CN101268339A - 用于运行电磁流量计的方法和电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行电磁流量计的方法，以及一种用于执行该方法的电磁流量计。测量管(2)具有线圈装置(3、4)，用于产生垂直于流通方向的磁场。在线圈装置(3、4)中的电流方向周期性地变化并且电流在测量周期中在上升到一个预定的数值后基本上保持恒定，在此，确定出施加到线圈装置(3、4)上的电压和/或该电压的导数并且与对应的参考值进行比较。如果参考值在测量周期之内的理想的最小时间中被超出，则发出用于表示故障的错误报告。在及时地下降到参考值时将确保磁场足够的稳定并且在测量电极(5、6)上量取的电压的测量值在任何情况下都仅有极小的偏移误差。由此实现了具有改善的准确度的可靠的测量结果。

Description

用于运行电磁流量计的方法和电磁流量计

技术领域

本发明涉及一种用于运行根据权利要求1的前序部分所述的电磁流量计的方法以及一种用于执行该方法的根据权利要求8的前述部分所述的电磁流量计。

背景技术

由DE 19917268A1已知一种用于检测电磁流量计和流量计的方法。流量计具有测量管和线圈装置，该线圈装置产生垂直于穿过测量管的流通方向的磁场，其中，流过线圈装置的电流的方向周期性地变化。为了能够以简单的方式和方法检测流量计，在电流方向改变后确定出至少一个电流上升的参数，例如上升时间并且与参考值进行比较。一旦流量计可以不受妨碍地并且无故障地工作时，具有非常小的差异范围的上升变化曲线实际上是相同的。在出现电力或磁力方面的故障时，上升变化曲线首先进行变化。这种变化是一种符号，即流量计有可能提供了不准确的测量结果并且必须要进一步检测或替换。这种检测可以在测量流量时进行。这具有优点，即不必为检测流量计而中断流量测量，并且流量计可以执行对其功能的连续或持久的检测。流量计可以正好在其也处于正常运行的工作状态中进行检测。此外，由上述的出版物已知，在电流方向转换后，使用称为升压电压的电压。因此，这可以加速磁场的构建，并允许在较短的测量周期中进行实际的测量。当在线圈装置中达到所希望的电流强度时，电压被降低并且被转换到在线圈装置中的恒定电流的调节。通过在线圈装置中的恒定电流可能在理想的电磁流量计时在测量电极上量取一个电压，该电压直接与流过测量管的介质的速度成比例。然而，在实践中，流量计易产生测量误差，该误差可被划分为两个部分：线性误差和偏移误差。偏移误差也可以称为零点误差。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于运行电磁流量计的方法和一种用于执行该方法的流量计，其特征在于改善了的测量准确度。

为了实现该目的，前述类型的新方法具有在权利要求1的特征部分中提出的特征。在从属权利要求中描述了多个优选的改进方案，在权利要求8中描述了用于执行该方法的电磁流量计。

本发明的优点在于，可以识别出大部分由不稳定的磁场导致的偏移误差。当在磁场被稳定之前已经被执行了测量值测定时，导致的后果是，在测量电极上量取到一个易产生偏移的测量信号。因为在线圈电流和产生的磁场之间存在明显的延迟，所以单单对电流强度的认识不足以作为磁场强度的标准。因此，在保持恒定的线圈电流中额外地确定出施加在线圈装置上的电压和/或该电压的导数。如果这些值处于允许的公差范围之外，那么磁场就不足以被稳定。对于这种检测所必需的装置可以在流量计本身之中实现或可选地作为单独的设备实现，该设备为了检测流量计连接到该流量计上。

本发明基于这样的认识，即偏移误差主要由不稳定的磁场造成并且不稳定的磁场将导致线圈装置的馈电线上变化的电压值。因此，不稳定的磁场可以通过测定施加在线圈装置上的电压和/或该电压的导数并且分别将测定的数值与对应的参考值进行比较来确定。偏移误差在原则上具有不同的原因，例如在测量电路和线圈激励器电路之间的电阻耦合、电容耦合及电感耦合。然而，要强调的是，磁场的波动造成了相对而言较高的偏移误差。具有在线圈装置中周期性变化的电流方向的流量计的问题在于，在测量管中的磁场在用于测量值测定的测量电极上的电压已经被评估的时间点时仍未稳定。这将导致在测量电路中的感生电压，该感生电压与磁场的变化成比例并且取决于测量电路的几何尺寸。这适用于：

