能夠自動(dòng)選擇操作設(shè)定點(diǎn)的磁流量計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及流處理，具體地涉及一種磁流量計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁流量計(jì)（或者磁流量表）通過(guò)法拉第感應(yīng)（電磁效應(yīng)）測(cè)量流量。磁流量計(jì)通 常包括流量管和變送器。流量管包括：管道；安裝在所述管道上的場(chǎng)線圈（可以包括多個(gè) 線圈）；以及延伸通過(guò)所述管道的電極。變送器向場(chǎng)線圈供電以便在管道部?jī)啥水a(chǎn)生磁場(chǎng)， 磁場(chǎng)在過(guò)程流兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（EMF)。使用延伸通過(guò)管道部并與過(guò)程流相接觸的電極對(duì)， 或通過(guò)電容耦合，來(lái)感測(cè)得到的電勢(shì)差（或電壓）。流速率與感應(yīng)到的EMF成正比，體流率 (volumetric flow rate)與流速率和流橫截面面積成正比。變送器從電極接收感測(cè)到的電 壓，并產(chǎn)生表示測(cè)量流的信號(hào)。
[0003] 通常，電磁流測(cè)量技術(shù)適用于水基流體、離子溶液和其他導(dǎo)電液體流。具體的用 途包括水處理設(shè)施、高純度醫(yī)藥制造、衛(wèi)生食品和飲料生產(chǎn)以及包括有害和腐蝕性過(guò)程流 的化學(xué)處理。磁流量計(jì)還用于包括利用磨蝕和腐蝕性泥楽的液壓破碎技術(shù)（hy drau I i c fracturing technique)的碳?xì)浠衔锶剂闲袠I(yè)，以及其他的碳?xì)浠衔锾崛『吞幚矸椒ā?br>[0004] 由于相關(guān)聯(lián)的永久性壓力損失（例如孔板或者文氏（Venturi)管兩端），使得磁 流量計(jì)在基于壓差的技術(shù)不受歡迎的應(yīng)用中提供快速、精確的流測(cè)量。當(dāng)難以將機(jī)械元件 (例如，渦輪轉(zhuǎn)子、渦流元件或者皮托管）引入所述過(guò)程流或者不切實(shí)際時(shí)，也可以采用磁 流量計(jì)。
[0005] -些磁流量計(jì)使用由AC線路電源直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)線圈。另一類型的磁流量計(jì)（通 常稱作脈沖式DC磁流量計(jì)）用低頻方波周期性地對(duì)該場(chǎng)線圈進(jìn)行激勵(lì)或供電。脈沖式DC 磁流量計(jì)使用以由方波激勵(lì)確定的頻率改變方向的磁場(chǎng)。
[0006] 在磁流量計(jì)中，場(chǎng)線圈的線圈電流和繞組數(shù)目確定了與流過(guò)流量管的導(dǎo)電過(guò)程流 體垂直的磁場(chǎng)的強(qiáng)度。橫向切割該磁場(chǎng)的過(guò)程流體的流速在暴露于過(guò)程流體的電極上產(chǎn)生 較小電勢(shì)。針對(duì)給定數(shù)目（匝數(shù)）的繞組和繞組中的給定線圈電流，在電極上產(chǎn)生的信號(hào) 直接地（線性地）與流速成正比。
[0007] 在給定流速下，通過(guò)流經(jīng)磁流量計(jì)的流體產(chǎn)生的典型噪聲譜展現(xiàn)了與頻率的倒數(shù) 成正比的幅度（通常稱作"l/f噪聲"或"粉紅噪聲"）。流速率越大，噪聲等級(jí)也越大。因 此，這通常對(duì)于能夠在較高激勵(lì)頻率下進(jìn)行操作以便改善信噪比的磁流量計(jì)是有利的。由 于在磁流量計(jì)的電極處產(chǎn)生的信號(hào)等級(jí)直接與場(chǎng)線圈的安培圈數(shù)（即，線圈電流（安培） 乘以繞組數(shù)目或場(chǎng)線圈匝數(shù)）成正比，還希望能夠在較高線圈電流下進(jìn)行操作，以便改善 信噪比。
