CN105793675A - 用于操作磁感应测量系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于操作磁感应测量装置特别是磁感应流量计的方法，根据该方法，磁场由载流励磁线圈系统(1)产生，其中电流是脉冲直流，并且在脉冲期间，将时变的直流电压施加于励磁线圈系统(1)，以及其中周期或不时地确定励磁线圈系统(1)的磁能。

Description

用于操作磁感应测量系统的方法

本发明涉及一种用于操作磁感应测量系统特别是磁感应流量测量装置的方法，以及相应的适应设备。

在这种情况下应用的测量原理具有一系列优点，特别是独立于由一系列物理作用变量引起的测量结果。特别地，发现该测量方法在用于测量特别是管道中的流量的过程技术中具有广泛的应用。根据法拉第感应定律，在磁场中移动的导体中感应电压。在流量测量的情况下，由流动的被测量的材料形成移动的导体。磁场由电流流过的两个励磁线圈产生。在测量管中测量流量的情况下，将两个测量电极布置在垂直于励磁线圈的管内壁上。当被测量的物质流过管时，测量电极感测由磁场感应的电压。感应电压与流速成正比。

经由测量电极区域中管的已知截面面积，可以由流速计算体积流量。在这种测量原理的情况下，流速的测量实际上独立于被测量的物质的压力、温度、密度和粘度。而且，还可以测量包含固体的液体，例如矿泥或有纤维质的矿浆。测量原理可以在不干扰管截面的情况下实现，以便采用洗涤液进行简单清洗也是可能的，并且该管是可清管的(piggable)。而且，由此可以防止压力损失。通过该测量原理工作的测量系统不具有移动部件，因此几乎不需要维修和保养。这种测量系统的情况下强调的是高动态范围、高测量安全、重复性和长期稳定性。

这种测量系统常常应用于过程技术，例如，化学工业中，以及用于测量和计量应用。在许多情况下，由测量系统输出的测量值的连续可靠性是特别重要的，例如，在计量或测量进入化学品生产所使用的反应器的组分的情况下，从而防止意外或环境破坏。这种类型的测量系统例如可从例如申请人获得。

现有技术中已知许多用于提高由测量系统输出的测量值的可靠性特别是长期可靠性的方法。

WO98/20469A1中描述了一种方法和测量系统，在该情况下，将当前的测量信号与预期的、存储的测量信号比较，并且由其确定传感器的剩余寿命。由US6,654,697B1已知类似的装置，然而，其用于压差传感器。

由DE10134672C1已知一种磁感应流量测量装置，在该情况下，传感器单元具有传感器数据存储单元，在所述传感器数据存储单元中存储传感器单元的特定特征变量，并且可从所述传感器数据存储单元将存储的特定特征变量传输到评估和电源单元。而且，由EP0548439A1以及US5,469,746已知这种磁感应流量测量装置。在一方面，传感器单元及另一方面，评估和电源单元的情况下，它们是所述的两个不同的有形单元。在这种情况下，传感器单元的核心元件是测量管、励磁线圈和测量电极，因而产生和记录测量所需的所有系统产生效果。评估和电源单元一方面用于为励磁线圈供电，另一方面用于评估测量效果，即测量电极之间感应的电压。为了能够定量评估测量电极之间感应的电压，从而最后确定流过测量管的介质的流量的值，需要传感器单元的特定特征变量。在上面提到的由现有技术状态已知的磁感应流量测量装置的情况下，在传感器单元中提供的传感器数据存储单元中提供传感器单元的这些特定的特征变量。传感器数据存储单元借助励磁线圈电源线与评估和电源单元连接。结果，有可能借助励磁线圈线将存储的特定特征变量从传感器数据存储单元传输到评估和电源单元。特别地，传感器单元中提供的传感器数据存储单元由非易失性可电重写存储器如EEPROM形成。

由DE102006006152A1已知一种用于控制和监视测量系统，特别是流量测量装置的方法，在该情况下，在周期时间间隔中，除了终端电压U_k和终端电流I_k的测量，还在周期循环间隔测量欧姆电阻、电感以及参考电阻和磁电流的大小，并且与之前校准测量的参考值比较及存储。在这种情况下，核心概念是控制和监视测量系统，不仅使用终端电压U_K，而且使用终端电流I_K。为了检测系统的变化，周期地确定元件，以便在给定的情况下能够适当地反应。因此，有可能通过控制I_K的大小保持磁化电流恒定。在校准过程中，存储单个尺寸元件的特征数据作为参考参数。

