CN104729594B - 能够自动选择操作设定点的磁流量计 - Google Patents

Abstract

一种磁流量计，包括：流量管，具有电极和场线圈；以及变送器，基于感测到的线圈电感、感测到的线圈电阻、变送器和/或流量管的额定功率以及选定性能准则，自动确定磁流量计的操作设定点。

Description

能够自动选择操作设定点的磁流量计

技术领域

本发明总体上涉及流处理，具体地涉及一种磁流量计。

背景技术

磁流量计(或者磁流量表)通过法拉第感应(电磁效应)测量流量。磁流量计通常包括流量管和变送器。流量管包括：管道；安装在所述管道上的场线圈(可以包括多个线圈)；以及延伸通过所述管道的电极。变送器向场线圈供电以便在管道部两端产生磁场，磁场在过程流两端感应电动势(EMF)。使用延伸通过管道部并与过程流相接触的电极对，或通过电容耦合，来感测得到的电势差(或电压)。流速率与感应到的EMF成正比，体流率(volumetricflow rate)与流速率和流横截面面积成正比。变送器从电极接收感测到的电压，并产生表示测量流的信号。

通常，电磁流测量技术适用于水基流体、离子溶液和其他导电液体流。具体的用途包括水处理设施、高纯度医药制造、卫生食品和饮料生产以及包括有害和腐蚀性过程流的化学处理。磁流量计还用于包括利用磨蚀和腐蚀性泥浆的液压破碎技术(hydraulicfracturing technique)的碳氢化合物燃料行业，以及其他的碳氢化合物提取和处理方法。

由于相关联的永久性压力损失(例如孔板或者文氏(Venturi)管两端)，使得磁流量计在基于压差的技术不受欢迎的应用中提供快速、精确的流测量。当难以将机械元件(例如，涡轮转子、涡流元件或者皮托管)引入所述过程流或者不切实际时，也可以采用磁流量计。

一些磁流量计使用由AC线路电源直接驱动的场线圈。另一类型的磁流量计(通常称作脉冲式DC磁流量计)用低频方波周期性地对该场线圈进行激励或供电。脉冲式DC磁流量计使用以由方波激励确定的频率改变方向的磁场。

在磁流量计中，场线圈的线圈电流和绕组数目确定了与流过流量管的导电过程流体垂直的磁场的强度。横向切割该磁场的过程流体的流速在暴露于过程流体的电极上产生较小电势。针对给定数目(匝数)的绕组和绕组中的给定线圈电流，在电极上产生的信号直接地(线性地)与流速成正比。

在给定流速下，通过流经磁流量计的流体产生的典型噪声谱展现了与频率的倒数成正比的幅度(通常称作“1/f噪声”或“粉红噪声”)。流速率越大，噪声等级也越大。因此，这通常对于能够在较高激励频率下进行操作以便改善信噪比的磁流量计是有利的。由于在磁流量计的电极处产生的信号等级直接与场线圈的安培圈数(即，线圈电流(安培)乘以绕组数目或场线圈匝数)成正比，还希望能够在较高线圈电流下进行操作，以便改善信噪比。

在脉冲式DC磁流量计中，磁场以激励频率改变方向。当磁场改变了方向时，通过快速改变磁场而产生被电极感测到的电压尖峰。为了进行流测量，流量计的电极电压测量电路必须在进行测量之前等待，直到该电极电压尖峰稳定。潜在错误的另一来源在于：如果线圈中的电流不稳定，或如果磁场的改变滞后于电流的改变并且是缓慢变化的，则得到的耦合到电极信号的电压将出现错误的流读数。在某最大频率下，线圈驱动电路无法令线圈电流或磁通量密度(magnetic flux density)稳定，结果变化的线圈电流感应出与流无关的电极电压改变。在该最大激励频率上的操作将导致流测量的准确度和可重复性变差。不稳定的电流驱动降低了流测量的零准确度(zero accuracy)。

针对不同直径和构造的流量管，线圈电流稳定的速率是不同的。由于线圈电流在较小直径的流量管中更快稳定，相较于较大直径的流量管，较小直径的流量管可以以较高激励频率进行操作。此外，构造流量管使用的某些材料的磁性特性和电学特性可能引起磁通量密度滞后于线圈中的电流。这对于操作在较高频率下的线圈而言十分重要。

