CN1237717C - 向科里奥利流量计的驱动器提供交流电的电路和方法 - Google Patents

Abstract

一种电路装置(163)，用于从一个单极性的电源向负载(104)提供交变电流，所述电源具有一个电流源(333)，用于控制提供给所述负载的电流的数量，在所述电路装置中的第一开关(301)和第二开关(302)连接在所述负载和所述电流源之间，并响应所述第一开关和所述第二开关的闭合，允许电流沿第一方向从所述电流源流向所述负载(104)。第三开关(303)和第四开关(304)也连接在所述负载和所述电流源之间，并响应所述第三开关和所述第四开关的闭合，允许电流沿第二方向从所述电流源流向所述负载。

Description

向科里奥利流量计的驱动器提供交流电的电路和方法

发明领域

本发明涉及一种向负载提供电流的系统。更具体地说，本发明涉及一种用于改变从一个电源向负载提供的电压的极性的系统。再具体地说，本发明涉及用于向科里奥利流量计的驱动系统提供功率的电路。

问题

一些负载要求提供给负载的电流的电压的极性定期地反向。使电压极性反向以便使流过负载的电流改变方向。通过这种电流方向的改变可以实现由负载完成的某个功能。需要改变施加的电压的极性的一个例子是科里奥利流量计的驱动系统。

科里奥利质量流量计测量流过流量计中的管道的材料的质量流和其它信息。示例的科里奥利流量计在1978，8，29公开的4109524美国专利、1985，1，1公开的4491025美国专利、和1982，2，11公开的Re.31450的美国专利中披露了，所有这些专利都授予了J.E.Smith等人。这些流量计都具有一个或几个直的或弯曲的构型。在科里奥利流量计中的每种管道构型都具有一组自然振动方式，所述振动方式可以是简单的弯曲型的，扭转型的，或连接型的。每种管道被驱动而在所述自然方式的一种方式下谐振。材料从流量计的入口侧上的连接的管道进入流量计，被导向通过一个或几个管道，然后从流量计的出口侧流出流量计。振动的、材料填充的系统的自然振动方式部分地由管道和在管道内流动的材料确定。

当流量计中没有物质流动时，由于施加的驱动力具有相同的相位或者具有可以校正的小的初始固定的相位偏移，沿着管道的所有点都振荡。当材料开始流动时，科里奥利力使沿着管道的每个点具有不同的相位。在管道的入口侧的相位滞后于驱动器，而管道的出口侧上的相位超前于驱动器。管道上的拾取传感器产生代表管道的运动的正弦信号。从拾取传感器输出的信号被处理而确定拾取传感器之间的相位差。两个拾取传感器信号之间的相位差和通过所述管道的材料的质量流量成正比。

科里奥利流量计的驱动系统被连附于所述管道，并且响应来自驱动器控制电路的信号而使管道振动。常规的用于科里奥利流量计的驱动器具有安装在一个线圈对面的磁体。驱动器控制电路对所述驱动器的线圈施加电流或驱动信号。流过线圈的电流在线圈和磁体之间产生电磁力。线圈被磁体交替地吸引和排斥。所述吸引和排斥引起流动管道的振动。

为了交替地吸引和排斥所述磁体，使通过驱动器的电流的电压的极性反向。这使得驱动器能够通过振荡的两个半周对管道施加作用力。

存在的问题是，驱动器控制电路需要两个单独的电源线来使电压对地的极性反向。这增加了驱动控制电路的复杂性和制造成本。

科里奥利流量计的驱动系统的第二个具体问题是，电源的输出电压被控制。然而，电能到动能的转换，或者电能到施加于管道上的力的转换取决于电流，如法拉第定律所述。在施加的电压和加于管道上的力之间的关系是间接的。因此，当调节电压时，电流可能不和管道的运动同相。这降低了用于使管道振动的力的功率转换效率。

科里奥利流量计的驱动系统的第三个具体问题是，在保持最大功率转换的同时维持驱动电路的内在的安全性。内在安全性的要求对加于负载的，例如所述驱动系统的，最大瞬时电压和电流加上了限制。不过，管道的机械运动取决于施加于驱动系统的平均电压和电流。因此，驱动信号必须使峰值和平均值之间的差最小，以便使驱动系统的效率最大。

解决方案

通过用于对本发明的驱动系统提供被控制的方波的电路解决了上述的和其它的问题，并推进了现有技术的发展。本发明的电路使得能够利用一个电源对负载提供交变极性的电压。这减少了电路的成本和复杂性。所述电路还使得能够控制施加于负载上的电流的数量代替控制电压的数量。本发明的电路还通过使电压和电流的峰值和平均值之间的差最小，提供一种方波形式的电流，其使得施加于负载上的平均电压和平均电流最大。

