CN1054200C - 有空管检测器的电磁流量计 - Google Patents

Abstract

一种电磁式流体流量计(26)，包括一个空管检测电路。该空管检测电路把一个共模异步信号加到流量计(26)中的一对电极(16A、16B)上。通过测量在一个电极(16A、16B)和电接地之间的异步信号的数值，来测定流体的阻抗。该阻抗被用来确定一种空管状态。

Description

有空管检测器的电磁流量计

                      背景技术

本发明涉及一种电磁流量计，用于测量流体的流速。更准确地说，本发明涉及用电磁流量计测量流体的阻抗并监测空管的状态。

在电磁流量计中，在与流过测量管道中流体流动方向基本垂直的方向上，施加一种脉冲的磁通量。这种磁力线在流体中产生一个随流体流速而变的电位差，在管道中安置的两个电极感测该电位。在流量计中，检测流过测量管道中流体的阻抗是有用的。这种信息能够用于检测空管的状态。有一种方法使用一个流过电极与电接地之间的DC电流和一个附加的电路来检测空管的状态，但这一方法不合乎需要地电镀了电极，故必须将它取代。于1990年11月13日发给Mochizuki的题目为“能够同时测量流体流速与电导率的电磁流量计”的美国专利No.4,969,363公开了一种空管检测器，它把一个电流脉冲施加到电极上，以便只在线圈驱动电流增长时才监测流体阻抗。因为大多数流量计都有许多倍频，并在这些倍频下驱动线圈，故线圈驱动电流的上升时间是变化的，而且其装置一定要包括一个计时电路，以使该装置在不同的上升时间被激励。此外，一些流量计装置具有如此大的电缆电容，以致当线圈驱动频率大于约35Hz时，便妨碍对流体阻抗的测量。结果Mochizuki的装置只限于低电容的电缆敷设用途，并要有附加的定时电路，并且必须与脉冲磁通量同步，故它不能够连续地监测流体电导率。

因此，需要这样一种流量计，它具有一个借助简单的电路来连续监测空管的检测器，并不受线圈驱动频率的影响，且不极化电极，并且可使用高电容的电缆来工作。

                     发明内容

本发明是一个电磁流量计，包含一个对承载于测量管道中流体的阻抗进行感测的电路。流量计包括在基本垂直于流体流动的方向上把脉冲磁通量施加到测量管道上的装置。第一和第二电极都装于流量测量管中并与流体电接触。通过对施加脉冲磁通量而在第一电极与第二电极之间引起的电位差进行测量来检测流速。用于感测阻抗并因此感测空管状态的电路包括一个AC电源，它与线圈驱动电路异步，并作为一种共模电流而参照接地的施加于第一与第二电极。一个加法电路把来自至少一个电极的诸共模电流相加，并且根据随流体阻抗而变从而显示空或满管状态的电极阻抗，来把共模电流分成两个部分。其中一部分的共模电流流过一个感测阻抗，该感测阻抗两端的电位由一个信号处理电路来感知。所感测的电位随流体阻抗而变化，从而显示管道是空还是满。

在本发明的另一实施例中，以低于流量信号的频率在两个电极之间差动地施加一个AC电流。一个分流器按照流体阻抗的作用把该电流分成两部分，而且一个过滤电路系统将能反映出流体阻抗特征(从而显示空管状态)的较低频率信号与较高频率的流量信号相分离。

                   附图概述

图1是一个先有扶技术电磁流量计的方块图。

图2是一个根据本发明的包含空管检测电路的电磁流量计的示意电路图。

图3是一个本发明的空管检测电路的简化电路示意图。

             本发明的最佳实施方式

图1是一个先有技术电磁流量计10的方块图。先有技术流量计10包括一个耦合于电接地端的测量管道12。一个激磁线圈14置于测量管道12附近，一对电极16装于管道12之内。驱动器电路18耦合于线圈14。差动放大器20具有连接于该对电极16的输入。差动放大器20的输出耦合于流量检测电路22，而该检测电路又连接于输出电路系统24。

在操作中，先有技术流量计10感测流过测量管道12的流体流速。线圈14是由一个通过驱动器电路18产生的脉冲激励电流来激励的，并在基本垂直于管道12中流体流动的方向上提供脉冲磁通量。磁通量在流体中感生一个电位，而电极16具有它们之间的电位差。差动放大器20放大这一电位差，并且向流量检测电路22提供一个放大了的输出。流量检测电路22把来自差动放大器20的输出标定成流量单位，并且向输出电路24提供一个输出。输出电路24提供一个实用的流速信息输出。例如，流速信息能够通过一个双线4-20mA的过程自动控制环路来发送。

本发明提供一个加到图1先有技术流量计10中的电路，以便确定流过管道12的流体阻抗，而不需要改变由流量计电路10提供的流速测量。

图2是一个根据本发明的电磁流量计26的电路图。电磁流量计26包括一些用于提供流速输出的与先有技术流量计10相同的电路。电磁流量计26包括接地测量管道12、电磁激励线圈14和一对电极16(分别表示为电极16A和电极16B)。当流体覆盖电极时，在接地电极16A与16B之间的对地阻抗是小的，而当流体不覆盖电极时则大得多。虽然流体的电导率能够随装置的不同而变化，并且变化达几个数量级，但在覆盖电极与未覆盖电极之间的阻抗差别一般有10倍，但也可能高达1000倍。差动放大器20放大通过缓冲放大器30A、30B的电极16A与16B之间的电压差，并且向连接于输出电路24的流量检测电路22提供一个输出。这个电路以一种类似于图1所示先有技术流量计10的方式进行工作。

