CN110392821B - 操作磁感应流量计的方法及磁感应流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作磁感应流量计(1)的方法(100)以及这种流量计，其中在测量信号上叠加的扰动至少部分地由对扰动的负反馈补偿到测量信号。

Description

操作磁感应流量计的方法及磁感应流量计

技术领域

本发明涉及一种用于操作用于测量测量管中介质的流动速度或体积流量的磁感应流量计的方法以及涉及一种磁感应流量计。

背景技术

磁感应流量计长期以来一直是现有技术，并且用于流动通过测量管的各种介质的流量测量。测量原理是基于在磁场中移动的介质的电荷载流子的分离，由此产生流量相关电压，该电压能够通过测量电极记录并且使得能够确定流动通过测量管的介质的流量。

然而，因为扰动效应能够引起在给定情况下能够具有比与该流量有关的电压大多个数量级的幅度的电压，所以这种流量相关电压也受到在介质内的测量电极的界面处的电化学扰动效应的影响，这是使得流量测量困难的事实。在这种情况下，对于大多数装置，流量测量包括在存在不同磁场的情况下测量的两个电极电压的差的测量。为了能够正确地测量这些电极电压，绝对需要电极电压保持在解释电极电压的电路的工作范围内。在不需要校正扰动效应的情况下，人们被迫选择非常宽的工作范围，这意味着电压的测量的准确度小并且流量测量值的测量误差大。为了解决这个问题，DE3537752A1教导了一种模拟电子电路，其通过反馈来校正测量电极信号。然而，该教导要求使用补偿间隔，其扰动地作用于流量计的实施例。由DE102012106926A1提供了替选解决方案。在这种情况下，测量电极信号由补偿电压带入到解释这些信号的电路的工作范围中，其中补偿电压选自小数量的预定离散电压值。然而，仅当确保扰动电压波动仅在相对有限的电压范围内发生时，该过程才起作用。此外，该教导面向其中与电压测量的测量间隔相比扰动电压变化的时间段大的情况。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于操作磁感应流量计的方法以及这种流量计，在该流量计中使得能够实现更有效的流量测量以及更好和更全面的扰动效应补偿。

该目的是通过如独立权利要求1所限定的方法和如独立权利要求11所限定的磁感应流量计来实现。

在本发明的用于测量测量管中的介质的流动速度或体积流量的方法的情况下，

在供应阶段期间利用磁体系统的至少一个线圈系统向所述介质供应第一极性的磁场，所述磁场基本上垂直于测量管轴线延伸，其中，通过向所述线圈系统施加电线圈电压来产生磁场，其中供应阶段包括具有基本上恒定的磁场的测量阶段；

其中，由磁场在介质中感应的流量相关电极电压由至少两个测量电极记录并且由输出单元输出；

其中，之后的、尤其是邻接的供应阶段的磁场具有相对于第一极性反转的第二极性；

其中，电极电压被馈送到放大器单元，其中，所得到的放大的电极电压被馈送到第一模拟/数字转换器；

其中，在测量阶段期间考虑电极电压用于确定扰动电压，其中该扰动电压被补偿，

其中，扰动电压是利用数字计算电路确定的，并且其中，针对每个供应阶段重新确定和补偿扰动电压。

在该方法的实施例中，考虑在供应阶段之前或之后的供应阶段、尤其是在供应阶段最接近的之前或最接近的之后的供应阶段的测量阶段的电极电压，用于确定扰动电压。

通过组合多个电极电压的值、尤其是来自具有不同极性的磁场的供应阶段的电极电压的值，能够更精确地确定扰动电压。

在该方法的实施例中，放大器单元的放大因子是可调节的，并且其中，在补偿扰动电压之后，供应阶段的放大的电极电压与之后的供应阶段的放大的电极电压之间的差的值是第一模拟/数字转换器的输入电压范围的至少10％、并且尤其是至少20％、并且优选地至少30％。

在第一模拟/数字转换器的输入范围的至少10％、或尤其地是至少20％、或优选地至少30％以上的放大的电极电压之间的差的增加减少了由第一模拟/数字转换器输出的数字电压值的量化噪声。

