CN103674131A - 具有多个线圈的磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量过程流体的流量的磁流量计，所述磁流量计包括布置成接收过程流体流的流管。第一线圈、第二线圈和第三线圈邻近流管布置。第一电极和第二电极被布置成感测过程流体的与施加的磁场和过程流体的流量有关的电势。感测的电势用于计算通过流管的过程流体的流量。

Description

具有多个线圈的磁流量计

同时待决的申请的交叉引用

在一个特定结构中，采用四个线圈，例如如Steven B.Rogers和Joseph A.Smith同日提出申请且与本申请共同受让的同时待决的申请第____号中所示，该申请的名称为“INTEGRALLY MOLDED WAFER MAGMETER”。

技术领域

本发明涉及用于感测和测量工业过程设备中的过程流体的流量的类型的流量计。更具体地，本发明涉及计进行的流量的测量。

背景技术

磁流量计通常用于测量通过电绝缘流管的导电过程流体的流量。根据法拉第电磁感应定律，当导电过程流体沿垂直方向移动通过磁场时，在流体中感生与过程流体的速度成比例的电压。可以通过由弯曲成多个紧密分隔开的环的导线制成的线圈产生磁场。一对电极接着用于测量由过程流体的运动感生的电压。

可以通过移动电荷产生磁场。通常采用电流和磁性材料的磁作用的数学描述来说明磁场。任何给定点处的磁场都由具有方向和大小(强度)的矢量来表示。矢量的方向由电流流动通过线圈的方向来决定。磁场的强度和密度取决于电流的量以及线圈的面积和形状。具体地，磁场的总强度随着导线长度而增加。例如，当传送电流的导线形成为环时，磁场聚集在环内。当导线弯曲成多个环以形成线圈时，磁场变得更加集中。

发明内容

一种用于测量过程流体的流量的磁流量计包括布置成接收过程流体流的流管。首先，第二和第三线圈邻近流管布置并被构造成在过程流体中感生磁场。第一和第二电极被布置成感测过程流体的与施加的磁场和过程流体的流量相关的电势。

附图说明

图1是显示包括磁流量计的过程控制系统的视图；

图2是图1的磁流量计的部分立体剖视图；

图3是包括第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈的流量计的简化横截面图；

图4是显示用于测量通过流管的导电过程流体的流量的流量计的一个实施例的方框图；

图5A-H是显示流量计的线圈的通电的视图；以及

图6是显示流量计的线圈驱动电路的方框图。

具体实施方式

本发明涉及一种测量通过流管的过程流体的流量的磁流量计。在一个实施例中，本发明的磁流量计由于磁场的增加的密集度或密度而提供提高的精度和增加的灵敏度。在另一个实施例中，本发明提供增加的信-噪比，进而提高流量计的精度。在又一个实施例中，流量计提供流管的期望区域中的增加的场密度。这会造成增加的流量计的灵敏度。在另外的实施例中，本发明包括具有多于三个的线圈和/或多于两个的电极的磁流量计。在又一个实施例中，本发明可用于检测、测量和补偿过程流体流的速度分布的不对称性。

本发明的磁流量计包括布置成容纳过程流体流的流管。另外，流量计包括邻近流管布置的多个线圈。在一个优选实施例中使用四个线圈。控制器被构造成使用多个线圈将磁场施加到过程流体。第一和第二电极被布置成感测与所施加的磁场和过程流体的流量有关的过程流体的电势。传感器被构造成从第一电极和第二电极接收电压。控制器被构造成根据第一电极与第二电极之间感测的电压来计算过程流体的流量。

在图1中，以附图标记100显示用于磁流量计102的典型环境。更具体地，图1显示连接到过程管道104的磁流量计102，所述过程管道还连接到控制阀112。在磁流量计中，受监控的过程变量涉及通过流管108的过程流体的速度。磁流量计102可以被构造成通过通信总线106将长距离传输的输出提供到控制器或指示器。在典型的过程设备中，通信总线106可以为至例如系统控制器/监控器110的控制器或其它装置的4-20mA的过程控制电流回路、场总线连接、脉冲输出/频率输出、

协议通信、诸如基于IEC62591标准的无线

通信协议的无线通信连接、以太网或光纤连接、或者其它通信信道。系统控制器110可以被编程作为过程监测器以向操作员显示流动信息，或者编程作为过程控制器以在通信总线106上使用控制阀112控制过程。

