CN104316118A - 变励磁频率的电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变励磁频率的电磁流量计，它包括信号处理单元、励磁驱动单元、有系数K0的传感器。信号处理单元输出时序S给励磁驱动单元，励磁驱动单元使传感器内产生方向正负变化的具有励磁频率F的磁场B；平均流速V的流体通过传感器时，传感器输出感应电势信号E=K0×V×B；感应电势信号E输入到信号处理单元；信号处理单元输出时序S让励磁驱动单元使传感器内产生一个励磁周期Q内具有正磁场B=Bp、零磁场B=Bz=0和负磁场B=Bm=－Bp三个状态的磁场B，对应励磁周期Q是励磁频率F的倒数，使输入到信号处理单元的感应电势信号E有对应的信号Ep=K0×V×Bp、信号Ez=K0×V×Bz和信号Em=K0×V×Bm三个状态。

Description

变励磁频率的电磁流量计

技术领域

本发明涉及一种变励磁频率的电磁流量计，具体涉及一种根据传感器输出感应电势信号中噪声的大小来改变励磁频率的电磁流量计。 

技术背景

电磁流量计是以法拉第电磁感应定律为原理的流量测量仪表。通常，电磁流量计中有一个传感器、一个励磁驱动单元和一个信号处理单元。励磁驱动单元使传感器内有垂直于流体流动方向的磁场B，当流体以平均流速V流经传感器时，传感器有输出感应电势信号E=K0×B×V，其中K0是一个传感器系数。感应电势信号E输入到信号处理单元，信号处理单元通过对感应电势信号E的测量与处理来估计流体的平均流速V。 

除了测量金属流体外，电磁流量计的传感器都采用有正负交变的磁场B，以减弱传感器中测量电极的极化问题。因此，一般的电磁流量计中传感器内的磁场B是以励磁频率F的矩形波磁场。励磁频率F的倒数称为励磁周期Q。 

参考2004年中国石化出版社的《电磁流量计》P75~P81页，以矩形波磁场方式的电磁流量计中励磁驱动单元使传感器内以一个固定励磁频率产生使有正负两个方向变化的磁场B。在不考虑流体的浆液噪声时，磁场B的励磁频率大小需要考虑传感器测量电极的极化问题和信号零点稳定性问题。即励磁频率很低时会有传感器的测量电极极化问题，励磁频率偏高时又不利于信号的零点稳定性。 

另外，电磁流量计在测量含有颗粒的浆液流体时，传感器的输出信号上会产生浆液噪声。通常励磁频率F越高浆液噪声对信号的影响越小。为了能克服浆液噪声并兼顾信号零点稳定性，有日本横河电机公司的专利CN87101677A，其采用了一种固定的6.25Hz加75Hz调制的复合励磁频率方式，对传感器输出的感应电势信号分6.25Hz与75Hz两个信号通道进行放大处理。并按信号中浆液噪声的大小，对6.25Hz与75Hz两个信号进行不同的加权。即浆液噪声大时增大75Hz通道信号的权值，浆液噪声小时增大6.25Hz通道信号的权值，从而兼顾浆液噪声和零点稳定性问题。 

目前，有专利公开号CN 1410742A和CN 1170125C中提出了一种变励磁频率方法的电磁流量计。专利方法的核心是，在电磁流量计标定时按不同流速点寻找对应的最优励磁频率，并建立数据表，当电磁流量计在运行中按流速来查找最优的励磁频率。根据国家标准GB/T18660-2002，电磁流量计标定都是在水流量标准装置上进行。水流量标准装置都是用普通的水对流量计进行标定的。普通的水介质对于电磁流量计的传感器来说，在感应电势信号上是几乎看不到浆液噪声的。因此，在标定状态下寻找各个流速点的最优励磁频率的方法是不能减小电磁流量计在实际运行中的各类噪声。因为两个专利中的变励磁频率方法没有涉及根据噪声的大小来改变励磁频率的相关技术。 

