CN112444291A

CN112444291A - 用于磁流量计的连续自适应数字线圈驱动器

Info

Publication number: CN112444291A
Application number: CN202010078900.3A
Authority: CN
Inventors: 埃默里·马苏德
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-03-05
Also published as: EP4025882A1; US11204267B2; EP4025882B1; JP2022543479A; US20210072056A1; CN211904251U

Abstract

一种用于测量流体流量的磁流量计，包括接收流量的流管组件，该流管组件具有用于接收线圈电流以在流体中产生磁场的线圈，线圈具有第一线圈绕线和第二线圈绕线。这会在流体中生成表示所述流量的EMF。EMF传感器被布置为感测所述EMF并生成与流量有关的输出。电流供应电路响应于命令信号向线圈的第一线圈绕线和第二线圈绕线提供线圈电流。数字控制电路根据控制算法向电流供应电路提供命令信号。在一方面，控制算法对线圈的电参数的改变进行适应。还提供了一种实现磁流量计的方法。

Description

用于磁流量计的连续自适应数字线圈驱动器

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2019年9月5日递交的美国临时专利申请No.62/896,120的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开的实施例涉及磁流量计，更具体地，涉及用于控制用于生成磁场的电流的技术，该磁场用于流量测量。

背景技术

精确和准确的流量(flow)控制对于广泛的流体处理应用至关重要，流体处理应用包括体相(bulk fluid)流体处理、食品和饮料制备、化学和药物、水和空气分布、碳氢化合物提取和加工、环境控制以及利用例如热塑性塑料、薄膜、胶水、树脂和其他流体材料的一系列制造技术。在每个特定应用中使用的流量(flow rate)测量技术取决于所涉及的流体以及相关的过程压力、温度和流量。

示例性流量测量技术包括：根据机械旋转来测量流量的涡轮设备；根据伯努利(Bernoulli)效应或流量限制上的压降来测量流量的皮托管传感器和差压设备；根据振动效应来测量流量的涡流和科里奥利(Coriolis)设备；以及根据热导率测量流量的质量流量计。磁流量计通过基于法拉第定律(Faraday's Law)表征流量来与这些技术相区别，法拉第定律取决于电磁相互作用而不是机械或热力学效应。特别地，磁流量计依赖于过程流体的电导率，并且依赖于在该流体流过磁场区域时感应的电动势(EMF)。

常规磁流量计包括传感器部分和变送器部分。变送器部分包括线圈驱动器，该线圈驱动器驱动通过传感器部分的线圈的电流，以在管道部分上产生磁场。该磁场在流上感应出EMF或电势差(电压)，该EMF或电势差与流速成比例。磁流量计基于由传感器部分所检测的电压差来测量流量。

流量计中的电流供应电路用于向电磁线圈施加交流电。该供应电路包括具有第一开关和第二开关的H桥晶体管电路，该第一开关和第二开关将第一线圈绕线和第二线圈绕线中的一个线圈绕线耦接到供应导体。桥接电路的第三开关和第四开关将第一线圈绕线和第二线圈绕线中的另一个线圈绕线耦接到第二供应导体。控制电路周期性地交替改变第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的导通和关断，以反转线圈电流的极性。施加到电感负载的交流电可能难于控制，并且可能在流量测量中引入误差。

发明内容

提供本发明内容以用简化形式介绍对下面在具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容不旨在表明所请求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在帮助确定所请求保护的主题的范围。所请求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何或所有缺点的实现方式。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的示例性工业过程测量系统的简化图。

图2是用于磁流量计的现有技术线圈驱动器的简化电路图。

图3是用于磁流量计电流驱动器的电流源的框图。

图4A和图4B是用于使用脉冲宽度调制(PWM)来驱动磁流量计中的线圈的线圈驱动电路的简化示意图。

图5A和5B是示出根据本公开的实施例的从微控制器到H桥的开关的示例性控制信号的图。

图6是自适应线圈驱动数字电路的框图。

具体实施方式

在下文中参考附图更充分地描述本公开的实施例。使用相同或相似的附图标记标识的元素是指相同或相似的元素。然而，本公开的各种实施例可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。

在以下描述中给出了具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员应当理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。例如，电路、系统、网络、过程、框架、支撑件、连接器、电动机、处理器和其他组件可能未示出或以框图形式示出，以避免使实施例在不必要的细节上模糊。

