CN1131997C - 电磁流量测量方法和相应的流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可以在测量范围内改善测量精度的电磁流量测量方法和相应的流量计，它的测量误差小于1%，而且其价格也是可以接受的。这种流量计包括有一个在运行时被测流体由其中流过的测量管(1)。一对单独的组件(2)沿磁场直径(3)设置在测量管(1)的横向表面处，并用于产生一个磁场。由第一和第二电极(21、22)构成的第一电极对，由第三和第四电极(23、24)构成的第二电极对，以及由第五和第六电极(25、26)构成的第三电极对与流体相接触。

Description

电磁流量测量方法和相应的流量计

本发明涉及具有用于引导电导性流体流过的测量管的电磁流量计。

期刊“Meas.Sci.Technol.”在1996年的第7卷中的第354至357页公开了一种电磁流量计，它

具有一个测量管，在运行过程中要被测量的电导性流体流经该测量管，

具有一对单独的组件，它们设置在测量管的磁场直径方向上，并用于产生沿磁场直径方向空间均匀的磁场，

具有由第一和第二电极构成的第一电极对，用于在运行过程中产生第一电极电压，

具有由第三和第四电极构成的第二电极对，用于在运行过程中产生第二电极电压，

具有由第五和第六电极构成的第三电极对，用于在运行过程中产生第三电极电压，

各电极均与流体相接触，

第一电极对沿测量管的第一电极直径方向设置，该直径方向与磁场直径之间的角度为90°，

第二电极对沿测量管的第二电极直径方向设置，该直径方向与第一电极直径之间的角度大约为45°，

第三电极对沿测量管的第三电极直径方向设置，该直径方向与第二电极直径之间的角度大约为90°，

并且具有一个用于处理各电极电压的测量回路。

与传统的电磁流量计相比，如上所述的这种类型的电磁流量计可以改进其流量测量精度，即使在流体剖面是旋转非对称的时也是如此。

传统的仅具有两个电极的电磁流量计通常由直的、位于上流侧的管形部分，即所谓的输入部分构成，以便使旋转非对称的流体剖面再次呈旋转对称状。然而输入部分的长度和由此所产生的生产成本将与标称直径不成比例的增大。通过如上所述的设置方式可以减小输入部分的长度。

然而这种改进往往并不十分有效，如果想获得较高的测量精度，即要将测量误差减小到1％以下时更是如此。

正如上所述的文献中的第358至360页中所指出的那样，可以通过形成与空间均匀的第二磁场成直角的、单独的空间均匀磁场的方式，进一步地改进电磁流量计的测量精度。

为了能够进一步的在测量范围内改善测量精度，即使测量误差小于1％，并且使其价格也是可以接受的，又不用再为产生第二磁场用的部件花费费用，本发明人经过进一步的研制，获得了构成为本发明第一方面的一种利用电磁流量计测量电导性流体的体积流量的方法，它包括：

一个测量管，在运行过程中流体流经该测量管，而且测量管以和内侧相接触的流体电绝缘的方式构成，

一对单独的组件，它们设置在测量管的横向表面处，位于测量管的磁场直径上，并用于产生沿磁场直径方向为非空间均匀的磁场，

由第一和第二电极构成的第一电极对，用于在运行过程中产生第一电极电压，

由第三和第四电极构成的第二电极对，用于在运行过程中产生第二电极电压，

由第五和第六电极构成的第三电极对，用于在运行过程中产生第三电极电压，

各电极均具有一个比点的形状更大一些的、有限的表面，这些表面与流体相接触，

第一电极对沿测量管的第一电极直径方向设置，该直径方向与磁场直径之间的角度为90°，

第二电极对沿测量管的第二电极直径方向设置，该直径方向与第一电极直径之间的角度大约为45°，

第三电极对沿测量管的第三电极直径方向设置，该直径方向与第二电极直径之间的角度大约为90°，

一个用于向产生磁场用的组件提供电流的激励回路；

以及一个用于处理第一、第二和第三电极电压的测量回路，

其特征在于该方法

仅有第二电极电压的0.1至0.7之间的部分与第一电极电压一并由测量回路实施处理，而且仅有第三电极电压的0.1至0.7之间的部分与第一电极电压一并由测量回路实施处理。

为了能够进一步的在测量范围内改善测量精度，即使测量误差小于1％，并且使其价格也是可以接受的，又不用再为产生第二磁场用的部件花费费用，本发明人经过进一步的研制，获得了构成为本发明第二方面的一种电磁流量计，它

