电磁流量计中用于检测泄漏的系统及方法

电磁流量计中用于检测泄漏的系统及方法
【专利摘要】一种电磁流量计，具有被配置用于承载导电流体的流管。流管具有导电材料制成的壁。所述壁具有围绕用于流体的流体流动路径的内表面。非导电衬垫被定位为将流管壁与流体电绝缘。流管和非导电衬垫限定电极安装孔。电极延伸通过电极安装孔。电极和非导电衬垫形成在电极安装孔和流体流动路径之间的流体密封。电极的至少一部分被布置为与电极安装孔内的流管流体连通。短路检测器可以在已经泄漏通过密封的导电流体由于在流管和电极安装孔之间发生流体连通的原因而产生短路时检测到密封的失效。
【专利说明】
电磁流量计中用于检测泄漏的系统及方法
技术领域
[0001 ]本发明一般涉及电磁流量计，更具体地涉及用于检测来自电磁流量计的流管中的 流体的泄漏的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 电磁流量计(有时被称为"磁性流量计"或"磁计"）测量导电流体通过流管的流速。 传统的电磁流量计中，电线圈安装在管道的两个相对侧并且加电以产生垂直于导管中的流 体流动的方向的电磁场。当导电流体流动通过电磁场时，在流体中产生电场，电场可以被测 量以确定流速。在通常的设置中，一对电极延伸通过流管壁并且进入流体中，用于测量电场 的强度以确定流速。有时候额外的电极延伸通过流管壁进入流管中的导管，以提供空管检 测或者将液体接地。电极延伸通过流管壁进入导管的每个点需要所谓的过程渗透。如图1所 例示，传统的电极15包括头部19和从头部延伸的柄部21。柄部21插入开口 17中，形成过程渗 透，使得头部19位于流管3形成的导管7中，并且使得柄部延伸通过流管壁5。固定件25(例 如，螺母)用于将电极固定在位。
[0003] 过程渗透应当密封，以保证流体不会在流动通过流量计1时泄漏进入过程渗透。完 成此的一种方式在于在每个电极15的头部19的后侧安装锯齿23。流管3的内表面通常垫有 电绝缘和化学抗蚀的衬垫11，以防止导电流体在电极15和通常由导电材料(例如，金属）制 成的流管壁5之间产生短路。因此，当螺母或者其他紧固件25被紧固时，电极头部19后边的 锯齿23刺入衬垫11中，并且形成电极15和衬垫之间的密封。该密封被称为主要密封。电极15 的柄部21通过与导电的流管壁相邻接的围绕至少柄部的部分的绝缘鞘31与流管壁5的导电 部分绝缘。如果流体渗透通过主要密封，该流体也必须流动通过绝缘鞘31才能完全通过过 程渗透溢出。因此，流体可以通过衬垫11漏出并且与流管3接触，而该泄漏无法从流管3的外 面看到。
[0004] 由电磁流量计测量的流体可以包括高度腐蚀性的和/或苛性的材料。一些过程中， 当流体通过电磁流量计时还可以处于相当高的温度下，这增加了流体对其他材料(例如，流 管壁5)造成损坏的速率。本发明的发明人已经注意到流体可以穿过主要密封地泄漏并且在 检测到该泄漏之前，使流管壁5被过度腐蚀。这可能造成相当严重的危害，因为对流管壁5的 损坏会削弱流管的压力密闭能力。因此，在致命故障中流管破裂并且释放腐蚀性流体之前， 该泄漏都不会被检测到。

【发明内容】

[0005] 本发明的一个方面为电磁流量计。流量计具有一个配置用于承载流动的导电流体 的流管。该流管具有包括导电材料的流管壁。流管壁具有围绕导电流体的流体流动路径的 内表面。非导电衬垫定位以将流管壁与导电流体电绝缘。流管和非导电衬垫限定了电极安 装孔。电极延伸通过电极安装孔。电极和非导电衬垫形成电极安装孔和流体流动路径之间 的流体密封。电极的至少一部分被布置为与电极安装孔内的流管流体连通。
[0006] 本发明的另一个方面是一种制造电磁流量计的方法。该方法包括提供流管，该流 管包括流体能够沿着其流动通过流管的轴。流管还有外表面和内表面。流管可以导电并且 被配置用于使得内表面与流动通过流管的流体电绝缘。流管包括相对于轴径向延伸通过流 管壁的电极安装孔、外表面和内表面。电极安装在电极安装孔内，使得安装孔内的电极的至 少一部分与电极安装孔内的流管壁流体连通。电极可操作地被流管的外表面和内表面密 封。短路检测器与流管和电极连接，在电极和流管的内表面之间的密封失效的情况下，流动 通过流管并进入电极安装孔的流体就会触及电极以产生可被短路检测器检测到的短路。
