CN104515555B - 具有饱和检测和/或防饱和的磁性流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测量在管道中的过程流体的流量的磁性流量计，包括邻近所述管道设置的电磁线圈，该电磁线圈被配置为施加磁场到过程流体。第一和第二电极设置在管道内并且电耦合到过程流体和被配置为感测由于施加的磁场和过程流体的流动在过程流体中感生的电动势(EMF)。输入电路被连接到第一和第二电极并且提供与被感测到的电动势相关的输出。连接到输入电路的诊断电路被配置为识别饱和相关状态并且响应地提供诊断输出。在另一个实施方案中，防饱和电路可以防止输入电路的饱和。

Description

具有饱和检测和/或防饱和的磁性流量计

技术领域

本发明涉及用于测量通过过程管道的过程流体的流量的类型的磁性流量计。更具体地，本发明涉及用于测量这种流量的电子元件的饱和。

背景技术

现场设备用于工业过程监测和／或控制系统，以监控与特定的过程相关的过程变量。这样的过程变量可以包括流体压力、流体流量、流体温度、液位等。

磁性流量计是用于测量传导过程流体在它在连接到管道的流管内流动时的流体流量的现场设备类型。具体的磁性流量计包括电磁线圈和电极。根据电磁感应的法拉第定律，电磁线圈用于将磁场施加到流管内的过程流体。所施加的磁场和流体的运动在过程流体中感应(induce)与流量成比例的电动势(EMF)。电极被设置在流管中以与流动的过程流体电接触以检测感应的电动势。在一个特定的实施例中，电动势通过使用放大器和模数转换器(ADC)的流量计被测量，放大器连接到电极以放大电动势信号，模数转换器数字化放大器的输出以产生与流体流量相关的数据值。

在磁性流量计的操作过程中，存在可能引起流量计错误地提供表示不存在流动的输出的一些情况。一个这样的情况是由连接到电极的电路的饱和引起的。当超过电气部件的最大水平的信号施加到该部件的输入端时发生饱和。在磁性流量计中，当在连接到所述电极的电路中产生饱和时，可能出现如下情况：其中测量电路将所测量的信号不正确地解释为具有表示不存在流动的值。这是一种“尺度”类型错误。电路的饱和难以检测，并且可能引起不正确的流量测量。与这种饱和相关的间题在Foss等人的题为SYSTEM T0DETECT POORPROCESS GROUND CONNECTIONS的美国专利号7,921,734中被讨论，其在2011年4月12日公开并且与本申请一起被转让。

发明内容

一种用于测量在管道中的过程流体的流量的磁性流量计，包括邻近所述管道设置的电磁线圈，该电磁线圈被配置为施加磁场到过程流体。第一和第二电极设置管道内并且电耦合到过程流体和被配置为感测由于施加的磁场和过程流体的流动在过程流体中感生的电动势(EMF)。输入电路被连接到第一和第二电极并且提供与被感测到的电动势相关的输出。连接到输入电路的诊断电路被配置为识别饱和相关状态并且响应地提供诊断输出。在另一个实施例中，防饱和电路可以防止输入电路的饱和。

附图说明

图1是磁性流量计的局部剖视图。

图2是图1中的磁性流量计的简化示意图。

图3A和3B是显示用于磁性流量计的直流耦合前端输入电路的饱和检测和校正电路的简化示意图。

图4是显示用于磁性流量计的交流耦合前端输入电路的饱和检测和校正电路的简化示意图。

图5是来自图4的电路的模数转换器的输出随时间的变化的曲线图。

具体实施方式

在各个方面中，提供工业过程变量变送器，其包括被配置为感测与流过过程管道的流体的流量相关的电动势(EMF)的电路。提供了多种技术来检测或防止饱和或可能会引起变送器中电路的饱和的情况。提供可选的技术以校正、补偿和／或防止这种饱和。下面的讨论针对利用所施加的磁场测量流量的类型的流量计。然而，本发明并不限定于这样的过程变量变送器。

