用于操作磁感应流量计的方法

专利名称：用于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。特别地，本发明 涉及一种用于测定流经流量计的介质的流型的方法。
背景技术：
在工业过程测量技术中，经常使用磁感应流量换能器，特别是与 化工自动化和/或材料处理相结合，用于测量导电介质的流量。已知磁 感应流量计允许基本上直接测量导电液体的时变流速和/或时变体积流 量并且将其映射为相应的测量值。磁感应流量计的结构和操作方式已 经为本领域技术人员熟知并且例如在以下专利文献中有详细介绍 DE隱A 43 26 991、 EP-A1 275 940、 EP-A 12 73 892、 EP-A 1 273 891、 EP陽A 814 324、 EP-A 770 855、 EP-A 521 169、 US-B 69 62 087、 US-B 69 73 839、 US匿B 66 34 238、 US-A 60 31 740、 US-A 54 87 310、 US-A 52 10 496、 US-A 44 10 926、 US-A 2002/0117009或WO-A 01/90702。
所述类型的流量换能器通常各自具有非铁磁性的测量管，其例如 利用法兰或螺旋管件而液密地插入在操作期间引导待测介质的管道线 路中并且相应地由介质流经。测量管接触介质的部分通常实施为不导 电的，以使得测量电压不被短路，测量电压正如根据法拉第感生原理 而由以随时间变化的强度至少部分贯穿测量管的磁场感生的电压。因 此，金属测量管通常在内部具有不导电层，其例如由硬橡胶、聚氟乙 烯或其他塑料制成。在测量管完全由塑料或陶瓷(例如氧化铝陶瓷) 制成的情况，不需要不导电层。
磁场是利用合适的磁铁系统产生的并且合适地耦合入流动介质， 其中这种磁铁系统往往是利用位于测量管外部且在直径上彼此相对的
7两个励磁线圈形成的。如果需要，所述类型的励磁线圈具有由导磁材 料制成的线圈铁心，用于引导磁场。为了使得由线圈产生的磁场尽可 能均匀，线圈往往彼此相同并且串联电连接，从而在操作期间相同的 励磁电流流经这两个励磁线圈。然而，还记载了一种情况，其中令励 磁电流交替地同向及反向流经励磁线圈，以通过这种方式能够测定例 如液体的粘度、流动指数和/或流体的扰动程度；关于这一点，请参见
EP-A1 275 940、 EP陽A 770 855或DE-A 43 26 991 。前述的励磁电流是 通过流量计的对应的操作电子器件产生的，并且可以例如为周期性的、 脉冲的或谐波的交变电流。为了产生周期性的励磁电流，通常使用T-或H-电路形式的开关电路作为方波调制器，通常被控制为具有恒定幅 度的电流流经该方波调制器。
上述感生的测量电压被利用至少两个流电的(即，接触测量介质) 或电容性的(即，例如布置在测量管的管壁内部)测量电极而量取。 最常见的是，测量电极在直径上对置地布置，使得它们公共的直径垂 直于磁场的方向并且因而垂直于励磁线圈彼此相对所处的直径。感生 的测量电压被利用流量计的合适的信号处理电路接收、适当放大、并 调整为测量信号，该测量信号又可以被合适地进一步处理，例如数字 化。本领域技术人员同样已知适当的信号处理电路，特别是在以下文 献中EP陽A 814 324、 EP-A 521 169或WO-A 01/90702。
原理上，各个测量电极上的瞬时电势的绝对值对于测量体积流量
不重要，当然，这仅仅是在以下前提下---方面电势位于在测量电
极之后的差动放大器的设计范围内，也就是这个放大器不能被该电势 过激励；另一方面，电势改变的频率必须明显低于所述的电流方向翻 转的频率。
在每一电极的电势不仅仅依赖于测量管和磁场系统的特性，而是 正如在US-B 67 08 569或US-B 66 34 238中已经讨论的，实际上不可 避免的不同来源的千扰可能叠加在每一电势上并且因而还叠加在实际测量信号上。测量信号的这种干扰可能是例如由测量线路中感性和/或 容性侵入或者在测量电极上的涂层而引起的。
除了那些更多地归于励磁信道或测量信号的干扰之外，还可以假 设测量管中的介质的流型自身也可以对于测量信号的特性具有显著影 响，并且与标定的也就是指定的流动特性的偏离同样被看作测量信号 的显著干扰源。在介质中有外来物质(诸如夹带的固体颗粒和/或气泡) 的情况中发生第一种与流型相关的干扰，并且当这种外来物质碰撞至 少一个测量电极或者流经该测量电极附近并且引起局部电势突然改变 时，发生这种干扰。这些改变的衰变时间依赖于介质类型并且往往大
于改变的上升时间。正如在DE-A 43 26 991中讨论的，测量信号的第 二种与流型相关的干扰可以归于起初被假设为对称的流动剖面中的不 对称性。作为上述干扰的结果，测量信号不仅具有基本对应于介质瞬 时流速的有效部分，而且往往还具有至少部分受到流动介质中的当前 干扰影响的噪声部分，并且这个噪声部分可以显著地导致测量结果恶 化。
在EP-A 1 273 892中，公开了一种用于操作磁感应流量换能器的 方法，其中通过至少间歇地向两个测量电极中的至少一个电极施加利 用分析及运算电路产生的电压脉冲，而消除在测量电极上的特别是与 流型相关的干扰电势或者至少显著减小该干扰电势的影响。使用这种 方法可能导致磁感应流量计的测量精度显著提高，特别是在单相或混 合多相液体的情况中。另外，例如在EP-A 337 292或WO-A 03/004977 中描述了方法，其中在较长的时间中向测量电极供应消除干扰电视的 擦除电压，这特别是通过周期性的短路接地或者通过施加谐波交变电
压而实现的。然而，这种测量方法及相应的流量换能器的一个缺点是， 例如在具有显著分离的各个液体相位的多相液体的情况中或者在粥状
