CN114829883A

CN114829883A - 操作磁感应流量计的方法

Info

Publication number: CN114829883A
Application number: CN202080085566.2A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·施马尔茨里德; 海因茨·鲁费尔; 沃尔夫冈·德拉赫姆; 托马斯·孔
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-07-29
Also published as: WO2021121960A1; EP4078100A1; DE102019135278A1; US20230213367A1; WO2021121960A9; EP4078100B1

Abstract

本发明涉及一种用于操作磁感应流量计(1)的方法，其中该磁感应流量计(1)包括：测量管(2)，该测量管(2)用于引导可流动介质；至少两个测量电极(3)，该至少两个测量电极(3)用于检测在介质中感应的与流速相关的测量电压；和磁场生成装置(4)，该磁场生成装置(4)用于生成穿过测量管(2)的磁场，其中磁场生成装置(4)包括具有至少一个线圈(5)的线圈系统；其特征在于，确定线圈系统的电抗与期望值的偏差σ或取决于线圈系统的电抗的变量与期望值的偏差σ。本发明还涉及一种磁感应流量计(1)。

Description

操作磁感应流量计的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作磁感应流量计的方法以及一种磁感应流量计。

背景技术

磁感应流量计用于确定管道中流动介质的流率和体积流量。磁感应流量计具有生成垂直于流动介质的流动方向的磁场的磁体系统。单线圈通常用于此目的。为了实现主要均匀的磁场，附加地形成和附接极靴，使得磁场线贯穿整个管道横截面，从而基本上垂直于横轴或平行于测量管道的竖直轴线。附接到测量管的侧表面的测量电极对分接垂直于流动方向并且垂直于磁场所施加的电气测量电压或电势差，并且当施加磁场时在导电介质沿流动方向流动时产生。因为根据法拉第感应定律，分接的测量电压取决于流动介质的速度、流量Q_V或流率u，并且在已知管道横截面的辅助下，体积流量

能够根据感应的测量电压U确定。

磁感应流量计通常用于流体的过程和自动化工程，其电导率达到或高于大约5μS/cm。相应的流量计由申请人以用于各种应用领域的多种实施例出售——例如，以PROMAG的名称出售。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于操作磁感应流量计的方法，利用该方法能够将外部磁场对流量测量的影响与热影响分开确定。

该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求11所述的磁感应流量计来实现。

根据本发明的用于操作磁感应流量计的方法，其中所述磁感应流量计包括：

-测量管，该测量管用于引导可流动介质；

-至少两个测量电极，所述至少两个测量电极用于检测在介质中感应的与流率相关的测量电压；和

-磁场生成装置，该磁场生成装置用于生成穿过测量管的磁场，

其中，磁场生成装置具有带有至少一个线圈的线圈系统；

其特征在于，

确定线圈系统的电抗与期望值的偏差σ或取决于线圈系统的电抗的变量与期望值的偏差σ。

电抗是与频率相关的变量，其通过建立交流电压来限制交流电并且导致电压与电流之间的临时相移。电抗是复交流电计算中复阻抗的虚部。阻抗的实部被称为有源电阻。阻抗的大小被称为视在电阻。

外部磁场影响磁感应流量计的线圈系统并且导致确定的流量测量变量中的测量误差。根据本发明，为了确定外部磁场的影响，确定线圈或线圈系统的电抗与预定额定值的偏差。有源电阻具有对外部磁场基本不敏感的频率范围。在相同的频率范围内，即使是外部磁场的最小影响也会导致电抗出现百分之几的偏差。与温度相关的测量能够表明相同频率范围内的热影响基本上只对有源电阻产生影响。

