CN102057257A - 电磁流量计以及借助于第三电极用满管检测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量穿过测量管(14)的介质(12)的流量的电磁流量计(10)。所提出的流量计(10)包括布置在测量管(14)的相对侧上并且电性地或电容性地耦合至介质(12)的第一和第二电极(24，26)。共模测试信号(32)被传给第一和第二电极(24，26)。第三电极(28)设置在测量管(14)的顶部，用于接收响应传给第一和第二电极(24，26)的测试信号(32)的响应信号(56)。流量计(10)包括用于基于所述响应信号(56)来检测所述第三电极(28)是否与所述介质(12)接触的装置。

Description

电磁流量计以及借助于第三电极用满管检测的方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量管中流体的流量的电磁流量计。更具体地，本发明涉及在流量计中的满管检测。
背景技术
电磁流量计利用电动感应原理来进行流体介质的流量测量。在电磁流量计中，在介质流过其中的流量计管的测量截面上产生磁场，该磁场由法拉第定律作用而产生一个正交于介质流和磁场两者的电压。由测量截面的相对侧上的一对电极来测量感应电压。此感应电压与待测量的介质在管的横截面上的平均流速成比例。
考虑到如果测量管没有完全充满而仅部分地具有待测量的介质，那么可能产生相当大的测量误差，因为测量设备是基于一个完全充满的测量管来产生测量结果。除了测量管的不满，其中，诸如介质中的气泡、电极的腐蚀、衬管(liner)破坏、电极污垢的因素，也导致测量误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的电磁流量计。
通过一种用于测量穿过测量管的介质的流量的电磁流量计来实现上述目的，该流量计包括：
-第一和第二电极，布置在所述测量管的相对侧上并且电性地(electrically)或电容性地(capacitively)耦合至所述介质，
-用于将作为共模信号(common mode)的测试信号传给所述第一和第二电极的装置，
-第三电极，布置在所述测量管的顶部，用于接收响应传给所述第一和第二电极的测试信号的响应信号，以及
-用于基于所述响应信号来检测所述第三电极是否与所述介质接触的装置。
通过一种用于测量穿过测量管的介质的流量的方法也实现上述目的，该方法包括：
-将作为共模信号的测试信号传给布置在所述测量管的相对侧上并且电性地或电容性地耦合至所述介质的第一和第二电极，
-测量在布置于所述测量管顶部的第三电极处所接收的响应传给所述第一和第二电极的所述测试信号的响应信号，以及
-基于所述响应信号来检测所述第三电极是否与所述介质接触。
本发明的基础构思是执行在电磁流量计上的满管检测，而同时在用于流量检测和电磁阻抗测量的现有电路中没有较大变化。所提出的全管检测工作进一步用于远程安装和具有非常高/低的介质电导率(conductivity)。
在一个优选实施例中，测试信号包括在一个流量检测周期上其平均值为零的对称脉冲序列。这确保了流量测量不受测试信号的干扰。
在又一优选实施例中，用于检测所述第三电极是否与所述介质接触的装置是基于为所述第三电极确定的电极对地阻抗(electrode-to-groundimpedance)与所述第一和第二电极中至少之一的电极对地阻抗的比较。这提供了在具有不同介质电导性的满管中进行检测的更高可靠性。
在一个示例性实施例中，流量计进一步包括为所述第一电极测量电极对地阻抗的装置，所述为所述第一电极测量电极对地阻抗的装置包括：
-将所述测试信号传给所述第一电极的装置，
-用于使来自所述第三电极的响应信号终止于地面(terminated toground)的装置，以及
-用于测量响应传给所述第一电极的所述测试信号的第一和第二电极之间的电位差的装置。
在计量各种参数(例如介质的电导率、介质中的气泡、电极的腐蚀、电极的污垢、衬管破坏等)时，电极阻抗测量是有用的。上述实施例便于利用相同的检测电路进行电极阻抗测量和满管检测。