$U_{\mathrm{induced}}\∝\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}$

其中

U_induced-在测量电极上量取的感生电压

φ-磁通量

感生电压重叠到在测量电极上量取的、通过流过测量管的介质的速度形成的电压的部分上。该感生电压不依赖于流动速度并且因此表现为偏移误差，该偏移误差的大小取决于在测量阶段中磁场的变化速度。磁场的上升时间通过不同的准素因子来加大。该准素因子包括线圈装置的感应系数、滞后损失、涡电流以及磁性延迟。可以不用进一步地说明这些因素的详细细节，其可以被陈述为，即感应系数和滞后损失增大了线圈电流的上升时间，而涡电流和磁性延迟导致测量管中的磁场相对于线圈电流延迟。借此，线圈电流在相对较短的时间内达到了所希望的值(如开头描述的那样)，在电流方向反转之后，升压电压被施加到线圈装置上。在达到希望的电流时，为了激励线圈装置而使用恒定电源。在构成磁场时形成的涡电流将导致，即需要一个确定的时间，直至磁场在实现恒定电流之后是稳定的。一旦磁场仍未稳定，为了调节恒定电流而位于线圈装置的接线端子上的电压也不会稳定。因此，当保持一个过短的测量周期时，错误的测量由此可以以简单的方式识别，并且在测量值计算时被排除或可以为使用者发出一个警告，该测量值计算例如包括通过测量电极的多个电压值形成中间值。因此，测量值的可靠性被提供并且改善了测量准确度。

因此，另一种改善准确度的另外的可能性在于，仅仅允许在电压信号相对稳定并进而在磁场也稳定时开始测量。为此，当施加在线圈装置上的电压和/或该电压的导数处于在保持恒定的线圈电流时的各自对应的参考值之下时，评估装置这样来构成，即在测量电极上量取的电压仅仅被读取用于测量值测定。

在此，在电压和/或该电压的导数处于各自对应的参考值之下时的时间点可以与另一参考值来比较。当该时间点处于预定的公差范围之外时，例如当该时间点保持小于测量周期的20％，该测量周期作为具有在测量电极上的合理的电压值的时间段时，将发出错误报告。其优点是，产生了用于识别在线圈装置中的故障的可能性。直到磁场稳定的时间是特殊示例性的并且例如在开始运转时测定的参考值得出的偏差值指出由于故障导致的线圈装置的电特性或磁特性的变化。在此，这种检测可以通过流量计本身或连接到流量计的外部设备来执行。

当施加在线圈装置上的电压和/或该电压导数超过各自对应的参考值，在测量电极上量取的电压的评估被中断时，能够以有利的方式实现测量准确度的进一步的改善。通过这种方式，在测量电极上的、易于导致加大的偏移误差的电压值未被包含在测量值测定中。

施加到线圈装置上的电压的参考值可以以特别简单的方式特别典型地根据由线圈装置的电阻和保持恒定的线圈电流的乘积来设定。优选地，参考值设置为该乘积的5％。在实际的试验中，通过该值来实现良好的结果。电压的导数的参考值可以例如根据在流量计开始运转时的良好状态下记录的信号变化曲线来设定。合理的数值例如是导数的中间值的两倍，该导数在测量周期结束之前的良好状态中确定。

当根据测定的、施加在线圈装置上的电压通过特定的关系式计算出一个校正值，通过该校正值，在测量电极上量取的电压被校正，以用于测量值测定时以优选的方式实现对由不稳定的磁场造成的偏移误差的特殊示例性的补偿。这种预设的函数关系式优选在流量计自身上在较早的时间点来测定，优选在开始运转时。该关系式被规定为参数化线性方程式，其因此用于将来的补偿过程。因此，每个流量计包含独特、预定的函数关系式，通过该关系式可以非常准确地实现对偏移误差的补偿。

为了边界值监控不会因为在实践中通常覆盖测量信号的噪声而过早地做出反应，在执行与各自对应的参考值进行比较之前，确定出的电压和/或该电压的导数(Ableitung)可以首先通过低通滤波器(Tiefpass)来过滤。

