CN111426356A

CN111426356A - 具有独立线圈驱动和控制系统的磁性流量计组装件

Info

Publication number: CN111426356A
Application number: CN202010021569.1A
Authority: CN
Inventors: C.希奥巴努; J.罗米鲍
Original assignee: Georg Fischer Signet LLC
Current assignee: Georg Fischer Signet LLC
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2020-07-17
Also published as: US20200217699A1; EP3680627A1; TW202032097A; US10712184B1

Abstract

具有独立线圈驱动和控制系统的磁性流量计组装件。一种磁性流量计组装件具有管状主体，所述管状主体具有两个相对的端部，所述两个相对的端部在其之间限定用于导电流体的流体流路径。磁性流量计组装件进一步包括一对线圈组装件，该对线圈组装件被配置成经由第一和第二线圈驱动器来传递如从电压调控器接收的电流。所述线圈组装件可以因此生成磁场，其中一对测量电极检测由通过所述磁场的导电流体所感生的电压。此外，线圈组装件各自与至少一个传感器电耦合，所述至少一个传感器经由比例‑积分‑微分（PID）控制器来向相应的电压调控器提供反馈，所述比例‑积分‑微分（PID）控制器被配置成最小化在相应的所测量的电流与目标电流之间的误差。

Description

具有独立线圈驱动和控制系统的磁性流量计组装件

技术领域

本发明一般地涉及用于测量流体的传感器的控制和操作，并且更具体地涉及用于执行流体流量测量的磁性流量计。

背景技术

磁性流量计通过如下来测量通过管道的导电流体的速度：生成磁场并且测量结果得到的电压。这些流量计依赖于法拉第定律，在法拉第定律中，通过磁场的导电流体的流动引起电压信号，所述电压信号由电极来被感测并且感测的电压与流体速度成比例。

磁性流量计组装件一般是插入型磁性仪表或全径（full bore）磁性仪表。插入型磁性仪表典型地包括被安置到流体流中的传感器主体以及被布置在所述传感器主体的远端处的电极。传感器可以包括生成磁场的导电线圈，所述磁场与流体流相结合地产生电动力（电压），所述电动力（电压）然后由电极来被感测。全径磁性仪表典型地包括沿着流体导管被直排布置的管状主体，其中具有被布置在所述管状主体上的生成跨主体的磁场的导电线圈以及被插入到主体的壁中的电极。

尽管这些流量计一般是有效的，但是存在不足。例如，这些设备可能遭受温度变化，假定恒定流率，这影响导电线圈的电阻，从而影响流过线圈的电流并且潜在地变更流体流路径内的磁场以及结果得到的测量的电压。此外，由于导电线圈可以成对，因此在该对线圈之间的任何偏离潜在地改变磁场的对称性，也从而导致经变更的磁场。对磁场的这些改变可能不利地影响流量计的测量准确性。

因此，应当领会的是，仍存在对于解决这些担忧的磁性流量计组装件的需要。本发明满足这些需要以及其它需要。

发明内容

简要并且一般而言，本发明提供一种用于为磁性流量计生成磁场的系统和有关方法。所述系统包括：用于提供通过第一线圈组装件的第一电流的第一线圈驱动器，用于提供通过第二线圈组装件的第二电流的第二线圈驱动器，以及用于相应地测量与第一和第二线圈组装件相关联的电性质的对应的传感器。所述系统进一步被配置成响应于对应的测量的电性质来向第一和第二电压调控器提供反馈。照此，所述第一和第二电压调控器可以响应于反馈信号来相应地独立修改通过第一和第二线圈组装件的电流，并且从而使得能够在流体流路径内产生规定的磁场，而同时计及影响线圈组装件的任何非对称条件。

更具体地，通过示例并且不是限制，所述系统包括管状主体，所述管状主体具有相对的端部，所述相对的端部被配置成使能实现在其之间的流体流动。一对测量电极被附连到管状主体，以测量通过流过线圈组装件所产生的磁场的导电流体来感生的电压。通过使用所测量的电压，可以通过使用被电耦合到测量电极的处理器来计算流体速度和流率。

在示例性实施例的详细方面中，所述系统包括：相应的仪器化放大器，其用于缩放由对应的传感器测量的电性质；模拟至数字转换器，其用于转换电性质；以及误差放大器，其用于为对应的线圈组装件检测在测量的电性质与目标（所期望的）电性质之间的差异。基于检测的误差，比例-积分-微分（PID）控制器向脉冲宽度调制器（PWM）提供输出，以用于使通过使用系统调谐过程来检测的误差最小化。PWM输出被滤波、缓冲并且求和，以去往用于电压调控器的控制反馈中，所述电压调控器然后控制电压输出，并且因而控制通过相应的线圈驱动器以及对应的线圈组装件的电流。