在该方法的实施例中，在将电极电压递送到放大器单元之前利用求和单元执行电极电压的补偿，该求和单元具有用于电极电压的第一信号输入和用于所确定的扰动电压的值的第二信号输入。

在该方法的实施例中，数字计算电路包括低通滤波器。低通滤波器适于将缓慢变化的扰动电压与电极电压隔离，所述电极电压在供应阶段交替时由于磁场交替而快速改变。数字低通滤波器评估一定数量、尤其是偶数的前后相继的测量阶段的电极电压，以确定瞬时扰动电压的值。例如，低通滤波器能够是平均值滤波器。例如，能够计算加权平均，其中低通滤波器的滤波器内核的值的例程遵循函数或分布的曲线，其中该函数或分布例如是来自以下列表中的一个：高斯函数、二项式分布。在这种情况下，用于滤波的技术例程相对应于一系列电极电压与所利用的滤波器函数的滤波器内核的卷积。

在该方法的实施例中，考虑至少四个、并且尤其是至少六个、以及优选地至少八个供应阶段的电极电压用于确定扰动电压。

在该方法的实施例中，考虑至多20个、并且尤其是至多16个、并且优选地至多12个供应阶段的电极电压来确定扰动电压。

在该方法的实施例中，考虑用于确定扰动电压的电极电压的数量是可适配的。尤其地，在扰动电压快速变化的情况下，减少数量可能是有利的，以确保更快地选择扰动电压的适当补偿。

