CN100578166C - 具有内置仿真器的磁流量计 - Google Patents

Abstract

一种包括微分放大器(290)的磁流量计变送器(200)，所述微分放大器(290)对实际磁流量计电极输出(208、214)与仿真电极输出(224、226)的加性组合进行检测。所述微分放大器提供加性放大器输出(232、234)。仿真器(220)提供仿真电极输出。所述仿真器检测所述加性放大器输出，并当所述加性放大器输出位于正常范围之外时提供错误指示(230)。

Description

具有内置仿真器的磁流量计

技术领域

本发明涉及磁流量计的诊断。

背景技术

磁流量计用于流体处理装置中的液体流量测量，所述流体处理装置的例子有：化工厂、食品加工厂和纸浆造纸厂。磁流量计包括安装在管道系统中的流量管(flowtube)配件。磁流量计还包括通过电缆与流量管配件相连的变送器(transmitter)，或者所述变送器可以集成地安装到流量管配件。

由于过度的温度、振动、化学侵蚀等，磁流量计会发生故障。当故障发生时，需要快速诊断该故障并更换系统中损坏的部件。探知磁流量计中哪个部分发生故障是困难的，尤其是当流量管配件安装在不可访问的位置时。期望使故障诊断能够自动化，从而服务人员能够快速地确定变送器是否需要更换或流量管配件和电缆线路是否需要更换。

发明内容

公开了一种磁流量计变送器。所述磁流量计变送器包括微分放大器，所述微分放大器对实际磁流量计电极输出与仿真电极输出的加性组合进行检测。所述微分放大器提供加性放大器输出。仿真器提供仿真电极输出。所述仿真器检测所述加性放大器输出，并当所述加性放大器输出位于正常范围之外时提供错误指示。

附图说明

图1示出了磁流量计的流量管配件。

图2A示出了第一磁流量计变送器。

图2B示出了第二磁流量计变送器。

图3示出了第三磁流量计变送器。

图4示出了提供仿真流量信号以测试磁流量计变送器的方法的典型流程图。

图5示出了进行流量测量的正常流量测量的时序图。

图6示出了进行仿真测量的仿真测量周期的时序图。

具体实施方式

在下文所述的实施例中，磁流量计设置有内置于磁流量计变送器内的仿真器。所述仿真器提供了仿真电极输出，用于测试磁流量计变送器中的有效电子器件，并用于在有效电子器件发生故障时提供错误指示。这个错误指示使服务人员能够快速探知磁流量计是否由于变送器问题或流量管和电缆线路问题而发生故障。仿真器可以自动地操作，或可以由服务人员键入的命令而激活。

图1示出了磁流量计流量管配件100。流量管配件100承载着经过导管104的流动液体102。磁线圈106、108承载着在液体102中产生磁场B的电流110。随着液体102流过磁场B，根据法拉第磁感应定律，液体102中产生了电势差。这个电势差由流量管电极112、114来检测，并与经过导管104的液体102的流速直接成比例。

流量管电极112通过导线116连接到负电极端子118。流量管电极114通过导线120连接到正电极端子122。地电极124提供过程流体的地连接。地电极124通过导线126(可以包括所示的电缆屏蔽)连接到信号地端子128。地电极124可以是导管104中的金属引脚，或可选择地是地环或与液体102接触的金属管道。线圈端子130、132通过导线134、136、138连接到磁线圈106、108，以提供电流110。典型地，电流110是斜方波，其幅度典型地为大约0.5至0.075安培，而其基频典型地为3至75赫兹。

