BRPI0617471A2

BRPI0617471A2 - eletrânica de mediÇço e mÉtodos para determinar uma diferenÇa de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor de um medidor de fluxo

Info

Publication number: BRPI0617471A2
Application number: BRPI0617471-0A
Authority: BR
Inventors: Craig B Mcanally; Denis M Henrot
Original assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2011-07-26
Also published as: JP2009511934A; KR20080063410A; EP1949047B1; WO2007047524A2; BRPI0617471B1; DK1949047T3; AU2006304333B2; CN103852120A; CA2626245C; CN101297179A; HK1198838A1; JP4960967B2; RU2373499C1; KR101216649B1; EP1949047A2; KR20110039399A; AR055449A1; PL1949047T3; US20080252283A1; WO2007047524A3

Abstract

ELETRâNICA DE MEDIÇAO E MÉTODOS PARA DETERMINAR UMA DIFERENÇA DE FASE ENTRE UM PRIMEIRO SINAL SENSOR E UM SEGUNDO SINAL SENSOR DE UM MEDIDOR DE FLUXO É fornecida eletrônica de medição (20) para processar sinais sensores em um medidor de fluxo de acordo com uma modalidade da invenção. A eletrônica de medição (20) inclui uma interface (201) para receber um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor e um sistema de processamento(203) em comunicação com a interface (201) e configurado para receber o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor, gerar um deslocamento de fase de noventa graus a partir do primeiro sinal sensor, e calcular uma frequência a partir doprimeiro sinal sensor e o deslocamento de fase de noventa graus. O sistema de processamento (203) é adicionalmente configurado para gerar os sinais de seno e cosseno usando a freqüência, e demodular em quadratura o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor usando os sinais de seno e cosseno de modo a determinar a diferença de fase.

Description

"ELETRÔNICA DE MEDIÇÃO E MÉTODOS PARA DETERMINARUMA DIFERENÇA DE FASE ENTRE UM PRIMEIRO SINAL SENSOR E UMSEGUNDO SINAL SENSOR DE UM MEDIDOR DE FLUXO"

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se à eletrônica de me-dição e aos métodos para determinar uma diferença de faseentre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor deum medidor de fluxo.

Situação do Problema

É sabido do uso de medidores de fluxo de massa Co-riolis para medir fluxo de massa, densidade, e fluxo de vo-lume e outras informações de materiais que fluem através deuma tubulação como discutido na Patente Norte-Americana N04.491.025 emitida por J. E. Smith, e outros, em Io de Janei-ro de 1985 e Re. 31.450 a J. E. Smith de 11 de Fevereiro de1982. Estes medidores de fluxo possuem um ou mais tubos dediferentes configurações. Cada configuração de canal podeser vista como tendo um conjunto de modos de vibração natu-ral que incluem, por exemplo, modos de curvatura simples, detorção, radiais e acoplados. Em uma típica aplicação de me-dição de fluxo de massa Coriolis, uma configuração de canalé excitada em um ou mais modos de vibração à medida que omaterial flui através do canal, e o movimento do canal é me-dido em pontos espaçados ao longo deste.

Os modos vibracionais dos sistemas preenchidos commaterial são definidos em parte pela massa combinada dos tu-bos de fluxo e o material dentro deles. 0 material flui den-tro do medidor de fluxo a partir de uma tubulação conectadana lateral de entrada do medidor de fluxo. 0 material é en-tão direcionado através do tubo de fluxo ou tubos de fluxo esai do medidor de fluxo para uma tubulação conectada na la-teral de saida.

Um acionador aplica uma força ao tubo de fluxo. Aforça leva o tubo de fluxo a oscilar. Quando não existe ma-terial fluindo através do medidor de fluxo, todos os pontosao longo de um tubo de fluxo oscilam com uma fase idêntica.À medida que um material começa a fluir através do tubo defluxo, as acelerações Coriolis levam cada ponto ao longo dotubo de fluxo a ter uma fase diferente com relação a outrospontos ao longo do tubo de fluxo. A fase na lateral de en-trada do tubo de fluxo retarda o acionador, enquanto a fasena lateral de saida conduz o acionador. Os sensores são Io-calizados em diferentes pontos no tubo de fluxo para produ-zir sinais senoidais representativos do movimento do tubo defluxo nos diferentes pontos. A diferença de fase entre osdois sinais sensores é proporcional à taxa de fluxo de massado material que flui através do tubo de fluxo ou tubos defluxo. Em uma aproximação da técnica anterior, ou uma Trans-formada Discreta de Fourier (DFT) ou uma Transformada Rápidade Fourier (FFT) é usada para determinar a diferença de faseentre os sinais sensores. A diferença de fase, e uma respos-ta de freqüência vibracional do conjunto de tubos de fluxosão usadas para òbter a taxa de fluxo de massa.

Em uma aproximação da técnica anterior, um sinalde referencia independente é usado para determinar uma fre-qüência de sinal pickoff, tal como usando a freqüência envi-ada ao sistema acionador vibracional. Em uma outra aproxima-ção da técnica anterior, a freqüência de resposta vibracio-nal gerada por um sensor pickoff pode ser determinada cen-trando a esta freqüência em um filtro de entalhe, onde o me-didor de fluxo da técnica anterior tenta manter o entalhe dofiltro de entalhe na freqüência do sensor pickoff. Essa téc-nica da técnica anterior funciona perfeitamente bem sob con-dições quiescentes, onde o material de fluxo no medidor defluxo é uniforme e onde a freqüência de sinal pickoff resul-tante é relativamente estável. Entretanto, a medição de faseda técnica anterior sofre quando o material de fluxo não éuniforme, tal como em fluxos de duas fases onde o materialdo fluxo compreende um liquido e um sólido ou onde existembolhas de ar no material de fluxo liquido. Em tais situa-ções, a freqüência determinada pela técnica anterior podeflutuar rapidamente. Durante condições de transições de fre-qüência grandes e rápidas, é possível que os sinais pickoffse movam para fora da largura de banda do filtro, resultandoem medições de freqüência e de fase incorreta. Isto também éum problema no empacotamento vazio-cheio-vazio, onde o medi-dor de fluxo é repetidamente operado alternando as condiçõesde vazio e de cheio. Também, se a freqüência do sensor semove rapidamente, um processo de demodulação não será capazde manter a freqüência real ou medida, causando demodulaçãoem uma freqüência incorreta. Dever-se-ia entender que se afreqüência determinada é incorreta ou imprecisa, então osvalores subseqüentemente derivados de densidade, taxa defluxo de volume, etc., também serão incorretos e imprecisos.Além disso, o erro pode ser composto em subseqüentes deter-minações de característica de fluxo.