[0008] 在脈沖式DC磁流量計(jì)中，磁場(chǎng)以激勵(lì)頻率改變方向。當(dāng)磁場(chǎng)改變了方向時(shí)，通過(guò) 快速改變磁場(chǎng)而產(chǎn)生被電極感測(cè)到的電壓尖峰。為了進(jìn)行流測(cè)量，流量計(jì)的電極電壓測(cè)量 電路必須在進(jìn)行測(cè)量之前等待，直到該電極電壓尖峰穩(wěn)定。潛在錯(cuò)誤的另一來(lái)源在于：如果 線圈中的電流不穩(wěn)定，或如果磁場(chǎng)的改變滯后于電流的改變并且是緩慢變化的，則得到的 耦合到電極信號(hào)的電壓將出現(xiàn)錯(cuò)誤的流讀數(shù)。在某最大頻率下，線圈驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法令線圈 電流或磁通量密度（magnetic flux density)穩(wěn)定，結(jié)果變化的線圈電流感應(yīng)出與流無(wú)關(guān) 的電極電壓改變。在該最大激勵(lì)頻率上的操作將導(dǎo)致流測(cè)量的準(zhǔn)確度和可重復(fù)性變差。不 穩(wěn)定的電流驅(qū)動(dòng)降低了流測(cè)量的零準(zhǔn)確度（zero accuracy)。
[0009] 針對(duì)不同直徑和構(gòu)造的流量管，線圈電流穩(wěn)定的速率是不同的。由于線圈電流在 較小直徑的流量管中更快穩(wěn)定，相較于較大直徑的流量管，較小直徑的流量管可以以較高 激勵(lì)頻率進(jìn)行操作。此外，構(gòu)造流量管使用的某些材料的磁性特性和電學(xué)特性可能引起磁 通量密度滯后于線圈中的電流。這對(duì)于操作在較高頻率下的線圈而言十分重要。
[0010] 對(duì)驅(qū)動(dòng)電流波形的主要影響是場(chǎng)線圈以及在線圈驅(qū)動(dòng)電路和流量管之間的引線 (lead)的電感和電阻。根據(jù)流直徑和供應(yīng)商不同，磁流量管具有多種不同的電感值和電阻 值。根據(jù)用于將變送器與流量管相連的線纜的電阻值，對(duì)相同流量管的不同安裝方式可以 具有變化超過(guò)二分之一的傳感器電阻。即使在單個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品線中，在場(chǎng)線圈的電感和 流量管的流直徑之間也不存在直接關(guān)系。新流量管以及對(duì)已有型號(hào)的流量管的設(shè)計(jì)改變可 能導(dǎo)致在制造特定變送器時(shí)不可用的不同線圈電感值和電阻值。
[0011] 因此，難以針對(duì)特定流量管和變送器的組合確定適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)。不能提前確定用 于普遍地操作電流和頻率的優(yōu)化設(shè)定點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 一種磁流量計(jì)包括：流量管；以及變送器，基于操作設(shè)定點(diǎn)向流量管提供激勵(lì)。變 送器基于場(chǎng)線圈電阻、場(chǎng)線圈電感、變送器和/或流量管的額定功率以及性能準(zhǔn)則選擇，自 動(dòng)地確定操作設(shè)定點(diǎn)。變送器基于所確定的操作設(shè)定點(diǎn)，向流量管提供激勵(lì)，并基于由流量 管產(chǎn)生的感測(cè)電壓信號(hào)，提供流測(cè)量值。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是磁流量計(jì)的框圖。
[0014] 圖2是示出了圖1的磁流量計(jì)的線圈驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)測(cè)量電路的框圖；
[0015] 圖3是示出了由變送器自動(dòng)選擇設(shè)定點(diǎn)的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 圖1示出了示例磁流量計(jì)10,包括初級(jí)部（流量管或傳感器）IOA和次級(jí)部（變 送器）1〇Β。流量管IOA包括管道12、絕緣內(nèi)襯14、電極16A和16B以及由串聯(lián)線圈18A和 18B形成的場(chǎng)線圈18。
