CN1057382C - 电磁感应流量计的测量放大器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁感应流量计的测量放大器结构，该流量计有一个带有至少2个测量电极(3，2)、1个接地电极(4)的测量管(1)，一个用于产生磁场的线圈结构(5)。该测量放大器结构对于每个测量电极包括一个与其相连的前置放大器(11，12)和一个连接在前置放大器后的模拟/数字转换器(13，14)。此外，还设计了频率大于约1KHz的脉冲发生器(18)和连接在模拟/数字转换器后面的减法器(17，17′，17″)。

Description

电磁感应流量计的测量放大器结构

本发明涉及电磁感应流量计的测量放大器结构。

公知的是，可用电磁感应流量计来测量在一测量管内流动的带电流体的容积流量。测量管接触流体的部分不带电，因此，假如测量管是纯金属的，也就是说流体接触金属，根据法拉第感应定律通过磁场感应的电压也不会短路。磁场基本上是垂直于测量管的纵轴通过测量管的。

为了不干扰磁场，金属测量管当然不能是铁磁的，因此，它一般在内表面有一不带电的绝缘层。塑料测量管或陶瓷测量管不需要这种不带电绝缘层。

前述感应电压是借助于电流或电容测量电极来拾取的。电流测量电极穿透测量管管壁，从而接触流体，电容测量电极则置于测量管管壁之中，不与流体接触，或者置于测量管管壁之上。

在与EP-A548439相应的US-A5402685里，对用于带有唯一电子测量装置的多个电磁感应流动传感器的运行的结构进行了描述。该结构包括下列与本发明有关的部分：

-第一根装有2个电流测量电极和1个用于产生磁场的附属线圈的测量管，

-第二根装有2个电流测量电极和1个用于产生磁场的附属线圈的测量管，

-第三根装有2个电流测量电极和1个用于产生磁场的附属线圈的测量管，等

-倒数第二根装有2个电流测量电极和1个用于产生磁场的附属线圈的测量管，

-最后一根装有2个电流测量电极和1个用于产生磁场的附属线圈的测量管，

-一个测量电极电位的处理单元，

-一个用于产生线圈电流的发电机电路，

-一个用于把每一根测量管线圈与发电机电路，以及测量管测量电极与处理单元连接起来的转换结构。

关于测量电极信号的处理，US-A5402685仅一般地提到了US

-A4210022，4422337，4382387和4704908，这些文献描述了全部不带模拟/数字转换器的测量电路。

US-A5351554对电磁感应流量计的测量放大器结构进行了描述。

-该电磁感应流量计有一个测量管，测量管装有2个电流测量电极和1个用于产生磁场的线圈，

-该测量放大器结构包括：

--一个在其输入端与每个测量电极相连的差分级，

--一个接在所述差分级后的模拟/数字转换器，

--一个向所述模拟/数字转换器提供取样信号的脉冲发生器。

此外，在前述US-A5351554里还曾提到，在所述电路结构中，正如US-A4210022以及US-A4704908所述，可使用平衡装置，以平衡电化学干扰电压。

最后，在与EP-A521448相应的US-A5370000里对一种电磁感应流量计进行了描述，该电磁感应流量计包括下列与本发明有关的部分：

-一个装有第一和第二电流测量电极的测量管，

-一个借助线圈电流产生磁场的线圈结构，

-一个放大器结构，它包括：

一个连接在第一测量电极后的第一阻抗变换器，

--一个连接在第二测量电极后的第二阻抗变换器，

--一个第一转换开关，该开关的第一输入端连接着第一阻抗变换器的输出端，第二输入端连接着一电路零点，

--一个第二转换开关，该开关的第一输入端连接着第二阻抗变换器的输出端，第二输入端连接着上述电路零点，

--一个连接在第一转换开关和第二转换开关输出端后的模拟差分级，

--还有一个放大器，用于放大有线圈电流流过的电阻产生的电压，

--一个多路转换器、该多路转换器连接着差分级的输出端和所述放大器的输出端，

--一个连接着多路转换器的模拟/数字转换器。

前述测量放大器结构多次在实践中证明是有效的。它们比如用85毫安线圈电流工作。如果用它们来测量具有高固体组分(比如建筑业中流体混凝土里的石头或造纸业中纸桨里的木纤维)的流体，撞击测量电极的固体导致了干扰电压，并使有效信号/干扰信号比例变坏。