Na técnica anterior, os sinais pickoff podem serdigitalizados e digitalmente manipulados de modo a implemen-tar o filtro de entalhe. 0 filtro de entalhe aceita somenteuma banda estreita de freqüências. Então, quando a freqüên-cia alvo está mudando, o filtro de entalhe pode não ser ca-paz de rastrear o sinal alvo por um período de tempo. Tipi-camente, a implementação do filtro de entalhe digital levade 1 a 2 segundos para rastrear o sinal alvo flutuante. De-vido ao tempo exigido pela técnica anterior para determinara freqüência, o resultado não é somente que as determinaçõesde fase e freqüência contêm erros, mas também que a mediçãodo erro engloba um período de tempo máximo que excede o pe-ríodo de tempo máximo durante o qual o erro e/ou o fluxo deduas fases realmente ocorre. Isto é devido à lentidão rela-tiva da resposta de uma implementação do filtro de entalhe.

O resultado é que o medidor de fluxo da técnicaanterior não pode precisamente, rapidamente, ou satisfatori-amente rastrear ou determinar uma freqüência do sensor pic-koff durante o fluxo de duas fases do material de fluxo nomedidor de fluxo. Conseqüentemente, a determinação de fase éigualmente lenta e sujeita a erros, como a técnica anteriorderiva a diferença de fase usando a freqüência pickoff de-terminada. Portanto, qualquer erro na determinação de fre-qüência é composto na determinação de fase, levando a aumen-tar o erro na determinação da taxa de fluxo de massa. Adi-cionalmente, como o valor da freqüência determinado é usadopara determinar um valor de densidade (a densidade é aproxi-madamente igual a uma sobre a freqüência ao quadrado) , umerro na determinação de freqüência é repetido ou composto nadeterminação de densidade. Isto é também verdadeiro para umadeterminação de taxa de fluxo de volume, onde a taxa de flu-xo de volume é igual à taxa de fluxo de massa dividida peladensidade.

Como a diferença de fase poder ser derivada usandoa freqüência determinada, uma determinação de freqüência a-perfeiçoada pode fornecer uma rápida e confiável determina-ção de diferença de fase.

Sumário da Invenção

O problema acima e outros problemas são resolvidose um avanço na técnica é alcançado através do fornecimentode eletrônica de medição e de métodos para determinar umadiferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segun-do sinal sensor de um medidor de fluxo.

A eletrônica de medição para determinar uma dife-rença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segundosinal sensor de um medidor de fluxo é fornecida de acordocom uma modalidade da invenção. A eletrônica de medição com-preende uma interface para receber o primeiro sinal sensor eo segundo sinal sensor e um sistema de processamento em co-municação com a interface. O sistema de processamento é con-figurado para receber o primeiro sinal sensor e o segundosinal sensor, gerar um deslocamento de fase de noventa grausa partir do primeiro sinal sensor, e calcular uma freqüênciaa partir do primeiro sinal sensor e o deslocamento de fasede noventa graus. 0 sistema de processamento é adicionalmen-te configurado para gerar os sinais de seno e cosseno usandoa freqüência, e demodular em quadratura o primeiro sinalsensor e do segundo sinal sensor usando os sinais de seno ecosseno de modo a determinar a diferença de fase.

Um método para determinar uma diferença de faseentre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor deum medidor de fluxo é fornecido de acordo com uma modalidadeda invenção. 0 método compreende receber o primeiro sinalsensor e o segundo sinal sensor, gerar um deslocamento defase de noventa graus a partir do primeiro sinal sensor, ecalcular uma freqüência a partir do primeiro sinal sensor eo deslocamento de fase de noventa graus. O método adicional-mente compreende gerar os sinais de seno e cosseno usando afreqüência. O método adicionalmente compreende demodular emquadratura o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensorusando os sinais de seno e cosseno de modo a determinar adiferença de fase.

Um método para determinar uma diferença de faseentre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor deum medidor de fluxo é fornecido de acordo com uma modalidadeda invenção. O método compreende receber o primeiro sinalsensor e o segundo sinal sensor, gerar um deslocamento defase de noventa graus a partir do primeiro sinal sensor, ecalcular uma freqüência a partir do primeiro sinal sensor eo deslocamento de fase de noventa graus. O método adicional-mente compreende gerar sinais de seno e cosseno usando afreqüência. O método adicionalmente compreende demodular emquadratura o primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensorusando os sinais de seno e cosseno, com a demodulação emquadratura gerando um primeiro sinal demodulado e um segundosinal demodulado. 0 método adicionalmente compreende filtraro primeiro sinal demodulado e um segundo sinal demodulado demodo a remover componentes de alta freqüência e correlaçãocruzada do primeiro sinal demodulado e do segundo sinal de-modulado de modo a determinar a diferença de fase.

Aspectos da Invenção

Em um aspecto da eletrônica de medição, o sistemade processamento é adicionalmente configurado para calcularuma ou mais de uma taxa de fluxo de massa, uma densidade, ouuma taxa de fluxo de volume usando uma ou mais da freqüênciae da diferença de fase.

Em um aspecto da eletrônica de medição, o sistemade processamento é adicionalmente configurado para calcularo deslocamento de fase de noventa graus usando uma transfor-mada de Hilbert.

Ainda em um outro aspecto da eletrônica de medi-ção, a demodulação em quadratura gera um primeiro sinal de-modulado e um segundo sinal demodulado e o sistema de pro-cessamento é adicionalmente configurado para filtrar o pri-meiro sinal demodulado e o segundo sinal demodulado de modoa remover componentes de alta freqüência e correlação cruza-da do primeiro sinal demodulado e do segundo sinal demodula-do de modo a determinar a diferença de fase.