附图说明

随后根据在其中示出有本发明的实施例的附图来详细描述本发明及多个设计方案和优点。图中示出：

图1是流量计的框图，

图2是线圈装置的电压和电流以及磁场的磁通密度的时序图，以及

图3是线圈装置上的电压和该电压的导数的时序图。

具体实施方式

根据图1，电磁流量计1具有测量管2，其液体垂直于示出面流通。测量管2是电绝缘的。在测量管2处设置有具有两个线圈3和4的线圈装置，当线圈3和4被电流穿过时，该线圈装置产生垂直于流通方向的磁场。在测量管2中具有测量电极5和6。这些测量电极这样设置，即它们获取垂直于流通方向和垂直于磁场的势差和电压。因此，电极5和6之间的电压与流过测量管2的介质的流动速度和产生的磁场强度成比例。线圈3和4串联并且由控制装置7提供用于产生磁场所需的电压。在控制装置7中存在以已知方式用于线圈电流转向的H桥接电路，出于清楚的原因，该桥接电路未在附图中示出。另外，控制装置7以已知的方式具有附加电压供应装置，其在电流方向转变之后首先产生用于快速形成磁场的所谓的升压电压。一旦线圈装置中的电流达到预定的电流值，那么在控制装置7中调节该电流，以便于在测量过程中保证恒定的电流通过线圈装置。在此，通过测量装置8量取施加于线圈装置上的电压。测定的电压值为了其他的处理提供到顺序控制系统和评估装置9上。为此，通过测量装置10量取在测量电极5和6上产生的电压并同时进一步提供给顺序控制系统和评估装置9用于测量值确定，该顺序控制系统和评估装置通过控制装置7的合理控制和由测量装置8和10提供的测量值的合理评估来控制并且从多个电压值中计算出流通速度的测量值，该流通速度与状态报告、尤其是错误报告一同传输给为了清晰的目的而未在附图中示出的上一级的主要终端站。

图2示出了施加在线圈装置上的电压U的定性变化曲线20、流过线圈装置的电流I的变化曲线21以及产生的磁通量φ的变化曲线22。在横坐标上是时间t，在纵坐标上是电压U、电流I和磁通量φ。在图中可以明显地看出，具有对应于曲线变化22的磁通量φ的磁场的形成相对于具有曲线变化21的通过线圈装置的电流I在时间上具有延迟。在线圈电流已经调整为恒定值时，磁通量的强度还在变化。然而，在磁通量变化时，在测量电路中感生电压，该测量电路由电极5和6以及通向测量装置10(图1)的馈电线构成，该电压歪曲了在测量电极上量取的数值，该数值应该在理想的情况下与流通速度成比例。在施加在线圈装置上的电压V_coil、穿过线圈装置流动的电流I_coil、线圈装置的电阻R_coil、在线圈装置中出现的磁通量φ_coil、在流量计的导电部分中感生的涡电流I_eddy、在那里出现的电压V_eddy、电阻R_eddy，这种结构性的、导电的部分带有该电阻、在该部分中出现的磁通量φ_eddy、部分的自感应系数L_eddy、线圈装置的自感应系数L_coil、线圈装置和结构性部分之间的相对感应系数以及测量管中的磁场φ的相对感应系数之间相互关系都可以通过以下的方程式来说明：

$V_{\mathrm{coil}}-R_{\mathrm{coil}}\·I_{\mathrm{coil}}=\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{coil}}}{\∂t};{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{coil}}=L_{\mathrm{coil}}\·I_{\mathrm{coil}}+M\·I_{\mathrm{eddy}}$

$V_{\mathrm{eddy}}-R_{\mathrm{eddy}}\·I_{\mathrm{eddy}}=\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{eddy}}}{\∂t};{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{eddy}}=L_{\mathrm{eddy}}\·I_{\mathrm{eddy}}+M\·I_{\mathrm{coil}}$

V_eddy＝0

φ＝L_coil·I_coil+L_eddy·I_eddy。

由这些等式可以导出在测量系统中感生电压U_induced和在线圈系统上量取的电压之间的关系：

$U_{\mathrm{induced}}\∝\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}=L_{\mathrm{coil}}\·\frac{{\∂I}_{\mathrm{coil}}}{\∂t}+L_{\mathrm{eddy}}\·\frac{{\∂I}_{\mathrm{eddy}}}{\∂t}$

$=\frac{{\∂\mathrm{\φ}}_{\mathrm{coil}}}{\∂t}-M\·\frac{{\∂I}_{\mathrm{eddy}}}{\∂t}+\frac{{\∂\mathrm{\φ}}_{\mathrm{eddy}}}{\∂t}-M\·\frac{{\∂I}_{\mathrm{coil}}}{\∂t}$

$=(V_{\mathrm{coil}}-R_{\mathrm{coil}}\·I_{\mathrm{coil}})-R_{\mathrm{eddy}}\·I_{\mathrm{eddy}}-M\·(\frac{{\∂I}_{\mathrm{eddy}}}{\∂t}+\frac{{\∂I}_{\mathrm{coil}}}{\∂t}).$

