CN104515554A - 利用驱动信号诊断的磁流量计 - Google Patents

Abstract

磁流量计包括流量管，设置用于接收过程流体的流。线圈定位于流量管附近，并且设置用于响应于驱动电流交变方向来向过程流体施加磁场。第一和第二电极设置用于响应于施加的磁场来感测过程流体中的电压电势。电压电势表示通过流量管的过程流体的流量。传感器耦合至第一和第二电流路径，所述第一和第二电流路径具有与驱动电流相关的传感器输出。当流过线圈的电流更改方向时，诊断电路根据传感器输出中的瞬变提供诊断输出。

Description

利用驱动信号诊断的磁流量计

技术领域

本发明涉及用于测量过程流体流量的类型的磁流量计。更具体地，本发明涉及这种流量计的诊断。

背景技术

磁流量计通过检测穿过磁场的流体的速度来测量导电流体的体积流量。磁流量计系统典型地包括流量管组件和发射机组件。流量管组件垂直或者水平地安装在过程管线中，并且包括管道部分、线圈部分和电极。线圈定位于管道的交叉部分的相对侧面。由来自发射机的线圈驱动电流供电的线圈沿管道的横截面扩展磁场。两个电极通常沿与磁场垂直的线路彼此定位于管道两端。穿过管道的流体是导电的。作为导体通过磁场移动的结果，在流体中感应出电势或电动势(EMF)，可以在电极两端检测所述电势或电动势。因此，操作是基于电磁感应的法拉第原理。

在磁流量计中可能发生各种类型的故障，所述故障可能导致与线圈并联的电流路径。这种并联电流路径可能引起一些电流从线圈旁路，从而导致施加至过程流体的减小的磁场。这种减小的磁场将导致由感测电极检测的减小的EMF。流量将低电流损耗的量。存在可以引起这种并联电流路径增加的各种情况。例如，磁流量计流量管中的线圈可以通过泄漏到线圈隔间中的过程流体进行折衷。这可以引起与线圈并联的电路。类似地，如果用于切换通过线圈的电流的晶体管之一故障，可以引起线圈电流的一些通过并联路径旁路通过线圈。这导致了施加的EMF的减小以及来自感测电极的输出的相应减小。这将导致不精确的流量测量。

用于施加线圈驱动信号的部件中的故障以及线圈驱动信号的电流路径中的故障或退化可以减小施加至过程流体的磁场。这可以导致流量测量中的误差。各种诊断技术已经用于检测这些问题。例如，Foss的等人的2011年4月12日公布并且转让给罗斯蒙德公司的题为“MAGNETICFLOWMETER WITH COIL GROUND PATH DETECTION”美国专利7,921,733描述了具体的诊断技术。

发明内容

磁流量计包括流量管，设置用于接收过程流体的流。线圈定位于流量管附近，并且设置用于响应于驱动电流交变方向来向过程流体施加磁场。第一和第二电极设置用于响应于施加的磁场来感测过程流体中的电压电势。电压电势表示通过流量管的过程流体的流量。传感器耦合至第一和第二电流路径，所述第一和第二电流路径具有与驱动电流相关的传感器输出。当流过线圈的电流更改方向时，诊断电路根据传感器输出中的瞬变提供诊断输出。