Em um aspecto do método, o método adicionalmentecompreende calcular uma ou mais de uma taxa de fluxo de mas-sa, uma densidade, ou uma taxa de fluxo de volume usando umaou mais da freqüência e da diferença de fase.

Em um outro aspecto do método, o método adicional-mente compreende calcular o deslocamento de fase de noventagraus usando uma transformada de Hilbert.

Ainda em um outro aspecto do método, a demodulaçãoem quadratura gera um primeiro sinal demodulado e um segundosinal demodulado e a demodulação em quadratura adicionalmen-te compreende filtrar o primeiro sinal demodulado e o segun-do sinal demodulado de modo a remover os componentes de altafreqüência e correlação cruzada do primeiro sinal demoduladoe do segundo sinal demodulado de modo a determinar a dife-rença de fase.

Breve Descrição dos Desenhos

O mesmo número de referência representa o mesmoelemento em todos os desenhos.

A FIG. 1 ilustra um medidor de fluxo Coriolis emum exemplo da invenção.

A FIG. 2 mostra eletrônica de medição de acordocom uma modalidade da invenção.

A FIG. 3 ilustra um diagrama de bloco de uma partede um sistema de processamento de acordo com uma modalidadeda invenção.

A FIG. 4 mostra detalhes de um bloco de transfor-mada de Hilbert de acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 5 ilustra um diagrama de bloco de uma partede freqüência de um bloco de análise de acordo com uma moda-lidade da invenção.A FIG. 6 é um diagrama de bloco de uma parte dediferença de fase do bloco de análise de acordo com uma mo-dalidade da invenção.

A FIG. 7 é um fluxograma de um método de demodula-ção em quadratura da diferença de fase de acordo com uma mo-dalidade da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

As FIGs. de 1 - 7 e a seguinte descrição descrevemexemplos específicos para ensinar os versados na técnica co-mo fazer e usar o melhor modo da invenção. Para o propósitode ensinamento dos princípios inventivos, alguns aspectosconvencionais foram simplificados ou omitidos. Aqueles ver-sados na técnica apreciarão variações desses exemplos quecaem no escopo da invenção. Aqueles versados na técnica a-preciarão que essas características descritas abaixo podemser combinadas de várias formas a formar múltiplas variaçõesda invenção. Como um resultado, a invenção não é limitadaaos exemplos específicos descritos abaixo, mas somente pelasreivindicações e seus equivalentes.

A FIG. 1 mostra um medidor de fluxo Coriolis 5 quecompreende um conjunto de medidores 10 e eletrônica de medi-ção 20. 0 conjunto de medidores 10 responde à taxa de fluxode massa e à densidade de um material de processo. A eletrô-nica de medição 20 é conectada ao conjunto de medidores 10via condutores 100 para fornecer densidade, taxa de fluxo demassa, e informação de temperatura pelo caminho 26, bem comooutra informação não relevante à presente invenção. Uma es-trutura do medidor de fluxo Coriolis é descrita, embora es-teja aparente àqueles versados na técnica que a presente in-venção poderia ser praticada como um densitômetro de tubovibratório sem a capacidade de medição adicional fornecidapor um medidor de fluxo de massa Coriolis.

O conjunto de medidores 10 inclui um par de tubosde distribuição 150 e 150' , flanges 103 e 103' que têm gar-galos de flange 110 e 110'., um par de tubos de fluxo parale-los 130 e 130', um mecanismo de acionamento 180, sensor detemperatura 190, e um par de sensores de velocidade 170L e170R. Os tubos de fluxo 130 e 130' têm duas pernas de entra-da essencialmente retas 131 e 131' e duas pernas de saida134 e 134' que convergem em direção umas às outras em blocosde montagem de tubo de fluxo 120 e 120' . Os tubos de fluxo130 e 130' se curvam em duas localizações simétricas ao Ion-go de seu comprimento e são essencialmente paralelos por to-do o seu comprimento. As barras de braçadeira 140 e 140'servem para definir os eixos WeW' em torno dos quais cadatubo de fluxo oscila.

As pernas laterais 131 e 131' e 134 e 134' dos tu-bos de fluxo 130 e 130' são fixadamente conectadas aos blo-cos de montagem do tubo de fluxo 120 e 120' e esses blocos,por sua vez, são fixadamente conectados aos tubos de fixação150 e 150'. Isso fornece um caminho continuo de material fe-chado através do conjunto de medidores Coriolis 10.

Quando os flanges 103 e 103' , que têm orifícios102 e 102' são conectados, via a extremidade da entrada 104e a extremidade da saída 104' em uma linha de processo (nãomostrada) que carrega o material do processo que está sendomedido, o material que entra na extremidade 104 do medidoratravés de um orifício 101 no flange 103 é conduzido atravésdo tubo de distribuição 150 ao bloco de montagem do tubo defluxo 120 que tem uma superfície 121. Dentro do tubo de dis-tribuição 150, o material é dividido e direcionado atravésde tubos de fluxo 130 e 130' . Mediante a saída dos tubos defluxo 130 e 130', o material de processo é recombinado em umúnico fluxo dentro do tubo de distribuição 150' e é, portan-to, direcionado à extremidade da saída 104' conectada peloflange 103' que tem furos de parafuso 102' à linha de pro-cesso (não mostrada).

Os tubos de fluxo 130 e 130' são selecionados eapropriadamente montados aos blocos de montagem do tubo defluxo 120 e 120' tal como para terem substancialmente a mes-ma distribuição de massa, momentos de inércia, módulos deYoung em torno de eixos de curvatura W-W e W'-W', respecti-vamente. Esses eixos de curvatura vão até as barras de bra-çadeira 140 e 140'. Visto que o módulo de Young dos tubos defluxo muda com a temperatura, e essa mudança afeta o cálculode fluxo e densidade, o detector de temperatura resistivo(RTD) 190 é montado ao tubo de fluxo 130', para continuamen-te medir a temperatura do tubo de fluxo. A temperatura dotubo de fluxo e, portanto, a voltagem aparecendo através doRTD para uma dada corrente passando através dele é governadapela temperatura do material passando através do tubo defluxo. A voltagem dependente da temperatura aparecendo atra-vés do RTD é usada em um método bem conhecido pela eletrôni-ca de medição 20 para compensar a mudança no módulo elásticodos tubos de fluxo 130 e 130' devido a quaisquer mudanças natemperatura do tubo de fluxo. 0 RTD é conectado ao eletrôni-co de medição 20 pelo fio 195.