发明内容

    本发明的目的是提供一种变励磁频率的电磁流量计，主要是通过对传感器输出信号的变化来估计实际感应电势信号中噪声的大小，并根据噪声的大小来改变励磁频率。当噪声大时使励磁频率升高，噪声小时使励磁频率降低。使电磁流量计在性能上不但具有克服浆液等造成的流体噪声的能力，又可克服信号零点漂移等噪声。并可利用励磁频率来估计当前流体的浆液浓度值。 

  

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明是通过对传感器输出信号的变化来估计实际感应电势信号中噪声的大小，并根据噪声的大小来改变励磁频率。具体是在每一个B=Bz= 0的零磁场状态，分析对应传感器输出信号Ez的状态。采用信号Ez的大小变化作为反映感应电势信号E中噪声大小的依据，当励磁周期中信号Ez的变化过大时，认为信号E上噪声过大，对应的信号处理单元使励磁频率F向高改变，从而来降低传感器输出信号E上的流动噪声。当励磁周期中信号Ez的变化很小时，认为信号E上流动噪声较小，对应的信号处理单元使励磁频率F向低改变，从而减小由信号零点漂移干扰，增强传感器的感应电势信号E的零点稳定性。

  

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种变励磁频率的电磁流量计，包括一个信号处理单元、一个励磁驱动单元、一个有系数K0的传感器；其特征在于：所述的信号处理单元电连接励磁驱动单元和有系数K0的传感器，励磁驱动单元电连接有系数K0的传感器；所述的信号处理单元输出时序S给所述的励磁驱动单元，使励磁驱动单元让所述的传感器内产生方向正负变化的具有励磁频率F的磁场B；平均流速V的流体通过传感器时，传感器输出感应电势信号E=K0×V×B；感应电势信号E输入到所述的信号处理单元；所述的信号处理单元通过输出时序S让励磁驱动单元使传感器内磁场B的励磁频率F可以在M个固定频率点间变高或降低。所述的信号处理单元根据输入感应电势信号E中噪声大小，输出时序S让励磁驱动单元使传感器内磁场B的励磁频率F在M个固定频率点间变高或降低，使感应电势信号E上的噪声减小。

结合考虑克服50Hz工频干扰和减小浆液噪声的因素，励磁频率F的M个固定频率点可以选择在3.125Hz、6.25Hz、12. 5Hz、25Hz、37.5Hz和75 Hz。这样励磁频率F是在上述M=6的固定频率点间变高或变低。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，对于浆液流体，所述的信号处理单元根据当前励磁频率F和流体流速V值有对流体的浆液浓度值X的估计： 

 ，

其中，F₀是在M个固定频率点中比当前励磁频率F值小一档的频率值，K是一个对于不同种类浆液流体需要修正的系数。与一般浆液浓度仪表相同，针对不同种类的浆液流体，系数K值需要通过实际浓度值校正来确定。显然，励磁频率F的M个固定频率点数增加，信号处理单元可更细致地估计流体的浆液浓度值X。

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元输出时序S让励磁驱动单元使传感器内产生一个励磁周期Q内具有正磁场B=Bp、零磁场B=Bz=0和负磁场B=Bm=－Bp三个状态的磁场B，对应励磁周期Q是励磁频率F的倒数，使输入到信号处理单元的感应电势信号E有对应的信号Ep=K0×V×Bp、信号Ez=K0×V×Bz和信号Em=K0×V×Bm三个状态；所述的信号处理单元根据输入感应电势信号E中信号Ez的变化作为信号E中噪声大小的依据，输出时序S让励磁驱动单元使传感器内磁场B的励磁频率F变高或降低，以实现将感应电势信号E上的噪声减小。 

