CN102365530A - 用于测量流的磁通流量计 - Google Patents

Abstract

用于测量过程流体流的流动的磁通流量计(102)，包括流量管(108)，流量管(108)被布置为接收通过其的过程流体流。临近该流量管(108)的磁激励线圈(122)被布置为响应激励信号，将磁场施加到流中。至少一个电极(124)被布置为感测过程流体的电势，该电势与所施加的磁场以及过程流体的流速有关。温度测量电路(180)耦合到磁激励线圈(122)，并被配置为基于激励线圈(122)的电参数，提供对激励线圈(122)的温度进行指示的温度输出。耦合到该至少一个电极(124)的流测量电路(148)被配置为基于所感测到的电势，提供流输出。

Description

用于测量流的磁通流量计

背景技术

本发明涉及磁通流量计，磁通流量计对工业过程工程中的过程流体的流进行感测。更具体地，本发明涉及使用磁通流量计来测量流。

磁通流量计在本领域中是周知的，并且利用磁通流量计来对运送过程流体流的流量管进行电绝缘，该过程流体流通过电磁铁线圈并通过电极。该电极磁铁将电磁场施加到流动的过程流体。由于电磁感应的法拉第定律，在流体中的一对电极之间产生电压或电动势(EMF)。该电压是所施加的磁场的强度的函数，并与流体的流速成正比。

所感测到的电压与过程流体通过流量管的体积流速成正比。然而，质量流速与流体的密度以及其速率都有关。可以通过将流体速率的密度与流量管的横截面积相乘来计算质量流速。然而，对于很多流体，流体密度与流体的温度有关。为了使用典型的磁通流量计来测量质量流，可以利用单独的温度传感器来执行质量流计算。

发明内容

用于测量过程流体流的流动的磁通流量计包括被布置为接收过程流体流的流量管。临近该流量管的磁激励线圈被布置为，响应激励信号，将磁场施加到流中。至少一个电极被布置为感测过程流体的电势，该电势与所施加的磁场以及过程流体的流速有关。温度测量电路耦合到磁激励线圈，并被配置为基于激励线圈的电参数，提供对激励线圈的温度进行指示的温度输出。耦合到该至少一个电极的流测量电路被配置为基于所感测到的电势，提供流输出。

附图说明

图1是示出包括磁通流量计的过程控制系统的图。

图2是图1的磁通流量计的部分剖面视图。

图3是示出图2的磁通流量计的部件的简化框图。

图4A是质量流量计流量管的简化横截面视图。

图4B是图4A的流量计的热传导过程的简化电气等效示意图。

图5是示出线圈阻抗和线圈电感与温度的关系曲线的图。

图6是当线圈温度改变时，线圈阻抗和线圈电感与时间的关系曲线的图

图7是当线圈温度改变时，阻抗与时间的关系曲线的图。

具体实施方式

本发明提供了用于测量质量流的磁通流量计，其中，对流量计的线圈的电参数进行测量，并使用该电参数来提供对质量流测量的温度补偿。

在图1中，以100示出了用于磁通流量计102的典型环境。在图1中，将磁通流量计102示出为耦合到过程管道104，过程管道104还耦合到控制阀门112。磁通流量计102是一种类型的过程变量变送器的示例，可以被配置为对与过程工程中的流体(例如在化学、制浆、石油、煤气、制药、食品以及其他流体处理工程中的浆体、液体、蒸汽和气体)有关联的一个或多个过程变量进行监视。在磁通流量计中，所监视的过程变量涉及过程流体通过流量管108的速率。将磁通流量计102输出配置为经由通信总线106在长距离上向控制器或指示器进行发送。在典型的过程工程中，通信总线106可以是至控制器(例如系统控制器/监视器110或者其他设备)的4-20mA的电流环路、fieldbus连接、脉冲输出/频率输出、HART协议通信、无线通信连接、以太网或者光纤连接。将系统控制器110编程为过程监视器，以向人类操作员显示流信息，或者编程为过程控制器，以使用通信总线106上的控制阀门112来控制过程。