在示例性实施例的另一详细方面中，线圈驱动器被配置成使通过每个线圈组装件的电流的方向交变，其中在给定时间段中的一个循环表示在第一方向上流过每个线圈组装件、继之以在第二方向上流过每个线圈组装件的电流。

在示例性实施例的又一详细方面中，对应的传感器被具体化为分流电阻器。

为了概述本发明以及在现有技术之上实现的优点的目的，已经在本文中描述了本发明的某些优点。要理解的是：不一定所有这样的优点都可以根据本发明的任何特定实施例来被实现。因而，例如，本领域技术人员将认识到，本发明可以用如下方式来被具体化或实施：所述方式实现或优化如在本文中所教导的一个优点或一组优点，而不一定实现如可以在本文中被教导或建议的其它优点。

所有这些实施例意图在本文中公开的发明的范围内。从参考附图的优选实施例的以下详细描述中，本发明的这些和其它实施例对于本领域技术人员而言将变得容易地明显，本发明不限于所公开的任何特定优选实施例。

附图说明

现在将参考以下附图、仅仅作为示例来描述本发明的实施例：

图1是根据本发明的磁性流量计组装件的简化透视图。

图2图示了在磁性流量计的流体流路径内产生的时变磁场B。

图3是用于独立地驱动并且控制磁性流量计的磁场的电路的简化图。

图4是被配置成使流过线圈组装件的电流方向交变的H桥线圈驱动器的电路的简化图。

图5是描绘了根据本发明的独立线圈驱动器的操作的简化透视图。

图6图示了时变电流（I），其描绘了流过线圈组装件的交变电流方向。

图7图示了在流体流路径内、基于流过线圈组装件的交变电流方向的时变磁场B。

图8图示了在测量电极之间测量的、基于流过线圈组装件的交变电流方向的时变电压。

图9描绘了根据本发明的用于控制全径磁性流量计的方法。

图10是根据本发明的磁性流量计组装件的简化透视图，所述磁性流量计组装件包括被耦合到一对线圈的支架，该对线圈形成限制管道的磁性电路。

图11是图10的磁性流量计组装件的简化透视图，所述磁性流量计组装件进一步包括屏蔽外壳和电子组装件。

具体实施方式

现在参考附图并且具体地参考图1，示出有磁性流量计组装件10，其具有新颖的线圈驱动和控制系统。磁性流量计组装件10具有管状主体（例如管道）12，该管状主体（例如管道）12具有两个相对的端部14和16，两个相对的端部14和16沿着水平轴（Ax）而被对准并且在其之间限定流体流路径。磁性流量计组装件10包括一对线圈组装件（18,20），该对线圈组装件（18,20）被耦合到流量计的中间区，并且被配置成经由第一和第二线圈驱动器（32,34）来传递如从电压调控器（52,54）接收的电流。线圈组装件（18,20）因此可以经由通过其中的电流来在管状主体12的流体流路径24内生成磁场22。被附连到主体12的一对测量电极26被配置成检测由通过磁场22的导电流体所感生的电压。此外，线圈组装件各自与至少一个传感器（36,38）电耦合，至少一个传感器（36,38）经由比例-积分-微分（PID）控制器（48,49）而向相应的电压调控器（52,54）提供反馈，该比例-积分-微分（PID）控制器（48,49）被配置成将在相应的测量电流与目标电流之间的误差保持为零。照此，基于对应的接收的反馈，每个相应的电压调控器（52,54）可以独立地操纵通过相应的线圈组装件（18,20）的电流，以克服使得驱动电流从目标电流偏离的因素，从而使得能够在流体流内产生规定的磁场，以用于准确的流量测量。

继续参考图1，线圈组装件（18,20）可以在外部耦合到管状主体12，沿着垂直轴（Az）而被对准，所述垂直轴（Az）与纵轴（Ax）正交。该对测量电极26可以沿着与纵轴（Ax）以及垂直轴（Az）正交的轴（Ay）而被对准，并且被配置成检测通过与流体流路径内的流体进行电通信所感生的电压。磁性流量计组装件10进一步包括多个辅助电极19（a,b,c），其包括被布置在该对测量电极26的上游的第一辅助电极19（a）以及第二辅助电极19（b）。所述第一和第二辅助电极在管道的相对侧上与轴（Az）对准，使得轴（Ay）和轴（Az）共平面。第三辅助电极19（c）被布置在该对测量电极26的下游。测量电极和辅助电极各自被装配到在管道12的壁中形成的对应的孔。