磁流量计用于测量流体的流量。磁流量计根据法拉第电磁感应定律进行操作，以测量通过管道的导电液体的流量。在磁流量计中，线圈用于向导电流体施加磁场。根据法拉第定律，通过磁场的导电流体的移动生成EMF(电压)，可以使用感测电极来感测该EMF。该电压的幅度与导电过程流体的流量成比例。

在磁流量计中，为了增加信噪比(1/f)，需要高频电流反转。线圈驱动器需要以最小/无过冲的方式控制电流，并在测量电极电压之前提供快速建立时间。紧优(tightoptimum)电流控制回路对于提高系统性能至关重要。磁流管线圈驱动器需要与不同尺寸的流管一起使用。流管参数随时间和温度改变。线圈驱动器系统在加电时识别所附接的流管的阻抗，连续监控任何参数改变并提供最优电流控制。

图1是根据本公开实施例的示例性工业过程测量系统98的简化图。系统98可以用于材料(例如，过程介质)的处理中，以将该材料从价值较低的状态转变成价值较高和有用的产品，例如石油、化学制品、纸张、食品等。例如，系统98可以用于执行工业过程的炼油厂中，工业过程可以将原油加工成汽油、燃料油和其他石化产品。

系统98包括脉冲直流(DC)磁流量计100，该脉冲直流磁流量计100例如被配置为感测诸如通过管道或流管102的过程流体流101的流量。磁流量计100包括电动势(EMF)传感器316(参见图4A、图4B)和流量计电子设备106。传感器316通常被配置为测量或感测流体流101的流量。电子设备106通常被配置为控制所施加的磁场以测量流量，并且可选地将所测量的流量传递到外部计算设备111(例如，计算机控制单元)，外部计算设备111可以位于远离流量计100的位置，例如，在系统98的控制室113中。

电子设备106可以通过合适的过程控制回路与外部计算设备111通信。在一些实施例中，过程控制回路包括物理通信链路(例如，两线控制回路115)或无线通信链路。外部计算设备111与流量计100之间的通信可以根据常规的模拟和/或数字通信协议在控制回路115上执行。在一些实施例中，两线控制回路115包括4-20毫安控制回路，其中，过程变量可以由流过该两线控制回路115的回路电流I_L的电平表示。示例性数字通信协议包括例如根据

通信标准，将数字信号调制到两线控制回路115的模拟电流电平上。也可以采用其他纯数字技术，包括FieldBus和Profibus通信协议。过程控制回路的示例性无线版本包括例如无线网状网络协议(例如，

(IEC 62591)或ISA 100.11a(IEC62734))，或另一种无线通信协议(例如，WiFi、LoRa、Sigfox、BLE)，或任何其他合适的协议。

可以从任何合适的电源向磁流量计100供电。例如，磁流量计100可以完全由流过控制回路115的回路电流I_L供电。也可以利用一个或多个电源来为过程磁流量计100供电，例如，内部或外部电池。发电机(例如，太阳能电池板、风力发电机等)也可以用于为磁流量计100供电或为磁流量计100使用的电源充电。

图2是线圈驱动器电路120的简化框图。流管102包括线圈104，该线圈104电连接到驱动器电路120。驱动器电路120包括连接到H桥电路110的模拟电流源108。H桥电路110包括由极性命令(polarity command)信号源112驱动的四个开关(通常为晶体管)。信号源的输出通过开关驱动器114馈送，使得在任何给定时间，电流沿图2中箭头所指示的方向或相反方向施加到线圈104。

在常规的磁流量计线圈驱动器中，电流源108和H桥110用于将方波电流注入到流管102的线圈104中。磁流量计控制电流设定点，H桥110用于设置施加到线圈104的电流的极性(方向)。由于一种线圈驱动电路设计可以用于为不同尺寸的流管供电，因此，在识别出所附接的流管的阻抗之后，可以通过选择几个不同的控制方案之一来配置驱动器电路120，以控制流入线圈104的电流，这改变了电流分布以补偿流管102之间的参数变化。每个控制方案都可以控制流向一组流管的电流。然而，对于任意给定的流管，控制方案可能不是优化的。另外，当电流反转时，由于感应线圈104中的续流电流，电流源108可能变得不稳定。在此期间，可以超出控制器的操作电压范围，直到线圈驱动器恢复。此外，线圈驱动器电路120可能不能与新设计的流管配置一起工作，因此需要重新设计电路。

