CN102654411A

CN102654411A - 电磁流量计

Info

Publication number: CN102654411A
Application number: CN2011100494027A
Authority: CN
Inventors: 李程生; 张振山; 汪小胖; 石明
Original assignee: SHANGHAI WELLTECH INSTRUMENT CO Ltd; WEIERTAI INDUSTRIAL AUTOMATION Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: SHANGHAI WELLTECH INSTRUMENT CO Ltd; WEIERTAI INDUSTRIAL AUTOMATION Co Ltd SHANGHAI
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: CN102654411B

Abstract

本发明提供一种电磁流量计，包括传感器和转换器，所述传感器包括励磁线圈、电极、导管，所述转换器包括励磁驱动、中央处理单元、电极信号测量单元，所述的励磁驱动电路发出励磁电流；特别地，所述励磁电流具有为工频的非偶数倍分频的励磁频率。相较于现有技术，相邻两级励磁频率的间隔较小,选择余地更大，实现将低频噪声干扰影响降至最低以及输出稳定的兼顾。

Description

电磁流量计

技术领域

本发明涉及一种流量检测领域，特别地，更涉及一种适用于含有浆料的液体的流量测量的电磁流量计。

背景技术

电磁流量计通过励磁线圈将磁场施加给被测流体，被测流体在磁场中运动感应出感应电动势，检测并处理该电动势信号即可获得流体流速，从而实现流量测量。当前，励磁方式主要是低频方波励磁，即由恒流源给励磁线圈供电，不断地切换励磁线圈中电流的方向，使得励磁电流在正负恒定值之间周期地变化。在励磁电流恒定期间，电磁流量传感器输出信号能够获得稳定的零点。

由于传感器的信号十分微弱，为减小工频干扰，提高测量的稳定性，其励磁频率，局限于工频(通常为50Hz)的偶数倍分频，如25Hz、12.5Hz、8.333Hz、6.25Hz等，其分频倍数分别为2、4、6、8倍等。采用偶数倍可以减小工频干扰的原理为：励磁周期为20ms的偶数倍，使得正负励磁半周期为20ms的整数倍，这样正负励磁时，工频干扰相同，在运算时，可以相抵。此外对于25Hz等相对较高的励磁频率，工频干扰在信号中所占的比例较高，因此干扰能否相抵，就显得非常重要。

对于纸浆等浆料的流量测量，一方面，电磁流量计的输出受到低频噪声的严重干扰，必须使用较快的频率(1/f，频率越高噪声越小)，以减少噪声的影响，实现对浆料流体的测量以及提高流量计的动态响应性能；另一方面，随着电磁流量计口径的增大，例如150mm口径的传感器，25Hz的励磁频率，周期变短，励磁电流就不容易进入稳态，从而传感器输出信号就不易获得稳定的零点，误差较大。而传统上，若不选择25Hz的励磁频率，电磁流量计的下一个可选的励磁频率为12.5Hz，而12.5Hz的励磁频率又显较低，易受低频噪声的影响。传统的电磁流量计由于工频干扰，不能使用介于12.5Hz至25Hz之间的励磁频率，因此就会出现这样的情形：当电磁流量计的口径大于100mm时，便会因为使用频率较低的12.5Hz，易受到低频噪声的影响较大。此外，较低的励磁频率，还易使转换器中的放大器饱和，从而使输出大幅波动。因此对于纸浆等含浆料的液体，一般不使用方波励磁电磁流量计，而使用价格相对昂贵的交流励磁等电磁流量计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁流量计，能够产生具有为工频的非偶数倍分频的励磁频率的励磁电流，以解决现有技术中因励磁电流的励磁频率仅限于工频的偶数倍分频而造成电磁流量计在避免受到低频噪声干扰和输出稳定两者之间不能很好兼顾的问题。

本发明提供一种电磁流量计的检测装置，包括传感器和转换器，所述传感器包括励磁线圈、电极、导管，所述转换器包括励磁驱动、中央处理单元、电极信号测量单元，所述的励磁驱动电路发出励磁电流；所述励磁电流具有为工频的非偶数倍分频的励磁频率。

可选地，所述励磁电流为方波励磁。

可选地，所述为工频的非偶数倍分频的励磁频率包括：f＝F*n/m，其中，f为励磁频率，F为工频频率，n为大于1的奇数，m为偶数，n/m为不可约分数。

可选地，所述励磁频率的选项有：工频的3/4倍分频、3/8倍分频、5/8倍分频、7/8倍分频、5/12倍分频、7/12倍分频、11/12倍分频、3/16倍分频、5/16倍分频、7/16倍分频、9/16倍分频、11/16倍分频、13/16倍分频和15/16倍分频。