具有一个测量管，在运行过程中要被测量的电导性流体流经该测量管，而且测量管以和内侧相接触的流体电绝缘的方式构成，

具有一对单独的组件，它们设置在测量管的横向表面处，位于测量管的磁场直径上，并用于产生沿磁场直径方向为非空间均匀的磁场，

具有由第一和第二电极构成的第一电极对，用于在运行过程中产生第一电极电压，

具有由第三和第四电极构成的第二电极对，用于在运行过程中产生第二电极电压，

具有由第五和第六电极构成的第三电极对，用于在运行过程中产生第三电极电压，

各电极均具有一个比点的形状更大一些的、有限的表面，这些表面与流体相接触，

第一电极对沿测量管的第一电极直径方向设置，该直径方向与磁场直径之间的角度为90°，

第二电极对沿测量管的第二电极直径方向设置，该直径方向与第一电极直径之间的角度大约为45°，

第三电极对沿测量管的第三电极直径方向设置，该直径方向与第二电极直径之间的角度大约为90°，

具有一个用于向产生磁场用的组件提供电流的激励回路；

并且具有一个用于处理第一、第二和第三电极电压的测量回路，包括：

一个具有第一、第二和第三输入端的加法级，

一个具有第一和第二输入端和一个输出端的第一乘法级，

一个具有第一和第二输入端和一个输出端的第二乘法级，

而且在测量回路中，

第一电极电压偶合至加法级的第一输入端，

第二电极电压偶合至第一乘法级的第一输入端，

第三电极电压偶合至第二乘法级的第一输入端，

并且向第一乘法级的第二输入端和第二乘法级的第二输入端供给代表着倍增系数f的倍增信号(F)，其中的倍增系数f在0.1至0.7之间，

加法级的输出提供着一个与体积流量成比例的信号。

作为本发明第二方面的一个最佳实施例，其中测量回路的特征还可以在于：

第一电极电压供给至具有一个输出端的第一去偶合放大器的输入侧，

第二电极电压供给至具有一个输出端的第二去偶合放大器的输入侧，

第三电极电压供给至具有一个输出端的第三去偶合放大器的输入侧，

其中各个去偶合放大器具有相同的增益，

第一去偶合放大器的输出端通过具有电阻值为R的第一电阻器与一个差分放大器的反向输入端相连接，

所述差分放大器的非反向输入端与回路零点相连接，

所述差分放大器的输出端通过具有电阻值为R的第二电阻器与其反向输入端相连接，并且提供出一个与体积流量成比例的信号，

第二去偶合放大器的输出端通过具有电阻值为R/f的第三电阻器与差分放大器的反向输入端相连接，

第三去偶合放大器的输出端通过具有电阻值为R/f的第四电阻器与差分放大器的反向输入端相连接。

本发明中的一个引人注目的事实就是，由于第二电极直径或第三电极直径与单独磁场方向之间所成的角度为45°左右或为-45°左右，故使得第二电极电压和第三电极电压均比第一电极电压小，而且为了能实现上述的目的，还将第二和第三电极电压再乘以0.1至0.7，以进一步将其降低。

本发明的优点在于，即使对于流体剖面为旋转非对称的场合，对于磁场为非空间均匀的场合，也可以改善其测量精度，而这些场合在实际应用时是经常出现的。如果举例来说，旋转非对称的流体剖面会出现在节流孔、阀门、塞阀、滑阀和管线弯曲部分的下流侧。因此当采用本发明时，可以大大缩短如上所述的输入部分的长度，甚至可以将其完全取消。

下面参考附图，利用最佳实施例更详细地说明本发明。

图1为表示有关一种电磁流量计中的测量传感器的结构设置的示意性横剖面图。

图2为表示应用于本发明的测量回路的原理的示意性方框图。

图3为表示如图2所示的测量回路中的一种最佳实施方式的示意性方框图。

图4为表示如图2所示的测量回路中的另一种最佳实施方式的示意性方框图。

在图1中示意性的示出了在一个电磁流量计的测量传感器中起主要作用的各个部分。其中的测量管1用于引导要被测量的电导性流体通过。

这种测量管1以和内侧相接触的流体电绝缘的方式构成，所以如果举例来说，测量管1本身可以完全由绝缘材料构成，比如说可以由烧结陶瓷构成，而且当用氧化铝陶瓷构成时更好些，或是由塑料构成，而且当用硬质橡胶构成时更好些。

测量管1还可以用涂敷非铁磁金属管，特别是不锈钢管的方式构成，其内侧可以用适当的塑料材料构成绝缘层，而且塑料材料可以采用硬质橡胶、软质橡胶或聚氟乙烯等等，如果采用聚四氟乙烯则更好些。也可在涂层中加入诸如金属网的机械加固组件。

