CN106595782B - 阶梯多值励磁的电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阶梯多值励磁的电磁流量计，具体涉及一种在正负交变的励磁周期中采用正阶梯多值与负阶梯多值形式励磁的电磁流量计。其励磁驱动单元输出以周期T正负交变的阶梯多值电流连接到传感器，使传感器内产生以周期正负交变的阶梯多值磁场，并使传感器在周期内具有多值电势信号。本发明是通过阶梯多值励磁方式，在一个励磁上升时间下，阶梯多值励磁过程增加了励磁跳变次数，提高了电磁流量计的等效励磁频率，增强了电磁流量计克服流体流动噪声和浆液噪声的能力。同时，阶梯多值励磁下得到的多值感应电势数据又为动态消除零点漂移噪声干扰提供了数值依据。因此，阶梯多值励磁的电磁流量计不但可提高克服零点漂移类噪声的能力，又可提高克服流体流动噪声和浆液噪声的能力。

Description

阶梯多值励磁的电磁流量计

技术领域

本发明涉及一种阶梯多值励磁的电磁流量计，具体涉及一种在正负交变的励磁周期中采用正阶梯多值与负阶梯多值形式励磁的电磁流量计。

技术背景

电磁流量计是以法拉第电磁感应定律为原理的流量测量仪表。电磁流量计包含有一个传感器、一个励磁驱动单元和一个信号处理单元。励磁驱动单元使传感器内有垂直于流体流动方向的磁场B，当流体以平均流速V流经传感器时，传感器的电极上产生感应电势信号e＝K₀VB，其中K₀是一个传感器系数。感应电势信号e输入到信号处理单元，信号处理单元测量感应电势信号e得到数据E,并通过数据E来计算估计流体的平均流速V。

由于电磁流量计传感器由接触流体的电极来获得和输出的感应电势信号e。在实际的流体流动中，除了测量金属流体外，传感器电极与流体界面接触时被粘附与累积电荷会产生极化电势或被颗粒冲击产生跳变电势，形成对流体流速V的感应电势的干扰。因此，电磁流量计的传感器都需要采用磁场B跳变所产生的电场力来消除这些干扰。目前对应磁场B的正负交变过程，电磁流量计中传感器内正负交变的磁场B有对应的励磁频率F或励磁周期T＝1/F的参数。

由于电磁流量计的感应电势信号e是来自于其传感器绝缘管壁上的电极。流体的流动或浆液碰撞到电极时，就会使电极电势信号上出现称之为是流动噪声和浆液噪声的干扰。同时，流体流速V越大这类干扰越强且出现频率越高。因此，就需要提高励磁频率F来克服流体流动噪声和浆液噪声的干扰(2004年中国石化出版社的《电磁流量计》P75～P81页)。

在目前的电磁流量计技术中，其励磁驱动单元使传感器内产生频率F的正负变化的磁场B。同时，电磁流量计在技术上既需要克服零点漂移干扰，又需要考虑克服流体流动噪声和浆液噪声的干扰。通常，高的励磁频率F有利于克服流体流动噪声和浆液噪声的干扰，较低的励磁频率F有利于减小的零点漂移干扰。

目前，针对克服零点漂移干扰方面，如有专利CN102435239A《自动零点的电磁流量计信号处理方法与系统》，其通过增加了一个专门采集零励磁信号的方式来实现动态零点的自动跟踪与修正功能。同时，针对克服流体流动噪声和浆液噪声干扰，有不少采用提高励磁频率F的电磁流量计技术，如有专利CN87101677A《电磁流量计》和专利CN104316118A《变励磁频率电磁流量计》。前者是在正负向交变的低频励磁中加入了75Hz单向矩形高励磁频率成分，这种在正与负的磁场上增加单向矩形的双频励磁方式增强了克服流体流动噪声和浆液噪声干扰的能力；后者是是通过对感应电势信号中噪声大小的估计，噪声大时使励磁频率F升高，噪声小时使励磁频率降低，用变励磁频率的方式增强了克服流体流动噪声和浆液噪声干扰的能力。