[0007] 本发明的另一个方面是用于检测电磁流量计中的泄漏的泄漏检测系统，该电磁流 量计具有电磁场源，用于在流动通过流量计的流体中产生在驱动频率下周期性地改变的电 磁场，并且具有第一电极和第二电极来检测流体内的感应电压。泄漏检测系统包括泄漏检 测处理器，该泄漏检测处理器与第一电极和第二电极连接以接收代表分别被第一电极和第 二电极检测到的信号的电压。泄漏检测处理器被配置用于分析在驱动频率下的至少第一信 号的组分，以确定第一信号是否受到流量计中的泄漏的影响，并且当泄漏检测处理器确定 第一信号已经受到流量计中泄漏影响时，提供指示检测到的泄漏的输出。
[0008] 本发明的另一方面在于一种检测电磁流量计中泄漏的方法，该电磁流量计具有用 于在流动通过流量计的流体中产生在驱动频率下周期性地改变的电磁场的电磁场源以及 被配置用于检测响应于电磁场在流体内产生的感应电压的至少第一电极和第二电极。该方 法包括分析来自第一电极和第二电极中的至少一个的驱动频率下的信号的组分。使用第一 信号的组分检测流量计中的泄漏。当检测到泄漏时，提供检测到泄漏的指示。
[0009] 本发明的其他目的和特征在后文中部分将是明显的以及部分将被指出。
[0010]图1是以剖面图例示的现有技术的电磁流量计的侧视图，示出了与用于电极的过 程渗透有关的结构；
[0011] 图2是以剖面图例示的本发明的电磁流量计的一个实施例的侧视图，示出了与用 于电极的过程渗透有关的结构；
[0012] 图3是图2中例示的过程渗透下用于早期的泄漏检测的电路的一个实施例的示意 图；
[0013] 图4是与图2相似的视图，示意性示出当没有检测到泄漏时测量到的电阻；
[0014] 图5是与图4相似的视图，示意性示出当检测到泄漏时测量到的另一个电阻；
[0015] 图6是以剖面图例示的本发明另一个电磁流量计的侧视图，示出了与用于电极的 两个过程渗透相关的结构；
[0016] 图7是将正常操作条件期间在流量计相应的电极处检测到的感应电压及其总和以 及与泄漏情况下对应的电压进行比较的视图；
[0017] 图8是例示用于泄漏检测的电路的示例的示意图；
[0018] 图9是例示了使用图8的电路检测图6的流量计中的泄漏的方法的步骤和决策框的 流程图；
[0019] 图10是例示了用于检测图6的流量计中的泄漏的另一个电路的示意图；并且
[0020] 图11是例示了使用图10的电路检测图6的流量计中的泄漏的另一种方法的步骤的 流程图。
[0021] 对应的附图标记在所有附图中表示相对应的特征。
【具体实施方式】
[0022] 现在参考附图，首先参考图2，电磁流量计的一个实施例一般被标为101。流量计 101包括流管103，流管103被配置用于承载流动通过流量计101的导电流体。例如，流管103 适于包括通常为圆柱形或者圆筒形的壁105,壁105包括围绕流动路径107的内表面，流动路 径107在流管的相对两端之间延伸以用于流体流动通过流量计101。流管103适于采用导电 材料(例如不锈钢或者其他合适的金属)支撑。非导电衬垫111垫在流管壁105的内表面，以 将流管壁与导电流体电绝缘。非导电衬垫111可以具有若干适当的配置中的任何一种，举几 个处理与内表面相邻接的流管材料的例子来说，诸如涂层、附接到流管103的内表面的单独 的衬垫。
[0023] 流管101具有通过由延伸通过流管壁105的电极安装孔117和非导电衬垫111形成 的过程渗透而延伸的电极115。电极115包括头部119和从头部延伸的柄部121。柄部121具有 柄部直径D1，而头部119具有大于柄部直径的头部直径D2。如图2所例示，柄部121延伸通过 流管壁105内的电极安装孔117和非导电衬垫111。尽管出于清晰的目的没有示出，但柄部 121适于采用螺纹。延伸通过流管103到达流管外部的柄部121的端部与头部119相对。固定 件12 5保持电极115，使得电极的头部119与衬垫111相接触。固定件可以是螺旋柄部121上的 螺母125。固定件125能够向柄部121施加张力以拉着电极115的头部119使其紧紧顶住衬垫 111。所例示的实施例中，例如，螺母125可以顶住与流管103外部相接的非导电垫圈133,以 将柄部121进一步拉出电极安装孔117并且拉着头部119使其紧紧顶住衬垫111，以形成一个 密封。非导电垫圈133适于防止固定件125在流管103和电极柄部121之间产生不期望的电连 接。头部119适于具有多个被定位为当固定件125被紧固时与衬垫111接触的锯齿或齿123。 然而，在本发明范围内，锯齿可以省略。而且，尽管所例示的实施例中电极115包括螺旋柄部 121，而固定件包括螺母125,可以理解的是，也可以使用其他类型的紧固设备而不偏离本发 明的范围。