Ambos os tubos de fluxo 130 e 130' são acionadospelo acionador 180 em direções opostas em torno de seus res-pectivos eixos de curvatura WeW' e o que é chamado do pri-meiro modo de curvatura fora de fase do medidor de fluxo.Esse mecanismo de acionamento 180 pode compreender qualquerum dos muitos arranjos bem conhecidos, tal como um imã mon-tado ao tubo de fluxo 130'e uma bobina oposta montada ao tu-bo de fluxo 130 e através da qual uma corrente alternada épassada para vibrar ambos os tubos de fluxo. Um sinal de a-cionamento adequado é aplicado pela eletrônica de medição20, via o fio 185, ao mecanismo de acionamento 180.

A eletrônica de medição 20 recebe o sinal de tem-peratura RTD no fio 195, e os sinais de velocidade esquerdoe direito aparecendo nos fios 165L e 165R, respectivamente.A eletrônica de medição 20 produz o sinal de acionamento a-parecendo no fio 185 para acionar o elemento 180 e os tubosvibratórios 130 e 130' . A eletrônica de medição 20 processaos sinais de velocidade esquerdo e direito e o sinal RTD pa-ra computar a taxa de fluxo de massa e a densidade do mate-rial que está passando através do conjunto de medidores 10.Essa informação, junto com outra informação, é aplicada pelaeletrônica de medição 20 sobre o caminho 26 a dispositivosde utilização 29.

A FIG. 2 mostra a eletrônica de medição 20 de a-cordo com uma modalidade da invenção. A eletrônica de medi-ção 20 pode incluir uma interface 201 e um sistema de pro-cessamento 203. A eletrônica de medição 20 recebe o primeiroe o segundo sinal sensor 210 e 211 a partir do conjunto demedidores 10, tal como os sinais sensores de pic-koff/velocidade. A eletrônica de medição 20 pode operar comoum medidor de fluxo de massa ou pode operar como densitôme-tro, incluindo operar como um medidor de fluxo Coriolis. Aeletrônica de medição 20 processa o primeiro e o segundo si-nal sensor 210 e 211 de modo a obter características de flu-xo do material de fluxo que flui através do conjunto de me-didores 10. Por exemplo, a eletrônica de medição 20 pode de-terminar uma ou mais de uma diferença de fase, uma freqüên-cia, uma diferença de tempo (At), uma densidade, uma taxa defluxo de massa, e uma taxa de fluxo de volume a partir dossinais sensores, por exemplo. Em adição, outras caracterís-ticas de fluxo podem ser determinadas de acordo com a inven-ção. As determinações são discutidas abaixo.

A determinação da diferença de fase e a determina-ção da freqüência são muito mais rápidas e mais precisas econfiáveis do que tais determinações na técnica anterior.Isso reduz vantajosamente o tempo de processamento exigidode modo a computar as características de fluxo e aumenta aprecisão de ambas as características de fluxo. Conseqüente-mente, ambas a diferença de fase e a freqüência podem serdeterminadas muito mais rápido do que na técnica anterior.

Os métodos de determinação de freqüência da técni-ca anterior tipicamente levam 1-2 segundos para executar. Emcontraste, a determinação de freqüência de acordo com a in-venção pode ser executada em no máximo 50 milisegundos (ms).Ainda mais rápida a determinação da freqüência é observada,dependendo do tipo e configuração do sistema de processamen-to, a taxa de amostragem da resposta vibracional, os tama-nhos de filtro, as taxas de decimação, etc. Na taxa de de-terminação de freqüência de 50 ms, a eletrônica de medição20 de acordo com a invenção pode ser aproximadamente 4 0 ve-zes mais rápida do que na técnica anterior.

A interface 201 recebe o sinal sensor a partir deum dos sensores de velocidade 170L e 170R via os fios 100 daFIG. 1. A interface 201 pode executar qualquer condiciona-mento de sinal desejado ou necessário, tal como qualquer ma-neira de formatar, amplificar, armazenar, etc. Alternativa-mente, algum ou todo o condicionamento de sinal pode ser e-xecutado no sistema de processamento 203.

Em adição, a interface 201 pode habilitar comuni-cação entre a eletrônica de medição 20 e dispositivos exter-nos. A interface 201 pode ser capaz de qualquer maneira decomunicação eletrônica, óptica, ou sem fio.

A interface 201 em uma modalidade é acoplada a umdigitalizador 202, onde o sinal sensor compreende um sinalsensor analógico. O digitalizador 202 amostra e digitaliza osinal sensor analógico e produz um sinal sensor digital. Odigitalizador 202 pode também executar qualquer decimaçãonecessária, onde o sinal sensor digital é decimado de modo areduzir a quantidade de processamento de sinal necessária ea reduzir o tempo de processamento. A decimação será discu-tida mais detalhadamente abaixo.O sistema de processamento 203 conduz operações daeletrônica de medição 20 e processa medições de fluxo a par-tir do conjunto de medidores de fluxo 10. O sistema de pro-cessamento 203 executa uma ou mais rotinas de processamentoe desse modo processa as medições de fluxo de modo a produ-zir uma ou mais características de fluxo.

O sistema de processamento 203 pode compreender umcomputador de propósito geral, um sistema de microprocessa-mento, um circuito lógico, ou algum outro dispositivo deprocessamento de propósito geral ou personalizado. 0 sistemade processamento 203 pode ser distribuído entre múltiplosdispositivos de processamento e pode inclui qualquer maneirade meio de armazenamento eletrônico integrado ou independen-te, tal como sistema de armazenamento 204.

O sistema de processamento 203 processa o primeirosinal sensor 210 e o segundo sinal sensor 211 de modo a de-terminar uma ou mais características de fluxo, que podem in-cluir uma diferença de fase, uma freqüência, uma diferençade tempo (At), uma taxa de fluxo de massa, e/ou uma densida-de para o material de fluxo, por exemplo.