在该方法的实施例中，计算电路被馈送由第一模拟/数字转换器数字化的电极电压。

在该方法的实施例中，计算电路被馈送由输出单元输出的并且由第二模拟/数字转换器数字化的电极电压。

在该方法的实施例中，将计算电路的表示扰动电压的输出信号馈送到数字/模拟转换器，该数字/模拟转换器与求和单元的第二信号输入连接。

一种用于实现本发明的上述方法的本发明的磁感应流量计包括：

测量管；

磁体系统，该磁体系统具有用于在该测量管中产生磁场的至少一个线圈系统，其中，该磁场基本上垂直于测量管轴线延伸；

至少一对测量电极，该至少一对测量电极用于记录由磁场感应的流量相关电极电压；

电子测量/操作电路，该电子测量/操作电路适于操作该磁体系统并且评估该电极电压，

其中，该电子测量/操作电路具有数字计算电路，该数字计算电路适于确定扰动电压，

其中，该测量/操作电路适于补偿该扰动电压。

在流量计的实施例中，测量/操作电路包括放大器以及第一模拟/数字转换器，

其中，该放大器适于放大该电极电压并且将该放大的电极电压提供给该第一模拟/数字转换器，并且

其中，该第一模拟/数字转换器适于数字化电极电压并且将该数字化的电极电压供应给该数字计算电路以及测量数据处理器。

在流量计的实施例中，测量/操作电路包括放大器单元以及第一模拟/数字转换器和第二模拟/数字转换器。

其中，该放大器单元适于放大电极电压并且将该放大的电极电压供应给该第一模拟/数字转换器，并且

其中，该第一模拟/数字转换器适于数字化电极电压并且向测量数据处理器供应该数字化电极电压，

其中，第二模拟/数字转换器适于数字化由输出单元输出的电极电压，并将数字化的电极电压供应给数字计算电路。

在流量计的实施例中，计算电路包括低通滤波器。

在流量计的实施例中，测量/操作电路包括求和单元，该求和单元具有针对电极电压的第一信号输入和针对确定的扰动电压的值的第二信号输入，用于补偿扰动电压。

其中，求和单元的输出与放大器的输入相连。

在流量计的实施例中，数字/模拟转换器被布置在求和单元和计算电路之间。

在流量计的实施例中，测量/操作电路包括适于控制由放大器单元对电极电压的放大以及衰减器对扰动电压的衰减的上级单元，

其中，所述上级单元还适于将所述放大因子发送给数字计算电路以及发送给测量数据处理器。

附图说明

现在将基于在附图中图示的实施例的示例来描述本发明，其中的附图示出如下：

图1示出作为时间的函数的电极电压的示意性示例；

图2示出本发明的用于操作本发明的流量计的方法的示意性流程图；

图3通过示例的方式示出本发明的流量计的电子测量/操作电路的示意性实施例。

图4示出测量/操作电子设备的替选实施例。

图5示出本发明的磁感应流量计的横截面的示例。

具体实施方式

图1示出由磁感应流量计的两个测量电极记录的电极电压的示例的放大截面。一种磁感应流量计通常包括测量管、具有用于在测量管中产生磁场的至少一个线圈系统的磁体系统，该磁场基本上垂直于测量管轴线；至少一对测量电极，用于记录由磁场感应的流量相关电极电压；以及电子测量/操作电路，其适于操作磁体系统并评估电极电压，以便从电极电压的评估中获得流量测量值。通常，所产生的磁场随着供应阶段改变而反转其极性。

图1示出的各个供应阶段的电极电压的曲线被大大简化，并且并没有示出供应阶段包括过电压阶段和测量阶段，其中在过电压阶段中在线圈系统上施加过电压，以便更快地稳定进入具有基本恒定磁场的期望状态，该期望状态是测量阶段所需要的。在之后的供应阶段中的磁场具有另一个值或其他极性的情况下，电极电压在供应阶段之间改变时改变其值，其中前后相继的供应阶段的三个示例电极电压被指定为E_n-1、E_n和E_n+1。流量测量值的计算是基于对两个、尤其是前后相继的供应阶段的测量电极电压之间的差的评估。

在其中电极电压仅取决于磁场和流量的理想情况下，相继测量的电极电压将位于零点的任一侧上。然而，在实际情况下，会发生能够由例如界面处的电化学效应所引起的扰动效应。这些扰动效应引入扰动电压StS，该扰动电压StS的幅度能够比供应阶段和之后的供应阶段之间的电极电压之间的电压差大2到5个数量级。例如，电压差的幅度能够位于从0mV到几mV的第一范围内，以及扰动电压的幅度能够位于从0mV到几百mV的第二范围内。扰动电压能够在一个时间段内在总的第二范围上波动，该时间段与单个供应阶段的持续时间相比大。通常，供应阶段花费几毫秒到一秒。扰动效应由于与这些电压差相比幅度上可能显著地更大的电压值而导致针对流量测量是有问题的。通常在磁感应流量计的情况下，电极电压被发送到第一模拟/数字转换器，以使得能够进行数字信号处理。模拟/数字转换器在输入侧上具有输入电压范围，该输入电压范围在输出侧上被转换为一定数量的离散电压值。因此，由数字电压值表示模拟电极电压。对于流量测量，考虑前后相继的供应阶段的测量阶段的电极电压之间的电压差。在其输入电压范围上放置可能的电极电压的完整范围的模拟/数字转换器对于小的电压差具有低的分辨率。这导致记录电压差中的扰动量化噪声。

图2示出在量化噪声被减小的情况下的方法100，其中，在第一方法步骤101中，确定由扰动效应引起的扰动电压StS的值，其中，在第二方法步骤102中，扰动电压被补偿，并且其中，在第三方法步骤103中，前后相继的测量阶段的电极电压之间的电压差适于第一模拟/数字转换器的输入电压范围。经由包括数字低通滤波器的数字计算电路来执行扰动电压的确定。数字低通滤波器评估一定数量、尤其是偶数的前后相继的测量阶段的电极电压以确定扰动电压的瞬时值。例如，低通滤波器能够是平均值滤波器。例如，能够计算加权平均，其中低通滤波器的滤波器内核的值的过程遵循函数或分布的过程，其中函数或分布是来自以下列表中的一个：高斯函数、二项式分布。该分布还能够经由数字滤波设计方法来确定。

在确定扰动电压之后，补偿在电极电压上强加的扰动电压或扰动电压的分数，使得电极电压在用放大器单元进行放大之后被馈送到第一模拟/数字转换器的输入。因此，利用在电极电压上强加的扰动的反馈来进行补偿。