另外，要提高励磁频率F就需要对电磁流量计传感器励磁线圈进行快速励磁。传感器励磁线圈的电感和电阻值是阶跃励磁电流下决定励磁快速上升时间的基本因素。有通过增加一个高压过程来加快励磁上升时间，如文献《步进电机高低压电源驱动电路设计》(罗延明等，应用科技，Vol.31，No.9，2004年9月)，文献《.高低压整流桥式励磁控制方案及仿真分析》(陆继明等，电力系统自动化，Vol.31，No.6，2006年6月)；也有中国专利CN200910251461《一种基于高低压电源切换的电磁流量计励磁控制系统》。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用阶梯多值励磁的电磁流量计。主要是在正和负向励磁过程中采用了阶梯多值励磁方式，一是利用多值励磁下产生的多个感应电势信号数据来实现动态消除测量干扰值；二是在正和负向的励磁过程中通过逐次阶梯跳变方式增加磁场，使在一个正和负向的励磁上升时间下增加了磁场跳变次数，增强了电磁流量计克服流动噪声和浆液噪声能力。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明是通过阶梯多值励磁方式，将正和负向励磁的励磁上升时间分解到了阶梯多值励磁的每个阶梯励磁的上升时间中。即在不增加励磁上升时间的前提下，阶梯多值励磁过程增加了励磁跳变次数，提高了电磁流量计的等效励磁频率，增强了电磁流量计克服流体流动噪声和浆液噪声的能力。同时，阶梯多值励磁下得到的多值感应电势数据又为动态消除零点漂移噪声干扰提供了数值依据。因此，阶梯多值励磁的电磁流量计不但可提高克服零点漂移类噪声的能力，又可提高克服流体流动噪声和浆液噪声的能力。

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种阶梯多值励磁的电磁流量计，包括一个信号处理单元、一个励磁驱动单元、一个有系数K₀的由励磁线圈和测量管以及两个信号电极构成的传感器；其特征在于：所述的励磁驱动单元输出励磁电流I连接到传感器的励磁线圈，励磁电流I使所述的传感器内产生周期T的正负交变磁场B；所述的传感器的两个信号电极在流体平均流速V下输出感应电势信号e＝K₀VB连接到信号处理单元，信号处理单元通过对输入感应电势信号e的测量得到数据E并计算估计流体的平均流速V；所述的励磁驱动单元输出励磁电流是以周期T正负交变的阶梯多值电流I_SW，使传感器内产生以周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW，传感器在流体平均流速V和阶梯多值磁场B_SW下输出的感应电势信号e＝K₀VB_SW是周期T的多值电势信号e_SW，多值电势信号e_SW连接到信号处理单元。

在上述的阶梯多值励磁的电磁流量计中，所述的励磁驱动单元在每周期T分2×m段时间{T_p(1),…,T_p(m)}与{T_m(1),…,T_m(m)}下输出的阶梯多值电流I_SW有正多值恒定电流{I(1),…,I(m)}和负多值恒定电流{-I(1),…,-I(m)}两部分共2×m段恒定电流组成，I(m)为最大值，每个恒定电流I(i)有阶梯多值关系I(i)＝α(i)I(i+1)，电流I_SW使所述的传感器内产生以周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW，磁场B_SW有正多值恒定磁场{B(1),…,B(m)}和负多值恒定磁场{-B(1),…,-B(m)}两部分共2×m段恒定磁场组成，B(m)为最大值，每个恒定磁场B(i)有阶梯多值关系B(i)＝α(i)B(i+1)，α(i)是阶梯系数，i是1到m-1，m不小于2。

在上述的阶梯多值励磁的电磁流量计中，所述的传感器在周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW下输出周期T的多值电势信号e_SW有{e_p(1),…,e_p(m)}和{e_m(1),…,e_m(m)}两部分共2×m段信号组成，信号e_SW在时间段T_p(i)和T_m(i)内分别为信号e_p(i)＝e(i)+d_p(i)和e_m(i)＝-e(i)+d_m(i)，这里e(i)＝K₀VB(i)是感应电势信号，d_p(i)和d_m(i)分别是可能的干扰值，i是1到m；所述的信号处理单元(1)对传感器(3)输出的多值电势信号e_SW进行测量得到数据E_SW，对应多值电势信号e_SW数据E_SW有{E_p(1),…,E_p(m)}和{E_m(1),…,E_m(m)}两部分共2×m个数据组成，数据E_SW在时间段T_p(i)和T_m(i)内分别有数据E_p(i)＝e_p(i)和数据E_m(i)＝e_m(i)，i是1到m。

