CN106796130B - 具有自动原位自清洁的磁流量计 - Google Patents

Abstract

一种磁流量计(102)包括流量计电子器件(143)和流管(108)，所述流管(108)被配置为容纳过程流体流。所述流管(108)具有邻近内径布置以接触过程流体的多个电极(124)。至少一个超声换能器(170)布置在所述流管(108)内，并被配置为将超声能量与邻近至少一个电极(124)的过程流体耦接。流量计电子器件(143)与所述多个电极(124)和所述至少一个超声换能器(170)耦接，并被配置为：检测至少部分电极(124)覆盖或累积，并作为响应使用所述至少一个超声换能器(170)产生流管(108)内的清洁周期。

Description

具有自动原位自清洁的磁流量计

背景技术

磁流量计(或磁计)通过法拉第定律、电磁场效应的应用来测量流量。磁流量计通过将激励电流传送通过场绕组在电绝缘的导电过程流体流两端产生磁场来为一个或更多个线圈供能。通过穿过磁场的流动过程流体来产生电动势(EMF)。通过与流动过程流体接触的一个或更多个导电电极可以容易地测量流体两端和相对于剩余过程流体的该感应电压(电势)。体积流量正比于流速和流管的横截面积。流速直接正比于电极电压电势(EV)，该电极电压电势(EV)直接正比于感应磁场强度(B)。假设感应磁场强度正比于施加的磁场(H)，磁场(H)与激励电流的幅值直接相关。因此，在测量的电极电压电势和指示的体积流量之间提供直接互相关。

磁流量计在各种导体和半导体流体流量测量环境中是有用的。具体地，水基流体、离子溶液及其他导电流体的流量均可以使用磁流量计测量。因此，可以在水处理设施、饮料和卫生食品生产、化学处理、高纯制药以及危险和强制性处理设施中找到磁流量计。

为了有效地操作，在磁流量计的电极之间扩展的路径的电导率必须相对较高。通过流体本身与跨流体和电极表面的界面电阻串联的电阻来确定该路径的总电阻。当磁流量计测量相对较脏的流体(例如包含油或浆料的流体时)，污物可能偶尔覆盖并附着至电极的活动表面。该覆盖可能改变电极的电特性，并且随着覆盖累积产生导致测量误差的界面电阻。

已知在磁流量计电极上使用超声清洁，特别是在磁流量计用于计量有覆盖电极趋势的缓慢流动的液体时。超声清洁可以例如由压电片形式的超声换能器组成，该压电片位于电极本体中或上，并且通过超声频率发生器周期性地供能。

发明内容

一种磁流量计包括流量计电子器件和流管，所述流管被配置为容纳过程流体流。所述流管具有邻近内径布置以接触过程流体的多个电极。至少一个超声换能器布置在所述流管内，并被配置为将超声能量与邻近至少一个电极的过程流体耦接。流量计电子器件与所述多个电极和所述至少一个超声换能器耦接，并被配置为：检测至少部分电极覆盖或累积，并作为响应使用所述至少一个超声换能器产生流管内的清洁周期。

附图说明

图1是根据本发明实施例的磁流量计有用的环境的示意视图。

图2是根据本发明实施例的磁流量计的框图。

图3A是根据本发明实施例的磁流量计的示意横截面视图。

图3B是根据本发明另一实施例的磁流量计的示意横截面视图。

图3C是根据本发明另一实施例的磁流量计的示意横截面视图。

图3D是根据本发明另一实施例的磁流量计的示意横截面视图。

图4是根据本发明实施例的检测电极覆盖并产生原位电极清洁过程的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了磁流量计102的典型环境100。磁流量计102与过程管线耦接，过程管线以线104示意示出，还与控制阀112耦接。磁流量计102被配置为提供在过程中通过管线104的关于过程流体流的流速输出。这些流体的示例包括化工、纸浆、制药和其他流体加工厂中的浆料和液体。

磁流量计102包括与流管108连接的电子器件外壳120。磁流量计102输出被配置用于经由过程通信连接106向控制器或指示器经过相对长距离的传输。在典型加工厂中，通信连接106可以是数字通信协议或模拟通信信号。可以经由无线通信、脉冲宽度或频率输出或离散输入/输出(DI/DO)来使相同或附加过程信息可用。系统控制器110可以为人类操作员显示流信息并在过程通信连接106上提供控制信号，以使用控制阀(例如阀112)控制该过程。