外壳被耦合到所述主体的外部，被配置成保持被电耦合到电极的至少一个处理器（如图11中所见）。在示例性实施例中，所述两个测量电极26中的每一个继之以信号调节路径，所述信号调节路径包括高灵敏性运算放大器以及可调增益仪器化放大器。测量的电压电势（在所述两个测量电极之间测量的差异）进一步由高分辨率模拟至数字转换器以及处理器来处理。经数字转换的电压电势进一步被缩放，并且由第二处理器来处理，以准确地显示和/或提供与流量成比例的多个输出，即数字输出、4-20 mA模拟输出。

在本发明的某些实施例中，磁性流量计组装件可以如在以下申请人的共同待决的专利申请中所描述和所要求保护的那样被配置：2018年9月28日提交的、题为“FULL BOREMAGNETIC FLOWMETER ASSEMBLY”的申请号为16/146,090的美国申请，所述申请由此通过引用被并入以用于所有目的。

磁性流量计组装件10依赖于法拉第电磁感应定律，用于测量管状主体中的导电流体的速度。具体地，法拉第定律陈述了：在以直角移动通过磁场的任何导体之上所感生的电压与导体的速度成比例。

Ue与

成比例

其中：

Ue = 感应电压（即信号电压）

v = 导电流体的平均速度

B= 磁场强度

L= 导体的长度（即在电极之间的距离）

替换地，流体速度v与

成比例。

导电液体通过磁场B的流动产生电压信号Ue，所述电压信号Ue可以由该对测量电极（26）来感测，并且进而可以用于计算导电流体的速度v。磁性流量计一般是非常准确的（例如，＜1%测量误差）。如法拉第方程所说明的，磁场强度B中的变化可能引起流体速度v测量中的显著误差。

如先前所提及的，可以由被耦合到磁性流量组装件的一对线圈组装件来产生磁场。此外，已知的是，对于亥姆霍兹线圈对，磁场B与电流I以及环路的数目（例如匝数）成比例，并且基于右手定则、通过电流极性来确定磁场的方向。还已知的是，磁场越大，如经由电极来测量的由电流感生的电压就越大。

因此，磁场B强度中的变化可以将显著的误差引入到流体流量测量中。这些变化可以由多个因素引起，所述多个因素除了其它之外尤其包括线圈的温度改变、线圈的电性质中的差异、驱动电子器件的漂移以及流体流路径的尺寸改变。例如，线圈电阻R_coil是线圈的温度的函数。

从该等式中，我们看到：线圈电阻R_coil随着温度改变而线性地增大，当温度增大的时候增大而当温度减小的时候减小。

参考图2，流场内的磁场B量值的示例性描绘被示出为针对给定的流量计组装件不完美对称（例如，

的幅度不等于

）。理想地，

的绝对值将等于

的绝对值，从而使得时变磁场B能够随时间均匀。通过使通过每个线圈组装件（18,20）的电流流动的方向交变而生成B₁和B₂的单独的值，即，B₁是由在第一方向上流过两个线圈组装件的电流所生成的磁场，而B₂是由在第二方向上流过两个线圈组装件的电流所生成的磁场（如以下进一步描述的）。此外，通过每个线圈组装件（18,20）的电流流动遵循右手定则，并且照此，每个线圈组装件生成相应的磁场，所述相应的磁场组合在一起来获得跨流体而存在的相应磁场（B₁,B₂）。例如，由第一线圈组装件（例如图1中的18）生成的磁场可以向内去向流体，而由第二线圈组装件（例如图1中的20）生成的磁场从主体12去向外并且围绕管状主体而定向，从而随着其值而增大第一线圈组装件的磁场。在给定时间段之上的总体、绝对磁场

可以基于

和

的求和。此外，如较早前所指出的，由每个线圈组装件生成的每个磁场与相应的驱动电流成比例，并且因而，通过调控单独的线圈驱动电流，可以实现均匀的磁场。

再次参考图1，线圈驱动系统包括：第一和第二线圈驱动器（32,34），所述第一和第二线圈驱动器（32,34）驱动通过第一和第二线圈组装件（18,20）的电流；第一和第二传感器（36,38），其用于测量与线圈组装件相关联的电性质；相应地被耦合到第一和第二电压调控器（52,54）的第一和第二电压源（39,41），其用于基于从第一和第二PID控制器（48,49）接收的反馈来向每个线圈驱动器（32,34）输出所期望的电压。每个PID控制器（48,49）响应于相应的感测的电性质。

