CN109313048B - 操作用于测量在测量管中介质的流速或体积流量的磁感应流量测量装置的方法 - Google Patents

操作用于测量在测量管中介质的流速或体积流量的磁感应流量测量装置的方法 Download PDF

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CN109313048B CN201780032957.6A CN201780032957A CN109313048B CN 109313048 B CN109313048 B CN 109313048B CN 201780032957 A CN201780032957 A CN 201780032957A CN 109313048 B CN109313048 B CN 109313048B
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Abstract

本发明涉及一种用于操作磁感应流量测量装置的方法以及一种磁感应流量测量装置，其中包括至少一个线圈(21)的至少一个磁系统(M)产生大致垂直于测量管(10)的纵轴延伸的周期改变极性的磁场，以便在介质中感应出流量依赖的电压(31)，其中在测量阶段为了记录用于确定流率或体积流量的至少一个电压值，产生大致恒定的磁场(31)，其极性在磁极转换阶段被反转，其中在磁极转换阶段中能量供应完全由电容器提供。

Description

操作用于测量在测量管中介质的流速或体积流量的磁感应流 量测量装置的方法
技术领域
本发明涉及一种操作用于测量在测量管中介质的流速或体积流量的磁感应流量测量装置的方法以及一种磁感应流量测量装置。
背景技术
磁感应流量测量装置已经长期应用于流量测量且已经证明它们胜任这项工作。磁感应流量测量的原理是基于由垂直指向流动的磁场在流经管线的导电介质中依赖于流量的电压的感应。所述磁场通常由具有一个或多个线圈的磁体系统产生。所述依赖于流量的电压由两个测量电极分接且由测量装置评估。已知介质的电导率和测量电压，已知的磁场可以用于确定通过管线的介质流量。
为了提高信号质量，磁场的极性通常周期性反转。通过比较在不同磁场极性测得的电压测量值，可以消除例如信号噪音或电压偏置的扰动量。
两个磁场极性之间的转换通过改变施加到磁场生成线圈上的电压极性完成。然而，极性反转阶段需要消耗一定量的时间，因为根据楞次定律线圈抵抗磁场的改变，以及因此具有一定的惰性。在极性转化时间中无法完成流量测量，从而极性反转阶段代表浪费时间。
例如以公开文本DE10312058A1为代表的现有技术通过对磁场生成线圈施加过电压以加速极性反转阶段来克服这个问题，其中所述过电压显著大于测量阶段中的电压。采用这种方法，所述极性反转阶段的持续时间能够显著减少。
然而，通过施加过电压缩短极性反转阶段对电源供应提出了高功率要求，因为在极性反转阶段的末段在线圈上同时有高电压和流过线圈的大电流。
发明内容
因此，本发明的目标包括一种用于操作磁感应流量测量装置的方法以及一种磁感应流量测量装置，在该方法和装置的情况下减少了电源供应的功率要求。
本发明的目标通过一种方法以及一种磁感应流量测量装置实现。
本发明的方法通过磁感应流量测量装置执行，其中至少一个磁体系统产生基本垂直于测量管的纵轴延伸且周期改变极性的磁场，用于在介质中感应出依赖于流量的电压，
其中在测量阶段为了记录用于确定流速或体积流量的至少一个电压值，而产生基本恒定的磁场，其在极性反转阶段被反转极性；
以及其中具有极性反转电路的电子操作电路控制磁体系统经由极性反转电路到电源供应的连接，
其中所述电源供应具有第一电压源和第二电压源，其中所述第二电压源具有电容器单元，其起到能量存储器的作用；
其中所述第一电压源适于在测量阶段操作磁体系统以及其中第二电压源适于在极性反转阶段操作磁体系统，其中所述极性反转电路交替变换连接的极性；
其中与介质耦合的至少两个测量电极记录在介质中由磁场感应出的电压，其中所述电子操作电路此外还适于评估由测量电极记录的电压；
其中所述方法包括如下的步骤：