本发明的电路包括H桥式电路。在用于使通过负载的电压极性反向的固定幅值的应用中，H桥式电路是普通的。H桥式电路具有两组开关，它们和使负载和电路相连的端子相连。所述两组开关被交替地断开和闭合，从而使流过负载的电流反向。当第一组开关的第一和第二开关闭合时，电流经过H桥式电路并通过负载沿第一方向流动。当第二组开关的第三和第四开关闭合时，电流经过H桥式电路沿着和第一方向相反的第二方向流动。

为了调节施加于负载的电流的幅值，H桥式电路和一个电源相连，所述电源可以调节提供给H桥式电路和负载的电流的幅值。

本发明的一个方面是一种电路装置，所述电路装置用于从一个单极性的电源向负载提供交变电流，所述单极性电源具有一个电流源，用于控制提供给所述负载的电流的数量，所述电路装置包括：

第一开关和第二开关，它们被连接在所述负载和所述电流源之间并响应第一开关和第二开关的闭合允许电流沿第一方向从电流源流向所述负载；

第三开关和第四开关，它们被连接在所述负载和所述电流源之间，并响应第三开关和第四开关的闭合，允许电流从所述电流源沿第二方向流向所述负载；以及

幅值控制电路，用于调节提供给所述负载的所述电流的幅值。

最好是，所述电路装置还包括一种控制电路，所述控制电路打开和闭合所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关，从而在所述第一和所述第二方向之间改变所述电流流动的方向。

最好是，所述控制电路包括一个比较器，用于接收来自所述负载的反馈信号，并确定所述开关的哪一个闭合。

最好是，所述比较器是过零比较器。

最好是，所述电路装置提供向科里奥利流量计的驱动器施加的驱动信号，从而使所述驱动器使管道沿相互相反的方向振动。

附图说明

本发明的上述的和其它的特征可以由下面的详细说明和附图清楚地看出，其中：

图1表示具有包括按照本发明的电路的驱动电路的科里奥利流量计；

图2表示用于向负载提供被控制的方波的现有技术的电路；以及

图3表示按照本发明的用于向负载提供被控制的方波的电路。

详细说明

本发明涉及由电源向负载提供交变的被控制的方波的电路。图1表示一种科里奥利流量计，其包括按照本发明操作的电路的驱动电路。科里奥利流量计100包括流量计装置110和仪表电子电路150。仪表电子电路150通过引线120和仪表装置110相连，从而通过通路175提供，例如，但不限于，密度、质量流量、体积流量和总计质量流量信息。科里奥利流量计的结构被描述了，虽然这对于本领域技术人员是熟知的，以便使得本发明可以结合具有任何需要交变电压的电流的负载的任何装置来实施。

描述了科里奥利流量计的结构，虽然这些对于本领域的技术人员是熟知的，以便使得本发明可以结合具有任何具有振动管道，以便测量通过管道流动的材料的性能的任何装置来实施。这种装置的第二个例子是振动管道密度计，其没有由科里奥利质量流量计提供的附加的测量能力。

仪表装置110包括一对法兰101和101’，总管102和管道103A，103B。驱动器104，拾取传感器105和105’，以及温度检测器107和管道103A，103B相连。撑杆105和105’用于限定轴线W，W’，每个管道围绕所述轴线振动。

当科里奥利流量计100被插入输送被测量的处理材料的管线系统(未示出)中时，材料通过法兰101进入流量计装置110，通过总管102，在所述总管材料被引入管道103A，103B。然后，材料通过管道103A，103B，回到总管102，从总管102，材料通过法兰101’从仪表装置110流出。

管道103A，103B被这样选择和正确地安装在总管102上，使得围绕弯曲轴线W-W和W’-W’分别具有基本上相同的质量分布、转动惯量和弹性系数。管道103A-103B以基本上平行的方式从总管向外延伸。

管道103A-103B由驱动器104围绕其各自的弯曲轴线W，W’以所谓的流量计的第一异相弯曲方式沿相反的方向驱动。驱动器104可以包括许多熟知的结构中的任何一种结构，例如安装在管道103A上的磁体和安装在管道103B上的相对的线圈，并使所述线圈通过交流电流，从而使两个管道振动。利用仪表电子电路150通过线路112对驱动器104施加合适的驱动信号。

拾取传感器105和105’连接在管道103A和103B的至少一个的相对端上，用于测量管道的振动。当管道103A-103B振动时，拾取传感器105-105’产生第一拾取信号和第二拾取信号。第一拾取信号和第二拾取信号被提供给线路111和111’。驱动器速度信号被提供给线路112。

温度检测器107连附于管道103A和103B的至少一个上。温度检测器107测量管道的温度，以便修正用于系统温度的公式。线路111”从温度检测器107向仪表电子电路150传输温度信号。