由两个被独立控制和操作的线圈驱动器（32,34）来同时驱动两个线圈组装件（18,20），线圈驱动器（32,34）各自提供相应的时变驱动电流。线圈驱动器（32,34）各自被电耦合到具有电压输出的相应的电压源（39,41），所述电压输出由相应的电压调控器（52,54）基于来自传感器（36,38）的反馈而实时地被调控，所述传感器（36,38）测量线圈组装件的电性质。这确保恒定的驱动电流由线圈驱动器（32,34）提供到线圈组装件（18,20），而无论对线圈组装件的环境和物理改变如何。通过线圈的驱动电流可以具有几近零（0 Hz）到千赫兹范围的频率范围，以及一般低于十（10）安培的量值。

参考图3，更详细地示出了用于每个线圈组装件（18,20）的线圈驱动系统（30,31）。应当注意到，大多数亥姆霍兹线圈采用直流（DC）来产生静态磁场。然而，对于该流量计应用，时变磁场用于避免（下述）线圈组装件（18,20）的材料迁移。

如先前所提及的，驱动系统（30,31）各自包括：一对线圈驱动器（32,34），其用于驱动第一和第二线圈组装件（18,20）；可以被具体化为分流电阻器（36,38）的传感器，其用于测量驱动线圈组装件的相应的电流；一对仪器化放大器（40,42），其用于缩放相应的测量的驱动电流；一对A至D转换器（ADC）（44,46），其用于将模拟信号转换至数字信号；以及一对比例-积分-微分（PID）控制器（48,49），其用于经由一对脉冲宽度调制器（PWM）（50,51）以及电压调控器（52,54）来控制给每个线圈驱动器电路的输出电压。电压调控器（52,54）使得能够调控来自每个相应的电压源（39,41）的电压以向每个线圈驱动器电路输出所期望的电压。

两个线圈驱动器（32,34）是提供有功功率脉冲输出的能量管理集成电路（IC）。线圈驱动器可以是完全集成的IC或使用分立的部件、即功率MOSFET构建的桥。在示例性实施例中，线圈驱动器可以被具体化为H桥驱动器，其被配置有非常低的电阻以及因而在线圈驱动期间的低电压降。照此，线圈驱动器能够使通过每个线圈组装件的电流的方向交变（在以下被进一步描述），从而影响从每个线圈发射的磁场的方向。实现使电流、以及因而磁场的方向交变，以便避免电极迁移的电化学现象。

分流电阻器（36,38）产生与流过它们的电流成比例的电压降。分流电阻器具有相当低的电阻以限制功率耗散损耗并且最小化对磁场B的影响。例如，10A电路中的0.1欧姆电阻将下降1伏特。

另外地和/或替换地，分流电阻器（36,38）之上的电阻可以被操纵以帮助更快地获得稳定驱动电流以及因而稳定的磁场。考虑到被驱动通过线圈组装件的电流可以是时变的，更快地获得稳定的电流将延长如在图2和图7中描绘的磁场量值的平稳时期（plateau），并且从而使用于在给定时间段中获得准确的流量测量的条件最大化，如在图8中通过稳定电压测量的对应区所描绘的那样。

如在以下等式中所见的，电流（I）可以被定义为电压（V）、电阻（R）、电感（L）和时间（t）的函数：

跨线圈驱动器系统的电阻可以基于跨分流电阻器（36,38）的电阻，以及在每个线圈组装件（18,20）内的电阻、即线圈电阻。电感基于线圈组装件配置、即线圈电感。具体地，线圈电阻和线圈电感对于每个线圈组装件（18,20）而言是唯一的，并且通过相应的线圈组装件（18,20）内的线圈匝数以及线圈几何结构来被确定。参考以上列出的针对电流（I）的等式，明显的是，较大的电阻将更快地提供稳定的电流。因而，分流电阻器可以利用电阻来被操纵，其将最优地更快提供稳定的电流，而不显著影响由于功率耗散损耗所致的磁场，所述功率耗散损耗来自较高的电压降。

现在参考图3，两个仪器化放大器（40,42）接收跨分流电阻器（36,38）的相应电压，然后以使得所接收的电压能够被处理的方式来缩放所述分流电阻器（36,38）的相应电压。仪器化放大器（40,42）放大信号，并且维持在相应的输入电流与相应的输出电压之间的线性关系。模拟至数字转换器（44,46）从仪器化放大器（40,42）接收模拟输出，并且将它转换成数字信号。通过如下来传送模拟信息：调制连续的传送信号，并且放大信号强度或改变其频率以将数据添加到传送信号。

在示例性实施例中，来自两个A/D转换器（44,46）的数字数据表示由分流电阻器（36,38）测量的、通过相应的线圈驱动器系统（30,31）的驱动电流。误差放大器（56,58）标识在相应的目标（参考）电流(I_ref) (60,62)与对应的测量的电流之间的差异，并且输出误差信号。可以基于在针对以下各项的期望之间的最优平衡来指定目标（参考）电流（I_ref）：1）较强的磁场（B）以及2）有效功率消耗（即I）。较高的功率可能是低效的，其诸如由于无意被生成的热所致。另一方面，考虑到如被施加到流体的磁场强度随着管道尺寸增大而减小，可能需要较高的功率输出。

