CN204027614U - 一种磁流量计及与磁流量管一起使用的变送器 - Google Patents

Abstract

一种磁流量计及与磁流量管一起使用的变送器。所述磁流量计包括用于感测线圈电流、线圈电压或线圈电阻的电路。基于感测到的线圈电流、电压或电阻，数字处理器确定是否超过了功率限制或线圈电流限制，如果超出则停止操作直到接收到具有新的线圈电流设定点的新配置，或确定新的线圈电流设定点并将所述磁流量计调整为所述新的线圈电流设定点。

Description

一种磁流量计及与磁流量管一起使用的变送器

技术领域

本实用新型总体上涉及流处理，具体地涉及用于过程流测量和控制的磁流量计。 

背景技术

磁流量计(或者磁流量表)通过法拉第感应(电磁效应)测量流量。磁流量计通常包括流量管和变送器。流量管包括：管道；安装在所述管道上的场线圈(或线圈)；以及延伸通过所述管道的电极。变送器向场线圈(或线圈)供电以便在管道部两端产生磁场，磁场在过程流两端感应电动势(EMF)。使用延伸通过管道部并与过程流相接触的电极对，或通过电容耦合，来感测得到的电势差(或电压)。流速率与感应到的EMF成正比，体流率(volumetric flow rate)与流速率和流横截面面积成正比。变送器从电极接收感测到的电压，并产生表示测量流的信号。 

通常，电磁流测量技术适用于水基流体、离子溶液和其他导电液体流。具体的用途包括水处理设施、高纯度医药制造、卫生食品和饮料生产以及包括有害和腐蚀性过程流的化学处理。磁流量计还用于包括利用磨蚀和腐蚀性泥浆的液压破碎技术(hydraulic fracturing technique)的碳氢化合物燃料行业，以及其他的碳氢化合物提取和处理方法。 

由于相关联的永久性压力损失(例如孔板或者文氏(Venturi)管两端)，使得磁流量计在基于压差的技术不受欢迎的应用中提供快速、精确的流测量。当难以将机械元件(例如，涡轮转子、涡流元件或者皮托管)引入所述过程流或者不切实际时，也可以采用磁流量计。 

一些磁流量计使用由AC线路电源直接驱动的场线圈。另一类型的磁流量计(通常称作脉冲式DC磁流量计)用低频方波周期性地对 该场线圈进行激励或供电。脉冲式的DC磁流量计使用以特定频率改变方向的磁场。 

存在可能引起提供给场线圈的功率超过磁流量计的能力的特殊情况。由于流量管与变送器具有不同的操作特性，可能在初始启动时发生所述情况，或由于通过端子腐蚀引起场线圈电阻改变或在过程状态和/或场线圈中的温度过高，可能在正常操作期间发生所述情况。 

如果超过功率限制则可能发生的一些问题包括：流量管场线圈或变送器电子器件过热和损坏，或流量管场线圈和变送器电子器件过热和损坏；由于过热引起流量管的潜在危险表面温度；以及由于缺乏电力引起变送器的连续电力循环，这样会妨碍用户切换磁流量计的配置或妨碍用户看到任何诊断警告消息。 

在磁流量计中，场线圈的线圈电流和绕组数目确定了与流过流量管的导电过程流体垂直的磁场的强度。横向切割该磁场的过程流体的流速在暴露于过程流体的电极上产生较小电势。针对给定数目(匝数)的绕组和绕组中的给定线圈电流，在电极上产生的信号直接地(线性地)与流速成正比。 

尽管通常用于驱动磁场的电路在正常操作状态下是稳定并且可控的，然而在变送器或流量管的故障模式下，它不提供独立或冗余的电流限制。已使用多种方法来限制流量管的磁场线圈绕组的电流，以便确保在故障状态下不损坏绕组绝缘性，并不超过热量级别(级别180、级别200等)。这些方法采用内置(inline)电阻限制(例如，来自简单电阻器)、熔丝、或有源半导体(例如，功率FET或SCR)。传统方法的缺点可以包括：不可接受的功率损耗、过度的高温需要、对外部瞬时状态敏感的复杂的安全电路拓扑、以及由于破坏性中断导致的一次性使用。 