可选地，所述工频为50Hz，所述励磁频率的选项有：9.375Hz、15.625Hz、18.75Hz、20.83Hz、21.875Hz、28.125Hz、29.17Hz、31.25Hz、34.375Hz、37.5Hz、40.625Hz、43.75Hz、45.83Hz、46.875Hz。

可选地，所述工频为50Hz，所述励磁频率为18.75Hz。

本发明的电磁流量计，其产生的励磁电流的励磁频率并不仅限于为工频的偶数倍分频，更创造性地提供了为工频的非偶数倍分频的励磁频率，使得励磁频率有更大的选择空间，选取其中合适的最快的励磁频率，不仅有助于减小浆料的低频噪声(1/f，频率越低噪声越大)的影响，实现对浆料流体的测量以及提高流量计的动态响应性能，而且可以相对降低插值误差，有助于输出稳定，从而兼顾将低频噪声干扰影响降至最低以及输出稳定。

附图说明

图1为本发明的一种电磁流量计的结构示意图；

图2为图1中时序控制电路的原理图；

图3为在励磁频率为工频的3/8倍分频时的控制信号的时序图；

图4为在励磁频率为工频的3/8倍分频时的电极信号的仿真图形。

具体实施方式

本发明的发明人发现，在现有的电磁流量计中，存在的问题包括：励磁电流的励磁频率仅限于工频的偶数倍分频，相邻两级励磁频率的间隔较大，选择余地非常小，造成电磁流量计在避免受到低频噪声干扰和输出稳定两者之间不能很好兼顾的问题。

因此，本发明的发明人提供了一种电磁流量计，主要是对其中的励磁电流的励磁频率作了扩展，突破了以往励磁频率仅限于工频的偶数倍分频的限制，使得励磁频率也可以是工频的非偶数倍分频，相邻两级励磁频率的间隔较小，选择余地更大，实现将低频噪声干扰影响降至最低以及输出稳定的兼顾。

以下将通过具体实施例来对本发明的电磁流量计进行详细说明。

图1显示了本发明的一种电磁流量计的结构示意图。需说明的是，在本发明中，是以产生方波励磁的电磁流量计为例进行说明的(在如下描述中以“方波励磁电磁流量计”作称)。如图1所示，方波励磁电磁流量计包括：传感器1和与传感器1相连的转换器2。

传感器1包括流动有被测流体(例如为纸浆等浆料)的测量管10，与被测流体相接触且对向配置在测量管10上的一对电极12a、12b，设于测量管10的外壁面上、向被测流体施加与一对电极12a、12b构成的电极轴相垂直的磁场的一对励磁线圈14a、14b，以及信号公共端16。

转换器2包括电源模块21、工频追踪器22、单片机23、时序控制电路24、励磁驱动电路25、信号放大器26、模数AD转换器27，显示器28。

电源模块21，用于向各个用电单元输出工作电源，所述工作电源为24V的交流电或直流电，也可以是110V的交流电或220V交流电(根据实际应用环境而定)。

工频追踪器22，用于输出工频信号。在本实施例中，根据我国的实际情况，输出的所述工频信号为50Hz。当然，并不仅限于此，在其他情况下，所述工频信号也可以是规定的其他频率(例如为60Hz)。

单片机23，用于检查工频追踪器22的输出，根据或不根据工频追踪器22的输出，经时序控制电路24，发出励磁控制信号至励磁驱动电路25。

励磁驱动电路25，用于根据所接收的由单片机23经由时序控制电路24发出的励磁控制信号，向传感器1的励磁线圈14a、14b发出激励，使得在励磁线圈14a、14b上产生励磁电流。

在实际应用中，励磁线圈14a、14b上的励磁电流产生的励磁电场和测量管10内被测流体的流动，使传感器1的电极12a、12b上会有感应电动势产生(即电极信号)，所述电极信号传至信号放大器26，在时序控制电路24的作用下，信号放大器26的输出，经模数AD转换器27进行模数转换后传至单片机23，单片机23经过运算，得到与被测流体对应的流量测量结果，并在显示单元28上将所述流量测量结果予以显示。另外，在显示单元28上可以设置有按键，用户可以通过按键设定参数。

图2为时序控制电路24的原理图。A’、B’、与C’与单片机23相连，由程序确定。当单片机23发出控制信号CLK至D触发器的CLK脚时，Ａ’、B’、与C’的电平传至D触发器的输出A、B、C，其中A、B为模数AD转换器27的控制端，C为励磁控制端。单片机23发出控制信号的方法可以利用软硬件结合，由软件程序设定时间，在时间到达时，由硬件自动发出CLK信号，如此可以达到良好的精度，其精度要优于1微妙，因此模数AD转换器27的控制端A、B与励磁控制端C均具有良好的时间精度。