在测量阶段期间经由极性反转电路从第一电压源向磁体系统施加基本恒定的电压以及为电容器单元充电；
在极性反转阶段期间通过极性反转电路改变连接的极性以及经由极性反转电路从第二电压源向磁体系统施加可变过电压，
在跟随在极性反转阶段之后的测量阶段中经由极性反转电路从第一电压源向磁体系统施加基本恒定的电压，
其中所述过电压在极性反转阶段开始时具有开始值以及在极性反转阶段结束时有结束值，以及其中所述开始值的大小大于结束值的大小，
以及其中所述电容器单元至少在极性反转阶段开始时由于磁体系统的瞬态特性而由磁体系统充电，以及其中至少在极性反转阶段结束时至少部分地从所述电容器单元发生所述磁体系统的能量供应。
在所述方法的实施例中，至少在极性反转阶段结束时，所述磁体系统的能量供应完全来自所述电容器单元。
在所述方法的实施例中，在整个极性反转阶段中，能量供应完全来自电容器。
在所述方法的实施例中，结束值的大小设置成大于所述恒定电压的大小。
在所述方法的实施例中，结束值的大小设置成基本等于所述恒定电压的大小。
在所述方法的实施例中，极性转换电压的大小限制在120V以及尤其在100V以及优选地在90V。
在所述方法的实施例中，在测量阶段期间所述电容器从第二电压源充电。
本发明的一种用于使用所述方法，用于测量在测量管中介质的流速或体积流量的磁感应流量测量装置，在该情况下，包括：
测量管；
在每种情况下都具有至少一个线圈的至少一个磁体系统，该磁体系统适于产生基本垂直于测量管的纵轴延伸的磁场；
以及，布置在测量管中的至少两个测量电极，其耦合到所述介质，以及其中所述测量电极适于记录在介质中由磁场感应出的依赖于流量的电压；
以及至少一个电源供应，其具有第一电压源和第二电压源，其中所述第二电压源具有电容器单元，其起到能量存储器的作用；
以及电子操作电路，具有极性反转电路并且适于操作所述磁体系统和所述测量电极，以及利用极性反转电路控制磁体系统经由极性反转电路到电源供应的连接。
在所述流量测量装置的实施例中，第二电压源适于在测量阶段为电容器单元充电。
在所述流量测量装置的实施例中，电容器单元适于至少在极性反转阶段开始时由磁体系统充电。
在所述流量测量装置的实施例中，所述极性反转电路至少包括第一交替元件且适于将磁体系统连接到第一电压源或者第二电压源。
在所述流量测量装置的实施例中，第一交替元件包括至少一个晶体管和至少一个二极管。
在所述流量测量装置的实施例中，所述操作电路包括用于控制极性反转电路和/或交替元件的中央控制单元。
在所述流量测量装置的实施例中，所述极性反转电路包括四个开关元件，其中第一开关元件和第二开关元件形成第一串联连接，以及其中第三开关元件和第四开关元件形成第二串联连接以及其中所述第一串联连接和第二串联连接并联连接。
在所述流量测量装置的实施例中，磁体系统的操作利用通过分接第一开关元件和第二开关元件之间的第一电势和第三开关元件和第四开关元件之间的第二电势而得到的电压完成。
因此存在一种由本发明提供的用于操作磁感应流量测量装置的方法，该方法特征在于电源供应方面较低的功率要求。本发明还提供一种相应的磁感应流量测量装置。
附图说明
本发明现在将基于在附图中呈现的实施例进行解释，附图示出如下：
图1是示意过程流。
图2示意为随时间变化的施加到根据本发明的磁体系统上的电压。
图3本发明的电子操作电路的示意结构。
图4本发明的磁感应流量测量装置的示意截面图。
图5本发明交替元件的结构示例。
具体实施方式
图1示出了本发明的方法100的示意流程图。首先，在先于极性反转阶段UP的测量阶段MP1中经由极性反转电路UPS从电源供应SV的第一电压源Q1向磁体系统M提供基本恒定的电压UK1。此外，电源供应SV的第二电压源Q2的电容器单元KE在测量阶段MP1期间充电，从而在测量阶段MP1结束时所述电容器单元KE被充电有充电电压，从而在接下来的极性反转阶段UP开始后，在极性反转阶段开始时向所述磁体系统M提供可变过电压的开始值UUA。