在一个实施例中，借助于多项式函数，特别是基于偏差σ和当前检测到的测量电压或取决于检测到的测量电压的变量的线性函数，来确定校正的流量测量值Q_V，

其中多项式函数可选地具有校正因子k。

在受到外部磁场干扰的情况下所确定的流量测量变量与没有外部干扰的参考测量值的偏差和电抗与期望值的偏差σ相关。能够基于偏差σ借助于多项式函数进行校正。进一步发现，基于偏差σ和在测量电极处检测到的当前测量电压或取决于检测到的测量电压的流量测量变量的线性函数就足够了，因此对流量测量的干扰影响能够得到补偿。

然而，也存在如下应用：其中仅借助于偏差σ和当前检测到的测量电压或取决于检测到的测量电压的变量进行校正是不够的。在这些情况下，校正因子的附加使用能够进一步减少流量测量的误差。已经发现，这种校正对于电池供电的磁感应流量计特别有利，其线圈系统通常以比在电源供电的磁感应流量计的情况下更低的电流强度运行。

根据另一实施例，以下适用于校正因子k：0.75≤k≤1.25，特别是0.95≤k≤1.05，并且优选地0.995≤k≤1.005。

在一个实施例中，在线圈系统处提供激励信号，

其中，激励信号包括：一个频率的脉冲序列、各自具有至少一个频率的至少两个脉冲序列、和/或至少一个正弦信号。

激励信号用于操作线圈系统并且用于生成穿过测量管的具有时间恒定磁场强度的磁场。激励信号能够是以受控方式施加的随时间变化的线圈电流或随时间变化的线圈电压。

脉冲序列优选地以两个连续的测量阶段被施加到线圈系统。不言而喻，分别被施加的脉冲序列的测量阶段不必彼此直接跟随，并且脉冲序列不必与磁场的切换同步。更确切地说，脉冲序列能够借助于测量电极与感应的测量电压的分接被同步地和异步地施加。脉冲序列例如是方波脉冲序列。然而，其它类型的脉冲序列，例如正弦脉冲或伪噪声，能够与本发明结合使用。

在一个实施例中，在线圈系统处确定测量信号，

其中，至少针对监视频率

借助于变换，特别是激励信号的时间部分和测量信号的时间部分或取决于激励信号和/或测量信号的变量的时间部分的积分变换和/或傅里叶分析来确定取决于线圈系统的电抗的变量。

在激励信号为线圈电压的情况下，测量信号对应于线圈电流。在激励信号为线圈电流的情况下，测量信号对应于线圈电压。

确定电抗以将激励信号的时间部分和测量信号的时间部分或取决于激励信号和/或测量信号的变量的时间部分从时域变换到频域是有利的，以便因此获得属于测量信号和/或激励信号的频谱或获得属于取决于激励信号和/或测量信号的变量的频谱。此外，为了确定偏差σ，确定频谱中电抗的变化。在这种情况下，对偏差σ的确定能够包括整个频谱上的电抗或仅包括电抗的选定频率，所述选定的频率以下称为监视频率

为了确定电抗的频谱，或者首先将激励信号和测量信号转换成频谱，然后根据两个信号的商来确定电抗，或者首先根据激励信号和测量信号形成电抗的时间信号，然后将该时间信号转换成频谱。