在图2中，一般地示出了磁通流量计102的透视剖视图。流量计102包括连接到流量管108的电子外壳120。流量管108包括电磁线圈122，使用电磁线圈122在流过流量管108的流体中感应产生电磁场。流量管108中的电极124提供了EMF传感器，EMF传感器感测在流体中由于流的速率和所施加的磁场而产生的EMF，并且EMF传感器也是对噪声敏感的。电子外壳120中的线圈激励(drive)电路130(图3中示出)向电磁线圈122提供激励信号，并且电极124向EMF信号放大器132提供EMF输出134(同样在图3中示出)。

在图3中，框图示出了磁通流量计102的一个实施例，磁通流量计102用于测量通过流量管组件108的传导性过程流体的流。线圈122被配置为响应于从线圈激励器130施加的激励电流，将外部磁场施加到流体流中。EMF传感器(电极)124电耦合到流体流中，并向放大器132提供EMF信号输出134，EMF信号输出134与流体流中由于所施加的磁场以及流体速率而产生的EMF有关。模数变换器142向微处理器系统148提供数字化的EMF信号。在流量计电子装置140的微处理器系统148中实现信号处理器150，流量计电子装置140耦合到EMF输出134，以提供与流体速率有关的输出152。可以使用存储器178来存储程序指令或者在下面讨论的其他信息。

微处理器系统148根据法拉第定律所阐述的EMF输出134与流速率之间的关系，计算通过流量管108的速率，其规定：

$V=\frac{E}{\mathrm{kBD}}$ 等式1

其中，E可以是与EMF输出134有关的信号输出152，V是流体的速率，D是流量管108的直径，以及B是流体中的磁场强度，k是比例常数。根据已知技术，微处理器系统148使用速率来计算过程流体的流动。耦合到微处理器系统148的数模变换器158产生模拟变送器输出160，以耦合到通信总线106。数字通信电路162产生数字变送器输出164。可以根据需要将模拟输出160和数字输出164耦合到过程控制器或者监视器。

根据本发明，流量计102还包括温度感测电路180。温度感测电路180被配置为耦合到线圈122，并向微处理器系统148提供与线圈122的温度有关的输出182。温度感测电路180可以根据任何技术进行操作，下面更详细地讨论一个示例实施例。使用感测到的温度以及感测到的EMF 134，微处理器系统148如下计算质量流：

M＝α·V·A    等式2

其中，M是质量流速，α是流体的密度，V是根据等式1的速率，A是流量管的横截面积。

如在背景技术部分讨论的，并且根据等式2，质量流的计算要求确定密度。在一些实例中，操作员输入固定的密度值，并使用该密度值来计算质量流，而不管温度如何。然而，这可能导致实质性的错误。例如，温度从0℃到177℃变化将导致水的密度变化高于10％。可以使用质量流量计对流体温度的测量来计算流体密度，并在质量流测量中提供提高的精确度。此外，可以使用温度信息作为冗余的测量点。可以使用质量流量计提供的任何附加的温度信息来比较或者验证来自单个温度传感器的测量。还可以使用温度信息来提供过程已经超过其期望的温度界限、或者过程中具体部件(例如，流量管)的温度界限的指示。这种过高的温度可以导致部件的使用期限缩短以及过早的故障。

使用本发明，通过基于流过流量计的线圈122的信号来提供与温度有关的输出，推断流量管和过程流体的温度。例如，可以测量临近流量管108的线圈122的阻抗和电感，并且该阻抗和电感与线圈温度相关联。这可以被使用来推断流量管108所携带的过程流体的温度。

图4A是流量管102的简化横截面视图，并且示出了在流量管外壳190中承载的流量管108。将线圈122临近流量管108放置。绝缘的流量管衬里192内衬在管108中。管108可以包括例如不锈钢。