电磁流量计26包括振荡器28、高输入阻抗放大器30A和30B、加法电路34、加法放大器36以及信号处理电路38。振荡器28包括方波源40、电阻器42以及电容器48。高阻抗放大器30A是通过隔直流电容器52A耦合于电极16A的并包括电阻器44A、56A、58A、60A，电容器50A以及接有负反馈的运算放大器54A。标有以“B”结尾部件的电路部分是按照与标有以“A”结尾部件的电路部分相同的方式构造的。来自运算放大器54A与54B的输出分别连接于加法电路34的缓冲放大器62A与62B。来自运算放大器54A和54B的输出也耦合于差动放大器20并用来测定流速，如图1所示。来自缓冲放大器62A与62B的输出通过电阻器64与66而连在一起，并供给放大器36。放大器36的输出是供给信号处理电路38的。

图3是一个根据本发明的空管检测电路的简化示意图并说明了本发明的一种电路模型。图3示出振荡器28和连接于电极16的隔直流电容器52。用电阻器68模拟电极16的阻抗。图2所示运算放大器54A的大的输入阻抗被模拟成电阻器70。电容器72模拟把电极16连接于流量计的电缆线路电容。振荡器28以2nA的峰—峰值和0.5Hz的频率把一个三角波形电流供给流量计。该频率与线圈驱动频率无关，且选成低于最低预期流动频率。因此，本发明适用于AC与DC两种流量计。电路中各部件的典型模拟值是：隔直流电容器52为1.0μF，电阻器68在100KΩ(满管)与10MΩ(空管)之间变化，电容器72在1000英尺电缆情况下为50nF，和感测电阻器70为10⁹Ω。

图3说明空管检测电路的基本操作。电阻器68模拟流体的阻抗，其值介于当管中载带流体超过电极液位时的100KΩ，与当流体液位未覆盖电极而呈空管状态时的10MΩ之间。因为这些数值要比放大器54的输入阻抗值小得多，所以跨放大器62输入端的电阻器70两端的电位便高度地依赖于电阻器68的电阻值。因此，放大器62的输出涉及管道12中流体的阻抗。

再参照图2，提供用于一个实施例的诸部件的数值。方波源40是一个有14伏峰—峰值的0.5Hz的方波。电阻器42是1.0MΩ，电容器48是0.68μF，电阻器44A是10MΩ，以及电容器50A是47pF。隔直流电容器52A是1.0μF，电阻器56A是2.2MΩ，电阻器58A是4.41KΩ以及电阻器60A是2.2MΩ。电阻器64与66至少为100KΩ，并且具有基本上相同的数值。

在操作上，振荡器28产生一个0.5Hz的约1μA_pp的基本上是三角形的电流信号，它施加于电阻器56A与60A之间的节点上。这一电流的一部分在电极16A、16B与电接地之间流动。其电位降由(1)式给出：

                  KI_PPZ_E                    (1)式中Z_E是电极之一(例如Z_16A)及其相关电缆电容(如图3中由C₇₂所模拟)之并联组合的阻抗，与输入耦合电容器C₅₂相串联，以及K是由(2)式给出的放大器54A、54B的电流衰减率： $K\≅\frac{R_{58A,B}}{R_{58A,B}+R_{60A,B}}---\left(2\right)$ 在图3的实施例中，电缆电容是50nF，以及感测阻抗是10⁹Ω。因为R_58A，B＜＜R_60A，B，故K能够近似地等于4.41KΩ/2.2MΩ，或1/500。因此，对于流体阻抗R₆₈是高的(10MΩ)空管状态，其电位差由式(3)给出： $\left(\frac{4.4\mathrm{K\Ω}}{2.2\mathrm{M\Ω}}\right)\left(1\mathrm{\μA}\right)\left(R_{68}\right||Z_{C72}+Z_{C52})---\left(3\right)$ 它能被代入和简化成： $8\mathrm{mV}\≅\left(\frac{4.4\mathrm{K\Ω}}{2.2\mathrm{M\Ω}}\right)\left(1\mathrm{\μA}\right)\left(4.2\mathrm{M\Ω}\right)---\left(4\right)$

对于阻抗R₆₈是1MΩ的满管状态，同样的计算方法预测出：在放大器54A、B输出处的对地电位近似地等于2m V_pp，比空管时的对地电位低4倍。换句话说，有效电极阻抗ZE在空管时比满管时大约4倍。

