专利名称：检测电磁流量计内较差的过程地线连接的系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及用于检测较差的过程地线连接的系统，更具体地但是并不是局限性地，涉及用于检测诸如磁流量计的工业过程监视现场设备内的较差地线连接的系统。
背景技术：
现场设备用于工业过程监视和/或控制系统，以监视与特定过程相关联的过程参数。这种过程参数可以包括流体压力、流体流速、流体温度、其它过程变量或其组合。磁流量器是用于在导电过程流体在耦合至管道的流管内流动时测量导电过程流体的流体流速的现场设备。特定的磁流量计包括电磁体和电极。根据法拉第电磁感应定律， 电磁体用于向流管内的过程流体施加磁场，以在过程流体中感生电动势(EMF)，该EMF与流速成正比。电极位于流管中，与流动的过程流体电接触，以感测EMF。在特定实施例中，流量器使用连接在电极两端的放大器放大EMF信号，并且使用模数转换器(ADC)来量化放大器的输出，以产生与流体流速有关的数据值，来测量EMF。在特定示例中，相对于信号地线来测量EMF，信号地线依赖于过程流体。可以使用过程流体的电势作为参考，该参考并不一定表示大地地线连接。过程以磁流量器和相关联的变送器电路作为参考来提供稳定的读数。经由流管和过程之间的电连接来建立该过程或地线连接。地线连接可以使用捆绑在流管上的环形地线、直接连接到流管的接地电极、流管与相邻的导线管线之间的金属带、另一地线连接或其组合来建立。在特定实施例中，大地地线可以提供低噪声参考，并且电子安全代码通常需要大地地线。然而，较差的地线连接可能导致过程测量出错。
发明内容
在特定实施例中，公开了一种现场设备，包括耦合到过程流体的电极对和耦合到电极对以监视共模信号的诊断电路。诊断电路适用于基于与共模信号相关联的线路噪声， 来测量与电极对中的至少一个电极相关联的较差地线连接。在另一特定实施例中，公开了一种磁流量器，用于测量管线中流体的流速。该磁流量器包括适用于耦合至承载流体的管线的流管、位于流管附近以在流体中感生电动势 (EMF)的磁线圈、以及位于管线内的至少两个电极，所述至少两个电极与流管电绝缘且彼此电绝缘。该磁流量计还包括测量电路，所述测量电路耦合至所述至少两个电极，且适用于根据感生的EMF来测量流速，并且该磁流量计包括耦合至所述至少两个电极以监视共模信号的诊断电路。诊断电路适用于在与共模信号相关联的线路噪声超过噪声阈值时检测到较差地线电连接。
图1是包括用于检测较差地线连接的系统的磁流量计的特定示意实施例的图；图2是耦合至用于检测较差地线连接的系统的磁流量计的特定示意实施例的图3是如图2所示磁流量计的磁流量计系统的特定示意实施例的图，一部分以横截面示出，该磁流量计系统包括具有检测较差地线练级的电路的变送器；图4是具有较差地线连接的磁流量计的特定实施例的共模信号的原始计数相对于时间的图；图5是具有较差地线连接的磁流量计的特定实施例的差模信号的原始计数相对于时间的图；图6是检测现场设备的较差地线连接的方法的特定示意实施例的流程图。
具体实施例方式磁流量计和其它现场设备使用到导电过程流体的地线连接来提供精确的过程测量。如果不存在正确的地线连接，则在磁流量计的电极处感测的压差信号会例如经受来自周围过程环境的线路噪声，例如在约50至60HZ的频率范围内的噪声信号。这种差分噪声信号会干扰流速测量，导致较大的测量可变性。在特定实施例中，可以根据下式来确定压差VDiff = L+V^w-(V2+VN。ise2) (等式 1)如果噪声电压信号(VNoisel和VNoise2)之间的差大于诊断噪声阈值或限值，提供诊断电路，该诊断电路适用于产生与地线/布线故障有关的警报。此外，较差的过程地线连接会导致干扰电极电压信号的共模电压线路噪声。在特定实施例中，共模电压线路噪声普遍存在于从约50至60Hz的频率范围内。应该理解，线路噪声可能受到环境过程噪声和震动、附近的射频信号、其它噪声源或其任意组合的影响。