在上述的阶梯多值励磁的电磁流量计中，所述的信号处理单元对每周期T的数据E_p(i)和E_m(i)进行计算，i是1到m，按步骤计算估计流体平均流速V：

(a).计算正负差值数据E_pm(i)＝E_p(i)-E_m(i)，由E_pm(i)＝e_p(i)-e_m(i)得出E_pm(i)＝2K₀VB(i)+d_p(i)-d_m(i)，取干扰差值数据D(i)＝d_p(i)-d_m(i)，在周期T值是d_p(i)与d_m(i)中交流成分周期的偶数倍时有D(i)＝D，即得出正负差值数据E_pm(i)＝2K₀VB(i)+D；

(b).计算阶梯正负差值数据E_pmsw(m)＝E_pm(m)-E_pm(m-1)，有对应的阶梯系数α(m-1)使E_pm(m-1)＝2K₀Vα(m-1)B(m)+D，得出阶梯正负差值数据E_pmsw(m)＝2K₀VB(m)[1-α(m-1)]，即有流体平均流速V：

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

针对电磁流量计中高励磁频率与传感器励磁上升时间的问题，本发明将正和负向励磁的励磁上升时间分解到了阶梯多值励磁的每个阶梯励磁的上升时间中。即在不增加正或负向励磁上升时间的前提下，阶梯多值励磁过程增加了励磁跳变次数，提高了电磁流量计的等效励磁频率，增强了电磁流量计克服流体流动噪声和浆液噪声干扰的能力。同时，阶梯多值励磁下得到的多值感应电势数据又为动态消除零点漂移干扰提供了数值依据。这样，阶梯多值励磁的电磁流量计不但可提高克服零点漂移干扰的能力，又可提高克服流体流动噪声和浆液噪声干扰的能力。

附图说明

图1是本发明的一个实施例结构原理框图。

图2是本发明的阶梯多值励磁关系在m＝3时的示意图：分别是周期T的正负交变的阶梯多值电流I_SW，周期T的正负交变的阶梯多值磁场B_SW，以及周期T的多值电势信号e_SW。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例如下述：参见图1和图2。

实施例一：

一种阶梯多值励磁的电磁流量计，包括一个信号处理单元1、一个励磁驱动单元2、一个有系数K₀的由励磁线圈C和测量管L以及两个信号电极A1、A2构成的传感器3；其特征在于：所述的励磁驱动单元2输出励磁电流I连接到传感器3的励磁线圈C，励磁电流I使所述的传感器3内产生周期T的正负交变磁场B；所述的传感器3的两个信号电极A1、A2在流体平均流速V下输出感应电势信号e＝K₀VB连接到信号处理单元1，信号处理单元1通过对输入感应电势信号e的测量得到数据E并计算估计流体的平均流速V；所述的励磁驱动单元2输出以周期T正负交变的阶梯多值电流I_SW，使传感器3内产生以周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW，传感器3在流体平均流速V和阶梯多值磁场B_SW下输出的感应电势信号e＝K₀VB_SW是周期T的多值电势信号e_SW，多值电势信号e_SW连接到信号处理单元1。

图1中所示，传感器3内有励磁线圈C和测量管L以及两个信号电极A1和A2，励磁驱动单元2输出阶梯多值电流I_SW连接到传感器3的励磁线圈C，阶梯多值电流I_SW使所述的传感器3内产生阶梯多值磁场B_SW，传感器3的两个信号电极A1和A2在流体平均流速V下输出的多值电势信号e_SW连接到信号处理单元1，信号处理单元1测量信号e_SW并计算估计流体平均流速V。

在上述的阶梯多值励磁的电磁流量计中，所述的励磁驱动单元2在每周期T分2×m段时间{T_p(1),…,T_p(m)}与{T_m(1),…,T_m(m)}下输出的阶梯多值电流I_SW有正多值恒定电流{I(1),…,I(m)}和负多值恒定电流{-I(1),…,-I(m)}两部分共2×m段恒定电流组成，I(m)为最大值，每个恒定电流I(i)有阶梯多值关系I(i)＝α(i)I(i+1)，电流I_SW使所述的传感器3内产生以周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW，磁场B_SW有正多值恒定磁场{B(1),…,B(m)}和负多值恒定磁场{-B(1),…,-B(m)}两部分共2×m段恒定磁场组成，B(m)为最大值，每个恒定磁场B(i)有阶梯多值关系B(i)＝α(i)B(i+1)，α(i)是阶梯系数，i是1到m-1，m不小于2。