在测量阶段MP1结束后，极性反转阶段UP开始。所述操作电路交替到来自第二电压源Q2的供电且切换开关元件S1到S4，以便改变磁场的极性。在极性反转阶段UP期间，向磁体系统M提供可变过电压，其中所述过电压在极性反转阶段开始时具有开始值UUA并且在极性反转阶段结束时具有结束值UUE，以及其中开始值UUA的大小大于结束值UUE的大小。此外，在极性反转阶段UP开始时，第一电压源Q1的电容器因为磁体系统的瞬态特性由磁体系统充电。
在极性反转阶段结束时，测量阶段MP2开始。在测量阶段MP2中，经由极性反转电路UPS从电源供应SV的第一电压源Q1向磁体系统M提供基本恒定的电压UK2。在该情况下，前述极性反转阶段的电压值UUE的大小大于或等于电压UK2。此外，电源供应SV的第二电压源Q2的电容器单元KE在测量阶段MP2中被充电，从而在测量阶段MP2结束时电容器单元KE被充电有充电电压，从而在接下来的极性反转阶段(UP)开始后，在极性反转阶段开始时向磁体系统M提供可变过电压的开始值UUA。
跟随测量阶段MP2，新的极性反转阶段UP开始。操作电路将电源供应转移成来自第二电压源Q2且切换开关元件S1到S4，以便改变磁场的极性。在极性反转阶段UP期间，向磁体系统M提供可变过电压，其中所述过电压在极性反转阶段开始时具有开始值UUA并且在极性反转阶段结束时具有结束值UUE，以及其中开始值UUA的大小大于结束值UUE的大小。此外，在极性反转阶段UP开始时，第一电压源Q1的电容器因为磁体系统的瞬态特性由磁体系统充电。
在测量阶段MP2之后的极性反转阶段结束后，通过测量阶段-极性反转阶段的循环并且新的循环以测量阶段MP1开始。在该情况下，前述极性反转阶段的电压值UUE的大小大于或等于测量阶段MP1的电压UK1。
图2示出了施加到磁体系统M上的示意性地随时间变化的电压U。在测量阶段MP1期间，施加基本恒定的电压UK1用于驱动磁体系统中基本恒定的电流。因此，在测量管10中产生用于在流动介质中感应出电压的恒定磁场。同时，给第二电压源Q2的电容器单元KE充电。
在测量阶段MP1结束后，极性反转阶段被引入，其中磁体系统M的电源供应由电容器单元KE提供，从而，在极性反转阶段UP开始时，向磁体系统施加电压UUA。由于磁体系统的瞬态特性，至少在极性反转阶段开始时电容器单元KE由磁体系统充电。采用这种方式，电容器两端的和施加到磁体系统M上的电压的大小首先增加。随着瞬态的减弱，电容器开始放电，从而磁体系统M两端的电压的大小下降，直到磁体系统的极性反转阶段终止。在极性反转阶段结束时，电压UUE施加到磁体系统上，其中电压UUA的大小大于电压UUE的大小。这导致在电容器上存储有一定的能量，其是足够的从而在极性反转阶段期间磁体系统M的电源供应能够完全从电容器产生。理想地，电压UUE大致相应于其后跟随的测量阶段MP2的电压UK2。采用这种方式，在测量阶段MP2开始时电源供应的瞬态特性能被减少或压缩。
在接下来的测量阶段MP2中，基本恒定电压UK2被施加到磁体系统上。
也示出跟随测量阶段MP2的电压。
图3示出用于本发明的磁感应流量测量装置的与本发明相关的电子组件的示意性电路，包括磁体系统M、极性反转电路UPS、中央控制单元ZS、交替元件W和包含第一电压源Q1和第二电压源Q2的电源供应SV，其中第二电压源Q2具有电容器单元KE。
极性反转电路包括四个开关元件，其能够承担“导通”和“非导通”状态，其中第一开关元件S1和第二开关元件S2形成第一串联连接，以及其中第三开关元件S3和第四开关元件S4形成第二串联连接以及其中所述第一串联连接和第二串联连接并联连接。磁体系统利用电压的操作通过分接第一开关元件S1和第二开关元件S2之间的第一电势和第三开关元件S3和第四开关元件S4之间的第二电势完成。交替地，所述开关元件S1和S4切换成导通以及开关元件S2和S3切换成不导通，以及然后，反之即可。因此，开关元件S1到S4的切换确定了磁体系统M两端的电势降的方向。开关元件例如可以是晶体管或继电器。
所述交替元件W在来自第一电压源Q1和第二电压源Q2的磁体系统电源供应之间交替。
交替元件W和极性反转电路UPS由中央控制单元ZS控制，其例如是带有操作所述微处理器的软件的微处理器。为了简明的原因，图3没有示出中央控制单元ZS到交替元件W或者到极性反转电路UPS的开关元件的连接。