附图说明

图1是双线通信回路中的磁流量计的简化方框图。

图2是用于图1的磁流量计的桥接脉冲受控电流驱动器的示意图。

图3A是示出了一种结构中与磁性线圈耦合的驱动电路的简化图。

图3B是示出了第二种结构中与磁性线圈耦合的驱动电路的简化图。

图4是说明了驱动电路的晶体管中的故障的简化示意图。

图5是感测电阻器电流对时间的曲线。

图6是示出了用于检测并联电流路径的示意图。

具体实施方式

在图1中，磁流量计系统与承载电流I的双线通信4-20mA回路以及外部电源(未示出)相连。流量管4承载过程流体的流。发射机9将线圈驱动电流I_L供应给相邻流量管4的线圈26，所述线圈在过程流体中产生磁场。沿与流体中的磁场垂直的线在流量管4中安装的电极6、8用于感测由流体流感应的EMF和施加的磁场。发射机9感测电极6、8之间的EMF，并且控制对感测的EMF加以表示的DC输出电流，所述EMF进而与流体流量成正比。发射机9将电流I在4-20mA电流回路传输至远程接收站11。发射机9可以使用任意合适技术通信，并且不局限于4-20mA电流回路。其他的示例通信技术包括根据过程工业标准协议的那些技术，例如甘露可寻址远程变送器()、FOUNDATION^TM、现场总线或任意其他合适的协议。另外，过程控制回路可以包括无线过程控制回路，其中例如使用根据IEC62591标准的无线通信协议或其他通信技术或协议无线地通信信息。

图2示出了发射机9中的H-桥式驱动器电路。磁流量计系统2的H-桥式驱动器电路10产生对于线圈26的驱动电流I_L。在H-桥式驱动器10中，电源向晶体管桥式电路14供电。在桥式电路14中，控制电路28和30将场效应晶体管(FET)16、FET18、FET20和FET22的栅极相连以将它们成对导通，以通过线圈26提供交流电。电源12连接FET16和18的漏极端子。FET16的源极端子和FET20的漏极端子连接至线圈26的一侧。类似地，FET18的源极和FET22的漏极连接至线圈26的另一侧。控制电路28和30将输入的高和低逻辑电平转换为与晶体管16、18、20、22的栅极一致的所需电压偏置电平，用于在导通和截止状态之间切换。

微处理器40根据感测的电流按照所需操作频率产生控制输出a和a’，所述操作频率典型地是5Hz。输出a和a’分别向电路28和30提供逻辑电平。微处理器40与存储器44、时钟46、操作者输入/输出(I/O)电路48和回路I/O电路49相连。存储器44包含编程指令以控制微处理器40的操作。微处理器40按照时钟46确定的速度操作。输入/输出电路48用于向例如过程控制回路提供输出连接。

来自电源12的电流I_S通过感测电阻器R_SENSE52流至返回路径50。模数转换器(ADC)58连接感测电阻器52，并且通过线圈26将对电流加以表示的输出提供给微处理器40。ADC电路58的输出对流过感测电阻器52的电流I_S的幅度加以表示。微处理器40如上所述监测I_S的幅度。

图3A和3B是示出了正常操作期间场效应晶体管16-22的条件的简化图。将线圈26模型化为电感器26A和电阻器26B。在图3A中，场效应晶体管16和22处于导通条件，而晶体管18和20处于截止条件。这允许电流沿所示的方向从电源12流过线圈26。相反，在图3B中，场效应晶体管16和22截止，而晶体管18和20处于导通状态。这允许电流从电源12沿所示方向流动。。

磁流量计中的电学部件中的各种类型的故障可以导致不容易检测的误差。例如，一些类型的故障可以引起在线圈26周围旁路一部分电流，并且流过与线圈26电学并联的并联电流路径。这种并联电流路径转移流过线圈26的电流的一部分，从而导致了将减小的磁场施加至过程流体。通过简单地测量流过感测电阻器52的电流不会检测到由这种并联电流路径引起的故障。可能导致并联电流路径的示例故障包括场效应晶体管1622电学短路或者部分短路的一种或多种。并联电流路径的另一个示例是线圈26配线内的电学短路或者部分短路。类似地，可以接触配线的过程流体引起来自电压12的电流的一部分流过没有经过线圈26的并联电流路径。

图4说明了引起并联电流路径的一种示例故障条件。在图4中，场效应晶体管20部分地电学短路，并且当“截止”时提供10欧姆的阻抗。这引起了即使处于截止条件电流的一部分(I_LOSS)流过场效应晶体管而不是流过线圈26。在图4所示的示例中，如果管路也是10欧姆，这导致了总电流一半的电流损耗，即250mA。注意：流过感测电阻器52的电流仍然是来自电源12的总电流，即500mA。