迄今，人们曾试图通过提高线圈电流，从而提高从测量电极拾取的感应电压的方式，来排除有效信号/干扰信号比例的变坏。然而，这需要更大的电源，更大的电源又表示更大的损失，从而从总体上造成更大的能源消耗。而且更大的电子设备机箱可能就必不可少了。

因此，本发明的一个任务是给出电磁感应流量计的测量放大器结构，借助于这些结构，亦可可靠地对含有固体的流体，尤其是具有高固体组分的流体进行处理。据此，尤其将能够放弃提高线圈电流值，也就是说，即使在固体组分高的情况下，也将能够用前述85毫安的线圈电流值向线圈供电。

为了完成这一任务，本发明的第一种方案在于一种电磁感应流量计的测量放大器结构，

-该电磁感应流量计有一个装有至少2个测量电极、1个接地电极的测量管，还有一个用于产生磁场的线圈结构，

-该测量放大器结构对于每一个测量电极包括：

--一个在输入端与测量电极相连的前置放大器，

--一个直接连接在前置放大器后的模拟/数字转换器，

-该测量放大器结构还包括：

--一个向模拟/数字转换器提供取样信号的脉冲发生器，

---其频率大于约1KHz，

--一个连接在模拟/数字转换器后的减法器。

为了完成上述任务，本发明的第二种方案在于一种电磁感应流量计的测量放大器结构，

-该电磁感应流量计有一个装有至少2个测量电极、1个接地电极的测量管，一个用于产生磁场的线圈结构，

-该测量放大器结构对于每个测量电极包括一个在其输入端连接着测量电极的前置放大器，

-该测量放大器结构还包括：

--一个直接连接在前置放大器后的第一模拟/数字转换器，

--一个连接在前置放大器后的差分级，

--一个连接在差分级后的第二模拟/数字转换器，

--一个连接在两个模拟/数字转换器后的减法器；

--至少一个向模拟/数字转换器提供取样信号的脉冲发生器，

---其频率大于约1KHz。

根据本发明第一方案的一种改进，安置了一个差分级和另一个连接在该差分级后的、由脉冲发生器提供信号的模拟/数字转换器，该差分级的各输入端分别与各前置放大器的输出端相连，所述的另一个模拟/数字转换器的输出端连接减法器的另一个负极输入端。

根据本发明的第一种方案的另一种改进，或者说第二种方案的一种改进，模拟/数字转换器合并成一个总模拟/数字转换器，而且在总模拟/数字转换器的输入端和前置放大器的输出端之间加上一个多路器。

根据前述改进的一项合并方案，多路转换器的另一输入端连接至差分级的输出端。

本发明的一个优点在于，数字信号在模拟/数字转换器、或者总模拟/数字转换器的输出端产生，鉴于探测信号的频率大于约1KHz，而不是象迄今那样通常小于约100Hz，所以，把这些数字信号的有效部分和干扰部分分开，并产生高精度的(比如精确到测量值的0.5％)容积流量信号并不困难。

现借助图示的实施例对本发明及其它优点做进一步说明；各部分在不同图中均有相同符号。

图1以方框图的形式表示测量放大器结构的第一种方案，

图2以方框图的形式表示测量放大器的第二种方案，

图3以方框图的形式表示图1所示结构的一种改进方案，

图4以方框图的形式表示图1所示结构的另一种改进方案。

在图1的方框图中画出了测量管1的横截面，只画了它的内壁。第一测量电极3和第二测量电极2相对地被置入管壁。此外，还有一根接地电极4被置于测量管1的下部。电极2，3，4均为电流电极，它们在管壁内的安装方式是这样的：在运行过程中，它们能够接触到在测量管1内流动的流体。

接地电极4与一电路零点SN相连，它可以通过一个类似于电极3，2那样的结构在测量管1的管壁内的具体电极来实现，也可以通过一个夹在测量管法兰和流体在其内流过的管道的配合法兰之间的接地环来实现。

图1还图示了一个由两部分组成的线圈结构5，该线圈结构在运行中产生一强度为H的穿透测量管1的磁场，此外，线圈结构5还通过图中画出的接线柱与一相应的电流发生器相连。由于该电流发生器不在本发明的范围之内，故所有常用的、产生比如双极直流电或交流电的电流发生器均可使用。因而图中未画电流发生器。

测量放大器结构10包括用于第一测量电极3的第一测量电路，该测量电路装有一个在其输入端与第一测量电极3相连的第一前置放大器11。第一模拟/数字转换器13直接连接在它后面。正如用虚线表示的那样，也可以在它们之间加上一个放大器15。

