CN213021744U

CN213021744U - 磁流量计

Info

Publication number: CN213021744U
Application number: CN202021982260.0U
Authority: CN
Inventors: 斯科特·R·福斯
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2030-09-11
Also published as: EP4028730A4; WO2021050502A1; CN112504367A; JP2022548577A; US11156486B2; US20210080300A1; EP4028730A1

Abstract

一种磁流量计，包括至少一个线圈，该至少一个线圈配置成在过程流体流内产生磁场。一对电极配置成检测响应于磁场的过程流体流内的电动势。测量电路可操作地耦接至所述一对电极并配置成提供被检测到的电动势的指示。处理器耦接至测量电路并配置成接收被检测到的电动势的指示。所述处理器配置成获得在一时间间隔内的被检测到的电动势的指示序列，并通过选择被检测到的电动势的非连续的指示来生成多个电动势样本集。多个电动势样本集中的每个由信号处理引擎处理以提供电动势样本输出。处理器配置成将来自每个电动势样本集的电动势样本输出进行组合以产生过程流体流量输出。

Description

磁流量计

背景技术

磁流量计(或磁测量计或直读式频率计)通过应用法拉第定律(一种电磁效应)来测量流量。磁流量计通过使励磁电流通过磁场绕组来激励一个或更多个线圈，所述磁场绕组在电隔离的导电过程流体流两端产生磁场。通过流动的过程流体穿过磁场来产生电动势(EMF)。流体两端的和相对于过程流体的其余部分两者的感应这种感应电压 (电势)能够通过与流动的过程流体接触的一个或更多个导电电极而容易地被测量。体积流量与流管的横截面积和流速成比例。流速与电极电压电势(EV)成正比，电极电压电势(EV)与感应磁场强度(B) 成正比。假定感应磁场强度与所施加的磁场(H)成比例，则该磁场与励磁电流的量值直接相关。因此，在所测量的电极电压电势与所指示的体积流量之间提供直接相关性。

技术领域

磁流量计用于各种导电和半导电流体流量测量环境中。特别地，水基流体、离子溶液和其它导电流体的流量都能使用磁流量计来测量。此外，磁流量计经常与可能包含固体的流体(诸如造纸处理中使用的纸浆)一起使用。因此，能够在水处理设施、饮料和卫生食品生产、化学处理、高纯度药品制造以及危险和腐蚀性流体处理设施中发现磁流量计。但是，某些环境更容易受到信号噪声的影响。当在这种有噪声的环境中使用磁流量计时，提供对信号噪声响应更好的磁流量计会提高流量输出的准确度。

实用新型内容

一种磁流量计包括至少一个线圈，该至少一个线圈配置成在过程流体流内产生磁场。一对电极配置成检测响应于磁场的过程流体流内的电动势。测量电路可操作地耦接至所述一对电极并配置成提供被检测到的电动势的指示。处理器耦接至测量电路并配置成接收被检测到的电动势的指示。所述处理器配置成获得在一时间间隔内的被检测到的电动势的指示的序列，并通过选择被检测到的电动势的非连续的指示来生成多个电动势样本集。多个电动势样本集中的每个由信号处理引擎处理以提供电动势样本输出。处理器配置成将来自每个电动势样本集的电动势样本输出进行组合以产生过程流体流量输出。在另一方面，所述处理器配置成获得在一时间间隔内的被检测到的电动势的指示的序列，并从被检测到的电动势的指示的序列产生多个数据流。所述处理器还配置成在每个数据流上执行信号处理以产生多个流输出，并基于所述多个数据流输出的组合而产生过程流体流量输出。在另一方面，所述处理器配置成计算每个数据流的中位数绝对偏差以提供每个数据流输出。