流量管配件100上的端子118、122、128、130、132通过电缆配件140连接到磁流量计变送器，例如下文结合图2A、2B、3所述的磁流量计变送器之一。典型地，所述电缆配件包括用于电极导线的静电屏蔽电缆以及用于线圈导线的双绞线或屏蔽电缆。典型地，流量管配件100安装在过程管道系统中，并通过电缆配件140与磁流量计变送器相连。磁流量计变送器可以安装在流量管配件100上，或可以安装在远端位置并通过长电缆配件140而连接。流量管100和连接电缆经常遭受环境中的振动极限、温度极限、恶劣的化学环境、腐蚀性流体、撞击等以及损坏。当发生损坏时，流量管配件100可能位于加工厂的管道系统中，服务人员发现并解决故障变得困难且耗时。

图2A示出了磁流量计变送器200的一个实施例。当图2A与图1在电缆配件140处相结合以形成单一的完整磁流量计的示意图时，图2A可以得到最好的理解。

变送器200包括具有第一输入204和第二输入206的第一放大器202。第一输入204与第一流量管电极触点208相连。第一流量管电极触点208通过电缆配件140与图1中的电极端子122相连。变送器200还包括具有第三输入212和第四输入213的第二放大器210。第三输入212与第二流量管电极触点214相连。第二流量管电极触点214通过电缆配件140与图1中的电极端子118相连。变送器的信号地216与信号地触点218相连。信号地触点218通过电缆配件140与图1中的信号地端子128相连。放大器202、210的放大器输出232、234与模数转换器(ADC)235相连。ADC 235向处理器236提供数字输出237。优选地，处理器236包括数字信号处理器。处理器236根据放大器输出232、234之间的采样差的函数而计算并提供流量指示输出238。

放大器202、212以及与放大器202、212相关的偏压电路一同组成了微分放大器290。微分放大器290对实际流量电压和仿真流量电压的加性组合进行检测。微分放大器290提供了加性放大器输出(在线路232、234上)，该输出包括实际流量电压和仿真流量电压这两个分量。

变送器200包括仿真器220。在一个实施例中，仿真器220包括向第二输入206和第四输入213提供仿真电极输出224、226的仿真输出电路222。仿真电极输出224、226通过电阻器242、244与输入206、213相连。放大器202具有包括电阻器250、254和电容器256的反馈和偏压网络。放大器210具有包括电阻器258、260和电容器262的反馈和偏压网络。电阻器242、244与反馈和偏压网络形成了电阻分压器，它使高电平(例如3V量级)的仿真电极输出224、226变为输入206、213处的低电平信号分量(例如2毫伏量级)。放大器输出232、234与模数转换器(ADC)235相连。ADC产生代表由放大器202、210所检测的实际和仿真流量电压的数字输出237。

仿真器220包括接收ADC数字输出237的流量检测电路228。在正常操作间隔期间，流量检测电路228仅检测来自流量管的实际流量电压。在诊断测试间隔期间，流量检测电路检测实际流量电压和仿真流量电压。在正常操作间隔期间，由实际流量数据来更新流量指示输出238。在诊断测试间隔期间，基于对组合的实际流量电压和仿真流量电压的估计而更新错误指示230。当检测到的响应处于正确工作的变送器200的正常响应范围之外时，指示发生错误。优选地，流量检测电路228实现为所示嵌入式处理器236的一部分。嵌入式处理器236控制线圈驱动器电路249和仿真输出电路222的操作。线圈驱动器电路240产生调整后的线圈驱动电流(图1中的110)，该电流通过电缆配件140与图1中的端子130、132相连。

根据处理器236所设置的自动时间调度、或作为服务人员键入的请求的结果，处理器在线路270上向仿真输出电路222提供输出，使仿真输出电路222暂时在线路224、226上产生仿真流量输出。这被称作诊断测试间隔。在这个仿真流量条件中，处理器236没有更新流量指示输出238，而是更新错误指示230。本领域的技术人员可以理解，仿真流量输出的产生可以由软件、固件、硬件或硬件、固件、软件的组合来控制。如果放大器输出232、234处于该测试仿真的正常范围之外，那么流量检测电路提供错误指示230，指示变送器的电子器件发生故障。这个错误指示230告知服务人员需要更换变送器。如果流量计系统发生故障但没有出现错误指示230，则告知服务人员变送器可能工作正常，而且服务人员可以把发现并解决故障的工作集中于电缆配件140和流量管配件100。