对驱动电流波形的主要影响是场线圈以及在线圈驱动电路和流量管之间的引线(lead)的电感和电阻。根据流直径和供应商不同，磁流量管具有多种不同的电感值和电阻值。根据用于将变送器与流量管相连的线缆的电阻值，对相同流量管的不同安装方式可以具有变化超过二分之一的传感器电阻。即使在单个供应商的产品线中，在场线圈的电感和流量管的流直径之间也不存在直接关系。新流量管以及对已有型号的流量管的设计改变可能导致在制造特定变送器时不可用的不同线圈电感值和电阻值。

因此，难以针对特定流量管和变送器的组合确定适当的工作点。不能提前确定用于普遍地操作电流和频率的优化设定点。

发明内容

一种磁流量计包括：流量管；以及变送器，基于操作设定点向流量管提供激励。变送器基于场线圈电阻、场线圈电感、变送器和/或流量管的额定功率以及性能准则选择，自动地确定操作设定点。变送器基于所确定的操作设定点，向流量管提供激励，并基于由流量管产生的感测电压信号，提供流测量值。

附图说明

图1是磁流量计的框图。

图2是示出了图1的磁流量计的线圈驱动器和相关测量电路的框图；

图3是示出了由变送器自动选择设定点的流程图。

具体实施方式

图1示出了示例磁流量计10，包括初级部(流量管或传感器)10A和次级部(变送器)10B。流量管10A包括管道12、绝缘内衬14、电极16A和16B以及由串联线圈18A和18B形成的场线圈18。

流量管10A的主要功能是产生与待测流体的速度成正比的电压。通过使电流通过线圈18A和18B来给线圈提供电能以形成磁场。在脉冲式DC磁流量计中，周期性地反转线圈驱动电流的方向，使得由场线圈18A和18B产生的磁场改变方向。流经流管道10A内部的过程流体用作移动导体，以便磁场在该流体中感应电压。流量管10A内部齐平安装的电极16A、16B与导电的过程流体直接电接触，从而拾取在流体中出现的电压。为了防止电压被短路，必须将流体容纳在电绝缘材料中。当管道12是金属管时，由内衬14提供电绝缘，内衬14是非导电材料，例如，聚氨酯、聚四氟乙烯(PTFE)，或其它绝缘材料。

变送器10B解译在电极16A和16B处产生的电压，并将准则化信号发送至监测或控制系统。通常将次级部10B称作变送器或信号转换器。

变送器10B通常包括信号处理器20、数字处理器22、线圈驱动器24、通信接口26和本地操作接口28。信号转换、调节和传输是变送器10B的主要功能。

数字处理器22控制由线圈驱动器24向线圈18A、18B提供的脉冲式DC线圈驱动电流的脉冲频率。由线圈驱动器24提供的电流波形是方波，其频率被称作脉冲频率或激励频率。该方波可以具有由数字处理器22选择的可变占空比。

信号处理器20连接至电极16A和16B并接地。接地连接可以是连接至管道12，或可以连接至管道12的凸缘或者管道部分上游或下游。

在由数字处理器22限定的电极电压采样时段期间，信号处理器20监测电极16A处的电势VA和电极16B处的电势VB。在电极电压采样时段期间，信号处理器20产生对电极16A和16B之间电势差加以表示的电压，并将该电压转换为对电极电压加以表示的数字信号。数字处理器22可以对从信号处理器20接收到的数字信号执行进一步的信号处理和滤波。数字处理器22向通信接口26提供流测量数值，通信接口26将该数值传送至可以位于控制室的监测或者控制系统(未示出)。通过通信接口26进行的通信可以为以下形式：在4至20mA之间变化的模拟电流级、通信协议(其中在4-20mA电流上调制数字信息)、数字总线上的通信协议(例如，Fieldbus(IEC 61158))、或者使用无线协议(例如，如WirelessHART(IEC62951))在无线网络上的无线通信。