图2是根据本发明实施例的磁流量计的框图。磁流量计102测量通过流管组件108的导电过程流体的流量。线圈122被配置为响应于从线圈驱动器130施加的激励电流来在流体流量中施加外磁场。EMF传感器(电极)124与流体流量电耦接，并向放大器132提供与由于施加的磁场、流体速率和噪声而在流体流量中产生的EMF相关的EMF信号输出134。模数转换器142向流量计电子器件143的微处理器系统148提供数字化的EMF信号。可以通过硬件、软件或其组合来配置微处理器148，以提供关于EMF输出134的数字信号处理功能，从而提供与流体速率相关的输出152。

微处理器系统148根据如法拉第定律应用中描述的EMF输出134与流速之间的关系来计算通过流管108的流体流速：

其中E可以是与EMF输出134相关的信号输出152，V是流体速率，D是流管108的直径，B是过程流体中的感应磁场的强度，并且k是比例常数。微处理器148根据已知技术使用速率和所测量的磁场或线圈电流来计算过程流体的流量。数模转换器158与流量计电子器件143的微处理器148耦接，并生成模拟变送器输出160以耦接至通信总线106。数字通信电路162可以产生数字变送器输出164。根据需要，模拟输出160和/或数字输出164可以与过程控制器或监视器耦接。

根据本发明的实施例，磁流量计102的流量计电子器件143包括诊断组件166和超声驱动器168。诊断组件166可以与微处理器148分离或在微处理器148内具体化。可以经由硬件、软件或其组合来配置诊断组件166，以提供关于污垢或其他的材料向一个或更多个电极124的附着的诊断指示。诊断组件166可以采用用于测量电极124或与电极124交互的任何诊断技术，以提供指示电极覆盖的诊断输出。在一个示例中，诊断技术可以与US专利5,370,000采用的技术相同，US专利5,370,000教导了磁流量计中电极覆盖的检测。然而，可以使用能够提供关于电极覆盖指示的任意其他合适技术。当诊断组件166确定电极124的一个或更多个已经经受了特定水平的材料累积或至少部分的覆盖时，流量计电子器件143被配置为：作为响应，采用超声驱动器组件168以使一个或更多个超声换能器170在流动的过程流体内产生超声能量。在一个示例中，超声换能器170可以是压电或磁致伸缩组件。这种结构的合适示例是在千赫范围中工作的陶瓷锆钛酸铅。

在U.S.专利3,479,873和4,287,774中提供了在磁流量计中使用电极的超声清洁技术。然而，不赞成现代磁流量计具有这种精度和将超声换能器与电极直接耦接的机械集成度。作为替代，本发明的实施例一般在磁流量计的流管内被选择用于邻近电极产生超声能量的一个或更多个位置处提供一个或更多个超声换能器，而无需实际允许超声换能器接触电极。附加地，超声换能器本身也可以由合适的诊断组件(例如，诊断电路166和/或超声驱动器168)用于推断地确定电极124何时可能变脏。例如，如果换能器170接触过程流体，则可以推断出：当换能器变脏或污浊时，电极也将污浊。由于固体或其他污物向换能器的附着将改变换能器的质量，这种换能器的谐振频率将显著改变。因此，通过向换能器170应用不同驱动频率并测量或用其他方式获得换能器的响应，可以测量谐振频率的改变。谐振频率的这些改变可以用于推断电极覆盖诊断。此外，基于换能器的诊断可以与传统的基于电极覆盖的诊断组合，以提供对于何时适合超声清洁的更鲁棒的指示。

在一个实施例中，当流量计102要开始电极的超声清洁时，停止正常流量计操作和过程流信息的提供。因此，中断经由线圈122的磁场的产生，并且超声驱动器168使换能器170参与(engage)。该自清洁操作可以持续预定的时间量，或可以中断该过程并可以产生电极覆盖诊断，以确定是否发生了充分清洁。如果需要附加的清洁，则可以再次使超声换能器170参与并且可以继续清洁操作。该重复的诊断/清洁周期可以继续，直至经过了预定量的时间为止。如果在已经经过了这种预定量的时间之后诊断仍指示电极覆盖，则微处理器148可以在通信总线106上提供对清洁操作尚未成功并且需要技术人员干预的指示。如以上所阐述的，本发明的实施例一般提供可相对邻近磁流量计的一个或更多个电极、但与磁流量计的一个或更多个电极分离的超声换能器。

