CN112284466A

CN112284466A - 具有毛刺去除能力的磁通流量计组件

Info

Publication number: CN112284466A
Application number: CN202010709673.XA
Authority: CN
Inventors: C·乔巴努; J·罗米鲍
Original assignee: Georg Fischer Signet LLC
Current assignee: Georg Fischer Signet LLC
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2021-01-29
Also published as: US20210025741A1; EP3770560B1; TW202113390A; US11131571B2; EP3770560A1

Abstract

提供了一种用于在确定流体流量速度时校正由磁通流量计组件检测的测量毛刺的系统和相关方法。磁通流量计组件包括接收瞬时第一和第二电极电位（电压电位）（Ue₁和Ue₂）的电极对，以便确定跨流体的瞬时感应电压Ue。信号处理器将感应电压（电压信号Ue）的数字信号发送到微处理器，微处理器处理信号数据并计算对应的瞬时流体速度v。此外，基于电极电位（Ue₁和Ue₂）计算瞬时毛刺检测变量Um，以便检测所述电极电位中的测量毛刺的存在，其中信号处理器将向微处理器提供Um的数字信号。因此，流量计组件能够通过操纵瞬时电压信号Ue来作测量毛刺方面的校正，使得计算和显示的流体流量速度不被所述测量毛刺偏斜。

Description

具有毛刺去除能力的磁通流量计组件

技术领域

本发明总体上涉及用于执行流体流量测量的磁通流量计，并且更特别地，涉及能够在存在毛刺（glitch）读数的情况下校正流体流量测量的流量计。

背景技术

磁通流量计通过生成磁场并测量结果电压来测量穿过管道的导电流体的速度。这些流量计依赖于法拉第定律，其中通过磁场的导电流体的流量引起由电极感测的电压信号，并且感测的电压与流体的速度成比例。

磁通流量计组件通常是插入磁仪表或全孔磁仪表。插入磁仪表通常包括放置到流体流量中的传感器主体和设置在传感器主体的远端处的电极。传感器可包括生成磁场的导电线圈，该磁场与流体流量组合地创建电动势（电压），其然后由电极感测。全孔磁仪表通常包括沿着流体导管轴向设置的管状主体，其中电极被模制到主体的壁中，并且导电线圈被设置在生成跨主体的磁场的管状主体上。

尽管这些流量计通常是有效的，但是存在不足。例如，准确的流体流量速度测量取决于若干条件，诸如与电极的对称流体接触，或已经被考虑以用于流量计的准确操作的电磁环境。然而，可能发生对这种条件的偏差，并且由此导致测量“毛刺”，这通常是由于突然的不想要的电子信号，其可能导致不准确的流量测量。偏差的示例包括与电极的非对称流体接触，由此影响测量的结果电压信号和对应的流体流量速度计算。与电极的这种不充分的流体接触可能是由于包含在流体流量内的气穴（气泡）引起的，或者是由于流体流量在管道内四处飞溅引起的，特别是在启动流量（通过管道的初始流量）期间。偏差的另一示例包括电磁干扰（EMI）或来自电磁兼容性（EMC）事件，其中包括射频的外部能量源可影响流量计操作，例如，影响生成磁场的电路，由此影响计算的流体速度。这种EMI和EMC事件的示例可以是由于泵、可变流量驱动器和其它重型电气装备的操作，并且它还可以是由于传导或辐射噪声、电子PCBA，这导致与流量成比例的信号中的瞬变。

用于校正这种测量毛刺的现存方法包括使用测量后流量分析，其中测量数据中的这种大的异常值可被归一化以减小与记录的流体流率的偏差。然而，即使利用这种归一化或过滤，所得到的流体流量速度分布仍可包括相当大的误差，因为在总体流体流量速度计算中仍然考虑这种测量毛刺。

因此，应当领会，仍然需要解决这些问题的磁通流量计组件。本发明满足这些需要和其它需要。

发明内容

简要地且概括地，本发明提供了一种用于检测测量毛刺并校正由磁通流量计组件测量的对应流体流量速度的系统和相关方法。磁通流量计组件包括与流体接触并提供对应的电极电位的电极对，其使得电压信号Ue（感应电压）和毛刺检测变量Um能够被确定。流量计还包括微处理器，微处理器被配置成接收Ue和Um的数字化信号，并且还被配置成基于对Um的步长改变来识别测量毛刺的存在。因此，微处理器能够通过在规定的持续时间内操纵电压信号Ue来校正流体速度计算，以便最小化或消除测量毛刺的影响。