图3通过示例的方式示出测量/操作电子设备50的实施例，其包括用于记录和输出电极电压的输出单元51、加法/减法单元52、放大器单元53、第一模拟/数字转换器54.1、具有数字低通滤波器55.1的数字计算电路55、数字/模拟转换器56、衰减器57、测量数据处理器58和上级单元59。输出单元51经由线34和35记录图5中示出的测量电极31、32的电位，并且输出电位差作为视情况而定向其加入或减去扰动信号的电极电压。放大器单元53适于放大从加法/减法单元52输出的经修改的电极电压，使得供应阶段的经放大的电极电压与之后的供应阶段的经放大的电极电压之间的差的值为第一模拟/数字转换器的输入电压范围的至少10％、尤其是至少20％、并且优选地至少30％。在这种情况下，选定的放大因子在至少一个供应阶段上保持恒定。第一模拟/数字转换器54.1将模拟电极电压转换成数字电压值，该数字电压值被馈送到测量数据处理器58以及数字计算电路55。在替选实施例中，数字计算电路55还能够是测量数据处理器58的一部分。在利用数字低通滤波器55.1确定扰动电压的值之后，利用数字/模拟转换器56将扰动电压的数字值转换成模拟电压，并且通过衰减器57以与放大因子相反的衰减因子进行衰减。所衰减的扰动电压被馈送到加法/减法单元52，加法/减法单元52通过所衰减的扰动电压来校正从输出单元51提供的电极信号。在流量改变的情况下，可能需要改变放大器单元的放大因子，以确保供应阶段的放大的电极电压与之后的供应阶段的放大的电极电压之间的差的值一方面保持在第一模拟/数字转换器的输入电压范围内，另一方面是输入电压范围的至少10％、尤其是至少20％、并且优选地至少30％。上级单元59控制放大器单元53的放大因子，并将放大因子发送到测量数据处理器58、数字计算电路55和衰减器57，以便它们正确地解释所获得的数字电压值。为了避免混淆图，未在图3中示出在上级单元59及其连接元件之间的电子连接。测量数据处理器基于两个测量阶段的电极电压之间的电压差来确定流量的瞬时测量值，使得必须已知电流放大因子用于解释相对应的数字电压值。测量数据处理器58能够包括带通滤波器，以便至少部分地补偿未经由数字计算电路补偿的剩余扰动电压分数。以相同的方式，数字计算电路55还考虑属于用于计算扰动电压的输入数字电压值的放大因子。为了经由数字低通滤波器来计算扰动电压，使用一定数量的数字电压值。考虑相对应的放大因子。在实施例中，所使用的数字电压值的数量是可适配的，以便例如在快速扰动电压改变的情况下通过减少所使用的数量电压值来实现针对扰动电压补偿的更好反应时间。此外，上级单元59适于操作磁体系统。

图4示出了测量/操作电子设备50的可选实施例，其中与图3的实施例相比，测量/操作电路具有第二模拟/数字转换器54.2，其中计算电路55被馈送由输出单元51输出并且由第二模拟/数字转换器54.2数字化的电极电压。

图5示出了包括测量管10的本发明的磁感应流量计1的横截面的示例；具有线圈系统21的磁体系统20，该磁体系统20在每种情况下包括线圈芯27和极靴25；以及用于记录介质中感应的电压的测量电极31和32。磁体系统向测量管10中的介质提供磁场，该磁场在箭头23的方向上延伸。磁场以及介质通过测量管的流量导致了在箭头33方向上的电极电压。此外，磁感应流量计能够包括场导回件40。测量电极31、32以及线圈系统21经由线路34、35、36与测量/操作电路50连接，测量/操作电路50适于操作磁体系统以及测量电极。极靴25适于确保磁场跨测量管横截面尽可能均匀的分布。