Na modalidade mostrada, o sistema de processamento203 determina as características de fluxo a partir dos si-nais sensores 210 e 211 e um único deslocamento de fase de90 graus 213. O sistema de processamento 203 pode determinarpelo menos a diferença de fase e a freqüência a partir dosdois sinais sensores 210 e 211 e o único deslocamento de fa-se de 90 graus 213. Em adição, o sistema de processamento203 pode determinar uma diferença de fase, uma diferença detempo (Δt), e/ou uma taxa de fluxo de massa para o materialde fluxo, entre outras coisas.

O sistema de armazenamento 204 pode armazenar pa-râmetros de medidor de fluxo e dados, rotinas de software,valores constantes, e valores variáveis. Em uma modalidade,o sistema de armazenamento 204 inclui rotinas que são execu-tadas pelo sistema de processamento 203. Em uma modalidade,o sistema de armazenamento 204 armazena uma rotina de deslo-camento de fase 212, uma rotina de diferença de fase 215,uma rotina de freqüência 216, uma rotina de diferença detempo (Δt) 217, e uma rotina de características de fluxo218 .

Em uma modalidade, o sistema de armazenamento 204armazena variáveis usadas para operar um medidor de fluxo,tal como o medidor de fluxo Coriolis 5. 0 sistema de armaze-namento 204 em uma modalidade armazena variáveis, tal como oprimeiro sinal sensor 210 e o segundo sinal sensor 211, quesão recebidos a partir dos sensores de velocidade/pickoff170L e 170R. Em adição, o sistema de armazenamento 204 podearmazenar um deslocamento de fase de 90 graus 213 que é ge-rado de modo a determinar as características de fluxo.

Em uma modalidade, o sistema de armazenamento 204armazena uma ou mais características de fluxo obtidas a par-tir das medições de fluxo. O sistema de armazenamento 204 emuma modalidade armazena características de fluxo tal comouma diferença de fase 220, uma freqüência 221, uma diferençade tempo (Δt) 222, uma taxa de fluxo de massa 223, uma den-sidade 224, e uma taxa de fluxo de volume 225.A rotina de deslocamento de fase 212 executa umdeslocamento de fase de 90 graus em um sinal de entrada, is-to é, no sinal sensor 210. A rotina de deslocamento de fase212 em uma modalidade implementa uma transformada de Hilbert(discutida abaixo).

A rotina de diferença de fase 215 determina umadiferença de fase usando demodulação em quadratura. Informa-ção adicional pode também ser usada de modo a computar a di-ferença de fase. Esta, em uma modalidade, é computada á par-tir do primeiro sinal sensor 210, do segundo sinal sensor211, e da freqüência 221. A diferença de fase determina podeser armazenada na diferença de fase 220 do sistema de arma-zenamento 204. A diferença de fase, quando determinada usan-do a freqüência determina 221, pode ser calculada e obtidamuito mais rápido do que na técnica anterior. Isso pode for-necer uma diferença crucial nas aplicações de medidor defluxo tendo altas taxas de fluxo ou onde fluxos multifaseocorrem.

A rotina de freqüência 216 determina uma freqüên-cia (tal como aquela exibida ou pelo primeiro sinal sensor210 ou pelo segundo sinal sensor 211) a partir do. desloca-mento de fase de 90 graus 213. A freqüência determina podeser armazenada na freqüência 221 do sistema de armazenamento204. A freqüência, quando determinada a partir do único des-locamento de fase de 90 graus 213 e dos sinais sensores 210e 211, pode ser calculada e obtida muito mais rápido do quena técnica anterior. Isso pode fornecer uma diferença cruci-al em aplicações de medidor de fluxo tendo altas taxas defluxo ou onde fluxos multifase ocorrem.

A rotina de diferença de tempo (At) 217 determinauma diferença de tempo (At) entre o primeiro sinal sensor210 e o segundo sinal sensor 211. A diferença de tempo (At)pode ser armazenada na diferença de tempo (At) 222 do siste-ma de armazenamento 204. A diferença de tempo (At) compreen-de substancialmente a fase determinada dividida pela fre-qüência determinada, e é, portanto, usada para determina ataxa de fluxo de massa.

A rotina de características de fluxo 218 pode de-terminar uma ou mais características de fluxo. A rotina decaracterísticas de fluxo 218 pode usar a diferença de fasedetermina 220 e a freqüência determinada 221, por exemplo,de modo a executar essas características de fluxo adicio-nais. Dever-se-ia entender que informação adicional pode serexigida para essas determinações, tal como taxa de fluxo demassa ou densidade, por exemplo. A rotina de característicasde fluxo 218 pode determinar uma taxa de fluxo de massa apartir da diferença de tempo (At) 222 e, portanto, a partirda diferença de fase 220 e da freqüência 221. A fórmula paradeterminar a taxa de fluxo de massa é dada na Patente Norte-Americana No. 5.027.662 a Titlow e outros, e é incorporadaaqui como referência. A taxa de fluxo de massa está relacio-nada ao fluxo de massa de material de fluxo no conjunto demedidores 10. Igualmente, a rotina de características defluxo 218 pode também determinar a densidade 224 e/ou a taxade fluxo de volume 225. A taxa de fluxo de massa determina-da, densidade, e taxa de fluxo de volume podem ser armazena-das na taxa de fluxo de massa 223, na densidade 224, e novolume 225 do sistema de armazenamento 204, respectivamente.Em adição, as características de fluxo podem ser transmiti-das a dispositivos externos pela eletrônica de medição 20.

A FIG. 3 é um diagrama de bloco 300 de uma partedo sistema de processamento 203 de acordo com uma modalidadeda invenção. Na figura, os blocos representam ou o circuitode processamento ou as ações/rotinas de processamento. O di-agrama de bloco 300 inclui um bloco de filtro de estágio 1301, um bloco de filtro de estágio 2 302, um bloco de trans-formada de Hilbert 303, e um bloco de análise 304. As entra-das LPO e RPQ compreendem a entrada de sinal pickoff esquer-da e a entrada de sinal pickoff direita. Ou o LPO ou o PORpode compreender um primeiro sinal sensor.