共模线路噪声会不利地影响放大电路，例如使与现场设备相关联的放大器在电极电压信号的共模电压部分超过当前限值的情况下进入饱和状态V1和V2)的上限和下限。饱和点可以根据下式来确定Vsat = N^oisel (等式 2)Vsat = V2+VNoise2 (等式 3)放大器饱和常会将差分测量曲解为较低的值，这会将变送器所检测的差分线路噪声限制到现有线路噪声诊断不会报告地线/布线故障状态的程度。不利地，如果降低了差分测量，则差模线路噪声会不足以检测较差的地线电连接。在特定实施例中，提供了一种磁流量器，包括诊断电路，该诊断电路耦合至磁流量计的流管内的电极。该诊断电路适用于检查共模电极信号(以及可选地差模电极信号)的线路噪声幅度，以检测较差或较差的地线连接。通过检查共模电压线路噪声，即使在差模电极信号相对较小(未大到足以检测较差的地线电连接)的情况下也能够检测到较差的地线电连接。在特定示例中，除了差分线路噪声之外，诊断电路适用于还监视与共模电极电压相关联的线路噪声。在特定实施例中，共模线路噪声提供了对较差或较差过程地线连接的存在性的更好的指示。在一个示例中，可能存在足以使放大器饱和的共模线路噪声，但是可能存在非常小的差分线路噪声。图1是包括用于检测较差地线电连接的系统的磁流量计100的特定示意实施例的图。磁流量计100包括电极电路146和诊断电路122，诊断电路122可以感测与电极电路 146相关联的较差地线连接，并在检测到较差地线电连接时经由输出线路152和巧4中的至少一个向控制系统、显示设备、变送器或其任意组合提供指示。磁流量计100包括流管124，流管IM具有绝缘管或管线126，绝缘管或管线1 适用于承载耦合至电地线130的流动的液体128。液体1 接地通常是通过液体128与附着到流管124的金属管之间的接触实现的。流管IM包括电磁体132。电磁体132包括线圈134和示意性示出为136的磁回路或核心。此外，流管1 包括第一和第二电极138和 140以及电极引线142和144，这些元件形成了电极电路146。在特定实施例中，电极电路146还可以包括第一和第二放大器148和150。在特定示例中，第一和第二放大器148和150是单位增益缓冲器(有时成为阻抗转换器)，具有极高阻抗、低泄漏输入和低阻抗输出。第一和第二放大器148和150复制对应放大器输出处电极138和140的电极电压，并使电极138和140与连接到第一和第二放大器148和150 的输出的负载绝缘。第一和第二放大器148和150可以耦合至流管124，或位于与磁流量计 100相关联的外壳内，这取决于特定的实现。诊断电路122包括模数转换器(ADC) 160，模数转换器(ADC) 160经由第一和第二放大器148和150耦合至电极电路146，并耦合至电地线130。ADC 160适用于产生与第一和第二放大器148和150的输出有关的输出信号，并将输出信号提供给处理器系统156，处理器系统156耦合至线圈驱动器151并耦合至输出152和154，输出152和巧4可耦合至环路布线以接收功率并传送数据。线圈驱动器151可以由处理器系统156控制以将信号施加于线圈134。在特定实施例中，线圈驱动器151向电磁体132施加近似的方波驱动或激励电流，并且对应的电极电势也近似为方波，包括在电流感生的EMF平坦或稳定时“平坦”的时间间隔。在该示例中，在电流感生的EMF平坦或稳定时的时间间隔期间，ADC 160对诊断电势进行采样。处理器系统156包括存储器162和能够访问存储器的处理器164。处理器162适用于存储可由处理器164执行以根据ADC 160的输出诊断电极泄漏可能与通过受损密封的过程流体泄漏有关或与其它源相关的诊断算法166。此外，存储器162存储有可由处理器 164执行以监视与电极138和140相关联的特定频率的共模信号和差模信号以便检测与到电地线130的较差连接相关联的线路噪声的饱和检测算法168。在特定实施例中，较差的连接可能是由松散的布线、腐蚀、不正确的安装或其任意组合引起的。