CN104048710A - 根据感测的复阻抗自动调节的磁流量计 - Google Patents

Abstract

一种磁流量计包括用于过程流量的管道部分、用于在所述管道部分两端产生磁场的线圈、用于给所述线圈通电以在线圈驱动频率下产生磁场的电流源，以及用于感测由所述磁场在所述过程流量两端所感应电压的电极。处理器计算感测的电压的函数并且根据所述函数产生流量输出。所述处理器根据感测的电极-电极或者电极-地复阻抗调节所述流量计的操作参数(诸如电极电压采样周期、线圈驱动频率或者相移)。

Description

根据感测的复阻抗自动调节的磁流量计

技术领域

本发明通常涉及流体处理，并且具体地涉及过程流量(process flow)测量和控制。更具体地，本发明涉及用于磁流量计的测量技术。

背景技术

磁流量计(或者磁流量表)通过法拉第感应(电磁效应)测量流量。所述磁流量表给线圈通电以便在管道部分两端产生磁场，并且所述磁场在所述过程流量两端感应出电动势(EMF)。利用延伸穿过所述管道部分并且进入与所述过程流量接触的或者经由电容耦合的一对电极测量所得到的电势差(或者电压)。流速与感应出的EMF成正比，并且体积流量(flow rate)与流速(flow velocity)和流动面积成正比。

通常，电磁流量测量技术适用于水基流体、离子溶液和其他导电流量。具体的用途包括水处理设施、高纯度医药制造、卫生食品和饮料生产以及包括有害和腐蚀性过程流量的化学处理。磁流量计还用于包括利用磨蚀和腐蚀性泥浆的液压破碎技术(hydraulic fracturing technique)的碳氢化合物燃料行业，以及其他的碳氢化合物提取和处理方法。

磁流量计在由于相关联的压力降(例如孔板或者文氏管的两端)而使得在基于压差的技术不受欢迎的应用中提供快速、精确的流量测量。当将机械元件(诸如涡轮转子、涡流元件或者皮托管)引入所述过程流量是困难的或者不切实际的时，也可以采用磁流量计。

一些磁流量计使用直接由交流线路功率驱动的现场线圈。其他类型的磁流量计(通常称作脉冲直流磁流量计)用低频方波周期性地激发或者供电所述现场线圈。脉冲直流磁流量计利用以某一频率变化方向的磁场。当反转所述场时，快速变化的磁场在所述电极电压中产生尖峰。这个尖峰与流速无关，但是与磁场的变化率相关。为了完成流量测量，必须对所述电极电压测量电路系统进行编程以在这个尖峰完全衰减之前等待，否则由于所述衰减尖峰造成的电压差将如同是测量的流量。

所述电压尖峰的衰减速度与所述过程流体的阻抗相关地变化，用作所述电压尖峰的阻容(RC)滤波器。所述阻抗进而依赖于过程流体的电导率、电极上的任何涂层以及变送器与流量管之间电缆的长度。因此，所述电压尖峰的衰减速度在所述流量计出厂时是未知的，并且如果所述流体电导率变化或者如果在所述电极表面施加涂层，会随着时间而变化。

由于所述电极至电极阻抗事先是未知的并且会随着时间而变化，典型地对脉冲直流流量计进行编程，以只在每一个半周期的末尾采样，此时所述电压尖峰“泄漏”至所述流量测量的可能性是非常低的。这个测量时间例如可能只有每一个半周期的20％。

发明内容

本发明涉及一种磁流量计，所述磁流量计基于感测的复阻抗进行操作参数的自动调节。所述磁流量计包括管道部分、靠近所述管道部分外径的线圈、电流源、延伸至所述管道部分内径的电极以及处理器，所述处理器根据所述电极之间感测的电压产生流量输出。所述处理器根据所述电极之间或者一个或多个电极与地之间的感测的复阻抗调节流量计操作参数。

本发明的另一个实施例是一种测量流量的方法。所述方法包括：在过程流量两端产生磁场，在电极电压感测时间段期间对由所述磁场在感测电极之间感应出的电压进行感测，并且基于感测的的电压产生流量输出。所述方法还包括：对感测电极之间或者一个或多个感测电极与地之间的复阻抗进行感测，并且根据感测的复阻抗改变流量计操作参数。