[0024]电极柄部121延伸通过导电流管壁105,并且与流管壁的各处分隔开。所例示的实 施例中，非导电分隔物131围绕位于柄部和流管壁105之间的电极安装孔117中的至少部分 柄部121放置。所例示分隔物131具有在电极柄部121和流管壁105之间延伸的至少一个流体 路径135。在正常条件下，分隔物131限定的流体路径135通常没有流体或者其他导电物质。 例如，流体路径135适于被空气或者其他非导电体填充。在正常条件下的过程渗透中，分隔 物131被定位为使电极115 (特别是电极的柄部121)与导电流管壁105绝缘。然而，在流动通 过流量计101的流体通过电极115的头部119和非导电衬垫111之间形成的主要密封发生泄 漏并且进入流体路径135的情况下，导电流体可以在电极115和导电流管壁105之间建立低 电阻电连接。流体路径中的泄漏流体在电极115和地面（即，流管103)之间建立短路，该短路 可以在无法看见泄漏的情况下被检测到。
[0025]所例示的实施例中，分隔物131是被定位为使得电极柄部121延伸通过用于接收柄 部的套筒内的轴孔的圆柱形套筒。该实施例中，流体路径135包括横向延伸通过圆柱形套筒 131的横孔。特别是，孔135通过套筒131从柄部121横向延伸到流管壁105。尽管所例示的实 施例使用分隔物131，还设想了电极柄部121可以通过其他方式以与流管壁105分隔开(并且 与流管壁105电绝缘)的关系固定而并不会偏离本发明的范围。例如，在一些实施例中（没有 示出），固定件将电极固定在壁上的一个位置，其中柄部通过过程渗透延伸而并不与壁发生 电连接。类似的，在本发明的宽范围内可以使用各种不同尺寸和形状的分隔物。在这些可替 换的实施例中，流量计包括在电极(在一些实施例中具体为电极柄部)和导电流管壁之间的 流体路径。流体路径被配置用于使得在导电流体渗透进入流体路径的情况下，渗透到流体 路径内的导电流体在电极和导电流管壁之间建立电连接。类似的，这些实施例中，只要导电 流体不会渗透进入流体路径，电极就与导电流管壁电绝缘。在这些实施例中的一些实施例 中，电极的至少一部分(例如，柄部的一部分)和电极安装孔中的流管的一部分处于相对的 关系，其间没有障碍物。
[0026] 现在再次参照图2的实施例，流量计101包括系统141，系统141通过评估电极115和 导电流管壁105之间的电阻抗监测在流体路径135中是否出现流体。例如，流量计101适于包 括短路检测器141，短路检测器141被配置用于检测在流体路径135中是否存在导电流体。适 当的短路检测器可以由可以被配置用于检测通过电极柄部121和流管壁105之间的流体路 径135的电流的任何电元件构成。相关地，适当的短路检测器可以由可以配置为检测在电极 115和流管壁105之间的电路径中整体电阻的改变的任何电元件构成。当流体路径基本上没 有流体时，流体路径135中的电阻相对较高，而如果流体路径被导电流体填充，流体路径135 中的电阻则低得多。本领域技术人员会熟悉很多不同的检测电系统中两个节点（例如，电极 和流管壁)之间形成短路的方法。