典型地，将不会检测到图4中所示类型的故障。然而，通过在时域中监测流过感测电阻器52的电流、而不是简单地监测静态电流电平，可以获得附加的诊断信息。具体地，当流过线圈26的电流在图3A和3B中所示的两个电流路径之间切换时，将瞬态信号施加至线圈26。线圈的电感26A对抗这种变化，并且在到达感测电阻器52的电流中引入了滞后或时延。这通过图5的曲线中的实线说明。具体地，图5说明了正常操作期间的线圈电流的曲线(实线)以及当存在140欧姆并联电流路径时的线圈电流的曲线(虚线)。如图5所示，流过并联电流路径的电流将电感26A旁路，因此不会表现出这种时延。这由图5所示的虚线说明。因此，通过电阻器20的并联电流路径引起了当在两个电流路径之间切换时，通过感测电阻器52的电流实质上立即改变。图5所示的线圈电流中的迅速转变(瞬变)是由在两个电流路径之间转变时、线圈驱动器12施加的电源电压12引起的。在图5的曲线中，人们可以确定流过并联电流路径的电流的量I_LOSS等于V/R等于40伏/140欧姆，产生了286mA的阶跃变化。基于这一示例，人们可以看出即使并联电流路径电阻高到足以只引起线圈电流中1％的减小，在感测电阻器52两端上明显的阶跃变化将是29mA，可以容易用检测电路检测到。

感测电阻器52上的初始电流的幅度可以用于估计通过并联电流路径旁路通过线圈26的电流的量。因此，可以通过确定并联路径中的电流来校正感测电极电压中的误差。传感器线圈26B和并联电流路径的组合电阻可以在测量波形的DC部分(图5A中所示的部分70)期间测量线圈电压和线圈电流来计算。可以通过测量电流阶跃变化和施加的电压来计算R_short。R_Short＝V/I＝40V/286mA＝40欧姆。一旦找到了R_Total和R_Short，可以将R_coil计算如下：

$\mathrm{RTotal}=\frac{R_{\mathrm{Coil}}*R_{\mathrm{Short}}}{R_{\mathrm{Coil}}*R_{\mathrm{Short}}}$             等式1

一旦确定了这些电阻，可以根据等式2确定实际流过传感器线圈的电流的量：

$\mathrm{ICoil}=\frac{I_{\mathrm{Sense}}*R_{\mathrm{Total}}}{\left(R_{\mathrm{Coil}}\right)}$               等式2

使用实际流过线圈的电流，可以确定施加的磁场，并且所对得到的感测电压(EMF)进行适当地补偿以精确地检测流量。这允许器件在柔软模式(limp mode)下操作，从而可以在修复器件之前获得流量测量。例如，当过程流体从受影响区域蒸发或者耗尽时，由线圈26中的过程流体引起的电学短路或部分短路可以随时间自己修复。在这种情况下，在对问题进行校正之前发射机可以按照无力模式操作。

当电流在两个路径之切换时，一些故障可以引起感测电阻器电流中的不对称变化。通过检测两个电流路径的哪一个引起通过感测电阻器52的感测电流的立即增加，可以识别哪一对晶体管包含失败或故障晶体管。另外，当电流在两个电流路径之间切换时如果在传导周期中对称地检测到立即增加，可以将故障与除了故障晶体管之外的器件隔离。例如，线圈26或线圈26的配线内的电学短路或者部分短路将在切换期间引起通过感测电阻器52的波形的对称变化。这种信息可以用于指导操作者在发射机或流量管文件之间的修复或替换程序。

图6是示出了用于检测并联电流路径的诊断电路80的简化图。感测电阻器52向诊断电路80提供线圈电流测量。诊断电路80包括放大和调节电路82，所述放大和调节电路对感测电阻器52两端的电压进行放大和滤波。放大和调节电路82的输出提供给模数转换器58，所述模数转换器可以位于微处理器40中。