附图说明

图1是根据本实用新型的实施例的磁流量计在其中有用的环境的示意图。

图2是根据本实用新型的实施例的磁流量计的框图。

图3A和图3B是图示在所模拟的流量下磁流量计所经历的噪声的图。

图4是根据本实用新型的实施例的改良的磁流量计信号处理的框图。

图5是根据本实用新型的实施例的在磁流量计中处理原始流量数据的方法的流程图。

图6是图示了根据本实用新型的实施例的以流量百分比表示的噪声限值的图，该噪声限值将单个信号处理引擎的输出与时间混合信号处理引擎的输出进行比较。

图7是图示了具有来自10％纸浆原料的噪声的信号处理引擎的改良的图。

图8是图示了在典型的磁流量计装置中看到的原始流量的图。

图9是滚动MAD(具有0.5秒窗口)与具有同样秒时间的窗口的滚动标准偏差的比较。

图10是根据本实用新型的实施例的处理电极EMF样本以在磁流量计中提供流量输出的方法的流程图。

具体实施方式

图1图示了磁流量计102的典型环境100。磁流量计102耦接至过程管道(以图解方式以线104图示出)，该过程管道又耦接至控制阀112。磁流量计102被配置为提供关于过程中通过管道104的过程流体流的流量输出。这种流体的示例包括化学品、纸浆、药品和其它流体处理厂中的料浆和液体。

磁流量计102包括连接到流管108的电子设备壳体120。磁流量计102输出被配置为经由过程通信连接106在相对较长的距离上传输到控制器或指示器。在典型的处理厂中，通信连接106能够采用数字通信协议、模拟通信信号或其组合。可以经由无线通信、脉冲宽度或频率输出、或离散输入/输出(DI/DO)提供相同或附加的过程信息。系统控制器110能够为操作者显示流量信息，并通过过程通信连接 106提供控制信号，以便使用控制阀(诸如阀112)控制所述过程。

图2是磁流量计102的框图，本实用新型的实施例特别适用于所述磁流量计。磁流量计102测量流过流管组件108的导电过程流体的流量。线圈122配置为响应于来自线圈驱动器130的所施加的励磁电流而在流体流中施加外部磁场。EMF传感器(电极)124电耦接至流体流，并将与由于所施加的磁场、流速和噪声而导致的流体流中产生的与EMF有关的EMF信号输出134提供给放大器132。模数转换器 142将数字化的EMF信号提供给流量计电子设备143的微处理器系统148。

微处理器148可以被配置为通过硬件、软件或其组合来提供与 EMF输出134有关的数字信号处理功能，以便提供与流速有关的输出152。此外，如下面将更详细描述的，信号处理能够提供改良的噪声抑制。微处理器148可以包括或耦接到存储器150，该存储器150 包含指令，当由微处理器148执行该指令时，根据本文所述的实施例，该指令提供过程流体流速输出计算以及改良的噪声降低。

微处理器148根据法拉第定律的应用中所述地根据EMF输出 134与流速之间的关系来计算通过流管108的流体流速：

其中，E可以是与EMF输出134有关的信号输出152，V是流体的速度，D是流管108的直径，B是过程流体中的感应磁场的强度， k是比例常数。微处理器148根据已知的技术、使用速度和测得的磁场或线圈电流来计算过程流体的流量。数模转换器158耦接到流量计电子设备143的微处理器148，并生成耦接到通信总线106的模拟变送器输出160。数字通信电路162可以生成数字变送器输出164。模拟输出160和/或数字输出164能够根据需要耦接到过程控制器或监测器。

磁流量计经常用于固体水平很高的应用中，因为流量计不需要任何类型的流动阻挡就可以提供其测量值。当这种固体冲击磁流量计的测量电极时，它们会产生大量的电噪声。这一噪声会使测量波形变形，并导致流量输出出现明显的误差。在极端情况下，误差可能高达实际流量值的100％。附加地，由于现代设计符合减少的线圈驱动电流的许可限制，所以这些问题更加严重。

已经确定了磁流量计所经历的许多噪声是相对非线性的。典型地，由A/D转换器142在电极124两端测量的原始流量测量值EMF 中将存在显著的尖峰，其可能是实际流量值的许多倍。由于噪声尖峰在平均值附近不对称，因此阻尼滤波器将无法正确地过滤它们。

图3A和3B是图示出在所模拟的流量固定为3英尺/秒的情况下磁流量计所经历的噪声的图。图3A示出了显著的负尖峰，随后是大约4秒处的显著的正尖峰。负峰值超过-40英尺/秒，而正峰值超过+40 英尺/秒。图3B中所示的相应的阻尼流量输出示出了在约4秒处的阻尼流量值的明显变形。

根据本实用新型的实施例，提供了一种用于磁流量计的新的信号处理技术。这一信号处理能够在磁流量计的微处理器内执行，或者可以在与微处理器耦接的任何合适的逻辑或电路中执行。通常，原始流量数据流(在最大采样率下在电极两端的单独的EMF测量值)用于创建分离的数据流，这些数据流在固定时间段内随机或至少非顺序地混合。当流量数据及时混合时，它将使每个样本与其时间邻域分离。这种时间上的分离有助于更有效地识别尖峰，以便能够正确地将其剔除。然后将数据流重新组合以便提供总体平均值，这将有助于使得流量误差最小化。