图3A是根据本发明实施例的磁流量计的示意横截面视图。如图所示，在流管108内彼此相反地布置电极124。每个电极124穿过电绝缘衬里172并因此接触流经流管108的过程流体。在相应的超声换能器170附近放置电极124的每一个。然而，如图3A中所示，超声换能器170与它们的相应电极物理地分离。当流量计102执行原位清洁时，每个超声换能器170以超声频率在过程流体内产生运动。该引入过程流体内的超声能量导致超声激励的过程流体清洁电极124的附近表面。

图3B是根据本发明另一实施例的磁流量计的示意横截面视图。如以上参照图1和2描述的，磁流量计包括电子器件外壳120。附加地，磁流量计的流管108包括一对正好相对布置的电极124。与参照图3A示出的实施例类似，图3B具有位于大约0和180度处的电极124。然而，相反，单个超声换能器170位于大约270度。尽管超声换能器170与电极124径向间隔开，仍考虑它由于在流管内的轴向位置而邻近电极124布置。当需要原位超声清洁时，使换能器170产生具有超声频率的移动。该移动激励流管108内的过程流体，并使超声激励的过程流体清洁电极124。

图3C是根据本发明另一实施例的磁流量计的示意横截面视图。如图3C中所示，每个电极124附近具有一对超声换能器170。在示出的实施例中，每对超声换能器包括在第一径向上与相应电极间隔开的第一超声换能器，和在与第一径向相反的第二径向上间隔开的第二超声换能器。在一个实施例中，第一和第二超声换能器可以与相应电极等距间隔开。因此，针对两个电极，示出了总共四个超声换能器170。附加超声换能器170的使用可以允许磁流量计将更多超声能量耦接到过程流中，并为更困难的介质提供更有力的超声清洁。附加地，在每个电极124下方和上方的超声换能器的使用可以允许基于超声换能器的诊断方法单独或与电极覆盖诊断技术组合来更有效地使用，以确定产生原位清洁循环的合适次数。

图3D是根据本发明另一实施例的磁流量计的示意横截面视图。除了换能器相对于图3A关于横轴翻转之外，图3D与图3A类似。因此，在直径相对侧布置每个电极。在所示示例中，直径从0度位置扩展至180度位置。在图3A和3D中所示的实施例中，在直径的相对侧上布置超声换能器。例如，在图3D中，超声换能器布置在大约20度处，因此在从0-180度扩展的直径之上。另一超声换能器位于在大约200度处，因此在从0-180度扩展的直径以下。

因此，图3A-3C指示了针对根据本发明实施例的一个或更多个超声换能器在磁流量计的流管中的放置可以提供各种配置选项。附加地，尽管至此已经一般地示出与电极径向间隔开的超声换能器，还预想超声换能器可以在流体流量(即，上流)的方向上间隔开。

图4是根据本发明实施例的检测电极覆盖并产生原位电极清洁过程的方法的流程图。方法200在块202开始，在块202处执行覆盖检测。该覆盖检测可以是现在已知或稍后开发的任意合适的电极覆盖诊断。附加地或备选地，与一个或更多个超声换能器相关的覆盖检测可以用于推断地确定流管内的电极覆盖。

一旦已经完成了块202的覆盖检测，块204确定检测到的覆盖的量是否高于所选阈值。如果不高于所选阈值，则在所选时间量之后控制返回块202。用这种方式，磁流量计将直接或间接周期地执行电极覆盖检测，并且如果检测到的覆盖厚度低于所选阈值，则继续正常操作。然而，如果检测到的覆盖厚度高于所选阈值，则控制转至块206，在块206处执行原位电极清洁操作。

为执行块206的原位电极清洁操作，流量计电子器件(例如处理器148)被配置为使超声驱动器在磁流量计的流管内为一个或更多个超声换能器(例如超声换能器170)供能。超声换能器的该供能将超声能量耦合到过程流体中。然后，过程流体本身用作与超声供能的过程流体直接接触的电极(例如电极124)上的超声清洁介质。