在另一个实施例中，操作磁流量计的方法包括：对感测电极之间或者一个或多个感测电极与地之间的复阻抗进行感测，并且根据所述感测的复阻抗自动调节磁流量计的操作参数。

附图说明

图1是脉冲直流磁流量计的方框图。

图2A和2B是分别阐释了用于根据感测的复阻抗调节电极电压采样周期或者线圈驱动脉冲频率的操作参数的实施例的。

图3是示出了电极信号基于流量管的脉冲直流磁流量计的时间的曲线图，所述流量管充满了具有两种不同电导率的水。

图4是示出了电极信号基于流量管的脉冲直流磁流量计的时间的曲线图，所述流量管充满了具有两种不同电导率的水，并且还阐释了根据感测的复阻抗的所述电子电压采样周期的自动调节。

具体实施方式

图1示出了示范性脉冲直流磁流量计10，包括主要部分(或者流量管)10A和次要部分(或者变送器)10B。流量管10A包括管道12、绝缘内衬14、电极16A和16B以及现场线圈18A和18B。

所述流量管10A的基本功能是产生与待测流体的速度成正比的电压。通过使电流通过现场线圈18A和18B来给它们通电以形成磁场。在脉冲直流磁流量计中，周期性地反转所述线圈驱动电流的方向，使得由现场线圈18A和18B产生的磁场改变方向。流经流量管10A内部的过程流体用作移动导体，在流体中感应出电压。流量管10A内部齐平安装(flush mounted)的电极16A、16B与导电的过程流体直接电接触，从而获取在流体上出现的电压。为了防止所述电压被短路，必须将所述流体包含在电绝缘的材料中。当管道12是金属管时，由内衬14提供绝缘，所述内衬是不导电的材料，诸如聚氨酯、聚四氟乙烯(PTFE)或者绝缘橡胶材料。

变送器10B解释(interpret)在电极16A和16B处产生的电压并且将标准化信号发送至监测或者控制系统。次要部分10B通常被称作变送器或者信号转换器。

变送器10B典型地包括信号处理器20、数字处理器22、线圈驱动器24和通信接口26。信号转换、调节和传输是变送器10B的主要功能。

数字处理器22控制由线圈驱动器24供应给线圈18A和18B的脉冲直流线圈驱动电流的脉冲频率。由线圈驱动器24提供的电流波形是方波，具有称作脉冲频率的频率。可以周期性地中断线圈驱动以关断线圈18A和18B。这样允许电极16A与16B之间电压或者电极16A或16B与地之间电压的周期性测量。这些测量可以用于采样和校正在流量管10A内的噪声感应电压。所述测量也可以用于感测复阻抗，然后可以用于自动调节磁流量计10的操作参数，诸如电极电压采样周期或者线圈驱动脉冲频率。

也可以在不关断所述线圈的情况下感测复阻抗。可以以远离所述驱动频率和/或与所述驱动信号异步的频率通过电极16A和16B将电流施加至线圈18A和18B，使得在执行所述复阻抗感测功能的同时可以继续测量所述流速。

信号处理器20连接至电极16A和16B以及地。所述接地连接可以是连接至管道12或者可以连接至管道12的凸缘或者管道部分上游或下游的接地连接。

在由数字处理器22限定的电极电压采样周期期间，信号处理器20监测电极16A处的电势VA和电极16B处的电势VB。信号处理器20产生对电极16A和16B之间电势差加以表示的电压并且将该电压转换成对电极电压采样周期期间的电极电压加以表示的数字信号。数字处理器22可以对从信号处理器20接收到的数字信号执行进一步的信号处理和修饰(grooming)。数字处理器22给通信接口26供应流量测量数值，所述通信接口将该数值通信至读出或者控制系统(未示出)。通过通信接口26的通信可以为以下形式：在4至20mA之间变化的模拟电流级别、HART通信协议(其中在4-20mA电流上调制数字信息)、在数字总线(例如诸如现场总线(IEC61158))上的通信协议或者利用无线协议(例如诸如WirelessHART(IEC62951))在无线网络上的无线通信。