由EP2074385B1和US7,750,642B2已知一种流量测量装置，在该情况下，在制造期间在存储器中存储一连串不同参数的指定数据。提供测试电路，以便测量流量测量装置的多个参数，并且根据测量值与存储值比较产生输出信号。

该比较例如是基于阈值或时间变化的。监测的参数例如包括激励线圈的电阻、激励线圈的电感、测量电极的电阻、模拟输出、激励电流的波形和电平、脉冲输出信号，以及数字输入和输出。基于具有时变信号的测试函数确定电感或电容。测试函数可以包括用于激励线圈的操作信号，如用于正常操作的。经由与激励线圈串联的传感器电阻器上的压降测量激励线圈电流。未公开进一步的细节。

由现有技术状态已知多种解决方案，其特别地想要提高上述类型的测量系统的长期可靠性，或提供获得的测量值的校正值，以便在这种测量系统的寿命期间传递灵敏度的变化。这种变化例如由励磁线圈增加的电阻引起，例如在变化温度下操作或励磁线圈中绕组短路的情况下。尤其在后面的情况下，产生报警信号是有利的，以便指示导致恶化的测量值的故障。

上述方法部分是相当复杂的，并且需要更复杂结构的测量系统，特别是附加的传感器系统或需要适应性过程控制。

因此，本发明的目的是提供一种用于监测磁感应测量系统特别是磁感应流量测量装置的改进方法。

根据本发明，通过上述类型的方法实现该目的，在该情况下，由流过电流的励磁线圈装置产生磁场，其中电流是时钟控制的直流，并且在时钟间隔期间，励磁线圈装置被提供有时变的直流电压，而且，其中测量励磁线圈装置两端的电压U和流过励磁线圈装置的电流I，以及其中励磁线圈装置中的磁能是周期或不时地(sporadically)确定的。

在这种情况下，术语励磁线圈装置意味着一个或多个励磁线圈，特别是偶数励磁线圈。

本发明的方法还特别地允许检测或补偿这种测量系统的敏感度的变化，其不是由测量系统中的变化或缺陷造成，而是由测量系统的操作位置的环境条件造成。这例如可以包括测量系统附近的外部磁场或铁磁材料。这种测量系统的灵敏度的变化不可避免地导致对应的测量误差。

通过根据本发明的方法测量磁能，可以容易地定量和定性地检测和确定偏离测量系统被校准的条件与装置相关的偏差以及与环境相关的偏差。

本发明的优选实施方式是从属权利要求的主题。

为了确定磁能，确定电流的上升时间t_rise，其中t_rise是持续时间，该电流需要该持续时间，直到励磁线圈装置的线圈或励磁线圈装置处于稳定状态操作。

确定的励磁线圈装置磁能优选具有下面的关系：E～I²。因而在确定励磁线圈装置的磁能时考虑测量的电流电平。

励磁线圈装置确定的磁能具有下面额外的关系：E＝K*t_rise*I²。在这种情况下，K是常数。在确定磁能时，除了测量的电流电平，还要考虑上升时间。

常数K具有下面的比例：其中R是励磁线圈装置的欧姆电阻，U₀是励磁线圈装置两端的电压，I₀在稳定状态操作中通过线圈的电流。

确定励磁线圈装置的磁能特别地可以根据下面的公式发生：其中R是励磁线圈装置的欧姆电阻，U₀是励磁线圈装置两端的电压，以及t_rise和I₀涉及在稳定状态操作中通过线圈的电流。

由于在时钟间隔期间，励磁线圈被提供有时变的直流电压，可以在其可能的较早的时间点达到其恒定的磁场终值。特别优选地，时变的直流电压包括电压过冲(overshoot)，记录电压过冲的持续时间t_shoot。