一对单独的组件2设置在测量管1的外侧横向表面处，位于测量管1的磁场直径3上，并用于产生沿直径方向延伸的磁场；这一磁场是非空间均匀的。

产生磁场用的这一组件包括由第一线圈21和第二线圈22构成的一对单独的线圈，由第一线圈磁芯23和第二线圈磁芯24构成的一对单独的线圈磁芯，由第一极靴25和第二极靴26构成的一对极靴，以及用于向线圈21、22供给电流i的激励回路5。线圈21、22是彼此串联连接的。

极靴25、26为具有一个中心磁芯的扁平状的软磁性板材，线圈磁芯23、24也是由软磁芯板材形成的，因此对于每一个极靴均可以将一个电极设置在测量管1中。

如果图1所示的位置为电磁流量计的安装位置，则设置在极靴26的芯体中的另一电极还用于与回路的零点相连接。

如果图1所示的位置为电磁流量计的安装位置，则设置在极靴25的芯体中的另一电极还用于检测测量管1是否已经被要测量的流体完全充满。

电流i是电磁流量计中的常规特征量之一；如果举例来说，电流i可以是双极直流电流，脉动变化电流或是连续变化电流。

通常设置在电磁流量计的范围内的、并且象在先技术中所述的那种回路适用于产生上述的直流电流或交变电流，在这儿省略了对它们的详细描述。

线圈对、线圈磁芯对和极靴对位于同一轴线上，该轴线也是测量管1的一条直径。这一直径就是上述的磁场直径3。

就象常规的电磁流量计中那样，线圈磁芯23、24可以是铁磁体一象最佳实施例所示的的那样—也可以是非铁磁体。磁性回路由适当的磁反射板材6闭合住。

而且在测量管1上还配置有由第一和第二电极41、42构成的第一电极对，由第三和第四电极43、44构成的第二电极对，以及由第五和第六电极45、46构成的第三电极对。每一个电极均具有一个比点的形状更大一些的表面，这些表面与流体相接触，并且以流体密封的形式固定在测量管1的管壁上。

第一电极对的两个电极41、42沿测量管1的一条直径方向设置，而这一直径在下面将被称为第一电极直径4₁。在电磁流量计的运行过程中，可以由这两个电极41、42上导出第一电极电压u₁。

第二电极对的两个电极43、44沿测量管1上的另一条直径方向设置，这一直径在下面将被称为第二电极直径4₂。在电磁流量计运行的过程中，可以由这两个电极43、44上导出第二电极电压u₂。

第三电极对的两个电极45、46沿测量管1上的又一直径方向设置，这一直径在下面将被称为第三电极直径4₃。在电磁流量计运行的过程中，可以由这两个电极45、46上导出第三电极电压u₃。

第一电极直径4₁与磁场直径3之间的角度为90°。第二电极直径4₂与第一电极直径4₁之间的角度为45°，与第三电极直径4₃之间的角度为90°。后两个角度并不需要非常的精确，如果举例来说，它们可以有大约10％的偏差量。而且对于倍增系数f而言，这种值应该取为45°或90°，倍增系数f将在下面给予说明，并且可以依据所产生的细微偏差加以选择。

使用在本发明这一实例中的测量回路的原理由图2中的示意性方框图示出了，这种回路可以用于处理电极电压u₁、u₂、u₃。

第一电极电压u₁供给至第一去偶合放大器11的输入侧，换句话说就是其第一输入端与第一电极41相连接，第二输入端与第二电极42相连接。

第二电极电压u₂供给至第二去偶合放大器12的输入侧，即它的第一输入端与第三电极43相连接，它的第二输入端与第四电极44相连接。

第三电极电压u₃供给至第三去偶合放大器13的输入侧，换句话说就是其第一输入端与第五电极45相连接，第二输入端与第六电极46相连接。

第一乘法级8的第一输入端与第二去偶合放大器12的输出端相连接。在第一乘法级8的第二输入端处输入有代表着倍增系数f的一个倍增信号F；这一倍增系数f在0.1至0.7之间。