通常，感应电势信号E上的噪声与励磁频率F的高低有关，如浆液噪声和影响零点稳定性的零点漂移噪声。因为信号Ez=K0×V×Bz， 而零磁场状态下有Bz=0，应该就有信号Ez=0。所以，信号Ez上不等于零的值可以看作实际存在的噪声值。如当传感器内流过的是浆液流体时，信号Ez上的大小变化量直接反映了感应电势信号E上浆液噪声的大小。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元测试信号Ez的变化值ΔEz，当ΔEz大于预设阈值C1时判定为噪声过大；当在连续n次励磁周期Q中信号Ez上噪声过大的次数大于预设阈值M1时，信号处理单元输出时序S，让励磁驱动单元使传感器内磁场B的励磁频率F升向高一个频率点，致使传感器输出的感应电势信号E中噪声变小。这里，变化值ΔEz可以是相邻信号Ez间的差值。变化值ΔEz也可以相邻励磁周期Q间信号Ez的差值。对应的阈值C1设置范围可以取在信号最大幅值的5%~20%间，阈值M1可以设置在n的70%左右。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元测试信号Ez的变化值ΔEz，当ΔEz小于预设阈值C2时判定为噪声不大，C2＜C1；当在连续n次励磁周期Q中信号Ez上噪声不大的次数大于预设阈值M2时，所述的信号处理单元输出时序S，让励磁驱动单元使传感器内磁场B的励磁频率F降向低一个频率点，致使传感器输出的感应电势信号E的零点稳定性更好，即减小感应电势信号E上的零点漂移噪声。这里，变化值ΔEz可以是相邻信号Ez间的差值。变化值ΔEz也可以相邻励磁周期Q间信号Ez的差值。对应的阈值C2设置范围可以是不大于C1的50%，阈值M2可以设置在n的70%左右。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元将一个励磁周期Q中两个邻近的信号Ez值间的差值作为一个零数据Z。如果没有如浆液噪声等随机性噪声，零数据Z是一个比较稳定的值。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元在一个励磁周期Q中取Ev= K1×（Ep－Em－Z），信号处理单元将Ev的值作为对流体平均流速V的估计值，K1是一个系数。 

  

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明是通过对传感器输出信号的变化来估计实际感应电势信号中噪声的大小，并根据噪声的大小来改变励磁频率。特别是利用了零励磁下传感器输出信号的变化大小来估计感应电势信号中噪声的大小，并随噪声大小来改变励磁频率。特别当噪声主要是浆液类噪声时，当浆液噪声大时使励磁频率升高，浆液噪声小时使励磁频率降低。同时，当前的励磁频率值和流体流速值也反映出了当前流体的浆液浓度值。本发明的实质性特点和显著优点是可以在不同噪声下使用不同的励磁频率，在噪声较小时可用信号零点稳定性最好的低励磁频率来工作。使电磁流量计在性能上既具有克服不同噪声的能力又具有良好的零点稳定性。并可利用励磁频率来估计当前流体的浆液浓度值。

附图说明

图1是本发明的一个实施例结构原理框图。 

图2是传感器在有Bp、Bz和Bm三状态的磁场B下所输出的感应电势信号E中有三个状态的信号Ep、Ez和Em。 

具体实施方式

本发明的一个优选实施例如下述：参见图1和图2。 

实施例一： 

一种变励磁频率的电磁流量计，包括一个信号处理单元1、一个励磁驱动单元2、一个有系数K0的传感器3；其特征在于：所述的信号处理单元1电连接励磁驱动单元2和有系数K0的传感器3，励磁驱动单元2电连接有系数K0的传感器3；所述的信号处理单元1输出时序S给所述的励磁驱动单元2，使励磁驱动单元2让所述的传感器3内产生方向正负变化的具有励磁频率F的磁场B；平均流速V的流体通过传感器3时，传感器3输出感应电势信号E=K0×V×B；感应电势信号E输入到所述的信号处理单元1；所述的信号处理单元1通过输出时序S让励磁驱动单元2使传感器3内磁场B的励磁频率F可以在M个固定频率点间变高或降低。所述的信号处理单元1根据输入感应电势信号E中噪声大小，输出时序S让励磁驱动单元2使传感器3内磁场B的励磁频率F在M个固定频率点间变高或降低，使感应电势信号E上的噪声减小。

图1中所示，实际传感器3有两个励磁线圈C，励磁驱动单元2连接两个励磁线圈C使所述的传感器3内产生磁场B。这里，结合考虑克服50Hz工频干扰和减小浆液噪声的因素，励磁频率F的M个固定频率点选择在3.125Hz、6.25Hz、12. 5Hz、25Hz、37.5Hz和75 Hz。这样励磁频率F是在上述M=6的固定频率点间变高或变低。 