为了使测量对多相材料的影响、液体中的异质性或液体的低电导率不敏感，并且为了保证测量的稳定零点，磁场优选由交变极性的时钟控制的直流产生。

在本发明方法的优选实施方式中，由反向电流的持续时间t_rev、正向电流的持续时间t_fwd和正向电流过渡到稳定值的持续时间t_drop的总和确定上升时间t_rise，特别地，反向电流的持续时间t_rev通过线性内插由用于记录反向电流的测量值的时序确定，正向电流的持续时间t_fwd由上升时间t_rise和电压过冲t_shoot的持续时间的差确定，下降时间t_drop由用于记录正向电流的测量值的时序确定。

为了简化评估，在电流的上升时间t_rise期间由记录的电压的平均值形成励磁线圈两端的电压U₀是有利的，特别地根据公式：U₀＝(U_rev*t_rev+U_fwd*(t_fwd+t_drop))/t_rise，其中U_rev是在t_rev期间励磁线圈两端的电压，U_fwd是在t_fwd和t_drop期间励磁线圈两端的电压。

根据公式R＝U_stat/I₀确定励磁线圈的欧姆电阻，其中U_stat是在稳定状态励磁线圈两端的终端电压。

为了有效记录电感，电压值和电流的记录速度例如至少等于10kHz是有帮助的。更高的采样速度确实可以提高精度，然而需要更大功率的电子设备。

而且，该目的通过磁感应测量系统特别是磁感应流量测量装置实现，用于执行该方法，包括包含时钟信号发生器的直流电压源，其中直流电压源与励磁线圈装置的终端连接，并且在直流电压源和励磁线圈装置的之间，测量电阻器Ri与励磁线圈装置串联，以及其中第一电压测量系统与励磁线圈装置的终端连接，用于测量励磁线圈装置两端的电压U，以及其中另一个电压测量系统与用于测量测量电阻器Ri两端的测量电阻器Ri连接，用于记录通过励磁线圈装置的电流I，以及其中每个电压测量系统与模拟数字转换器连接用于数字化记录的电压值，而且，其中该模拟数字转换器与评估电路连接，其中直流电压源与评估电路连接，用于传输时钟控制的信号，而且，该评估电路与时间基准连接用于记录电压状态的持续时间，用于根据该方法确定电感。

现在，基于附图解释本发明的例子。附图表示如下：

附图1是作为时间的函数的励磁线圈两端的电压的例子的曲线图；

附图2是作为时间的函数的、电流测量电阻器两端的压降形式的通过励磁线圈的激励电流例子的曲线图；以及

附图3是用于执行该方法的设备的例子的示意图。

本发明的方法可以特别有利地在磁感应测量系统特别是磁感应流量测量装置的情况下实施，在该情况下，励磁线圈装置1通过时钟控制的交变极性的直流I激励。励磁线圈装置1有利地包括用于产生磁场的一对励磁线圈1。励磁线圈1在时钟间隔期间被提供有时变的直流电压U，以便实现快速达到恒定电流终值以及磁场。

由US3,634,733A已知一种用于激励电感负载的电路。该电路包含具有两个不同输出电压的电流源，其中开关放大器装置首先在预定时间间隔将电感负载与具有较高电压的电流源连接，在所述预定时间间隔到期后，触发电路将其切换到具有较低输出电压的电流源，以便电感负载首先采用最大电流操作预定持续时间，然后被提供具有较低电压的电流源。

由US4,144,751A已知一种矩形发生器电路，用于通过极性交替的电流激励特别是用于提供电磁流量测量系统的激励线圈。在切换事件后的过渡时间过程中，通过电流电源使用较高的电压，以便减少上升和下降时间，并且在激励电流的稳定状态使用较低的电压，用于节省能量。使用开关放大器，以便提供较高的电压，同时使用在阻塞方向上布置的二极管，以便一旦激励器电流达到稳定值就直接提供较低的电压。使用电压比较器电路，以便将激励电流产生的电压与参考电压比较，从而产生输出信号，用于在过渡时间和稳定状态操作期间，在其打开和关闭状态之间切换开关放大器。

由EP0969268A1已知一种用于控制磁感应流量变送器的线圈电流的方法。该方法的两个所述变量的基本思想是根据计划，基于在从线圈电流的最大值直到达到恒定的电流终值之后的前半个周期激励电流上升的过程，提前计算在每半个周期和电压作为时间函数的过程中用于产生激励电流所需的电压。该方法的优点在于：其实现了磁场的上升紧跟在激励电流的上升之后，如在没有线圈芯和/或极靴的线圈装置的情况中出现的。这样，磁场在较早的时间点实现了其恒定的磁场终值。