在上述描述中可知，励磁驱动电路25向传感器1的励磁线圈14a、14b发出激励，使得在励磁线圈14a、14b上产生励磁电流。在本实施例中，励磁电流主要为低频方波励磁，即由恒流源给励磁线圈14a、14b供电，不断地切换励磁线圈14a、14b中电流的方向，使得励磁电流在正负恒定值之间周期地变化。在本发明中，主要是对其中的励磁电流的励磁频率作了扩展，突破了以往励磁频率仅限于工频的偶数倍分频的限制，使得励磁频率也可以是工频的非偶数倍分频。

对于工频的非偶数倍分频，在本实施例中，具体地，所述为工频的非偶数倍分频的励磁频率为：

f＝F*n/m，

其中，f为励磁频率，F为工频频率，n为大于1的奇数，m为偶数，n/m为不可约分数。

具体来讲，以工频的1/4倍分频为例，所述励磁频率可以为工频的3/4倍分频；当工频为50Hz时，所述励磁频率则可以为37.5Hz。以工频的1/8倍分频为例，所述励磁频率可以为工频的3/8倍分频、5/8倍分频、7/8倍分频；当工频为50Hz时，所述励磁频率则分别可以为18.75Hz、31.25Hz、43.75Hz。以工频的1/12倍分频为例，所述励磁频率可以为工频的5/12倍分频、7/12倍分频、11/12倍分频；当工频为50Hz时，所述励磁频率则分别可以为20.83Hz、29.17Hz、45.83Hz。而以工频的1/16倍分频为例，所述励磁频率可以为工频的3/16倍分频、5/16倍分频、7/16倍分频、9/16倍分频、11/16倍分频、13/16倍分频、15/16倍分频；当工频为50Hz时，所述励磁频率则分别可以为9.375Hz、15.625Hz、21.875Hz、28.125Hz、34.375Hz、40.625Hz、46.875Hz。

需说明的是，本发明并不仅限于上述描述中所举数值的励磁频率。实际上，那些为工频的1/2、1/4倍分频、1/8倍分频、1/12倍分频、1/16倍分频的励磁频率也可以适用于本发明。即：所述励磁频率的选项还可以包括：工频的1/2倍分频、1/4倍分频、1/8倍分频、1/12倍分频和1/16倍分频。当工频为50Hz时，所述励磁频率则还分别包括：25Hz、12.5Hz、6.25Hz、4.17Hz、3.125Hz。

图3显示在励磁频率为工频的3/8倍分频时的控制信号的时序图。在这里，假设工频为50Hz，则所述励磁频率为18.75Hz。如图3所示，波形1为工频50Hz方波整形后的波形；波形2为模数AD转换器27的时序控制端A的波形；波形3为模数AD转换器27的时序控制端B的波形；波形4为励磁控制端输出的励磁电流的波形，波形4的频率励磁即为18.75Hz。从图3可以看出，波形1第二个脉冲的下降沿，与波形2第二个脉冲的下降沿对齐，波形1第6个脉冲的下降沿，与波形2第5个脉冲的下降沿对齐，所以每4个波形1的时间与每3个波形2的时间一样。模数AD转换器27是TC500，为双积分模数AD转换器。在某一时刻，时序控制电路，使得控制端B(波形3)的下降为低，并使控制端A(波形2)的上升为高，此时，模数AD转换器27开始正向积分，然后时序控制电路24使得控制端B上升，使得AD转换器的正向积分结束。正向积分结束后，励磁(波形4)就可以改变方向，为下一次积分做准备，所以励磁控制改变的时刻，对准控制端B(波形3)上升。随后模数AD转换器27进入反向积分，反向积分结束时，模数AD转换器27的某一个引脚发生跳变，单片机23对反向积分时间段的长度进行计数，作为模数AD转换器27的输出。控制端B的另一个宽度基本为零的下降与上升，是单片机23启动过零与零积分这两个过程，使得模数AD转换器27为下一次积分做准备。由于单片机23的精准控制，使得模数AD转换器27正向积分的开始与结束，时间精度很高。

作为首选的设置，本发明的电磁流量计探测工频，以适合于工频变化范围为47.5Hz至52.5Hz的现场应用，其探测工频的时间精度优于1微秒。程序把探测的工频的周期，作为发励磁的运算基准。程序可以控制发出为工频的3/8倍分频的励磁频率，精度优于1微秒。

进一步说明如下，作为首选的设置，本发明的电磁流量计探测工频，对于励磁频率为工频的3/8倍分频，在8个工频的时间内，有6个模数AD转换，3个为正向励磁，3个为反向励磁，分成3对正反向励磁：第一次模数AD转换(正向积分)与第四次模数AD转换(反向积分)；第二次模数AD转换(反向积分)与第五次模数AD转换(正向积分)；第三次模数AD转换(正向积分)与第六次模数AD转换(反向积分)。每一对的正反向励磁，其模数AD正向积分的开始时刻，位于基本相同的工频的相位，其时间精度优于1微妙，其模数AD转换的结束时刻，也位于另一个基本相同的工频的相位，其时间精度优于1微妙。如此时间精准的设计，保证相抵作用的充分性。