为了有效地确定第三电极的电极对地阻抗，在一个示例性实施例中，第三电极经由一电阻终止于地面，其中，第三电极的电极对地阻抗由测量所述电阻的电压而确定。所述电阻还用作当第三电极没有与介质接触时使输入终止的目的，因此将由杂散电流(stray currents)导致的噪声最小化。
附图说明
以下将参照在附图中示出的说明性实施例进一步描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的电磁流量计的示意性简图，以及
图2是当介质是饮用水且测量管充满时，顶部电极的阻抗测量的示例性图象，
图3是当介质是饮用水且测量管不满时，顶部电极的阻抗测量的示例性图象，
图4是当介质是软化水且测量管充满时，顶部电极的阻抗测量的示例性图象，以及
图5是当介质是软化水且测量管不满时，顶部电极的阻抗测量的示例性图象。
具体实施方式
现在参照图1说明根据本发明的一个实施例的电磁流量计设备10。待测量流量的流体介质12沿着测量管14的轴线22的方向流过测量管14。待测量的介质12是导电的，至少在轻微程度上。
流量计10包括一对电极24和26，这对电极布置在测量管14的相对侧上并且电性地或电容性地耦合至介质12。设置包括电磁体16和18的磁性装置，电磁体产生垂直于介质12的流动方向的脉冲磁场20。在一个示例性实施例中，磁场20是一个准稳态DC磁场，具有用于50Hz干线供电(mains supply)的6.25Hz频率，或者用于60Hz干线供电的7.5Hz频率。由于此磁场20，介质12中的电荷载体移动至相反极性的电极24和26。经过电极24和26的电位差与介质12在测量管14的横截面积上的平均流速成比例。差分放大器36放大此电位差(即分别来自电极24和26的信号54和52的差)并且将放大的输出60提供至流量检测电路64。流量检测电路64将差分放大器36的输出60校准为流速或流量的单位，并且提供向输出电路(未示出)一输出。在一个说明性实例中，这些电极与待测量的介质12直接接触。然而，也可以是电容性特性的耦合。
如前所述，由于流量计10是基于一个完全充满的测量管14来产生测量结果，如果测量管14没有完全充满而仅部分地具有待测量的介质12(如图1所示)，那么可能产生相当大的测量误差。为了检测测量管14是否完全充满的目的，在测量管14的顶部设置第三电极28。第三电极28对地的阻抗指示顶部电极28是否被介质12浸湿(即，与介质接触)。第四电极30设置在测量管14的底部并且接地。测试信号32作为共模信号传给电极24和26，例如，经由两个电容器(恒定电流源)。在一个示例性实施例中，测试信号32是包括一对称脉冲序列的脉冲电流信号，使得测试信号30在一个流量检测周期上的平均值为零。这确保流量测量不受测试信号32的干扰。在一个优选实施例中，脉冲的重复率(即，脉冲频率)高于拐角频率(例如，高于200Hz)，以确保电极阻抗测量在此频率处渐近地等于介质阻抗的理论值。例如，在用于50Hz主供电的6.25Hz的磁场频率的情况下，流量检测周期取为20毫秒。在用于60Hz主供电的7.5Hz的磁场频率的情况下，流量检测周期取为16.67毫秒。在以上实例中，测试信号32可以具有用于6.25Hz磁场频率的400Hz脉冲频率，或者用于7.5Hz磁场频率的480Hz脉冲频率。传给电极24和26的测试信号32转变为介质12中的电压，其表现为顶部电极28处的响应信号56。由于作为共模信号在电极24和26处出现在测试信号32被差分放大器36抑制，所以差分放大器36的输出60实质上包括流速测量信号。
顶部电极由电阻40终止于地面。在顶部电极28处的电压感应响应信号56迫使一电流经由顶部电极28的电极对地阻抗进入电阻40中。仅当顶部电极与介质12接触时，可以测量顶部电极28的电极对地阻抗(不同于零)。在顶部电极28处没有介质接触时，没有信号传递至电阻40，这表现为很低的阻抗(理论上，零阻抗)至检测电路，因此这检测到没有完全充满的管。电阻器40进一步用作当顶部电极28没有与介质12接触时将输入终止的目的，因此将由杂散电流导致的噪声最小化。从在一流量检测周期(即，对于50Hz系统的20毫秒，以及对于60Hz系统的16.67毫秒)上经过电阻40的检测电压的正值和负值的差与来自测试信号32的电流的比率，来确定顶部电极28的电极对地阻抗。