在以上的等式的最后一个表达式中，是基于线圈电流的恒定电流调节， $\frac{{\∂I}_{\mathrm{coil}}}{\∂t}=0.$ 因此从等式中可以看出，当线圈电流恒定并且涡电流消失时，在测量电路中并不感生电压。在这种情况下：适用于V_coil＝R_coil·I_coil。另外，在测量电路中感生的电压在涡电流消失后与表达式(V_coil-R_coil·I_coil)成比例。在流量计第一次开始运转时，通过在第一次试运行时通过特殊示例性的校准来测定一个比例系数(该比例系数是必需的，从而由该比例导出作为函数关系的等式)并且为了稍后对偏移误差进行补偿而存储该比例系数。为了使测量值在较少的程度上受到偏移误差的影响，测量值的计算仅仅使用在测量窗口W内在测量电极上量取的电压值。测量窗口W在一个时间点开始，在该时间点时，可在线圈装置上减少的电压U处于预定的参考值U₀之下。当电压U的值超出了参考值U₀时，在电流方向换向时相应地开始测量窗口W。由此，在足够稳定的磁场时确保了测量。如果测量窗口W的长度处于一个预定的最小值之下，那么这种情况通过状态报告来表示。在这种情况中，在测量周期中的磁场可能没有足够稳定，这象征在流量计中存在错误。

图3以时间图示出了在线圈装置上测定的电压的变化曲线30和该电压的导数的详细变化曲线31。在电流方向换向的时间点t₀时，导数的变化曲线31中的脉冲宽度由用于计算导数而使用的运算法则产生。如上所述，在理想情况下，电压在测量窗口期间是恒定的并且其时间导数等于零，从而不会因为磁场的变化而在测量电流中感生出电压。在升压电压中断的时间点产生在导数的变化曲线31中的脉冲，在该时间点切换到对馈送到线圈装置中的电流的恒定电流调节上。为了评估磁场的稳定性，变化曲线31在脉冲32之后在此进入包括数值零的公差带时，可以以简单的方法对磁场的稳定性进行监测。如果在该时间点，变化曲线30还处于关于渐进的最终值的公差带之内(该最终值如之前描述的那样对应于线圈电阻和线圈电流的乘积)，那么流量的测量可以以足够的可靠性来执行。另一方面，当公差带没有达到测量周期内的所需的最少时间时，将会发出用于表示故障的错误报告。

根据图1的顺序控制系统和评估装置9通过微处理器控制系统来实现，其中为此所需的固件被存放到存储器中。为了侦测在线圈装置上施加的电压、电压的导数、为了最小化信号噪音而过滤、为了比较参考值以及为了测量值计算所需的功能可以通过固件的扩展来实现。一旦设定之后，为此所必需的软件在生产大批量的流量计时很难对流量计的制造成本造成影响。

Claims (8)

1.一种用于运行电磁流量计的方法，所述电磁流量计具有测量管(2)和线圈装置(3、4)，所述线圈装置产生垂直于穿过所述测量管(2)的流通方向的磁场，其中，电流方向周期性地变化并且电流在测量周期中在上升到一个预定的数值之后基本上保持恒定，其特征在于，在保持恒定的线圈电流时，确定出施加到所述线圈装置(3、4)上的电压和/或所述电压的导数并且与对应的参考值进行比较。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在保持恒定的线圈电流时，施加到所述线圈装置(3、4)上的所述电压和/或所述电压的所述导数处于各自对应的所述参考值之下时，开始在测量电极(5、6)上量取的电压的评估，用于确定所述测量值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述电压和/或所述电压的所述导数处于各自对应的所述参考值之下时的时间点与另一参考值进行比较，并且当所述时间点超出所述另一参考值时发出错误报告。

4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，当施加到所述线圈装置(3、4)上的电压和/或所述电压的所述导数超过各自对应的所述参考值时，在所述测量电极(5、6)上量取的所述电压的评估被中断。

5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，施加到所述线圈装置(3、4)上的所述电压的参考值高于所述线圈装置(3、4)的电阻和保持恒定的所述线圈电流的乘积的5％。

6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，基于测定的、施加到所述线圈装置(3、4)上的电压，根据预设的函数关系式计算出校正值，通过所述校正值来校正用于所述测量值测定的、在所述测量电极(5、6)上量取的电压。

7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，测定的所述电压和/或所述电压的所述导数首先通过低通滤波器来过滤。

8.一种用于执行根据前述权利要求任一项所述的方法的电磁流量计，所述电磁流量计具有测量管(2)和线圈装置(3、4)，所述线圈装置产生垂直于穿过所述测量管(2)的流通方向的磁场，其中，电流方向周期性地变化并且电流在测量周期中在上升到一个预定的数值之后基本上保持恒定，其特征在于，设置有测量装置(8)，在保持恒定的所述线圈电流时通过所述测量装置测定施加在所述线圈装置(3、4)上的电压和/或所述电压的导数，并且这样地设计评估装置(9)，即分别测定出的数值与对应的参考值进行比较。

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