[0017] 流量管IOA的主要功能是產(chǎn)生與待測(cè)流體的速度成正比的電壓。通過(guò)使電流通過(guò) 線圈18A和18B來(lái)給線圈提供電能以形成磁場(chǎng)。在脈沖式DC磁流量計(jì)中，周期性地反轉(zhuǎn)線 圈驅(qū)動(dòng)電流的方向，使得由場(chǎng)線圈18A和18B產(chǎn)生的磁場(chǎng)改變方向。流經(jīng)流管道IOA內(nèi)部 的過(guò)程流體用作移動(dòng)導(dǎo)體，以便磁場(chǎng)在該流體中感應(yīng)電壓。流量管IOA內(nèi)部齊平安裝的電 極16A、16B與導(dǎo)電的過(guò)程流體直接電接觸，從而拾取在流體中出現(xiàn)的電壓。為了防止電壓 被短路，必須將流體容納在電絕緣材料中。當(dāng)管道12是金屬管時(shí)，由內(nèi)襯14提供電絕緣， 內(nèi)襯14是非導(dǎo)電材料，例如，聚氨酯、聚四氟乙烯（PTFE)，或其它絕緣材料。
[0018] 變送器IOB解譯在電極16A和16B處產(chǎn)生的電壓，并將準(zhǔn)則化信號(hào)發(fā)送至監(jiān)測(cè)或 控制系統(tǒng)。通常將次級(jí)部IOB稱作變送器或信號(hào)轉(zhuǎn)換器。
[0019] 變送器IOB通常包括信號(hào)處理器20、數(shù)字處理器22、線圈驅(qū)動(dòng)器24、通信接口 26 和本地操作接口 28。信號(hào)轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和傳輸是變送器IOB的主要功能。
[0020] 數(shù)字處理器22控制由線圈驅(qū)動(dòng)器24向線圈18A、18B提供的脈沖式DC線圈驅(qū)動(dòng) 電流的脈沖頻率。由線圈驅(qū)動(dòng)器24提供的電流波形是方波，其頻率被稱作脈沖頻率或激勵(lì) 頻率。該方波可以具有由數(shù)字處理器22選擇的可變占空比。
[0021] 信號(hào)處理器20連接至電極16A和16B并接地。接地連接可以是連接至管道12,或 可以連接至管道12的凸緣或者管道部分上游或下游。
[0022] 在由數(shù)字處理器22限定的電極電壓采樣時(shí)段期間，信號(hào)處理器20監(jiān)測(cè)電極16A 處的電勢(shì)VA和電極16B處的電勢(shì)VB。在電極電壓米樣時(shí)段期間，信號(hào)處理器20產(chǎn)生對(duì)電 極16A和16B之間電勢(shì)差加以表不的電壓，并將該電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)電極電壓加以表不的數(shù)字 信號(hào)。數(shù)字處理器22可以對(duì)從信號(hào)處理器20接收到的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行進(jìn)一步的信號(hào)處理和 濾波。數(shù)字處理器22向通信接口 26提供流測(cè)量數(shù)值，通信接口 26將該數(shù)值傳送至可以位 于控制室的監(jiān)測(cè)或者控制系統(tǒng)（未示出）。通過(guò)通信接口 26進(jìn)行的通信可以為以下形式： 在4至20mA之間變化的模擬電流級(jí)、HART?通信協(xié)議（其中在4-20mA電流上調(diào)制數(shù)字 信息）、數(shù)字總線上的通信協(xié)議（例如，F(xiàn)ieldbusdEC 61158))、或者使用無(wú)線協(xié)議（例如， 如WirelessHART (IEC 62951))在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上的無(wú)線通信。
[0023] 流量計(jì)10提供自動(dòng)方法用于基于流量管IOA的特性以及流量管IOA和變送器IOB 的額定功率，選擇對(duì)激勵(lì)頻率、線圈驅(qū)動(dòng)電流和可選的線圈驅(qū)動(dòng)占空比的最佳組合加以表 示的操作設(shè)定點(diǎn)?？梢栽诎惭b時(shí)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行、在對(duì)變送器通電時(shí)自動(dòng)執(zhí)行、或當(dāng)流量管IOA和 變送機(jī)IOB處于操作時(shí)在后臺(tái)連續(xù)地執(zhí)行對(duì)操作頻率、電流和占空比的自動(dòng)選擇。
[0024] 數(shù)字處理器22基于將參數(shù)用作輸入的算法以及由操作者進(jìn)行的準(zhǔn)則選擇，執(zhí)行 自動(dòng)選擇設(shè)定點(diǎn)，以便針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的特定安裝方式的變送器IOB確定設(shè)定點(diǎn)