流量计10提供自动方法用于基于流量管10A的特性以及流量管10A和变送器10B的额定功率，选择对激励频率、线圈驱动电流和可选的线圈驱动占空比的最佳组合加以表示的操作设定点。可以在安装时现场执行、在对变送器通电时自动执行、或当流量管10A和变送机10B处于操作时在后台连续地执行对操作频率、电流和占空比的自动选择。

数字处理器22基于将参数用作输入的算法以及由操作者进行的准则选择，执行自动选择设定点，以便针对现场的特定安装方式的变送器10B确定设定点配置。用作输入的参数可以包括线圈电感、线圈电阻、流量管增益(即，每安培激励电流的毫伏输出)、流量管额定功率、变送器额定功率和磁通量密度。由数字处理器22使用的准则可以包括例如最快响应、基于频率的最高信噪比、基于准确度的最高信噪比以及功率效率。操作者可以通过本地操作接口28选择准则。可以在本地操作者接口28处显示对要使用的准则的不同选择，可以进行选择并将选择提供为从操作者向数字处理器22的输入。由操作者选择的准则可以表示单个准则或两个或多个准则的组合。

参数包括对线圈电感和线圈电阻的测量值，可选地包括流量管增益和/或磁通量密度的测量值。可以通过变送器10B在安装时、在向变送器通电时自动地测量这些测量值，或在操作流量计10期间连续地测量这些测量值。备选地，可以在安装之前(例如，在工厂)测量线圈电感、线圈电阻和流量管增益值，然后，通过本地操作接口28或从与通信接口26相耦接的配置设备(未示出)，将其提供为数字处理器22的输入。

通过允许变送器10B基于流量管10A的增益以及线圈电感和线圈电阻的测量参数来选择驱动电流频率占空比操作设定点，可以根据流量管10A和变送器10B的特定组合，调整每个装置。根据由操作者选择的准则，变送器10B将调整驱动电流、驱动频率和占空比设定点，以便根据由操作者选择的准则，最好地实现所需准则，例如，最佳信噪比、最佳功率守恒、或最佳(最快)相应时间。

除了所述参数之外，还可以提供其他输入，例如，线圈电流(或电流稳定性)、电极噪声以及电极电压漂移特性。这些附加输入可以增强处理器22选择操作设定点的能力。

由于基于流量管10A的真实特性选择操作设定点，自动选择设定点提供更大的灵活性和更大的操作设定点。因此，如果具有不同特性的新流量管(例如，更小的电感且更大的增益)变得可用，则即使在制造变送器10B时不存在该新流量管，数字处理器22也可以基于新流量管的特性来选择操作设定点。

自动选择设定点还提供对操作频率和操作电流的多种选择。数字处理器22提供的自动选择设定点可以从不同频率、电流和占空比设定点数值的多种组合中进行选择，而不是仅具有一个或有限数量的操作电流设定点数值和仅具有有限数量的频率设定点数值。这样在将变送器与新流量管相结合的过程中提供更大的灵活性，其中所述新流量管的电学参数不同于先前市场上那些流量管的电学参数。

可以随着连续调节在后台运行自动选择设定点。这样允许变送器10B在可以改变环境条件的操作期间，针对选定准则保持优化的性能。具体地，在操作期间，温度改变可以影响线圈18A、18B以及连接线圈驱动24与线圈18A、18B的线缆的电阻。

自动选择设定点还允许根据需要用一个流量管代替另一流量管。调整变送器10B以适用于与替代流量管相关联的新参数，一旦基于这些参数再次选择操作设定点，将最佳地满足由操作者提供的准则选择。

在一些情况下，数字处理器22可以通过本地操作接口28向操作者显示针对相同准则选择的备选设定点选择，或针对多个不同的可能准则选择中每一个的设定点选择。这样可以允许操作者进行提供磁流量计10所需性能的准则选择。

针对功率敏感的安装方式，可以确定针对最高效操作使用的最小占空比。可以将功率保留(conserved down)在呈现最小指定信噪比的点。这意味着可以随着过程流增加而降低功耗。备选地，当流增加时，使用相同电力量可以进行更快的更新。在磁流量计10的操作期间，后台连续运行的数字处理器22自动进行这些调整。