适合的变换方法例如是积分变换和傅里叶分析，其中傅里叶分析包括傅里叶级数的方法、连续傅里叶变换、离散傅里叶变换和离散时间信号的傅里叶变换。

在一个实施例中，针对监视频率

来确定取决于线圈系统的电抗的电抗或变量的变化。

在一个实施例中，以下适用于监视频率

特别是

并且优选地

令人惊讶的是，已经发现具有低频值(

特别是≤1kHz，并且优选地≤250Hz)的监视频率

的谱线包含足够的功率来确定由外部磁场引起的偏差σ。

在一个实施例中，电抗的期望值或取决于线圈系统的电抗的变量的期望值描述了在调整状态下的电抗或调整取决于线圈系统的电抗的变量。

在磁感应流量计的调整过程中确定所需的电抗值。这发生在受控和已知的环境中。或者，也能够经由模拟方法来确定期望值。

所需的电抗值存储在磁感应流量计的评估电路中。当前确定的电抗中的偏差σ经由评估电路与期望值进行比较。

在一个实施例中，取决于线圈系统的电抗的变量包括线圈系统的视在电阻。

在一个实施例中，激励信号对应于线圈激励器信号，

其中，线圈激励器信号具有至少一个测量阶段，其中线圈电流基本上是恒定的并且其中发生所感应的测量电压的测量，

其中，线圈激励器信号具有在两个特别是连续的测量阶段之间的瞬态阶段，在瞬态阶段中，线圈系统中的线圈电流和/或线圈电流方向发生变化。

线圈激励器信号对应于被施加到常规磁感应流量计中的线圈系统以在测量阶段期间生成恒定磁场的信号。在测量阶段，在测量电极处确定在介质中感应的测量电压。线圈激励器信号的功能是在测量阶段期间生成时间恒定的磁场。

线圈激励器信号通常具有基本上脉冲线圈电压或具有时钟符号的脉冲线圈电流。总是存在线圈电流和/或线圈电压恒定的范围。还有一些实施例，其中线圈激励器信号包括两个或更多个脉冲线圈电压，其中一个脉冲线圈电压用于减少线圈电流的衰减持续时间并且因此加快时间恒定磁场的生成。

在一个实施例中，激励信号对应于线圈激励器信号和附加的外加诊断信号，

其中，线圈激励器信号具有至少一个测量阶段，其中线圈电流基本上是恒定的并且其中发生感应测量电压的测量，

其中线圈激励器信号和诊断信号各自包括：一个频率的脉冲序列、各自具有至少一个频率的至少两个脉冲序列、和/或至少一个正弦信号，

其中，诊断信号的至少一个频率不同于诊断信号的至少一个频率，和/或诊断信号的振幅不同于线圈激励器信号的振幅。

此外有利的是，激励信号不仅由线圈激励器信号组成，而且还具有诊断信号。诊断信号包括：一个频率的脉冲序列、各自具有至少一个频率的至少两个脉冲序列、和/或至少一个正弦信号。这也包括在多个频率上的所谓的伪噪声，即频谱。

激励信号能够具有在线圈激励器信号之间的相位，在该相位中，诊断信号被施加到线圈系统。为此，能够增加脉冲线圈电压之间的时段，或者能够暂时中断线圈激励器信号。

根据替代实施例，诊断信号也能够应用于线圈激励器信号，但优选地远离测量阶段。

诊断信号的频率和/或振幅优选地不同。这允许在确定偏差σ期间独立于线圈激励器信号来设置灵敏度。

根据本发明的磁感应流量计包括：

-测量管，该测量管用于引导可流动介质；

-至少两个测量电极，所述至少两个测量电极用于检测在介质中感应的与流率相关的测量电压；以及

-包括用于生成穿过测量管的磁场的磁场生成装置，

其中，磁场生成装置具有带有至少一个线圈的线圈系统；

并且其特征在于，

操作、测量和/或评估电路被配置为执行根据前述权利要求中的至少一项所述的方法。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。示出如下：

图1：根据本发明的磁感应流量计的透视图；

图2：时域和相关频域中的激励信号B和测量信号A的实施例；

图3：时域中激励信号B和测量信号A的另外两个实施例。

具体实施方式

磁感应流量计1的结构和测量原理在原理上是已知的(见图1)。具有导电性的介质通过测量管2传导。测量管2通常包括具有电绝缘衬里的金属管或塑料或陶瓷管。安装磁场生成装置4使得磁场线被定向成基本上垂直于由测量管轴线限定的纵向方向。鞍形线圈或安装有线圈5的极靴优选地适合作为磁场生成装置4。当施加磁场时，在测量管2的流动介质中产生电势分布，该电势分布由两个彼此相对安装在测量管2的内壁上的测量电极3分接。通常，使用两个测量电极3，这些测量电极径向布置并且形成电极轴，该电极轴垂直于磁场线的对称轴和测量管2的纵轴的对称轴延伸。基于测得的测量电压并且考虑磁通密度，能够确定介质的流率，并且考虑管的横截面积，能够确定体积流率。如果已知介质的密度，就可以确定质量流率。