[0027] 参考图3-5,在适当的实施例中，监测系统141包括比较器143,比较器143将两个节 点(流管103和电极115)之间的电阻与参考值进行比较。正如上面讨论的，流管103由导电材 料制成，并且流动通过流管的流体也是导电的。非导电衬垫111仅从电极115延伸一段距离 L1(图4)。在正常的非泄漏条件下，流动路径107内的流体在非导电衬垫111终止的位置将电 极115与流管103电连接。因此，在正常的非泄漏条件下，电流在电极115和流管103之间通过 围绕衬垫111的上游端和下游端的相对较长的流体长度L1。出于解释的目的，所例示衬垫 111不会覆盖流管103的整个内表面。然而，应该理解的是在某些实施例中，非导电衬垫将会 覆盖流管的整个长度。这些实施例中的一些中，流量计与导电管线流体连接。电极头部和导 电管线之间的流体将提供电极和地面之间的正常连接。当路径135中的电阻相对较高(没有 泄漏)时，电极115和流管壁105之间的电阻与该电流流动通过导电液体的电阻大概相同。电 极和地面之间的其他连接也可以在电极和相应的流管壁(地面)之间建立正常的电阻，而不 会偏离本发明的范围。本领域技术人员将理解，与所例示的用于检测电极115和流管103之 间正常电阻中的偏差的实施例相关的所述技术也同样适用于在电极和地面之间的其他正 常连接。
[0028] 如在图4中最佳地示出的，当没有流体泄漏通过非导电衬垫111时，电极115和流管 103之间的电阻基本上等于正常电阻Rf，一个相对较高的数值，正常电阻Rf与将导电流管103 连接到电极115上的流体的长度L1以及流体电阻率直接相关。然而，如图5中所例示，当流体 通过非导电衬垫111泄漏时，在流体路径135中产生新的并联的电流路径。流体路径135的长 度L2远远小于在电极头部119和流管衬垫111的端部之间的流动长度L1。因此，流管103和电 极115之间沿着流体路径135的短路电阻Rl远远低于正常电阻Rf。当流体通过非导电衬垫111 泄漏时，流管103和电极115之间的总电阻RT等于并联电阻Rf和Rl的合并阻值:Rt=(Rf*Rl)/ (Rf+Rl)ο
[0029] 当流体通过非导电衬垫111泄漏并且进入流体路径135时，流管10 3和电极115之间 的总电阻Rt远远低于没有泄漏时。流管103和电极115之间的正常（当没有泄漏时）的电阻Rf 可以基于流动通过流动路径107的流体类型(例如，流体电阻率）以及电极头部119和非导电 衬垫111的端部之间的长度L1来计算。再次参考图3,短路检测器141被配置用于检测流体路 径135中导电流体的出现。可调参考发生器145将参考电阻R ref提供给比较器145。适当地，参 考电阻Rref被设定为略低于期望的流体电阻Rf(例如，在期望的流体电阻Rf的大约80%和大 约95%之间）并且在短路的情况下高于期望的总电阻R T。测量流管105和电极115之间的电 阻，并且将测量到的电阻U是供给比较器143的另一个输入端。存在各种可以测量电阻的 方式。例如，在流管105和电极115之间可以将已知量的电流驱动一段较短时间，而在这段时 间期间产生的感应电压可以用作电阻的度量和/或用于计算电阻。在不偏离本发明范围的 情况下可以采用其他方式测量电阻。比较器143接收测量到的电阻并且将其与参考值R ref进 行比较。如果测量到的电阻Rmeas小于参考值Rref，则短路检测器141被配置用于输出警报。例 如，短路检测器141可以输出使本地显示器指示检测到泄漏的信号。类似的，短路检测器141 可以输出发送给分布式控制系统的信号。
[0030] 尽管在图2,3和5中仅例示了一个电极，可以理解的是，流量计通常具有在流管的 相对两侧的至少两个电极。还可以理解的是在流量计中包括多于两个电极，以提供空管检 测或者使流动通过流量计的流体接地。
[0031] 参考图6,被配置用于检测流体泄漏的电磁流量计的另一个实施例一般用附图标 记201表示。电磁流量计201包括导电流管203和能够将流管与在流动路径207中流动的导电 流体绝缘的非导电内衬垫211，流动路径207轴向延伸通过流管。第一电极和第二电极215A、 215B延伸通过流管203的壁205中正相对的位置处的相应的过程渗透217。一对驱动线圈位 于(广义上为电磁场源;没有示出）邻接流管203的外侧的正相对的位置处，所述位置与电极 215A、215B的位置关于流管203的轴按一定角度分隔开。驱动线圈在流动通过流管203的导 电流体中产生电磁场，并且电极215A、215B检测当流体流动通过电磁场时在流体内的感应 电压。适当地，驱动线圈产生具有电磁场方向的电磁场，并且电极215A、215B检测与电磁场 方向垂直正相对的位置处定位的流体中引起的相应的电压。