在其他方面，对流过感测电阻器52的电流的波形特征进行检测，并且用于诊断目的。参考或基线特征可以例如存储在图2所示的存储器44中。诊断可以基于百分比变化、与阈值的比较、具体的波形特征或者使用流过感测电阻器的电流的其他比较。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，本领域普通技术人员应该认识的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上个变化。本发明的诊断技术基于流过感测电阻器的电流中的暂时变化。可以监测这些变化以识别瞬变或阶跃变化，所述瞬变或阶跃变化可以用于估计从磁性线圈转移的流过并联电流路径的电流的量。当电流在两个电流路径之间转变时，通过测量流过感测电阻器的电流中的阶跃变化，可以确定流过并联电流路径的电流的量。在另一个示例中，本发明的诊断技术是基于当线圈驱动电流切换通过磁性线圈的方向时感测电阻器电流中看见的瞬态响应。这种瞬态信号的大小与将磁性线圈的电感旁路的并联电流路径的电阻相关。用于测量流过H-桥的电流的感测电阻52简单地是传感器的一个示例。可以使用包括霍尔效应传感器的其他结构。在检测故障时，诊断电路可以像其他位置提供输出或者可以在本地操作者界面上提供输出、或者通告报警情况。

Claims (21)

1.一种磁流量计，包括：

流量管，设置用于接收过程流体的流；

流量管附近的线圈，设置用于响应于交变线圈驱动电流来向过程流体施加磁场；

第一和第二电极，设置用于响应于施加的磁场来感测流量管中的电压电势，所述电压电势表示通过流量管的过程流体的流量；以及

传感器，耦合至线圈，所述传感器具有与驱动电流相关的传感器输出，以及

诊断电路，当流过线圈的电流更改方向时，所述诊断电路具有根据传感器输出中的瞬变的诊断输出。

2.根据权利要求1所述的设备，其中基于由于线圈电流的损耗导致的瞬变来补偿流量测量。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述补偿是基于瞬变的幅度。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述诊断电路识别当流过线圈的电流更改方向时的不对称瞬变。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述不对称瞬变表示线圈驱动电路中的故障部件。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述诊断电路识别当流过线圈的电流更改方向时的对称瞬变。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述对称瞬变表示线圈、线圈配线和/或流量管中的故障。

8.根据权利要求1所述的设备，包括模数转换器，所述模数转换器将线圈电流测量数字化。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器包括感测电阻。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述诊断电路基于瞬变来补偿流量测量。

11.一种检测磁流量计中的故障的方法，包括：

通过第一电流路径施加通过磁流量计的磁性线圈的线圈驱动电流；

感测流过第一电流路径的电流；

通过第二电流路径向磁性线圈施加电流；

感测流过第二电流路径的电流；

基于在第一感测电流中观察到的瞬变来提供诊断输出。

12.根据权利要求11所述的方法，包括基于瞬变来补偿流量测量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述补偿是基于瞬变的幅度。

14.根据权利要求11所述的方法，包括识别当流过线圈的电流从第一电流路径切换至第二电流路径以及从第二电流路径切换至第一电流路径时的不对称瞬变。

15.根据权利要求14所述的方法，其中不对称瞬变表示线圈驱动电路中的故障部件。

16.根据权利要求11所述的方法，包括识别当流过线圈的电流从第一电流路径切换至第二电流路径以及从第二电流路径切换至第一电流路径时的对称瞬变。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述对称瞬变表示线圈、线圈配线和/或流量管中的故障。

18.根据权利要求11所述的方法，包括将传感器输出转换为数字格式。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述感测使用感测电阻。

20.根据权利要求11所述的方法，包括基于瞬变来补偿流量测量。

21.根据权利要求11所述的方法，包括基于在第二感测电流中观察到的瞬变来提供诊断输出。