CN104603582B - 磁感应流量测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种磁感应流量测量装置，包括线圈布置和用于控制所述线圈布置的供应电压的电路，其中，所述电路被设计为根据如下电压曲线操作所述线圈布置的供应电压：A)将电压从起始电压I上升到过电压II；B)如果合适，将电压保持在过电压II；C)从过电压II下降到保持电压V；其中，所述电路通过将所述电压设定到至少两个或更多个预定的、中间的、期望值III、IV来控制所述电压从所述过电压下降到所述保持电压。

Description

磁感应流量测量装置
技术领域
本发明涉及一种磁感应流量测量装置。
背景技术
已知的磁感应流量测量装置的磁场是由定时的改变极性的直流电流产生的。这确保了稳定的零点并且使得测量对多相材料、液体中的非均匀性或低导电性的影响不敏感。在这种情况中，已知多种方法，采用这些方法，可以对线圈的布置进行操作。这些方法对于线圈布置的操作的时间效率已经有了改善。
在已知的方法中，例如EP1460394A2中，通过直接将施加的过电压向下反转到保持电压而对供应电压进行控制。然而，该直接反转具有这样的结果，即感应出涡流，其阻止磁场的快速反转极化。
发明内容
本发明的目的是提供一种流量测量装置，其能够实现涡流的衰减。
本发明通过一种磁感应流量测量装置来实现该目的。
根据本发明，一种磁感应流量测量装置包括线圈布置和用于控制该线圈布置的供应电压的电路，其中，该电路被设计为以如下顺序的电压曲线提供线圈布置的供应电压：
A)电压从起始电压上升到过电压；
B)在给定的情况中，电压保持在过电压；
C)电压从过电压下降到保持电压；
其中，电路通过调谐电压到至少两个更或多个预定的、中间的、期望值来控制电压从过电压下降到保持电压。
不同于前面的直接将过电压反转到保持电压的情况，在从过电压下降到保持电压的下降区域中的电压在到达保持电压之前在此经过一系列中间值。通过电压的这种控制，能够至少显著地减少涡流的发生。
当电路通过将电压调谐到至少五个，优选至少十个预定的、中间的、期望值来控制电压从过电压下降到保持电压时是优选的。电压的引导还可利用多于200个中间的期望值。理论上，只要两个中间的期望值就足够实现关于涡流衰减的测量效果。然而，对于简单实施的电路，为了实现满意的涡流衰减，至少5个中间的期望值应该被预定，然而优选地，对于电路允许的程度，应当使用至少10个中间的期望值用于控制电压的下降。
除了别的方面，用于控制的下降到保持电压的特定时间间隔取决于测量管道的标称直径。在这种情况中，在最小化涡流所需要的控制降到保持电压的时间和磁场应该最终达到终点值的时间之间必须达成妥协。就此而论，对于DN＝10到DN＝100的测量管直径，当电路以如下方式，即电压在20到900μs优选30到800μs的时间间隔内以±2V优选±0.2V的精度被设定到保持电压，来控制电压从过电压下降到保持电压时，已经发现是优选的。
在更大标称直径的情况中，对于DN>100到DN＝2400的测量管直径，当电路以如下方式，即电压在600到10000μs优选750到8000μs的时间间隔内以±2V优选±0.2V的精度被设定到保持电压，来控制电压从过电压下降到保持电压时，是优选的。
当两个中间的期望值之间的时间间隔达到至少0.05μs优选至少0.3μs，是优选的，以避免由中间的期望值的过快改变而带来的小的涡流效应的发生。
特别优选的压降形式是多项式或指数函数的形式。
电路能够优选地实施为具有至少一个控制设备、至少一个D/A转换器、电压源和A/D转换器的紧凑的结构。
为了检查涡流的衰减，电路能够额外测量作为时间函数的相应确定的电流水平。
当以相比于将过电压直接切换到保持电压的情况对静态磁场的ε带(epsilon-band)的更快调谐，通过调谐电压到至少两个或更多个预定的、中间的、期望值Ⅲ、Ⅳ而控制电压从过电压下降到保持电压发生时，其中ε带与稳定磁场的期望值具有由线圈布置所产生的随时间变化磁场的实际值±1％的标准偏差，是优选的。以此方式，总体上，能够实现更快速的反转极化和更快速的测量序列。
附图说明
现在将基于附图以更详细的方式解释优选实施例，附图如下所示出：
图1a显示出两个不同电压曲线的线圈电压相对于时间的图表；