图3示出了在磁流量计线圈驱动器中使用的典型常规电流源108的配置，该磁流量计线圈驱动器用于生成期望的电流分布。基于流管阻抗的知识来选择控制方案。在图3的示图中，控制器200使用相应开关208-1、208-2、208-3...208-N来选择期望的电流控制方案202-1、202-2、202-3...202-N。该控制方案可以实现为模拟电路。使用电流设定点204，并且该电流通过调节器206施加到流管102的线圈。将反馈电流应用于该控制方案，以供所选控制算法使用。特定的控制方案可以根据已知的控制算法技术。例如，可以使用PID(比例积分微分)算法，包括那些使用反馈和/或前馈信号的算法。通常，好的控制器是使响应时间最小和/或尽可能密切的跟踪命令信号的控制器。

当安装了流管时，使用特定的阻抗和期望的电流驱动特性来选择适当的控制方案202-1至202-N。控制器200可以根据需要包括微控制器或其他电路。然而，这种配置限于预定的控制方案。此外，由于流管102的线圈的电特性随时间改变，所以典型的常规控制方案不能适应这些改变。

与其中通过感性负载的电流主要通过模拟电路控制的常规线圈驱动器不同，提供了一种完全数字式线圈驱动器，如图4A和图4B所示。图4A示出了根据一个示例实施例的使用数字线圈驱动器电路的磁流量计300。图4A和图4B中与图2所示的组件相似的组件保留了其编号。与由常规控制器200实现的不能适于改变流管参数的预定的固定控制方案相反，利用本文阐述的数字线圈驱动器，可以通过控制用于操作H桥电路的信号来控制电流分布。更具体地，可以使用PWM(脉冲宽度调制)命令输入信号来控制H桥中的开关。

如图4A所示，H桥驱动器110连接在总线电压和电接地之间，并且包括四个开关302A、302B、302C和302D，这些开关例如是场效应晶体管等。开关302B与开关302A互补，开关302D与开关302B互补。开关驱动器114被示出为四个模拟驱动器电路304A、304B、304C和304D。各个开关驱动器304A至304D从微控制器308接收PWM命令。图4B示出了流量计300的略微不同的配置，其中，开关驱动器304A和304C是反相驱动器。与使用四个此类命令信号的图4A的配置相反，该配置允许微控制器308施加两个PWM命令信号。

H桥110被配置为从总线电压或电源接收未滤波的电流。微控制器308控制开关对302A和302C以及302B和302D，以从未经滤波的电流生成高频(例如，10-100kHz)电流脉冲，该电流脉冲通过导线320和322传送到低通滤波器(LPF)312。低通滤波器(LPF)312操作为对来自导线320A和322A上的H桥110输出的高频电流脉冲进行衰减，以在对应的线路320B和322B上形成低频(例如，5-100Hz)线圈电流脉冲，该低频线圈电流脉冲形成通过线圈104传送的线圈电流。

微控制器308通过调制开关302的占空比来控制经滤波的线圈电流流过线圈104的方向。图5A和图5B是示出从微控制器308到开关302的示例性控制信号的图，该示例性控制信号使线圈电流沿相反的方向流动通过线圈104。通常，用于开关302A或开关302B的一系列窄(短持续时间、低占空比)脉冲将在线路320A或线路322A中导致对应的短电流脉冲。当这些高频短电流脉冲穿过LPF 312时，导致对应的线路320B或线路322B上的低DC电压。类似地，一系列宽(长持续时间、高占空比)脉冲将使高DC电压施加到对应的线路320A或322A。当这些高频长电流脉冲穿过LPF 312时，导致对应的线路320B或322B上的高DC电压。例如，当通过微控制器308致动开关302A至302D时，如图5A所示，开关302A的占空比大于开关302B的占空比，开关302C的占空比小于开关302D的占空比。这使得线路320B中的平均电压大于线路322B中的平均电压，导致线圈电流沿图4A所示的方向流动。当控制信号与图5B所示的一致时，开关302A的占空比小于开关302D的占空比。这使得线路322B中的平均电压大于线路320B中的平均电压，导致线圈电流沿与图4A所示方向相反的方向流动。

