CN106461433A - 用于测量流体的体积流量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量沿纵轴线(3)方向流经测量管(2)的流体(11)的体积流量的装置，包括线圈装置(6、7)、与所述流体(11)耦合的至少两个测量电极(4、5)、以及与线圈装置(6、7)连接的控制/评估单元(8)，所述控制/评估单元(8)产生周期性改变极性的并且大致上在测量管(2)的纵轴线(3)的横向延伸的磁场(B)，其中，在测量时段期间所述控制/评估单元(8)以大致上恒定的磁场(B)利用测量电极(4、5)内感应的电压确定测量管(2)内的流体(11)的体积流量，其中，控制/评估单元(8)在延迟时段向线圈装置(6、7)提供过电压，延迟时段开始于磁场(B)的极性反转的时间点且结束于测量时段开始的时间点。控制/评估单元(8)在整个测量时段的持续时间向线圈装置(6、7)提供大致上恒定的保持电压，其中，所述控制/评估单元(8)把过电压与保持电压的比值大致上控制为恒定值。

Description

用于测量流体的体积流量的装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量沿轴线方向流经测量管的流体的体积流量的装置，并且该装置包括线圈装置，与所述流体耦合的至少两个测量电极，以及与所述线圈装置连接的控制/评估单元，所述控制/评估单元产生周期性改变极性并且基本上在测量管轴线横向延伸的磁场，其中控制/评估单元在测量时段以基本上恒定磁场基于测量电极内感应的电压确定测量管内的流体的体积流量。所述至少两个测量电极以电化学方法或者电容性地与流体耦合。优选地，线圈装置包括两个沿直径方向布置的通常在每种情况下具有集成线圈铁心的线圈。根据实施例，也可以提供带有或者不带有线圈铁心的仅一个线圈，或者可以在各种情况下插入具有或者不具有线圈铁心的大于两个线圈。相应的测量装置被称为磁感应流量测量装置。另外，本发明涉及权利要求10前序部分所描述的相应类型的方法。
技术领域
磁感应流量测量装置利用电磁感应原理进行体积流量测量：垂直于磁场运动的流体的载荷子在测量电极中感应出电压，测量电极同样地基本上垂直于流体流动方向布置。在测量电极中感应的这种电压与测量管截面上平均的介质流速成比例；由此与体积流量成比例。
理想情况下，线圈装置内的电流曲线与磁场曲线对应。由于极靴内和线圈装置的铁心内在磁场反转期间产生的涡流，实际情况下与理想情况发生偏移。由此，在线圈装置外测量的线圈电流与流过线圈装置内的电流以及涡流产生的电流总和对应。如果在线圈装置外部测量的电流被作为控制变量使用，那么实际上，电流恒定，而不是磁场。这种情况一直保持直到涡流衰减。
为了消除这个缺陷，在EP 0 96 9268 A1中提出电流不直接用于控制线圈装置两端的电压。为了快速反转磁场的方向，在磁场反转期间的上升时间对线圈装置施加过电压。过电压的持续时间是连续的，从而一旦超过上升时间就获得电流最大值，从而线圈电流不会出现进一步上升。达到最大值后，线圈电流渐近地接近电流最终值。在现有技术已知的解决方案中，一旦达到电流最大值，磁场具有与恒定的电流期望值对应的恒定的磁场终值。反相的持续时间由线圈电流特征给定。在测量电极之间的压差测量期间，由于除其他因素之外来自线圈装置与测量电极的感应耦合还会对测量信号的稳定性造成劣化，线圈装置两端的电压以及通过线圈的电流必须都为常量。在现有技术已知的方案的情况下，由于逐渐靠近终值，这种情况是只有当涡流已经完全衰减的情况。总而言之，上面所引用的EP 0 969268 A1描述了通过施加基本上恒定的过电压的方式对B场的间接控制。