实用新型内容

通过检测线圈电流超过过流限制或线圈功率超过功率限制的状态，保护磁流量计场线圈和相关变送器电路不受损坏。通过在初始启动磁流量计之后的测试时段期间使用测试电流设定点和测试频率设定 点，可以基于感测到的线圈电压和线圈电流，在测试时段期间确定线圈功率。然后，基于测试时段期间的线圈功率，针对磁流量计的正常操作，确定正常线圈电流设定点和正常频率设定点。 

在正常操作期间，可以监测线圈电流或线圈功率，并将其与过流限制或功率限制进行比较。如果在测试时段期间感测到的线圈电流超过过流限制，则禁止磁流量计的操作，并可以提供警报或其它警告消息。 

如果在正常操作期间超过了功率限制或电流限制，则可以禁止磁流量计的操作，并产生警报。此外，可以调整线圈电流设定点，以使提供给线圈的电流处于产生不超过所述线圈功率限制或所述线圈电流限制的线圈功率的等级。因此，允许变送器在向用户警报该问题的同时依然测量流。 

附图说明

图1是磁流量计的框图。 

图2是示出了图1的磁流量计的线圈驱动器和相关测量电路的框图。 

图3是示出了在初始启动磁流量计时执行的线圈功率检查的流程图。 

图4A和4B是示出了在正常操作磁流量计期间执行的线圈功率检查的两个实施例的流程图。 

图5是示出了在操作磁流量计期间的线圈过流检查的流程图。 

具体实施方式

图1示出了示例磁流量计10，包括初级部(或流量管)10A和次级部(或变送器)10B。流量管10A包括管道12、绝缘内衬14、电极16A和16B以及场线圈18A和18B。 

流量管10A的主要功能是产生与待测流体的速度成正比的电压。通过使电流通过场线圈18A和18B来给场线圈提供电能以形成磁场。周期性地反转线圈驱动电流的方向，使得由场线圈18A和18B产生的磁 场改变方向。流经流量管10A内部的过程流体用作移动导体，移动导体在流体中感应出电压。流量管10A内部齐平安装的电极16A、16B与导电的过程流体直接电接触，从而拾取在流体中出现的电压。为了防止电压被短路，必须将流体容纳在电绝缘材料中。当管道12是金属管时，由内衬14提供绝缘，内衬14是非导电材料，例如，聚氨酯、聚四氟乙烯(PTFE)，或绝缘材料。 

变送器10B解译在电极16A和16B处产生的电压，并将标准化信号发送至监测或控制系统。通常将次级部10B称作变送器或信号转换器。 

变送器10B通常包括信号处理器20、数字处理器22、线圈驱动器24、通信接口26和本地操作接口28。信号转换、调节和传输是变送器10B的主要功能。 

信号处理器20控制由线圈驱动器24向线圈18A和18B提供的脉冲式DC线圈驱动电流的脉冲频率。由线圈驱动器24提供的电流波形是方波，其频率被称作脉冲频率。 

信号处理器20连接至电极16A和16B并接地。接地连接可以是连接至管道12，或可以连接至管道12的凸缘或者管道部分上游或下游。 

在由数字处理器22限定的电极电压采样时段期间，信号处理器20监测电极16A处的电势VA和电极16B处的电势VB。在电极电压采样时段期间，信号处理器20产生对电极16A和16B之间电势差加以表示的电压，并将该电压转换为对电极电压加以表示的数字信号。数字处理器22可以对从信号处理器20接收到的数字信号执行进一步的信号处理和滤波。数字处理器22向通信接口26提供流测量数值，通信接口26将该数值传送至可以位于控制室的读出或者控制系统(未示出)。通过通信接口26进行的通信可以为以下形式：在4至20mA之间变化的模拟电流级、通信协议(其中在4-20mA电流上调制数字信息)、数字总线上的通信协议(例如，Fieldbus(IEC 61158))、或者使用无线协议(例如，如WirelessHART(IEC 62951))在无线网络上的无线通信。 

