CN101038189A

CN101038189A - 电磁流量计

Info

Publication number: CN101038189A
Application number: CNA2007100867740A
Authority: CN
Inventors: 石川郁光
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: DE602007000126D1; EP1835266A1; JP4941703B2; EP1835266B1; US7421907B2; CN100462693C; JP2007248259A; US20070283766A1

Abstract

一种电磁流量计包括：检测器，用于检测一个流量电压；屏蔽电缆，具有围绕电缆芯提供的内导体，该电缆芯被施加有来自所述检测器的流量电压；和转换器，用于通过所述屏蔽电缆接收所述流量电压，并对于所述接收的流量电压执行信号处理，以便输出所述经处理的流量电压，其中所述转换器的前置放大器包括：输入电路，其连接在所述电缆芯和共用电压点之间并具有用于分割所述流量电压的输入电压分割点；主放大器电路，其放大所述流量电压；和反馈电压分配部分，其从所述主放大器电路接收输出电压，并以不同比例将所述输出电压作为正反馈电压分别地分配到所述内导体和所述输入电路。

Description

电磁流量计

本申请要求基于2006年3月16日提交的日本专利申请No.2006-071962的外国优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种电磁流量计，该电磁流量计将被测流体的流量转换成电信号、并对该电信号执行信号处理，以便获得并输出流量信号。本发明尤其涉及这样一种电磁流量计，该电磁流量计通过屏蔽电缆把具有低传导性的被测流体的电信号发送到一个转换器。

背景技术

图2是相关技术的第一电磁流量计的构形示意图。检测器1包括：激励电路10，激励线圈11A、11B，检测电极13A、13B，导管14(未示出)、接地电极19(液体接触电极)等。

激励电路10把具有预定波形和预定频率的激励电流If提供到激励线圈11A、11B，并还将信号处理所需的定时信号T1输出到转换器12。

激励线圈11A、11B把具有与激励电流If对应的波形和频率的磁场B施加到被测流体Q(测量流体Q)。通过与该测量流体Q绝缘的方式来把检测电极13A、13B固定到绝缘导管14。检测电极13A、13B分别通过端子TA、TB而被连接到转换器12的前置放大器15A、15B的输入端。通过接地电极19将测量流体Q接地。

从前置放大器15A、15B的输出端输出的电信号在差分放大器16中进行差分处理，并且处理结果被输出到信号处理电路17。信号处理电路17执行信号处理，并将信号处理的结果输出到转换器12的输出端18来作为流量信号。在转换器12中进行信号处理之时使用定时信号Tl。

图3是表示图2所示电磁流量计的前置放大器15A、15B的详细结构的示意图。由于前置放大器15A、15B的二者的构成类似，因而下面将基于前置放大器15A进行说明。在该图中，仅示出了在电极13A一侧的检测器1。

在该图中，Vd表示由检测电极13A检测到的电动势。场效应晶体管Q2的栅极G被连接到检测电极13A，并且还通过串接有电阻R5和R6的串联电路连接到共用电压点COM。

场效应晶体管Q2的源极S通过电阻R7连接到电源VSS，还连接到运算放大器Q3的非反相输入端(+)。通过电阻R8将其漏极D连接到电源VDD。因此，场效应晶体管Q2起到一个源极跟随器的作用。

运算放大器Q3的输出端TC1通过电容器C3连接到场效应晶体管Q2的漏极D。而且，该输出端TC1连接到运算放大器Q3的反相输入端(-)，并且还通过电容器C4连接在电阻R5和R6之间的连接点。在输入侧用于执行正反馈的自举电路BS1包括这些电阻R5、R6和电容C4。

由于电阻R5和场效应晶体管Q2构成高阻抗电路，所以该高阻抗电路由屏蔽板20围绕。屏蔽板20被连接到输出端TC1，因此屏蔽板和输出端都保持在同一电压。

在上述结构中，由于场效应晶体管Q2起到源极跟随器的作用，所以该晶体管的放大程度由gm/[(1/R7)+gm]表示，其中gm表示场效应晶体管Q2的互导。因此，当电阻R7的值被设置为大值时，这一晶体管的放大程度几乎为1。