图1是其中本发明的实施例是特别有用的磁性流量计20的局部剖视图。磁性流量计20包括带有电绝缘衬里23的低磁导率材料形成的流管22、电磁体(线圈)26、铁磁芯或铁磁屏蔽罩28、和电极30、32。电磁线圈26和电极30、32接线到变送器电路34。在操作中，变送器电路使用电流驱动电磁体26，并且电磁体26产生由流管22内的箭头表示的磁场36。过程流体 21流动通过流管22中的磁场，并且这种流动在液体21中感应电动势(EMF，电压)。绝缘衬里23防止电动势从液体21泄漏到金属流管22。电极30、32接触流体21，并且拾取(pickup)或感测(sense)电动势，根据法拉第定律，电动势与流管22中的液体21的流量(flowrate)成比例。

图2是磁性流量计变送器20的电路的示意图。磁性流量计20包括适于载送流动的流体21的流管22，其流体21电耦合到流管22。电磁线圈26定位成接近流管22以响应于来自线圈驱动电路152的驱动信号将磁场施加到过程流体。电极30和32感测在流体21中感生的电动势。电动势与流体21的流量和所施加的磁场36相关。电极30和32通过放大器148和150连接至测量电路154。根据已知的技术，测量电路154提供与流量相关的测量输出。例如，测量电路154可以包括被适当地编程或配置的微处理器或数字信号处理器(DSP)电路。放大器148和150以及测量电路154通常提供用于磁性流量计20的“前端”或输入电路。

测量电路154的输出204被提供给输出电路158，用于传输到远离磁性流量计20的控制或监测电路。但是，输出204可以根据需要被传输到其他位置或由流量计20内部地使用。输出电路158可以根据需要提供脉冲输出、4-20mA电流输出、数字输出、无线输出或其他类型输出。在这个示例中，输出电路158的输出被显示为耦合到过程控制回路160。

在操作期间，放大器148和150检测响应于由线圈26施加的磁场在流动的流体21中产生的相对较小的电动势信号。为了使相对较小电动势信号被测量电路154使用，它必须由放大器148、150相当大地放大。在一些情况下，施加到测量电路154的放大信号可能超过测量电路154的最大输入值并且变得饱和。当这种情况发生时，测量电路154不能够感测在感测到的电动势中小的交流变化并且可能会错误地计算流量。例如，测量电路可能会错误地判断流量为零。因为存在其中流量可能实际上是零的情况，这样的测量可以很容易地被操作者、控制系统或其它监控电路误解。这就是所谓的“尺度(on-scale)”错误。

有许多事件可以导致这种饱和。例如，在过程流体中载送的颗粒或碎片可能会接触或撞击电极30或32，引起测量电路154变饱和。这被称为“交流(AC)饱和”。同样地，电荷可能随着时间在电极30和32之间堆积，其最终导致测量电路154的饱和。这种电荷可能有多种来源，包括施加至过程流体21的电流、在过程流体21中的化学反应、不正确接地、通过流量计的用于防腐蚀的阴极电流、在电极30和32上形成沉积或其他原因。这被称为“直流(DC)饱和”。

图3A、3B和图4示出饱和检测和校正电路的两个示例。图3A、3B的电路涉及直流耦合电路，而图4的电路涉及交流耦合电路。

图3A是根据一个示例性实施例的包括饱和检测和校正电路的磁性流量计20的简化示意图。在图3中，测量和诊断电路154被图示为模数转换器210和微处理器212。放大器148和150分别地通过电阻器214和216连接到电极30和32。电阻器240连接在放大器148和150的反相输入端之间。放大器148和150被配置为分别地通过电阻器220和222获得负反馈。图3还图示从微处理器212接收电流源控制信号232的可配置的电流源230。

由于通过线圈26施加的周期性反转磁场，交流或脉冲直流电压出现在电极30、32之间。然而如上所讨论地，直流偏移电压也可能出现在电极30、32之间。随着时间推移，这个直流电压可以驱动施加到模数转换器(ADC)210的电压到超出转换器210的最大阈值的水平。当这种情况发生时，微处理器212可能不正确地将数据218解释为表示没有流动通过管道20。