图2是线圈驱动器24以及线圈18A和18B和数字处理器22的框 图。线圈驱动器24包括：H桥30，由场效应晶体管(FET)32、34、36和38形成；数模转换器(DAC)40；电流控制器42；时钟逻辑电路44；线圈电压放大器和调节电路46；线圈电流放大器和调节电路48；以及感测电阻器50。传感器线圈18A和18B串联在H桥30的节点52和54之间。如图2所示，传感器线圈18A、18B表示为在节点52和54之间的线圈电感L和线圈电阻R。 

数字处理器22控制线圈电流设定点和通过H桥30向线圈18A、18B提供的驱动信号的脉冲频率。由数字处理器22通过时钟逻辑电路44控制驱动频率，其中时钟逻辑电路产生时钟信号CH和CL。时钟信号CH导通和截止H桥30的晶体管32和38。时钟信号CL导通和截止H桥的晶体管34和36。当通过时钟信号CH导通晶体管32和38并通过时钟信号CL截止晶体管34和36时，电流从H桥30的节点56经过晶体管32流到节点52，沿第一方向经过线圈18A、18B流到节点54，经过晶体管38流到H桥30的节点58，并经过感测电阻器50流到地。当时钟信号CL导通晶体管34和36并且时钟信号CL截止晶体管32和38时，电流从H桥30的节点56经过晶体管34流到节点54，沿第二方向经过线圈18A、18B流到节点52，经过晶体管36、节点58和感测电阻器50流到地。 

通过数字处理器22利用DAC 40来控制传送到H桥30的电流。来自数字处理器22的数字控制信号引起DAC 40向电流控制器42的输入产生表示设定点电流的模拟电压。线圈电流I_C从电流控制器42流向H桥30的节点56，然后，在导通晶体管32和38时沿第一方向或在导通晶体管34和36时沿第二方向流经线圈18A、18B。然后，线圈电流I_C经过感测电阻器50流到地，线圈电流I_C基于提供给电流控制器42的电流设定点信号。 

根据一个实施例，线圈驱动器24包括：放大器和调节电路46，感测线圈电压；以及放大器和调节电路48，感测线圈电流。将放大器和调节电路46的输入与H桥30的节点56和58相连。将放大器和调节电路46的输出提供给数字处理器22的片上模数转换器(ADC)的输入。将放大器和调节电路48的输入连接到H桥30的节点58并接 地。放大器和调节电路48输入处的电压V2等于线圈电流I_C乘以传感器电阻器50的电阻R_s，即，V2＝I_CR_S。 

基于从放大器和调节电路46以及放大器和调节电路48接收到信号，数字处理器22产生表示线圈电压V_C和线圈电流I_C的数字值。根据这些值，数字处理器22识别功率过大和电流过大的状态，该状态可能损坏流量管10A的线圈18A、18B或变送器10B的电路。 

可以使用数字处理器22以及放大器和调节电路46和48测量到的线圈电流和线圈电压测量值来计算线圈18A、18B使用的功率。线圈电流I_C＝V2/R_S。线圈电压V_C＝V1-V2。一旦测量到线圈电流I_C和线圈电压V_C，可以通过以下公式R＝V_C/I_C，来计算传感器线圈18A、18B的电阻R。然后，数字处理器22使用公式P_C＝I²R来计算线圈功率P_C，其中I是线圈电流设定点。备选地，电流I可以是测量到的电流I_C，或可以是测量到的电流和线圈电流设定值中的最大值。 