图4以示例的方式示出了穿过磁感应流量测量装置的横截面，其包括测量管10、具有两个用于产生基本垂直于测量管轴延伸的磁场22的线圈21的磁体系统M、以及两个测量电极30。磁场22在流经测量管10的介质中产生依赖于流量的电压31，其从测量电极处分接。理想地，磁场22通过金属场返回向导(未示出)在测量管外侧的两个线圈21之间返回。磁体系统M的控制和从测量电极20分接电压的分接和评估由电子操作电路保证。磁体系统和测量电极到电子操作电路的连接为了简明的目的未示出。
图5示出了本发明交替元件W的示例，其具有晶体管T和二极管D，其中晶体管的集电极与第二电压源Q2连接且晶体管的基极区域与中央控制单元连接。晶体管的发射极与极性反转电路UPS连接，其中第一电压源Q1经过二极管D与发射极和极性反转电路连接，其中二极管导通方向定向为从第一电压源Q1到发射极。在测量阶段期间，晶体管阻断，从而第一电压源Q1用于磁体系统的电源供应。在极性反转阶段期间，晶体管是导通的。因为从第二电压源Q2产生的过电压在大小上大于从第一电压源Q1产生的电压UK1、UK2，在极性反转阶段期间仅有第二电压源Q2负责磁体系统M的电源供应。
参考标记列表
10 测量管
21 线圈
22 磁场
30 电极
31 介质中感应出的电压
100 方法
MP1 极性反转阶段之前的测量阶段
MP2 极性反转阶段之后的测量阶段
UP 极性反转阶段
UK1 在MP1中磁体系统两端的电压
UK2 在MP2中磁体系统两端的电压
UUA 在极性反转阶段开始时的过电压
UUE 在极性反转阶段结束时的过电压
SV 电源供应
Q1 第一电压源
Q2 第二电压源
W 交替元件
T 晶体管
D 二极管
ZS 中央控制单元
UPS 极性反转电路
S1 第一开关元件
S2 第二开关元件
S3 第三开关元件
S4 第四开关元件
M 磁体系统

Claims (17)

1.一种操作用于测量在测量管(10)中介质的流速或体积流量的磁感应流量测量装置的方法，
其中，具有至少一个线圈(21)的至少一个磁体系统(M)产生垂直于所述测量管(10)的纵轴延伸、且为了在所述介质中感应出依赖于流量的电压(31)而周期性改变极性的磁场(22)，
其中，在测量阶段为了记录用于确定流速或体积流量的至少一个电压值，产生恒定的磁场，所述磁场在极性反转阶段(UP)被反转极性；
以及其中，具有极性反转电路(UPS)的电子操作电路控制所述磁体系统(M)经由所述极性反转电路到电源供应(SV)的连接，
其中，所述电源供应(SV)具有第一电压源(Q1)和第二电压源(Q2)，其中，所述第二电压源(Q2)具有电容器单元(KE)，所述电容器单元起到能量存储器的作用；
其中，所述第一电压源(Q1)适于在测量阶段期间操作所述磁体系统(M)，以及其中，第二电压源(Q2)适于在极性反转阶段(UP)期间操作所述磁体系统(M)，其中，所述极性反转电路交替变换所述连接的极性；
其中，与所述介质耦合的至少两个测量电极(30)记录在所述介质中由所述磁场感应出的电压(31)，其中，所述电子操作电路此外还适于评估由所述测量电极(30)记录的电压；
其中，所述方法包括以下步骤：
在先于所述极性反转阶段(UP)的第一测量阶段(MP1)期间经由所述极性反转电路(UPS)从所述第一电压源(Q1)向所述磁体系统(M)施加恒定的第一电压(UK1)以及为所述电容器单元(KE)充电；
在所述极性反转阶段(UP)期间通过所述极性反转电路(UPS)改变所述连接的极性以及经由所述极性反转电路(UPS)从所述第二电压源(Q2)向所述磁体系统(M)施加可变过电压，
在跟随在所述极性反转阶段(UP)之后的第二测量阶段(MP2)期间经由所述极性反转电路(UPS)从所述第一电压源(Q1)向所述磁体系统(M)施加恒定的第二电压(UK2)，
其特征在于
所述过电压在所述极性反转阶段开始时具有开始值(UUA)以及在所述极性反转阶段(UP)结束时有结束值(UUE)，以及其中，所述开始值(UUA)的大小大于所述结束值(UUE)的大小，