更具体地，通过示例而非限制，微处理器从被考虑用于流体流量速度计算的电压信号中去除对应于毛刺检测变量的电压信号，并且替代地刚好在测量毛刺的发生之前使用电压信号作为间隙填充。此外，间隙填充电压信号可以被用于规定的持续时间，以最小化由测量毛刺对实际电压信号的任何残留影响。

在示例性实施例的详细方面中，电压信号和对应的流体流量速度可以通过在规定的延迟上发布，从而使得微处理器能够检测测量毛刺，并且应用校正措施。

在替代实施例中，可以使用快速模数转换器来最小化对延迟发布电压信号和计算的流体流量速度的需要。

出于概述本发明和相对于现有技术所实现的优点的目的，本文中已经描述了本发明的某些优点。应当理解，根据本发明的任何特定实施例，不一定可以实现所有这种优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本发明可以以实现或优化如本文中教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不一定实现如本文中可能教导或建议的其它优点。

所有这些实施例旨在处于本文中所公开的本发明的范围内。根据参考附图对优选实施例的以下详细描述，本发明的这些和其它实施例对于本领域技术人员将变得容易地显而易见，本发明不限于所公开的任何特定优选实施例。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考以下附图来描述本发明的实施例：

图1是根据本发明的磁通流量计组件的简化透视图，其描绘了从电极对接收输入的信号处理器和微处理器。

图2图示了对于停滞流体的时变电压信号，其描绘了对于停滞流体的电压信号的理想描绘，以及对于停滞流体的电压信号的典型描绘。

图3图示了对于在磁通流量计内流动的流体的时变电压信号，其描绘了由电极对测量的电压电位。

图4描绘了由测量毛刺的发生影响的流体流量的发布电压信号。

图5描绘了用于校正由测量毛刺的发生影响的电压信号的现存滤波方法。

图6描绘了对于流体流量的测量毛刺的发生，其图示了对毛刺检测变量的影响，并且图示了在规定的延迟上的实际电压信号以及由流量计施加的校正措施。

图7描绘了在使用快速模数转换器来检测和校正流体速度时用于流量计的信号调节路径，由此最小化在发布电压信号时的延迟。

图8是根据本发明的磁通流量计组件的简化透视图，其包括耦合到形成外接管道的磁路的线圈对的支架。

图9是图8的磁通流量计组件的简化透视图，其还包括屏蔽壳体和电子组件。

通过引用并入

在本发明的某些实施例中，磁通流量计组件可以如在申请人的以下共同未决的专利申请中描述和要求保护的那样进行配置：1) 2018年9月28日提交的标题为“FULL BOREMAGNETIC FLOWMETER ASSEMBLY,”的美国申请No. 16/146,090；2) 2019年1月9日提交的标题为“MAGNETIC FLOWMETER ASSEMBLY HAVING INDEPENDENT COIL DRIVE AND CONTROLSYSTEM”的美国申请No. 16/243,868；3) 2019年1月9日提交的标题为“MAGNETICFLOWMETER WITH MEDIA CONDUCTIVITY MEASUREMENT”的美国申请No. 16/243,980；4)2019年1月9日提交的标题为“MAGNETIC FLOWMETER ASSEMBLY WITH ZERO-FLOWMEASUREMENT CAPABILITY”的美国申请No. 16/244,060；以及5) 2019年2月8日提交的标题为“FULL BORE MAGNETIC FLOWMETER ASSEMBLY WITH TEMPERATURE SENSING ELEMENT”的美国申请No. 16/271,718，其出于所有目的通过引用特此并入。

具体实施方式

现在参考附图，并且特别是图1，示出了用于校正由磁通流量计组件10在确定流体流量（24）速度时检测的测量毛刺的系统和方法。磁通流量计组件10包括电极对（26、28），其接收瞬时第一和第二电极电位（电压电位），Ue₁和Ue₂，以便确定跨流体的瞬时感应电压Ue。信号处理器34向微处理器36发送感应电压（电压信号，Ue）的数字信号，微处理器36处理信号数据并计算对应的瞬时流体速度（v），（Ue = Ue1 - Ue2）。此外，基于电极电位（Ue₁和Ue₂）（Um =（Ue1 + Ue2）/2）计算瞬时毛刺检测变量Um，以便检测所述电极电位中的测量毛刺的存在，其中信号处理器34将向微处理器36提供Um的数字信号。因此，流量计组件10能够通过操纵瞬时电压信号Ue来作测量毛刺方面的校正，使得计算和显示的流体流量速度不被所述测量毛刺偏斜。