在上述的阶梯多值励磁的电磁流量计中，所述的传感器3在周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW下输出周期T的多值电势信号e_SW有{e_p(1),…,e_p(m)}和{e_m(1),…,e_m(m)}两部分共2×m段信号组成，信号e_SW在时间段T_p(i)和T_m(i)内分别为信号e_p(i)＝e(i)+d_p(i)和e_m(i)＝-e(i)+d_m(i)，这里e(i)＝K₀VB(i)是感应电势信号，d_p(i)和d_m(i)分别是可能的干扰值，i是1到m；所述的信号处理单元(1)对传感器(3)输出的多值电势信号e_SW进行测量得到数据E_SW，对应多值电势信号e_SW数据E_SW有{E_p(1),…,E_p(m)}和{E_m(1),…,E_m(m)}两部分共2×m个数据组成，数据E_SW在时间段T_p(i)和T_m(i)内分别有数据E_p(i)＝e_p(i)和数据E_m(i)＝e_m(i)，i是1到m。

图2所示的是m＝3时对应周期T的阶梯多值励磁的关系示意图。对应在每周期T分6段时间{T_p(1),T_p(2),T_p(3)}与{T_m(1),T_m(2),T_m(3)}，阶梯多值电流I_SW有正多值恒定电流{I(1),I(2),I(3)}和负多值恒定电流{-I(1),-I(2),-I(3)}两部分共6段恒定电流组成，阶梯多值磁场B_SW有正多值恒定磁场{B(1),B(2),B(3)}和负多值恒定磁场{-B(1),-B(2),-B(3)}两部分共6段恒定磁场组成，多值电势信号e_SW有{e_p(1),e_p(2),e_p(3)}和{e_m(1),e_m(2),e_m(3)}两部分共6段信号组成。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

在上述的阶梯多值励磁的电磁流量计中，其特征在于：所述的信号处理单元1对每周期T的数据E_p(i)和E_m(i)进行计算，i是1到m，按步骤计算估计流体平均流速V：

(a).计算正负差值数据E_pm(i)＝E_p(i)-E_m(i)，由E_pm(i)＝e_p(i)-e_m(i)得出E_pm(i)＝2K₀VB(i)+d_p(i)-d_m(i)，取干扰差值数据D(i)＝d_p(i)-d_m(i)，在周期T值是d_p(i)与d_m(i)中交流成分周期的偶数倍时有D(i)＝D，即得出正负差值数据E_pm(i)＝2K₀VB(i)+D；

(b).计算阶梯正负差值数据E_pmsw(m)＝E_pm(m)-E_pm(m-1)，有对应的阶梯系数α(m-1)使E_pm(m-1)＝2K₀Vα(m-1)B(m)+D，得出阶梯正负差值数据E_pmsw(m)＝2K₀VB(m)[1-α(m-1)]，即有流体平均流速V：

对应图1的传感器3输出的信号e_SW以及图2所示的阶梯多值励磁关系示意图，在m＝3的多值电势信号e_SW有{e_p(1),e_p(2),e_p(3)}和{e_m(1),e_m(2),e_m(3)}两部分共6段信号，对应信号处理单元1对信号e_SW进行测量得到数据E_SW有{E_p(1),E_p(2),E_p(3)}和{E_m(1),E_m(2),E_m(3)}两部分共6个数据。在时间段T_p(i)和T_m(i)内信号处理单元1分别有数据E_p(i)＝e_p(i)和数据E_m(i)＝e_m(i)，i是1到3，这样可以计算正负差值数据E_pm(i)＝E_p(i)-E_m(i)。在周期T是d_p(i)与d_m(i)中交流成分周期的偶数倍时，干扰差值数据D(i)＝d_p(i)-d_m(i)＝D。即有E_pm(2)＝2K₀VB(2)+D和E_pm(3)＝2K₀VB(3)+D。信号处理单元1再计算阶梯正负差值数据E_pmsw(3)＝E_pm(3)-E_pm(2)，对应阶梯系数α(2)即有E_pm(2)＝2K₀Vα(2)B(3)+D，可得出E_pmsw(3)＝2K₀VB(3)[1-α(2)]。对应可计算出流体平均流速V的估计值：

如果阶梯系数α(2)＝0.5，有

Claims (3)