继续参考图3，PID控制器（48,49）被配置成接收相应的误差信号，并且应用比例、积分和微分（PID）因子，使得在目标电流（I_ref）（60,62）与对应的测量的电流（其针对相应的线圈组装件）之间的差异被保持在最小值处，特别地寻求消除任何差异（即寻求I_ref = 相应的测量的电流）。具体地，PID控制器使用以下各项的组合：1）指定与检测的误差成比例的输出（比例控制器），2）通过限制系统的响应速率来最小化稳定状态误差，以便不过冲（over-shoot）经系统校正的响应（积分控制器），以及3）基于输出来预测系统响应（微分控制器）。照此，PID控制器被配置成实现“系统调谐过程”，从而使能实现用于最小化误差信号的更好的目标输出。PID控制器（48,49）随后将向脉冲宽度调制器（PWM）（50,51）输出命令。

在替换的实施例中，微处理器可以从两个A/D转换器（44,46）接收数字数据、使用被存储在相应的存储器中的指令来处理数据以及提供结果作为输出。这样的数据处理可以包括对照目标电性质来比较所测量的电性质（即电流），其中处理器然后计算PID输出，并且随后为脉冲宽度调制器（50,51）输出一系列命令。微处理器是能够执行先前提及的任务的任何嵌入式微控制器。微处理器的示例是由树莓派基金会（Raspberry Pi Foundation）开发的树莓派单板计算机。然而，应当领会到，可以由通用处理器（例如x86设备）、微控制器、门阵列、专用集成电路（ASIC）或其它类型的计算机处理器来处理电流测量。

现在参考图3，脉冲宽度调制（PWM）用于经由来自相应的PID控制器（或微处理器、微控制器等等）的输出来控制被供给到两个线圈驱动器（32,34）的电流。脉冲宽度调制器（50,51）通过基于从PID控制器（48,49）接收的命令来迅速地在供给和负载之间切换，来控制平均电压输出（并且从而调控通过每个相应的线圈组装件（18,20）的电流）。每个PWM（50,51）可以被配置有范围从0到100%的占空比，以及范围可以以kHz计的频率，以便将误差带至零。此外，PWM的使用确保了在切换设备中的功率损耗很低，并且当开关为“断开”的时候存在被递送到线圈组装件的最小电流。

PWM信号随后被滤波（64,66），并且被转换成被缓冲（68,70）的DC电压，该DC电压然后用于控制电压调控器（52,54），用于以如下方式向相应的线圈驱动器电路输出电压：所述方式使得通过线圈组装件的电流能够保持恒定于（或尽可能地接近于）目标电流（I_ref）。照此，将生成规定的磁场（B），其克服可能影响所述磁场的因素的存在，并且因而使能实现更准确的流量测量。

被耦合到相应的电压调控器（52,54）的电压源（39,41）是相关或经控制的电压源，其一般独立于输出电流而维持固定的电压。在替换的实施例中，基于从相应的脉冲宽度调制器（50,51）接收的控制信号来实时地控制电压源（39,41）。

为每个线圈组装件使用单独的线圈驱动器中的优点是：如与其中使用单个线圈驱动器来使电流通过串联的线圈组装件的配置相比，所需的电压输出可以被减少一半那么多。更具体地，当使用单独的线圈驱动器的时候所需要的电压净空将基于如下来被计算：

其中R_Coil1表示第一线圈组装件的线圈电阻，R_Sensor表示相应的传感器电阻，并且I表示通过第一线圈组装件的电流。相比之下，具有处于串联布置的线圈组装件的常见线圈驱动器将需要基于如下的电压净空：

照此，可以使用用于每个线圈驱动器的较低电压源。例如，所需要的电压可以潜在地低于针对汽车电池所需要的电压，诸如10.8V。

针对为每个线圈组装件使用独立的线圈驱动系统的另一优点包括：如果流量计组装件遭受非对称条件、诸如非对称环境影响的情况下，每个系统用于补偿的能力。针对使用独立的线圈驱动系统的又一优点是在粗略的中值流量测量期间的某个时间处隔离一个线圈驱动系统、从而节省能量的能力。此外，可以为了诊断目的而独立地监测每个线圈驱动系统和组装件。

