CN105571662B - 一种电磁流量计信号处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁流量计信号处理方法及装置，属于流体流量测量技术领域。该信号处理方法包括步骤：S1、在所述电磁流量计工作时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；S2、判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；S3、当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；S4、基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量。解决了现有技术中，在保证精度的要求下，电磁流量计可测量流量下限很高的技术问题，扩展了电磁流量计高精度测量下的流速下限范围。

Description

一种电磁流量计信号处理方法及装置

技术领域

本发明涉及流体流量测量技术领域，尤其涉及一种电磁流量计信号处理方法及装置。

背景技术

电磁流量计(Electromagnetic Flow Meter，简称EMF)是20世纪50～60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计是应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器。

当导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中会产生感应电势，感应电势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势。感应电势的方向由右手定则判定，感应电势的大小由下式确定：

E＝K×B×D×V (I)

式(I)中，E为感应电势、K为与磁场分布及轴向长度有关的系数(即电磁流量计的仪表常数)、B为磁感应强度、V为导电流体平均流速、D为电极间距(即测量管内直径)。由此可得管道的体积流量为：

Qv＝πED/4KB (II)

由上式(II)可见，体积流量Qv与感应电势E和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关。这就是电磁流量计的测量原理。

理论上在管道里介质的平均流速为零的条件下，采集到的感应电势E也为零，但是由于流体接近零点时，电磁流量传感器输出信号中含有大量的噪声：微分干扰、同相干扰，极化干扰、流动噪声、浆液噪声，串模干扰、共模干扰。这使低流速下的感应电势信号完全淹没在噪声信号之中，以至于难以区分零点和小于0.25m/s甚至0.5m/s流速下的信号。

针对上述技术问题，在现有技术中通常采取以下四种方案改善电磁流量计性能：

1)通过增加电磁流量计的励磁电流来增强磁感应强度B，进而提高被测的感应电势E；

2)通过缩径来提高流过测量管道里介质的平均流速V，提高被测的感应电势E；

3)单独对零点进行测量，然后存储在仪表非易失存储器内，应用中实时比较当前零点值与之前存储的零点值之差是否超出预设的阈值，来确定实时零点的有效性；

4)在三值矩形波励磁中，利用励磁电流I＝0时B＝0的工作时段，流速感应电势E＝0的特点，将此时信号放大单元的输出信号U作为信号零点值进行检测，是可以消除零点值的数据来对实际流速进行的精确估计。

然而，上述现有技术方案分别存在以下技术问题：

1)如果通过增加励磁电流来增加磁感应强度B，一方面线圈有内阻，会增加线包的发热量，降低传感器的使用寿命，另一方面改变磁感应强度引起GK＝K×B×D的变化，而GK是在出厂之前标定好的，不能因为现场干扰或者介质电导率低而改变；

2)通过缩小管径D提高检测管道里流体流速来提高感应电势E，可以提高低流速到更高流速。这会增加管道的仪表匹配变径管道成本，同时会增加输送通道的压损，因此增加带来持续的生产成本。而低流速条件下，缩小管径的管道对于某些应用场合会不适用；

3)通过阈值的范围来判断当前的感应电势是否处在零流速条件下的E的算法，本身就损失一部分有效的低流速的测量，因此在一定范围内不能解决低流速的测量问题；

4)在零点附近，因为前端运放的小信号处理能力有限，以及小信号(大约在几百uV以内级别)特有的信噪比很低，造成较小的流量信号，被零点附近的噪声信号所覆盖，从而无法准确区分小流量与真正的零点。因此，当前流量行业仪表的基本做法，只能用提高零点流量读数输出的阈值，对0.5m/s以下，甚至0.25m/s以下的流量，不使读数显示出来。

可见，现有技术中存在如下技术问题：在保证精度的要求下，电磁流量计可测量流量下限很高，使得在一些低速场合应用受到明显限制的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的如下技术问题：在保证精度的要求下，电磁流量计可测量流量下限很高，使得在一些低速场合应用受到明显限制的技术问题，提供一种电磁流量计信号处理方法及装置，使得电磁流量计能够测量流体小于0.5m/s的低流速，提高了电磁流量计测量的量程比。