Em uma modalidade, o bloco de filtro de estágio 1301 e o bloco de filtro de estágio 2 302 compreendem filtrosde decimação polifásicos de Resposta a Impulso Finito (FIR)digitais, implementados no sistema de processamento 203. Es-ses filtros fornecem um método ótimo para filtrar e decimarum ou ambos os sinais sensores, com a filtragem e a decima-ção sendo executadas no mesmo tempo cronológico e na mesmataxa de decimação. Alternativamente, o bloco de filtro deestágio 1 301 e o bloco de filtro de estágio 2 302 podemcompreender filtros de Resposta a Impulso Infinito (IIR) ououtros filtros digitais adequados ou processos de filtragem.Entretanto, dever-se-ia entender que outros processos defiltragem e/ou modalidades de filtragem são observados e es-tão no escopo da descrição e reivindicações.A FIG. 4 mostra detalhes do bloco de transformadade Hilbert 303 de acordo com uma modalidade da invenção. Namodalidade mostrada, o bloco de transformada de Hilbert 303inclui um bloco de retardo LPO 401 em paralelo com um blocode filtro LPO 402. 0 bloco de retardo LPO 401 introduz umretardo de amostragem. 0 bloco de retardo LPO 401, portanto,seleciona amostras de sinal digital LPO que estão cronologi-camente mais atrasadas no tempo do que as amostras de sinaldigital LPO que são filtradas pelo bloco de filtro LPO 402.

0 bloco de filtro LPO 402 executa um deslocamento de fase de90 graus nas amostras de sinal digital inseridas.

O bloco de transformada de Hilbert 303 é uma pri-meira etapa para fornecer a medição de fase. Ele recebe ossinais LPO e RPO decimados e executa uma transformada deHilbert. A transformada de Hilbert produz versões deslocadasem fase de 90 graus do sinal LPO. A saida do bloco de trans-formada de Hilbert 303, portanto, fornece um novo componenteem quadratura (Q) LPO Q, junto com os componentes de sinalem fase (I) originais LPO I.

A entrada para o bloco de transformada de Hilbert303 pode ser representada como:

LPO = Aip0 cos (wt) (1)

Usando a transformada de Hilbert, a saida se torna:

LPOHilbert = Aip0 sen (wt) (2)

Combinando os termos originais com a saida datransformada de Hilbert resulta:

LPO = Aipo [cos (wt) + isen(wt)] = Aipoej íwt) (3)A FIG. 5 é um diagrama de bloco de uma parte defreqüência 500 do bloco de análise 304 de acordo com uma mo-dalidade da invenção. O bloco de análise 304 na modalidademostrada é o estágio final das medições de freqüência e dedelta T (At) . Na modalidade mostrada, a parte de freqüência500 determina uma freqüência dos componentes em fase (I) eem quadratura (Q) de um único sinal sensor. A parte de fre-qüência 500 pode operar ou no sinal pickoff esquerdo ou di-reito (LPO ou RPO). Na modalidade mostrada, a parte de fre-qüência 500 opera no sinal LPO. A parte de freqüência 500 namodalidade mostrada inclui um bloco de junção 501, um blocode conjugado complexo 502, um bloco de amostragem 503, umbloco de multiplicação complexa 504, um bloco de filtro 505,um bloco de ângulo de fase 506, um bloco constante 507, e umbloco de divisão 508.

O bloco de junção 501 recebe ambos os componentesem fase (I) e em quadratura (Q) de um sinal sensor e os pas-sa adiante. 0 bloco de conjugado 502 executa um conjugadocomplexo em um sinal sensor, aqui o sinal LPO. O bloco deretardo 503 introduz um retardo de amostragem e, portanto,seleciona uma amostra de sinal digital que está cronologica-mente mais velha no tempo. Essa amostra de sinal digitalmais velha é multiplicada com o sinal digital de corrente nobloco de multiplicação complexa 504. O bloco de multiplica-ção complexa 504 multiplica o sinal LPO e o sinal conjugadoLPO, implementando a equação (4) abaixo. O bloco de filtro505 implementa um filtro digital, tal como o filtro FIR pre-viamente discutido. O bloco de filtro 505 pode compreenderum filtro de decimação polifásico que é usado para removerconteúdo harmônico dos componentes em fase (I) e em quadra-tura (Q) do sinal sensor, bem como para decimar o sinal. Oscoeficientes de filtro podem ser escolhidos para fornecerdecimação do sinal inserido, tal como decimação por um fatorde 10, por exemplo. 0 bloco de ângulo de fase 506 determinaum ângulo de fase dos componentes em fase (I) e em quadratu-ra (Q) do sinal LPO. 0 bloco de ângulo de fase 506 implemen-ta uma parte da equação (5) abaixo. O bloco constante 507fornece um fator compreendendo uma taxa de amostra Fs divi-dida por dois pi (π), como mostrado na equação (6). O blocode divisão 508 executa a operação de divisão da equação (6).

0 processamento de freqüência implementa a seguin-te equação:

<formula>formula see original document page 23</formula>

O ângulo entre duas amostras consecutivas é, por-tanto:

<formula>formula see original document page 23</formula>

que é a freqüência radiana do pickoff esquerdo.

Convertendo para Hz:

<formula>formula see original document page 23</formula>

Aqui " Fs" é a taxa do bloco de transformada deHilbert 303. No exemplo previamente discutido, "Fs" é apro-ximadamente 2 kHz.

A FIG. 6 é um diagrama de bloco de uma parte dediferença de fase 600 do bloco de análise 304 de acordo comuma modalidade da invenção. A parte de diferença de fase 600emite uma diferença de fase entre o sinal de entrada LPO e osinal de entrada RPO. A parte de diferença de fase 600 podeser incluída no bloco de análise 304 junto com a parte defreqüência 500 da FIG. 5. Na figura, os blocos representamou circuito de processamento ou ações/rotinas de processa-mento. A parte de diferença de fase 600 inclui um bloco ge-rador de modulação 601, um bloco de junção 602, blocos real-complexo 604 e 605, blocos de demodulação em quadratura 608e 609, blocos de decimação 610 e 611, um bloco conjugado612, e um bloco de correlação 614.