图3A是放大器148、150分别地直流耦合到电极30、32的示例。在一些实例中，直流耦合放大器是优选的，例如，当使用包括浆液的过程流体工作时。如上面所讨论，在某些情况下，可以在电极30和32之间产生直流偏移电压。这个直流偏移电压可以随着时间慢慢地增加，并且最终达到使得由于所施加的磁场产生的小的交流信号流不能够被模数转换器210感测的水平。这被称为“饱和”。典型地，模数转换器210在该电路中的其它电气部件之前达到饱和。因此，来自模数转换器210的输出可以用于可靠地指示饱和的前端电子元件。如图3A所示，模数转换器210提供输出218到微处理器212。微处理器典型地监测在此输出中的交流流量信号以计算流量。然而，在一个实施例中，微处理器还监视在数字化输出218中的直流偏移值。当此直流偏移值达到了ADC210的最大水平时，微处理器可以提供已经发生饱和的判定。此外，可以在差分电压饱和之前设置警告状态以提供预测性故障报警，用于增加产品耐用性和减少系统停机时间。

此外，在检测到前端饱和或显示直流偏移电压时，饱和校正电路260可以用于移除或降低在电极30和32之间的直流偏移电压。在图3A的配置中，饱和校正电路260包括连接到放大器148和150的可配置电流(直流信号)源。可配置电流源230可以用于分别地从电极30、32移除在放大器148和150之间出现的直流偏移电压。基于在模数转换器210处看到的饱和或直流偏移电压的幅度，微处理器212可以将可配置电流源控制信号232施加到可配置电流源230，从而将具有与引起饱和的直流偏移电压相同的幅度但是极性相反的电压施加到放大器148，150的反相输入端。可配置电流源230可以是包括电压源的任何类型的可配置源。可配置源230用于在两个放大器148和150之间施加相对的直流偏移值。例如，如果检测到大的直流偏移电压，则可以施加更大的电流用。这被用于取消在电极30和32之间的直流偏移电压，并且从而防止在ADC210中产生饱和，并且允许流量计继续正确地测量流量。另外地，可配置电压源可以被放置成与电阻器240串联。

图3B示出饱和校正电路的另一个示例。可配置电流源230可以用于移除分别地在电极30、32之间出现的直流电压差。基于在模数转换器210处看到的直流偏移电压的幅值，微处理器212可以将可配置电流源控制信号232施加到可配置电流源230，从而将具有与饱和电压相同幅度但是相反极性的电压施加到电极30和32。源230用于在两个电极30和32之间施加相对的偏移值。这可以用于移除在电极30和32之间的直流偏移电压，因而防止出现饱和并且允许流量计继续正确地测量流量。校正典型地被以非常低的频率应用，并且因此不干扰脉冲直流流量测量。

如上所讨论的，直流差分电压还可以驱动前端电路进入饱和状态。图4示出了一种配置，其中流量计电子元件通过电容器242、244分别地被直流耦合到电极30、32。这个配置以与放大器148、150类似的方式操作，提供放大信号到模数转换器210。模数转换器210提供表示电极30、32之间的交流差分电压的电极电压数据218到微处理器212。在图4的配置中，电容器242和244阻止电极30和32之间的直流差分电压到达放大器148和150。这样防止上述直流饱和的情况影响流量测量。然而，仍然可能发生交流饱和情况。

图5是用于图4的交流耦合流量计电子元件的模数计数随时间变化的曲线图。如图5所示，在30秒的时间处，在电极30和32之间出现驱动模数转换器210进入饱和状态的直流峰值。这可能发生在例如当浆液中的碎片撞击电极30、32中的一个时。如在图5中所示，在经过一段时间之后，当在电容器242或244上的电荷缓慢放电时，交流耦合将从饱和中恢复。然而，由于测量脉冲直流流动信号需要大的RC时间常数，这种恢复可能需要若干秒，在此期间，流量测量将指示零流量。在图4的配置中，来自模数转换器210的输出也可以由微处理器212用来识别饱和状态。更具体地，微处理器212可以识别来自模数转换器210的数据输出218的值达到最大或最小水平并且进入如在图5的曲线中的直平段图示的饱和的时间。一旦检测这种饱和事件，微处理器212可以提供指示已经出现饱和的输出。与关于图3的直流饱和设置的配置相同，这个信息可以被提供给其它电路或操作者，以表示发生饱和事件。