粘性液体的情况中，必须应付更为随机的基本上不再可确实估计且因 而几乎不能标定的干扰和/或可能夹带的固体颗粒或气泡的出现频率。 在相应的措施中，至少与流体相关的特性的干扰电势不再能够以足够确定的程度从测量电极移除。与此相随的是，测量仪表的测量精度特 别是随着外来物质颗粒和/或气泡的浓度增加而显著降低。

发明内容
于是，本发明的目的是提供一种方法，利用该方法，耦合入磁感 应流量测量换能器的测量信号的干扰电势，特别是由于流型或流型突 然改变而引起的干扰电势能够被至少安全地识别，并且可以被合适地 以信号表示，如果需要是以警报的形式。另外，这种干扰电势对于测 定主要测量值的影响被尽可能补偿，从而即使在流动剖面不对称的情 况中和/或在多相流的情况中或者流体的组成和/或流动指数改变的情 况中，都可以非常精确并像以前一样可靠地确定主要测量值。
为实现这个目的，本发明在于一种用于操作磁感应流量计的方法， 其中该方法包括以下步骤
-令待测介质流经流量计的测量管；
-产生至少部分以随时间改变的强度贯穿测量管中的介质的磁场， 特别是周期性磁场，使得在介质中至少间歇地特别是周期性地感生测 量电压；
-在介质中感生的测量电压至少间歇地特别是周期性地被利用由 第一和第二测量电极形成的电极对而量取，用于产生至少一个对应于 测量电压的模拟测量信号，其中测量信号具有基本对应于介质瞬时流 速的有效部分以及至少部分受到流动介质中的当前干扰影响的噪声部 分；以及
-测定位于测量管中的介质的流型，该流型由流动介质的瞬时流动 剖面和/或瞬时组成确定。
另外，在本发明的方法中，测定流型的步骤进一步包括以下步骤 -产生代表至少一个测量信号的数字信号；
-通过应用该数字信号，测定测量信号的噪声谱，特别是受到频 带限制的噪声谱，其至少主要对应于噪声部分；以及-通过应用至少一部分噪声谱，测定至少一个状态值，其至少量 化地特别是尽可能及时地用信号表示测量管中存在的流型。
在本发明的第一实施例中，测定测量信号的噪声谱的步骤进一步 包括将有效部分与噪声部分分离的步骤。
在本发明的第二实施例中，有效部分与噪声部分的分离至少部分 是通过应用数字信号而进行的。
在本发明的第三实施例中，测定测量信号的噪声谱的步骤进一步 包括通过应用数字信号而测定测量信号的有效/噪声谱，其既对应于测 量信号的噪声部分也对应于测量信号的有效部分。在本发明的这个实 施例的进一步发展中，测定测量信号的噪声谱的步骤进一步包括从有 效/噪声谱中除去测量信号的至少主要对应于有效部分的有效谱。在这 种情况中，进一步提出，有效/噪声谱经历中值滤波，以从有效/噪声谱 中除去有效谱。
在本发明的第四实施例中，测定至少一个状态值的步骤包括测定 测量信号的至少噪声部分的谱功率密度的步骤。在本发明的这个实施 例的进一步发展中，测量信号的至少噪声部分的谱功率密度的测定是 通过应用至少一部分噪声谱而进行的。
在本发明的方法的第五实施例中，测定至少一个状态值的步骤包
括测定至少一个用于测量信号的模型参数，其中模型参数当前代表在
整个噪声谱之内噪声部分的信号特征。在本发明的进一步发展中，测 定至少一个状态值的步骤还包括将模型参数与为此预定的模型参考值
比较并且/或者至少一个模型参数代表噪声部分的谱功率密度。
在本发明的方法的第六实施例中，噪声谱具有位于当前参考频率 之下的低频带部分，该参考频率特别是可变的并且/或者由介质的流型
11改变，其中在低频带部分之内，噪声部分当前至少平均超过预定的最 小电平，噪声谱还具有位于参考频率之上的髙频带部分，其中在高频 带部分之内，噪声部分当前至少平均低于预定的最小电平。在本发明 的这个实施例的进一步发展中，测定至少一个状态值的步骤包括测定 当前参考频率的步骤，并且/或者测定至少一个状态值的步骤还包括测 定至少一个可区分地代表高频带部分与低频带部分的模型参数，并且
还可能包括将当前的模型参数与为其预定的参考值相比较的步骤。至 少一个状态值可以是通过应用当前参考频率和代表高频带部分的模型 参数而测定的，并且其中至少一个模型参数可以是梯度值，其代表噪 声部分的谱幅度密度依赖于频率的改变。
在本发明的方法的第七实施例中，噪声谱是有频带限制的。
在本发明的方法第八实施例中，还包括令至少一部分数字信号经 历离散傅立叶变换的步骤。
在本发明的方法的第九实施例中，测定测量信号的噪声谱的步骤 进一步包括令至少一部分数字信号经历离散傅立叶变换的步骤。在本 发明的这个实施例的进一步发展中，测定测量信号的噪声谱的步骤进 一步包括基于数字信号测定测量信号的至少主要对应于有效部分的有 效谱的步骤。
在本发明的方法的第十实施例中，状态值用信号表示介质具有至 少一个流体相。
在本发明的方法的第十一实施例中，状态值用信号表示介质基本 是单相的。
在本发明的方法的第十二实施例中，状态值用信号表示介质是多 相的，例如基本为两相的和/或基本具有两个流体相。另外，状态值还
12可以用信号表示介质具有至少一个气相和一个液相。
在本发明的方法的第十三实施例中，进一步包括通过使用测量信 号产生至少一个测量值的步骤，该测量值量化地代表待测介质的要检 测的测量变量。在本发明的这个实施例的进一步发展中，还通过应用 数字信号，特别是通过应用状态值而产生测量值。
在本发明的方法的第十四实施例中，进一步包括将状态值与至少 一个预定的状态参考值进行比较的步骤，该预定的状态参考值代表预 定的特别是对于流量计的安全操作和/或预定测量精度所要求的介质流 型。在本发明的这个实施例的进一步发展中，进一步包括基于状态值 与至少一个预定状态参考值的比较而触发警报，其中警报特别是以视 觉和/或听觉上可察觉的方式用信号表示当前测定的流型偏离预定的流 型。