下文通过结合图2B、3所述的实例更加详细地描述变送器200的附加实施例。

图2B示出了磁流量计变送器272的另一个实施例。当图2B与图1在电缆配件140处相结合以形成单一的完整磁流量计的示意图时，图2B可以得到最好的理解。图2B中使用的与图2A中相同的附图标记描述了相同或相似的特征。

在图2B中，流量管电极触点208、214与单位增益缓冲器274、276的高阻抗输入相连。单位增益缓冲器274、276的输出通过电阻器275、277与微分放大器282的输入278、280相连。微分放大器282的放大器输出284与模数转换器(ADC)235相连。ADC的输出237与嵌入式处理器236相连。仿真输出电路222提供仿真电极输出224、226，仿真电极输出224、226通过电阻器242、244与放大器输入278、280相连。

放大器282和与放大器282相关的偏压电路一同组成了微分放大器292。微分放大器292对实际流量电压和仿真流量电压的加性组合进行检测。微分放大器292提供了加性放大器输出(在线路284上)，该输出包括实际流量电压和仿真流量电压这两个分量。

图2B所示的装置提供了简单的微分放大器电路装置，其中实际电极输出和仿真电极输出都与相同的微分放大器输入对278、280相连。在其它方面，图2B所示的磁流量变送器272与图2A所示的磁流量变送器类似。

根据另一个实施例，图3示出了磁流量计变送器300。当图3与图1相结合以形成单一的完整磁流量计的示意图时，图3可以得到最好的理解。

变送器300包括具有第一输入304和第二输入306的第一放大器302。第一输入304通过滤波器(RC电路)364和无源滤波器电路366与第一流量管电极触点308相连。第一流量管电极触点308通过电缆配件140与图1中的电极端子122相连。

变送器300还包括具有第三输入312和第四输入313的第二放大器310。第三输入312通过滤波器(RC电路)368和无源滤波器电路366与第二流量管电极触点314相连。第二流量管电极触点314通过电缆配件140与图1中的电极端子118相连。变送器的信号地316与信号地触点318以及无源滤波器电路366相连。信号地触点318通过电缆配件140与图1中的信号地端子128相连。放大器302、310的放大器输出332、334与模数转换器(ADC)335相连。ADC 335向嵌入式处理器336提供数字输出337，其中嵌入式处理器336根据放大器输出332、334的函数来计算并提供流量指示输出338。优选地，嵌入式处理器336包括数字信号处理电路(DSP)。

变送器300包括仿真器320。为了诊断的目的，仿真器320把仿真信号添加或叠加到流量信号上。仿真器320包括向第二输入306和第四输入313提供仿真电极输出(SIM1)324、(SIM2)326的仿真输出电路322。仿真电极输出通过电阻器342、344与输入306、313相连。放大器302具有包括电阻器350、354和电容器356的反馈和偏压网络。放大器310具有包括电阻器358、360和电容器362的反馈和偏压网络。电阻器342、344与反馈和偏压网络形成了电阻分压器，它使高电平的仿真电极输出324、326在输入306、313处变为低电平的信号分量(例如1毫伏量级)。共模调整电路370检测放大器输出332、334的平均值，并向节点372提供共模电压调整信号。

放大器302、312以及与放大器302、312相关的偏压电路一同组成了微分放大器390。微分放大器390检测实际流量电压和仿真流量电压的加性组合。微分放大器390提供包括实际流量电压和仿真流量电压这两个分量的加性放大器输出(在线路332、334上)。