在特定实施例中，饱和检测算法168可以检测第一和第二放大器148和150的饱和，以推断到电地线130的故障连接。在特定实施例中，饱和检测算法168适用于监视与电极138和140相关联的共模电压线路噪声，该噪声普遍存在于从约50至60Hz的频率范围内。在特定实施例中，处理器系统156适用于产生与电极泄漏(即，与流量计100相关联的电路所接触的过程流体)有关的第一诊断输出和/或产生与到电地线130的较差或故障连接有关的第二诊断输出。在特定实施例中，放大器148和150的输出之间的电势需要液体地线参考。在特定实施例中，如果地线连接相对于电势的集中或平衡较差，则处理器164 可以使用诊断算法166来推断电极泄漏。然而，如果电地线130连接较差或出现故障，则共模线路噪声可以使第一和第二放大器148和150进入饱和，该饱和可以由处理器164使用饱和检测算法168检测到。在特定示例中，当电极电路146没有泄漏时，发现每个电极上流体感生的EMF相对于电地线(诊断电势)非常容易平衡或相等，但是具有相反的极性。相应地，当将它们相加时，在没有泄漏的正常操作条件下，结果通常在零附近。然而，如果到电地线130的连接出现故障时，即使EMF保持平衡，共模线路噪声也会使放大器148和150进入饱和。因此，可以使用处理器164所执行的饱和检测算法168来诊断较差的电地线连接，即使在流量计100 似乎正确操作的情况下。在特定实施例中，输出152和IM承载4_20mA的模拟环路信号，输出端子IM处的诊断输出可以是叠加在4-20mA模拟环路信号上的HART协议信号。在另一特定实施例中， 输出152和IM可以是承载不同协议信号的环路布线。在又一实施例中，输出152和IM 可以耦合至无线收发机，以向控制系统发送信息和从控制系统接收信息。图2是耦合至用于检测较差电地线连接的系统的磁流量计系统200的特定示意实施例的图。磁流量计组件200包括经由布线206耦合至变送器设备204的磁流量计202。 在特定实施例中，变送器设备204可以由控制设备替换。此外，在另一特定实施例中，无线变送器电路可以包括在磁流量计202的外壳228内，该变送器电路允许磁流量计202无线传送数据。变送器设备204包括耦合至布线206的接口 208。接口 208耦合至处理器210，以传送接收数据。处理器210耦合至存储器212，存储器212包括可由处理器210执行以检测较差电地线连接的指令。在特定示例中，存储器212包括可由处理器210执行以基于与电极电路146相关联的检测电势来检测电极泄漏(过程流体泄漏)的电极泄漏诊断模块214。 此外，存储器212包括可由处理器210执行以检测磁流量计202内放大器的饱和以便推断表示较差电地线连接的线路噪声的饱和/共模噪声检测诊断模块216。此外，存储器212包括可由处理器210执行以基于使用电极泄漏诊断模块214和饱和/共模噪声检测诊断逻辑 216所作出的确定来产生警报的诊断控制逻辑模块218。该警报可传送到显示接口或控制系统(未示出)。可选地，变送器设备204可以是控制系统，磁流量计202可适用于经由布线206向该控制系统传送原始测量数据。流量计202包括电互联和磁线圈(在图1中示出)，并为该电路提供与环境的绝缘和与过程流体的绝缘。通常，磁流量计202使用螺纹扣226，通过法兰220和对应的管线法兰222，耦合至管线部分224。尽管图2将管线部分2M示意为管，但是流量计202也可以耦合至其他类型的流体传送结构。在这里使用的术语“管线”大体是指用于传送流体的任意管道，包括管、通道等。流量计202还包括用于容纳与流量计202相关联的电路的外壳228，并包括流管 232。在特定实施例中，流管232可以包括接入面板230，以允许操作员接入流管232内的电极布线。基于实施方式，流管232可以电接地到管线224。可选地，流管232可以提供过程地线连接，该过程地线连接可以对应于或不对应于大地地线类型的连接。