附图标记列表

1 磁感应流量计

10 测量管

20 磁体系统

21 线圈系统

23 磁场的方向

25 极靴

27 线圈芯

31、32 测量电极

33 电极电压方向

34、35 测量电极与测量/操作电路的连接

36 磁体系统与测量/操作电路的连接

40 场导回件

50 测量/操作电路

51 输出单元

52 加法/减法单元

53 放大器单元

54.1 第一模拟/数字转换器

54.2 第二模拟/数字转换器

55 数字计算单元

55.1 数字滤波器

56 数字/模拟转换器

57 衰减器

58 测量数据处理器

59 上级单元

100 方法

101 第一方法步骤

102 第二方法步骤

103 第三方法步骤

E_n 供应阶段的电极电压

E_n+1 之后的供应阶段的电极电压

E_n-1 前述供应阶段的电极电压

StS 扰动电压

Claims (24)

1.一种用于操作用于测量测量管(10)中的介质的流动速度或体积流量的磁感应流量计(1)的方法，

其中，在供应阶段期间利用磁体系统(20)的至少一个线圈系统(21)向所述介质供应第一极性的磁场，所述磁场垂直于测量管轴线延伸，其中，通过向所述线圈系统(21)施加电线圈电压来产生所述磁场，其中，所述供应阶段包括具有恒定的磁场的测量阶段；

其中，由所述磁场在所述介质中感应的流量相关的电极电压由至少两个测量电极记录并且由输出单元(51)输出；

其中，之后的供应阶段的磁场具有相对于所述第一极性反转的第二极性；

其中，所述电极电压被馈送到放大器单元(53)，其中，所得到的放大的电极电压被馈送到第一模拟/数字转换器(54.1)；

其中，在所述测量阶段期间考虑所述电极电压，以在第一方法步骤(101)中确定扰动电压(StS)，

其中，所述扰动电压在第二方法步骤(102)中补偿，

其特征在于，所述扰动电压(StS)是利用数字计算电路(55)来确定的，其中，针对每个供应阶段重新确定和补偿所述扰动电压，

其中，考虑在供应阶段之前或之后的供应阶段的测量阶段的电极电压，用于确定所述扰动电压，

其中，所述数字计算电路(55)包括低通滤波器(55.1)。

2.如权利要求1所述的方法，

其中，所述之后的供应阶段是邻接的供应阶段。

3.如权利要求1或2所述的方法，

其中，所述的供应阶段之前或之后的供应阶段是在该供应阶段最接近的之前或最接近的之后的供应阶段。

4.如权利要求1或2所述的方法，

其中，所述放大器单元(53)的放大因子是可调节的，并且其中，在补偿所述扰动电压之后，所述供应阶段的所放大的电极电压与之后的供应阶段的所放大的电极电压之间的差的值是所述第一模拟/数字转换器的输入电压范围的至少10％。

5.如权利要求4所述的方法，

其中，所述供应阶段的所放大的电极电压与之后的供应阶段的所放大的电极电压之间的差的值是所述第一模拟/数字转换器的输入电压范围的至少20％。

6.如权利要求4所述的方法，

其中，所述供应阶段的所放大的电极电压与之后的供应阶段的所放大的电极电压之间的差的值是所述第一模拟/数字转换器的输入电压范围的至少30％。

7.如权利要求1或2所述的方法，

其中，在将所述电极电压递送到所述放大器单元(53)之前，通过加法/减法单元(52)来执行所述电极电压的所述补偿，所述加法/减法单元(52)具有用于所述电极电压的第一信号输入和用于所确定的扰动电压的值的第二信号输入。