一方面，本发明方案提供了一种电磁流量计信号处理方法，用于测量管道中流体流量，包括以下步骤：

S1、在所述电磁流量计工作时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；

S2、判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；

S3、当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；

S4、基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量。

可选的，在所述步骤S2之后，所述信号处理方法还包括步骤：

S5、当所述判断结果为是时，基于所述感应电势信号计算管道中流体流量。

可选的，在所述步骤S3中，通过数模转换器生成并输出所述偏置电压；所述偏置电压与所述电磁流量计的励磁信号同步。

可选的，所述步骤S3还包括：

在获得电压耦合信号后，动态调节所述偏置电压信号，以使所述电压耦合信号的信噪比满足预设要求。

可选的，所述预设电压值为管道中流体以预设流速切割磁力线所产生的感应电势。

另一方面，本发明方案还提供了一种电磁流量计信号处理装置，用于测量管道中流体流量，包括：

感应电势获取单元，用于在所述电磁流量计工作时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；

判断单元，用于判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；

电压耦合信号获取单元，用于当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；

第一流体流量计算单元，用于基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量。

可选的，所述信号处理装置还包括：

第二流体流量计算单元，用于在所述判断单元判断获得所述感应电势信号大于所述预设电压值时，基于所述感应电势信号计算管道中流体流量。

可选的，所述电压耦合信号获取单元具体通过数模转换器生成并输出所述偏置电压；所述偏置电压与所述电磁流量计的励磁信号同步。

可选的，所述电压耦合信号获取单元还用于在获得电压耦合信号后，动态调节所述偏置电压信号，以使所述电压耦合信号的信噪比满足预设要求。

可选的，所述预设电压值为管道中流体以预设流速切割磁力线所产生的感应电势。

本发明方案提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于在本发明方案中，在处理电磁流量计信号时，首先，在所述电磁流量计工作时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；接着，判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；之后，基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量。也就是说，电磁流量计在低流速测量条件下，通过在传感器信号电极接口电路引入偏置电压，来解决现有技术中在保证精度的要求下，电磁流量计可测量流量下限很高的技术问题，扩展了电磁流量计高精度测量下的流速下限范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电磁流量计信号处理方法流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种电磁流量计信号处理方法流程图；

图3为本发明实施例提供的一种电磁流量计信号处理装置的结构框图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供电磁流量计信号处理方法，解决了现有技术中在保证精度的要求下，电磁流量计可测量流量下限很高，使得在一些低速场合应用受到明显限制的技术问题，实现了扩展电磁流量计高精度测量下的流速下限范围的技术效果。

本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例提供了一种电磁流量计信号处理方法，用于测量管道中流体流量，包括以下步骤：S1、在所述电磁流量计工作时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；S2、判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；S3、当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；S4、基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量。

可见，本发明方案通过在电磁流量计的传感器信号电极上引入偏置电压，以使在小流量情况下产生的极其微弱的电压信号，变成一个相对较大的电压信号，相当于在中等流量情况下产生的电压信号，使得有效电压信号与噪声信号的信噪比较高，分辨率比较高，电磁流量计的运放处理该较大的电压信号时能够区分流量的细微变化。当仪表经过算法处理得到流量值后，再减去因为偏置电压形成的假流量信号造成的流量值，便可得到真实的流量值。有效地解决了现有技术中在保证精度的要求下，电磁流量计可测量流量下限很高，使得在一些低速场合应用受到明显限制的技术问题，实现了扩展电磁流量计高精度测量下的流速下限范围的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

电磁流量计的结构包括：磁路系统、测量导管、电极、外壳、衬里和运算放大器等部分。磁路系统：其作用是通过在一定频率下恒定的励磁电流在有效的测量管道内产生均匀而恒定的磁场。测量导管：其作用是让被测导电性流体通过，为了使磁力线通过测量导管时磁通量被分流或短路，测量导管必须采用不导磁、低导电率、低导热率和具有一定机械强度的材料制成，可选用不导磁的不锈钢、玻璃钢、高强度塑料、铝等。电极：其作用是引出和被测量成正比的感应电势信号，电极一般用非导磁的不锈钢制成，且被要求与衬里齐平，以便流体通过时不受阻碍，它的安装位置宜在管道的垂直方向，以防止沉淀物堆积在其上面而影响测量精度。外壳：应用铁磁材料制成，是分配制度励磁线圈的外罩，并隔离外磁场的干扰。衬里：在测量导管的内侧及法兰密封面上，有一层完整的电绝缘衬里，它直接接触被测液体，其作用是增加测量导管的耐腐蚀性，防止感应电势被金属测量导管管壁短路；衬里材料多为耐腐蚀、耐高温、耐磨的聚四氟乙烯塑料、陶瓷等。运算放大器：其作用是将电极上的感应电势信号进行放大，以便后续流量计算。

