CN101718565B - 基于光电耦合的双激励电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光电耦合的双激励电磁流量计。它包括一个电磁流量传感器和一个测量放大器，有一个光电转换器由一个甲光电转换器和一个乙光电转换器构成，光电转换器产生的激励电势串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中，使所施加的激励电势既便于操作控制又不降低测量放大器的输入阻抗。保证了既能在磁场激励下保持高性能的流量测量，又能在附加电势激励下对电极两端间流体阻抗进行监测。实现具有对测量电极污染、测量管空管和流体阻抗变化等检测功能的双激励电磁流量计。

Description

基于光电耦合的双激励电磁流量计

技术领域

本发明涉及一种基于光电耦合的双激励电磁流量计。具体涉及一种采用由光电转换器产生附加激励电势的双激励电磁流量计。电磁流量计的基本原理是，在电磁流量传感器传感器中有管道直径为D使被测流体F通过，在电磁流量传感器中的激励磁场B下流体F以流速V通过直径为D的管道使测量电极上得到感应电势E0＝K0×D×B×V，K0为电磁流量传感器的系数，电磁流量计是通过测量感应电势E0而得出流体F以流速V值。随着电磁流量计的广泛应用，除了对流体流速的测量，也需要对测量电极的污染、测量管道空管状态以及流体阻抗等参数的进行监测。双激励电磁流量计就是通过在传统电磁流量计测量电极回路中附加激励电势的方式检测在测量电极两端的流体阻抗值。并通过这个流体阻抗值来实现对测量电极污染、测量管道空管状态等参数的监测。

技术背景

已有的为实施测量电极污染和测量管道空管状态的电磁流量计，有专利CN1409093A、专利CN100344940C和CN100491928C等在传统电磁流量计上通过附加激励方式来实现。现已形成一种除磁场激励外再附加新激励来测量流体阻抗的双激励电磁流量计。一般附加新激励有两种方式：一是如专利CN1409093A和CN100491928C将新激励并联在测量电极上，这样在原理上存在，任何电路并联在高内阻的测量电极上都会使磁场激励下的感应电势信号受到损失的问题；二是将新激励串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中，如专利CN100344940C，这样在原理上已不会使磁场激励下的感应电势信号受到损失，但这样需要用与测量电极回路电气隔离方法来实现附加新激励的产生和控制问题。如双激励电磁流量计专利CN100344940C中采用了变压器耦合方式来产生和控制附加的新激励。但由于相对复杂的电气隔离与新激励产生电路较容易在高阻抗测量电极回路中引入附加的干扰。这样就难以保持双激励电磁流量计的流量测量特性及其附加功能的高性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能保持在磁场激励下的高性能流量测量特性，又能在附加电势激励下对电极两端间流体阻抗进行监测，实现具有对测量电极污染、测量管空管和流体阻抗变化等监测功能的基于光电耦合的双激励电磁流量计。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明提供了一种由光照使光电转换器产生激励电势的双激励电磁流量计。并且光电转换器产生的激励电势是串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中，使所施加的激励电势既便于操作控制又不会降低测量放大器的输入阻抗，使磁场激励下的感应电势信号受到损失。

在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中串接一个由光电转换器产生的激励电势，保证了在磁场激励下的感应电势信号不会受到损失。同时，用光照隔离的方式可以简单可靠的操作控制光电转换器产生的激励电势，简化了新激励电势的电路和避免了附加干扰的产生。再采用激励磁场和激励电势的交替作用的方式，这样就能提供一种既能保持在磁场激励下的高性能流量测量特性，又能在附加电势激励下对电极两端间流体阻抗进行监测的双激励电磁流量计。使电磁流量计具有了可对测量电极污染、测量管空管和流体阻抗变化等进行监测的新的重要功能。

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种基于光电耦合的双激励电磁流量计，包括：一个有管道直径D使被测流体F通过的电磁流量传感器，电磁流量传感器中的激励磁场B施加于被测流体F，对应电磁流量传感器的两测量电极间产生正比于流体F的流速V的感应电势E0；一个放大系数为K2和两个输入端阻抗为Z2以及输出为U2的测量放大器；其特征在于有一个光电转换器由一个甲光电转换器和一个乙光电转换器构成，所述光电转换器所产生的激励电势E串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中，所述的激励电势E是由两个串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中的激励电势Ea与激励电势Eb所组成，有E＝Ea+Eb，对应的激励电势Ea和激励电势Eb分别是由所述甲光电转换器和乙光电转换器所产生，所述的甲光电转换器和乙光电转换器分别在光照La和光照Lb作用下产生对应的激励电势Ea与激励电势Eb。