而且，由于运算放大器Q3被构成为电压跟随器，所以该晶体管的放大程度也是1。因此，由于场效应晶体管Q2和运算放大器Q3的组合的放大程度几乎是1，所以从交流电的角度来看，该场效应晶体管和该运算放大器被保持在相同的电压。

由于场效应晶体管Q2的栅极G和漏极D的电压相同，所以在它们之间没有电容C_GD形成。而且，由于场效应晶体管Q2起到源极跟随器的作用，所以从交流电的角度来看，其栅极G和源极S被保持在几乎相同的电压，使得在它们也没有电容C_GS形成。由这些事实看来，场效应晶体管Q2的输入电容被完全消除了。

而且，由于通过电容器C4把运算放大器Q3的输出端的电压加到了电阻R5和R6之间的连接点，而电阻R5和R6被连接在栅极G和共用电压点COM之间，所以电阻R5和R6之间的该连接点处的电压基本上与栅极G的电压相同，使得没有电流通过电阻R5。因此，场效应晶体管Q2侧的阻抗相对于检测电极13A侧而言是无穷大。

因此，在图3所示的前置放大器15A中，在测量具有低传导性等的测量流体Q的情况下，即使当检测器1的内阻值变高时，转换器12的前置放大器15A也通过使用自举电路BS1来等量地增加该前置放大器15A的输入阻抗，从而防止在接收电动势Vd之时的信号衰减。

换言之，能通过使用图3所示的前置放大器15A而在无误差的条件下来测量具有低传导性的测量流体Q。

图4是相关技术的第二电磁流量计的构形示意图。图4是放置在与图2所示前置放大器15A相应位置的另一前置放大器21的实例。在此情况下中，仅示出了在检测电极13A一侧的检测器1。该实例所示的情况是，前置放大器21经屏蔽电缆23连接到检测器1，该检测器1具有在接地电极19和检测电极13A之间的内阻Rd，并产生电动势Vd。

屏蔽电缆23的构成方式是由内导体24覆盖电缆芯25，由外导体26覆盖该内导体24的外部，并将该外导体26接地。在电缆芯25和内导体24之间形成寄生电容Cs1，并在内导体24和外导体26之间形成寄生电容Cs2。

由电缆芯25经电阻R10把检测电极13A连接到运算放大器Q4的非反相输入端(+)。运算放大器Q4的输出端TC2连接到运算放大器Q4的反相输入端(-)，从而该运算放大器Q4构成一个电压跟随器。

经过电阻R11和阻值可变的电阻R12的串联电路来将输出端TC2连接到共用电压点COM。电阻R11和电阻R12之间的连接点被连接到内导体24。因此，对于内导体24构成正反馈，从而内导体24被屏蔽驱动。

例如假设正反馈的反馈比是1，则电缆芯25的电压和内导体24的电压变成相同，使得能消除存在于电缆芯25和内导体24之间的寄生电容Cs1的影响。因此能在较长的长度上布置电缆。

如上所述，由于图4示出的前置放大器21能防止电动势Vd由于电缆的寄生电容Cs1的原因而衰减，所以在测量具有高电导性和大内阻Rd的被测流体的情况下使用该前置放大器是有效的。

相关技术参考文献例如有JP-A-6-241856、JP-A-2004-219372、JP-A-5-172602、JP-A-5-231890、JP-A-7-27580、JP-A-2004-138457。

在测量具有低传导性的测量流体的情况下，能分别地通过用在图3情况下增加前置放大器的输入阻抗来避免电动势的衰减的方法、或用在图4情况下避免由连接检测器和转换器的电缆的寄生电容引起的电动势的衰减的方法来无误差地测量该具有低传导性的流体。

