CN104428634A - 用于测量介质流速的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在由磁场穿过的体积中测量导电介质的流速的测量装置，所述测量装置具有：用于产生磁场的器件，至少两个电极，和评估单元，所述评估单元评估来自所述电极的信号并计算流速，其中，所述至少两个电极与开关连接，所述开关构造成用于短接所述电极。

Description

用于测量介质流速的测量装置和测量方法

描述

本发明涉及一种用于在由磁场穿过的体积中测量导电介质的流速的测量装置，所述测量装置具有用于产生磁场的器件、至少两个电极和评估单元，所述评估单元评估来自电极的信号并计算流速。

本发明还涉及一种用于在由磁场穿过的体积中测量导电介质的流速的方法。

这种用于测量介质流速的方法和测量装置长期以来以术语“磁感应流量测量”已知。这里，磁感应流量计通常具有测量管，导电介质流动通过所述测量管。磁场通常通过线圈或永磁体产生。根据法拉第定律，在磁场中运动电荷的分离会发生在这种情况下。所述至少两个电极通常设置在测量管的相对的两侧并且测量电压，所述电压在理想情况下与载荷子的流动速度成比例，就是说与导电介质的流速成比例。该方法的前提条件是仅有非常低的导电性，这样例如也可以确定自来水的流速。

待测量的信号可以电流式或电容式地去耦。对于电流式去耦，电极与介质电接触。因此，在这种情况下，要求介质有一定的最低导电性。此外，电极由于其持续与介质接触必须是足够抗腐蚀的。对于电容式的信号去耦，电极构造成电容器的大面积的板并位于管的外侧，就是说它们不与介质接触。

当前通常使用的这种测量装置使用通过电磁铁产生的交变电磁场来产生所需的磁场。这导致在电极上出现感应干扰电压。必须通过滤波器有目的地抑制所述干扰电压。为了实现简单且能量高效的运行，由此希望，以交变电压工作的电磁铁用具有静磁场的永磁体替代。然而，在使用永磁体时可能会观察到附加的测量误差，所述测量误差表现为电极上测得的感应生成的电压的漂移。这种漂移是随时间变化的、随机的直流电压值，所述直流电压值与实际的感应生成的测量值叠加。产生这种测量误差的原因可能是静电电荷或电化学电荷。这种测量误差无法利用统计学方法计算消除。

因此本发明的目的是，提供一种开头所述类型的测量装置和方法，在所述方法中不会由于这种测量误差使得对介质流速的测量失真。

根据本发明的第一方面，这样来实现所述目的，即，测量装置的所述至少两个电极与开关连接，所述开关构造成用于短接各电极。

根据本发明的另一个方面，通过开头所述类型的方法这样来实现所述目的，其中，电极在第一时段、特别是在0.3至1秒之间的时段期间短接，在第二时段、特别是1至3秒之间的时段期间断开所述短接，读出电极的有效信号并基于所读出的有效信号计算流速。

这种新的方法和新的测量装置基于这样的认知：所述静电电荷和电化学电荷在测量装置的电极上出现，特别是在电极的表面附近出现。然而，通过根据本发明的开关可以降低(中和)所述电荷，其方式是，所述开关将所述电极短接并以这种方式强制实现电势平衡。这样当重新取消所述短接时，可以假定在这个开关操作后立即形成的、电极之间的电势差可以归因于磁感应，从而代表了通过流量的量度。所述电化学和静电的过程这里不会导致测量误差，因为所述过程较为缓慢地起作用并且在断开短接之后的最初才缓慢地重新建立。这里，信号去耦是按照电流原理还是电容原理起作用并不重要。在所述短接断开后，这里可以按由现有技术已知的方法对测得的信号进行分析评估。

因此可以以经济的方式提供一种具有较高精度的测量装置。由此可以完全实现上述目的。

在本发明的优选实施形式中，所述开关是电子开关。与机械开关(例如继电器)不同，电子开关的突出之处在于较小的能量需求、高的使用寿命、短的开关时间和小的泄漏电流。根据本发明使用的开关通常总是或者处于断开状态或者处于闭合状态，该开关具有非常短的切换阶段，这仅是由技术上引起的。在本发明的另一个实施形式中，还可以设置为在锁定闭合状态之间进行有目的的连续过渡。