信号处理器20还可以监测流量管10A内的复阻抗，所述复阻抗会依赖于流经流体管10A的流体的电导率、构建在电极16A和16B表面上的任何涂层的存在以及流量管10A和变送器10B之间电缆的长度而变化。在这种感测功能中，信号处理器20施加电流通过电极16A和16B。数字处理器22可以利用电极16A和16B之间的电压或者电极16A或16B与地之间的电压来得到感测的复阻抗的数值，然后可以利用所述数值自动调节如图2A和2B所示的磁流量计10的操作参数。图2A和2B是方框图，分别阐释了用于基于感测的复阻抗来调节电极电压采样周期或者线圈驱动脉冲频率的操作参数的实施例。如图2A的实施例所示，感测复阻抗(步骤100)，然后根据感测的复阻抗确定电极电压采样周期(步骤102)。最后，将所述电极电压采样周期调节至已确定为所述感测的复阻抗的函数的采样周期，以提高所述信噪比(步骤104)。类似地，在图2B的实施例中，感测复阻抗(步骤200)，然后根据感测的复阻抗确定线圈驱动频率(步骤202)。最后，根据已确定的感测复阻抗调节所述线圈驱动频率，以提高所述信噪比(步骤204)。在一些实施例中，可以采用感测的复阻抗来调节电极电压采样周期和线圈驱动脉冲频率。

因此，基于感测的复阻抗，数字处理器22可以以提高信噪比的方式改变电极电压采样周期或所述线圈驱动脉冲频率，或者两者兼而有之。具体地，可以以与感测的复阻抗成反比的关系来调节电极电压采样周期，使得随着感测的复阻抗减小，所述电极电压采样周期增大。线圈驱动脉冲频率的调节也是根据与感测的复阻抗的反比关系。随着复阻抗减小，所述线圈驱动脉冲频率增大。

图3是示出了基于脉冲直流磁流量计的时间的电极信号的曲线图。这个曲线取自具有两种不同电导率的水的6英寸罗斯蒙德8705型流量管。所述线圈驱动脉冲频率设置为37Hz。所述第一样品是去离子水(DW)，具有调节至5μS/cm的电导率，所述电导率是罗斯蒙德8705型流量管的最小指定电导率。所述第二样品是标准自来水(TW)，其电导率测量为220μS/cm。

如图3的区域A所示，在去离子水(DW)波形中由磁场方向反转所产生尖峰的幅度低于在自来水(TW)波形中的幅度。

区域B示出了所述DW波形中尖峰的下降缘滞后于所述TW波形尖峰的下降缘。区域C示出了所述DW波形的尖峰比所述TW波形更缓慢地衰减。

图4再次示出了去离子水(DW)波形和自来水(TW)波形。所述线圈频率再次为37Hz。所述去离子水具有5μS/cm的电导率，并且所述自来水具有220μS/cm的电导率。

在图4中，所述TW和DW信号已经与标记为DWRA和TWRA的15周期移动平均叠加。这些移动平均波形能够更容易地看出所述尖峰通过所述噪声的衰减。

图4中的曲线用脉冲直流磁流量计中所使用的标准的20％电极电压采样周期标记。在图4中将这个标准的20％周期标记为STD。

在图4中同样由虚线示出的是所述电极电压采样时间的增加，标记为ADD。这表示附加的采样时间，所述附加的采样时间对于较高电导率流体是可能的。

所述去离子水样品就在所述标准(20％)电极电压采样周期STD开始之前没有衰减至接近零。因此，用于去离子水的采样周期是近似最佳的。

相比之下，所述自来水(TW)尖峰在标准电极电压采样周期STD开始之前已经完全衰减了很长时间。这意味着可以利用较长的采样周期，结果是较高的信噪比。在图4所示的示例中，所述采样周期(STD+ADD)可以近似是所述STD采样周期的三倍。