在本发明的方法的第十五实施例中，产生以随时间改变的强度至 少部分贯穿测量管中的介质的特别是周期性的磁场的步骤包括令特别 是双极性的励磁电流流经流量计的运算电路并流经磁场系统的步骤， 其中该磁场系统布置在测量管上并且至少暂时连接至运算电路。
在本发明的方法的第十六实施例中，测定测量信号的噪声谱的步 骤进一步包括存储至少一部分数字采样序列以产生数据集的步骤，该 数据集瞬时代表测量信号在可预定的时间间隔内的时间分布。
本发明的基本思想是基于在至少一个测量信号中与流型相对应的 干扰电势，检测位于测量管中的介质的部分可在很大程度上改变的流 型。为此，基于测量信号的与测量信号的有效部分分离并且对应于干 扰电势的噪声谱，执行噪声部分的谱分析。
这里，本发明基于以下惊人发现所述类型的干扰电势通常以在很大程度上不可确定的方式发生，但是噪声部分，也就是与产生主要 测量值实际需要的测量信号有效部分分离的信号组成部分，至少在谱 范围中往往具有典型的分布或典型的形状，而测量信号的总谱(这里 称作有效/噪声谱)反映了这里仅仅认为不重要的类型的干扰。基于噪
声谱，可以在操作期间确定地至少检测到存在破坏主要测量结果的干 扰，并且因而可以在线执行瞬时流型的识别。


现在根据对于磁感应流量计的时间曲线、时序图和示意性电路图 详细讨论本发明的方法和进一步的优点，附图中
图la、 b示意性地且部分以框图显示了适于执行本发明的方法的 过程测量仪表，其在这里实施为磁感应流量计；
图2a示意性显示了在图la、 lb的过程测量仪表的操作期间，励 磁电流的波形；
图2b、 c、图3a、 b、图4a、 b、图5a、 b示意性显示了在la、 lb 的过程测量仪表的操作期间，可测量的电势的波形；
图6a显示了基于图la、 lb的测量仪表产生的测量信号获得的有 效/噪声谱；
图6b显示了基于图6a的有效/噪声谱的中值滤波获得的噪声谱； 图7a、 b显示了基于利用图la、 lb的测量仪表产生的对于不同流
型的测量信号获得的不同的噪声谱；和
图8a、 b、 c示意性显示了基于利用根据图la、 lb的测量仪表产
生的对于不同流型的测量信号而获得的位于噪声谱中的匹配曲线。
具体实施例方式
图la和lb部分以框图形式示意性显示了适于执行本发明的方法 的过程测量仪表，其在这里被实施为磁感应流量计，利用这种测量仪 表可以检测在这里未示出的管道中流动的介质的至少一个物理测量变 量，该介质特别是两相或多相的并且/或者在成分和/或流动剖面方面是 可变的。例如，流量测量仪表可用于测量夹带有气体的导电液体、泥浆或者浆液的体积流量和/或流速，并且用于测定相应代表它们的主要 測量僮Xm。特别地，测量仪表还用于至少间歇地测定位于测量管中的 介质的由流动介质的瞬时流动剖面和/或瞬时成分而确定的流型，以及 将其映射为合适的状态值Xs，该状态值用作次要测量值。另外，测量 仪表可以连接至现场总线(未显示)，并因而与远程控制室以及外部 电源通信。为了将测量仪表数据，特别是主要测量值发送至现场总线， 还可以在测量仪表中提供具有合适的数据接口 51的相应通信单元5。 进一步，特别是为了能够可视化测量仪表数据和/或在线调整流量测量
仪表，通信单元5还可以具有相应的显示及操作单元52。
测量仪表还包括流量换能器1，其用于产生对应于待测物理变量 的测量电势；运算电路2，其用于检测测量电势并且用于产生至少一个 对应于物理变量的测量信号；和分析电路3。该分析电路用于启动运算 电路2并因而启动流量换能器1，还用于通过使用至少一个测量信号而
产生量化地代表物理变量的主要测量值，特别是瞬时体积流量和/或瞬
时流速。正如在图la中示意性示出的，运算电路2以及有时还有流量 换能器1的某些元件可以容纳在流量计的电子器件外壳10中。
可插入上述管道中的测量管11属于流量换能器1，该测量管11 具有管壁并且在操作期间令待测介质沿测量管纵轴的方向流经测量管 11。流量换能器1还包括设置在测量管上特别是直接固定于其上的磁 场系统，其用于产生至少部分地以随时间改变的强度穿过测量管中的 介质的特别是周期性的磁场，其中由于该磁场，至少间歇地特别是周 期性地在流动介质中感生相应的测量电压。
为了避免在流体中感生的电压短路，测量管11接触流体的内部件 是不导电的。为此，通常在金属测量管的内部提供例如由陶瓷、硬橡 胶、聚氨酯、聚氟乙烯等制成的不导电层，并且金属测量管通常也是 非铁磁性的；在测量管完全由塑料或陶瓷(例如氧化铝陶瓷)制成的 情况中，不导电层不是必需的。
15流量计的激励系统由运算电路2中的驱动电子装置21启动，并且 在所示实施例中包括设置在测量管11上的第一励磁线圈12和也设置
在测量管11上的第二励磁线圈13。励磁线圈12、 13处于测量管11的
第一直径上。激励系统在操作期间用于产生贯穿管壁及所流过的流体
的磁场H。当令由驱动电子装置21驱动的励磁电流I在励磁线圈12、 13 (它们在这里串联连接)中流动时，发生这种情况。这里，特别是 双极性的励磁电流I可以例如具有矩形、三角形或正弦形状。图lb显 示，励磁线圈12、 13不包含铁心并且因而是所谓的空心线圈。然而， 正如在这种线圈系统中常见的那样，励磁线圈12、 13也可以缠绕在一 个铁心周围，铁心通常由软磁材料制成，其中铁心可以与极靴相互作 用，例如参见US-A 55 40 103。
在这里实现在所示实施例中作为电磁地作用于介质的线圈系统而 形成的激励系统，特别是形成两个励磁线圈12、 13并定下它们的尺寸， 使得利用它们产生的磁场H在测量管11内部至少相对于垂直于第一直 径的第二直径对称特别是旋转对称。