仿真器320包括流量检测电路328，它检测针对仿真电极输出324、326的响应，并且当检测到的响应处于正常工作的变送器300的正常响应范围之外时提供错误指示330。流量检测电路328用于检测流量以提供流量指示输出338，并用于检测流量和仿真输出的叠加或加性组合以提供错误指示330。取决于是否施加仿真输出，流量检测电路328由处理器控制，以提供适合的输出(流量指示输出338或错误指示330)。优选地，流量检测电路328实现为所示嵌入式处理器336的一部分。嵌入式处理器336控制线圈驱动器电路340和仿真输出电路322的操作。线圈驱动器电路340产生调整后的线圈驱动电流(图1中的110)，线圈驱动电流通过电缆配件140与图1中的端子130、132相连。

无源滤波器电路366和滤波电路364、368包括例如电阻器、电容器和电感器的无源组件，不包括例如二极管、晶体管和集成电路的有源组件。无源组件的使用提供了相比于有源组件的组件故障率来说非常低的组件故障率。仿真电极输出324、326没有通过无源滤波器电路366或滤波电路364而连接，但仿真电极输出通过例如放大器302和310、ADC 335以及处理器336的有源组件而连接并测试。实际电极信号进入输入304、312，而仿真电极信号进入与输入304、312相分离的输入306、313。这个装置防止在正常操作期间仿真电极信号加载有实际电极信号。

根据这个实施例，可选的控制电路374以及“与”门376、378、380产生与线圈定序器信号CL和CH同步的仿真电极信号。控制电路374和与门376、378、380可以是所示的分立电路，或可选择地实现为嵌入式处理器336的一部分。

下文根据图4中的实例流程图更加详细地描述图3中的流量检测电路328的操作。下文通过图5、6中所示的示例时序图更加详细地描述图3中的信号的时序。

图4示出了提供仿真流量信号以测试磁流量变送器的方法的典型流程图。所述方法的起点为起始400，在起始400被标记为“N”的测量周期开始。测量周期是如下的时间间隔：在测量周期中，电流(例如图1中的电流110)完成正负极电流的完整周期，而且处理器(例如图3中的处理器336)从ADC输出(例如图3中的ADC输出)获得包括多个样本的流、并计算出流量测量或计算出仿真流量电平。典型地，测量周期持续例如0.1秒。

所述方法从起始400沿着线402继续进行到判决块404。在判决块404处，当前测量周期整数“N”与仿真间距整数“M”进行比较。典型地，仿真间距数“M”处于10-10,000的范围内。仿真间距数规定了测量周期用于仿真测试而不是流量测量的频繁程度。例如，如果M＝10，那么每第十个测量周期(例如N＝10，20，30，40，50，等)执行仿真测试(而不是实际流量测量)。

如果当前数“N”不是“M”的倍数，那么所述方法沿着线406进行到动作块408。在动作块408，执行正常的流量测量，然后所述方法沿着线410回到起始400，从而开始下一个测量周期N＝N+1。

如果当前数“N”是“M”的倍数，那么所述方法沿着线412继续进行到动作块414。在动作块414处，逻辑线路MUX1_3V和MUX2_3V(图3)被设置为高，从而使定序信号CL和CH(图3中的控制电路374)经过与门376、380(图3)以形成仿真信号SIM1、SIM2(图3中的324、326)。在动作块414完成后，所述方法沿着线416前进到动作块418。

在动作块418处，当仿真流量信号出现在图3中的放大器输入332、334上时，流量检测电路(图3中的328)完成对所述仿真流量信号的测量。在动作块418完成后，所述方法沿着线420继续进行到动作块422。在动作块422处，MUX1_3V和MUX2_3V被设置为低。在动作块422完成后，所述方法沿着线424继续进行到判决块426。

在判决块426处，仿真流量信号与仿真流量信号的正常范围进行比较。在优选装置中，仿真流量信号被叠加到正常流量信号上，下文结合图6中的时序图更加详细地进行解释。然而作为备选，可以使用开关来断开或旁路实际流量信号，从而在诊断测试间隔期间仅有仿真信号到达放大器。

如果仿真流量信号处于正常范围内，则所述方法沿着线428回到起始400，从而开始下一个测量周期。如果仿真流量信号不处于正常范围内，则所述方法沿着线430继续进行到动作块432。