借助于线圈和极靴布置建立的磁场由交变流动方向的时钟直流电流生成。操作电路6与两个线圈5连接并且被配置用于向线圈系统施加具有特性曲线的励磁电压，利用该操作电路6来调整线圈电流或线圈电压。

激励信号B的特性曲线的有利实施例如图1和图2所示。线圈电压的极性反转确保了稳定的零点，并且使得测量对多相物质、液体中的不均匀性或低电导率的影响不敏感。测量和/或评估电路7读取施加到测量电极3的电压并且输出介质的流率和/或计算的体积流率和/或质量流率。在磁感应流量计1的图1所示的横截面中，测量电极3与介质直接接触。然而，耦合也能够以电容方式发生。根据本发明，测量和/或评估电路7还被配置为确定在线圈系统处的测量信号A。测量信号A包括实际存在于线圈系统处的线圈电压和/或通过线圈系统的线圈电流。

根据本发明，测量和/或评估电路还被配置为将激励信号B和测量信号A或取决于激励信号B和测量信号A的变量转换成频谱，并且根据该频谱来确定电抗与期望值的偏差σ，并且根据所确定的偏差σ来校正所确定的流量测量值。

显示单元(未示出)输出所确定的偏差σ或取决于所确定的偏差σ的变量。或者，如果这些偏差与所存储的设定点值或设定点间隔有偏差，则能够输出消息或警告。借助于数学模型、校准方法和/或模拟程序来确定设定点值。然而，这还不够，特别是在饮用水领域的应用中。因此，测量和/或评估电路7被配置为通过所确定的偏差σ来校正所测量的测量电压或取决于测量电压的流量测量变量。偏差σ不必在整个频谱或所有单个频率上确定，而是针对选定的监视频率

来确定。

图2示出了时域中的激励信号B和测量信号A的实施例，以及频域中所得到的频谱E和F。根据该实施例，激励信号B包括线圈电压，并且测量信号A包括线圈电流。线圈电压包括具有不同脉冲振幅和脉冲宽度的两个时钟脉冲。这种激励信号B对应于典型的线圈激励器信号D。

在测量信号和激励信号的时间部分的变换之后，在每种情况下获得具有离散频率的频谱。在偏离期望值的情况下，能够从与频率相关的电抗中推断出外部磁场的影响。测量和/或评估单元被配置为针对设定的监视频率

来监视电抗的变化。根据所示实施例，监视频率约为100Hz。

图3示出了激励信号B和测量信号A的两个实施例。在这两个实施例中，激励信号B包括线圈电压，并且测量信号A包括线圈电流。两个实施例与图1的实施例的不同之处在于，除了线圈激励器信号D之外，诊断信号C被施加到线圈系统。所示的两个实施例的不同之处在于诊断信号C如何与线圈激励器信号D相关。

两个实施例中的第一个示出了特征激励信号B，其中除了线圈激励器信号D之外还施加了诊断信号C。激励信号B是线圈激励器信号D和诊断信号C的叠加。即，线圈激励器信号D和诊断信号C重叠。测量信号A取决于激励信号B，因此线圈系统对诊断信号C有反应。诊断信号C必须在时间上与线圈激励器信号D偏移，使得诊断信号C不会延伸到测量阶段。测量信号A对激励信号B的反应对于外部磁场很敏感。因此，诊断信号C的频率和/或振幅独立于线圈激励器信号D来定义，使得能够利用测量和/或评估电路来解决外部影响。

两个实施例中的第二个还示出了特征激励信号B，其中除了线圈激励器信号D之外还施加了诊断信号C。然而，线圈激励器信号D在施加诊断信号C时间段内被中断。诊断信号C和线圈激励信号D因此交替。