在另一个实施形式中，所述开关包括至少一个晶体管。因此，所述开关可以仅由晶体管构成，或者具有晶体管和另外的器件。

在优选实施形式中，所述开关包括至少一个金属-氧化层半导体场效晶体管(MOFET)、特别是互补型金属氧化物半导体集成电路(CMOS-IC)中的MOSFET。MOSFET的突出之处在于短的开关时间和低的开关电阻。此外它们能够特别经济地被制造。

在本发明的一个实施形式中，设置为，所述开关在断开状态下具有至少10G欧姆、特别是至少100G欧姆的电阻。由于在开关的断开状态下进行信号的测量，但所述开关仍与电极连接，不应由于断开的开关过低的电阻使得来自电极的信号失真或减弱。否则需要对来自电极的信号进行较高的放大，但这也会导致对干扰信号较高的放大。

在本发明的一个实施形式中，设置为，测量装置具有用于开关的控制单元，其中控制单元包括至少一个计时器。通过控制单元可以自动地，例如以规则的间隔闭合和断开所述开关。这里所述计时器本身可以预定开关的闭合和断开之间的时间间隔。在其他实施形式中，由开关预定的时间也可以取决于变化的值，例如与所测量的流速较低的情况相比，所述计时器可在所测量的流速较高时预定较短的时间间隔。此外，所述控制单元可以预定何时对来自电极的信号进行评估。最后，通过计时器也可以预定开关控制和信号评估的周期序列。

在优选实施形式中，设置为，控制单元构造成使得开关在第一时段的时长、特别是在0.3至1秒之间的时段的时长中闭合，而在第二时段的时长、特别是在1至3秒的时段的时长中断开，此外，评估单元构造成使得在第二时段后立即评估来自电极的信号。

该实施形式基于以下考虑：通过在第一时段的时长内短接各电极强制实现电极的电势平衡，并降低静电电荷和电化学电荷。为了确定感应产生的电压，然后取消所述短接。但根据该实施形式，对电极的信号的评估不是在取消短接之后立即进行的，而是在主要由测量回路的电容确定的稳定时间(Einschwingzeit)结束之后进行。在开关断开的所述第二时段结束之后，例如利用模/数转换器转换电极上存在的电压并对其进行评估，特别是还存储所述电压以便进行其他处理。在存储过程之后，可以立即重新短接电极并周期性地重复所述过程。以这种方式，可以在时间上离散地测量感应生成的电压。连续存储多个离散的测量值这里使得可以进行数学的再处理，以便抑制统计学上的测量误差(例如数字滤波或均值计算)。

第一时段的时长的选择取决于直到静电电荷和电化学电荷充分减少所需的时间。这可能取决于不同的因素，例如测量装置的几何结构、流动通过的介质的种类、介质的流速和电极的材料和表面。据此，在本发明的其他实施形式中还可以提供明显更短或更长的时段。特别是也可以设想在100至300毫秒之间的第一时段或在1至10秒之间的第一时段。

第二时段的时长应这样选择，使得测量回路的稳定时间基本上被包括在内。由于这里也可以根据测量回路的结构设想测量回路的非常不同的电容并由此设想非常不同的稳定时间，在本发明的不同的实施形式中，对于第二时段的时长也可以采用不同的值，特别是在100毫秒至1秒之间的时段或在3至10秒之间的时段。

根据本发明的一个实施形式，设置为，在第二时段开始时立即读出零点信号并基于零点信号和有效信号、特别是基于零点信号和有效信号的差计算流速。通过在零点信号和有效信号之间求差，可以计算出尽管电极短接而仍残余的不是由介质流导致的漂移电压。在另一个实施形式中，也可以设想，在测量有效信号之前记录至少一个信号，以便确定零点或用于其他的校准(Eichung)，并将其用于计算流速。

在本发明的另一个实施形式中，设置为，评估单元具有滤波电路，用于抑制高频干扰信号。这种滤波电路例如可以设计成简单的低通滤波器，因为在多数应用场合中可以假定介质的流速仅缓慢地变化。但也可以设想使用较为复杂的滤波器，例如有源滤波器或统计学滤波法。