在本发明的一个实施例中，驱动电子装置21产生直流电流，其特 别是被控制为具有恒定幅度，这个直流电流然后被利用合适的开关电 路(其例如被构造为H电路或T电路)而例如以10 Hz~50 Hz范围内 的时钟频率周期性翻转，并因而被调制成具有经调节的幅度的交变电 流。于是，令励磁电流I流经线圈系统，使得如图2a示意性示出的， 励磁电流在第一开关相位PH11期间沿第一电流方向流经线圈12、 13 并且在第一开关相位之后的第二开关相位PH12期间以与第一电流方 向相反的反方向流经线圈12、 13;关于电流控制及极性翻转，例如也 可参见US-A 44 10 926或US-A 60 31 740。在第二开关相位PH12之后 的第三开关相位PH21期间，励磁电流I再次沿第一电流方向流动。在 第三开关相位之后的第四开关相位PH22期间，励磁电流I再次沿反方 向流动。这之后是相应的开关相位PH31，等等。关于励磁电流I的方向翻转，彼此跟随的两个开关相位形成一个切换周期Pl、 P2、 P3等等。 伴随流经线圈系统的励磁电流I的极性翻转，除了可能的开关相位偏移 之外，磁场H也重复性地基本与其同步地翻转；关于这一点，参见图2a。
为了产生至少一个对应于测量变量的电子测量信号，还在测量换 能器中提供设置在测量管上或者至少在测量管附近的传感器系统，其 量取在介质中至少间歇地感生的测量电压。考虑到正如已经提到的， 测量仪表特别地还用于流动剖面和/或成分可变的特别是两相或多相流 动介质，所以可以认为测量信号既具有基本对应于介质瞬时流速的有 效部分也具有至少部分受到流动介质中当前的干扰影响的噪声部分， 这里的干扰特别是与流型相关。
在本发明的一个实施例中，传感器系统具有在实践中直接安置于 测量管上的电极。设置在测量管11管壁内侧上的第一电极14在这里 用于量取由磁场H感生的第一电势ew。以同样的方式设置的第二电极 15还用于量取由磁场感生的第二电势e15。测量电极14、 15位于测量 管的第二直径上，该第二直径垂直于第一直径及测量管纵轴；然而， 它们也可以例如位于测量管11的与第二直径平行的弦上，关于这一点， 参见US-A 56 46 353。在这里显示的实施例中，测量管14、 15显示为 流电测量电极，即，接触流体的电极。然而，也可以使用两个容性测 量电极，即，例如设置在测量管11的管壁内部的测量电极。每一测量 电极14、 15量取在操作期间基于法拉第原理而在流过的流体中感生的 电势en、 e15。
正如在图lb中示意性示出的，测量电极14、 15在操作期间至少 间歇地分别与差动放大器22的反向输入端和正向输入端相连。以这种 方式，形成由测量电极14、 15量取的两个电势e14、 e,5的电势差，其 用作测量信号u，该电势差与流过的流体中建立的测量电压以及待测物 理变量相对应。测量电极14、 15上的电势e^、 eu通常大致在10 mV直至100 mV的范围中。
为了测定瞬时位于测量管中的介质的至少一个待测的测量变量以 及流型，利用由第一和第二测.量电极形成的电极对至少间歇地特别是 周期性地量取在介质中感生的测量电压，并且该测量电压被转换为适 当地与测量电压对应的模拟测量信号。
正如从图la、 lb中清楚看到的，在所示实施例中，位于差动放大 器22输出端的测量信号u被馈送至流量计中的分析电路3。然而这里 应当注意，代替用于产生模拟差分信号的对于测量电极14、 15的单个 差动放大器，当然也可以对每一测量电极14、 15单独地提供合适的信 号放大器。相应地，例如也可以基于两个被分离地数字化的测量信号 而数值地计算从测量电极14、 15量取的两个电势ew、 eu的电势差。
根据本发明，分析电路3特别地用于数字化输入的测量信号u并 且部分将其以第一数据集OS,的形式保存起来，从而为了测定测量值 XM，保持关于一段测量信号的时间分布的数字形式的信息有效。为此， 正如图la中示意性显示的，在所示实施例中，测量信号u被经由具有 预定滤波器阶数(例如，无源或有源RC滤波器)及可调极限频率的低 通滤波器31馈送至分析电路3。低通滤波器31用于对测量信号u进行 频带限制以防止混叠误差，并且对于数字化而合适地预处理测量信号 u。根据已知的奈奎斯特(Nyquist)采样理论，将极限频率设置为小于 对测量信号u的已通过的部分进行采样的采样频率的0.5倍。对于测量 信号u已经被以需要的方式限制频带的情况，可以省略低通滤波器31。 在输出侧，低通滤波器31耦合至分析电路3的A/D转换器32的信号 输入端，该A/D转换器用于将通过低通滤波器31馈送的测量信号u转 换为代表它的数字测量信号uD。 A/D转换器32可以是本领域技术人员 已知的串行或并行转换的A/D转换器，其能够以上述采样频率定时。 适用于此的A/D转换器类型例如是Texas Instruments Inc的delta-sigma A/D转换器ADS1252，其具有24位分辨率以及小于等于40 kHz的允
18许采样频率，其中小于lOkHz的釆样频率足以实施本发明的方法。对 于使用的A/D转换器32 (诸如所述的ADS1252)被设计为仅用于转换 正的信号值的情况，相应地调整A/D转换器32的参考电压，使得在转 换器输入端上期望的最小信号值设置测量信号UD的至少一个位，特别 是最高有效位(MSB)。换言之，要向低通滤波器31输出端上的信号 增加一个直流分量，使得信号作为具有可变幅度的直流信号作用于A/D 转换器32。另外，例如利用数字FIR和/或IIR滤波器再次对数字测量
信号UD进行滤波也是具有优点的。