[0032]所例示的实施例中，绝缘鞘231将第一电极和第二电极215A、215B中的每一个的柄 部221与流管壁205隔开，并且非导电垫圈233提供在流管壁205和将每个电极固定在流管壁 上的固定件225之间的电绝缘。因此，正如前面的实施例中，在正常操作条件下，每个电极 215A、215B在过程渗透217处与流管壁205电绝缘。当流体通过电极215A、215B中的任何一个 的头部219与内衬垫211之间形成的密封泄漏时，所述流体在相应的电极和流管壁205之间 产生了电连接，这在正常操作的条件下并不会出现。尽管所例示绝缘鞘231提供了用于在流 管壁205和相应的电极215A、215B之间产生直接流体路径的横孔235,可以理解的是，即使没 有该鞘，泄漏流体可以渗入绝缘元件和导电元件之间的缝隙，从而在电极和流管壁之间产 生不期望的电连接。泄漏检测系统241检测流管中的泄漏在第一电极和第二电极215A、215B 中的一个与内衬垫211之间产生不期望的电连接的发生。
[0033]参考图7,驱动线圈被配置用于产生在驱动频率f下周期性地改变的电磁场251。驱 动频率可以是恒定的或者可变的。所例示的实施例中，电磁场251以恒定驱动频率f反转。然 而，电磁场251中的其他改变也可以周期性地进行而不偏离本发明的范围。第一电极215A产 生代表第一电极的头部219处的流体中的感应电压的第一电压信号253A。类似的，第二电极 215B产生代表第二电极的头部219处的流体中的感应电压的第二电压信号253B。第一电压 信号和第二电压信号253A、253B中相应的流体感应部分准确地代表感应电压并且与流管 203中的流体的流速相关。然而，电压信号253A、253B中相应的噪声部分可归因于噪声源(例 如，第一电极和第二电极215A、215B之间的DC电势），并且损害了电压信号的准确度。本领域 技术人员应当理解，流动通过流动路径207的流体的流速与正常操作条件下的第一电压信 号和第二电压信号253A、253B流体感应部分之间的差值有关。
[0034]正常操作条件下第一电压信号和第二电压信号253A、253B的每一个随着电磁场强 度的周期性改变（即，在驱动频率rf)而改变。第一电压信号253A的流体感应部分与正常操 作条件下的第二电压信号253B的流体感应部分在幅值上相等而符号相反（8卩，180度异相）。 然而，如果流量计201发生流体泄漏，在第一电极和第二电极215A、215B中的任何一个与流 管侧壁205之间产生短路。例如，当流体路径在第二电极215B和流管壁205之间形成时，流体 路径将电极与流管壁205电连接，在电极处产生短路。因此，第二电极215B产生的第二电压 信号253B基本上为常量(即，不会响应流体中由驱动信号251的周期性改变所感应的电磁场 的变化而发生很大改变），如图7所例示。
[0035]参考图7和8,泄漏检测系统241可操作的连接到第一电极和第二电极215A、215B以 接收电极产生的第一电压信号和第二电压信号253A、253B。泄漏检测系统241被配置用于分 析在驱动频率f下的至少一个电压信号253A、253B的成分，以确定信号是否受到泄漏的影 响。例如，泄漏检测系统214可以使用信号253A、253B中的一个或两个中的驱动频率成分以 确定所述信号中的一个或两个是否在驱动频率f下周期性地改变或者两个信号中的任何一 个在驱动频率下的变化量是否被抑制在正常变化量之下（即，正常变化量较显著）。当泄漏 检测系统241确定电极241产生的一个或多个信号受到流量计泄漏影响时，泄漏检测系统 241提供指示检测到的泄漏的输出。
[0036]如图8中所例示的泄漏检测系统241包括将可操作地连接到第一电极和第二电极 215A、215B以接收第一电压信号和第二电压信号253A、253B的加和放大器261。加和放大器 261被配置用于将电压信号253A、253B相加以产生总和信号。正如下文中更详细讨论的，泄 漏检测系统241分析在驱动频率下的总和信号的成分，以确定第一电压信号和第二电压信 号253A、253B中的任何一个是否受到泄漏影响。总和信号的主要噪声源是由第一电极和第 二电极215A、215B之间的固有DC电势引起的。DC电势可以是差模电势、共模电势或者差模和 共模电势的组合。在正常操作条件下，第一电压信号253A的流体感应部分与第二电压信号 253B在幅值上相等而符号相反（SM80度异相）。因此当没有噪声出现时，加和放大器261的 输出应该基本上是恒定为零的信号。然而，固有DC电势和其他噪声会使正常操作条件下的 第一电极和第二电极信号253A、253B的和不为零。为了削弱两个电极之间的DC电势的影响， 具有被设定为低于驱动频率的截止频率的高通滤波器263接收加和放大器261的输出。高通 滤波器263抑制了可归因于第一电极和第二电极215A、215B之间的DC电势的总和信号的至 少一部分。