在图2中显示磁流量计102的立体剖视图。流量计102包括连接到流管108的电子壳体120。要注意的是在图2中，流量计102被显示为“法兰”流量计，而在图1中，流量计102被显示为“晶片(wafer)”型流量计。如这些图中所示，法兰流量计包括其本身的用于连接到过程管道的法兰。本发明可应用于任一种类型的结构。根据一个实施例，流管108可以由低导磁率材料222A、222B、222C、222D形成且具有电绝缘衬管202、流管壳体302以及邻近流管108布置的第一、第二、第三和第四电磁线圈。在一个示例中，使用模制流管，例如同时待决的申请第____号中所示，该申请的名称为″INTEGRALLY MOLDED WAFER MAGMETER″，该申请由Steven B.Rogers和Joseph A.Smith与本申请在同一日申请且与本申请共同受让。要注意的是在图2中仅显示线圈222A和222B。线圈222A-D用于在流动通过流管108的过程流体中产生磁场。流管108中的第一和第二电极224A、224B提供电动势(EMF)传感器，所述电动势传感器感测由于流动速度和施加的磁场210而在流体中产生的EMF(电压)。(在图2中仅可看见电极224B)。过程流体流动通过流管108中的磁场，并且该流动在流体中感生EMF。绝缘衬管202防止EMF从流体泄漏到金属流管。电极224A、224B感测感生的电压或EMF。控制器(图2中未示出)被构造成根据法拉第定律基于在第一电极224A与第二电极224B之间感测的电压计算过程流体的流量，其中该法拉第定律规定EMF或电压与流管108中的流体200的流量和施加的磁场成比例。

图3是流量计102的简化横截面图并显示流管壳体302中承载的流管108。在一个实施例中，第一线圈222A、第二线圈222B、第三线圈222C和第四线圈222D邻近流管108定位并且绕着该流管的圆周均匀地分隔开。非导电流管衬管202内衬于流管108中并运送过程流体200。流管108可以包括例如不锈钢。铁磁屏蔽件204优选地布置用于绕着流管108的外周长传导磁场。这有助于减少主要在流管外的磁返回路径的磁阻。如图3所示，第一线圈222A和第二线圈222D位于相对于电极224A、224B形成的水平电极轴线226的“上方”。类似地，线圈224B、224C位于轴线226的“下方”。通过将线圈222A-D放置在电极224A、224B的上方和下方，磁场可以聚集在电极附近，并且线圈导线的总数(重量)可以被减少而不会降低装置的灵敏度。另外，当磁场聚集在电极附近时，生成的电压信号由于通过相邻金属管的电短路很少会被减少。进而，该结构允许使用具有较短长度的流管而不会降低流量计的灵敏度。磁场的密度的增加导致增加的信-噪比，从而提供更精确的流量测量值。

在图3中，任选的第三电极224C和第四电极224D分别被显示和形成垂直电极轴线227。在增加任选电极的情况下，任何一对电极224A、224B、224C、224D之间的电压差可以被观察到，并且用于增加流量测量值的精度并检测流量分布的变化。如图3中的示例性实施例所示，第一线圈222A布置在0度与90度之间，其中0度垂直于垂直电极轴线227，而90度与电极轴线227重合。第二线圈222B布置在90度与180度之间，第三线圈222C布置在180度与270度之间，第四线圈222D布置在270度与360度之间。

在图4中，方框图显示用于测量通过流管108的导电过程流体200的流量的磁流量计102一个实施例。线圈222A-D被构造成响应于由线圈驱动器230施加的驱动电流将磁场施加到流体流。线圈222A-D可以由正弦交流电流(AC)或脉冲直流电流(DC(方形波))提供电力。电极224A、224B电连接到过程流体200并将EMF信号输出234提供至放大器232。信号234涉及由于施加的磁场在流体流中产生的EMF以及流体速度。模数转换器242将数字化表示的EMF提供到微处理器系统248。信号处理器250应用于微处理器系统248中，所述微处理器系统连接到EMF输出234以提供关于流体速度的输出252。存储器278可以用于储存程序指令或其它信息。虽然显示数字电路，但是也可以使用模拟电路实施本发明。