图4B是图4A中示出的流量管布置的热传导过程的简化电等效。关于图4B，等效电路200使用了以下的关键字：

T_Electronics-电子装置温度

T_Ambient-环境空气温度

T_Coils-线圈温度

T_ProcessFluid-过程流体温度

R_Elect-外壳

R_{Tube Housing}-从环境空气到线圈的热阻

R_Tube-不锈钢管的热阻

R_Liner-衬里(liner)的热阻

在确定过程流体的温度中，应该将环境空气温度纳入考虑之内，以精确地推断过程温度。可以使用电子装置温度来推断图4B中示出的环境空气温度。例如，电子装置温度典型地比环境温度高大约10℃。可以在制造过程期间对其进行校准，或者可以根据经验来确定。

一旦识别出环境温度，可以使用以下公式来确定过程温度：

等式3

$T_{\mathrm{ProcessFluid}}=\frac{T_{\mathrm{Coils}}*(R_{\mathrm{TubeHou}\sin g}+R_{\mathrm{SST}\_\mathrm{Tube}}+R_{\mathrm{Liner}})}{R_{\mathrm{TubeHou}\sin g}}+T_{\mathrm{Ambient}}$

可以针对流量计管108的每条线的尺寸来计算热阻或者根据经验测量热阻。还可以在制造过程期间对其进行校准，以提高精确度。流量计102可以在微处理器系统148的存储器178中存储针对变送器组合中的各个流量管或者每个线尺寸(line size)的系数。

图5是示出针对0.15英寸的流量管，对线圈阻抗和线圈电感与温度之间的关系进行示出的示例数据的图。图5是线圈阻抗(ohms)与线圈电感(mH)的关系曲线的图，示出了其如何随着温度线性变化。

图6是线圈阻抗和线圈电感与时间的关系曲线的图。在图6的图中，针对3英寸直径的流量管示出了线圈电感和线圈阻抗。为了产生图6的图，将热水置于流量管中。允许温度稳定下来，并且将冰加入到水中，以将管中的温度降低到接近0℃。注意到，在正常的流动条件下，温度将更快地改变。

因为大量的质量需要改变温度，过程温度对线圈测量的影响受到很大的阻尼。当线圈阻抗测量非常干净利落时，容易估计应该在何处读取测量。例如，可以使用线性曲线来预测阻抗。可以使用一阶低通滤波器来平滑测量数据。这允许系统对温度的步进变化进行快速反应。

图7是阻抗(欧姆)与时间的关系曲线的图，并且示出了随着温度的改变，原始线圈阻抗和所预测的线圈阻抗。通过计算最近的5个测量的线性拟合来预测图7中的线圈阻抗。然后，将该拟合投影到未来，以提供预测的温度。这是相对简单的预测模型，然而其能够提供温度信息。可以使用更复杂的预测模型，在该模型中，针对每个具体的线尺寸确定温度的步进改变的曲线拟合。可以将该信息存储在存储器178中。

在该示例中，电路180包括连接到线圈122的差分放大器。使用模数变换器来对放大器的输出进行数字化，并将其提供给微处理器系统148。可以将微处理器148运行的软件配置为确定线圈122的温度，并由此在以下公式中使用线圈122的阻抗来推断过程流体184的温度：

等式4

TCoils＝线圈阻抗*(线圈阻抗温度增益)+(线圈阻抗温度偏移量)

类似地，使用以下公式，可以使用电感来确定温度：

等式5

TCoils＝线圈电感*(线圈电感温度增益)+(线圈电感温度偏移量)

可以通过在两个不同的温度点处测量线圈阻抗电感并从而计算增益和偏移量，在工厂中调整(trim)线圈阻抗电感的温度增益和偏移量。由于线圈阻抗电感与线圈温度具有线性关系，从而可以基于线圈阻抗电感来计算线圈温度。