上述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于通过施加所述的激励电势E，由测量放大器的输出U2推算所述的电磁流量传感器两测量电极间的阻抗值。

上述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于由激励电势Ea与激励电势Eb组成的所述的激励电势E，采用以下形式之一的方式串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中：

(a).所述的激励电势Ea和激励电势Eb都串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的两条连接通路中的一条之中；

(b).激励电势Ea和激励电势Eb分别串接在电磁流量传感器(1)两测量电极端与测量放大器两输入端的两条连接通路之中；

(c).仅用激励电势Ea和激励电势Eb中的一个作为激励电势E，串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的两条连接通路中的一条之中。

上述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于所述的激励电势Ea和激励电势Eb以极性顺序相反的方式串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中，使当控制光照La和Lb时由激励电势Ea和激励电势Eb组成的激励电势E能形成正负交变的电势。

上述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于光照La和光照Lb可分别由两个发光二极管Da和Db产生，发光二极管Da和Db分别由控制信号Sa和Sb控制对应的光照La和Lb。

上述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于所述的激励电势E的值通过一个差分放大器的输出来测量，所述差分放大器由一个甲差分放大器和一个乙差分放大器构成，激励电势Ea两端和激励电势Eb两端分别连接甲差分放大器的两个输入端和乙差分放大器的两个输入端，在对应的甲差分放大器与乙差分放大器的输出上可以分别测量到激励电势E或激励电势Ea与激励电势Eb的值；有一个激励电势控制器输入差分放大器的输出U4或甲差分放大器与乙差分放大器的输出Ua与Ub，激励电势控制器根据输入的U4值或输入的Ua与Ub值，分别输出控制信号Sa与Sb，使激励电势Ea与激励电势Eb分别被控制在所需的值。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：采用了基于光耦合形式的光电转换器来产生激励电势，并且激励电势是串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中，使所施加的激励电势既便于操作控制又不会使磁场激励下的感应电势信号受到损失。这样就能提供一种既能保持在磁场激励下的高性能流量测量特性，又能在附加电势激励下对电极两端间流体阻抗进行监测的双激励电磁流量计。使传统的电磁流量计具有了对测量电极污染、测量管空管和流体阻抗变化等进行监测的新功能。

附图说明

图1是本发明在一条连接通路中的一个实施例结构原理框图。

图2是本发明在两条连接通路中的一个实施例结构原理框图。

图3是本发明的一个只用一个激励电势的实施例结构原理框图。

图4是在一条连接通路中产生激励电势E的实施例原理框图。

图5是在两条连接通路中产生激励电势E的实施例原理框图。

图6是只用一个光电转换器产生激励电势E的实施例原理框图。

图7是用差分放大器对激励电势E进行测量的实施例原理框图。

图8是用差分放大器对激励电势Ea和Eb进行测量的实施例原理框图。

具体实施方式

本发明的优选实施结合附图详述如下：参见图1，本基于光电耦合的双激励电磁流量计，包括：一个有管道直径D使被测流体F通过的电磁流量传感器1，电磁流量传感器(1)中的激励磁场B施加于被测流体F，对应电磁流量传感器1的两测量电极间产生正比于流体F的流速V的感应电势E0，E0＝K0×D×B×V，K0为电磁流量传感器1的系数；一个放大系数为K2和两个输入端阻抗为Z2以及输出为U2的测量放大器2，通常可以采用如AD620等仪表放大器；其特征在于有光电转换3所产生的激励电势E串接在电磁流量传感器1两测量电极端与测量放大器2两输入端的连接回路中，所述的激励电势E是由两个串接在电磁流量传感器1两测量电极端与测量放大器2两输入端的连接回路中的激励电势Ea与激励电势Eb所组成，有E＝Ea+Eb，对应的激励电势Ea和激励电势Eb分别是由甲光电转换器3.1和乙光电转换器3.2所产生，所述的甲光电转换器3.1和乙光电转换器3.2分别是在光照La和光照Lb作用下产生对应的激励电势Ea与激励电势Eb。