微处理器系统248根据EMF输出234与流动速度之间的关系计算通过流管108的流体200的速度，如法拉第定律中所述，法拉第定律指出：

V＝E/(kBD)                      方程1

其中E是感测电压，V是流体的速度，D是流管108的直径，B是流体中的磁场的强度，k是比例常数。微处理器系统248根据已知的技术使用感测电压计算过程流体的流量。连接到微处理器系统248的数模转换器258产生用于连接到通信总线106的模拟量变送器输出260。数字通信电路262产生数字量变送器输出264。

图5A-E是显示响应于各个线圈的通电生成的磁场图案的流管108的横截面图。流量计102可以被构造成单独、同时或以不同的连续顺序给单个线圈、两个线圈或多于两个的线圈通电。在一个实施例中，所述连续顺序包括单独地给每一个线圈通电。例如，线圈222A、222B、222C、222D中的至少一个可以在线圈中的其它线圈之前被通电。在另一个实施例中，连续顺序包括成对地给线圈通电。在图5所示的实施例中，这包括成对地给线圈222A、222B、222C、222D通电。具有至少六种成对地给线圈通电的可能的排列。在一个实施例中，成对的线圈包括相对的线圈。在另一个示例性实施例中，被通电的多对线圈包括相邻的线圈。另外，通过改变流动通过线圈的电流的方向可以使磁场的南-北极颠倒。

如图5A-H中所示，磁场根据被通电的线圈而不同。当多对线圈被通电时，流管108内的不同区(或区域)产生不同的磁场。通过每一个磁场的流体流产生电压信号，所述电压信号与横跨流管的在形成磁场的轴向位置处的横截面的平均速度分布相关。另外，多于两个的电极的使用允许采集额外的信息。更具体地，产生的电压在垂直于所述流体流且垂直于磁场方向的方向上最大。因此，可以根据施加的磁场的方向通过选择适当的电极对来检测较大的电压响应信号。通过分析响应于不同的施加磁场产生的电压信号，可以获得关于流动速度分布以及该分布在流管的横截面上如何变化的信息。更具体地，观察到的对称的类型是指“轴对称”，所述轴对称是指通过沿着管轴线延伸的任何平面的对称。为了获得精确的测量值，大多数流量计需要过程流体表现出轴对称的速度分布。轴对称的速度分布是关于流管的中心线自由旋转且对称的分布。在管道中的干扰(例如弯头或阀)引起流动速度在管道的一侧增加而在另一侧降低的任何时候，该速度分布都会变得不对称。这会导致在流量测量值中引入误差。所述误差根据流动扰动的严重性可以很显著。这将在流量计中导致提供较不准确的流量测量值。

图5A是流管108的横截面图并显示线圈222A-D。另外，在5A所示的结构中显示四个电极224A-D。在图5A中，线圈222A和222D被以下述方式通电：所述线圈的北极指向流管108，而所述线圈的南极背离流管108。线圈222B和222C被以相反的方式通电，其中北极向外而南极向内。这表示在图5A所附的表格中。术语“IN”表示指向内的磁北极，而“OUT”表示北极指向流管108外。另外，术语“OFF”表示线圈没有被通电。根据该通电，将产生如图5A中所示的磁通线所标示磁场。(要注意的是未显示管外部的磁通线)。这将使得在电极224A与224B之间产生最强的电压信号。

在图5B的结构中，在线圈222D与222B之间产生单一磁场。在该结构中，在电极224C与224D之间或电极224A与224B之间将观察到最大电压。要注意的是在这种结构中，这两个测量电压之间的差值可以用于提供关于所述流体流的信息或用于诊断的信息。图5C显示其中线圈222A和222C被通电的相似结构。

在图5D和图5E中，一对线圈被通电，具体地，图5D中的线圈222D和222C以及图5E中的线圈222A和222B被通电。在该通电方案中，在电极224A与224B之间观察到最大电压。两个电压测量值之间的差值可以再次用于提供关于流量分布的诊断信息或额外信息。

图5F和图5G显示其中相邻对的线圈被通电且其磁场在相同的方向上的结构。另外两个线圈未通电。在该结构中，在线圈222A与222B之间观察到最大电压。图5H显示单个线圈被通电时磁场中的结果。