在附图3中示意表示的磁感应流量测量装置适于执行该方法，并且包括包含时钟信号发生器的直流电压源2。直流电压源2与励磁线圈装置1的终端连接。在直流电压源2和励磁线圈装置1之间插入的与励磁线圈装置1串联的是测量电阻器(R_i)3。第一电压测量系统4与励磁线圈装置1的终端连接，用于测量励磁线圈装置1两端的电压U。另一个电压测量系统5与测量电阻器R_i3连接，用于测量测量电阻器R_i3两端的压降，该测量电阻器用于记录通过励磁线圈装置1的电流I。每个电压测量系统4、5与模拟数字转换器6连接用于数字化记录的电压值。而且，模拟数字转换器6与评估电路7连接。评估电路7与用于传输时钟控制信号的直流电压源2连接，而且，评估电路7与时间基准8连接用于记录电压状态的持续时间，用于根据本发明的方法确定电感。

在根据本发明的这种测量系统操作的情况下，通过第一电压测量系统4测量励磁线圈1两端的电压U。通过由第二电压测量系统5测量的电流测量电阻器3R_i两端的压降来测量流过场线圈1的电流I。这些测量周期或不时地出现，以便确定励磁线圈1的电感。电压测量系统4、5的电压值由模拟数字转换器6进行数字化，有利地采用例如至少10kHz的采样速率。

附图1中表示励磁线圈1两端的终端的电压曲线。附图2中表示电流测量电阻器R_i3两端的电压曲线及通过场线圈1的电流的曲线。纵坐标上绘制的是电压U，横坐标上绘制的是时间t。

在时钟间隔期间励磁线圈1被提供时变的直流电压。时变的直流电压包括电压过冲，并且记录电压过冲的持续时间t_shoot。通过励磁线圈装置1两端的电压的极性变化确定时钟间隔的开始。从直流电压源2至评估电路7的信号记录这种极性变化。然而，该时钟间隔的开始还可以通过测量励磁线圈装置两端1的电压U由第一电压测量系统4的信号获得。

由反向电流的持续时间t_rev、正向电流的持续时间t_fwd和正向电流向稳定值过渡的持续时间t_drop的总和确定激励电流I的上升时间t_rise。在时钟间隔的开始，直流电压的电压跳变感应出励磁线圈1中的反向电流。所称的反向电流由下面的事实得到：感应的反向电流的方向与所施加的直流电压的极性相反。反向电流容易经由第二电压测量系统5可检测，并且由负电压值指示。反向电流的持续时间t_rev是电流从负的开始值直到实现值0的时间。在持续时间t_fwd出现在与施加的直流电压相同的极性的方向上电流I进一步的上升。通过第一电压测量系统4两端的升高的直流电压的输出末端的、励磁线圈1两端的急剧电压减少检测持续时间t_fwd的末端。

因此可以从电压过冲的持续时间t_shoot减去反向电流的持续时间t_rev确定持续时间t_fwd的长度。正向电流过渡到稳定值的持续时间t_drop在升高的直流电压的输出末端开始，并且经由第一电压测量系统4检测。

为了增加精确度，优选从测量值的时序确定反向电流的持续时间t_rev，该测量值由第二电压测量系统5通过记录的单个值的内插记录反向电流。

第一电压测量系统4的信号给出励磁线圈1两端的电压。励磁线圈1两端的电压U₀值的确定由在电流的上升时间t_rise过程中记录电压的平均值兵根据公式U₀＝(U_rev*t_rev+U_fwd*(t_fwd+t_drop))/t_rise得到，其中U_rev是在t_rev期间励磁线圈两端的电压，U_fwd是在持续时间t_fwd和t_drop期间励磁线圈两端的电压。

根据公式R＝U_stat/I₀确定励磁线圈1的欧姆电阻R，其中U_stat是在稳定状态操作中励磁线圈1两端的终端电压，I₀是在稳定状态操作中通过线圈的电流。

然后，可以根据公式E＝0.5×((t_rise×R)/In((U₀+I₀×R)/(U₀-I₀×R)))×I²由上升时间t_rise确定磁能。

可以由评估电路7使用励磁线圈装置，即相应的励磁线圈装置1的磁能值与如前所述确定的校准值或在前值比较的变化，用于校正测量值或用于输出报警信号，以便防止在过程控制中应用不正确的测量值。