现在参考图4，示出了表示相应的线圈驱动器（图3中的32,34）的H桥驱动器的详细描绘，其中基于来自对应的电压调控器（52,54）的输出电压的电流可以通过两个路径中的一个而流过相应的线圈组装件（18,20）。基于被标示为I₁的第一路径，H桥驱动器将被配置成通过防止电流流过在驱动器内被标示为I₂的第二路径，来指引电流顺时针流过线圈组装件。相反，基于第二路径（I₂），H桥驱动器将通过防止电流流过驱动器内的第一路径来指引电流逆时针流过线圈组装件。照此，遵循右手定则，并且如图5中所描绘的，磁场22的方向将基于电流方向而交变，并且因而，如由电极26测量的电压电势的方向也将交变。如图6中所见的，时间周期

标示通过线圈组装件的交变电流流动方向的完整循环，即顺时针流过线圈组装件，继之以逆时针流动。此外，图7-8进一步相应地描绘了与交变电流流动方向循环的时间周期

相对应的、由线圈组装件生成的磁场以及由电极测量的电压电势的特性。

线圈驱动器进一步具有集成的芯片上电压参考、超低温度漂移（＜15 ppm/C^o）并且是高度可靠的。驱动器可以包括用于访问数字数据的串行SPI接口。

现在参考图5-8，我们将解释线圈驱动系统如何使U_E归零并且在流体流场内建立均匀的磁场B。参考图5，跨导电流体的电压电势U_E是在测量电极U_E1和U_E2之间的电压中的差异。如较早前所指出的，当U_E为零的时候实现跨流体流v的恒定磁场B。

参考图6，说明性的驱动电流（I）被示出为具有量值（I₁,I₂）和周期

。如较早前所指出的，每个线圈驱动器是单独可控制的，并且驱动单个线圈组装件。驱动电流I₁表示由线圈驱动器在第一方向上驱动的电流，并且驱动电流I₂表示由线圈驱动器在第二方向上驱动的电流。驱动电流可以具有几近零（0 Hz）到千赫兹范围的频率范围，以及一般低于十（10）安培的量值。在该示例中，驱动电流（I₁,I₂）的量值相等。然而，我们稍后将描述如何调制针对每个线圈驱动器的驱动电流（I₁,I₂）以产生恒定的时变磁场B。

参考图7，说明性的时变磁场

被示出为具有量值（B₁,B₂）和周期

。如较早前所指出的，磁场

中的变化可以将误差引入到流体速度测量中。因此，重要的是，磁场中的改变被实时地校正以确保流体流量测量随时间是准确并且一致的。在该示例中，我们看到：

和

具有相同的绝对量值，并且周期随时间是一致的。

现在参考图8，说明性的驱动电压U_E被示出为具有量值（U_E1,U_E2）以及与磁场B相同的周期

。如较早前讨论的，U_E是在单独的测量电极U_E1和U_E2的电压之间的差异，并且当U_E为零的时候实现恒定磁场B（例如U_E1和U_E2的绝对量值相等）。在该示例中，我们看到：U_E1和U_E2的绝对量值是相同的，并且周期随时间是一致的。

现在参考图9，描述了一种用于控制全径磁性流量计的方法。所述方法通过如下而开始：使用第一和第二线圈驱动器来向两个线圈组装件提供驱动电流（步骤80）。相应的驱动电流基于通过线圈的驱动电流而生成（步骤81）对应的磁场。

传感器测量（步骤82）相应的线圈组装件中的电性质，所述电性质然后通过仪器化放大器来被缩放，并且使用A/D转换器来从模拟被转换至数字信号。通过使用误差放大器，对照目标（所期望的）电性质来比较相应的所测量的电性质的数字信号。如果所测量的电性质与所期望的电性质相同（例如I_ref = 所测量的电性质），那么通过线圈组装件的所测量的电流正生成所期望的磁场，并且电压调控器继续以相同的输出电压而运作（“否”分支）。替换地，如果在所期望的电性质与所测量的电性质之间检测到误差信号（例如I_ref ≠ 所测量的电性质），则修改输出电压（“是”分支）（步骤84）。

通过使用PID控制器，应用系统调谐过程（步骤86）来最小化检测的误差信号，其中所述调谐过程提供了使能实现高效地解决所测量的误差的目标系统响应的输出。向电压调控器提供来自PWM的输出，该输出修改相应的驱动电压（步骤88）。照此，经由经修改的驱动电压、通过电流来驱动每个线圈组装件，该电流寻求生成所期望的磁场（步骤81）并且最小化在目标参考电流之间的误差。