本基于光电耦合的双激励电磁流量计，通过施加所述的激励电势E，由测量放大器2的输出U2推算所述的电磁流量传感器1两测量电极间的阻抗值。假设电磁流量传感器1两测量电极间的阻抗为Z0，若激励电势E的内阻是Z，则测量放大器2输出值U2有：

$U2=K2\×\frac{E0+E}{Z0+Z2+Z}\×Z2,$ 可推算出：

$Z0=\frac{K2\×(E0+E)\×Z2}{U2}-Z2-Z.$

同样，可以使激励磁场B和电势激励E交替作用，即在激励磁场B单独作用时从测量放大器2的输出U2中检测到感应电势E0的测量值，在电势磁场E单独作用时从测量放大器2的输出U2推算出两测量电极间的阻抗值Z0。先考虑激励磁场B单独作用，即激励电势E＝0时，设激励电势E的内阻是Z，并且设

$P=\frac{Z0+Z}{Z2},$ 测量放大器2的输出U2有：

$U2=K2\×\frac{E0}{P+1},$ 由E0＝K0×D×B×V，对应的流体F的流速值V有：

$V=\frac{U2\×(P+1)}{K2\×K0\×B};$

同样，考虑电势磁场E单独作用，即磁场激励B＝0也即E0＝0时，测量放大器2的输出U2有：

$U2=\frac{K2\×E\×Z2}{Z0+Z2+Z},$

可推算出电磁流量传感器1两测量电极间的阻抗值Z0：

$Z0=\frac{K2\×E\×Z2}{U2}-Z2-Z.$

通常根据阻抗值Z0，可以诊断电磁流量传感器是否存在空管，或电磁流量传感器1的测量电极是否被污染等状况。

实施例二：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，本实施例与实施例一相同，特别之处是：本基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于由激励电势Ea与激励电势Eb组成的所述的激励电势E，采用图1、图2或图3中之一的方式串接在电磁流量传感器1两测量电极端与测量放大器2两输入端的连接回路中：

(a).图1中所述的激励电势Ea和激励电势Eb都串接在电磁流量传感器1两测量电极端与测量放大器2两输入端的两条连接通路中的一条之中；

(b).图2中激励电势Ea和激励电势Eb分别串接在电磁流量传感器1两测量电极端与测量放大器2两输入端的两条连接通路之中；

(c).图3是仅用激励电势Ea作为激励电势E，串接在电磁流量传感器1两测量电极端与测量放大器2两输入端的两条连接通路中的一条之中。

上述的激励电势Ea和激励电势Eb以极性顺序相反的方式串接在电磁流量传感器1两测量电极端与测量放大器2两输入端的连接回路中，使当控制光照La和Lb时由激励电势Ea和激励电势Eb组成的激励电势E可形成正负交变的电势。

上述的甲光电转换器3.1和乙光电转换器3.2分别是在光照La和光照Lb作用下产生对应的激励电势Ea与激励电势Eb。那么实施的甲光电转换器3.1和乙光电转换器3.2可以这样组成：由光电池在光照下产生光电流，再由光电流流经电阻来产生对应激励电势。本发明的图4、图5和图6实施例中，甲光电转换器3.1和乙光电转换器3.2就是一种通过光电池的光电流流经电阻来产生对应激励电势Ea和激励电势Eb的实施例。

图4～图6中，激励电势Ea和激励电势Eb都分别是光电池Ga的光电流Ia和光电池Gb的光电流Ib在对应电阻Za和Zb上形成的，即激励电势Ea＝Ia×Za和Eb＝Ia×Zb，对应的激励电势Ea和激励电势Eb的内阻分别是Za和Zb，而光电流Ia和电流Ib是分别是受光照La和光照Lb控制的。同时，对应的光电流Ia和光电流Ib的流向分别形成了激励电势Ea和激励电势Eb的极性。只要使激励电势Ea和激励电势Eb以极性顺序相反的方式串接，通过控制光照La和Lb，由激励电势Ea和激励电势Eb组成的激励电势E就可形成正负交变的电势。这样，采用正负交变的激励电势E有利于削弱测量电极的极化并达到优化信号放大与处理的效果。

在图4～图6中，光照La和光照Lb是由两个发光二极管Da和Db产生的。发光二极管Da和Db又分别由控制信号Sa和Sb控制对应的光照La和Lb。这样，只要通过信号Sa和Sb就可以控制激励电势Ea和激励电势Eb的大小。