图4是根据本实用新型的实施例的改良的磁流量计信号处理的框图。可以看出，原始流量测量值(由附图标记200指示)被提供给时间混合器202并且还被提供给信号处理引擎226。时间混合器202 在一定的扫描时间段(例如0.250秒)内缓冲所述样本，并且当缓冲区填满时，时间混合器202创建流量数据的多个数据流。在一个示例中，时间混合器202创建五个不同的流量数据流，其中每个流被随机地组织。例如，如果在0.25秒期间内采集了100个样本，则由于时间混合，每个流将看到所有样本，但顺序与其它流不同。本领域技术人员还将了解，本实用新型的实施例可以利用非随机技术来实践，在所述非随机技术中，缓冲部位选择确保使用了非连续或连续的部位。然而，在优选的实施例中，采用随机缓冲部位。

如图4中所示，时间混合器202输出多个新的流量流206、208、 210、212和214。这些流量流中的每个作为输入被提供给相应的信号处理引擎216、218、220、222和224。每个相应的信号处理引擎用于对时间混合器202提供的原始流量样本进行分类，并提供移动平均值。每个信号处理引擎都在移动平均值附近的基于不断更新的限值评估流量样本。

在一个实施例中，基于中位数绝对偏差(MAD)不断更新这些限值。MAD是一种数学上已知的计算，其能稳健地抵抗离群值。通常认为，MAD在数据集中比标准偏差更能抵抗离群值。在标准偏差中，距均值的距离被平方，在中位数绝对偏差中，少量离群值的偏差无关紧要。通过首先计算一组样本的中位数来计算MAD。然后计算每个样本距中位数的偏差。最后，计算样本偏差的中位数以提供 MAD。例如，考虑数据(2、2、4、4、8、12、18)。它的中位数值是4。相对于4的绝对偏差为(2、2、0、0、4、8、14)，进而它们的中位数值是2(因为排序后的绝对偏差为(0、0、2、2、4、8、14))。因此，这一数据的中位数绝对偏差为2。

MAD用于动态地测量所述流中的噪声量并相应地调整限值。如上所述，MAD类似于标准偏差，但在处理非线性噪声尖峰方面表现出色。每个信号处理引擎216、218、220、222和224将其输出提供给相应的阻尼滤波器，该阻尼滤波器可以对来自各个信号处理引擎的连续输出求平均值以提供时间阻尼的输出。阻尼还能够包括任何其他合适的技术或计算。例如，阻尼滤波器中的一个或全部可以包括低通滤波器。

虽然图4图示了信号处理引擎216、218、220、222和224中的每一个将其输出提供给相应的单独的阻尼滤波器，但是还明确地考虑到来自信号处理引擎的输出可以一起被求平均值并且然后可以被馈送到信号阻尼滤波器。此外，尽管信号处理引擎中的每一个的信号处理设定可以全部相同，但是如果需要，它们也可以不同。不同的信号处理设定将使具有次优信号处理设定的影响最小化。附加地，注意的是，可以对来自相应的信号处理引擎的每个流量流的值进行排序，并且可以使用所述流中的中间值。这将进一步剔除对噪声反应不良的流。从图4中可以看出，最终将各种阻尼滤波器的输出馈送到框230，其对流量输出的滤波器值取平均值并提供改良的流量输出值232。可替代地，可以以不同的方式对来自各个阻尼滤波器的输出进行组合，而不是简单地将它们一起取平均值。某些统计测量值(例如标准偏差，峰到峰范围和/或四分位数范围)可用于剔除较弱的信号处理引擎，或者将更多的权重分配给较强的信号处理引擎。