[0037]进一步参考图7和8,在正常操作条件下，高通滤波器263输出基本上恒定且基本上 接近零的过滤后的总和信号265。然而，例如，当流体通过第二电极215B的头部219和衬垫 211之间形成的密封泄漏时，产生短路。如图7中所例示，当第二电极215B和流管壁205之间 形成短路时，第二电压信号253B变为基本上恒定。因此，第二电压信号253B与第一电压信号 253A在幅值上不相等并且符号相反，并且总和信号265本质上变为周期性的。因此，泄漏检 测系统241可以通过检测总和信号265中的显著的周期性改变的出现确定第一电压信号和 第二电压信号253A、253B中的任何一个是否受到流量计201泄漏的影响。
[0038]图8中的泄漏检测系统241包括模数转换器271，模数转换器271采样总和信号265 并且产生代表总和信号的数字输出信号（即，数字总和信号）。数字泄漏检测处理器273接收 数字总和信号，并且分析在驱动频率f下的总和信号265的成分，以确定电压信号253A、253B 中的任何一个是否受到流量计泄漏的影响。尽管高通滤波器263可以从加和放大器261的输 出中消除一些DC偏置(包括共模和差模DC偏置），但总和信号265的一部分仍然可归因于第 一电极和第二电极215A、215B之间的DC电势。另外，总和信号265的能量成分还包括高通滤 波器263的截止频率之上的多个频率。
[0039] 为了使得该噪声对泄漏检测的影响最小化，泄漏检测处理器273对总和信号265执 行傅里叶分析(例如，数字傅里叶变换）以分析在驱动频率f下的总和信号265的能量成分。 在适当的实施例中，泄漏检测处理器273使用傅里叶变换计算在驱动频率f下的总和信号 265的频谱数F(bin)，并且将频谱数转换为在驱动频率下的总和信号的幅值V f(即，代表在 驱动频率下的总和信号的能量）。在正常操作条件下，驱动频率幅值Vf应当接近零。当泄漏 检测处理器确定幅值V f已经偏离零过多（例如，通过将幅值与阈值比较)时，泄漏检测处理 器确定第一电压信号和第二电压信号253A、253B中的一个受到流量计201中的泄漏的影响 并且提供指示检测到的泄漏的输出。
[0040] 参考图9,一种检测流量计201中的泄漏的方法301，模数转换器271在采样与驱动 信号251的一个或多个完整周期（即，整数个驱动周期)在时间上对应的间隔的期间中对总 和信号265进行采样（步骤311)。在步骤313处，泄漏检测处理器273将采样间隔期间获取的 总和信号265的N个样本存储在缓冲器中。因此，缓冲器存储在一个或多个完整驱动周期上 的总和信号265的数字代表。例如，一个实施例中，驱动频率f是恒定的低频率（例如，7赫 兹），而模数转换器271以高频率(例如，4800赫兹)采样总和信号265。缓冲器优选存储大量 样本(例如，3500个样本），所述大量样本代表若干完整的驱动周期(例如，5个驱动周期）。
[0041] 在步骤315处，泄漏检测处理器273使用傅里叶分析(例如，离散傅里叶变换）和存 储在缓冲器中的N个样本计算在驱动频率f下的总和信号265的频谱数F(bin)。例如，泄漏检 测处理器273可以使用离散傅里叶变换计算总和信号265的频谱，并且从频谱确定频谱数F (bin)，其中bin与驱动频率f的谱阵索引对应。在适当的实施例中，驱动频率f的bin索引可 以通过将采样频率除以样本数量N然后加1来计算得到。作为计算频谱的可替换方式，泄漏 检测处理器273可以使用傅里叶分析以使用例如互相关或者自相关的技术直接计算驱动频 率频谱数F(bin)。在步骤317处，泄漏检测处理器273使用公式1确定在驱动频率f下的总和 信号265的幅值V f。