在特定示例中，流量计202适用于基于法拉第电磁感应定律，监视在管线224内流动并通过流管232的过程流体。可以经由布线206将与流速测量相关联的原始数据传送到变送器设备204。变送器设备204的处理器210适用于接入饱和检测诊断模块216。图3示出了诸如图2所示的流量计202的磁流量计组件的特定示意实施例的图， 一部分以横截面示出，该流量计组件300包括变送器外壳320，变送器外壳320包括电地线故障诊断电路。磁流量计组件300包括具有法兰320的流管部分302，用于耦合至工业过程的管或管道。流管部分302定义了用于流体流动的通道304。通常，流管部分302由刚性材料形成，例如用于压力安全壳的无磁性不锈钢，通道304可以衬有电绝缘衬套306，诸如聚四氟乙烯、聚亚安酯、乙烯-四氟乙烯共聚物、其他塑料树脂、陶瓷或其他类型的电绝缘材料。对于低压应用，流管部分302可以由电绝缘材料形成，在这种情况下，可以省略衬套 306。也可以使用流体通道304的其他设计。例如，可以使用仅有部分绝缘衬套的金属管线部分，例如在每个电极周围的绝缘环状物。此外，尽管流量计组件300被示出为具有法兰元件320，但是也可以使用其他连接结构。在备选实施例中，流管部分302可以形成为没有法兰，并且使用延长螺钉来保持流量计组件300，将流量计组件300夹在匹配的管线的法兰之间。流量计组件300包括变送器电路312，变送器电路312包括电极电路314和变送器外壳328内的诊断电路(例如图1所示的诊断电路12 。变送器外壳3 可包括可松开的盖子，以允许操作员接入变送器外壳 328内的电子分布模块和电子电路。电子引线314从外壳328内延伸到流管部分302，以与诸如电极308和310的电极连接，并与磁线圈316和318连接。此外，提供接入面板320，以允许操作员接入流管部分302内的布线。在特定实施例中，激励磁线圈316和318以产生磁场，该磁场在流管302内的过程流体内感生电压。诸如具有变送器外壳328的电极电路之类的过程监视电路测量两个电极308和310之间的电势，该电势可用于确定流体流速。具体地，根据下式E = kBWV，感生电压(E)的幅度与导电流体的速度(V)、导体宽度(W)以及磁场的强度⑶成正比，其中变量(k)表示常量。磁场线圈316和318通常位于流管部分302的相对侧，以产生并施加磁场。由于宽度(W)是电极之间的间隔，磁场⑶受到磁线圈316和318的控制，所以唯一的变量是过程流体的速度(V)。衬管306(或绝缘元件)避免电压信号与管线壁短路。因此， 输出电压(E)正比于液体速度，产生本质为线性的输出。该输出电压(E)也可称为“电动势 (EMF) ”、“流速信号”、“电势”或“电极电势”。在导电过程流体以平均速度(V)运动通过感生磁场时，变送器外壳328内的电路测量电极308和310两端的电势。此外，变送器3 内的电路可以监视共模和/或差模线路噪声以检测较差电地线连接。在特定实施例中，变送器外壳328内的电路可以在管线为空时执行诊断过程，以基于线路噪声来检测较差地线连接，该噪声可以使得与变送器外壳3 内的电路相关联的放大器进入饱和。这种饱和可以表示出现故障的地线连接。应该理解， 电极308和310接触通道304内的流体(在存在液体时)，并且该流体使得电极308和310 之间的电路完整。在不存在液体时，电极308和310表示开路电路。然而，如果电地线连接出现故障，可能存在线路噪声。在另一特定实施例中，电路可以在操作期间执行诊断过程， 以基于共模线路噪声来检测较差电地线连接。此外，诊断过程可以包括测量差模线路噪声， 以推断哪个导体可能具有较差电地线连接。在特定实施例中，外壳328内的电路适用于通过监视所选频率范围内的共模线路噪声来检测较差电地线连接。在特定示例中，所选频率范围从约50Hz至60Hz。在另一特定示例中，根据特定实施方式，可以经由来自主机系统的命令，或者由用户经由用户输入接口，来配置所选频率范围，以定义频率范围。例如，特定的过程环境可能包括在特定频率范围内的过程噪声，电路可以被调谐(配置)为监视特定频率范围内的这种噪声，以检测较差电地线连接。