可以由数字处理器22使用的附加参数包括电极噪声和电极电压的零点漂移(zeroshift)，其中电极电压的零点漂移根据线圈驱动频率而改变。这些输入可以影响(factor)选择驱动频率设定点。

图2是线圈驱动器24以及场线圈18(线圈18A和18B)和数字处理器22的框图。线圈驱动器24包括：H桥30，由场效应晶体管(FET)32、34、36和38形成；数模转换器(DAC)40；电流控制器42；时钟逻辑电路44；线圈电压放大器和调节电路46；线圈电流放大器和调节电路48；以及感测电阻器50。形成场线圈18的线圈18A和18B串联在H桥30的节点52和54之间。如图2所示，将线圈18A、18B一同表示为在节点52和54之间的线圈电感L和线圈电阻R。

数字处理器22控制线圈电流设定点、通过H桥30向线圈18A、18B提供的驱动信号的脉冲频率和占空比。由数字处理器22通过时钟逻辑电路44控制驱动信号的频率和占空比，其中时钟逻辑电路产生时钟信号CH和CL。时钟信号CH导通和截止H桥30的晶体管32和38。时钟信号CL导通和截止H桥的晶体管34和36。当通过时钟信号CH导通晶体管32和38并通过时钟信号CL截止晶体管34和36时，电流从H桥30的节点56经过晶体管32流到节点52，沿第一方向经过线圈18A、18B流到节点54，经过晶体管38流到H桥30的节点58，并经过感测电阻器50流到地。当时钟信号CL导通晶体管34和36并且时钟信号CL截止晶体管32和38时，电流从H桥30的节点56经过晶体管34流到节点54，沿第二方向经过线圈18A、18B流到节点52，经过晶体管36、节点58和感测电阻器50流到地。

通过数字处理器22利用DAC 40来控制传送到H桥30的电流。来自数字处理器22的数字控制信号引起DAC 40向电流控制器42的输入产生表示设定点电流的模拟电压。线圈电流I_C从电流控制器42流向H桥30的节点56，然后，在导通晶体管32和38时沿第一方向或在导通晶体管34和36时沿第二方向流经线圈18A、18B，所述线圈电流I_C根据向电流控制器42提供的电流设定点信号而改变。然后，线圈电流I_C经过感测电阻器50流到地。

线圈驱动器24包括：放大器和调节电路46，感测线圈电压；以及放大器和调节电路48，感测线圈电流。将放大器和调节电路46的输入与H桥30的节点56和58相连。将放大器和调节电路46的输出提供给数字处理器22的片上模数转换器(ADC)的输入。将放大器和调节电路48的输入连接到H桥30的节点58并接地。放大器和调节电路48输入处的电压V2等于线圈电流I_C乘以传感器电阻器50的电阻R_s，即，V2＝I_CR_S。

基于从放大器和调节电路46以及放大器和调节电路48接收到信号，数字处理器22产生表示线圈电压V_C和线圈电流I_C的数字值。根据这些值，数字处理器22可以确定线圈电阻和线圈电感。

可以使用数字处理器22以及放大器和调节电路46和48测量到的线圈电流和线圈电压测量值来计算线圈18A、18B使用的功率。线圈电流I_C＝V2/R_S。线圈电压V_C＝V1-V2。一旦测量到线圈电流I_C和线圈电压V_C，可以通过以下公式R＝V_C/I_C来计算传感器线圈18A、18B的电阻R(包括将线圈驱动器24与线圈18A和18B相连的线缆的电阻)。数字处理器22使用线圈的电流稳定时间以及电阻R来计算线圈电感L(包括由线圈18A、18B和线圈驱动器24之间的线缆导致的任何电感)。

图3是示出了由数字处理器22执行的自动选择设定点70的流程图。处理70在起始72处开始。数字处理器22获得输入参数(步骤34)，输入参数可以包括例如线圈电感值、线圈电阻值、流量管增益、流量管额定功率、变送器额定功率、线圈电流、电极噪声、磁通量密度、根据频率改变的零点漂移特性。

线圈电感值和电阻值可以是由数字处理器22以及线圈驱动器24电路执行的测量的结果，或可以是通过本地操作接口28或通信接口26施加到数字处理器22的输入值。数字处理器22还可以启动测试，以便测量流量管增益，或提示操作者通过本地操作接口28或通过经由通信接口26发送的消息来提供测量到的增益值。