图4还示出饱和校正电路260，其被配置为减少在输入电容器242、244上的将导致饱和的电荷。电路260包括分别地连接到电容器242、244的动态受控电阻器262和264。使用来自微处理器212的动态电阻控制信号272控制动态受控电阻器262、264。动态受控电阻器262、264分别地选择性地分流来自电容器242、244的电荷到电接地。分流的量和／或分流的持续时间可以由微处理器212根据来自模数转换器210的计数输出来控制。例如，微处理器212可以监控来自模数转换器210的输出，直到输出被带到低于饱和水平。放电可以持续直到累积的电荷被完全地从电容器242、244放电。这可以被配置为比在图5的曲线图中图示的缓慢放电明显更快地发生。

因为零流量情况可能会由于多种时间而产生，检测、校正和／或防止饱和可能特别地有利。例如，流量本身实际上可能是零，空的管道或饱和状态可能出现。在此所讨论的技术帮助识别零流量状态的来源。进一步，用于校正饱和的电路降低诊断零流量状态所需的停机时间。在一个配置中，该电路提供作为饱和判定的函数的估计流量测量值。例如，在检测到饱和时，流量输出可以被设置到就在饱和出现之前或者趋于出现饱和时的流量水平。一旦饱和状态已经被移除或补偿，这个估计可以根据趋势继续下去并且恢复到实际测量值。在另一个示例配置中，图3B中显示的电路被周期性地用于移除直流偏移，而不考虑饱和状态的检测。在这种配置中，在电极处产生的任何直流偏移在不需要检测饱和的状态下被周期性地减少或消除。

虽然已经参照优选实施例描述本发明，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围情况下在形式和细节上可以进行变化。如本文所用，输入电路包括上面所讨论的放大器电路和模数转换器电路。诊断电路用于识别输入电路的饱和。该电路可以被以任何适当的方式来实现。在一个实施方式中，诊断电路在微处理器中实现，并且可以任选地包括模数转换器。虽然在此的具体的讨论涉及使用微处理器的饱和或偏移电压检测，也可以使用任何合适的电路。例如，饱和或偏移电压检测可以在硬件中实现，例如通过使用比较电路等。如本文所用，术语诊断电路包括饱和检测、校正和／或防止电路。如本文所用，术语饱和相关状态包括输入电路的饱和以及阻止饱和。例如，在电极或输入电路之间的交流或直流偏移电压是饱和相关状态。饱和校正电路可以作为饱和状态释放电路，以释放饱和状态，包括饱和相关状态。

Claims (28)

1.一种磁性流量计，用于测量管道中的过程流体的流量，所述磁性流量计包括：

邻近所述管道设置的电磁线圈，该电磁线圈被配置为施加磁场到过程流体；

设置在所述管道内的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极电耦合到过程流体并被配置为感测由于施加的磁场和过程流体的流动在过程流体中感生的电动势(EMF)；

连接到第一电极和第二电极的输入电路，该输入电路提供与被感测到的电动势相关的输出；和

连接到输入电路的诊断电路，该诊断电路被配置为识别饱和相关状态并且响应地提供诊断输出；

其中所述饱和相关状态是由如下中的至少一个引起的：在第一电极和第二电极之间的直流偏移电压，和第一电极和第二电极中的至少一个产生的交流偏移电压，

其中所述磁性流量计包括直流信号源，所述直流信号源作为所述饱和相关状态的函数选择性地连接到输入电路。

2.根据权利要求1所述的磁性流量计，包括饱和释放电路，该饱和释放电路被配置为响应于诊断输出释放所述饱和相关状态。

3.根据权利要求1所述的磁性流量计，其中输入电路包括放大器电路和模数转换电路，放大器电路电连接到第一电极和第二电极并被配置为提供放大输出，模数转换电路被配置为提供表示所述放大输出的数字化输出。