图1b显示出两个不同电流曲线的线圈电流相对于时间的图表；
图1c显示出两个不同磁场的曲线的B场相对于时间的图表；
图1d图1c的曲线与终点值的偏差的图表；
图1e图1d的局部放大部分；
图2用于操作线圈布置的控制设备的框图形式的简化电路；
图3a附加电压曲线的图表；以及
图3b放大形式的附加电压曲线的图表。
具体实施方式
图1a示出了操作线圈布置的情况中第一和第二电压曲线1A和1B的优化部分。在此，第一电压曲线1A对应于本发明的实施例；而第二电压曲线1B对应于根据背景技术的实施例，在此情况中，发生过电压到保持电压的直接切换。
对应的线圈布置被用于磁感应流量测量装置中。图1a中示出的优化的电压曲线被设计为用于DN600的测量管。
磁感应流量测量装置的结构和测量原理是众所周知的。根据法拉第感应定律，在磁场中移动的导体内感应出电压。在磁感应测量原理的情况中，流动的测量材料相当于移动的导体。通过测量管两侧的两个励磁线圈产生恒定强度的磁场。垂直定位在测量管的管内壁上的是两个测量电极，其对由测量的物质的流动产生的电压进行分接(tap)。感应的电压与流动速度并且由此与体积流量成比例。由励磁线圈产生的磁场起源于定时的改变极性的直流电流。这确保了稳定的零点并且使得测量对来自多相材料、液体中的不均匀性或低导电性的影响不敏感。具有带有超过两个励磁线圈的线圈布置的磁感应流量测量装置以及具有其他几何布置的磁感应流量测量装置，是已知的。
用于操作线圈布置的电压通过布置在流量测量装置中的控制设备而被预设为预定电压曲线。可选地，控制设备还可被布置在流量测量装置的外侧并且经由电连接或无线连接控制线圈电压。
已知的是，在磁感应流量计的操作期间，线圈的定时的极性反转会发生，由此产生电压曲线，其一半位于正域一半位于负域中。为了易于解释，在下面，仅仅描述了在周期反转的正域中的电压曲线。在此，本发明实施例的电压曲线1A的示例被描述为用于DN600的标称直径。
在这种情况中，首先，某些起始点Ⅰ的电压，例如，其位于0V或在负域中，通过电流的供应而增加到过电压值Ⅱ。该上升过程发生的非常快速。一旦达到过电压值Ⅱ，就减少供应的电流，然而，由于线圈的固有振荡，电流比例电压瞬时接近过电压值Ⅱ或在过电压值Ⅱ附近。上升到过电压值的过程优选以单调方式发生。
在达到过电压值Ⅱ之后，分别开始地，电压可以被保持或可直接发生下降到保持电压V。
瞬时接近到过电压值Ⅱ是控制设备优选的设定。瞬时行为理解为，在该种情况中，由于线圈的自感应的与过电压值Ⅱ的偏差，其随着时间衰退。这在最简单的情况中可以是超出过电压值Ⅱ的电压的一次增加以及随后下降到过电压值Ⅱ。在这种情况中，控制设备以这种方式设定：一旦再次达到过电压值Ⅱ，就产生电压的进一步下降。可选地，在电压的保持期间可以发生过电压值Ⅱ的多次超越或不超越。
在调谐到过电压值Ⅱ之后，电压开始减小到第一中间的期望值III。该中间的期望值Ⅲ由控制设备预定。
在该减小期间的电压曲线在本实施例中是强单调的。这意味着跟随前面电压值的电压值总是减小并且不等于或不大于前面的电压值。在这种情况中，控制设备被相应的实施，为了使该强单调下降到中间值Ⅲ。在达到该第一中间的期望值Ⅲ之后，将电压调谐到第二中间的期望值Ⅳ。
然而，在图1a中示出的这两个中间的期望值仅仅是一个接着一个直到达到保持电压的、大约100-400个中间的期望值的象征。
在具有例如DN 50的较小的标称直径的测量管的情形中，甚至可能发生从中间值III开始到保持电压IV的小的增加。
控制电路能根据图1a中示出的最佳电压曲线来调谐实际的电压曲线。
电压曲线1A的分段，其代表下降到中间值Ⅲ，尤其是最佳控制问题的解决方案。该控制问题是基于采用如下形式的麦克斯韦方程解决涡流方程的。
该函数以如下约束而被最小化
其中
T＝末端时间
A＝用于再形成麦克斯韦拟设的矢量势
σ＝电导率
μ＝磁导率
NC＝线圈的匝数
AC＝线圈的截面积
RC＝线圈的电阻
j＝电流密度
U＝时刻t处的线圈电压
Ω＝计算区域，典型的为三维空间的子区域
λT,λU和λQ＝权重参数(正数)
Q＝Ω×(0…t)
curl＝旋度(rot)
+/-A0＝磁场(起始和终止状态)
X＝位置变量
t＝时间
的时间导数
I0＝线圈电流
基于上面提出的函数，线圈电压uc的曲线能够在一定时间间隔内确定。