因此，通过控制施加到H桥110的PWM命令信号，微控制器308可以控制施加到线圈104的电流信号的幅度、改变率和形状。这种技术用于调节线圈电流的方向和幅度，其不同于磁流量计102的常规功率放大器，磁流量计102的常规功率放大器使用H桥来简单地将来自电源的电流沿交替方向引导通过流管组件的线圈。

电流传感器310用于感测施加到线圈104的电流。该感测到的电流向微控制器308的模数转换器(ADC)提供反馈信号。电流传感器310可以基于任何适当的技术，例如，串联电阻上测量的电压降。

图4A还示出了EMF传感器316，该EMF传感器电耦接到流管102中的流体并且可以包括例如电极。差分放大器318从EMF传感器316接收输出信号，并向微控制器308的模数转换器(ADC)提供放大的差分信号。如前所述，EMF传感器316之间的电压的幅度与流过流管102的过程流体的流量有关。

在图4A、图4B的数字线圈驱动器配置中，微控制器308使用施加到H桥电路110的PWM命令来控制流入流管102的电流。此外，可以基于由电流传感器310所感测的电流反馈来确定PWM命令，并且在微控制器308中以数字方式实现控制算法。这在图6中示出，图6是连续自适应数字线圈驱动器400的示图。图6的示图示出了微控制器308耦接到“负载”402，该“负载”402是来自线圈104以及电流路径中的其他组件的有效负载，如微控制器电路308在开关驱动器114处所看见的负载。通过负载402的电流由提供电流反馈404的传感器310感测。使用模数转换器406将所感测的电流反馈404转换为数字值，并将其应用于控制算法408和阻抗识别算法410。控制算法408根据选定的电流分布412进行操作，以控制H桥110中的开关302A至302D的操作，这些开关与LPF 312一起在图6中表示为PWM 416。控制算法向PWM 416和阻抗识别算法410提供命令信号414。阻抗识别算法410通过将数字化电流反馈404与控制算法408提供的命令信号414进行比较来确定负载402的阻抗。基于阻抗识别算法410识别出的阻抗，该阻抗识别算法调节控制算法408使用的控制参数以适应负载402提供的特定阻抗。

在操作中，当加电时，连接到线圈驱动器的负载阻抗可能是未知的。为了识别所连接的负载的电特性(阻抗)，微控制器408首先使用小的激励信号(电压)以开环(基于无反馈的控制)激励负载，并测量电流反馈。在电压与电流之间存在非线性关系的非理想情况下(大多数电感器芯材料显示出磁滞特性，并且线圈104的阻抗是其操作电流的函数)，微控制器308增加所施加的电压并测量电流，直到达到期望的操作电流设定点为止。然后，阻抗识别算法410使用已知技术来计算“负载”阻抗，之后微控制器计算用于控制回路的最佳的参数的整定。例如，可以将阶跃电压输入施加到线圈104。通过使用电流传感器110监控所得电流的上升时间，可以确定线圈104的电感以及任何寄生电阻的值。然后，微控制器308使用最初计算的参数的整定来闭合电流回路。流管102的阻抗将由于环境(例如，流管102的温度)而随时间改变，同时当在闭合回路中操作时，阻抗识别算法410连续测量该流管的阻抗。在新的阻抗通过低通滤波器之后，微控制器针对已经实现的控制方案计算新的最佳控制回路参数。通过这种方式，磁流量计线圈驱动器以最佳性能连续操作。这样可以减少或基本消除过冲，并且还可以提供快速建立时间，从而实现快速的线圈频率响应。

因此，微控制器使用电流反馈的知识来计算流管的阻抗，并在加电后得出最佳的调谐参数(针对所应用的控制法则)。通过连续的阻抗测量，当流管的参数(阻抗)由于例如改变的环境条件(例如，温度)和老化影响而改变时，微控制器可以通过调节参数的整定来保持这种最佳性能。由于控制定律是在微控制器内部以数字方式实现的，因此微控制器还可以对适当的PWM信号或命令进行解码，并将其直接应用于H桥开关的开关，以控制通过流管的电流。另外，磁流量计可以适于自动地与新的流管一起操作，而无需像常规磁流量计那样的预定的控制方案。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出修改。该配置可以为任何附接的流管提供最佳性能。此外，该系统对由于温度改变和老化而引起的流管参数改变进行适应。微控制器可以根据任何技术，例如，可以在微控制器中实现。在本文阐述的磁流量计中，由线圈驱动器创建方形(或梯形)电流波形。期望在电流/磁场转变之后，系统尽快达到稳态。在稳态磁场中，感测流管电极电压并计算流量。假设当电流处于稳态时(或之后不久)，磁场是已知的。流量测量的频率越高，“1/f”噪声(粉红噪声)越低。因此，期望优化磁场(或电流)的建立时间(或最小化其建立时间)。此外，如果电流在线圈中过冲，则在一些磁性材料中，与没有过冲的情况相比，磁场可能沉降(settle)到不同的磁场强度。由于在流管中，磁场强度是根据电流幅度测量的，因此在一些系统中，电流过冲可能导致测量误差。本文阐述的数字控制电路可以用于控制施加到线圈的电流以优化上述因素。