附图标记列表

1磁感应流量计

2测量管

3测量电极

4磁场生成装置

5线圈

6操作电路

7测量和/或评估电路

A测量信号

B激励信号

C诊断信号

D线圈激励器信号

E测量信号的频谱

F激励信号的频谱

监视频率

Claims

1.一种用于操作磁感应流量计(1)的方法，其中，所述磁感应流量计(1)包括：

-测量管(2)，所述测量管(2)用于引导可流动介质；

-至少两个测量电极(3)，所述至少两个测量电极(3)用于检测在所述介质中感应的与流速相关的测量电压；以及

-磁场生成装置(4)，所述磁场生成装置(4)用于生成穿过所述测量管(2)的磁场，

其中，所述磁场生成装置(4)具有带有至少一个线圈(5)的线圈系统；

其特征在于，

确定所述线圈系统的电抗与期望值的偏差σ或取决于所述线圈系统的所述电抗的变量与期望值的偏差σ。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，借助于多项式函数，特别是借助于基于所述偏差σ和当前检测到的测量电压或取决于检测到的测量电压的变量的线性函数，来确定校正的流量测量值Q_V，

其中，所述多项式函数可选地具有校正因子k。

3.根据权利要求1和/或2中的一项所述的方法，

其中，在所述线圈系统处提供激励信号(B)，

其中，所述激励信号(B)包括一个频率的脉冲序列、各自具有至少一个频率的至少两个脉冲序列、、和/或至少一个正弦信号。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，

其中，在所述线圈系统处确定测量信号(A)，

其中，至少针对监视频率

借助于变换，特别是所述激励信号(B)的时间部分和所述测量信号的时间部分或取决于所述激励信号(B)和/或测量信号(A)的变量的时间部分的积分变换和/或傅里叶分析来确定取决于所述线圈系统的所述电抗的所述变量。

5.根据权利要求1至3中的一项或多项所述的方法，

其中，针对监视频率

来确定所述电抗的变化或取决于所述线圈系统的所述电抗的所述变量的变化。

6.根据权利要求4或5中的一项所述的方法，

其中，以下内容适用于所述监视频率

特别是

并且优选地

7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，

其中，所述电抗的期望值或取决于所述线圈系统的所述电抗的所述变量的期望值描述了在所调整状态下的所述电抗或取决于所述线圈系统的所述电抗的所述变量。

8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，

其中，取决于所述线圈系统的所述电抗的所述变量包括所述线圈系统的视在电阻。

9.根据权利要求3所述的方法，

其中，所述激励信号(B)对应于线圈激励器信号(D)，

其中，所述线圈激励器信号(D)具有至少一个测量阶段，其中线圈电流基本上是恒定的，并且其中发生对所感应的测量电压的测量，

其中，所述线圈激励器信号(D)具有在两个特别是连续的测量阶段之间的瞬态阶段，在所述瞬态阶段中，所述线圈系统中的线圈电流和/或线圈电流方向发生变化。

10.根据权利要求3所述的方法，

其中，所述激励信号(B)对应于线圈激励器信号(D)和附加的外加诊断信号(C)，

其中，所述线圈激励器信号(D)和所述诊断信号(C)各自包括：一个频率的脉冲序列、各自具有至少一个频率的至少两个脉冲序列、和/或至少一个正弦信号，

其中，所述诊断信号(C)的至少一个频率不同于所述诊断信号(C)的至少一个频率，和/或所述诊断信号(C)的振幅不同于所述线圈激励器信号(D)的振幅。

11.一种磁感应流量计(1)，包括：

-测量管(2)，所述测量管(2)用于引导可流动介质；

-包括磁场生成装置(4)，所述磁场生成装置(4)用于生成穿过所述测量管(1)的磁场，

其特征在于，

操作、测量和/或评估电路(6、7)被配置为执行根据前述权利要求中的至少一项所述的方法。