涡流效应衰减的控制的期望效果能够基于在图1b中来更详细地解释。图1b示出了对应于第一和第二电压曲线1A和1B的第一和第二电流曲线2A和2B。
如基于图1b认识到的，电流曲线2A在相对快速上升后进展到恒定电流端值。该电流曲线2A对应于根据本发明的实施例的电压曲线1A。
第二电流曲线2B对应于对于从过电压直接切换到保持电压的电压曲线1B。如从图1b中看到的，在达到电流端值后，存在电流水平的额外增加并且随后的下降-直到建立恒定电流端值。在电流端值水平上的增加对于线圈的自感应和涡流的产生是重要的。
图1b中示出的两个电流曲线在磁场的时间曲线上的效应在图1c中示出。图1c示出了第一和第二磁场各自的第一和第二曲线。在该情况中，第一磁场的第一曲线3A对应于第一电流曲线2A和第一电压曲线1A。在该情况中，虚线X表示磁场应该实现的端值。
第二磁场的第二曲线3B对应于第二电流曲线2B和第二电压曲线1B。
如在图1c中看到的，在经过最小值后第二曲线3B的上升，事实上，在起始处，更为陡峭。然而，该曲线3B随后需要基本上比第一磁场的第一曲线3A更长的时间来达到端值X。
图1d示出了第一和第二磁场B(t)与端值B0的时间偏差。图1e提供了图1d末端区域的放大。当磁场B(t)达到端值B0时，偏差为0％。在磁场B(t)与端值B0的偏差达到±1％的程度下，出现稳定的磁场。该图的区域由所谓的ε带来限定。如所看到的，第一曲线显著需要更少的时间来达到该ε带。
因此，出乎意料地，已经证明，与直接的切换相比，控制供应电压的下降事实上首先需要更多的时间来达到保持电压。然而，由于涡流的衰减，该明显的缺点使得能够实质上快速调谐到稳定的磁场。
相应的控制电路可以由如图2所示的结构组成。
图2包括作为控制电路的组件的控制设备1。在控制设备1中集成有第一存储单元2，其输出供应电压，相应地供给电压，的缺省值。
供应电压的预定值被传送到数/模转换器3，其将数字信号转换成模拟信号。该信号作为期望值被传送到可变供给电压源4，其输出与期望值相对应的预设定的供给电压。供给电压被传送到线圈电压控制器5。线圈电压控制器5经由集成在控制设备1中的第二存储单元6以期望值被供应，该值在之前通过数/模转换器而被转换成模拟信号。在线圈电压控制器5中发生预设供给电压的精细调谐。由集成的第二存储单元6预定的期望值对应于，作为时间函数，图1中示出的电压曲线。
在这种情况中，同样通过数/模转换器7，传送到线圈电压产生器5的是期望电压，其对应于图1中示出的电压。该电压被存储在控制设备1的存储器6中并且被提供给线圈电压产生器4用于调谐供给电压。
线圈电压产生器4将线圈电压转发到H桥电路5。该H桥电路5执行时钟信号改变并且用作限定电流方向。输出是线圈电流和线圈电压，以该线圈电流和线圈电压来操作该线圈布置而产生磁场。与此相关，线圈电流和线圈电压通过各自的模/数转换器而被转换成数字信号并且通过控制设备1而被评估。
在这样的情况下，由图1示出的曲线获取期望值，其在具体的情况中表示函数，其至少取决于磁系统几何形状、测量管的材料特性、极靴的电导率、场后向引导金属薄片、磁场的B-H曲线以及n-线圈的电阻，其中n是线圈的数量。该函数另外包括上限值，其小于或等于过电压值。
因此，当基于跟随电压曲线的取决于时间的期望值来设定供应电压时是优选的，其中电压曲线包含依赖于下述的电压：
a)布置在磁感应流量测量装置中的磁系统的几何布置；
b)场后向引导金属薄片和极靴的电导率和磁导率
c)线圈布置的n个线圈的电阻。
图3a和3b示出了用于预定的电压曲线的实施例的进一步示例，然而，与图1a相比其不是最佳延伸。在该例子中，图3b是图3a的一部分。

Claims (18)

1.一种磁感应流量测量装置，包括线圈布置和用于控制所述线圈布置的供应电压的电路，
其中，所述电路被设计为以如下顺序的电压曲线提供所述线圈布置的供应电压：
A)电压从起始电压Ⅰ上升到过电压Ⅱ；
B)在给定情况中，电压保持在过电压Ⅱ；
C)电压从过电压Ⅱ下降到保持电压Ⅴ；
其中，所述电路通过将所述电压调谐到至少两个或更多个预定的、中间的、期望值Ⅲ、Ⅳ来控制所述电压从所述过电压下降到所述保持电压。
2.根据权利要求1所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，所述电路通过将所述电压调谐到至少五个预定的、中间的、期望值Ⅲ、Ⅳ来控制所述电压从所述过电压下降到所述保持电压。