实施例二： 

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，对于浆液流体，所述的信号处理单元1根据当前励磁频率F和流体流速V值有对流体的浆液浓度值X的估计：

 ，

其中，F₀是在M个固定频率点中比当前励磁频率F值小一档的频率值，K是对于不同种类浆液流体需要修正的系数。显然，励磁频率F的M个固定频率点数增加，信号处理单元1可更细致地估计流体的浆液浓度值X。

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元1输出时序S让励磁驱动单元2使传感器3内产生一个励磁周期Q内具有正磁场B=Bp、零磁场B=Bz=0和负磁场B=Bm=－Bp三个状态的磁场B，对应励磁周期Q是励磁频率F的倒数，使输入到信号处理单元1的感应电势信号E有对应的信号Ep=K0×V×Bp、信号Ez=K0×V×Bz和信号Em=K0×V×Bm三个状态；所述的信号处理单元1根据输入感应电势信号E中信号Ez的变化作为信号E中噪声大小的依据，输出时序S让励磁驱动单元2使传感器3内磁场B的励磁频率F变高或降低，以实现将感应电势信号E上的噪声减小。 

图2中所示，传感器3在有Bp、Bz和Bm三状态的磁场B下输出的感应电势信号E中有三个状态的信号Ep、Ez和Em。因为信号Ez=K0×V×Bz，而其中零磁场状态下有Bz=0，原理上有信号Ez=0。而当信号Ez上有不等于零的值时，可以看作就是在传感器3的信号上存在如浆液流体等引起的噪声值。即信号Ez上的大小变化直接反映了感应电势信号E上噪声的大小变化。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元1测试两个相邻的信号Ez的变化值ΔEz，当ΔEz大于预设阈值C1时判定为噪声过大；当在连续n次励磁周期Q中信号Ez上噪声过大的次数大于预设阈值M1时，信号处理单元1输出时序S，让励磁驱动单元2使传感器3内磁场B的励磁频率F升向高一个频率点，致使传感器3输出的感应电势信号E中浆液噪声变小。具体实现时，对应的阈值C1设置范围可以取在信号最大幅值的5%~20%间，阈值M1可以设置在n的70%左右。 

参考图2，这里的变化值ΔEz可以是相邻信号Ez间的差值，如T₁~T₂间信号Ez与T₃~T₄间信号Ez的差值。同样，变化值ΔEz也可以相邻励磁周期Q间信号Ez的差值，如T₁~T₂间信号Ez与T₅~T₆间信号Ez的差值。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元1测试两个相邻的信号Ez的变化值ΔEz，当ΔEz小于预设阈值C2时判定为噪声不大，C2＜C1；当在连续n次励磁周期Q中信号Ez上噪声不大的次数大于预设阈值M2时，所述的信号处理单元1输出时序S，让励磁驱动单元2使传感器3内磁场B的励磁频率F降向低一个频率点，以使传感器3输出的感应电势信号E的零点稳定性更好，即减小感应电势信号E上的零点漂移噪声。具体实现时，对应的阈值C2设置范围可以是不大于C1的50%，阈值M2可以设置在n的70%左右。 

同样，参考图2，上述的变化值ΔEz可以是相邻信号Ez间的差值，如T₁~T₂间信号Ez与T₃~T₄间信号Ez的差值。上述的变化值ΔEz也可以相邻励磁周期Q间信号Ez的差值，如T₁~T₂间信号Ez与T₅~T₆间信号Ez的差值。 

图2所示是励磁频率F降向低一个频率点的操作过程逻辑框图。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元1将一个励磁周期Q中两个邻近的信号Ez值间的差值作为一个零数据Z。如图2中，信号处理单元1是把T₁~T₂间信号Ez与T₃~T₄间信号Ez的差值作为一个零数据Z。 

在上述的变励磁频率的电磁流量计中，所述的信号处理单元1在一个励磁周期Q中取Ev= K1×（Ep－Em－Z），信号处理单元1将Ev的值作为对流体平均流速V的估计值，K1是一个系数。 