以及其中，所述电容器单元(KE)至少在所述极性反转阶段(UP)开始时由于所述磁体系统(M)的瞬态特性而由所述磁体系统充电，以及其中，至少在所述极性反转阶段(UP)结束时至少部分地从所述电容器单元(KE)发生所述磁体系统的能量供应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少在所述极性反转阶段(UP)结束时，所述磁体系统的能量供应完全来自所述电容器单元(KE)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在整个所述极性反转阶段(UP)期间，能量供应完全来自所述电容器。
4.根据权利要求1到3中的一个所述的方法，其中，所述结束值(UUE)的大小设置成大于所述第一电压(UK1)和所述第二电压(UK2)的大小。
5.根据权利要求1到3中的一个所述的方法，其中，所述结束值(UUE)的大小设置成等于所述第一电压(UK1)和所述第二电压(UK2)的大小。
6.根据权利要求1到3中的一个所述的方法，其中，过电压的大小限制在120V。
7.根据权利要求1到3中的一个所述的方法，其中，过电压的大小限制在100V。
8.根据权利要求1到3中的一个所述的方法，其中，过电压的大小限制在70V。
9.根据权利要求1到3中的一个所述的方法，其中，在测量阶段(MP1、MP2)期间所述电容器从所述第二电压源(Q2)充电。
10.一种磁感应流量测量装置，用于使用根据权利要求1到9中的一个所述的方法测量在测量管(10)中介质的流速或体积流量，
其中，所述流量测量装置包括：
测量管(10)；
至少一个磁体系统(M)，在每种情况下都具有至少一个线圈(21)，所述磁体系统适于产生垂直于所述测量管的纵轴延伸的所述磁场(22)；
以及，布置在所述测量管(10)中的至少两个测量电极(30)，所述测量电极耦合到所述介质，以及其中，所述测量电极(30)适于记录在所述介质中由所述磁场感应出的依赖于流量的电压(31)；
以及至少一个电源供应(SV)，所述电源供应具有第一电压源(Q1)和第二电压源(Q2)，其中，所述第二电压源具有电容器单元(KE)，所述电容器单元起到能量存储器的作用；
以及电子操作电路，所述电子操作电路具有极性反转电路(UPS)且适于操作所述磁体系统(M)和所述测量电极(30)，以及利用所述极性反转电路(UPS)控制所述磁体系统(M)经由所述极性反转电路(UPS)到电源供应(SV)的连接。
11.根据权利要求10所述的磁感应流量测量装置，其中，所述第二电压源(Q2)适于在测量阶段(MP1、MP2)期间为所述电容器单元(KE)充电。
12.根据权利要求10所述的磁感应流量测量装置，其中，所述电容器单元(KE)适于至少在极性反转阶段开始时由所述磁体系统(M)充电。
13.根据权利要求10所述的磁感应流量测量装置，其中，所述电子操作电路此外包括至少一个交替元件(W)，其适于将所述磁体系统(M)连接到所述第一电压源(Q1)或者所述第二电压源(Q2)，其中，所述电子操作电路适于控制所述交替元件(W)。
14.根据权利要求13所述的磁感应流量测量装置，其中，所述交替元件(W)包括至少一个晶体管(T)和至少一个二极管(D)。
15.根据权利要求13所述的磁感应流量测量装置，其中，所述电子操作电路具有用于控制所述极性反转电路(UPS)和/或所述交替元件(W)的中央控制单元(ZS)。
16.根据权利要求10到15中的一个所述的磁感应流量测量装置，其中，所述极性反转电路包括四个开关元件，其中，第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)形成第一串联连接，以及其中，第三开关元件(S3)和第四开关元件(S4)形成第二串联连接，以及其中，所述第一串联连接和所述第二串联连接并联。
17.根据权利要求16所述的磁感应流量测量装置，其中，所述磁体系统(M)的操作利用通过分接所述第一开关元件(S1)和所述第二开关元件(S2)之间的第一电势和所述第三开关元件(S3)和所述第四开关元件(S4)之间的第二电势而得到获得的电压发生。
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