数字处理器22还可以提示操作者提供在设定点选择中使用的其它参数，例如，流量管10A的额定功率以及变送器10B的额定功率。在一些情况下，数字处理器22还可以提示操作者提供线圈电流、电极噪声、信噪比以及电极电压零点漂移特性中的一个或多个。根据需要，还可以通过测量或操作者输入获得其它参数，以便利用特定准则选择。

数字处理器22提示操作者提供准则选择(步骤76)，其中将所述准则选择用于自动确定设定点(步骤78)。这些准则选择可以涉及选择最快响应、针对特定频率或特定所需准确度的最高信噪比、基于特定所需信噪比的功率效率等。准则选择还可以包括在变送器10的操作期间在后台连续调整设定点的选项，或备选地，选择要使用的操作点而不连续调整，直到操作者请求新的设定点选择。

基于接收到的参数和由操作员进行的准则选择，数字处理器22计算针对线圈驱动频率、电流和占空比的选定设定点(步骤78)。然后，数字处理器22设置要由线圈驱动器24施加的线圈频率值、电流值和占空比值的操作点(步骤80)。

然后，数字处理器22检查操作者是否选择在后台连续调整(步骤82)。如果答案是“否”，则完成自动选择设定点处理(步骤84)。在这种情况下，将不再重复处理70，直到操作者向数字处理器22提供请求进行新设定点选择的输入。处理70还可以配置为每次在变送器10B断电一段时间之后，重新开始对变送器70B加电。

如果答案是“是”，则处理器22在后台执行对操作设定点的连续调整。处理70返回到步骤74，并重复步骤74-82。

自动选择设定点允许流量计10在针对给定安装方式确定操作点时考虑流量管10A和变送器10B的特性。可以实现自动选择设定点，而无需添加附加的运行系统开销或添加复杂的信号处理电路。可以通过将流量管和变送器的参数与操作者需要的特定性能准则进行更好地匹配，来实现对某些装置性能的显著改善。自动选择设定点允许变送器10B能够将这种操作与在制造变送器10B时不存在的流量管更好地进行匹配。

自动选择设定点可以基于线圈电感、线圈电阻以及许多其他参数(例如，流量管增益、信噪比数据、变送器和流量管的额定功率、电流稳定性和电极特性)，调整线圈电流幅度、线圈电流频率、线圈电流占空比或这些参数的任意组合。

线圈驱动操作设定点不依赖于在制造变送器时获知的传感器数据。可以根据需要不断地调整线圈驱动操作设定点，从而应对能够影响线圈电阻的温度变化。

由于自动选择设定点允许操作者选择要使用的特定准则，然后数字处理器基于流量计的特性以及操作者选择的性能准则，自动地选择设定点，因此自动选择设定点为操作者简化了流量计的结构。

尽管参考示例实施例描述了本发明，然而本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以进行多种改变，可以用等同物替换元件。此外，可以进行多种修改，以便使特定情况或材料适用于本发明的教义，而不脱离本发明的基本范围。因此，应注意本发明不限于所公开的特定实施例，本发明应包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (25)

1.一种磁流量计，包括：

流量管，包括：

管道，流体流经所述管道；

场线圈，安装在所述管道上，所述场线圈具有电阻和电感；以及

电极，用于感测由场线圈产生的磁场在流经所述管道的流体中感应的电压；以及

变送器，配置为测量所述场线圈的电阻和电感，所述变送器包括：

线圈驱动器，用于使用脉冲式DC电流波形激励所述场线圈以产生所述磁场，所述脉冲式DC电流波形具有激励频率、驱动电流和占空比；以及

处理器，用于根据由电极感测的电压产生流量测量值，以及确定对所述激励频率、驱动电流和占空比加以限定的操作设定点；其中，所述处理器根据由所述变送器测量的电阻和电感来确定所述操作设定点。

2.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述变送器还配置为测量所述磁场的磁通量密度；所述处理器还根据由测量到的磁通量密度来确定所述操作设定点。

3.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述变送器还配置为测量流量管增益；所述处理器还根据由测量到的流量管增益来确定所述操作设定点。