在A/D转换器32输出侧上的数字测量信号UD可能被再次数字滤 波，它例如被通过内部数据总线而分段地载入分析电路3的易失性数 据存储器33，并且在那里以数字存储的测量数据的集合的形式作为瞬 时代表测量信号u的有限采样序列AF而保持特别是对于分析电路3的 数字流量计算器34可用。这里，用作数据存储器33的可以例如是静 态和/或动态的读写存储器。
瞬时采样窗的宽度，也就是要被存储以用于瞬时代表测量信号u 的采样序列AF的片段的时间长度可以例如在为励磁电流I提供时钟的 转换周期Pl、 P2之一的总持续时间的范围内或者也可以在开关相位 PHll、 PH12、 PH21、 PH22之一的持续时间的范围内，其中将数据读 入数据存储器33所利用的时钟相应地与励磁电流的时钟基本同相。在 通用的所述类型流量计的情况中，通常的脉冲时间大约在10~100 ms 的范围内，这在A/D转换器32的采样频率f;为10 kHz的情况中意味 着100-1000次采样，也就是由采样序列AF或第一数据集给出1000个 存储的采样值。
如果需要，例如由于数据存储器33的存储能力较小或者为了前端 消除与场翻转相关的电压瞬态，还可以仅仅将一部分在每一开关相位 产生的测量信号u，确切的说是数字测量信号UD读入数据存储器33。 为了说明，将上述开关相位PHll、 PH12、 PH21、 PH22、 PH31各自划
19分为所属的用于构成磁场的第一部分周期持续时间T111、T121、T211、 T221、 T311以及所属的用作测量相位的第二部分周期持续时间T112、 T122、 T212、 T222、 T312;参见图2a、 2b和2c。优选地，在本发明 的这个实施例中，往往仅在测量信号u的配属于当前第二部分周期持 续时间T112、 T122、 T212、 T222或T312的分布中才虚拟映射入数据 存储器33，其中测量数据的分析以及测量值的产生可以在下一磁场建 立相位T121、 T211、 T221、 T311中进行。
为了从采样序列AF产生测量值XM,流量计算器34例如经由内 部数据总线至少暂时地访问(特别是读数据)数据存储器33和其中存 储的数据集。例如图la示意性显示的，流量计算器34可以以具有优点 的方式利用微处理器30和其中运行的计算程序而实现。然而，作为微 处理器的替代或补充，数字信号处理器也可以用于实现流量计算器。
在本发明的一个实施例中，分析电路3还包括作为分离的部分电 路构成的存储器管理器35，其例如通过内部数据总线与微处理器30通 信，并且用于管理数据存储器30，特别是用于控制数字测量信号UD的 采样以及采样序列AF的产生并且以这种方式减轻微处理器的负担。存 储器管理器35可以例如实现在可编程功能存储器中，例如PAL (可编 程阵列逻辑)或FPGA (现场可编程栅极阵列)。如果需要，存储器管 理器35也可以利用微处理器30或另一微处理器(未显示)以及其中 运行的相应计算机程序而实现。利用存储器管理器35可以为了进一步 减轻微处理器的负担而例如实现在多个采样序列上形成平均值或中 值，正如这种流量计中所常见的。
正如上面已经多次提到的，测量信号u可能由于测量电极14、 15 上出现的干扰电势E112、 E122、 E222、 E312而受到显著干扰并且因而 恶化；关于这一点，参见图2b、 2c。为了说明，另外在图3a、 3b中显 示了在大约10秒内记录的电势e14、 e^的走势，它们被叠加了干扰电 势，其中以所述的方式在图4a、 4b以不同的比例再次显示了记录的电
20势分布e14、 eu的受干扰区域；与之对比，在图3a、 3b中显示的电势 分布e14、 eu的图表的未受干扰的区域在图5a、 5b中再次表现出来， 而在图6a中显示了基于这种测量信号记录的谱。
对于这种利用磁感应流量计获得的测量信号的研究显示，对于大 量应用情况，可以基于测量信号的噪声部分至少对于警报生成足够精 确地测定位于测量管中的介质的流型。另外，进一步的研究显示，对 于大量与流型相关的干扰电势，测量信号的有效及噪声部分可以令人 惊异地容易地在从有效/噪声谱出发在离散谱范围内彼此分离，至少如 图6b中的例子所示，从有效/噪声谱可以直接得到与有效部分基本隔绝 的噪声谱。对流型确定有意义的频率范围大致位于0~500 Hz。这例如 意味着流型的测定也可以基于提取的数字形式存在的噪声部分而与测 量值的测定相独立地进行。另外，可以确定，在频域中例如通过谱幅 度密度或谱功率密度显示的噪声部分的信号功率显著依赖于瞬时位于 测量管中的流型，这在操作期间使得能够例如通过与不同的先前测定 的不同流型的噪声功率的比较而基于瞬时谱功率密度识别瞬时流型。 例如，在利用同样的介质在恒定的流量下具有不同气体分量而记录的 噪声谱(参见图7a)或者在可变的流量和恒定的气体分离的情况下记 录的噪声谱(参见图7b)的比较中，可以确定， 一方面噪声谱显示了 标记的极限频率，在该极限频率之上谱噪声功率明显在高频降低并且 因而至少平均来讲不再会超过预定的阈值；另一方面，上述极限频率 之下的谱噪声功率确实随着流速增加而在频率部分总是变小，但极限 频率自身移向更高的频率。于是，噪声谱具有低频带部分和高频带部
分；其中低频带部分位于可用作参考频率的当前极限频率之下，该极 限频率特别是可变的和/或受到介质流型影响的，在该低频带部分之内，
噪声部分当前至少平均来讲超过预定的最小电平；其中高频带部分位 于极限频率之上，在该高频带部分之内，噪声部分当前至少平均来讲 低于预定的最小电平。
考虑到这一点，可以由此得到，基于谱幅度曲线，特别是还基于特别是噪声部分的谱功率密度，可以检测测量管中瞬时出现的流型， 至少分析单元利用它可以估计与流型相关的干扰是否存在，甚至估计