上面所提到的解决方案的缺点在于线圈电流的上升时间对过程条件和/或环境条件具有相对较强的依赖。上升时间改变的情况下，不可避免地，在上升时间的结束和随后的测量时段的开始之间的时间也会改变。线圈装置和测量电极之间的通常为电容性质的非完全衰减的扰动信号影响被测变量。保持电压根据线圈装置的电阻以及期望的电流而定。在这一情况下，将保持电压定义为所述电阻和期望电流的乘积。由于所述电阻依赖于温度，在恒定过电压的情况下，所述保持电压改变。由于过电压通常不受控，过电压的波动同样会导致上升时间的不受控改变。由于上面提到的环境条件和/或过程条件的影响，会经历测量电极之间所测量电压的差值的波动，且因此导致磁感应流量测量装置的零点的波动。零点的不稳定性降低了测量的精确度以及磁感应流量测量装置的测量值重复性。
发明内容
本发明的目的是在用于测量体积流量的磁感应装置情况下，以及相应的磁感应方法情况下确保零点的改善的稳定性。
通过多个特征实现关于装置的该目的，所述特征包括控制/评估单元在延迟时段期间向线圈装置提供过电压，其中所述延迟时段开始于磁场的极性反转时间点并且结束于测量时段开始的时间点，并且控制/评估单元在测量时段持续期间向线圈装置提供大致恒定的保持电压，其中控制/评估单元将过电压与保持电压的比率控制为大致恒定的值。
在本发明的装置的优选实施例中，控制/评估单元通过过电压的相应改变来控制过电压与保持电压的比率为大致的恒定值。替选地，控制/评估单元通过保持延迟时段的持续时间为至少接近恒定的值来控制过电压与保持电压为大致恒定的值。
磁感应流量测量装置的优选实施例提供过电压与保持电压的预定比率值大于1。优选地，过电压与保持电压的预定比率值在2和10之间。所述预定值特别地依赖于期望的测量速度和/或所使用的磁感应流量测量装置的传感器类型和/或使用该传感器类型的应用。
如果期望高的测量速度，如因体积流量展示出高的动态范围，那么比率的预定值应该尽可能高。过电压越高，延迟时段持续时间越小，可以在顺序测量时段更快地产生测量值。优选地，在因高的动态范围而需要高的测量速度的应用的情况下，所述控制/评估单元在可提供能量的情况下尽可能高地选择过电压与保持电压的比率的预定值。
另外，磁感应流量测量装置的优选实施例提供了在位于爆炸危险区的应用的情况下，控制/评估单元选择过电压与保持电压的比率的预定值足够低，使得不会超过爆炸危险区允许的能耗。
本发明解决方案的有利实施例形式提供一种存储单元，其中将过电压与保持电压的预定比率设置成依照相应的传感器类型和/或相应应用和/或测量的期望精度而定。
通过多个特征实现关于方法的所述目的，所述特征包括在延迟时段为线圈装置提供过电压，其中延迟时段开始于磁场极性反转的时间点并且结束于测量时段开始的时间点，并且在测量时段持续期间中为线圈装置提供基本上为恒定的保持电压，其中过电压与保持电压的比值被控制在大致为恒定的值。
附图说明
本发明将基于附图进行更详细的解释，其中附图如下所示：
附图1：本发明的装置第一实施例的示意图；
附图2：线圈装置的大大简化的等效电路图；
附图3：对于不同的过电压-保持电压比，线圈电压U对时间的图；
附图4：本发明的装置的优选实施例的框图。
具体实施方式
附图1表示本发明的装置1第一实施例的示意图。流体11沿着测量管的纵轴线3方向流经测量管2。流体11可导电，至少在轻微程度上导电。测量管2由非导电材料制成，或者至少其内表面上由非导电材料作为衬里。
利用两个电磁铁分别经由直径方向布置的线圈装置6、7产生指向垂直于流体11的流动方向的磁场B。在磁场B的影响下，位于流体11内的载荷子根据极性迁移到两个极性相对的测量电极4、5上。在测量电极4、5上形成的电压与上流体11在测量管2截面上的平均流速成比例，也就是说，它是测量管2内流体11的体积流量的测量。另外，测量管2通过连接件如法兰(没有示出)与管道系统连接，流体11通过管道系统流动。
两种所示情形下，测量电极4、5被设置与流体11直接接触；然而，连接的性质也可以是电容性的。
测量电极4、5经由连接线12、15与控制/评估单元8连接。线圈装置6、7和控制/评估单元8之间经由连接线13、14发生连接。控制/评估单元8经由连接线16与输入/输出单元9连接。评估/控制单元8具有存储单元10。