1.一种阶梯多值励磁的电磁流量计，包括一个信号处理单元(1)、一个励磁驱动单元(2)、一个有系数K₀的由励磁线圈(C)和测量管(L)以及两个信号电极(A1、A2)构成的传感器(3)；其特征在于：所述的励磁驱动单元(2)输出励磁电流I连接到传感器(3)的励磁线圈(C)，励磁电流I使所述的传感器(3)内产生周期T的正负交变磁场B；所述的传感器(3)的两个信号电极(A1、A2)在流体平均流速V下输出感应电势信号e＝K₀VB连接到信号处理单元(1)，信号处理单元(1)通过对输入感应电势信号e的测量得到数据E并计算估计流体的平均流速V；所述的励磁驱动单元(2)输出励磁电流是以周期T正负交变的阶梯多值电流I_SW，使传感器(3)内产生以周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW，传感器(3)在流体平均流速V和阶梯多值磁场B_SW下输出的感应电势信号e＝K₀VB_SW是周期T的多值电势信号e_SW，多值电势信号e_SW连接到信号处理单元(1)；所述的传感器(3)在周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW下输出周期T的多值电势信号e_SW有{e_p(1),…,e_p(m)}和{e_m(1),…,e_m(m)}两部分共2×m段信号组成，信号e_SW在时间段T_p(i)和T_m(i)内分别为信号e_p(i)＝e(i)+d_p(i)和e_m(i)＝-e(i)+d_m(i)，这里e(i)＝K₀VB(i)是感应电势信号，d_p(i)和d_m(i)分别是可能的干扰值，i是1到m；所述的信号处理单元(1)对传感器(3)输出的多值电势信号e_SW进行测量得到数据E_SW，对应多值电势信号e_SW数据E_SW有{E_p(1),…,E_p(m)}和{E_m(1),…,E_m(m)}两部分共2×m个数据组成，数据E_SW在时间段T_p(i)和T_m(i)内分别有数据E_p(i)＝e_p(i)和数据E_m(i)＝e_m(i)，i是1到m，m不小于3；通过阶梯多值励磁方式，将正和负向励磁的励磁上升时间分解到了阶梯多值励磁的每个阶梯励磁的上升时间中，在不增加励磁上升时间的前提下，阶梯多值励磁过程增加了励磁跳变次数，提高了电磁流量计的等效励磁频率，增强了电磁流量计克服流体流动噪声和浆液噪声的能力；阶梯多值励磁下得到的多值感应电势数据又为动态消除零点漂移干扰提供了数值依据。

2.根据权利要求1所述的阶梯多值励磁的电磁流量计，其特征在于：所述的励磁驱动单元(2)在每周期T分2×m段时间{T_p(1),…,T_p(m)}与{T_m(1),…,T_m(m)}下输出的阶梯多值电流I_SW有正多值恒定电流{I(1),…,I(m)}和负多值恒定电流{-I(1),…,-I(m)}两部分共2×m段恒定电流组成，电流I_SW使所述的传感器(3)内产生以周期T正负交变的阶梯多值磁场B_SW，磁场B_SW有正多值恒定磁场{B(1),…,B(m)}和负多值恒定磁场{-B(1),…,-B(m)}两部分共2×m段恒定磁场组成，B(m)为最大值，每个恒定磁场B(i)有阶梯多值关系B(i)＝α(i)B(i+1)，α(i)是阶梯系数，i是1到m-1。

3.根据权利要求1或2所述的阶梯多值励磁的电磁流量计，其特征在于：所述的信号处理单元(1)对每周期T的数据E_p(i)和E_m(i)进行计算，i是1到m，按步骤计算估计流体平均流速V：

(a).计算正负差值数据E_pm(i)＝E_p(i)-E_m(i)，由E_pm(i)＝e_p(i)-e_m(i)得出E_pm(i)＝2K₀VB(i)+d_p(i)-d_m(i)，取干扰差值数据D(i)＝d_p(i)-d_m(i)，在周期T值是d_p(i)与d_m(i)中交流成分周期的偶数倍时有D(i)＝D，即得出正负差值数据E_pm(i)＝2K₀VB(i)+D；

(b).计算阶梯正负差值数据E_pmsw(m)＝E_pm(m)-E_pm(m-1)，有对应的阶梯系数α(m-1)使E_pm(m-1)＝2K₀Vα(m-1)B(m)+D，得出阶梯正负差值数据E_pmsw(m)＝2K₀VB(m)[1-α(m-1)]，即有流体平均流速V：