请参考图1，本申请实施例提供了一种电磁流量计信号处理方法，用于测量管道中流体流量，包括以下步骤：

S1、在所述电磁流量计工作(即励磁电流处于开启状态)时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；

S2、判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；

S3、当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；

S4、基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量。

具体而言，据法拉第电磁感应原理，在与测量导管轴线和磁力线相垂直的管壁上安装了电磁流量计的一对检测电极，当导电流体沿测量导管轴线运动时，导电流体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由两个检测电极检出，数值大小与流速成正比例，其值为：

E＝K×B×D×V (1)

式(1)中，E为感应电势、K为与磁场分布及轴向长度有关的系数(即电磁流量计的仪表常数)、B为磁感应强度、V为导电流体平均流速、D为电极间距(即测量管内直径)。由此可得管道的体积流量为：

Qv＝πED/4KB (2)

由上式(2)可见，体积流量Qv与感应电势E和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关。当测量管内径D和磁感应强度B不变时，体积流量Qv与感应电势E成正比，而感应电势E与导电流体平均流速V成正比，也就是说，当导电流体平均流速V较大(即高流速)时，电磁流量计中的电磁流量传感器可测得较强的感应电势E，当导电流体平均流速V较小(即低流速)时，电磁流量计中的电磁流量传感器可测得较弱的感应电势E。

在本实施方案中，通过步骤S1获取电极间的感应电势信号，再通过步骤S2判断该感应电势信号是否较弱而被噪声信号覆盖(即信号信噪比过小)，进而导致电磁流量计的运算放大器无法对有效信号进行放大。具体的，在步骤S2中，基于被测导电性流体的流速与对应的感应电势信号，设定所述预设电压值，由于现有电磁流量计通常能够高精度测量导电流体流速的下限一般大于0.5m/s，为了更好的设置预设电压值，需选取合适的流速(即预设流速，如1m/s)对应的感应电势(如840uV)；在具体实施过程中，所述预设电压值还可为与预设流速以上的流速(如2m/s、3m/s)对应的感应电势信号，但是，需要注意的是，在步骤S3中，对于当前测得的小于所述预设电压值的感应电势信号，需要耦合所述偏置电压信号，在设定所述预设电压值时，需要确保当前测得的感应电势信号在耦合所述偏置电压信号后获得的电压耦合信号，不大于电磁流量计中运算放大器的供电电压，以保证运算放大器能够有效地工作。

在具体实施过程中，通过在电磁流量计的电极增加电路引入可控的偏置电压，具体的，可通过设置数模转换器(DAC，Digital to Analog Converter)输出所述偏置电压，进一步，为了使所述偏置电压与当前测得的小于所述预设电压值的感应电势信号能够耦合，且筛选掉该感应电势信号中的噪声信号，所述偏置电压与所述电磁流量计的励磁信号同步，即所述偏置电压信号与所述感应电势信号中的有效信号的频率相同。另外，为了在低流速的工况下获取较好的信噪比，所述步骤S3还包括：在获得电压耦合信号后，动态调节所述偏置电压信号，以使所述电压耦合信号的信噪比满足预设要求，进而使电磁流量计的运算放大器处理该电压耦合信号时能够有效区分流量的细微变化。请参考图1和图2，在本申请的一种实施方案中，对于当前测得的小于所述预设电压值的感应电势信号E1，通过在电磁流量计的传感器信号电极上增加电路引入可控的偏置电压V，以使在小流量情况下产生的极其微弱的感应电势信号E1，变成一个相对较大的电压信号(V+E1)，相当于在中等流量情况下产生的电压信号，使得有效电压信号与噪声信号的信噪比较高，分辨率比较高，电磁流量计的运放处理该较大的电压信号(V+E1)时能够区分流量的细微变化。当仪表经过基于上述式(2)的算法处理得到流量值后，再减去因为偏置电压V形成的假流量信号造成的流量值，便可得到真实的流量值。接着，进行新一轮的测量。

相对的，在本申请的另一种实施方案中，对于当前测得的大于所述预设电压值的感应电势信号E2，则不必增加所述偏置电压V，可根据上述式(2)，直接基于感应电势信号E2计算所述流体流量(步骤S5)；接着，进行新一轮的测量。