理想磁场系统情况下，在理想线圈装置6、7的情况下，电流曲线分别对应线圈装置6、7产生的磁场B曲线。如在磁感应测量变换器情况下所使用的，线圈装置6、7的多个线圈通常具有线圈铁心和/或极靴。控制/评估单元8采用磁场B周期性改变其方向的方式为线圈装置6、7提供电流。理想地，在两个半周期内，线圈电流IL均为常量，方向相反且等幅值。由于极靴内和线圈铁心内产生的涡流，该理想情形不会发生。而是，在线圈装置6、7外测量的电流IM总是与电流之和IM对应，该电流之和IM由线圈电流IL和涡流IEDDT构成。由于在线圈装置6、7外测量的电流IM总是被控制/评估单元8用作控制变量，实际上电流IM恒定，而不是穿过测量管2的磁场B。图2示出线圈装置6、7的相应的等效电路图。
根据本发明，控制/评估单元在延迟时段期间为线圈装置6、7提供过电压，其中延迟时段开始于磁场B的极性反转的时间点且结束于测量时段开始的时间点。在测量时段的整个持续时间，控制/评估单元8向线圈装置6、7提供基本上恒定的保持电压。根据本发明，控制/评估单元8把过电压与保持电压的比率控制为大致恒定的值。在本发明的装置的优选实施例中，控制/评估单元8通过相应的过电压改变控制过电压与保持电压的比率为大致恒定的值。替选地，控制/评估单元8通过将延迟时段的持续时间保持在至少大约是恒定的值，而控制过电压与保持电压的比率。
附图3表示针对三个不同的过电压与保持电压比率的线圈装置6、7两侧的电压。过电压与保持电压的比率越高，越快达到恒定的保持电压，且越快能够开始测量时段。由于在爆炸危险区电能供应受限为最大可容许数值，在很多工业测量技术的应用情形中的这种情况下，不可能按照期望的尽可能多增加过电压。
附图4示出电路布置，其在本发明的磁感应流量测量装置1情况下应用，且其适于执行本发明的方法。正如已经提到的，磁感应流量测量装置1的磁场B周期性反相。用于操作磁场B，通常使用H电路；第一半周期，闭合两个开关S2和S3，并且断开两个开关S1和S4。在此后接下来的半个周期内，断开两个开关S2、S3，并且闭合两个开关S1、S4。作为开关S1、S2、S3、S4的操作结果，从线圈装置6、7外部测量的线圈装置6、7的线圈电流IM沿相反的方向在两个连续半周期流动。与此相关的是磁场B的极性变换。
采用A/D转换器17将线圈装置6、7这两个线圈两端的电压的压差ΔUC数字化。将压差ΔUC提供给微控制器21。经由电阻器RSence测量实际的线圈电流值IM，采用A/D转换器18进行数字化，并且同样提供给微控制器21。
根据本发明，在测量时段的持续时间内，对线圈装置6、7提供基本上恒定的保持电压，其中控制/评估单元8控制过电压与保持电压的比率为基本上恒定的值。过电压与保持电压的比率存储在存储器单元10内。基于所传送的电压和电流数值，微控制器21计算过电压和保持电压的比率，并且控制可控电压源20，从而过电压和保持电压之间的比率与针对特定应用预先确定的设定点数值一致。在微控制器21和可控电压源之间提供D/A转换器19。由于保持电压必须是恒定不变的，通过过电压的相应改变而发生过电压与保持电压的比率保持恒定。
过电压到保持电压的比率设定点数值是根据应用变化的。例如，如果因体积流量具有高的动态范围而期望高的测量速度，那么选择比率的预定值要尽可能大。过电压越大，延迟时段持续时间越小，连续测量时段内可以更快提供测量值。优选地，在其中由于高动态范围需要较高测量速度的应用情况下，控制/评估单元8选择过电压到保持电压的比率的预定值在可用能量背景下尽可能大。
另外，磁感应流量测量装置的有益实施例在位于爆炸危险区的应用情况下，提供这样一种控制/评估单元8：其选择过电压对保持电压的比率的预定值足够小，从而不会超过爆炸危险区允许的功率消耗。
如果要求上面两个提到的限定比率同时被满足，那么控制/评估单元必须达到一种妥协。除了通过控制/评估单元的过电压到保持电压比率的数值规格，还有机会由用户提供相应的多个输入以将设定点与实际应用情形适配。
附图标记表：
1 本发明的装置
2 测量管
3 测量管的纵轴线
4 测量电极
5 测量电极
6 线圈装置
7 线圈装置
8 控制/评估单元
9 输入/输出单元
10 存储单元
11 流体
12 连接线
13 连接线
14 连接线
15 连接线
16 连接线
17 D/A转换器
18 D/A转换器
19 A/D转换器