为了将数据准确记录为时间的函数，评估电路7与时间基准8连接。这种时间基准也可以集成到评估电路7中，虽然在此，为了清楚，将其表示为单独的元件。

Claims (14)

1.用于操作磁感应测量系统特别是磁感应流量测量装置的方法，在所述情况下，由电流流过的励磁线圈装置(1)产生磁场，其中所述电流是时钟控制的直流，并且所述励磁线圈装置(1)在时钟间隔期间被提供时变的直流电压，而且，其中测量所述励磁线圈装置(1)两端的电压U和流过所述励磁线圈装置(1)的电流I，并且其中周期或不时地确定所述励磁线圈装置(1)中的磁能。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：确定电流的上升时间t_rise，并且基于确定的上升时间t_rise确定所述磁能，其中t_rise是直到线圈处于稳定状态操作的电流需要持续的时间。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：确定的所述励磁线圈装置的磁能具有下面的关系：E～I²。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：确定的所述励磁线圈装置的磁能具有下面的关系：E＝K*t_rise*I²。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：K具有下面的依赖关系：

$K~\frac{0.5}{In\[(U_0+I_0*R)/(U_0-I_0*R)\]}$

其中R是励磁线圈装置(1)的欧姆电阻，U₀是励磁线圈装置(1)两端的电压，I₀是在稳定状态操作中通过线圈的电流。

6.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述时变的直流电压包括电压过冲，并且记录所述电压过冲的持续时间t_shoot。

7.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述电流是时钟控制的直流，特别是交变极性的直流。

8.如前述权利要求之一所述的方法，其中由反向电流的持续时间t_rev、正向电流的持续时间t_fwd和正向电流过渡到稳定值的持续时间t_drop的总和确定所述上升时间t_rise。

9.如前述权利要求之一所述的方法，其中反向电流的持续时间t_rev根据对于反向电流记录的测量值的时序通过线性内插确定，正向电流的持续时间t_fwd根据上升时间t_rise和电压过冲t_shoot的持续时间的差确定，下降时间t_drop根据对于正向电流记录的测量值的时序确定。

10.如前述权利要求之一所述的方法，其中线圈装置(1)两端的电压U₀由电流的上升时间t_rise过程中记录电压的平均值形成。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述电压U₀根据公式U₀＝(U_rev×t_rev+U_fwd×(t_fwd+t_drop))/t_rise确定，其中U_rev是t_rev期间励磁线圈装置两端的电压，U_fwd是在持续时间t_fwd和t_drop期间励磁线圈两端的电压。

12.如前述权利要求之一所述的方法，其中根据公式R＝U_stat/I₀确定励磁线圈装置(1)的欧姆电阻R，其中U_stat是在稳定状态操作中励磁线圈装置(1)两端的终端电压。

13.如前述权利要求之一所述的方法，其中电压和电流值的记录速率例如至少等于10kHz。

14.磁感应测量系统，特别是磁感应流量测量装置，用于执行如前述权利要求之一所述的方法，包括包含时钟信号发生器的直流电压源(2)，其中所述直流电压源(2)与励磁线圈装置(1)的终端连接，并且在直流电压源(2)和励磁线圈装置(1)之间，测量电阻器R_i(3)与励磁线圈装置(1)串联，以及其中第一电压测量系统(4)与励磁线圈装置(1)的终端连接，用于测量励磁线圈装置(1)两端的电压U，以及其中另一个电压测量系统(5)与测量电阻器R_i(3)连接，用于测量测量电阻器R_i(3)两端的压降，以记录通过所述励磁线圈装置(1)的电流I，以及其中每个电压测量系统(4，5)与模拟数字转换器(6)连接用于数字化记录电压值，而且，其中所述模拟数字转换器(6)与评估电路(7)连接，其中所述直流电压源(2)与评估电路(7)连接，用于传输时钟控制的信号，而且，所述评估电路(7)与时间基准(8)连接用于记录电压状态的持续时间，用于特别是根据如权利要求1所述的方法确定磁能。