干扰的程度。这里，在测量管中瞬时主要存在的介质被指定地越精确， 基于噪声谱的流型估计越准确。至少对于可以假设介质己知的情况， 还可以直接校正测量信号的干扰或者由此得到的测量值。
基于前述发现，为了确定至少一个流型，利用数字信号确定至少 主要对应于测量信号的噪声部分的噪声谱，特别是频带受限的噪声谱。 进一步，在本发明的测量仪表的情况中，至少应用一部分噪声谱确定 状态值，其用信号至少量化地特别是尽可能实时地表示在测量管中瞬 时存在的流型。
相应地，在本发明的一个实施例中进一步提出，至少为了基于噪 声谱而确定状态值，合适地将测量信号的有效及噪声部分彼此分离。 为此，在本发明的另一实施例中，通过应用数字信号，至少对于感兴 趣的频率范围(图6a)，例如通过令数字信号或由此得到的采样序列 AF的至少一部分经历离散傅立叶变换，而预先确定测量信号的离散有
效/噪声谱，其既对应于测量信号的噪声部分也对应于有效部分。基于
有效/噪声谱，例如通过基于数字信号和/或由此得到的采样序列AF而 确定测量信号的至少主要对应于测量信号有效部分的有效谱，可以确 定测量信号的噪声谱，这特别地是在有效/噪声谱中考虑了磁场控制或 者与其相连的测量值生成中的时钟频率的整数倍而进行的。测量信号 的主要对应于有效部分的有效谱被合适地从有效/噪声谱中除去。这在 图6显示的例子中基本对应于位于时钟频率及其整数倍处的局部指数 幅度峰值。将有效谱从有效/噪声谱中除去可以以简单的方式例如通过 令有效/噪声谱经历中值滤波而实现。
在应用与流型确定所感兴趣的频率范围相比更高的采样频率(通 常，这里的采样频率要高出10至100倍)时，数字化的测量信号uD 的向下采样对于减小数据率是具有优点的。适合的下采样器可以例如包括构造为半带滤波器且特别是进一步对噪声谱进行频带限制的契比
雪夫(Tschebyscheff)高阶(>30) FIR滤波器，其对于数字信号uD以 因数2减少，其中下采样器还可以应用于减少的数字信号。相应地， 相应的减少的釆样序列存储在存储器中并且经历傅立叶变换。
基于特别是单独存在的噪声谱，可以进行自动检测，即识别是否 存在预定的流型和/或量化干扰的程度，特别是其对于测量精确度的影 响。例如，可以预先将在这里也代表流型的在典型干扰的情况下记录 的噪声谱(图7a、 7b)拟合入相应的数学信号模式。以具有优点的方 式，信号模型可以被选择为依赖于各自所代表的(典型)流型而仅仅 在它们各自的模型参数的具体表达式方面彼此不同，而例如在它们的 阶数方面相同构成。这种适于在线检测流型的信号模型可以例如是简 单的对于全部所用噪声谱的拟合曲线和/或近似仅仅单独选择的噪声谱 片段的拟合曲线。对于图7a、 7b中以例子显示的噪声谱，至少当使用 以IO为底的对数频率值和幅度值时，合适的非常简单的信号模型例如 (正如作为例子在图8a中对于流型"没有气体成分的水"、在图8b 中对于流型"具有气体的水"以及图8c对于流型"具有气体的浆液" 所显示的)可能由两条拟合直线的两个等式构成，这两条拟合直线是 利用相应的拟合计算(例如最小二乘法)在所述的极限频率之下或之 上的双对数绘出的谱片段中得到的。
相应地，在本发明的另一实施例中，为了确定至少一个状态值， 对于噪声谱确定至少一个当前的参考频率。参考频率可以例如是所述 的极限频率，在该极限频率之上噪声谱至少平均上不再超过对于谱幅 度值的预定阈值。另一个适于确定瞬时状态值的模型参数还可以使用 噪声谱的梯度值，其代表噪声部分谱幅度密度的至少一个特别是位于 极限频率之上的部分依赖于频率的改变。对于图7a、 7b中显示的噪声 谱，例如在这个极限频率之上的拟合曲线的斜率可以用作梯度值；关 于这一点，参见图8a、 8b或8c。作为参考频率和/或梯度值的替代或补 充，例如低频带和/或高频带的平均谱功率密度也可以用作对于各个频
23带的模型参数。相应地，为了确定至少一个状态值，根据本发明的另 一实施例，特别是通过应用至少一部分噪声谱，确定至少测量信号噪 声部分的谱功率密度。已经发现，能够很好地适用于在线检测当前流 型的模型参数的是被称作噪声数的波形因数，其对应于噪声部分低于 极限频率的频率部分的谱信号功率。考虑到正如所述的，噪声谱的瞬 时极限频率还依赖于瞬时流量，关于当前流量测量值的当前参考频率
也可以用作对于瞬时流型的指示。
在本发明的另一实施例中，为了确定至少一个状态值，还对于高 于参考频率的高频带部分确定至少一个区分地代表低频带部分与高频
带部分的模型参数。在本发明的进一步发展中，除了代表高频带部分 的模型参数之外，还对于低于参考低频的低频带部分确定至少一个模 型参数。以具有优点的方式，代表两个频带的两个模型参数可以具有 相同的类型，从而它们可以直接相互比较。作为替代或者补充，为了 确定至少一个状态值，还可以将至少一个这样的模型参数用于测量信 号，其当前代表在整个噪声谱内噪声部分的信号特征，例如是整个噪 声谱的信号功率。
作为经常出现的流型，水状液体中出现气泡可以例如以以下的方 式被基于所述的模型参数而以简单的方式直接得到检测将操作期间 对于测量信号瞬时确定的噪声数以及梯度值分别与相关的对此状态预 定的重要参考值进行比较。对于噪声数大于预定的最小噪声数并且梯 度值小于预定的最大梯度值的情况，可以认为在介质中存在气泡并且 因而可以发出相应地用信号表示这一状态的状态值。特别是当极限频 率如上所述依赖于流量(这例如由当前参考频率与当前流量测量值的 比例几乎不波动或者仅仅略微波动所代表)时，特别是这样的。相应 地，在本发明的另一实施例中，基于对噪声谱的至少一个模型参数与 相应对其预定的总噪声参考值的比较，特别是应用当前参考频率和代