但在实际上，为了通过用电缆连接该检测器和该转换器来测量具有低传导性的流体，需要增加前置放大器的输入阻抗并同时避免由于该电缆的寄生电容引起的电动势的衰减。在此情况中，需要通过单个前置放大器来实现这两种需求。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，并提供一种电磁流量计，在通过用电缆连接检测器和转换器来测量具有低传导性的测量流体的情况下，本发明的电磁流量计能够提高前置放大器的输入阻抗，并能够同时通过使用单个前置放大器来消除由该电缆的寄生电容引起的影响。

在某些实施方案中，本发明的电磁流量计包括：

检测器，用于检测一个流量电压；

屏蔽电缆，其具有围绕一个电缆芯提供的内导体，该电缆芯被施加有来自所述检测器的流量电压；以及

转换器，用于通过所述屏蔽电缆接收所述流量电压，并对于所述接收的流量电压执行信号处理，以便输出所述经处理的流量电压，

其中所述转换器的前置放大器包括：

输入电路，其连接在所述电缆芯和共用电压点之间并具有用于分割所述流量电压的输入电压分割点；

主放大器电路，其放大所述流量电压；和

反馈电压分配部分，其从所述主放大器电路接收输出电压，并以不同比例将所述输出电压作为正反馈电压分别地分配到所述内导体和所述输入电路。

根据本发明的电磁流量计，所述反馈电压分配部分以不同比例将所述输出电压作为正反馈电压分别地分配到所述内导体和所述输入电路。因此，尽管有双重正反馈，但该流量信号也能被发送到该转换器，而不会使该系统振荡，或不会对应于该流体传导性和该电缆长度而衰减信号。

在该电磁流量计中，通过第一电阻、第二电阻和第三电阻的串联，该反馈电压分配部分分割该输出电压，并且通过一个电容器以反馈比率1把该输出电压作为正反馈电压从第一电压分割点分配到该输入电压分割点，所述第一电压分割点是在该第一电阻和该第二电阻之间的一个连接点。

根据本发明的电磁流量计，该反馈电压分配部分包括该第一、第二和第三电阻的串联，并通过该电容器从处在该第一和第二电阻之间的该第一电压分割点向该输入电压分割点进行反馈比为1的正反馈。因此，除了由上述电磁流量计获得的效果之外，还能保证高的输入阻抗，并能防止电动势的衰减。

在该电磁流量计中，该反馈电压分配部分通过第一电阻、第二电阻和第三电阻的串联来分割该输出电压，并从作为该第二电阻和该第三电阻之间的连接点的一个第二电压分割点，把该输出电压作为正反馈电压分配到该内导体，使得该第二电阻和该第三电阻之间的比例成为一个经验比。

根据本发明的电磁流量计，该反馈电压分配部分包括第一、第二和第三电阻的串联，并且以成为经验比的该第二和第三电阻之间的比例的一个反馈比，从处在该第二和第三电阻之间的连接点处的第二电压分割点向作为可能振动的电容负载的内导体进行正反馈。因此，除了由上述电磁流量计获得的效果之外，还能够根据对应于该经验比的预定精度的电缆长度而确定该流体传导性。

在该电磁流量计中，该经验比基本上在从0.99到0.90的范围内。

根据本发明的电磁流量计，该经验比被设置在基本上从0.99到0.90的一个范围中来作为对应于该预定精度的一个值，使得能够有利地提高该流量计的操作。

附图说明

图1是表示根据一个发明实施例的结构示意图。

图2是相关技术的第一电磁流量计的结构示意图。

图3是表示图2所示电磁流量计的前置放大器的详细结构示意图。

图4是相关技术的第二电磁流量计的结构示意图。

具体实施方式

随后将参照附图详细说明本发明。图1是根据本发明实施例的转换器的前置放大器的结构示意图。在下面的描述中，具有与图2、3和4示出的相关技术的电磁流量计相同功能的结构组件将以相同的参考数字表示，并且相适地省略其说明。前置放大器30对应于图2的前置放大器15A、15B。