O bloco gerador de modulação 601 gera termos senoe cosseno a partir do valor de freqüência radiana (w) que éemitida pela parte de freqüência 500. O bloco gerador demodulação 601, portanto, recebe uma referência de freqüênciaa partir da parte de freqüência 500. Como a parte de fre-qüência 500 pode ser obtida muito mais rápido e mais confia-velmente do que na técnica anterior, conseqüentemente a de-terminação de diferença de fase pode ser também obtida muitomais rápida e mais confiavelmente do que na técnica anteri-or. Os termos seno e cosseno compreendem componentes em fase(I) e em quadratura (Q) da referência de freqüência. Os ter-mos seno e cosseno gerados pelo bloco gerador de modulação601 são inseridos no bloco de junção 602.

O bloco de junção 602 recebe os componentes em fa-se (I) e em quadratura (Q) a partir do bloco gerador de mo-dulação 601. 0 bloco de junção 602 une os componentes em fa-se (I) e em quadratura (Q) e os passa adiante aos blocos dedemodulação em quadratura 608 e 609.Os blocos real-complexo 604 e 605 geram componen-tes imaginários (isto é, em quadratura) dos sinais de entra-da LPO e RPO. Os componentes em fase (real) e em quadratura(imaginários) resultantes compreendem senóides que incluemambos componentes seno e cosseno. Os blocos real-complexo604 e 605 passam os componentes em fase (real) e em quadra-tura (imaginário) resultantes de ambos os sinais aos blocosde demodulação em quadratura correspondentes 608 e 609.

Os blocos de demodulação em quadratura 608 e 609demodulam o sinal LPO e o sinal RPO usando as senóides. Ademodulação gera um primeiro sinal demodulado e um segundosinal demodulado. Em adição, essa demodulação produz um com-ponente de freqüência zero e um componente de alta freqüên-cia para cada um do LPO e do RPO. 0 componente de alta fre-qüência é removido posteriormente (ver abaixo). A saída dosblocos de demodulação em quadratura 608 e 609 é passada aosblocos de decimação 610 e 611, respectivamente.

Os blocos de decimação 610 e 611 podem decimar ossinais de demodulação em quadratura LPO e RPO. Por exemplo,os blocos de decimação 610 e 611 podem decimar esses doissinais por um fator de aproximadamente 10, por exemplo. Emadição, os blocos de decimação 610 e 611 podem executarqualquer filtragem desejada dos sinais de demodulação. Porexemplo, em uma modalidade, os blocos de decimação 610 e 611podem compreender um filtro de decimação polifásico que éusado para remover conteúdo harmônico (isto é, os componen-tes de alta freqüência) dos componentes em fase (I) e emquadratura (Q) do sinal sensor, bem como para decimar o si-nal. Os coeficientes de filtro podem ser escolhidos parafornecer decimação do sinal inserido, tal como decimação porum fator de 10, por exemplo. Os blocos de decimação 610 e611 passam o sinal RPO demodulado ao bloco conjugado 612 epassam o sinal LPO demodulado ao bloco de correlação 614.

0 bloco conjugado 612 executa um conjugado comple-xo no sinal RPO demodulado e o passa ao bloco de correlação614 .

0 bloco de correlação 614 correlaciona os sinaisdemodulados LPO e RPO. A operação de conjugação seguida pelacorrelação compreende uma operação de correlação cruzada. Acorrelação complexa pode compreender uma multiplicação queproduz um resultado mostrado nas equações (17) e (18). Comoum resultado, o bloco de correlação 614 produz o valor dediferença de fase (ou ângulo de fase) . A diferença de fasedeterminada pode ser usada para determinar várias caracte-rísticas de fluxo. Por causa dos dois processos de demodula-ção em quadratura mostrados na FIG. 6, a parte de diferençade fase 600 pode ser referida como uma corrente de demodula-ção em quadratura.

A FIG. 7 é um fluxograma 700 de um método de demo-dulação em quadradura de diferença de fase de acordo com umamodalidade da invenção. Na etapa 701, o primeiro e o segundosinal de sensor são recebidos.

Na etapa 702, um deslocamento de fase de 90 grausé gerado para um do primeiro e do segundo sinal sensor.

Na etapa 703, uma freqüência (f) é determinada apartir do deslocamento de fase de 90 graus e do sinal sensorcorrespondente. A freqüência (f) pode ser representada comouma freqüência radiana:

w = 2πf

A freqüência determinada (f) pode ser usada para determinar características de fluxo. A freqüência determina-da (f) pode também ser usada para determinar uma diferençade fase entre o primeiro e o segundo sinal sensor, tal comousando o método de corrente QD descrito acima.

Na etapa 704,- um sinal de referência (Wk) é cria- do. O sinal de referência (Wk) compreende um sinal seno ecosseno. Os sinais de referência (Wk) têm a mesma freqüênciados sinais LPO e RPO. A freqüência radiana w é operada porum gerador de modulação de modo a gerar recursivamente ossinais de referência de demodulação senoidais (Wk) , compre-endendo:

Wk = exp(-jwk) (8)

com os sinais de entrada LPO e RPO compreendendo:Xlpo (k) = Acos (wk + φLPO) (9)

Xrpo (k) = Acos(wk + φΕΡO) (10)

Na etapa 705, o sinal sensor xLPO é demodulado comos sinais de referência Wk. A demodulação compreende mistu-rar ou multiplicar o sinal sensor xLP0 com os sinais de refe-rência Wk de modo a produzir um sinal LPO demodulado.

Na etapa 706, o sinal sensor xRP0 é demodulado com os sinais de referência Wk. A demodulação compreende mistu-rar ou multiplicar o sinal sensor xRP0 com os sinais de refe-rência Wk de modo a produzir um sinal RPO demodulado.