8.如权利要求1或2所述的方法，

其中，考虑至少四个供应阶段的所述电极电压用于确定所述扰动电压。

9.如权利要求1或2所述的方法，

其中，考虑至少六个供应阶段的所述电极电压用于确定所述扰动电压。

10.如权利要求1或2所述的方法，

其中，考虑至少八个供应阶段的所述电极电压用于确定所述扰动电压。

11.如权利要求1或2所述的方法，

其中，考虑至多20个供应阶段的所述电极电压用于确定所述扰动电压。

12.如权利要求1或2所述的方法，

其中，考虑至多16个供应阶段的所述电极电压用于确定所述扰动电压。

13.如权利要求1或2所述的方法，

其中，考虑至多12个供应阶段的所述电极电压用于确定所述扰动电压。

14.如权利要求1或2所述的方法，

其中，考虑用于确定所述扰动电压(StS)的电极电压的数量是可适配的。

15.如权利要求1或2所述的方法，

其中，所述数字计算电路(55)被馈送由所述第一模拟/数字转换器(54.1)数字化的所述电极电压。

16.如权利要求1或2所述的方法，

其中，所述数字计算电路(55)被馈送由所述输出单元(51)输出并且由第二模拟/数字转换器(54.2)数字化的所述电极电压。

17.如权利要求7所述的方法，

其中，将数字计算电路(55)的表示所述扰动电压的输出信号馈送到与所述加法/减法单元(52)的所述第二信号输入连接的数字/模拟转换器(56)。

18.一种用于实现如权利要求1至17中的一项所述的方法的磁感应流量计(1)，包括：

测量管(10)；

磁体系统(20)，所述磁体系统(20)具有用于在所述测量管(10)中产生磁场的至少一个线圈系统(21)，其中，所述磁场基本上垂直于测量管轴线延伸；

至少两个测量电极(31，32)，所述至少两个测量电极(31，32)用于记录由所述磁场感应的流量相关的电极电压；

输出单元(51)，所述输出单元(51)用于记录并输出由所述测量电极记录的所述电极电压；

电子测量/操作电路(50)，所述电子测量/操作电路(50)适于操作所述磁体系统(20)并且评估所述电极电压，用于确定流量测量值，

其特征在于：

所述电子测量/操作电路(50)具有适于确定扰动电压的数字计算电路(55)，

其中，所述测量/操作电路(50)适于补偿所述扰动电压。

19.如权利要求18所述的磁感应流量计(1)，

其中，所述电子测量/操作电路(50)包括放大器单元(53)以及第一模拟/数字转换器(54.1)，

其中，所述放大器单元(53)适于放大所述电极电压并且将所放大的电极电压供应给所述第一模拟/数字转换器(54.1)，并且

其中，所述第一模拟/数字转换器(54.1)适于数字化所述电极电压并且将所数字化的电极电压供应给所述数字计算电路(55)以及测量数据处理器(58)。

20.如权利要求18所述的磁感应流量计(1)，

其中，所述电子测量/操作电路(50)包括放大器单元(53)以及第一模拟/数字转换器(54.1)和第二模拟/数字转换器(54.2)，

其中，所述放大器单元(53)适于放大所述电极电压并且将所放大的电极电压供应给所述第一模拟/数字转换器(54.1)，并且

其中，所述第一模拟/数字转换器(54.1)适于数字化所述电极电压并且将所数字化的电极电压供应给测量数据处理器(58)，

其中，所述第二模拟/数字转换器(54.2)适于将由所述输出单元(51)输出的所述电极电压数字化，并且将所数字化的电极电压供应给所述数字计算电路。

21.如权利要求18至20中的一项所述的磁感应流量计(1)，

其中，所述数字计算电路(55)包括低通滤波器(55.1)。

22.如权利要求19或20中的一项所述的磁感应流量计(1)，

其中，所述电子测量/操作电路(50)包括加法/减法单元(52)，所述加法/减法单元(52)具有针对所述电极电压的第一信号输入和针对所确定的扰动电压的值的第二信号输入，用于补偿所述扰动电压，

其中，所述加法/减法单元(52)的输出与所述放大器单元(53)的输入连接。

23.如权利要求21所述的磁感应流量计(1)，

其中，所述测量/操作电路进一步包括数字/模拟转换器(56)并且包括衰减器(57)，所述数字/模拟转换器(56)和所述衰减器(57)被布置在加法/减法单元(52)与计算电路之间。

24.如前述权利要求23所述的磁感应流量计(1)，

其中，所述电子测量/操作电路(50)包括上级单元(59)，所述上级单元适于控制由所述放大器单元(53)对所述电极电压的放大以及由所述衰减器(57)对所述扰动电压的衰减，

其中，所述上级单元(59)进一步适于将所述放大因子发送给所述数字计算电路(55)以及发送给所述测量数据处理器(58)。

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