31. Первый модуль 110 преобразования частоты предусмотрен для преобразования частоты для выполнения суммирования (или вычитания) для частоты θ входного сигнала на основе выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120.
Дополнительно, сигнал датчика скорости (например, входной сигнал (сигнал скорости на входной стороне), вводимый из правого измерительного датчика 8) из другого из пары датчиков детектирования вибрации (левого измерительного датчика 7 и правого измерительного датчика 8), преобразуется в цифровой сигнал посредством второго аналого-цифрового преобразователя 35 для получения частоты (θ+δφ) входного сигнала. Второй модуль 140 преобразования частоты предусмотрен для преобразования частоты для выполнения суммирования (или вычитание) для частоты (θ+δφ) входного сигнала на основе выходной частоты θXn, выводимой из передающего устройства 120.
Модуль 130 измерения разности фаз предусмотрен для измерения разности фаз между первым сигналом частотной модуляции, полученным преобразованием как сигнал постоянной частоты посредством первого модуля 110 преобразования частоты, и вторым сигналом частотной модуляции, выводимым как преобразованный сигнал постоянной частоты из второго модуля 140 преобразования частоты.
Дополнительно, устройство 100 обработки сигналов предусмотрено для получения разности фаз между первым сигналом частотной модуляции, выводимым как преобразованный сигнал постоянной частоты из первого модуля 110 преобразования частоты, и вторым сигналом частотной модуляции, выводимым как преобразованный сигнал постоянной частоты из второго модуля 140 преобразования частоты, чтобы тем самым выступать в качестве кориолисова расходомера.
Описание символов
1 - кориолисов расходомер
2, 3 - измерительная трубка
4 - детектор
5 - преобразователь
6 - вибратор
7 - левый датчик скорости
8 - правый датчик скорости
9 - температурный датчик
10 - модуль управления возбуждением
11 - модуль измерения фазы
12 - модуль измерения температуры
30, 34 - фильтр нижних частот
31, 35 - аналого-цифровой преобразователь
70 - датчик детектирования вибрации
80 - вычислительное устройство сигналов скорости вибрации
85 - модуль преобразования частоты
90 - передающее устройство
95 - модуль измерения разности фаз
100 - устройство обработки сигналов
110 - модуль преобразования частоты
111 - умножитель
112 - фильтр нижних частот
120 - передающее устройство
130 - модуль измерения разности фаз
140 - модуль преобразования частоты
150 - задающий генератор
160 - модуль измерения частоты
161 - умножитель
162 - фильтр нижних частот
163 - передающее устройство для измерения частоты