[0043]幅值Vf代表在驱动频率f下的总和信号265的能量。样本数N适当地与整数个驱动 周期对应。如果样本数N与整数个采样周期不对应，那么驱动频率会落入频域内两个点之 间。由于频谱泄漏的缘故，计算会较不准确。然而，对于检测泄漏而言，粗略的测量就足够 了。因此，可以理解的是，样本数N不需要局限于整数个驱动周期的样本数来实践本发明。 [0044] 在步骤319处，泄漏检测处理器273从流量计201的流速测量系统（没有示出）接收 代表第一电压信号和第二电压信号253A、253B之间的幅值差的差值信号V△。在步骤321处， 泄漏检测处理器273动态地确定阈值P占电压差值V△的百分比（例如，从大约10%到大约 40%)。在决策框323处，泄漏检测处理器273将阈值P与在驱动频率f下的总和信号265的幅 值Vf相比较。如果幅值V f大于阈值P，那么泄漏检测处理器273提供第一电压信号和第二电压 信号253A、253B中的一个受到流量计201泄漏的影响的指示（步骤325)。如果幅值Vf不大于 阈值P，则泄漏检测方法301在步骤311处重新开始。尽管所例示的实施例动态地计算阈值P 占电压差V△的百分比，可以理解的是，其他实施例可以将在驱动频率f下的总和信号265的 幅值Vf与恒定的阈值比较以确定流量计201中的泄漏是否影响电压信号253A、253B中的一 个。
[0045]参考图10,适合与流量计201-起使用的泄漏检测系统的另一个实施例一般用附 图标记441表示。泄漏检测系统441包括多路复用器461，可操作地连接到第一电极和第二电 极215A、215B，以接收来自电极的第一电压信号和第二电压信号253A、253B。多路复用器461 被配置用于产生多路复用信号，所述多路复用信号包括在时域中连续接合在一起的交错序 列的电压信号253A、253B。高通滤波器463接收来自多路复用器461的多路复用信号并抑制 可归因于在第一电极和第二电极215A、215B中的每一个与地面之间的DC电势的多路复用信 号的一部分。模数转换器471对高通滤波器463的输出进行采样，并且产生代表过滤后的多 路复用信号的数字输出。正如下文中进一步讨论的，泄漏检测处理器473接收数字滤波后的 多路复用信号，并且用它分析在驱动频率f下的第一电压信号253A的成分以及在驱动频率 下的第二电压信号253B的成分。泄漏检测处理器473比较第一电压信号和第二电压信号 253A、253B的驱动频率成分以确定第一电压信号和第二电压信号中的一个是否受到泄漏的 影响。尽管所例示的泄漏检测处理器473使用从单个输入接收多路复用信号的第一电压信 号和第二电压信号253A、253B，还可以设想另一个泄漏检测处理器可以通过接收在两个单 独的输入上的第一电压信号和第二电压信号来执行类似的处理。
[0046]参考图11，在一种使用泄漏检测系统441检测流量计201中的泄漏的方法501中，模 数转换器471对第一和第二采样间隔期间的数字多路复用信号进行采样(步骤511，513)。适 当地，第一采样间隔的样本限定代表第一电压信号253A的第一样本集，并且在时间上与一 个或多个完整驱动周期对应(步骤511)。同样，第二采样间隔的样本适当地限定了代表第二 电压信号253B的第二样本集，并且在时间上与一个或多个完整驱动周期对应(步骤513)。泄 漏检测处理器473将来自第一样本集的Να个样本存储在第一缓冲器中（步骤515)，所述Να个 样本共同形成在第一采样间隔期间第一电压信号253Α的数字代表。泄漏检测处理器473同 样将来自第二样本集的Νβ个样本(步骤517)存储在第二缓冲器中，所述Νβ个样本共同形成在 第二采样间隔期间第二电压信号253Β的数字代表。