图5是根据本实用新型的实施例的在磁流量计中处理原始流量数据的方法的流程图。方法300在框302处开始，在框302处，将标注为限幅噪声限值的值设定为等于噪声因子乘以中位数绝对偏差 (MAD)。在框304处，将量“离群噪声限值”设定为等于离群因子乘以中位数绝对偏差。接下来，在框306处，通过从新输入减去移动平均值来生成差值。在框308处，确定新输入是否在框302中设定的限幅噪声限值内。如果是，则控制转到框310，在框310处，将新值设定为等于新输入，并使用原始值。然后，控制向下转到框312，在框312处将新值添加到移动平均值。然而，如果在框308处新输入不在限幅噪声限值内，则控制转到框314，在框314处确定新输入超出限幅噪声限值的时间段是否大于最大尖峰宽度时间。该最大尖峰宽度时间可以由制造商设定，也可以是磁流量计中用户可选的设定。无论如何，如果新输入超出限幅噪声限值的时间大于最大峰值宽度时间，则控制再次转到框310，在框310处将新值设定为等于新输入，并且在控制转到框312的情况下使用原始值。

如果在框314处新输入超出限幅噪声限值的时间不大于最大尖峰宽度时间，则控制转到框316，在框316处确定新输入是否超出离群噪声限值。如果是这样，则控制转到框318，在框318处将新值设定为等于移动平均值，并且控制转到框312。但是，如果在框316处确定新输入未超出离群噪声限值，则控制转到框320，在框320处确定新输入是否大于限幅噪声限值。如果是这样，则控制转到框322，在框322处将新值设定为等于限幅噪声限值，并且控制转到框312。但是，如果在框320处确定新输入不大于限幅噪声限值，则控制转到框324，在框324处，将新输入设定为等于负限幅噪声限值，并且控制转到框312。如上所述，在框312处，将新值添加到移动平均值，然后在框326处，返回移动平均值。

关于图5描述的方法可以总结如下。如果新样本在限幅噪声限值内，则可以原样使用该样本。但是，如果新样本超出限幅噪声限值但在离群限值内，则该样本将被限幅在限幅噪声限值处。如果样本超出离群限值，则使用移动平均值。虽然关于图5描述的限幅被视为硬限幅，但是也可以考虑使用软限幅，随着样本距离移动平均值越来越远，软限幅会降低增益。另一种选择是自动调整限值以保留一定数量的样本。

图6是图示了根据本实用新型的实施例的以流量百分比表示的噪声限值的图，该噪声限值将单个信号处理引擎的输出与时间混合信号处理引擎的输出进行比较。如图6所示，流量仍设定为3英尺/秒。竖线图示流量与噪声限值设定(以流量的百分比表示)之间的变化关系。因此，可以看出，对于多个信号处理引擎使用时间混合，会大大降低噪声信号，从而显著提高了整个流量输出的噪声抑制。

图7是图示具有来自10％纸浆原料的噪声的信号处理引擎的改良的图。虚线图示使用简单的2秒阻尼技术的流量测量值，而实线图示使用时间混合器信号处理例程的流量测量值。信号处理的标准偏差和峰到峰范围分别是直阻尼滤波器的1/18.5和1/36.3。在图7中，10％纸浆原料的流量仍设定为3英尺/秒。纸浆原料是具有显著的固体含量的流动介质的示例，当这种固体冲击电极时会产生噪声。可以看出，在大约100秒的时间处，2秒阻尼流量信号中的尖峰超过10英尺/秒。相反，时间混合信号处理例程保持在3英尺/秒。这对在如此高的固体处理环境中的流量计的信号处理是一重大改进。

图8是图示了在典型的磁流量计装置中看到的原始流量的图。图 9是对于图8中所示的原始流量值，滚动MAD(具有0.5秒窗口)与具有相同秒时间的窗口的滚动标准偏差的比较。滚动MAD和标准偏差的比较表明，对于磁流量计信号处理，MAD比标准偏差稳定得多。对于正态分布的噪声，标准偏差应是MAD的1.4826倍。图9中的标准偏差的平均值是大约为80.05英尺/秒的峰到峰范围的10.7倍。MAD 的范围是2.14英尺/秒。在流量流中的冲击导致流量信号出现尖峰的应用中，标准偏差非常差。可以了解，对比图9中所示的两个信号，可以提供关于过程流体流的性质的有用信息。因此，在一些实施例中，中位数绝对偏差也可以用于检测何时存在固体或化学物质。此外，中位数绝对偏差甚至可以用于关联特定过程的固体量。

图10是根据本实用新型的实施例的处理电极EMF样本以在磁流量计中提供流量输出的方法的流程图。方法400开始于框402，在框 402处，从电极124获得EMF样本的序列。该序列可以达限定的时间段，诸如0.5秒或可变的时间段。接下来，在框404处，存储单个 EMF样本。在一个实施例中，它们以维持其序列的方式存储在缓冲区中。在框406处，从存储的EMF样本创建多个数据集，其中使用非连续样本。在一个实施例中，使用五个不同的数据集。然而，本领域技术人员将认识到，根据本文描述的实施例，可以使用更多或更少的数据集。使用非连续样本的方式可以是从缓冲区中的随机部位抽取样本，如附图标记408所示，或以任何其他合适的方式，如附图标记 410所示。