线圈功率检查——加电 

可能发生功率过大状态的一种情景是在对磁流量计10进行初次加电时。当流量管10A和变送器10B来自于不同制造商时会出现这种情况。商业可用流量管的线圈电阻可以明显变化，例如，从2欧姆到150欧姆或更高。在流体管的线圈电阻为大约10欧姆的情况下，可以通过线圈驱动器24提供为500毫安(mA)的线圈电流设定点。变送器10B具有能够提供的最大功率。在该示例中，最大功率可以是9瓦特。对方程P＝I²R求解R，得到最大线圈电阻R＝P/I²＝9瓦特/(0.5安培)²＝36欧姆。 

通常以例如125mA或75mA而不是500mA的电流设定点，驱动具有较高线圈电阻的流量管。将电阻大于36欧姆的流量管与提供500mA的设定点电流来驱动线圈的变送器相连，超过了功率限制。因此，线圈18A和18B可能发生过热并受到损坏。此外，变送器10B的变送器电子器件可能过热并受到损坏。在线圈18A、18B处的过量热量可能产生潜在危险的表面温度。变送器10B还可能由于缺乏电力导致电力循环。这样会妨碍用户将磁流量计10切换到不同的操作模 式，例如，与不同制造商的流量管协同工作的通用模式，或妨碍用户看到在本地操作接口28或控制室处提供的诊断消息，本地操作接口28或控制室接收由通信接口26发送的流测量值和诊断消息。 

在这种初始加电的情景下，数字处理器22选择避免超过线圈功率限制的操作状态，不论与变送器10B相连的流量管10A的线圈电阻。因此，在初始化设置期间，数字处理器22提供非常低的初始测试电流设定点，使得可能遇到的任何可能线圈电阻值都不会超过该功率限制。这样允许数字处理器22确定流量管10A的线圈电阻，然后确定当使用计算出的线圈电阻时正常模式的线圈电流设定点是否会超过线圈功率限制。 

图3是示出了在加电时的线圈功率检查的流程图。功率检查处理60从向变送器10进行初次加电开始(步骤62)。然后，数字处理器22将线圈驱动器24的线圈驱动频率设置为5Hz(步骤64)，将测试线圈电流设定点设置为75rnA(步骤66)。 

线圈驱动器24向数字处理器22提供来自放大器和调节电路46和48的输出。数字处理器22将放大器和调节电路46和48的输出用于测量线圈电流I_C和线圈电压V_C(步骤68)。 

然后，数字处理器22使用测量到的线圈电压V_C和线圈电流I_C，计算线圈电阻(步骤70)。 

然后，数字处理器22使用其正常操作的线圈电流设定点，来计算线圈功率。在该示例中，正常的线圈电流设定点是500mA(步骤72)。接着，数字处理器22确定使用正常操作的线圈电流设定点计算出的线圈功率是否超过线圈功率限制(在该示例中，9瓦特)(步骤74)。 

如果使用正常操作的线圈电流设定点计算出的线圈功率没有超过该线圈功率限制，则数字处理器22将通过线圈驱动器24传送的线圈电流设置为所配置的正常设定点，例如，500mA。然后，变送器10B和流量管10A进入正常操作，其中由变送器10B向线圈18A、18B提供交变脉冲DC电流驱动，并且分别在电极16A和16B处感测电压VA和VB。电压VA和VB由信号处理器20进行处理，并由数字处理器22使用，以便提供对经过流量管10A的流体的流速加以表示的测 量值信号。 

如果使用所配置的线圈电流设定点计算出的线圈功率超过该线圈功率限制，则数字处理器22关闭线圈驱动器24，并通过本地操作接口28或通过通信接口26发出警报(步骤80)。然后，变送器10B在再次进行初始加电时进行线圈功率检查之前，等待提供新的线圈电流配置。可以由用户通过本地操作接口28提供新的线圈电流配置，或可以通过与通信接口26的通信链接从控制室提供新的线圈电流配置(步骤82)。 