前置放大器30包括输入电路31、主放大器电路32、反馈电压分配部分33等。

在输入电路31中电阻R30的一端连接到电极13A，另外一端连接到电容器C30的一端。电容器C30的另一端连接到场效应晶体管Q5栅极G。而且，电容器C30的另一端通过电阻R31和电阻R32的串联电路连接到共用电压点COM。电阻R31和电阻R32之间的连接点是输入电压分割点Dpi。

主放大器电路32包括运算放大器Q9和差分放大器DA等，该差分放大器DA具有恒流电路CC作为构成元件。

在恒流电路CC中，电阻R37、其基极和集电极彼此连接的晶体管Q8及电阻R35被串联连接在电源VSS和共用电压点COM之间。而且，晶体管Q8的基极连接到晶体管Q7的基极，并且晶体管Q7的发射极通过电阻R36连接到电源VSS。作为一个整体，恒流电路用作电流镜像电路。

而且，在差分放大器DA中，晶体管Q7的集电极连接到场效应晶体管Q5、Q6的每一个源极S。场效应晶体管Q5的漏极D经过电阻R33连接到电源VDD。而且，场效应晶体管Q6的漏极D经过电阻R34连接到电源VDD。

而且，就运算放大器Q9而言，场效应晶体管Q5的漏极D连接到运算放大器Q9的反相输入端(-)，场效应晶体管Q6的漏极D连接到运算放大器Q9的非反相输入端(+)，并且运算放大器Q9的输出端连接到输出端34，并且还通过电阻R38和电阻R39的串联电路而连接到共用电压点COM。电阻R38和电阻R39之间的连接点被连接到场效应晶体管Q6的栅极G。

电阻R40和电容器C31的串联电路连接在运算放大器Q9的反相输入端(-)和非反相输入端(+)之间。这一串联电路被提供来消除高频噪声。

接下来，反馈电压分配部分33包括电容器C32和电压分割电路，在该电压分割电路中电阻R41、电阻R42和电阻R43按此顺序串联连接。电阻R41的一端连接到运算放大器Q10的输出端。运算放大器Q10的反相输入端(-)被连接到其输出端，而其非反相输入端(+)被连接到运算放大器Q9的输出端。因此，运算放大器Q10起电压跟随器的作用。

电阻R41的另一端连接到电阻R42，并且电阻R41和电阻R42之间的连接点是第一电压分割点Dp1。电阻R42和电阻R43之间的连接点是一个第二电压分割点Dp2。电阻R43的另一端连接到共用电压点COM。该第一电压分割点Dp1通过电容器C32连接到输入电路31的输入电压分割点Dpi。

在上述结构的主放大器电路32中，假如施加到场效应晶体管Q5的栅极G的输入电压是Vi，并且运算放大器Q9的输出电压是Vo，则施加到场效应晶体管Q6的栅极G的电压是[Vo·R39/(R38+R39)]。

运算放大器Q9的工作将使得在运算放大器Q9的反相输入端(-)和非反相输入端(+)之间的电压差变成零。在此情况中，场效应晶体管Q5的漏极D的电压与场效应晶体管Q6的漏极D的电压相同。由于有这样一种情况，即场效应晶体管Q5的栅极G的电压与场效应晶体管Q6的栅极G的电压相同，所以满足下面表达式(1)。

[表达式(1)]

Vi＝Vo·R39/(R38+R39)

因此，主放大器电路32的放大程度A满足下面表达式(2)。

[表达式(2)]

A＝Vo/Vi＝(R38+R39)/R39＝1+(R38/R39)

以此方式，由于前置放大器30实际上几乎不受连接在该前置放大器30后级的放大器的输入转换噪声的影响，所以主放大器电路32的放大程度A增加。

而且，由反馈电压分配部分33的电容器C32和输入电路31的电阻R31、R32形成一自举电路BS2，从而增加了前置放大器30的输入阻抗Zi。因此，防止了来自检测器1的电动势衰减。