为了能产生所需的激励电势E，采用由差分放大器4测量激励电势E的值。同样，激励电势Ea两端和激励电势Eb两端分别连接甲差分放大器4.1的两个输入端和乙差分放大器4.2的两个输入端，这样在对应的甲差分放大器4.1与乙电势放大器4.2的输出上可以分别测量到激励电势Ea与激励电势Eb的值。有一个激励电势控制器5输入差分放大器4的输出U4或甲差分放大器4.1与乙差分放大器4.2的输出Ua与Ub，激励电势控制器5根据输入的U4值或根据输入的Ua与Ub值，分别输出控制信号Sa与Sb，使激励电势E或激励电势Ea与激励电势Eb分别被控制在所需的值。图7和图8就是对应的两个实施例结构原理图。

Claims (5)

1.一种基于光电耦合的双激励电磁流量计，包括：一个有管道直径D使被测流体F通过的电磁流量传感器(1)，电磁流量传感器(1)中的激励磁场B施加于被测流体F，对应电磁流量传感器(1)的两测量电极间产生正比于流体F的流速V的感应电势E0；一个放大系数为K2和两个输入端阻抗为Z2以及输出为U2的测量放大器(2)；其特征在于有一个光电转换器(3)由一个甲光电转换器(3.1)和一个乙光电转换器(3.2)构成，所述光电转换器(3)所产生的激励电势E串接在电磁流量传感器(1)两测量电极端与测量放大器(2)两输入端的连接回路中；所述的激励电势E是由两个串接在电磁流量传感器(1)两测量电极端与测量放大器(2)两输入端的连接回路中的激励电势Ea与激励电势Eb所组成，有E＝Ea+Eb，对应的激励电势Ea和激励电势Eb分别是由所述甲光电转换器(3.1)和乙光电转换器(3.2)所产生，所述的甲光电转换器(3.1)和乙光电转换器(3.2)分别在光照La和光照Lb作用下产生对应的激励电势Ea与激励电势Eb。

2.根据权利要求1所述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于由激励电势Ea与激励电势Eb组成的所述的激励电势E，采用以下形式之一的方式串接在电磁流量传感器

(1)两测量电极端与测量放大器(2)两输入端的连接回路中：

(a).所述的激励电势Ea和激励电势Eb都串接在电磁流量传感器(1)两测量电极端与测量放大器(2)两输入端的两条连接通路中的一条之中；

(b).激励电势Ea和激励电势Eb分别串接在电磁流量传感器(1)两测量电极端与测量放大器(2)两输入端的两条连接通路之中；

(c).仅用激励电势Ea和激励电势Eb中的一个作为激励电势E，串接在电磁流量传感器(1)两测量电极端与测量放大器(2)两输入端的两条连接通路中的一条之中。

3.根据权利要求1所述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于所述的激励电势Ea和激励电势Eb以极性顺序相反的方式串接在电磁流量传感器(1)两测量电极端与测量放大器(2)两输入端的连接回路中，使当控制光照La和Lb时由激励电势Ea和激励电势Eb组成的激励电势E能形成正负交变的电势。

4.根据权利要求1所述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于光照La和光照Lb分别由两个发光二极管Da和Db产生，发光二极管Da和Db分别由控制信号Sa和Sb控制对应的光照La和Lb。

5.根据权利要求1所述的基于光电耦合的双激励电磁流量计，其特征在于所述的激励电势E的值通过一个差分放大器(4)的输出来测量，所述差分放大器(4)由一个甲差分放大器(4.1)和一个乙差分放大器(4.2)构成，激励电势Ea两端和激励电势Eb两端分别连接甲差分放 大器(4.1)的两个输入端和乙差分放大器(4.2)的两个输入端，在对应的甲差分放大器(4.1)与乙差分放大器(4.2)的输出上分别测量到激励电势Ea和激励电势Eb的值；利用一个差分放大器测量得到激励电势E；有一个激励电势控制器(5)输入差分放大器(4)的输出U4或甲差分放大器(4.1)与乙差分放大器(4.2)的输出Ua与Ub，激励电势控制器(5)根据输入的U4值或输入的Ua与Ub值，分别输出控制信号Sa与Sb，使激励电势Ea与激励电势Eb分别被控制在所需的值。 

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