在运算放大器54A、54B的输出端，管道12中流体阻抗所引起的信号是共模信号，而由于电极16A与16B之间感生电位而引起的流量信号则是微分信号。当在放大器54A与54B输出端的对地电位用放大器62A、62B和电阻器64、66求和时，诸共模信号的数值一起相加，而诸微分模信号之和则是零。因此，放大器36输入端的信号反映出流体阻抗的特征，并且基本上与流速无关。在放大器36输出端的对地电位降到预定极小阈值以下时，信号处理电路38输出一个报警信号，以警告操作员防止空管状态。信号处理电路38还提供一个反映出管道12中流体阻抗特征的输出。

振荡器28产生一个AC信号，以防电极极化。在一个实施例中，信号源40是一个用来操作流量计26的微处理器，信号处理电路38在三角形波极大期间采样放大器36的输出。这样一种采样定时可减少噪音效应，而且还采样对地电位的同相成份，以便使用阻抗的实部。

虽然参照诸优选实施例描述了本发明，但本技术领域的熟练人员会认识到，可以在形式上和细节上作出变化，而不脱离本发明的精神和范围。例如，能够在两电极之间差动地测量流体阻抗。在这种情况下，把一个AC信号加于一个电极上，并测量另一电极的输出。所施加信号的频率不同于流量信号频率，故它能够从流量信号中过滤出来。

Claims (8)

1.一种流量计(26)，包括：

一个连到电接地端的流量管道(12)；

一个靠近流量管道的磁性线圈(14)，旨在与流过流量管道中的流体流动方向相垂直的方向上提供磁通量；

驱动电路(18)，耦合于磁性线圈，用于激励该线圈；

一对置于该管道内的电极(16A，16B)，电极对地阻抗显示流体是否覆盖电极；

用于产生流率输出的装置(24)，该输出是磁通量引起的电极间电位差的函数；

其特征在于，该流量计(26)还包括：

一个信号源(40)，耦合于至少一个电极和一个感测电阻器，该信号源与磁性线圈的激励异步，其中信号在感测电阻器与电极对地阻抗之间按这样的比例分配，以使感测电阻器两端的电位表示流体是否覆盖电极。

2.根据权利要求1所述的流量计(26)，其中信号源(40)包含用来产生三角波的装置。

3.根据权利要求1所述的流量计(26)，还包括信号处理装置(38)，用于提供一个表示一种空管状态的输出，该输出作为感测电阻器两端的电位的函数。

4.一种流量计(26)，包括：

一个耦合于电接地端的管道(12)，适合于承载一种流过该管道的流体；

线圈装置(14)，用于在一个与流体流动方向基本上垂直的方向上施加一个脉冲磁通量；

装于管道内的一个第一电极(16A)和一个第二电极(16B)，其中第一电极和第二电极检测在流体中由于脉冲磁通量而产生的感生电位，电极对地阻抗作为流体阻抗的函数而变化；

流率装置(24)，用于产生一作为电极间电位差函数的流率输出，其中流量信号是一个第一电极与第二电极之间的微分信号；

其特征在于，该流量计还包括：

一个电流源(40)，与线圈的激励异步，用于提供一个电流，它被分配成流过至少一个电极和流过一个感测电阻器，作为电极阻抗的函数分配电流，这样感测电阻器两端的电位差便是流体阻抗的函数。

5.根据权利要求4所述的流量计(26)，其中该电流源(40)与线圈激励异步，并产生一个三角波。

6.根据权利要求4所述的流量计(26)，包括耦合于感测电阻器的信号处理装置(38)，用于提供一个反映出一种空管状态的输出，该输出是作为感测电阻器两端电位差的函数。

7.一种流量计(26)，包括

一个耦合于电接地的管道(12)，适合于承载一种流过该管道的流体；

线圈装置(14)，用于在一个与流体流动方向基本上垂直的方向上施加一个脉冲磁通量；

装于管道内的一个第一电极(16A)和一个第二电极(16B)，其中第一电极和第二电极感测一个在流体中由于脉冲磁通量而产生的感生电位，电极对地阻抗作为流体阻抗的函数而变化；

流率装置(24)，用于产生一个作为电极间电位差函数的流率输出，其中流量信号是一个第一电极与第二电极之间的微分信号；

其特征在于，该流量计还包括：

一个装置(40)，用于把一个与脉冲磁通量异步的电流施加到一个感测电阻器和至少一个电极上并用于把该电流作为流体阻抗的函数分成一个第一部分和一个第二部分，其中一个部分的电流强度能反映出流体阻抗的特征。

8.一种连到一个有流体流经其中的管道上的流量计(26)，该流量计提供一个作为流体流率函数的流量输出，该流量计具有一个线圈(14)，被激励用于提供一个在流体内感生一个势场的磁通量，还具有一对耦合于流体的电极(16A，16B)，用于感测一个作为流率的函数而变化的电势差；

其特征在于，该流量计还包括：

一个耦合于至少一个电极和一个感测电阻器的异步AC电流源(40)，这些电极具有一个随管道中流体液位而异的阻抗，该电流在感测电阻器与电极阻抗之间被这样分配，以使感测电阻器两端的电势差反映出流体阻抗；以及

耦合于感测电阻器的比较装置(62A，62B)，用于把感测电阻器两端的电势差同一个参考电势进行比较并在感测电势小于参考电势时提供一个表示空管状态的输出。

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