图4是具有较差地线连接的磁流量计的特定实施例的共模信号的原始模数转换器(ADC)计数相对于时间的图400。该特定磁流量计包括由塑料形成且具有较差地线连接的一英寸流管部分。如图所示，图400示出了大致正弦的信号402，表示来自具有60Hz周期的周期性信号的模数转换器的原始数据采样。404和406处的平坦部分表示指示由于较差地线连接而引起的线路噪声的放大器饱和。如果固定地线连接，则在参考数字404和406 所指示的区域，正弦信号弯曲。通常，共模线路噪声由404和406处的信号的不规则性表现。共模线路噪声检测电路适用于检测这种不规则性，以诊断较差电地线连接。较差电地线连接可以表示受腐蚀的地线连接、断开的地线连接、其他类型的布线问题或者其任意组合。图5是具有较差地线连接的磁流量计的特定实施例的差模信号的原始模数转换器(ADC)计数相对于时间的图500。图500示出了包括从塑料形成的一英寸流管并具有较差电地线连接的流量计的特定实施例中的差分电极的60Hz波形。图500示意了由于放大器的饱和而导致的失真，放大器的饱和导致假的低差分线路噪声值。在特定示例中，可以部分抵消来自两个电极的差分线路噪声，降低差模噪声信号的幅度。差模噪声信号的幅度的降低使得难以基于仅差模噪声信号来检测由于较差电地线连接而导致的线路噪声。然而，可以使用共模噪声信号(如图4所示)来检测较差电地线连接，而使用差模噪声信号来确定哪个电极具有较差地线连接。图6是检测现场设备的较差地线连接的方法的特定示意实施例的流程图。在602， 监视与现场设备(例如磁流量计)的共模电极电压相关联的线路噪声。在特定实施例中， 共模线路噪声会使与现场设备的电极耦合的运算放大器饱和，可以检测到这种饱和。前进到604，可以可选地监视与现场设备的差模电极电压相关联的线路噪声。可以使用差分线路噪声来检测进入绝缘电路的过程流体泄漏之类的泄漏。在特定实施例中，连同共模线路噪声一起使用差分线路噪声，来检测较差电地线连接。继续前进到606，将所监视的线路噪声与噪声阈值进行比较。在特定实施例中，噪声阈值可以与运算放大器的饱和电压电平相关。 前进到608，在比较指示现场设备的较差地线连接时，产生警报。在特定示例中，警报可以是传送到控制系统的信号。在另一特定示例中，警报可以是点亮现场设备处的发光二极管的信号。在又一特定示例中，警报可以是在现场设备的液晶显示器(LCD)处进行显示的指示较差电地线连接的控制信号。该方法在610处结束。结合关于图1-6所公开的系统、现场设备、电路和方法，公开了一种现场设备，包括诊断电路，用于基于与现场设备内的电极对的共模电压信号相关联的线路噪声、基于与电极对耦合的运算放大器的饱和、基于与电极对相关联的差模电压信号或基于其任意组合，来检测较差电地线连接。在特定实施例中，可以产生与所检测的较差地线连接有关的警报信号，并将其提供给显示设备、变送器设备、控制系统、另一设备或其任意组合。尽管上述讨论涉及磁流量计设备，但是应该理解，用于检测较差电地线连接的电路和/或系统可以与包括电极对的其他类型的现场设备一起使用，其中相关联的地线连接对于测量精度非常重要。尽管已结合优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节做出改变。
权利要求
1.一种现场设备，包括耦合至过程流体的电极对；以及耦合至所述电极对的诊断电路，以监视共模信号，并适用于基于与共模信号相关联的线路噪声而检测与电极对中至少一个电极相关联的较差地线连接。
2.根据权利要求1所述的现场设备，还包括线圈，用于向过程流体施加磁场以在所述过程流体中感生电动势(EMF)；以及耦合至所述电极对的测量电路，适用于基于EMF来确定流体流速。
3.根据权利要求2所述的现场设备，其中，所述测量电路包括耦合至所述电极对的至少一个运算放大器。