Claims

1.一种用于测量流体流量的磁流量计，包括：

流管组件，接收所述流量，所述流管组件具有用于接收线圈电流的线圈，所述线圈具有第一线圈绕线和第二线圈绕线，所述线圈电流产生磁场，所述磁场在所述流体中生成表示所述流量的EMF；

EMF传感器，被布置为感测所述EMF并生成指示所述流量的输出；

电流供应电路，被配置为响应于命令输入来向所述线圈的第一线圈绕线和第二线圈绕线提供所述线圈电流；以及

数字控制电路，根据控制算法向所述电流供应电路提供所述命令输入。

2.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述电流供应电路包括电流源和至少一个开关，所述至少一个开关用于将所述电流源选择性地耦接到所述线圈。

3.根据权利要求2所述的磁流量计，其中，所述命令输入包括施加到所述至少一个开关的PWM脉冲宽度调制信号。

4.根据权利要求1所述的磁流量计，还包括低通滤波器，所述低通滤波器将所述电流供应电路连接到所述线圈，以向所述线圈提供大致DC线圈电流。

5.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，施加到所述电流供应电路的所述命令输入使通过所述线圈的所述线圈电流的方向反转。

6.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述命令输入包括PWM脉冲宽度调制信号。

7.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述控制算法被配置为根据电流分布来控制所述命令输入。

8.根据权利要求7所述的磁流量计，其中，所述电流分布包括幅度、频率、波形和过冲中的至少一项。

9.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述数字控制电路包括被配置为确定所述线圈的阻抗的阻抗识别算法，并且所述命令输入是所确定的阻抗的函数。

10.根据权利要求9所述的磁流量计，其中，所述阻抗识别算法接收与通过所述线圈的电流有关的电流反馈信号，以用于确定所述线圈的阻抗。

11.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述电流供应电路包括四个开关，所述四个开关被配置为控制通过所述线圈的电流。

12.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，所述命令输入包括单独施加到所述四个开关中的每个开关的四个信号。

13.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，所述命令输入包括施加到所述四个开关中的两对开关的两个信号。

14.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述控制算法被配置为根据流过所述线圈的感测电流来生成所述命令输入，并且所述数字控制电路包括阻抗识别算法，

所述阻抗识别算法被配置为根据所述感测电流和所述命令输入来识别所述线圈的阻抗并且响应性地控制所述控制算法的参数。

15.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述控制算法的参数对所述线圈的电参数的改变进行适应。

16.一种用于使用磁流量计来测量过程流体流量的方法，包括：

接收通过流管组件的过程流体的流量，所述流管组件具有用于接收线圈电流的线圈，所述线圈具有第一线圈绕线和第二线圈绕线，响应性地产生磁场并在所述流体中生成表示流量的EMF；

用传感器感测所述EMF并生成指示流量的输出；

响应于命令输入，使用电流供应电路向所述线圈的第一线圈绕线和第二线圈绕线提供所述线圈电流；以及

响应于控制算法，使用数字控制电路来生成施加到所述电流供应电路的所述命令输入。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述命令输入包括PWM脉冲宽度调制信号。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述控制算法被配置为根据电流分布来控制所述命令输入。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电流分布包括幅度、频率、波形和过冲中的至少一项。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述数字控制电路包括用于确定所述线圈的阻抗的阻抗识别算法，并且所述命令输入是所确定的阻抗的函数。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述阻抗识别算法接收与通过所述线圈的电流有关的电流反馈信号，以用于确定所述线圈的阻抗。