以同样方式，测量放大器结构10包括用于第二测量电极2的第二测量电路，该测量电路装有一个在其输入端与测量电极2相连的第二前置放大器12。第二模拟/数字转换器14直接连接在它后面。正如用虚线表示的那样，同样可以在它们之间加上一个放大器16。

此外，减法器17和脉冲发生器18也包括在测量放大器结构10中。减法器17连接着模拟/数字转换器13和14的各输出端。这样，比如减法器17的正极输入端与模拟/数字转换器13的输出端，其负极输入端与模拟/数字转换器14的输出端相连。在减法器17的输出端产生一种比迄今通常信号更适于继续处理的信号。

脉冲发生器18向模拟/数字转换器13，14提供其频率大于约1KHz的采样信号；颇具优点的是，该频率位于10KHz的数量级，即界于5KHz和50KHz之间。此外，脉冲发生器18还向减法器17提供合适频率的脉冲信号。

图2采用与图1一样的表现方式，表示本发明的第二种方案。测量放大器结构10′包括一用于第一测量电极3的第一测量电路，该电路装有一个在其输入端与测量电极3相连的第一放大器11′，第一模拟/数字转换器13′直接连接在它后面。正如用虚线再次表示的那样，也可以在它们之间加上一个放大器15′。

此外，还设计了一个差分级19和一个连接在其后的、同样由脉冲发生器18提供信号的第二模拟/数字转换器20。差分级19的两个输入端分别与前置放大器11′或12′的输出端相连。

第二模拟/数字转换器20的输出端连接着减法器17′的负极输入端。正如再次用虚线表示的那样，可在差分级19的输出端和模拟/数字转换器20的输入端之间加上一个放大器21。

两个模拟/数字转换器13′，20也可以由两个相互独立的脉冲发生器提供不同频率的脉冲信号，它们所产生的脉冲信号的频率与前面提到过的频率相同。

如图2所示，在本发明的第二种方案中，由于在减法器17′的两个输入端分别有一个与测量电极3的信号和一个与测量电极3，2的信号之差成比例的数字信号，所以，可以根据这两个数字信号精确地计算出一个关于测量电极2的数字信号。

图3采用与图1相同的表达方式，表示本发明的第一种方案、即图1的测量放大器结构的一种改进方案。这里设计了一个差分级19′和另一个连接在该差分级之后的、同样由脉冲发生器18提供信号的模拟/数字转换器20。差分级19′的两个输入端分别与前置放大器11或12的输出端相连。第二模拟/数字转换器20的输出端与减法器17′的另一负极输入端相连。

正如再次用虚线表示的那样，在图3所示的结构中，可在差分级19′的输出端和模拟/数字转换器20的输入端之间加上另一个放大器21。

如图3所示，在该改进方案中，由于在减法器17′的三个输入端分别有一个与测量电极2的信号、一个与测量电极3的信号、以及一个与测量电极3，2的信号之差成比例的数字信号，这三个数字信号因此而具有了关于测量电极3，2的信号的冗余度(Redundanz)，所以，以与图2所示的第二种方案相似的方式，删去前述第二条测量电路，并通过计算测量电极2，3的信号差而产生关于测量电极3的数字信号，也属于本发明的范围。

图4给出了表示的本发明的进一步改进方案的局部示意图，图1所示模拟/数字转换器13，14，图2所示模拟/数字转换器13′，20，或图3所示模拟/数字转换器13，14，20综合成了一个总模拟/数字转换器，而且在其输入端和前置放大器11，12或11′，12′，以及差分级19，19′之间加上了多路转换器23，该多路转换器由脉冲发生器18提供另一种合适频率的脉冲信号。

总模拟/数字转换器22产生的数字信号的传送，或者通过图示的数据总线24来完成，这样，减法器17″就在其输入端装一个分路器；或者通过如图1-图3中的单一线路来完成，这样，总模拟/数字转换器22就在其输出端装一个分路器。

如图1-图3所示，由于前置放大器11，12或11′，12′与电路零点SN相连，如前所述，接地电极4也接在该零点上，所以，测量电极2，3的信号(它们都是模拟信号)被相互分开，相对于电路零点SN的电位被(模拟)放大，然后再相互分离地进行模拟/数字转换。只有在模拟/数字转换之后，才借助于减法器17，17′，17″中的一个形成信号差，当然只在测量放大器结构的数字部分。