继续参考图1，磁通流量计组件10具有管状主体12（例如，管道），其具有沿水平轴线（A_X）对准、并且限定用于输送导电流体的流体流量路径24的两个相对的端部14和16。磁通流量计组件10包括线圈组件对（18、20），其耦合到流量计10的中间区，并且被配置成传递从至少一个线圈驱动器接收的电流。线圈组件（18、20）经由在管状主体12中传递的电流在管状主体12的流体流量路径24内生成磁场22。上述测量电极对（26、28）被附接到主体12并且被配置成检测由穿过磁场22的导电流体感应的电压（Ue）。

线圈组件（18、20）可在外部耦合到管状主体12，其沿着与纵向轴线（Ax）正交的竖直轴线（Az）对准。测量电极对（26、28）可沿着与纵向轴线（Ax）和竖直轴线（Az）正交的轴线（Ay）对准，并且被配置成检测通过正与流体流量路径24内的流体电连通而感应的电压。磁通流量计组件10还包括多个辅助电极19（a、b、c），其包括设置在测量电极对（26、28）上游的第一辅助电极19（a）和第二辅助电极19（b）。第一和第二辅助电极在管道的相对侧上与轴线（Az）对准，使得轴线（Ay）和轴线（Az）是共面的。第三辅助电极19（c）设置在测量电极对（26、28）的下游。测量电极（26、28）和辅助电极（19a、b、c）各自安装到形成在管道12的壁中的对应孔口。

壳体在外部耦合到管状主体12并且被配置成保持电耦合到电极的至少一个处理器（信号处理器34）（如在图9中所见）。在示例性实施例中，来自两个测量电极（26、28）中的每个的信号遵循由高灵敏度运算放大器和可调整增益仪器放大器组成的信号调节路径。电压信号Ue是两个测量电极之间的差（即Ue = Ue₂[第二电极的电压电位] – Ue₁[第一电极的电压电位]）。所述电压信号Ue进一步由高分辨率模数转换器（ADC）和处理器（信号处理器34）处理。在示例性实施例中，可以使用24位ADC。数字转换的电压信号由第二处理器（微处理器36）调节和处理，以准确地显示和/或提供与流体速度成比例的输出（即数字输出，4-20mA模拟输出）。此外，微处理器36将计算并显示对应的流体速度。

在示例性实施例中，仪器放大器的输出是到模数转换器（ADC）的输入。Ue₁、Ue₂和Ue由ADC转换成数字实体，并经由高速SPI（串行外围接口）传送到微处理器，微处理器计算流量。

磁通流量计组件10依赖于电磁感应的法拉第定律来测量管状主体中的导电流体的速度。具体地，法拉第定律指出以直角移动通过磁场的跨任何导体感应的电压与导体的速度成比例。

Ue与v x B x L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，电极之间的距离）

可替代地，平均流体速度v与Ue/(B x L)成比例

如上所述，导电液体通过磁场B的流量创建电压信号Ue，该电压信号Ue可以由测量电极对（26、28）感测，该电压信号Ue转而可以用于计算导电流体的速度v。微处理器可以被配置成以特定时间间隔（诸如每200毫秒）发布感应电压和流体速度。

现在参考图2-3，示出了描绘当流体停滞（图2）时以及当流体正流动（图3）时的感应电压Ue的图形表示。当流体停滞时，理想地，电极电位（Ue₁和Ue₂）非常接近于零，并且因此Ue也接近于零（图2的区段A）。然而，实际上，即使当流体停滞时，电极电位也不接近于零，并且它们一前一后地移动，因为它们二者都与流体电位（图2的区段B）接触。一旦流体开始流过流体流量路径，使得速度不再为零，则两个电极电位Ue₁和Ue₂开始远离彼此移动（图3），由此创建感应电压，其与在时间轴线（t1、t2、t3……）上的每个时刻的流量成比例。

磁通流量计通常非常准确（例如，＜1%测量误差）。然而，如法拉第的方程图示，磁场强度B或感应电压的偶然变化可能导致流体速度测量中的显著误差。如上所述，诸如流体流量分布中的变化或EMI/EMC干扰之类的条件可以直接或间接地影响由电极测量的电压电位。

现在参考图4，示出了由于存在测量毛刺而对电压信号Ue的影响，在该示例中，该测量毛刺是由于在电极（26、28）周围不同步飞溅的流体而引起的。更特别地，图4的图描绘Ue₁和Ue₂之间的随时间的差异，如所测量的。在示例性实施例中，每100ms进行测量。如所描绘的，测量的实际Ue与测量毛刺的发生之间存在显著的偏差，这将显著地影响计算的流体流量速度。此外，如所描绘的，显而易见的是，测量的Ue在返回到Ue的实际测量值之前将振荡达一段时间，由此延长测量毛刺对流体流量速度的影响。