如图1中所示，穿过电阻40的检测电压由缓冲放大器38缓冲。设置求和电路48以对缓冲放大器38的输出58与差分放大器36的输出60求和。因此求和电路48的输出62包括迭加在流速测量信号上的顶部电极阻抗信号。输出62被传递至流量检测电路64，用于同时测量流速以及基于顶部电极阻抗测量的全管检测，如前所述。
顶部电极28的电极对地阻抗取决于介质12的电导率。为了确保在对具有不同电导率的介质的满管进行检测中更高的可靠性，基于为顶部电极28确定的电极对地阻抗与电极24和26中至少之一的电极对地阻抗的比较，来实现全管检测。如果顶部电极28的电极对地阻抗与电极24和26的电极对地阻抗相当或者落入其周围的预定公差范围内，这表明顶部电极28与介质接触(即，测量管14完全充满)。如果顶部电极28的电极对地阻抗显著地小于第一和第二电极24和26的电极对地阻抗，这表明顶部电极28没有与介质12接触(即，测量管14没有完全充满)。
图2至图5示出了顶部电极阻抗随着介质电导率变化的变化。在图2中，示出了随着时间(单位秒，沿着轴线74表示)的顶部电极的电极对地阻抗(单位欧姆，沿轴线72表示)的示例图76，其中介质是饮用水且测量管完全充满。从此图中计算的平均阻抗是549.96欧姆。在图3中，示出了随着时间(单位秒，沿着轴线84表示)的顶部电极的电极对地阻抗(单位欧姆，沿轴线82表示)的图86，其处于当测量管没有完全充满、介质相同(即饮用水)的方案中。在此情况下，计算的平均阻抗是101.86欧姆。如可看到的，当顶部电极没有与介质接触时，顶部电极的电极对地阻抗极度减小。然而，如图4和图5中所示，当使用较低电导率的介质，例如软化水时，所测量的顶部电极的电极对地阻抗非常高。在图4中，示出了随着时间(单位秒，沿着轴线94表示)的顶部电极的电极对地阻抗(单位欧姆，沿轴线92表示)的示例图96，其中介质是软化水且测量管完全充满。从此图中计算的平均阻抗是4615.96欧姆。在图5中，示出了随着时间(单位秒，沿着轴线104表示)的顶部电极的电极对地阻抗(单位欧姆，沿轴线102表示)的图106，其处于当测量管没有完全充满、介质相同(即软化水)的方案中。在此情况下，计算的平均阻抗是108.83欧姆。为了检测即使非常高/低电导率的满管，电极阻抗的信息能够被用于使满管检测水平适用于实际介质电导率。顶部电极的电极阻抗的信息可以进一步被用于检测在流量计的顶部处聚集的小气泡。这将示出为在顶部电极阻抗测量中的增加的噪声水平。
返回参照图1，为了确定电极24的电极对地阻抗，使一个测试信号(典型地，电流信号)仅在电极24处进入，并且由差分放大器36测量电极24和26之间的差分电压。通过计算电极24和26之间的差分电压与测试信号处的电流的比率，来确定电极24的电极对地阻抗。同样地，为了确定电极26的电极对地阻抗，使一个测试信号(典型地，电流信号)仅在电极26处进入，并且由差分放大器36测量电极26和24之间的差分电压。通过计算电极26和24之间的差分电压与测试信号处的电流的比率，来确定电极26的电极对地阻抗。切换装置42适于在电极24和26的阻抗测量期间终止缓冲放大器38的输出信号58接地(位置44)，并且在满管检测期间将输出58耦合至求和电路48(位置46)。有利地，在电极阻抗测量中使用的测试信号可以是全管检测使用的从相同信号源产生的相同测试信号32。进一步有利地，用于电极阻抗的检测电路和相关滤波电路可以与用于流量检测使用的电路相同。在所示实施例中，一个流量变送器模拟-数字转换器以相对高的采样率(例如9.6KHz)采样差分电极信号，并且通过利用相关检测方法将该信号用于电极阻抗和流量检测。在计量各种参数(例如介质的电导率、介质中的气泡、电极的腐蚀、电极的污垢、衬管破坏等)时，用于电极24和26的电极阻抗测量是有用的。
本发明在很多方面具有优势。首先，所提出的满管检测测试不干扰流量检测测量并且在流量检测和电极阻抗测量中采用相同的电路。此外，在说明的实施例中，全管检测上50Hz/60Hz抑制是固有的。并且，所提出的全管检测工作也用于远程安装和具有非常高/低的介质电导率。