通过根据不同磁场的施加来监测产生的电压，可以获得关于流管的操作、流动分布的信息、关于过程流体本身的信息以及诊断信息。例如，根据施加的磁场，在一些情况下，两个电极对之间观察到的电压应该相等。作为具体的示例，当流动不对称时，如图5E中所示电极224A与224B被通电一样，电极224A与224B之间测量的电压在如图5D中所示线圈被通电时应该近似相等。然而，如果电压在线圈如图5E中所示被通电时明显更高，则可以假定流动没有轴对称并且流体的平均速度在流管的右侧比流管的左侧高。在这种情况下，流量计可以被构造成警告使用者准确度会降低或校正误差。在一些结构中，在计算电压时使用多于两个的电极。另外，各种电压和电压差可以被储存并用于显示趋势(trend)。

在一个实施例中，本发明聚集从不同磁场产生的信号并使用该信号产生表示流量分布的数据。这可以被视为速度分布的“图像”。通过建立详细的速度分布，本发明的多个方面可以识别分布中存在的轴对称的变化。速度分布的非对称可以接着例如受到补偿。这使得流量计产生更精确的流量测量值。在一个实施例中，产生多个不同磁场，速度分布的生成“图像”更进一步地提供关于速度分布的细节。通过改变被通电的线圈和/或通电线圈的极性，可以改变施加的磁场的分布。这可以用于将磁场聚集到流管内的特定区域(“区”或“多个区域”)。另外，可以监测各个电极224A、224B、224C、224D之间的电压差。这具有增加选定区域或“区”中的装置的灵敏度的效果，其中磁场聚集在所述选定区域中和/或在该选定区域中可观察到生成的电压。

图6显示电子壳体120中的驱动电路230的一个实施例。线圈驱动电路230包括由控制器248控制并连接多个线圈222A、222B、222C、222D的多个开关298A、298B、298C、298D。控制器248控制多个开关298A、298B、298C、298D以选择性地将电流源296连接到多个线圈222A、222B、222C、222D。要注意的是如果流动通过线圈的电流的方向改变，则线圈的极性将颠倒。在一个结构中，驱动电路230包括另外的开关(或者其它电路)，所述另外的开关可以用于独立地切换通过多个线圈222A、222B、222C、222D的电流的方向。

在一个实施例中，线圈222A、222B、222C、222D中的每一个可以卷绕到卷轴上并接着使用中心柱或类似部件固定到流管108。线圈可以永久地连接到流管108。在一个示例性实施例中，线圈222A、222B、222C、222D可以被加热以活化粘结涂层。加热线圈将依赖于卷轴的材料。一旦线圈222A、222B、222C、222D被卷绕到卷轴上，线圈222A、222B、222C、222D接着被对准并固定到流管108。任意适当的紧固件可以用于将线圈222A、222B、222C、222D固定到流管108，例如螺柱和螺母。在另一个示例结构中，线圈222A、222B、222C、222D和/或电极224A、224B以及任选的电极224C、224D被固定在由成型材料形成的流管中。

如上所述，任何数量的线圈可以根据需要同时或单独地被通电。通过选择被通电的线圈和/或产生的磁场的极性，不同的磁场图案可以应用于过程流体。在另外一个示例结构中，通过改变施加到一个或多个线圈的电流的量来调节施加的磁场的强度。除了改变施加的磁场之外，本发明还包括使用多于两个的电极来感测生成的电压。例如，返回参照图3，如果使用四个电极且磁场被施加到过程流体，则可以感测电极224A与224C之间的生成的电压以及电极224B与224D之间生成的电压。这两个感测电压之间的差值可以表示过程流体的流量分布的变化。一旦检测到过程流体的变化，微处理器248可以用于补偿该变化。例如，存储器278可以存储为固定值或补偿方程形式的补偿信息。这种方程可以采用例如多项式方程的形式。例如，如果在沿平行于两个电极之间的线的方向上施加磁场时电极对检测到电压，则根据流管的特征过程可以增加或减小计算的流量值。可以在流量计的制造期间进行流管的特征化且特征信息存储在存储器278中。