在本发明的另一个实施形式中，设置为，评估单元构造成通过校准表计算流速。如上述已经说明的那样，在根据本发明的测量装置和方法中，可以使用由现有技术已知的用于计算流速的公式。这些公式例如假定在电极上测量的电压和介质的流速之间存在线性关系。然而在实际中显示，经常会出现非线性，这与相应的实施方式和可能甚至与测量装置的处理安装，例如将其安装到管中的条件相关。因此有利地进行校准，就是说用具有已知流速的介质流动通过所述测量装置并将此时出现的电极电压接出并存储到一个表中。校准表可以存储在评估单元中并根据所述校准表计算流速。可选地，也可以设想，评估单元首先仅存储来自电极的信号并且事后进行校准，即直到事后才计算对于电极的所记录的电压值的流速。

为了在评估单元上实现上述功能，特别是可以设置为，所述评估单元具有微控制器。同样可以设置为，所述微控制器控制安装在测量装置上的显示器，从而可以读取流动通过的介质的当前流速或总体积。此外，测量装置有利地还具有接口，所测得的值利用所述接口能传输给计算机或通过所述接口能够存储来自测量装置的校准数据。

测量装置的电极有利地具有高质量的表面，从而使电沉积最小化并简化沉积物的分离。

当然，前面所述的和后面还将说明的特征不仅可以以相应说明的组合使用，而且还可以以另外的组合或独立使用，而不会偏离本发明的范围。

本发明的实施例在附图中示出并将在下面的说明中详细解释。在附图中：

图1a示出了根据本发明的测量装置的示意图，其中信号去耦按电流原理进行；

图1b示出了根据本发明的测量装置的示意图，其中信号去耦按电容原理进行；

图2示出了根据本发明的测量装置的电极处电压特性的非常简化的曲线图；

图3示出了根据本发明的测量装置的透视图；

图4a示出了图3的测量装置的侧视图；

图4b、4c示出了图3和4a中示出的测量装置的横向剖视图。

图1a示出根据本发明的具有电流信号去耦的测量装置的简化视图。测量装置10a在这里具有两个电极12a、12b，所述电极与流动通过管11的介质接触。产生(指向图平面中的)磁场的磁体没有示出。在流动的介质中，由此出现电荷分离并出现正粒子13a和负粒子13b在电极12a、12b表面上的沉积。电极12a、12b通过引线14a、14b与开关16以及差动放大器20相连。开关16与差动放大器20的输入端并联。差动放大器有利地具有非常小的温度相关性和小的失调漂移。

开关16由控制单元18开关，其中控制单元18具有(未示出的)计时器并且还控制评估单元19。所述评估单元19具有(未示出的)数/模转换器和存储单元。

图1b示出具有电容信号去耦的根据本发明的测量装置10b的实施例。就是说，电极12a、12b设置在管11之外。其余元件的连接布置对应于具有电流信号去耦的测量装置10a中的元件的连接布置。

在图2中示出根据本发明的测量装置的电极上的电压曲线的(这里非常简化地用草图绘制的)图示。在第一时段21期间，开关闭合，从而使电极与差动放大器的输入端被短接。在第一时段之后，开关在第二时段22中断开。在开关断开之后，立即在电极上存在第一电压。可以测量所述第一电压作为零点信号，并将其用于计算校正信号。在第二时段22期间发生稳定过程，所述稳定过程的曲线主要取决于测量电路的电容。通常此时会出现电压的升高，其中所述电压升高逐渐变得平缓。在第二时段结束之后，在非常短的并且由此在视图中作为时刻示出的第三时段23进行有效信号的测量。例如可以在1μs的时段期间进行测量。在测量有效信号之后，可以在第一时段中重新闭合开关，并开始新的循环。