与基于阻抗确定温度相比，基于线圈122的电感确定温度是优选的。这是因为线圈电感与由于温度改变或者端子处的腐蚀而造成的外部连线的阻抗的改变无关。远程安装配置可以具有高达1000英尺的线缆。线圈电感还允许在工厂里使用短的线圈线来校准变送器的温度读数，然而当在现场使用较长的线时，产生非常小的安装影响。1000英尺的18AWG线将在1000英尺上具有大约6.5欧姆的阻抗。这可能要求对任何的安装影响进行零和的能力。当使用线圈电感测量时，这可以是不要的。

一旦微处理器系统148确定过程流体的温度，可以使用该温度信息在根据等式2确定质量流中对密度变化进行补偿。

如果温度超过特定界限(例如，制造商界限、最大或最小过程温度界限等)，微处理器系统148还可以使用温度信息以提供输出。可以在通信总线106上发送这样的告警。在另一示例配置中，在质量流计算中使用过程流体的压力。在这种配置中，可以通过通信总线106从另一过程设备接收压力信息。还可以提供另一附加的临近流体管108(例如，接近电极124)的温度传感器，以测量过程温度。可以使用该附加的温度传感器来用于诊断，以提供快速响应时间或者更精确的测量。

虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术工人将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。

Claims (32)

1.一种磁通流量计，用于测量过程流体的流的流动，包括：

流量管，被布置为接收通过其的过程流体的流；

磁激励线圈，临近所述流量管，被布置为响应于激励信号，将磁场施加到流量管中；

至少一个电极，被布置为感测过程流体的电势，所述电势与所施加的磁场以及过程流体的流速有关；

温度测量电路，耦合到所述磁激励线圈，被配置为基于所述激励线圈的电参数，提供对所述激励线圈的温度进行指示的温度输出；以及

流测量电路，耦合到所述至少一个电极，被配置为基于所感测到的电势，提供流输出。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流输出还基于温度输出。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述流输出包括质量流输出。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电参数包括所述激励线圈的电阻抗。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电参数包括所述激励线圈的电感。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电参数包括所述激励线圈的电阻抗和电感。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流测量电路被配置为基于所述温度输出推断过程流体的温度。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述流电路还被配置为基于环境温度推断过程流体的温度。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流电路被配置为基于存储在存储器中的校正系数推断过程流体的温度。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述温度输出被配置为用于执行诊断。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述温度输出被用来与界限相比较，并且被用来识别所述界限外的过程流体温度。

12.根据权利要求10所述的设备，其中，使用所述温度输出来识别流体管的过高的温度。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流测量电路基于热阻值确定过程流体的温度。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述热阻值是计算而得的。

15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述热阻值是根据经验测量而得的。

16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述热阻值被存储在存储器中。

17.一种测量过程流体的流的流动的方法，包括：

接收通过流量管的过程流体的流；

使用磁激励线圈将磁场施加到所述流体管中的过程流体的流；

感测过程流体的电势，所述电势与所施加的磁场以及所述过程流体的流速有关；

感测所述激励线圈的电参数，所述电参数与所述激励线圈的温度有关；以及

基于感测到的过程流体的电势，确定通过所述流量管的过程流体的流。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述流包括质量流。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，对流进行确定还基于所测量的电参数。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电参数包括所述激励线圈的电阻抗。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电参数包括所述激励线圈的电感。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电参数包括所述激励线圈的电阻抗和电感。

23.根据权利要求18所述的方法，包括：基于所述温度输出推断所述过程流体的温度。

24.根据权利要求23所述的方法，包括：基于环境温度推断所述过程流体的温度。

25.根据权利要求18所述的方法，基于存储在存储器中的校正系数推断所述过程流体的温度。

26.根据权利要求18所述的方法，包括，基于所述电参数执行诊断。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述温度输出被用来与界限相比较，并且被用来识别所述界限外的过程流体温度。

28.根据权利要求26所述的方法，包括：基于所述电参数识别所述流体管的过高的温度。

29.根据权利要求18所述的方法，其中，基于热阻值确定流。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述热阻值是计算而得的。

31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述热阻值是根据经验测量而得的。

32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述热阻值被存储在存储器中。

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