仪表电子电路150接收分别出现在线路111和111’上的第一和第二拾取信号。仪表电子电路150处理第一和第二速度信号，从而计算通过流量计装置10的材料的质量流量、密度或其它的性能。所计算的信息由仪表电子电路150通过线路175提供给利用装置(未示出)。

本领域的技术人员熟知，科里奥利流量计100的结构十分类似于振动管密度计的结构。振动管密度计也利用振动管，流体通过所述振动管；流动，或者在采样型密度计的情况下，流体被保持在所述振动管中。振动管密度计也使用一种驱动系统用于激励管道的振动。振动管密度计一般只利用一个反馈信号，因为密度测量只需要测量频率，而不需要测量相位。这里的本发明的说明同样适用于振动管密度计。

在科里奥利流量计100中，仪表电子电路150在物理上被分成两个部分：主系统170和信号调节器160。在常规的仪表电子电路中，这些部分被容纳在一个单元中。

信号调节器160包括驱动电路163和检测器信号调节电路161。本领域技术人员应当理解，实际上，驱动电路163和检测器信号调节电路161可以是单独的模拟电路，或者可以是由数字信号处理器或其它的数字元件提供的单独的功能部分。驱动电路163产生驱动信号，并通过线路120的线路112向驱动器104提供交变的驱动电流。本发明的电路可以被包括在驱动电路163中，用于对驱动器104提供交变电流。

实际上，线路112是第一和第二引线。驱动电路163通过线路162和检测器信号调节电路161通信地连接。线路162使驱动电路能够监视输入的拾取信号，以便调节驱动信号。用于操作驱动电路163和拾取信号调节电路161的功率通过第一导线173和第二导线174由主系统170提供。第一导线173和第二导线174可以是常规的2线、4线电缆的一部分，或者是多对电缆的一部分。

检测信号调节电路161通过线路111，111’和111”接收来自第一拾取器105、第二拾取器105’以及温度检测器107的输入信号。拾取电路161确定拾取信号的频率，因而也可以确定通过管道103A-103B流动的材料的性能。在确定拾取检测器105、105’输出的信号的频率和材料的性能之后，便产生具有这个信息的参数信号，并把所述参数信号通过通路176传递到主系统170中的二次处理单元171。在优选实施例中，线路176包括2个引线。不过，本领域的技术人员应当理解，线路176可以包括第一导线173和第二导线174，或者包括任何数量的其它导线。

主系统170包括电源172和处理系统171。电源172从一个电源接收电能，并把接收的电能转换成系统所需的合适的功率。处理系统171接收来自拾取信号调节电路161的参数信号，然后进行所需的处理，从而提供流过管道103A、103B的材料的用户所需的性能。所述性能可以包括但不限于密度、质量流量和体积流量。

图2表示现有的驱动电路163，其中包括用于向作为负载的驱动器104提供交变电流的现有技术的系统。由乘法器204通过线路162从检测器105、105’(图1)接收正弦信号。所述乘法器调节驱动信号的幅值。来自乘法器204的调节信号被提供给放大器201。放大器201把正弦信号放大到一个合适的电平，从而使驱动器104振动(图1)。电源电压从电流限制器202或203加于放大器上。电流限制器202或203防止负载例如驱动器104(图1)出现过低的阻抗。

施加的电压的极性相对于和驱动器104相连的地被周期地反向。极性的反向使得驱动器104(图1)能够在振荡的每个半周期间向流通管道103A、103B提供能量。电压极性的反向需要两个单独的电源线Vcc和Vee。电源线Vcc和Vee具有相反的电压极性。

使用单独的电源线Vcc和Vee增加了电路的复杂性和功率消耗。功率消耗的增加是因为在驱动电路163中一般使用的简单的放大器201驱动一个输出接近但不等于电源线的电压。这需要一个附加的额外电压开销以便对驱动器104(图1)提供某个电压值。

第二个问题是，驱动电路163的输出电压被控制。然而，在驱动器104中电能向动能的转换按照法拉第定律取决于电流。即使施加的电压产生施加的电流，但是施加的力和施加的电压之间的关系是间接的，并且和其它因素有关。例如，线圈的电感和管道103A、103B的运动影响施加的力。因此，需要控制电流而不是控制电压。

图2所示的驱动电路163的另一个问题是，要求提供给驱动器104的功率最大，同时又受到固有的安全标准的限制。固有的安全标准是由各个法规部门规定的，为了确保电路中的火花或热量不会点燃电路中的易燃材料。固有安全标准限制了可以提供给负载例如驱动器104(图1)的最大瞬时电压和电流。然而，施加于管道103A、103B上的力取决于施加的电流的平均值。因而，通过使平均电流值和峰值电流值之间的差最小来实现最大效率。因为驱动器104(图1)利用正弦电流，产生的机电力也是正弦的。正弦电流和产生的机电力的积也是正弦的，系统的有用功率也是正弦的。因为方波电流乘以正弦电压比两个正弦的积产生更大的平均功率，对于同样的平均功率，方波电流使得能够降低电流的峰值。