现在参考图10，线圈组装件18、20在管状主体（管道）12的中间区中被耦合到管状主体（管道）12。线圈组装件被装配到管道外部，沿着轴（Az）对准。更具体地，每个线圈通过支架21被保持在适当的位置，所述支架21限制管道12。磁极25被布置在每个线圈18与管道之间。磁极由导电材料形成，并且被成形以关于管道而顺应，所述导电材料例如与磁性支架相同的金属、具有Fe% ＞ 99.4的软磁性碳钢。非导电（空气隙）垫片27被布置在线圈的相对端部上。在每个线圈的情况下，第一空气隙垫片27被夹在线圈与对应的磁极25之间，并且第二空气隙垫片27被夹在线圈与支架21之间。在每个线圈中，存在由具有良好磁性性质的材料构成的磁芯。这些磁芯从线圈往极靴以及磁性支架中传递通量线。

支架21进一步用作用于由线圈（18,20）生成的磁场的磁性电路，所述磁性电路传导向外去往管道的磁场以被添加到向内去的磁场。支架具有一般八边形的形状，其有益于组装件以及组装件10的操作。更具体地，支架21由两个、一般c形的部件29形成，所述两个、一般c形的部件29可滑动地关于管道而与彼此配对，以耦合到彼此。以此方式，支架21可以被使用在具有不同直径的管道上。附连件（例如螺栓）沿着轴（Az）将线圈耦合到支架。

组装件10被配置成生成在管道横截面之上均匀地分布的强交变磁场（通量）B。利用交变磁场避免电极材料迁移。支架21的配置、例如包括形状和材料促进管道12内的结果得到的磁场（通量）B。在示例性的实施例中，支架21由“软”磁性材料形成，所述“软”磁性材料诸如软铁材料，其是指相对磁导率，意味着它当被关断的时候没有剩余磁化。照此，为如下磁场最小化磁性损耗：所述磁场从管道去向外并且被添加到向内去往管道的磁场。

现在参考图11，组装件10进一步包括外壳72，所述外壳72被配置成保护磁场生成器（其包括线圈18、20和支架21）以免受环境暴露。组装件10进一步包括电子组装件74，所述电子组装件74被附连到组装件的外壳。电子组装件与电极（19,26）以及线圈组装件（18,20）进行电通信，以操作组装件10。在示例性的实施例中，电子组装件可以收容除了其它之外尤其诸如以下各项的部件：驱动器（32,34）、运算放大器（40,42）、A至D转换器（ADC）（44,46）、PID控制器（48,49）（或微处理器）以及脉冲宽度调制器（PWM）（50,51）。

从前述内容中应当领会到，本发明提供了一种具有新颖的线圈驱动和控制系统的磁性流量计组装件。磁性流量计组装件具有管状主体（例如管道），所述管状主体（例如管道）具有两个相对的端部，并且其沿着水平轴（Ax）而被对准并且在其之间限定流体流路径。磁性流量计组装件包括一对线圈组装件，所述线圈组装件被耦合到流量计的中间区，并且被配置成经由第一和第二线圈驱动器来传递如从电压调控器接收的电流。线圈组装件因此可以经由通过其中的电流来在管状主体的流体流路径内生成磁场。被附连到主体的一对测量电极被配置成检测由通过磁场的导电流体所感生的电压。此外，线圈组装件各自与至少一个传感器电耦合，所述至少一个传感器经由比例-积分-微分（PID）控制器来向相应的电压调控器提供反馈，所述比例-积分-微分（PID）控制器被配置成将在相应的测量电流与目标电流之间的误差保持为零。照此，基于接收的反馈，相应的电压调控器可以操纵通过对应的线圈组装件的电流，以克服使得驱动电流从目标电流偏离的因素，从而使得能够在流体流内产生规定的磁场，以用于准确的流量测量。

已经在上文中在目前优选的实施例的方面中描述了本发明，使得可以传达对本发明的理解。然而，存在本发明可适用于其的、未在本文中具体描述的其它实施例。因此，本发明不应当被视为受限于所示出的形式，所示出的形式将被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经仅仅参考示例性实施例而详细公开了本发明，但是本领域技术人员将领会到：可以在不偏离本发明的范围的情况下提供各种其它实施例，以包括本文中所讨论的特征中的任一个和其所有组合。

Claims

1.一种用于控制流量计的组装件，所述流量计被配置成测量流路径中的导电流体的速度，所述组装件包括：

第一线圈组装件电路，其邻近于流路径而生成第一磁场，所述第一线圈组装件电路包括：

提供第一电压输出的第一电压源；

被配置成基于第一电压输出而向第一线圈组装件提供第一电流的第一线圈驱动器；以及

第一传感器，其被配置成测量与第一线圈组装件相关联的第一电性质，所述第一电压源被配置成响应于基于第一电性质所接收的第一反馈信号来修改第一电压输出，以获得规定的第一电流并且生成规定的第一磁场；以及