一旦输入了新线圈电流配置，将重复处理60。在步骤72，当计算线圈功率时，使用基于新配置的新线圈电流设定点。在步骤74，数字处理器22将再次确定计算出的线圈功率是否超过该线圈功率限制。如果新的线圈电流配置导致计算出的线圈功率小于该线圈功率限制，则将新的线圈电流配置用于设置线圈电流(步骤76)，然后开始正常操作(步骤78)。如果使用新的线圈电流配置计算出的线圈功率仍超过该线圈电流限制，则重复步骤80和82。 

线圈电流检查——正常操作 

另一情景涉及磁流量计的正常操作期间，线圈电阻随着时间而改变。在该情况下，由于过程温度、自热效应或端子腐蚀导致线圈电阻随着时间改变。图4A示出了当在运行磁流量计10期间进行线圈功率检查时，由数字处理器22执行的处理90。在正常操作期间(步骤92)，数字处理器22基于从线圈驱动器24的放大器和调节电路46和48接收到的信号，测量线圈电流I_C和线圈电压V_C(步骤94)。数字处理器22通过将线圈电压V_C除以线圈电流I_C，来计算线圈电阻R(步骤96)。数字处理器22使用计算出的线圈电阻R和线圈电流设定点(例如，500mA)，计算线圈功率P＝I²R。 

接着，数字处理器22确定计算出的线圈功率是否超过线圈功率限制(在该情况下，9瓦特)长达一分钟。如果在至少一分钟内线圈功率非连续地大于9瓦特，则数字处理器22返回到正常操作(步骤92)，并在交变DC电流驱动的下一半周期内，重复步骤94、96、98 和100。只要线圈功率大于9瓦特不长于1分钟，该循环继续，磁流量计10操作在其正常操作下而不中断。 

如果线圈功率超过9瓦特长于一分钟，则数字处理器20停止线圈驱动器24，通过本地操作接口28、通信接口26或二者宣布警报(步骤102)。一旦停止了磁流量计10并产生了警报，数字处理器22等待通过本地操作接口28或通信接口26提供的新的线圈电流配置(步骤104)。 

一旦接收到新的线圈电流配置，磁流量计10可以首先返回到加电时进行的线圈功率检查操作(如图3的处理60所示)。一旦磁流量计10通过了加电时的线圈功率检查并进入正常操作，继续该处理90。 

图4B示出了当磁流量计10在正常操作下运行期间的备选线圈功率检查。处理110类似于图4A的处理90，包括类似于处理90的步骤92、94、96、98和100。处理110与处理90的不同之处在于：当线圈功率超过线圈功率限制长于一分钟时，降低线圈电流设定点以便降低线圈功率。在处理110中，数字处理器22使用测量的线圈电阻和小于线圈功率限制的线圈功率目标，计算新的线圈电流设定点(步骤112)。接着，数字处理器22提供控制信号，以便将电流控制器42的线圈电流设定点自动调整为将线圈功率保持为小于线圈功率限制的电流级(步骤114)。一旦将线圈电流调整为新的设定点，数字处理器22以降低的线圈电流返回到正常操作(步骤90)，所以流测量值仍然是可用的。在该情况下，可以发出警报，以便告警用户。 

线圈过流监测 

磁流量计10还可以使用通过线圈驱动器24的感测电阻器50以及放大器和调节电路48(参照图2)感测到的线圈电流，提供磁性线圈驱动过流检测特性。过流检测结合如图2所示的恒定电流控制线圈驱动器24工作，可以消除对基于硬件的电流限制设备(例如，电阻器、熔丝或TRIAC)的需要。可以在每个流测量周期内执行过流检测特性，如果线圈电流超过线圈电流限制持续特定时间(例如，一分钟)，则过流检测特性可以提供线圈驱动器24的自动关闭。 