根据对测量装置、特别是对电极和测量电路的改进，可以得到完全不同的电压特性。

图3示出根据本发明的测量装置10的透视图。此处，测量装置10具有开口30a、30b，适当时用作介质的入口和出口。测量装置10此外还具有金属的、圆柱形的外壳31。所述外壳31在这里具有尽可能少的缺口和开口，以便尽可能抑制干扰信号。用于评估单元和控制单元的壳体32安装到外壳31上。评估单元和控制单元例如可以在微控制器上实现。壳体32具有用于USB插座34的开口，以使测量装置10的微控制器可以与计算机连接。测量装置此外还具有显示器33，在所述显示器上可以读取所述介质的当前流速和已经流动通过的总体积。

图3所示的测量装置不具有用于外部供电的接口，而是通过内置的电池供电。因此可以防止由于外部供电的波动导致的干扰影响。

图4a示出了图3中所示的测量装置的侧视图。

图4b示出了图4a和图3中的测量装置的横向剖视图。该横向剖视图在这里示出磁体40a、40b，所述磁体设置在通道45的相对置的侧面上。这里磁体40a、40b通过用螺栓42固定在壳体上的保持件41a、4b保持就位。如果圆柱形的外壳31被取下，则可以接近螺栓42并可以拆卸和移除保持件。由此可以接近磁体41a和41b并对其进行更换。

如由图4B的横向剖视图可见的那样，开口30a、30b具有比通道45大的直径。由此，在通道45中实现更高的流速。但在另外的实施形式中，也可以设想，通道具有与开口相同或比开口更大的直径。

图4C示出通过设置有电极12a、12b的平面的横向剖视图。所述电极在这里固定在基体15a、15b上。当外壳31被取下时，这里所述基体15a、15b能够从外面接近，从而电极12a、12b必要时可以与基体15a、15b一起更换。

在图4C中没有示出微控制器，控制单元和评估单元位于所述微控制器上。微控制器在这里应设置在壳体32中。同样开关16和放大器20也位于壳体32中。但在另外的实施例中，也可以设置为，开关16直接设置在电极12a、12b上，以便能够实现尽可能小的短路电阻。因此根据该实施例从电极12a、12b到开关16和放大器20的引线(Zuleitung)14a、14b有不同的长度。在另外的实施例中可以设置为，所述引线构成为对称的。

在图4C中缩短地示出了引线14a、14b。对于引线有利地使用加粗的金属线或绞合线，从而实现了小的短路电阻。

Claims (14)

1.一种测量装置，用于在由磁场穿过的体积中测量导电介质的流速，所述测量装置具有：

用于产生磁场的器件，

至少两个电极，和

评估单元，所述评估单元评估来自所述电极的信号并计算流速，

其特征在于，所述至少两个电极与开关连接，所述开关构造成用于短接所述电极。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述开关是电子开关。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述开关包括至少一个晶体管。

4.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述开关包括至少一个金属-氧化层半导体场效晶体管MOSFET、特别是互补型金属氧化物半导体集成电路CMOS-IC中的MOSFET。

5.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述开关在断开状态下具有至少10G欧姆、特别是至少100G欧姆的电阻。

6.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述开关在接通状态下具有最高1欧姆、优选最高0.1欧姆并且特别优选最高10毫欧姆的电阻。

7.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置具有用于所述开关的控制单元，其中，所述控制单元包括至少一个计时器。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述控制装置构造成，使得开关在第一时段、特别是在0.3至1秒之间的时段的时长中闭合，并且在第二时段、特别是在1至3秒之间的时段的时长中断开，此外，所述评估单元构造成，使得在第二时段后立即评估来自所述电极的信号。

9.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述评估单元具有滤波器电路，所述滤波器电路用于抑制高频干扰信号。

10.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述评估单元构造成通过校准表计算所述流速。

11.一种用于利用至少两个电极在磁场穿过的体积中测量导电介质的流速的方法，具有以下步骤：

在第一时段、特别是在0.3至1秒之间的时段期间短接所述电极，

在第二时段、特别是1至3秒之间的时段期间断开所述短接，

读出来自所述电极的有效信号，以及

基于所读出的所述有效信号计算所述流速。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第二时段后立即读出有效信号。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在第二时段开始时立即读出零点信号，并基于零点信号和有效信号、特别是基于零点信号和有效信号之间的差计算流速。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，周期性地执行所述方法的步骤。