现在参考图5，示出了现存的滤波方法，其用于通过对平均计算的Ue进行归一化来校正这种测量毛刺，由此减小测量毛刺的影响。但是如所描绘的，仍然存在显著的误差容限，并且因此不会使观察到的测量毛刺的影响最小化。更特别地，图5的图描绘了随时间将滤波方法（例如，IIR和FIR）应用于Ue₁和Ue₂。

现在参考图6，描绘了流量计10针对检测的测量毛刺校正电压信号Ue的图形表示。在检测测量毛刺时，流量计经由另一信号调节路径计算毛刺检测变量Um，其中Um基于第一和第二电极电位，具体地：

Um = （Ue₁ + Ue₂）/ 2

毛刺检测变量Um由第二信号处理器连续地计算和处理，包括作为数字信号与对应的确定的电压信号Ue一起发送到微处理器36。使用毛刺检测变量Um，微处理器被配置成通过监视显著偏离先前趋势的Um的任何步长改变来检测测量毛刺的存在。在检测到步长改变时，微处理器被配置成将对应的Ue从被考虑用于流体速度计算中去除，并且替代地使用先前的Ue（如在测量毛刺的发生之前确定的），从而充当对于被去除的Ue的间隙填充。此外，考虑到测量毛刺可能导致电压信号振荡达多个测量间隔，间隙填充Ue可以基本上被“冻结”，并且在计算流体流量速度时被用于规定数量的测量间隔。因此，通过针对多个测量间隔维持相同的间隙填充Ue，最小化或消除了测量毛刺对计算的流体速度的影响。

用于基于毛刺检测变量的步长改变来识别测量毛刺的标准可基于各种数据分析方法。在示例性实施例中，步长改变可以基于来自先前值的Um的百分比（%）改变，其中最小百分比改变被识别为阈值。另外或可替代地，可基于Um的绝对值改变超出规定阈值来识别步长改变。

参考图6，并且在示例性实施例中，微处理器实时地监视毛刺检测变量Um，同时为流体流量速度计算考虑和发布的电压信号Ue处于规定的延迟，例如，规定的时间延迟、规定数量的测量间隔等等。应当注意的是，为毛刺检测变量Um和电压信号Ue考虑的电极电位（Ue₁和Ue₂）是相同的，即，基于相同的瞬时时刻，然而两个值在不同的时间被发布。因此，该规定的延迟使得微处理器能够检测测量毛刺的存在，并且随后根据需要应用任何校正措施，以便确保所发布的电压和速度未由于检测的任何偏差而偏斜。在示例性实施例中，发布电压信号的规定延迟可以是200毫秒。

继续参考图6，曲线AA表示毛刺检测变量Um，其中尖峰在时间轴线上的19ms标记处清晰可见。如由曲线BB所描绘的，计算在Um之后在4ms延迟上发布的电压信号Ue，并且没有应用任何校正措施，其显著地偏离基于先前趋势的实际Ue值。因此，曲线CC表示由微处理器应用的校正测量，其中刚好在测量毛刺之前的电压信号Ue被用于若干测量间隔。此外，如由曲线BB所指出，电压信号继续轻微振荡直到35ms点，但是显而易见的是，当与在测量毛刺之前和之后的实际电压信号进行比较时，影响最小。

现在参考图7，描绘了用于流量计组件校正计算出的流体流量速度的替代装置，其中通过使用快速模数转换器（ADC）可以最小化在发布电压信号Ue时的上述延迟。具体地，使用运算放大器对来对电极电位（Ue₁和Ue₂）求和，使得快速ADC被配置成计算毛刺检测变量Um，并且基于检测的规定阈值来识别步长改变。

示例性实施例描绘了全孔磁通流量计，但是毛刺检测系统可以被并入在其它类型的磁通流量计（例如，插入磁仪表）中。

现在参考图8，在示例性实施例中，线圈组件18、20在其中间区中耦合到管状主体（管道）12。线圈组件安装在管道的外部，沿着轴线（Az）对准。更特别地，每个线圈由外接管道12的支架21保持在适当位置。磁极25设置在线圈18和管道之间。磁极由导电材料（例如，与磁支架相同的金属）、具有Fe%＞99.4的软磁性碳钢形成，并且被成形为与管道周围一致。非导电（气隙）垫片27设置在线圈的相对端部上。对于每个线圈，第一气隙垫片27夹在线圈和对应的磁极25之间，并且第二气隙垫片27夹在线圈和支架21之间。在每个线圈中，存在由具有良好磁属性的材料制成的芯。这些芯将通量线从线圈传递到极靴和磁支架中。