为此目的，通过电容器C32以反馈比1把输出电压Vo作为反馈电压Vf1正反馈到作为是电阻R31和R32之间的连接点的输入电压分割点Dpi，从而把等于输入电压Vi的电压施加到该输入电压分割点Dpi。因此，没有电流通过电阻R31，所以前置放大器30的输入阻抗Zi理论上变成无穷大。

具体地说，参照表达式(2)来确定电阻R41、R42和R43的阻值，使得满足的1/[1+(R38/R39)]。即满足下列表达式(3)。

[表达式(3)]

1/[1+(R38/R39)]＝(R42+R43)/(R41+R42+R43)＝1/[1+R41/(R42+R43)]

结果是满足下列表达式(4)。

[表达式(4)]

(R38/R39)＝R41/(R42+R43)

随后，在以上述方式确定电阻R41、R42和R43的电阻值的条件下，电压从第二电压分割点Dp2正反馈到屏蔽电缆23的内导体24来作为屏蔽驱动。反馈电压Vf2确定该电阻R42和R43之间的比值，同时保持该电阻R42和R43的确定的合成电阻值。

在经验比K接近1.0(＝100％)，即反馈电压Vf2变成等于输入电压Vi时，由于该电缆是电容负载，所以该放大器本身可能会振荡。与此相反，当该经验比接近0(＝0％)时，则能够防止振荡，但由于寄生电容Cs1会引起电动势衰减，因此精度会劣变。

因此，考虑流体的传导性和电缆的种类和长度，相对于该预定精度来经验地确定电阻R42和R43的值。通常，在容许的精度范围并且系统没有振荡的范围内把经验比K设置在大约0.9到0.99(＝90％至99％)的范围中。

作为一个实验的示例，在以反馈比1施加到自举电路并且就屏蔽驱动而言该经验比K＝0.91(＝91％)的状态中，当该接地电极19和检测电极13A之间的内电阻Rd被设置为500KΩ(电导率：10μs/cm)并且电缆长度被设置为10m时，量程误差是-0.19％，这满足预定精度。

对本领域技术人员来说，明显的是在不超出本发明的精神或范围的条件下，可以对本发明的所述优选实施例作出各种修改和变化。因此，本发明力图覆盖与所附的权利要求书及其等价物一致的本发明的全部修改和变化。

Claims

1.一种电磁流量计，包括：

检测器，用于检测一个流量电压；

屏蔽电缆，其具有围绕一个电缆芯提供的内导体，该电缆芯被施加有来自所述检测器的流量电压；和

其中所述转换器的前置放大器包括：

主放大器电路，其放大所述流量电压；和

2.根据权利要求1的电磁流量计，其中，所述反馈电压分配部分通过第一电阻、第二电阻和第三电阻的串联来分割所述输出电压，并且通过一个电容器从第一电压分割点把所述输出电压作为正反馈电压以反馈比率1分配到所述输入电压分割点，所述第一电压分割点是在所述第一电阻和所述第二电阻之间的一个连接点。

3.根据权利要求1的电磁流量计，其中，所述反馈电压分配部分通过第一电阻、第二电阻和第三电阻的串联来分割所述输出电压，并从第二电压分割点把所述输出电压作为正反馈电压分配到所述内导体从而使得所述第二电阻和第三电阻之间的比例成为一个经验比，所述第二电压分割点是所述第二电阻和所述第三电阻之间的连接点。

4.根据权利要求2的电磁流量计，其中所述反馈电压分配部分从第二电压分割点把所述输出电压作为正反馈电压分配到所述内导体，从而使得所述第二电阻和第三电阻之间的比例成为一个经验比，所述第二电压分割点是所述第二电阻和所述第三电阻之间的一个连接点。

5.根据权利要求3的电磁流量计，其中所述经验比实际在从0.99到0.90的范围中。

6.根据权利要求4的电磁流量计，其中所述经验比实际在从0.99到0.90的范围中。