一旦完成了块206的清洁操作，则块208确定在预定时间量(例如1小时)内是否已经完成了多次清洁操作。如果没有，则控制返回块202，在块202中再次执行电极覆盖的检测。因此，如果块206的超声清洁操作成功，则块202的检测将指示电极上的覆盖低于所选阈值，并且操作将正常继续。然而，在原位清洁过程未成功移除或去掉电极上的材料的情况下，方法将重复直至特定时间量内的清洁周期次数达到阈值。这时，控制将转至块210，在块210中磁流量计将本地地、远程地或本地地和远程地指示由于电极覆盖而导致的报警条件存在。因此，过程操作者将被警告该条件，并且将不再依赖磁流量计提供精确的过程流体流量测量。此外，可以向磁流量计派遣技术人员，以视情况人工清理流管和/或替换有缺陷的组件。

虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将会认识到的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以实现形式和细节上的修改。

Claims (18)

1.一种磁流量计，包括：

流管，被配置为容纳过程流体流，所述流管具有邻近内径布置以接触过程流体的多个电极；

至少一个超声换能器，布置在所述流管内，并被配置为将超声能量与邻近至少一个电极的过程流体耦接；

流量计电子器件，与所述多个电极和所述至少一个超声换能器耦接，所述流量计电子器件包括诊断组件，被配置为检测至少部分电极覆盖或累积，并作为响应使用所述至少一个超声换能器在流管内产生清洁周期；以及

其中流量计电子器件包括超声驱动器电路，所述超声驱动器电路被配置为在清洁周期期间选择性地为所述至少一个超声换能器供能。

2.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述至少一个超声换能器包括多个超声换能器，每个超声换能器邻近相应电极布置。

3.根据权利要求2所述的磁流量计，其中每个超声换能器与相应电极径向间隔开。

4.根据权利要求2所述的磁流量计，其中每个超声换能器沿所述流管与相应电极纵向地间隔开。

5.根据权利要求2所述的磁流量计，其中多个电极在流管的直径上彼此相对地布置。

6.根据权利要求5所述的磁流量计，其中一个超声换能器布置在直径的一侧上，并且另一超声换能器在直径的另一侧上布置。

7.根据权利要求2所述的磁流量计，其中所述至少一个超声换能器针对每个电极包括一对超声换能器。

8.根据权利要求7所述的磁流量计，其中每对超声换能器包括在第一径向上与相应电极间隔开的第一超声换能器和在与第一径向相反的第二径向上与相应电极间隔开的第二超声换能器。

9.根据权利要求8所述的磁流量计，其中第一超声换能器和第二超声换能器与相应电极等距间隔开。

10.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述流量计电子器件包括处理器，所述处理器被配置为周期性地使所述诊断组件评估潜在的电极覆盖，并且如果检测到电极覆盖高于预定阈值，则作为响应，采用所述超声驱动器电路。

11.根据权利要求10所述的磁流量计，其中所述处理器还被配置为：使所述诊断组件在清洁周期之后评估潜在电极覆盖。

12.一种用于根据权利要求1至11中任一项所述的磁流量计的流管，所述流管包括：

流导管，被配置为容纳过程流体；

电绝缘衬里，被布置在流导管内并被配置为将过程流体与流导管电绝缘；

电极对，被布置在流导管内并被配置为接触流过流管的过程流体；以及

超声换能器对，被布置在流导管内邻近所述电极对中的每个相应电极。

13.根据权利要求12所述的流管，其中至少一个超声换能器由压电材料制成。

14.根据权利要求13所述的流管，其中所述压电材料是锆钛酸铅。

15.根据权利要求12所述的流管，其中至少一个超声换能器由磁致伸缩材料制成。

16.一种操作根据权利要求1至11中任一项所述的磁流量计的方法，所述方法包括：

检测到高于预定水平的电极覆盖；以及

作为响应，使用在流量计的流管内布置的邻近至少一个电极的至少一个超声换能器来发起原位超声清洁操作。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：在完成原位超声清洁操作之后，检测电极覆盖；以及如果电极覆盖仍高于预定水平，则作为响应，发起第二原位超声清洁操作。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：重复检测和清洁步骤，直至在所选时间量内已经执行了阈值次数的清洁步骤为止，并作为响应，指示关于电极覆盖的报警条件。

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