图3表示使用一个电源提供恒定的方波交变电流的的驱动电路163。在驱动电路163中，具有一个电流源333。施加于负载例如驱动器104上的电压的极性由H桥式电路350中的两组开关确定。当包括开关301和302的第一组开关闭合时，电流沿第一个方向流入驱动器104(图1)。当第一组开关打开，并且第二组开关303、304闭合时，电压沿相反的第二方向施加于驱动器104。

当开关301、302闭合，开关303、304打开时，电流按以下方式通过驱动器104：电源线Vcc通过线路318向闭合开关301提供电流。电流通过开关301到线路315，通过线路315到驱动器104。然后，电流流到驱动器，并通过线路316返回。电流通过闭合开关302并经过线路315流到电流源333。电流源333接地。

当开关303和304闭合，开关302和301断开时，电流按以下方式流到驱动器104：电源线Vcc通过线路318向开关303提供电流。电流流过开关303并通过线路316提供给驱动器104。电流经过通路315返回，并通过闭合开关304流到通路317。这个方向和由开关301和302提供的通路的方向相反。控制电路320断开和闭合开关301-304，从而改变提供给驱动器104的电压的极性。由控制电路320经过通路162接收反馈信号。控制电路320根据所述反馈信号改变电流的方向。在优选实施例中，控制电路320包括两个过零比较器。过零比较器包括延迟器321和反相器322，它们接收信号，并交替地向开关301-304提供相反信号，从而断开和闭合所述开关。延迟器321通过通路312和313向开关301和302提供信号。反相器322通过通路310和311向开关303和304提供信号。

开关301-304被设置为恒阻抗的，因为动态地改变开关的阻抗是困难的。在电流源333中，电流幅值以常规的熟知的方式被控制，所述电流源通过通路331接收来自通路163的幅值信号。这样进行操作是因为H桥式电路350基本上是和电流源相连的负载的一部分。因为开关301-304或者是完全断开或者是完全闭合的，所以输出波形是方波。

Claims (6)

1.一种电路装置(163)，用于向科里奥利流量计(100)的驱动器(104)提供交变电流，其中所述科里奥利流量计包括流通管道(103A，103B)，和所述流通管道相连的拾取器(105，105’)，以及和流通管道相连的所述驱动器，所述电路装置包括：

电流源(333)，其被配置用于控制所述交变电流的幅值；

第一开关(301)和第二开关(302)，它们被连接在所述驱动器和所述电流源之间；以及

第三开关(303)和第四开关(304)，它们被连接在所述驱动器和所述电流源(333)之间；

所述电路装置的特征在于：

控制电路(320)，其被配置用于接收相应于来自所述拾取器的至少一个拾取信号的反馈信号，根据所述反馈信号控制所述第一开关和所述第二开关，从而提供具有第一极性的所述交变电流，并根据所述反馈信号控制所述第三开关和所述第四开关，从而提供具有第二极性的所述交变电流。

2.如权利要求1所述的电路装置(163)，其中所述控制电路(320)包括：

比较器，其被配置用于接收所述反馈信号，并对所述第一开关，所述第二开关，所述第三开关和所述第四开关提供相反的信号，以便提供所述交变电流。

3.如权利要求2所述的电路装置(163)，其中所述比较器是过零比较器。

4.一种用于使用一种电路装置(163)向科里奥利流量计(100)的驱动器(104)提供交变电流的方法，所述电路装置包括连接在所述驱动器和一个电流源(333)之间的第一开关(301)和第二开关(302)，以及连接在所述驱动器和所述电流源(333)之间的第三开关(303)和第四开关(304)，其中所述科里奥利流量计包括流通管道(103A，103B)，和所述流通管道相连的拾取器(105，105’)，以及和流通管道相连的所述驱动器，所述方法包括以下步骤：

使用所述电流源控制所述交变电流的幅值；

控制所述第一开关和所述第二开关，使得提供具有第一极性的所述交变电流；以及

控制所述第三开关和所述第四开关，使得提供具有第二极性的所述交变电流；

所述方法的特征在于包括以下步骤：

接收相应于来自所述拾取器的至少一个拾取信号的反馈信号；

根据所述反馈信号控制所述第一开关和所述第二开关，从而提供具有所述第一极性的所述交变电流，以及

根据所述反馈信号控制所述第三开关和所述第四开关，从而提供具有所述第二极性的所述交变电流。

5.如权利要求4所述的方法，还包括：使用一个比较器对所述第一开关，所述第二开关，所述第三开关和所述第四开关提供相反的信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述比较器包括过零比较器。

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