第二乘法级9的第一输入端连接至第三去耦合放大器13的一个输入端。第二乘法级9的第二输入端  馈入代表位于0.1至0.7之间的倍培系数的同样的倍增信号F。

加法级7的第一输入端与第一去偶合放大器11的输出端相连接，加法级7的第二输入端与第一乘法级8的输出端相连接，加法级7的第三输入端与第二乘法级9的输出端相连接。

这三个去偶合放大器11、12、13具有相同的增益，因而彼此间的性能可尽可能的趋于一致。在加法级7的输出端可产生一个与体积流量成比例的信号v。

图3以示意性方框图的方式示出了测量回路中的一种最佳实施方式，其中的三个去偶合放大器11、12、13以尽可能相同的方式配置。

第一去偶合放大器11的输出端通过具有电阻值为R的第一电阻器W₁偶合至差分放大器10的反向输入端，而后者的非反向输入端与回路零点SN相连接。差分放大器10的输出端通过具有电阻值为R的第二电阻器W₂与其反向输入端相连接，并且提供出一个与体积流量成比例的信号。

第二去偶合放大器12的输出端通过具有电阻值为R/f的第三电阻器W₃偶合至差分放大器10的反向输入端，第三去偶合放大器13的输出端通过具有电阻值为R/f的第四电阻器W₄亦偶合至差分放大器10的反向输入端。因此电阻值R被乘以倍增系数f的倒数。

在如图3所示的实施例中，差分放大器10的反向输入端与如图2所示的加法级相对应，因此在这儿仅有一个加法连接点。

在图2和图3的说明中，由于电极电压u₁、u₂、u₃均是模拟电压，所以均假定是以模拟方式进行进一步的处理的，因此子回路8、9、10、11、12、13均是模拟回路。然而并非一定需要如此，也可以采用数字方式对电极电压u₁、u₂、u₃进行进一步的处理。

为此，图4还以示意性方框图的方式，示出了如图2所示的测量回路中的另一种最佳实施方式。在这种实施方式中，特定的去偶合放大器111、112、113、114、115、116被用于相应的电极41、42、43、44、45、46。随后立刻对各个去偶合放大器输出的信号进行模数转换，并根据本发明的、如上所述的基本原理对这些数字信号进行处理，当然在这儿采用的是数字方式。

去偶合放大器111、112、113、114、115、116为运算放大器，它们的非反向输入端与相应的电极41、42、43、44、45、46相连接，而各自的反向输入端与回路零点SN相连接。这些去偶合放大器111、112、113、114、115、116具有相同的增益，因而彼此间的性能可尽可能的趋于一致。

在每一个去偶合放大器111、112、113、114、115、116的后面均设置有一个相应的模数转换器121、122、123、124、125、126，后者的信号输入端与相应的去偶合放大器的输出端相连接。如果需要的话，还可以在其中间位置处插入由虚线示出的相应的放大器131、132、133、134、135、136。

第一减法器17配置在模数转换器121、122的相应输出端的后面。如果举例来说，减法器17的被减数输入端可以与模数转换器121的输出端相连接，减法器17的减数输入端可以模数转换器122的输出端相连接。

第二减法器18配置在模数转换器123、124的相应输出端的后面。如果举例来说，减法器18的被减数输入端可以与模数转换器123的输出端相连接，减法器18的减数输入端可以模数转换器124的输出端相连接。

第三减法器19配置在模数转换器125、126的相应的输出端的后面。如果举例来说，减法器19的被减数输入端可以与模数转换器125的输出端相连接，减法器19的减数输入端可以模数转换器126的输出端相连接。

时钟发生器180向模数转换器121、122、123、124、125、126提供其频率大于1kHz左右的取样信号；这一频率最好取为10kHz的量级，即比如说取在5kHz至50kHz之间。而且时钟发生器180还向各减法器17、18、19提供适当频率的时钟信号，该频率可以与控制各模数转换器用的时钟信号的频率相等。

第一倍增器8’的第一输入端与减法器18的输出端相连接。代表着第一倍增系数f的数字倍增信号F’供给至倍增器8’的第二输入端。

第二倍增器9’的第一输入端与减法器19的输出端相连接。代表着第一倍增系数f的数字倍增信号F’供给至倍增器9’的第二输入端。

加法器7’的第一输入端与减法器17的输出端相连接，加法器7’的第二输入端与第一倍增器8’的输出端相连接，加法器7’的第三输入端与第二倍增器9’的输出端相连接。加法器7’的输出端可提供出与体积流量成比例的数字信号v’。

为简单起见，倍增器8’、9’在图4所示中构成为加法器7’的子回路；这显然是可以的，其原因在于在数字处理过程中，加法和乘法是用相同的方式实现的，在微型处理机中更是如此。

可以通过显示的方式或其它的、诸如图表记录器等等的适当方式，使上述的信号v或v’成为可视信号。信号v或v’还可以与可视信号相偶合，或叠加在可视信号上，以对被测信号进行更广泛的处理。