在动作块432处，设置错误标志。所述错误标志提供了图3中的错误指示330。错误指示330向服务人员提供了肯定指示，即变送器300的有源电路中出现故障。另一方面，如果不存在错误指示，则这向服务人员提供如下指示：任何观察到的流量测量故障可能会在流量管100(图1)或电缆配件140中、而不是在变送器300中找到。

在动作块432完成后，所述方法沿着线434回到起始400。

图5示出了进行流量测量且不出现仿真信号的正常的流量测量周期的时序图。在图5中，水平轴表示时间而垂直轴表示例如图3中的磁流量变送器的信号幅度。

在测量周期500中，线圈电流经过包括正极性电流502和负极性电流504的单一周期。所述电流感应出磁场，该磁场又在电极处感应出电压，该电压与流量成比例，而且还经过包括正极电压506和负极电压508的单一周期。电压电平506和508之间的差的大小与液体流速成比例。

由于这是用于实际流量测量的测量周期，所以仿真信号SIM1、SIM2在510、512处保持DC。仿真电路本质上是非活动的。

放大器输出上的微分电压还经过包括正极性电压516和负极性电压518的单一周期。ADC 335把放大器电压转换为与嵌入式处理器相连的数字采样流。嵌入式处理器(图3中的336)按照流信息样本520对采样流进行处理。样本520被加入流量指示输出(图3中的338)的计算。如524所示，在正常的流量测量间隔500期间，不将样本作为仿真样本进行处理。

图6示出了进行仿真测量的仿真测量周期600的示例时序图。图6中部分地示出了仿真测量周期在时间上紧随正常的流量测量周期之后。在图6中，水平轴表示时间，垂直轴表示例如图3所示的磁流量变送器中的信号幅度。图5相当于图4中的动作块408，而图6相当于图4中的动作块414、418、422。

在仿真测量周期600中，线圈电流经过包括正极电流602和负极电流604的单一周期。该电流感应出磁场，而该磁场又在电极上感应出电压，该电压与流量成比例，并且还经过包括正极电压606和负极电压608的单一周期。由于这是用于测试变送器有源电子器件的仿真周期，所以仿真信号SIM1提供了仿真流量脉冲610，且仿真信号SIM2提供了仿真流量脉冲612。仿真脉冲的极性(出现在放大器输出上的极性)与实际流量电压的极性相同。实际电极电压和仿真电压在放大器输出和ADC输出处是加性的。仿真电路是活动的，而且在仿真是活动的同时流量信号产生是活动的。

放大器输出处的微分电压还经过包括正极电压脉冲和负极电压脉冲的单一周期，仿真脉冲616、618被叠加或添加到流量电压脉冲。在仿真间隔期间，处理器(图3中的336)作为仿真样本对样本流620进行处理(用于对错误输出进行更新)。在仿真时间间隔完成后，处理器返回以按照正常流量测量对样本流量24进行处理(用于对流量指示输出进行更新)。

在仿真间隔期间，对样本620进行处理，处理后的结果与正常范围进行比较，如果仿真流量电压不在正常范围内，则设置错误标志。如624所示。

虽然所示实施例提供了仿真信号和流量信号的加性装置，然而本领域的技术人员可以理解，作为备选，可以提供开关以在仿真时间间隔600期间切断实际流量信号。在这个备选装置中，微分放大器提供了加性输出，然而，在仿真时间间隔期间，通过该开关，实际流量信号变为零电平。

本领域的技术人员还可以理解，可选择地，可对流量检测电路(例如流量检测电路228、328)进行编程，以在诊断测试间隔期间对错误指示(例如错误指示230、330)和流量指示输出(例如流量指示输出238、338)进行更新。

尽管已经参考优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，能够在形式和细节上做出改变。

Claims (23)