支架21还用作用于由线圈（18、20）生成的磁场的磁路，其传导向管道外传播的磁场以添加到向内传播的磁场。支架具有大致八边形的形状，其有利于组件10的组装和操作。更特别地，支架21由两个大致c形的部件29形成，它们围绕管道彼此可滑动地配合以彼此耦合。以这种方式，支架21可以在具有不同直径的管道上使用。附件（例如，螺栓）沿着轴线（Az）将线圈耦合到支架。

组件10配置成生成均匀地分布在管道横截面上的强交变磁场（通量）B。利用交变磁场避免了电极材料迁移。支架21的配置（例如，包括形状和材料）促进在管道12内的所得到的磁场（通量）B。在示例性实施例中，支架21由“软”磁性材料（诸如软铁材料）形成，其是指相对磁导率，意味着在关闭时其不具有剩余磁化。因此，对于从管道向外传播的磁场，磁损耗被最小化，并且被添加到向内传播到管道的磁场。

现在参考图9，组件10还包括壳体38，该壳体38配置成保护磁场发生器（其包括线圈18、20和支架21）免受环境暴露。组件10还包括附接至组件的壳体的电子组件40。电子组件与电极（26、28）和线圈组件（18、20）电连通以操作组件10。在示例性实施例中，除了别的以外，电子组件可以容纳诸如线圈驱动器、运算放大器、模数转换器（ADC）、处理器（例如，信号处理器、微处理器）之类的部件。

上面已经根据目前优选的实施例描述了本发明，使得可以传达对本发明的理解。然而，存在未在本文中具体描述的本发明可适用的其它实施例。因此，本发明不应视为限于所示的形式，其被认为是说明性的而非限制性的。

虽然已经仅参考示例性实施例详细地公开了本发明，但是本领域技术人员将领会，在不脱离本发明的范围的情况下，可以提供各种其它实施例，以包括本文所讨论的特征的任何和所有组合。

Claims

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

利用由线圈驱动器提供的驱动电流驱动至少一个线圈组件，所述至少一个线圈组件位于所述流体流量路径附近；

经由电极对测量所述流体流量路径中的电压值，使得所述流量计被配置成：

（a）基于来自所述电极对的信号电压（Ue₁和Ue₂）来计算参考电压值（Um），

（b）基于具有在规定范围之外的值的Um来检测具有测量的电压值的毛刺，以及

（c）计算感应电压值Ue

从所述测量的电压值检测异常值电压值；

通过否定所述异常值电压值来校正所述测量的电压值，以便固定如在所述异常值电压值的所述检测之前测量的所述测量的电压值，所述测量的电压值被固定达预定的时间段以使得所述流体流量路径中的所述电压值能够稳定；

根据计算的感应电压值、校正的流体速度和针对所述异常值电压值校正的计算的感应电压值来确定校正的流体速度测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述计算的感应电压值在测量所述电压值之后的规定时间被确定，使得所述流量计在规定的时间延迟上计算所述校正的流体速度测量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述异常值电压值由模数转换器（ADC）确定。

4.一种用于操作流量计的设备，所述流量计配置成测量流量路径中的导电流体的速度，所述设备包括：

线圈组件电路，其被配置成生成接近所述流体流量路径的磁场，所述线圈组件包括：

至少一个线圈组件；

电压源，其被配置成提供电压输出；以及

线圈驱动器，其被配置成基于所述电压输出向所述至少一个线圈组件提供驱动电流；

电学电极对，其被配置成测量接近所述流体流量路径的电压值；以及

计算机处理器，其被配置成：

经由所述电学电极对接收所述流体流量路径中的测量的电压值；

从所述测量的电压值检测异常值电压值；

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述计算机处理器将第一和电压源驱动到非零电位，使得在第一线圈组件中感应的所述电压的大小等于在第二线圈组件中感应的所述电压的所述大小。

6.根据权利要求4所述的设备，其中所述计算机处理器还配置成监视零流量测量值以检测所述磁线圈组件的性能改变。

7.根据权利要求4所述的设备，其中所述计算机处理器还配置成监视零流量测量值以检测流体介质的接地改变。

8.根据权利要求4所述的设备，其中所述计算机处理器还配置成监视零流量测量值以检测所述导电流体的电学电位的改变。