按这种方式构造的电磁流量计，如果其测量管的标称直径为50mm，并且按与如图1所示的剖面图的比例大体相当的比例设置，则倍增系数f的值可以取为0.3。直到标称直径为100mm，并且按如图1所示的大小设置产生磁场用的组件时，这一值仍可以取为0.3。

当标称直径大于100mm时，产生磁场用的组件的相对于标称直径的大小和图1所示的场合相比可以更为紧缩，而且这一倍增系数f的值可以取在0.35至0.7之间。

Claims (3)

1.一种利用电磁流量计测量电导性流体的体积流量的方法，包括：

一个测量管，在运行过程中流体流经该测量管，而且测量管以和内侧相接触的流体电绝缘的方式构成，

一对单独的组件，它们设置在测量管的横向表面处，位于测量管的磁场直径上，并用于产生沿磁场直径方向为非空间均匀的磁场，

由第一和第二电极构成的第一电极对，用于在运行过程中产生第一电极电压，

由第三和第四电极构成的第二电极对，用于在运行过程中产生第二电极电压，

由第五和第六电极构成的第三电极对，用于在运行过程中产生第三电极电压，

各电极均具有一个比点的形状更大一些的、有限的表面，这些表面与流体相接触，

第一电极对沿测量管的第一电极直径方向设置，该直径方向与磁场直径之间的角度为90°，

第二电极对沿测量管的第二电极直径方向设置，该直径方向与第一电极直径之间的角度大约为45°，

第三电极对沿测量管的第三电极直径方向设置，该直径方向与第二电极直径之间的角度大约为90°，

一个用于向产生磁场用的组件提供电流的激励回路；

以及一个用于处理第一、第二和第三电极电压的测量回路，

在该方法中

仅有第二电极电压的0.1至0.7之间的部分与第一电极电压一并由测量回路实施处理，而且仅有第三电极电压的0.1至0.7之间的部分与第一电极电压一并由测量回路实施处理。

2.一种电磁流量计

具有一个测量管，

在运行过程中要被测量的电导性流体流经该测量管，而且测量管以和内侧相接触的流体电绝缘的方式构成，

具有一对单独的组件，它们设置在测量管的横向表面处，位于测量管的磁场直径上，并用于产生沿磁场直径方向为非空间均匀的磁场，

具有由第一和第二电极构成的第一电极对，用于在运行过程中产生第一电极电压，

具有由第三和第四电极构成的第二电极对，用于在运行过程中产生第二电极电压，

具有由第五和第六电极构成的第三电极对，用于在运行过程中产生第三电极电压，

各电极均具有一个比点的形状更大一些的、有限的表面，这些表面与流体相接触，

第一电极对沿测量管的第一电极直径方向设置，该直径方向与磁场直径之间的角度为90°，

第二电极对沿测量管的第二电极直径方向设置，该直径方向与第一电极直径之间的角度大约为45°，

第三电极对沿测量管的第三电极直径方向设置，该直径方向与第二电极直径之间的角度大约为90°，

具有一个用于向产生磁场用的组件提供电流的激励回路；

并且具有一个用于处理第一、第二和第三电极电压的测量回路，包括：

一个具有第一、第二和第三输入端的加法级，

一个具有第一和第二输入端和一个输出端的第一乘法级，

一个具有第一和第二输入端和一个输出端的第二乘法级，

而且在测量回路中，

第一电极电压偶合至加法级的第一输入端，

第二电极电压偶合至第一乘法级的第一输入端，

第三电极电压偶合至第二乘法级的第一输入端，

并且向第一乘法级的第二输入端和第二乘法级的第二输入端供给代表着倍增系数f的倍增信号(F)，其中的倍增系数f在0.1至0.7之间，

加法级的输出提供着一个与体积流量成比例的信号。

3.一种如权利要求2所述的电磁流量计，其中

第一电极电压供给至具有一个输出端的第一去偶合放大器的输入侧，

第二电极电压供给至具有一个输出端的第二去偶合放大器的输入侧，

第三电极电压供给至具有一个输出端的第三去偶合放大器的输入侧，

其中各个去偶合放大器具有相同的增益，

第一去偶合放大器的输出端通过具有电阻值为R的第一电阻器与一个差分放大器的反向输入端相连接，

所述差分放大器的非反向输入端与回路零点相连接，

所述差分放大器的输出端通过具有电阻值为R的第二电阻器与其反向输入端相连接，并且提供出一个与体积流量成比例的信号，

第二去偶合放大器的输出端通过具有电阻值为R/f的第三电阻器与差分放大器的反向输入端相连接，

第三去偶合放大器的输出端通过具有电阻值为R/f的第四电阻器与差分放大器的反向输入端相连接。

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