1.一种磁流量计变送器，包括：

微分放大器，检测实际流量计电极输出和仿真电极输出的加性组合，所述微分放大器提供加性放大器输出；以及

仿真器，提供所述仿真电极输出，所述仿真器检测所述加性放大器输出，并且当所述加性放大器输出处于正常范围之外时提供错误指示。

2.根据权利要求1所述的磁流量计变送器，其中所述微分放大器包括：

第一放大器，其第一输入与第一流量管电极触点相连，其第二输入与第一仿真电极输出相连；以及

第二放大器，其第三输入与第二流量管电极触点相连，其第四输入与第二仿真电极输出相连。

3.根据权利要求2所述的磁流量计变送器，其中所述仿真器包括：

电阻器，将所述第一和第二仿真输出与所述第二和第四输入相连。

4.根据权利要求3所述的磁流量计变送器，还包括：

反馈网络，与所述第一和第二放大器相连，所述电阻器和反馈网络形成了减小所述第二和第四输入处的所述仿真输出的电阻分压器。

5.根据权利要求1所述的磁流量计变送器，其中所述仿真器包括：

流量检测电路，检测针对所述仿真输出的响应并提供所述错误指示。

6.根据权利要求5所述的磁流量计变送器，其中所述流量检测电路把所述响应与正常范围进行比较，而且当所述响应处于所述正常范围之外时提供所述错误指示。

7.根据权利要求1所述的磁流量计变送器，其中所述仿真器自动地提供所述仿真电极输出。

8.根据权利要求1所述的磁流量计变送器，其中所述仿真器响应于用户请求而提供所述仿真电极输出。

9.根据权利要求5所述的磁流量计变送器，其中流量检测电路对所述磁流量计变送器中的有源电子器件进行测试。

10.根据权利要求2所述的磁流量计变送器，其中所述仿真器还包括产生所述仿真电极输出的与门。

11.根据权利要求1所述的磁流量计变送器，还包括模数转换器，所述模数转换器接收所述加性放大器输出，并向所述仿真器提供所述加性放大器输出的数字表示流。

12.根据权利要求1所述的磁流量计变送器，其中所述流变送器包括测量周期，而且每M个测量周期产生所述仿真电极输出，其中M是整数。

13.根据权利要求5所述的磁流量计变送器，其中所述仿真器接收所述第一和第二放大器的输出样本，以检测所述响应。

14.一种磁流量计变送器的测试方法，包括：

提供仿真电极输出；

提供微分放大器，以检测实际流量计电极输出和所述仿真电极输出的加性组合；

从所述微分放大器提供加性放大器输出；以及

当所述加性放大器输出处于正常范围之外时，提供错误指示。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

把电阻器从所述仿真输出连接到所述微分放大器。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

在所述微分放大器中提供反馈网络，所述电阻器和反馈网络形成了电阻分压器，以减小所述微分放大器检测到的所述仿真输出。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括：

利用模数转换器和流量检测电路来检测所述加性放大器输出。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

把所述加性放大器输出的数字化表示与正常范围进行比较，并且当所述响应处于所述正常范围之外时提供所述错误指示。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括：

自动地提供所述仿真电极输出。

20.根据权利要求14所述的方法，还包括：

响应于用户请求而提供所述仿真电极输出。

21.根据权利要求14所述的方法，还包括：

利用所述仿真电极输出来测试所述磁流量计变送器中的有源电子器件。

22.一种磁流量计变送器，包括：

具有第一和第二输入的第一放大器，所述第一输入与第一流量管电极触点相连；

具有第三和第四输入的第二放大器，所述第三输入与第二流量管电极触点相连；以及

仿真器，向所述第二和第四输入提供仿真电极输出，所述仿真器检测针对所述仿真电极输出的响应，并且当所检测到的响应处于正常范围之外时提供错误指示。

23.根据权利要求22所述的磁流量计变送器，其中所述仿真器包括：

电阻器，将所述仿真输出与所述第二和第四输入相连。

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