Como um resultado, os sinais demodulados na saídados blocos de demodulação em quadratura 608 e 609 compreen-dem:

<formula>formula see original document page 28</formula>

Na etapa 707, os sinais demodulados são filtradosde modo a remover termos de alta freqüência. Esses termos dealta freqüência da demodulação em quadratura compreendem ostermos [exp(-j(2wk + Φιρο/κρο))] nas equações (13) e (14) aci-ma. Uma operação de filtro passa-baixa pode ser usada pararemover os termos de alta freqüência. Em uma modalidade, afiltragem pode compreender uma decimação (I,Q) X 40 cascatadupla de filtros de decimação. A saida dessa filtragem é re-presentada por:

<formula>formula see original document page 28</formula>

Na etapa 708, um dos sinais demodulados (tal comoo sinal RPO demodulado na FIG. 6) é conjugado. A operação deconjugação forma um negativo do sinal imaginário.

Na etapa 709, as saídas de filtro são correlacio-nadas por um estagio de correlação complexa. As etapas deconjugação e correlação da operação de correlação complexaresultam:

<formula>formula see original document page 28</formula>

onde o segundo termo z representa a conjugaçãocomplexa da etapa 708. Segue da equação (16) que a salda decorrelação/multiplicação compreende:

<formula>formula see original document page 29</formula>

Conseqüentemente, o ângulo de fase compreende:

<formula>formula see original document page 29</formula>

A diferença de fase é, portanto, emitida.

A eletrônica de medição e o método para determinaruma diferença de fase entre um primeiro sinal sensor e umsegundo sinal sensor de um medidor de fluxo de acordo com ainvenção podem ser implementados de acordo com qualquer umadas modalidades de modo a obter várias vantagens, se deseja-do. A invenção pode computar uma diferença de fase a partirde uma freqüência determinada e o primeiro e o segundo si-nais sensores. A invenção pode fornecer uma determinação dediferença de fase de maior precisão e confiabilidade. A in-venção pode fornecer uma determinação de diferença de fasemais rápida do que a técnica anterior e enquanto consumindomenos tempo de processamento.

Claims

1. Eletrônica de medição (20) para determinar umadiferença de fase entre um primeiro sinal sensor e um segun-do sinal sensor de um medidor de fluxo, CARACTERIZADA pelofato de que compreende:uma interface (201) para receber um primeiro sinalsensor e um segundo sinal sensor; eum sistema de processamento (203) em comunicaçãocom a interface (201) e configurado para receber o primeirosinal sensor e o segundo sinal sensor, gerar um deslocamentode fase de noventa graus a partir do primeiro sinal sensor,calcular uma freqüência a partir do primeiro sinal sensor eo deslocamento de fase de noventa graus, gerar sinais de se-no e cosseno usando a freqüência, e demodular em quadraturao primeiro sinal sensor e o segundo sinal sensor usando ossinais de seno e cosseno de modo a determinar a diferença defase.

2. Eletrônica de medição (20), de acordo com areivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o sistema deprocessamento (203) é adicionalmente configurado para compu-tar uma ou mais de uma taxa de fluxo de massa, uma densida-de, ou uma taxa de fluxo de volume usando uma ou mais dafreqüência e da diferença de fase.

3. Eletrônica de medição (20), de acordo com areivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o sistema deprocessamento (203) é adicionalmente configurado para compu-tar o deslocamento de fase de noventa graus usando umatransformada de Hilbert.

4. Eletrônica de medição (20), de acordo com areivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a demodula-ção em quadratura gera um primeiro sinal demodulado e um se-gundo sinal demodulado e o sistema de processamento (203) éadicionalmente configurado para filtrar o primeiro sinal de-modulado e o segundo sinal demodulado de modo a remover oscomponentes de alta freqüência e correlacionar de modo cru-zado o primeiro sinal demodulado e o segundo sinal demodula-do de modo a determinar a diferença de fase.

5. Método para determinar uma diferença de faseentre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor deum medidor de fluxo, CARACTERIZADO pelo fato de que compre-ende :receber o primeiro sinal sensor e o segundo sinalsensor;gerar um deslocamento de fase de noventa graus apartir do primeiro sinal sensor;calcular uma freqüência a partir do primeiro sinalsensor e o deslocamento de fase de noventa graus;gerar sinais de seno e cosseno usando a freqüên-cia; edemodular em quadratura o primeiro sinal sensor eo segundo sinal sensor usando os sinais de seno e cosseno demodo a determinar a diferença de fase.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreendecomputar uma ou mais de uma taxa de fluxo de massa, uma den-sidade, ou uma taxa de fluxo de volume usando uma ou mais dafreqüência e da diferença de fase.

7. Método, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreendecomputar o deslocamento de fase de noventa graus usando umatransformada de Hilbert.

8. Método, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO pelo fato de que a demodulação em quadraturagerando um primeiro sinal demodulado e um segundo sinal de-modulado adicionalmente compreende:filtrar o primeiro sinal demodulado e o segundosinal demodulado de modo a remover componentes de alta fre-qüência; ecorrelacionar de forma cruzada o primeiro sinaldemodulado e o segundo sinal demodulado de modo a determinara diferença de fase.

9. Método para determinar uma diferença de faseentre um primeiro sinal sensor e um segundo sinal sensor deum medidor de fluxo, CARACTERIZADO pelo fato de que compre-ende :receber o primeiro sinal sensor e o segundo sinalsensor;gerar um deslocamento de fase de noventa graus apartir do primeiro sinal sensor;calcular uma freqüência a partir do primeiro sinalsensor e o deslocamento de fase de noventa graus;gerar sinais de seno e cosseno usando a freqüên-cia; edemodular em quadratura o primeiro sinal sensor eo segundo sinal sensor usando os sinais de seno e cosseno,com a demodulação em quadratura gerando um primeiro sinaldemodulado e um segundo sinal demodulado;filtrar o primeiro sinal demodulado e o segundosinal demodulado de modo a remover componentes de alta fre-qüência; ecorrelacionar de forma cruzada o primeiro sinaldemodulado e o segundo sinal demodulado de modo a determinara diferença de fase.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADO pelo fato de que compreende computar uma oumais de uma taxa de fluxo de massa, uma densidade, ou umataxa de fluxo de volume usando uma ou mais da freqüência eda diferença de fase.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreendecomputar o deslocamento de fase de noventa graus usando umatransformada de Hilbert.