因此，通过本发明，通过选择性地对适当磁线圈通电施加多个不同的磁场而可以收集关于过程流体的流动的信息。类似地，如果采用多于两个的电极，则还可以观察到流管上的不同位置之间的生成电压的变化。该额外信息可以用于补偿流量测量值并对流管、过程流体或其它部件进行诊断。额外信息还可以用于采集关于过程流体本身的信息。例如，通过观察由于不同磁场的施加引起测量值的变化或通过感测不同电压可以检测过程流体中的具体浓度。该信息还可以用于识别流管和相关管道的堵塞、沉积或腐蚀。所述信息可以随着时间进行监测以观察趋势。

虽然已经关于优选实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将会认识到在不背离本发明的精神和范围的情况下进行形式和细节上的改变。虽然本发明的实施例已经说明了包括四个线圈和两个或四个电极，但是本发明可以使用的线圈和电极的数量不限于该结构。随着线圈的数量和/或电极的数量增加，可以更精确地测量速度分布的不对称，并且可以获得速度分布不对称的图像的更精细的分辨率。还可以根据过程流体进行诊断。这可以包括根据可能表现为速度分布的不对称的增加的过程流体中的污泥进行诊断。类似地，流管的腐蚀或污垢可以表现为速度分布的变化。另外，线圈和电极的结构增加流量计的效率并减少获得测量值所需的电流量。

Claims (24)

1.一种用于测量过程流体的流量的磁流量计，包括：

流管，所述流管被布置成接收通过该流管的过程流体流；

第一线圈，所述第一线圈邻近所述流管布置；

第二线圈，所述第二线圈邻近所述流管布置；

第三线圈，所述第三线圈邻近所述流管布置；

驱动电路，所述驱动电路被构造成使用所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈将磁场施加到所述过程流体；

第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被布置成感测所述过程流体的与施加的磁场和所述过程流体的流量有关的电势；和

控制器，所述控制器被构造成根据由所述第一电极和所述第二电极感测的电势计算所述过程流体的流量。

2.根据权利要求1所述的磁流量计，还包括：

邻近所述流管布置的第四线圈。

3.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述驱动电路包括构造成选择性地将电流源连接到线圈的开关。

4.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述第一线圈和所述第二线圈位于所述第一电极和所述第二电极的水平轴线的上方，所述第三线圈位于所述第一电极和所述第二电极的下方。

5.根据权利要求2所述的磁流量计，其中，所述第一线圈和所述第二线圈位于所述第一电极与所述第二电极之间的上方，所述第三线圈和所述第四线圈位于所述水平轴线的下方。

6.根据权利要求1所述的磁流量计，还包括：

屏蔽件，所述屏蔽件被布置成绕着所述流管的外周边传导磁场。

7.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述控制器被构造成识别所述过程流体的速度分布的不对称。

8.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述控制器适于根据速度分布检测流量测量值中的错误。

9.根据权利要求7所述的磁流量计，其中，所述控制器适于校正所述流量测量值中检测到的错误。

10.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述流量计被构造成根据速度分布或所述过程流体进行诊断。

11.根据权利要求2所述的磁流量计，其中，所述线圈被成对地通电。

12.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，线圈对包括相对的线圈。

13.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈被同时通电。

14.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述线圈被单独地通电。

15.根据权利要求1所述的磁流量计，包括：

第三电极，所述第三电极被布置成感测所述过程流体的与施加的磁场和所述过程流体的流量有关的电势。

16.一种测量过程流体的流量的方法，包括以下步骤：

布置流管以接收所述过程流体流；

邻近所述流管布置第一线圈；

邻近所述流管布置第二线圈；

邻近所述流管布置第三线圈；

使用所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈将磁场施加到所述过程流体；

布置第一电极和第二电极以感测所述过程流体的与施加的磁场和所述过程流体的流量有关的电势；和

根据由所述第一电极和所述第二电极感测的电势使用控制器计算所述过程流体的流量。

17.根据权利要求16所述的方法，包括以下步骤：

邻近所述流管布置第四线圈。

18.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：

使线圈被成对地通电。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述使线圈被成对地通电的步骤包括：

对相对的线圈进行通电。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述线圈被单独地通电。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

识别所述过程流体的速度分布的不对称。

22.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

校正由于所述过程流体的速度分布的不对称在流量测量值中产生的误差。

23.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

根据所述过程流体的速度分布的不对称进行诊断。

24.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

布置第三电极以感测所述过程流体的与施加的磁场和所述过程流体的流量有关的电势。

Images