3.根据权利要求2所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，所述电路通过将所述电压调谐到至少十个预定的、中间的、期望值Ⅲ、Ⅳ来控制所述电压从所述过电压下降到所述保持电压。
4.根据权利要求1至3之一所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，对于DN＝10到DN＝100的测量管直径，所述电路以如下方式来控制所述电压从所述过电压下降到所述保持电压：在20到900μs的时间间隔内，以±2V的精度将所述电压设定到所述保持电压。
5.根据权利要求4所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，在30到800μs的时间间隔内将所述电压设定到所述保持电压。
6.根据权利要求4所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，所述电路以±0.2V的精度将所述电压设定到所述保持电压。
7.根据权利要求5所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，所述电路以±0.2V的精度将所述电压设定到所述保持电压。
8.根据权利要求1至3之一所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，对于DN>100到DN＝2400的测量管直径，所述电路以如下方式来控制所述电压从所述过电压下降到所述保持电压：在600到10000μs的时间间隔内，以±2V的精度将所述电压设定到所述保持电压。
9.根据权利要求8所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，在750到8000μs的时间间隔内将所述电压设定到所述保持电压。
10.根据权利要求8所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，所述电路以±0.2V的精度将所述电压设定到所述保持电压。
11.根据权利要求9所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，所述电路以±0.2V的精度将所述电压设定到所述保持电压。
12.根据权利要求1至3之一所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，两个中间的期望值之间的时间间隔达到至少0.05μs。
13.根据权利要求12所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，两个中间的期望值之间的时间间隔达到至少0.3μs。
14.根据权利要求1至3之一所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，描述根据C)的所述供应电压的下降的所述电压曲线的子段具有多项式的形式。
15.根据权利要求1至3之一所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，描述根据C)的所述供应电压的下降的所述电压曲线的子段具有指数函数的形式。
16.根据权利要求1至3之一所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，所述电路具有至少一个控制设备、至少一个D/A转换器、电压源和A/D转换器。
17.根据权利要求1至3之一所述的磁感应流量测量装置，其特征在于，所述电路额外测量作为时间的函数的电流水平。
18.一种磁感应流量测量装置，其特征在于，以相比于将过电压直接切换到保持电压的情况对静态磁场的ε带的更快调谐，通过将电压调谐到至少两个或更多个预定的、中间的值Ⅲ、Ⅳ，而发生对所述过电压下降到所述保持电压的控制，
其中，所述ε带与稳定磁场的期望值具有由线圈布置所产生的时变磁场的实际值±1％的标准偏差。
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