图4显示在励磁频率为工频的3/8倍分频时的电极信号的仿真图形。在这里，假设工频为50Hz，则所述励磁频率为18.75Hz。如图4所示，图中有两个波形，中间的正弦波为50Hz的干扰，另一个为叠加50Hz的干扰波形的电极信号。8个50Hz正弦波的时间长度，为3个励磁周期的时间长度。从1至65之间的波形为第一次正向励磁时的电极信号，193至257之间的波形为第二次负向励磁时的电极信号。可以看出，此两个信号上50Hz的干扰相同，在6次平滑滤波时，此两信号一个加入，一个减去，因此50Hz干扰抵消。同理，第一次负向励磁时的电极信号(65至129之间)与第三次正向励磁时的电极信号(257至321之间)的干扰抵消；第二次正向励磁时的电极信号(129至193之间)与第三次负向励磁时的电极信号(321至385之间)的干扰抵消。干扰抵消的抵消程度，与模数AD转换器27的时间控制与电源模块21的供电的干扰波形变动相关，实际表明，流量计输出非常稳定。

本发明电磁流量计的励磁电流的励磁频率，其选取范围既可以是现有技术中的为工频的偶数倍分频，也可以为工频的非偶数倍分频。例如在工频为50Hz的情况下，励磁频率可以是25Hz、18.75Hz、12.5Hz、9.375Hz、6.25Hz，其中25Hz、12.5Hz、6.25Hz为传统电磁流量计的选项，基本不受工频干扰影响，而18.75Hz、9.375Hz为本发明的合适的励磁频率，经过6次滑动平均滤波后，也基本不受工频干扰影响。由于一个励磁周期采样两次，18.75Hz、9.375Hz时，对应输出达到100％的响应时间，分别为0.16秒、0.32秒，对应输出达到63％的响应时间，分别小于0.1与0.2秒。

如此，本发明电磁流量计，不仅使得励磁电流的励磁频率的选取余地大大增加，更使得相邻两级励磁频率的间隔相对较小，可以提供在合理条件下最快、最合适的励磁频率。在工频为50Hz的情况下，例如对于口径小于等于100mm的电磁流量计，推荐使用25Hz的励磁频率；对于口径为100mm至200mm之间(例如125mm、150mm)的电磁流量计，推荐使用18.75Hz的励磁频率；对于口径为200mm至300mm(例如200mm、250mm)的电磁流量计，推荐使用12.5Hz的励磁频率；对于口径为300mm至500mm(例如300mm、450mm)的电磁流量计，推荐使用9.375Hz的励磁频率；对于大于等于500mm的电磁流量计，推荐使用6.25Hz的励磁频率。

综上所述，本发明的电磁流量计，其产生的励磁电流的励磁频率并不仅限于为工频的偶数倍分频，更创造性地提供了工频的非偶数倍分频的励磁频率，使得励磁频率有更大的选择空间，选取其中合适的最快的励磁频率，不仅有助于减小浆料的(频率越低噪声越大的)1/f噪声，以减少低频噪声的影响，实现对浆料流体的测量以及提高流量计的动态响应性能，而且可以相对降低插值误差，有助于输出稳定，从而兼顾将低频噪声干扰影响降至最低以及输出稳定。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种电磁流量计，包括传感器和转换器，所述传感器包括励磁线圈、电极、导管，所述转换器包括励磁驱动、中央处理单元、电极信号测量单元，所述的励磁驱动电路发出励磁电流；其特征在于，所述励磁电流具有为工频的非偶数倍分频的励磁频率。

2.根据权利1所述的电磁流量计，其特征在于，所述励磁电流为方波励磁。

3.根据权利1所述的电磁流量计，其特征在于，所述为工频的非偶数倍分频的励磁频率包括：

f＝F*n/m，

4.根据权利3所述的电磁流量计，其特征在于，所述励磁频率的选项有：工频的3/4倍分频、3/8倍分频、5/8倍分频、7/8倍分频、5/12倍分频、7/12倍分频、11/12倍分频、3/16倍分频、5/16倍分频、7/16倍分频、9/16倍分频、11/16倍分频、13/16倍分频和15/16倍分频。

5.根据权利1、3或4所述的电磁流量计，其特征在于，所述工频为50Hz，所述励磁频率的选项有：9.375Hz、15.625Hz、18.75Hz、20.83Hz、21.875Hz、28.125Hz、29.17Hz、31.25Hz、34.375Hz、37.5Hz、40.625Hz、43.75Hz、45.83Hz、46.875Hz。

6.根据权利5所述的电磁流量计，其特征在于，所述工频为50Hz，所述励磁频率为18.75Hz。