4.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述变送器还配置为测量线圈电流、电极噪声、信噪比和电极电压零点漂移特性中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述变送器还配置为测量额定功率，所述额定功率包括流量管额定功率和变送器额定功率中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述处理器还根据性能准则来确定操作设定点，其中所述性能准则包括最快响应、最高信噪比、以及功率效率中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述处理器连续地调整操作设定点。

8.一种磁流量计，包括：

流量管，具有用于产生交变磁场的场线圈以及用于感测由所述交变磁场在流经所述流量管的流体中感应的电压的电极，所述场线圈具有电阻和电感；

线圈驱动器，与场线圈相连，以便使用脉冲式DC电流波形产生所述交变磁场，所述脉冲式DC电流波形具有激励频率设定点和驱动电流设定点，所述线圈驱动器包括用于感测所述脉冲式DC电流波形的电路；以及

处理器，根据所述电极之间的感测电压产生流量输出，其中所述处理器确定对所述激励频率设定点和驱动电流设定点加以限定的操作设定点，其中，所述处理器根据由所述处理器测量的场线圈的电阻和电感来确定所述操作设定点。

9.根据权利要求8所述的磁流量计，其中所述处理器还根据由所述处理器测量到的磁通量密度来确定所述操作设定点。

10.根据权利要求8所述的磁流量计，其中所述操作设定点还包括占空比。

11.根据权利要求8所述的磁流量计，其中所述处理器还根据流量管增益、感测的脉冲式DC电流波形、电极噪声以及电极电压零点漂移特性中的至少一个，确定所述操作设定值。

12.根据权利要求8所述的磁流量计，其中所述处理器还根据额定功率来确定操作设定点，所述额定功率包括流量管额定功率和变送器额定功率中的至少一个。

13.根据权利要求8所述的磁流量计，其中所述处理器还根据性能准则来确定操作设定点，所述性能准则包括最快响应、最高信噪比、以及功率效率中的至少一个。

14.一种与磁流量计一起使用的变送器，所述变送器包括：

线圈驱动器，用于向磁流量计的场线圈提供脉冲式DC电流波形，所述场线圈具有电阻和电感，所述脉冲式DC电流波形具有激励频率和驱动电流；以及

处理器，用于测量所述场线圈的电阻和电感，所述处理器还配置为根据测量到的电阻和电感来确定操作设定点以基于所述操作设定点控制所述线圈驱动器的操作，所述操作设定点限定了所述激励频率和驱动电流。

15.根据权利要求14所述的变送器，其中所述操作设定点还包括占空比。

16.根据权利要求14所述的变送器，其中所述处理器还根据流量管增益、线圈电流、电极噪声、信噪比以及电极电压零点漂移特性中的至少一个来确定所述操作设定点。

17.根据权利要求14所述的变送器，其中所述处理器还根据额定功率来确定所述操作设定点，所述额定功率包括流量计额定功率和变送器额定功率中的至少一个。

18.根据权利要求14所述的变送器，其中所述处理器还根据性能准则来确定所述操作设定点，所述性能准则包括最快响应、最高信噪比、以及功率效率中的至少一个。

19.根据权利要求14所述的变送器，其中所述处理器连续地调整操作设定点。

20.一种控制磁流量计的操作的方法，所述方法包括：

获得场线圈的参数，所述参数包括电阻、电感以及额定功率；

输入性能准则选择；

基于获得的场线圈的参数和输入的性能准则选择，确定包括驱动电流设定点值和激励频率设定点值的操作设定点；以及

基于确定的操作设定点控制磁流量计的场线圈激励。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述确定的操作设定点还包括占空比设定点值。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述场线圈的参数还包括流量管增益、线圈电流、电极噪声、信噪比以及电极电压零点漂移特性中的至少一个。

23.根据权利要求20所述的方法，其中所述额定功率包括流量管额定功率和变送器额定功率中的至少一个。

24.根据权利要求20所述的方法，其中所述性能准则包括最快响应、最高信噪比、以及功率效率中的至少一个。

25.根据权利要求20所述的方法，还包括：

在磁流量计的操作期间，针对所述流量计参数的改变来调整操作设定点。