20 可控电压源
21 微控制器

Claims (10)

1.一种用于测量沿测量管(2)的纵轴线(3)方向流经所述经测量管(2)的流体(11)的体积流量的装置，所述装置包括：
线圈装置(6、7)，
与所述流体(11)耦合的至少两个测量电极(4、5)，以及
与所述线圈装置(6、7)连接的控制/评估单元(8)，所述控制/评估单元(8)产生周期性改变极性并且基本上在所述测量管(2)的纵轴线(3)的横向延伸的磁场(B)，其中，在测量时段期间所述控制/评估单元(8)以大致恒定的磁场(B)根据在所述测量电极(4、5)感应的电压确定在所述测量管(2)中的所述流体(11)的体积流量，
其特征在于：
所述控制/评估单元(8)在延迟时段期间向所述线圈装置(6、7)提供过电压，其中所述延迟时段开始于所述磁场(B)的极性反转的时间点并结束于所述测量时段开始的时间点，并且
所述控制/评估单元(8)在所述测量时段的整个持续时间向所述线圈装置(6、7)提供基本上恒定的保持电压，其中，所述控制/评估单元(8)把过电压与保持电压的比率控制为大致恒定的值。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于：
所述控制/评估单元(8)通过所述过电压的相应改变把所述过电压与保持电压的比率控制为大致恒定的值。
3.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于：
所述控制/评估单元(8)通过把所述延迟时段的持续时间保持在至少是大致恒定的值来把所述过电压与保持电压的比率控制为大致恒定的值。
4.根据权利要求1或2或1或3所述的装置，
其特征在于：
所述过电压与保持电压的比率的预定值大于1。
5.根据权利要求4所述的装置，
其特征在于：
所述过电压与保持电压的比率的所述预定值优选地在2和10之间。
6.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，
其特征在于：
所述过电压与保持电压的比率的所述预定值依赖于所应用的传感器类型和/或使用该传感器类型的应用。
7.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，
其特征在于：
在因高动态范围要求高测量速度的应用的情形中，所述控制/评估单元(8)在可用能量情况下，选择所述过电压与保持电压的比率的所述预定值以使其尽可能高。
8.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，
其特征在于：
在位于爆炸危险区的应用的情形中，所述控制/评估单元(8)选择所述过电压与保持电压的比率的所述预定值足够低，使得不超过所述爆炸危险区允许的能量消耗。
9.根据权利要求1-8中的至少一项所述的装置，
其特征在于：
提供存储单元(10)，其中将所述过电压与保持电压比率的所述预定值设置成依据相应的传感器类型和/或相应的应用而定。
10.一种利用装置测量沿测量管(2)的纵轴线(3)方向流经所述测量管(2)的流体的体积流量的方法，所述装置包括线圈装置(7、8)、与所述流体(11)耦合的至少两个测量电极(5、6)和与线圈装置(7，8)连接的控制/评估单元(8)的装置，所述控制/评估单元(8)产生周期性改变极性并且基本上在所述测量管(2)的纵轴线(3)的横向延伸的磁场(B)，其中，在测量时段期间所述控制/评估单元(8)以大致恒定的磁场(B)根据在测量电极(4、5)感应的电压确定在所述测量管(2)中的所述流体(11)的体积流量，
其特征在于：
在延迟时段期间向所述线圈装置(6、7)提供过电压，其中，所述延迟时段开始于所述磁场(B)的极性反转的时间点并且结束于所述测量时段开始的时间点，以及
在所述测量时段的整个持续时间向所述线圈装置(6、7)提供基本上恒定的保持电压，其中，把所述过电压与保持电压的比率控制为大致恒定的值。
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