综上，本发明涉及一种用于测量穿过测量管的介质的流量的电磁流量计。所提出的流量计包括布置在测量管的相对侧上并电性或电容性耦合至介质的第一和第二电极。共模测试信号被传给第一和第二电极。第三电极设置在测量管的顶部处，用于接收响应传给第一和第二电极的测试信号的响应信号。流量计包括用于根据所述响应信号检测所述第三电极是否与所述介质接触的装置。
尽管已经参照特定实施例描述了本发明，但是此描述不意味着构成限定意义。在参照本发明的描述时，对于本领域的技术人员而言，所披露实施例的各种变型以及本发明的替代实施例将变得显而易见。因此，在不背离由以下所述专利权利要求所限定的本发明的精神或范围内，预期可以做出这样的变型。

Claims (9)

1.一种用于测量穿过测量管(14)的介质(12)的流量的电磁流量计(10)，包括：
-第一和第二电极(24，26)，布置在所述测量管(14)的相对侧上并且电性地或电容性地耦合至所述介质(12)，
-用于将作为共模信号的测试信号(32)传给所述第一和第二电极(24，26)的装置，
-第三电极(28)，布置在所述测量管(14)的顶部，用于接收响应传给所述第一和第二电极(24，26)的所述测试信号(32)的响应信号(56)，
-用于基于所述响应信号(56)来检测所述第三电极(28)是否与所述介质(12)接触的装置。
2.根据权利要求1所述的流量计(10)，其中，所述测试信号(32)包括在一个流量检测周期上其平均值为零的对称脉冲序列。
3.根据前述权利要求中任一项所述的流量计(10)，其中，所述用于检测所述第三电极(28)是否与所述介质(12)接触的装置包括：用于确定所述第三电极(28)的电极对地阻抗的装置，其中，所述检测是基于为所述第三电极(28)确定的电极对地阻抗与所述第一和第二电极(24，26)中至少之一的电极对地阻抗的比较。
4.根据前述权利要求中任一项所述的流量计(10)，其中，进一步包括为所述第一电极(24)测量电极对地阻抗的装置，所述为所述第一电极(24)测量电极对地阻抗的装置进一步包括：
-将所述测试信号(32)传给所述第一电极(24)的装置，
-用于使来自所述第三电极(28)的所述响应信号终止于地面的装置，以及
-用于测量响应传给所述第一电极(24)的所述测试信号(32)的所述第一和第二电极(24，26)之间的电位差的装置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的流量计(10)，其中，所述第三电极(28)经由电阻(40)终止于地面，所述第三电极(28)的电极对地阻抗由测量所述电阻(40)的电压而确定。
6.一种用于测量穿过测量管(14)的介质(12)的流量的方法，包括：
-将作为共模信号的测试信号(32)传给布置在所述测量管(14)的相对侧上并且电性地或电容性地耦合至所述介质(12)的第一和第二电极(24，26)，
-测量在布置于所述测量管(14)顶部的第三电极(28)处所接收的响应传给所述第一和第二电极(24，26)的所述测试信号(32)的响应信号(56)，以及
-基于所述响应信号(56)来检测所述第三电极(28)是否与所述介质(12)接触。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，检测所述第三电极(28)是否与所述介质(12)接触包括：确定所述第三电极(28)的电极对地阻抗，其中，所述检测是基于为所述第三电极(28)确定的电极对地阻抗与所述第一和第二电极(24，26)中至少之一的电极对地阻抗的比较。
8.根据权利要求6和7中任一项所述的方法，进一步包括为所述第一电极(24)测量电极对地阻抗，其中，为所述第一电极(24)测量电极对地阻抗进一步包括：
-将所述测试信号(32)传给所述第一电极(24)，
-使来自所述第三电极(28)的所述响应信号终止于地面，以及
-测量响应传给所述第一电极(24)的所述测试信号(32)的所述第一和第二电极(24，26)之间的电位差。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，确定所述第三电极(28)的电极对地阻抗包括，使所述第三电极(28)经由电阻(40)终止于地面，并且测量所述电阻(40)的电压。
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