在框412处，处理每个数据集以获得每个数据集的信号处理输出。信号处理可以采用附图标记414所示的中位数绝对偏差、附图标记416所示的标准偏差、或附图标记418所示的其它合适的处理。最后，在框420处，将来自每个处理的数据集的不同输出进行组合以提供过程流量输出值。如上所述，这可以是各种输出的简单的平均值，或者可以包括基于对该数据集进行的特定处理类型、以及emf样本的统计方面或参数，给每个数据集分配权重。

尽管上述信号处理通常不依赖于流量百分比来完成，但是还可以考虑到，信号处理例程可以使用流量百分比来调整噪声限值。这是因为，在某种程度上认为噪声会随流量缩放。

尽管已经参考优选实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员将认识到，可以在不背离本实用新型的精神和范围的情况下在形式和细节上作出改变。例如，如上所述，对于本实用新型的实施例，中位数绝对偏差是优选的技术。然而，还明确地考虑到，可以将时间混合与标准偏差或其他统计或信号处理技术结合使用。

Claims

1.一种磁流量计，包括：

至少一个线圈，配置成在过程流体流内产生磁场；

一对电极，配置成检测响应于所述磁场的所述过程流体流内的电动势；

测量电路，可操作地耦接至所述一对电极并配置成提供被检测到的电动势的指示；和

处理器，耦接至所述测量电路并配置成接收被检测到的电动势的指示，所述处理器配置成获得在一时间间隔内的被检测到的电动势的指示的序列，并通过选择被检测到的电动势的非连续的指示来产生多个电动势样本集，其中所述多个电动势样本集中的每一个由信号处理引擎处理以提供电动势样本输出，并且其中，所述处理器配置成将来自每个电动势样本集的电动势样本输出进行组合以产生过程流体流量输出。

2.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述处理器配置成随机选择被检测到的电动势的非连续的指示。

3.根据权利要求1所述的磁流量计，还包括时间混合器，所述时间混合器配置成选择被检测到的电动势的非连续的指示。

4.根据权利要求3所述的磁流量计，其中，所述时间混合器包括缓冲区，所述缓冲区配置成接收被检测到的电动势的指示的序列。

5.根据权利要求4所述的磁流量计，其中，所述时间混合器配置成通过选择所述缓冲区中的随机部位的内容生成多个电动势样本集中的每一个。

6.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述信号处理引擎包括多个信号处理引擎，每个信号处理引擎配置成接收相应的电动势样本集。

7.根据权利要求6所述的磁流量计，其中，所述多个信号处理引擎对每个相应的电动势样本集执行相同的信号处理。

8.根据权利要求6所述的磁流量计，其中，所述多个信号处理引擎对每个相应的电动势样本集执行不同的信号处理。

9.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述信号处理引擎配置成确定每个电动势样本集的中位数绝对偏差。

10.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述处理器配置成基于所述电动势样本输出的平均值产生所述过程流体流量输出。

11.根据权利要求10所述的磁流量计，其中，所述平均值是加权平均值。

12.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述处理器配置成通过在所述电动势样本输出上使用至少一个低通滤波器来产生所述过程流体流量输出。

13.一种磁流量计，包括：

至少一个线圈，配置成在过程流体流内产生磁场；

处理器，耦接至所述测量电路并配置成接收被检测到的电动势的指示，所述处理器配置成：获得在一时间间隔内的被检测到的电动势的指示的序列；从被检测到的电动势的指示的序列产生多个数据流并对每个数据流执行信号处理以产生多个数据流输出；以及基于所述多个数据流输出的组合来产生过程流体流量输出。

14.根据权利要求13所述的磁流量计，其中，所述处理器配置成计算每个数据流的中位数绝对偏差以提供每个数据流输出。

15.根据权利要求13所述的磁流量计，其中，所述处理器还配置成至少部分地基于每个数据流的中位数绝对偏差来提供所述过程流体流中的固体的指示。

16.根据权利要求15所述的磁流量计，其中，所述固体的指示是所述过程流体流中的固体的量的指示。