4.根据权利要求1所述的磁性流量计，其中直流信号源包括可配置电流源。

5.根据权利要求1所述的磁性流量计，其中直流信号被耦合到放大输出。

6.根据权利要求1所述的磁性流量计，其中直流信号被耦合到放大器的输入端。

7.根据权利要求1所述的磁性流量计，包括放电电路，所述放电电路对将输入电路连接到第一电极的电容器进行放电。

8.根据权利要求7所述的磁性流量计，其中放电电路包括用于对电容器进行放电的动态受控电阻。

9.根据权利要求1所述的磁性流量计，其中诊断电路提供作为饱和相关状态函数的估计流量测量值。

10.根据权利要求1所述的磁性流量计，其中诊断电路基于饱和相关状态提供指示电化腐蚀的警报。

11.一种用于测量在管道中的过程流体的流量的方法，包括下述步骤：

使用电磁线圈施加磁场到流过管道的过程流体；

使用第一电极和第二电极感测由于所施加的磁场和过程流体的流动在管道中感生的电动势(EMF)；

使用输入电路测量电动势，所测量的电动势指示过程流体的流量；以及

监视输入电路，识别饱和相关状态并且响应地提供诊断输出；

其中所述饱和相关状态是由如下中的至少一个引起的：在第一电极和第二电极之间的直流偏移电压，和第一电极和第二电极中的至少一个产生的交流偏移电压，

其中所述方法包括作为饱和相关状态的函数将直流信号源连接到输入电路的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其中直流信号源连接到放大器电路的输出端。

13.根据权利要求11所述的方法，包括对将输入电路连接到第一电极的电容器进行放电的步骤。

14.根据权利要求11所述的方法，包括响应于饱和状态提供被估计流量测量值的步骤。

15.根据权利要求11所述的方法，包括基于饱和相关状态提供指示电化腐蚀的警报的步骤。

16.一种磁性流量计，用于测量在管道中的过程流体的流量，所述磁性流量计包括：

邻近所述管道设置的电磁线圈，该电磁线圈被配置为施加磁场到过程流体；

设置在所述管道内的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极电耦合到过程流体并被配置为感测由于施加的磁场和过程流体的流动在过程流体中感生的电动势(EMF)；

电连接到第一电极和第二电极的输入电路，该输入电路具有与被感测到的电动势相关的输出；和

防饱和电路，该防饱和电路被配置为防止输入电路的由于第一电极和第二电极之间的偏移电压引起的饱和；

其中所述偏移电压是直流偏移电压和交流偏移电压中的至少一个，

其中所述防饱和电路包括选择性地连接到输入电路的直流信号源。

17.根据权利要求16所述的磁性流量计，其中输入电路包括放大器电路和模数转换电路，放大器电路电连接到第一电极和第二电极并被配置为提供放大输出，模数转换电路被配置为提供表示所述放大输出的数字化输出。

18.根据权利要求16所述的磁性流量计，其中直流信号源耦合到输入电路的放大输出。

19.根据权利要求16所述的磁性流量计，其中直流信号源被连接到输入电路的放大器的输入端。

20.根据权利要求16所述的磁性流量计，其中防饱和电路包括放电电路，所述放电电路对将输入电路连接到第一电极的电容器进行放电。

21.根据权利要求20所述的磁性流量计，其中放电电路包括用于对所述电容器进行放电的动态受控电阻。

22.根据权利要求16所述的磁性流量计，其中防饱和电路包括响应于所识别的饱和相关状态的饱和释放电路。

23.根据权利要求16所述的磁性流量计，其中防饱和电路周期性地减小第一电极和第二电极之间的偏移电压。

24.一种用于测量管道中的过程流体的流量的方法，包括下述步骤：

使用电磁线圈施加磁场到流过管道的过程流体；

使用第一电极和第二电极感测由于所施加的磁场和过程流体的流动在管道中感生的电动势(EMF)；

使用输入电路测量电动势，所测量的电动势指示过程流体的流量；及

防止输入电路由于第一电极和第二电极之间的偏移电压出现饱和；

其中所述偏移电压是直流偏移电压和交流偏移电压中的至少一个，

其中防止饱和的步骤包括将直流信号源连接到输入电路。

25.根据权利要求24所述的方法，其中直流信号源连接到放大器电路的输出端。

26.根据权利要求24所述的方法，其中防止饱和的步骤包括对将输入电路连接到第一电极的电容器进行放电。

27.根据权利要求24所述的方法，包括响应于饱和相关状态的检测释放饱和的步骤。

28.根据权利要求24所述的方法，其中防止饱和的步骤被周期性地执行。