表高频带部分的模型参数(特别是以高频带的梯度值或平均谱功率密 度为形式给出的模型参数)，确定状态值。进一步，在本发明的进一
24步发展中，还考虑当前和/或较早确定的主要测量值来生成状态值。代 替这里作为例子描述的水中有气泡的情况，本方法还可应用于在线识 别其他重要流型，如果需要将考虑对于高阶信号模型的其他模型参数。 作为所述的参数信号模型的补充或者替代，如果需要还可以对于相关 的噪声谱使用其他分类器，例如神经网络、基于协方差分析的多元分 类器、或者模糊网络。
根据用户的兴趣，状态值以及相应的为了确定它而实现的方法可 以仅仅采用几个量化描述流型的离散的值。例如，状态值的确定可以 这样进行状态值用信号表示介质当前是否被看作基本为单相并因而 是均匀的，或者瞬时位于测量管中的介质是否更可能是两相或多相的。 根据实际过程的知识，状态值还可以用信号表示介质是否具有至少一 个和/或基本两个流体相。相应地，状态值还可以例如用信号表示介质 具有至少一个气相和至少一个液相。在存在更多的有关实际过程特性 的知识的情况，如果需要，状态值还可以量化地代表干扰的量度，例 如液体中的气体比例。
另外，己知所检测的流型的影响，状态值还可以用于适当地补偿 在测量管中瞬时检测的流型对于测量信号并因而对于主要测量值的精 度的影响，并从而更准确地确定主要测量值。这可以例如如下实现 将瞬时确定的状态值与至少一个代表介质预定流型(特别是流量计安 全操作和/或实现预定精度所要求的流型)的预定状态参考值进行比较， 并且基于比较而发出至少一个警报，该警报用特别是可视地和/或可观 的信号表示当前确定的流型偏离预定流型。如果需要，与之相伴随地， 有时还完全中断主要测量值的产生或输出。
这里应当注意，产生主要测量值以及确定状态值所需的分析方法 都可以由本领域技术人员熟知的方式(例如作为微处理器30中运行的 计算机程序)实现。为此所需的程序代码可以在分析级3的特别是永
久可写的存储器36 (例如EPROM、闪速EEPROM或EEPROM)中实施，微处理器30在操作期间对其进行访问以读取数据。因此，本发明 的一个优点是，传统的流量换能器以及传统的运算电路都可以用于实 现本发明。传统的分析电路可以在合适地修改软件后继续使用。
权利要求
1.用于操作磁感应流量计的方法，该方法包括以下步骤-令待测介质流经流量计的测量管；-产生至少部分以随时间改变的强度贯穿测量管中的介质的磁场，特别是周期性磁场，使得在介质中至少间歇地特别是周期性地感生测量电压；-至少间歇地特别是周期性地利用由第一和第二测量电极形成的电极对而量取在介质中感生的测量电压，以产生至少一个对应于该测量电压的模拟测量信号，其中该测量信号具有基本对应于介质瞬时流速的有效部分以及至少部分受到流动介质中的当前干扰影响的噪声部分；以及-测定位于测量管中的介质的流型，该流型由流动介质的瞬时流动剖面和/或瞬时组成确定，其中测定流型的步骤进一步包括以下步骤--产生代表至少一个测量信号的数字信号；--通过应用该数字信号，测定测量信号的至少主要对应于噪声部分的噪声谱，特别是频带受限的噪声谱；以及--通过应用至少一部分噪声谱，测定至少一个状态值，其至少量化地特别是尽可能及时地用信号表示测量管中存在的流型。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中，测定测量信号的噪声谱的 步骤进一步包括分离有效部分与噪声部分的步骤。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，有效部分与噪声部分的分 离至少部分是通过应用数字信号而进行的。
4. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，测定测量信号的噪 声谱的步骤进一步包括通过应用数字信号而测定测量信号的有效/噪声 谱的步骤，该有效/噪声谱既对应于测量信号的噪声部分也对应于测量 信号的有效部分。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，测定测量信号的噪声谱的步骤进一步包括从有效/噪声谱中除去测量信号的至少主要对应于有效部分的有效谱的步骤。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，为了从有效/噪声谱中除去有效谱，令有效/噪声谱经历中值滤波。
7. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，测定至少一个状态值的步骤包括测定测量信号的至少噪声部分的谱功率密度的步骤。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，测量信号的至少噪声部分的谱功率密度的测定是通过应用至少一部分噪声谱而进行的。
9. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，测定至少一个状态值的步骤包括测定至少一个用于测量信号的模型参数的步骤，其中该模型参数当前代表在整个噪声谱之内噪声部分的信号特征。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中，测定至少一个状态值的步骤还包括将模型参数与对该模型参数预先给定的模型参考值比较的步骤。
11. 根据权利要求9或IO所述的方法，其中，至少一个模型参数代表噪声部分的谱功率密度。
12. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，噪声谱具有位于当前参考频率之下的低频带部分，该参考频率特别是可变的并且/或者由介质的流型改变，其中在低频带部分之内，噪声部分当前至少平均超过预先给定的最小电平，噪声谱还具有位于参考频率之上的高频带部分，其中在高频带部分之内，噪声部分当前至少平均低于所述预先给定的最小电平。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，测定至少一个状态值的步骤包括测定当前参考频率的步骤。
14. 根据权利要求12或13所述的方法，其中，测定至少一个状态值的步骤还包括测定至少一个可区分地代表高频带部分与低频带部分的模型参数的步骤。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，测定至少一个状态值的步骤还包括将当前的模型参数与对该模型参数预先给定的参考值相比较的步骤。
16. 根据权利要求14或15所述的方法，其中，至少一个模型参数是梯度值，其代表噪声部分的谱幅度密度依赖于频率的改变。
17. 根据权利要求12或13结合权利要求15或16所述的方法，其中，至少一个状态值是通过应用当前参考频率和代表高频带部分的模型参数而测定的。
18. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，噪声谱是频带受限的。
19. 根据前述任一权利要求所述的方法，还包括令至少一部分数字信号经历离散傅立叶变换的步骤。
20. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，测定测量信号的噪声谱的步骤进一步包括令至少一部分数字信号经历离散傅立叶变换的步骤。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中，测定测量信号的噪声谱的步骤进一步包括基于数字信号测定测量信号的至少主要对应于有效部分的有效谱的步骤。
22. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，状态值用信号表示介质具有至少一个流体相。
23. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，状态值用信号表示介质基本是单相的。
24. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，状态值用信号表示介质是多相的。
25. 根据权利要求24所述的方法，其中，状态值用信号表示介质基本是两相的。
26. 根据权利要求24或25所述的方法，其中，状态值用信号表示介质基本具有两个流体相。
27. 根据权利要求24~26之一所述的方法，其中，状态值用信号表示介质具有至少一个气相和一个液相。
28. 根据前述任一权利要求所述的方法，进一步包括通过使用测量信号产生至少一个测量值的步骤，该测量值量化地代表待测介质的要检测的测量变量。
29. 根据权利要求28所述的方法，其中，还通过应用数字信号而产生该测量值。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中，还通过应用状态值而产生该测量值。
31. 根据前述任一权利要求所述的方法，进一步包括将状态值与至少一个预先给定的状态参考值进行比较的步骤，该预先给定的状态参考值代表介质的预先给定的特别是对于流量计的安全操作和/或预定测量精度所要求的流型。
32. 根据权利要求31所述的方法，进一步包括基于状态值与至少一个预先给定的状态参考值的比较而触发警报的步骤，其中警报特别是以视觉和/或听觉上可察觉的方式用信号表示当前测定的流型偏离预先给定的流型。
33. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，产生以随时间改变的强度至少部分贯穿测量管中的介质的特别是周期性的磁场的步骤包括令特别是双极性的励磁电流(I)流经流量计的运算电路(21)并流经磁场系统的步骤，其中该磁场系统布置在测量管(11)上并且至少暂时连接至运算电路。
34. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，测定测量信号的噪声谱的步骤进一步包括存储至少一部分数字采样序列(AF)以产生数据集(DS。的步骤，该数据集瞬时代表测量信号(u)在可预定的时间间隔内的时间分布。
全文摘要
在本发明的方法中，令待测介质流经流量计的测量管，并且产生至少部分以随时间改变的强度贯穿测量管中的介质的磁场，使得在介质中至少间歇地特别是周期性地感生测量电压。在介质中感生的测量电压至少间歇地被利用由第一和第二测量电极形成的电极对而量取，用于产生至少一个对应于测量电压的模拟测量信号，并且通过应用代表至少一个测量信号的数字信号而测定由流动介质的瞬时流动剖面和/或瞬时组成确定的位于测量管中的介质的流型。基于测量信号具有基本对应于介质瞬时流速的有效部分以及至少部分受到流动介质中的当前干扰影响的噪声部分，测定测量信号的与噪声部分相对应的噪声谱，以及通过应用至少一部分噪声谱测定至少一个状态值，其至少量化地用信号表示在测量管中存在的流型。
文档编号G01F1/58GK101657699SQ200880010577
公开日2010年2月24日 申请日期2008年3月18日 优先权日2007年3月28日
发明者弗兰克·施马尔茨里德, 沃尔夫冈·德拉赫姆 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司