图5示出了在正常操作磁流量计10期间，由数字处理器22连续执行的过流监测处理120。在每个流测量周期开始时，执行线圈过流监测(步骤122)。数字处理器22通过使用图2的放大器和调节电路48感测电压V2，来测量线圈电流I_C(步骤124)。将电压V2除以感测电阻器50的电阻R_S，以产生测量的线圈电流I_C。 

数字处理器22将测量的线圈电流I_C与线圈电流限制值(在该示例中，为550mA)相比较。如果测量的线圈电流I_C保持大于该线圈电流限制持续一分钟或更长，则数字处理器22停止线圈驱动器24，通过本地操作接口28或通信接口26发出警报。然后，数字处理器22等待通过本地操作接口28或通信接口26提供新的线圈电流配置(步骤130)。 

只要线圈电流超过该线圈电流限制不长于1分钟，数字处理器22将继续包括步骤122、124和126的循环，磁流量计10继续操作在正常操作模式下。 

在另一示例中，数字处理器22可以使用功率计算值，以便自动地将线圈电流调整到在电极16A、16B处提供最大信号的最大可接受功率。这样优化了所用特定流量管的信噪比。线圈电流直接与在电极16A、16B处的流量信号强度相关。在再一实施例中，希望降低功耗的用户可以针对变送器10B设置较低的功率限制。然后，数字处理器22可以基于降低的线圈功率限制，限制线圈功率。 

线圈过流监测相较于使用保险丝、断路器或其它电路(例如，SCR或撬杆式设备)的先前方法而言，具有很多优点。当检测到过流状态时，线圈过流监测使用线圈驱动器24中的电流感测以及数字处理器22，以便关闭线圈驱动器24。提供了精确的线圈电流限制，精确的线圈电流限制可用于多种线圈电流设定点(例如，75mA到500mA)。电流监测提供了不受瞬时事件损坏且不受温度影响的可重置的电流限制。电流监测可以将场线圈的功率限制为例如额定功率的120％，而使用传统融合方法将场线圈的功率限制为额定功率的565％。 

尽管参考示例实施例描述了本实用新型，然而本领域技术人员应理解，在不脱离本实用新型的范围的前提下，可以进行多种改变，可 以用等同物替换的元件。此外，可以进行多种修改，以便使特定情况或材料适用于本实用新型的教义，而不脱离本实用新型的基本范围。因此，应注意本实用新型不限于所公开的特定实施例，本实用新型应包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。 

Claims (5)

1.一种与磁流量管一起使用的变送器，所述变送器包括：

线圈驱动器，用于向磁流量管的线圈提供电流，所述线圈驱动器包括用于感测线圈电流和线圈电压的电路；以及

处理器，用于基于感测到的线圈电流和感测到的线圈电压确定线圈功率，基于确定的线圈功率和线圈功率限制值来控制线圈驱动器。

2.根据权利要求1所述的变送器，其中如果确定的线圈功率超过所述线圈功率限制值，则所述处理器关闭所述线圈驱动器。

3.根据权利要求1所述的变送器，其中所述处理器将由线圈驱动器向线圈提供的电流降低为产生不超过所述线圈功率限制值的线圈功率值的等级。

4.一种磁流量计，包括：

流量管，具有用于产生交变磁场的线圈，以及用于感测由磁场在经过所述管的流体流中感应的电压的电极；

线圈驱动器，与线圈相连，以便以线圈驱动频率和电流设定点产生交变磁场，所述线圈驱动器包括用于感测线圈电流的电路；以及

处理器，根据所述电极之间的感测电压产生流输出，其中所述处理器基于感测到的线圈电流和线圈电流限制值的比较，控制所述线圈驱动器。

5.根据权利要求4所述的磁流量计，其中如果感测到的线圈电流超过所述线圈电流限制值的时间持续测试时段，则所述处理器禁止操作所述线圈驱动器。