总而言之，本发明方案通过在电磁流量计的传感器信号电极上增加电路引入可控的偏置电压，以使在小流量情况下产生的极其微弱的电压信号，变成一个相对较大的电压信号，相当于在中等流量情况下产生的电压信号，使得有效电压信号与噪声信号的信噪比较高，分辨率比较高，电磁流量计的运放处理该较大的电压信号时能够区分流量的细微变化。当仪表经过算法处理得到流量值后，再减去因为偏置电压形成的假流量信号造成的流量值，便可得到真实的流量值。有效地解决了现有技术中在保证精度的要求下，电磁流量计可测量流量下限很高，使得在一些低速场合应用受到明显限制的技术问题，使得电磁流量计能够测量流体小于0.5m/s的低流速，提高了电磁流量计测量的量程比，实现了扩展电磁流量计高精度测量下的流速下限范围的技术效果。另外，对于当前测得的较高的感应电势信号，则不必增加所述偏置电压，从而确保电磁流量计会在整个量程都有更好的测量表现。

实施例二

基于同一发明构思，请参考图3，本发明实施例还提供了一种电磁流量计信号处理装置，用于测量管道中流体流量，包括：

感应电势获取单元31，用于在所述电磁流量计工作时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；

判断单元32，用于判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；其中，所述预设电压值为管道中流体以预设流速切割磁力线所产生的感应电势；

电压耦合信号获取单元33，用于当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；其中，所述偏置电压信号与所述感应电势信号中的有效信号的频率相同；电压耦合信号获取单元33还用于在获得电压耦合信号后，动态调节所述偏置电压信号，以使所述电压耦合信号的信噪比满足预设要求。

第一流体流量计算单元34，用于基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量。

在具体实施过程中，所述信号处理装置还包括：

第二流体流量计算单元35，用于在所述判断单元32判断获得所述感应电势信号大于所述预设电压值时，基于所述感应电势信号计算管道中流体流量。

在具体实施过程中，所述电压耦合信号获取单元33具体通过数模转换器生成并输出所述偏置电压；所述偏置电压与所述电磁流量计的励磁信号同步。

根据上面的描述，上述电磁流量计信号处理装置用于实现上述电磁流量计信号处理方法，所以，该装置的实施原理在上述方法中得到体现，在此就不再一一赘述了。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种电磁流量计信号处理方法，用于测量管道中流体流量，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在所述电磁流量计工作时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；

S2、判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；

S3、当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；

S4、基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量；

在所述步骤S2之后，所述信号处理方法还包括步骤：

S5、当所述判断结果为是时，基于所述感应电势信号计算管道中流体流量；

在所述步骤S3中，通过数模转换器生成并输出所述偏置电压；所述偏置电压与所述电磁流量计的励磁信号同步；

所述步骤S3还包括：

在获得电压耦合信号后，动态调节所述偏置电压信号，以使所述电压耦合信号的信噪比满足预设要求；

所述电压耦合信号不大于所述电磁流量计中运算放大器的供电电压；

所述预设电压值为管道中流体以预设流速切割磁力线所产生的感应电势。

2.一种电磁流量计信号处理装置，用于测量管道中流体流量，其特征在于，包括：

感应电势获取单元，用于在所述电磁流量计工作时，获取所述电磁流量计的电极间的感应电势信号；

判断单元，用于判断所述感应电势信号是否大于预设电压值，获得判断结果；

电压耦合信号获取单元，用于当所述判断结果为否时，获取偏置电压信号，并将所述偏置电压信号耦合到所述感应电势信号上，以获得电压耦合信号；

第一流体流量计算单元，用于基于所述电压耦合信号和所述偏置电压信号计算管道中流体流量；

所述信号处理装置还包括：

第二流体流量计算单元，用于在所述判断单元判断获得所述感应电势信号大于所述预设电压值时，基于所述感应电势信号计算管道中流体流量；

所述电压耦合信号获取单元具体通过数模转换器生成并输出所述偏置电压；所述偏置电压与所述电磁流量计的励磁信号同步；

所述电压耦合信号获取单元还用于在获得电压耦合信号后，动态调节所述偏置电压信号，以使所述电压耦合信号的信噪比满足预设要求；

所述电压耦合信号不大于所述电磁流量计中运算放大器的供电电压；

所述预设电压值为管道中流体以预设流速切割磁力线所产生的感应电势。