利用较长采样周期的能力依赖于能够测量所述过程流体的阻抗，这样允许所述衰减时间的预测。由于流经磁流量计的大多数过程流体具有等于或者大于自来水的电导率，因此大多数利用磁流量计的流量测量可以通过增加的采样时间受益。

信噪比增加可以导致磁流量计性能的改善。替代地，可以在不损害性能的情况下实现现场线圈功率的降低。具有比自来水更高电导率的流体甚至会更快地解决，所以它们会看出甚至更大的改善。

可以在没有显著附加成本的情况下获得由作为感测的复阻抗的函数的电极电压采样间隔的自动调节实现的益处。通常，对变送器中电路系统的变化是最小的，并且可以用数字处理器22中的软件变化完成所述复阻抗的测定和所述采样周期调节的测定。

在本发明的另一个实施例中，还可以根据所述流体的阻抗自动调节线圈驱动频率。通常，较高的频率线圈驱动改善了所述信噪比，因为过程噪声在较高频率下往往较低。然而，在较高频率下操作具有不太可靠的零点的限制，因为所述电压尖峰可能没有完全衰减，并且所述衰减时间是未知的，因为没有考虑所述流体阻抗。通过感测所述流体的复阻抗并且相应地调节所述线圈驱动频率，变送器10B可以在不损害零点稳定性的情况下以最大的可能频率操作磁流量计10。

根据感测的复阻抗变化所述磁流量计的操作参数也可以用于交流驱动磁流量计。例如，感测的复阻抗可以用于根据电极阻抗调节所述电极信号的相移。这样提供了更好的正交对准，从而降低了零点漂移，并且可以依赖于所采用的测量技术改善噪声降低。

尽管已经参考示例实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解，在不背离本发明范围的情况下，可以做出各种变化，并且可以用等同物替代其元件。此外，可以做出许多修改，以便在不背离本发明本质范围的情况下使特定的情况或者材料适应于本发明的教义。因此，目的在于本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种磁流量计，包括：

管道部分，具有内径和外径；

线圈，靠近所述管道部分的外径；

电流源，连接至所述线圈以按照线圈驱动频率产生交变的磁场；

电极，从所述管道部分的外径延伸至所述管道部分的内径；以及

处理器，根据所述电极之间感测的电压产生流量输出，其中所述处理器根据所述电极之间或者一个或多个电极与地之间的感测的复阻抗来调节流量计操作参数。

2.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述流量计操作参数是线圈驱动频率。

3.根据权利要求2所述的磁流量计，其中所述处理器以与感测的复阻抗成反比的关系调节所述线圈驱动频率。

4.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述流量计操作参数是电极电压采样周期。

5.根据权利要求4所述的磁流量计，其中所述处理器以与感测的复阻抗成反比的关系来调节所述电极电压采样周期。

6.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述电流源是脉冲直流电流源。

7.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述电流源是交流电流源。

8.根据权利要求7所述的磁流量计，其中所述操作参数是相移。

9.一种测量流量的方法，所述方法包括：

在过程流量两端产生交变的磁场；

通过所述脉冲磁场感测在感测电极之间感应的电压；

基于所述感测的电压产生流量输出；

对感测电极之间或者一个或多个感测电极与地之间的复阻抗进行感测；以及

根据感测的复阻抗改变流量计操作参数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述操作参数是电极电压采样周期。

11.根据权利要求10所述的方法，其中以与感测的复阻抗成反比的关系来调节所述电极电压采样周期。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述操作参数是线圈驱动频率。

13.根据权利要求12所述的方法，其中以与感测的复阻抗成反比的关系来调节所述线圈驱动频率。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述操作参数是相移。

15.一种操作磁流量计的方法，所述方法包括：

对感测电极之间或者一个或多个感测电极与地之间的复阻抗进行感测；以及

根据感测的复阻抗自动调节所述磁流量计的操作参数。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述操作参数是电极电压采样周期。

17.根据权利要求16所述的方法，其中以与感测的复阻抗成反比的关系来调节所述电极电压采样周期。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述操作参数是线圈驱动频率。

19.根据权利要求18所述的方法，其中以与感测的复阻抗成反比的关系来调节线圈驱动脉冲频率。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述操作参数是相移。