4.根据权利要求3所述的现场设备，其中，所述至少一个运算放大器在与共模信号相关联的线路噪声超过噪声阈值时饱和，并且所述至少一个运算放大器在饱和时使共模信号失真。
5.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述诊断电路适用于在线路噪声超过噪声阈值时检测较差地线连接。
6.根据权利要求5所述的现场设备，其中，所述诊断电路适用于测量与共模信号中的线路噪声相关联的噪声幅度，并且所述噪声阈值表示足以使与所述电极对中的至少一个电极耦合的至少一个放大器饱和的幅度。
7.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述诊断电路还适用于测量差模信号，以检测过程流体的泄漏。
8.一种用于测量管线中流体的流速的磁流量计，所述流量计包括 流管，适用于耦合至管线以承载流体；磁线圈，位于所述流管附近，以在所述流体中感生电动势(EMF)；至少两个电极，位于所述管线内，所述至少两个电极与所述流管电绝缘且彼此电绝缘；测量电路，耦合至所述至少两个电极，并适用于基于感生的EMF来测量流速；以及诊断电路，耦合至所述至少两个电极，以监视共模信号，并适用于在与共模信号相关联的线路噪声超过噪声阈值时检测较差电地线连接。
9.根据权利要求8所述的磁流量计，其中，所述测量电路包括耦合至所述至少两个电极中的至少一个的运算放大器。
10.根据权利要求9所述的磁流量计，其中，所述噪声阈值包括足以使所述运算放大器饱和的功率电平。
11.根据权利要求8所述的磁流量计，其中，所述诊断电路还适用于监视差模信号以确定差模线路噪声，其中，所述诊断电路包括使用共模线路噪声和差模线路噪声来识别所述至少两个电极中的特定电极具有较差电地线连接的逻辑。
12.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，所述诊断电路适用于监视在所选频率范围内的共模线路噪声。
13.根据权利要求12所述的磁流量计，其中，所选频率范围包括从约50Hz至60Hz的频率范围。
14.根据权利要求12所述的磁流量计，其中，所选频率范围是可调的，以检测特定频率的线路噪声。
15.根据权利要求8所述的磁流量计，还包括适用于响应于检测到较差电地线连接而产生警报的逻辑。
16.一种磁流量计，包括流管，耦合至管线并适用于承载过程流体；第一和第二电极，延伸到所述流管中并耦合至所述过程流体；以及诊断电路，耦合至第一和第二电极以监视第一和第二电极之间的共模信号，所述诊断电路适用于在与共模信号相关联的共模线路噪声超过噪声阈值时检测与第一和第二电极中的至少一个相关联的较差电地线连接。
17.根据权利要求16所述的磁流量计，还包括线圈，所述线圈适用于向过程流体施加磁场以在所述过程流体内感生电动势(EMF)。
18.根据权利要求17所述的磁流量计，还包括测量电路，所述测量电路耦合至第一和第二电极并适用于测量EMF以确定与所述过程流体相关联的流速。
19.根据权利要求16所述的磁流量计，其中，所述诊断电路还适用于监视与第一和第二电极相关联的差模线路噪声。
20.根据权利要求19所述的磁流量计，还包括适用于基于共模线路噪声和差模线路噪声来确定第一和第二电极中的哪个电极具有较差电地线连接的逻辑。
全文摘要
公开了一种现场设备(100)，包括耦合至过程流体(128)的电极对(138，140)和诊断电路(156)，诊断电路耦合至电极对(138，140)，以监视共模信号。诊断电路(156)适用于基于与共模信号相关联的线路噪声来检测与电极对(138，140)中的至少一个电极相关联的较差地线连接。
文档编号G01F1/60GK102378901SQ201080015075
公开日2012年3月14日 申请日期2010年5月10日 优先权日2009年5月12日
发明者威廉姆·G·托特哈根, 斯科特·R·弗斯 申请人:罗斯蒙德公司