如在图2中，信号处理单元1取一个励磁周期Q内的T₁~T₂间信号Ez和T₃~T₄间信号Ez的值计算一个零数据Z。信号处理单元1再取同一个励磁周期Q内的T₀~T₁间信号Ep和T₂~T₃间信号Em的值，计算Ev= K1×（Ep－Em－Z）。 

Claims (7)

1.一种变励磁频率的电磁流量计，包括一个信号处理单元(1)、一个励磁驱动单元(2)、一个有系数K0的传感器(3)；其特征在于：所述的信号处理单元(1)电连接励磁驱动单元(2)和有系数K0的传感器(3)，励磁驱动单元(2)电连接有系数K0的传感器(3)；所述的信号处理单元(1)输出时序S给所述的励磁驱动单元(2)，使励磁驱动单元(2)让所述的传感器(3)内产生方向正负变化的具有励磁频率F的磁场B；平均流速V的流体通过传感器(3)时，传感器(3)输出感应电势信号E=K0×V×B；感应电势信号E输入到所述的信号处理单元(1)；所述的信号处理单元(1)通过输出时序S让励磁驱动单元(2) 使传感器(3)内磁场B的励磁频率F可在M个固定频率点间变高或降低。所述的信号处理单元(1)根据输入感应电势信号E中噪声大小，输出时序S让励磁驱动单元(2)使传感器(3)内磁场B的励磁频率F在M个固定频率点间变高或降低，使感应电势信号E上的噪声减小。

2.根据权利要求1所述的变励磁频率的电磁流量计，其特征在于：对于浆液流体，所述的信号处理单元(1)根据当前励磁频率F和流体流速V值有对流体的浆液浓度值X的估计：

 ，

其中，F₀是在M个固定频率点中比当前励磁频率F值小一档的频率值， K是一个系数。

3.根据权利要求1所述的变励磁频率的电磁流量计，其特征在于：所述的信号处理单元(1)输出时序S让励磁驱动单元(2)使传感器(3)内产生一个励磁周期Q内具有正磁场B=Bp、零磁场B=Bz=0和负磁场B=Bm=－Bp三个状态的磁场B，对应励磁周期Q是励磁频率F的倒数，使输入到信号处理单元(1)的感应电势信号E有对应的信号Ep=K0×V×Bp、信号Ez=K0×V×Bz和信号Em=K0×V×Bm三个状态；所述的信号处理单元(1)根据输入感应电势信号E中信号Ez的变化作为信号E中噪声大小的依据，输出时序S让励磁驱动单元(2)使传感器(3)内磁场B的励磁频率F变高或降低，以实现将感应电势信号E上的噪声减小。

4.根据权利要求1或3所述的变励磁频率的电磁流量计，其特征在于：所述的信号处理单元(1) 测试信号Ez的变化值ΔEz，当ΔEz大于预设阈值C1时判定为噪声过大；当在连续n次励磁周期Q中信号Ez上噪声过大的次数大于预设阈值M1时，信号处理单元(1)输出时序S，让励磁驱动单元(2)使传感器(3)内磁场B的励磁频率F升向高一个频率点。

5.根据权利要求1或3或4所述的变励磁频率的电磁流量计，其特征在于所述的信号处理单元(1) 测试信号Ez的变化值ΔEz，当ΔEz小于预设阈值C2时判定为噪声不大，C2＜C1；当在连续n次励磁周期Q中信号Ez上噪声不大的次数大于预设阈值M2时，所述的信号处理单元(1)输出时序S，让励磁驱动单元(2)使传感器(3)内磁场B的励磁频率F降向低一个频率点。

6.根据权利要求1所述的变励磁频率的电磁流量计，其特征在于：所述的信号处理单元(1)将一个励磁周期Q中两个邻近的信号Ez值间的差值作为一个零数据Z。

7.根据权利要求1所述的变励磁频率的电磁流量计，其特征在于：所述的信号处理单元(1)在一个励磁周期Q中取Ev= K1×（Ep－Em－Z），信号处理单元(1)将Ev的值作为对流体平均流速V的估计值，K1是一个系数。