第二线圈组装件电路，其邻近于流路径而生成第二磁场，所述第二线圈组装件电路包括：

提供第二电压输出的第二电压源；

被配置成基于第二电压输出而向第二线圈组装件提供第二电流的第二线圈驱动器；以及

第二传感器，其被配置成测量与第二线圈组装件相关联的第二电性质，所述第二电压源被配置成响应于基于第二电性质所接收的第二反馈信号来修改第二电压输出，以获得规定的第二电流并且生成规定的第二磁场，所述第一和第二规定的磁场被配置成维持邻近于流体流路径的恒定磁场。

2.如在权利要求1中所限定的组装件，进一步包括：第一电压调控器，其基于对应的电压源和对应的反馈信号来调控第一电压输出；以及第二电压调控器，其基于对应的电压源和对应的反馈信号来调控第二电压输出。

3.如在权利要求2中所限定的组装件，其中相应地由第一和第二脉冲宽度调制器（PWM）来输出第一和第二反馈信号，每个PWM被电耦合到相应的电压调控器。

4.如在权利要求3中所限定的组装件，其中第一和第二比例-积分-微分（PID）控制器相应地向第一和第二PWM输出命令以用于创建相应的反馈信号，每个输出命令基于相应的所测量的电性质以及目标电性质。

5.如在权利要求4中所限定的组装件，进一步包括第一和第二误差放大器，其被配置成向相应的PID控制器提供在相应的所测量的电性质与目标电性质之间的计算的差异。

6.如在权利要求3中所限定的组装件，进一步包括第一和第二处理器，其被配置成：

计算在相应的所测量的电性质与目标电性质之间的差异；以及

向相应的PWM计算PID输出命令，以用于创建相应的反馈信号。

7.如在权利要求5中所限定的组装件，其中每个PWM输出在被传送到相应的电压调控器之前被滤波并且缓冲。

8.如在权利要求1中所限定的组装件，其中每个线圈驱动器被具体化为H桥驱动器，所述H桥驱动器被配置成使电流方向交变去往相应的线圈组装件。

9.如在权利要求1中所限定的组装件，其中所测量的第一和第二电性质相应地是在第一和第二线圈组装件中的第一和第二电流。

10.如在权利要求1中所限定的组装件，其中所述第一和第二线圈驱动器独立于彼此地运作。

11.如在权利要求1中所限定的组装件，其中所述第一和第二电压输出各自低于10.8V。

12.一种用于操作流量计的方法，所述流量计被配置成测量流路径中的导电流体的速度，所述方法包括：

利用来自第一线圈驱动器的第一电流来驱动第一线圈组装件，所述第一电流产生自来自第一电压源的第一电压输出；

利用来自第二线圈驱动器的第二电流来驱动第二线圈组装件，所述第二电流产生自来自第二电压源的第二电压输出；

相应地测量与第一和第二线圈组装件相关联的第一和第二电性质；

响应于所述第一和第二所测量的电性质、经由第一和第二电压源来修改第一和第二电流；以及

通过如下来维持邻近于流体流路径的恒定磁场：响应于相应的所测量的电性质来控制第一和第二电流，所述第一和第二电流驱动第一和第二线圈组装件。

13.如在权利要求12中所限定的方法，进一步包括基于相应的所测量的电性质相应地利用第一和第二电压调控器来调控第一和第二电压输出。

14.如在权利要求13中所限定的方法，进一步包括基于相应的所测量的电性质来从第一和第二脉冲宽度调制器（PWM）输出反馈信号，输出的反馈信号被配置成经由第一和第二电压调控器来修改第一和第二电流。

15.如在权利要求14中所限定的方法，进一步包括相应地从第一和第二比例-积分-微分（PID）控制器向第一和第二PWM输出命令，输出的命令基于相应的所测量的电性质以及目标电性质。

16.如在权利要求15中所限定的方法，进一步包括：

利用第一和第二误差放大器来计算在相应的所测量的电性质与目标电性质之间的误差信号，以及

将相应的计算的误差信号传送到对应的PID控制器。

17.如在权利要求16中所限定的方法，进一步包括：

利用第一和第二仪器化放大器来放大相应的所测量的电性质；

利用第一和第二模拟至数字转换器来将相应的经放大的所测量的电性质从模拟信号转换至数字信号；以及

将相应的数字信号传送到第一和第二误差放大器。

18.如在权利要求17中所限定的方法，进一步包括：

利用第一和第二滤波器来对输出的反馈信号进行滤波；以及

对经滤波的反馈信号进行缓冲以用于相应的电压调控器。

19.如在权利要求12中所限定的方法，其中利用第一电流来驱动第一线圈组装件以及利用第二电流来驱动第二线圈组装件独立于彼此地被执行。

20.如在权利要求12中所限定的方法，其中所述第一和第二电压输出各自小于10.8V。