在数字信号差形成之前，也可以对数字信号进行合适的信号处理。

尽管如前所述该发明的诱因是一个仅反映在电流电极上的问题，但该发明亦可用于安装电容电极的电磁感应流量计。前述优点亦可通过电容电极体现出来。

本发明并不仅限于两个测量电极，也可用于装有两个以上测量电极的电磁感应流量计；这样，每个测量电极均需要设有一个前述的测量电路。

本发明的测量放大器结构同样可以使用前述用于平衡电化学干扰电压的电路结构。这些电路结构是这样使用的，它们可对前述模拟信号之一产生作用。

前面作为本发明的优点之一提到的测量电极信号干扰部分与有效部分良好的可分离性，可以比如按如下方式实现。

由于在图1的模拟/数字转换器13的输出端产生一个仅属于测量电极3的单个测量电极信号，在图1的模拟/数字转换器14的输出端产生一个仅属于测量电极2的单个测量电极信号，以及在减法器17的输出端产生这两个单个测量电极信号之差，所以，可以借助一比较器将信号差同一个或两个单个测量电极信号进行比较。通过这种比较，可以推断单个测量电极信号的可信性。

在图3所示结构中，可以按可比方式，将模拟/数字转换器13和/或模拟/数字转换器14输出端的信号同模拟/数字转换器20输出端的信号进行比较，以求得前面提到的可信性。模拟/数字转换器20输出端产生信号差，该信号差与借助于差分级19′模拟形成的测量电极信号差是相同的。

前述模拟/数字转换器可以比如全部都是由一开始介绍的US-A5351554所公开的类型。其它上述分电路在电子学上是常用的。因此，比如减法器可以是微处理器的一部分。

Claims (7)

1.电磁感应流量计的测量放大器结构(10)，

-该流量计具有一个带至少2个测量电极(3，2)、1个接地电极(4)的测量管(1)和一个用于产生磁场的线圈结构(5)，

-该测量放大器结构对于每个测量电极包括：--一个在其输入端与测量电极相连的前置放大器(11，12)，和

--一个直接连接在前置放大器后的模拟/数字转换器(13，14)，

-该测量放大器结构还包括：

--一个向模拟/数字转换器提供采样信号的脉冲发生器(18)，

---其频率大于约1KHZ，

--一个连接在模拟/数字转换器后的减法器(17)。

2.如权利要求1所述的测量放大器结构，其特征在于，安置有一个差分级(19′)和一个连接在该差分级后的、由脉冲发生器(18)提供采样信号的另一模拟/数字转换器(20)，差分级的输入端分别与前置放大器(11，12)的输出端相连，所述另一模拟/数字转换器的输出端与减法器(17′)的另一负极输入端相连。

3.如权利要求1所述的测量放大器结构，其特征在于，模拟/数字转换器(13，14；13′，20；13，14，20)合并成一个总模拟/数字转换器(22)，并且在总模拟/数字转换器的输入端和前置放大器的输出端之间加上了一个多路转换器(23)。

4.如权利要求2或3所述的测量放大器结构，其特征在于，差分级(19，19′)的输出端连接多路转换器(23)的另一输入端。

5.电磁感应流量计的测量放大器结构(10′)，

-该流量计具有一个带至少2个测量电极(3，2)、1个接地电极(4)的测量管(1)和一个用于产生磁场的线圈结构(5)，

-该测量放大器结构对于每个测量电极包括一个其输入端与测量电极(3，2)相连的前置放大器(11′，12′)，

-该测量放大器结构还包括：

--一个直接连接在前置放大器后的第一模拟/数字转换器(13′)，

--一个连接在前置放大器后的差分级(19)，

--一个连接在差分级后的第二模拟/数字转换器(20)，

--一个连接在两个模拟/数字转换器后的减法器(17′)，和

--至少一个向模拟/数字转换器提供采样信号的脉冲发生器(18)，

---其频率大于约1KHZ。

6.如权利要求5所述的测量放大器结构，其特征在于，模拟/数字转换器(13，14；13′，20；13，14，20)合并成一个总模拟/数字转换器(22)，并且在总模拟/数字转换器的输入端和前置放大器的输出端之间加上了一个多路转换器(23)。

7.如权利要求5或6所述的测量放大器结构，其特征在于，差分级(19，19′)的输出端连接多路转换器(23)的另一输入端。

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