[0047]为了使噪声对泄漏确定的影响最小化，泄漏检测处理器473使用傅里叶分析根据 存储在第一和第二缓冲器中的第一和第二样本集计算第一电压信号和第二电压信号253Α、 253Β中的每一个的频谱(步骤519,521)。额外地或者可替换地，泄漏检测处理器473根据存 储的第一和第二样本集计算第一电压信号和第二电压信号253Α、253Β中的每一个的频谱数 F(bin)A，F(bin)B。使用等式1和频谱数F(bin)A，F(bin)B，泄漏检测处理器473计算在驱动频 率f下的第一电压信号和第二电压信号253A、253B的相应幅值Vf,A，Vf,B(步骤523,525)。 [0048]如上所讨论的，在正常操作条件下，第一电压信号和第二电压信号253A、253B的流 动感应部分基本上幅值相等。因此，本领域技术人员应理解，代表在驱动频率f下的相应的 信号的能量值的第一电压信号和第二电压信号253A、253B的幅值V f,A，Vf,B在正常操作条件 下基本上是相等的。然而，例如当泄漏在图7所例示的电极215B处产生短路时，在驱动频率f 下的电压信号253B的幅值V f,B将比在驱动频率下的电压信号253A的幅值Vf,A低得多。因 此， 在步骤527处，泄漏检测处理器473将第一电压信号253A的幅值Vf, a与第二电压信号253B的 幅值Vf,B进行比较。如果泄漏检测处理器473确定第一电压信号253A的幅值V f,a与第二电压 信号253B的幅值Vf,B显著不同，则泄漏检测处理器473在步骤529处提供检测到泄漏的指示。 如果泄漏检测处理器473确定第一电压信号和第二电压信号253A、253B的幅值V f,A，Vf,B基本 上相等，则泄漏检测处理器473在步骤531处返回步骤511和513。一个或多个实施例中，泄漏 检测处理器473通过计算第一电压信号和第二电压信号之间的差值并且将所计算的差值与 阈值比较(例如，恒定的阈值或者动态确定的可变阈值例如作为幅值Vf, A，Vf,B中的任何一个 的百分数)来将第一电压信号253A的幅值V f,a与第二电压信号的幅值Vf,B进行比较。当泄漏 检测处理器473确定第一电压信号和第二电压信号253A、253B幅值V f,A，Vf,B之间的差值超过 阈值时，泄漏检测处理器473提供指示检测到的泄漏的输出。
[0049]泄漏检测系统241、441和用于检测流量计201中的泄漏的方法301、501通过使用傅 里叶分析将在驱动频率f下的电压信号253A、253B的成分与信号的部分隔离，有利地消除了 第一电极和第二电极215A、215B之间的DC电势和其他噪声源的影响。在驱动频率f下的电压 信号253A、253B的幅值代表电压信号的流体感应部分并且抑制电压信号的其他部分。因此， 电压信号253A、253B中只有那些准确反映电压信号是否适当地随着电磁场的周期性改变而 改变的部分用于确定泄漏是否影响电压信号中的任何一个。可以认为，将电压信号253A、 253B的流体感应部分与信号的其他部分隔离抑制了噪声（例如，电压信号中固有的DC电 势），使其不会显著影响泄漏确定结果，。另外，绝缘套筒117、217的架构在电极115、215A、 215B以及相应的流管壁105、205之间产生直接的流体路径，在出现泄漏时产生可使用泄漏 检测系统141、241、441容易地检测到的期望的短路。
[0050]已经详细地说明了本发明，并且清晰的是可以在不偏离所附加的权利要求中限定 的本发明范围的情况下进行修改和改变。
[0051 ]当引入本发明及其优选实施例的要素时，冠词"一个"和"所述"意味着存在一个或 多个该要素。术语"包括""包含"以及"具有"旨在为包含性的，并且意味着除了列出的要素 之外还存在额外的要素。鉴于上述内容，可以看出已经达到了本发明的若干目的并且获得 了其他有利的结果。
[0052]由于在不偏离本发明范围的情况下可以对上述架构、产品和方法做出各种改变， 因此所有上述说明书以及图中示出的包含的主题应当都理解为说明性的而不是限制性的。
【主权项】
1. 一种电磁流量计，包括： 流管，被配置用于承载流动的导电流体，所述流管具有包括导电材料的流管壁，所述流 管壁具有围绕着用于导电流体的流体流动路径的内表面； 非导电衬垫，被定位为使所述流管壁与所述导电流体电绝缘，所述流管和所述非导电 衬垫限定电极安装孔;以及 电极，延伸通过所述电极安装孔，所述电极和所述非导电衬垫形成在所述电极安装孔 和所述流体流动路径之间的流体密封，所述电极的至少一部分被布置为与所述电极安装孔 内的流管流体连通。2. 根据权利要求1所述的电磁流量计，其中所述电极的所述一部分和所述电极安装孔 中的流管的一部分是相对的关系且中间没有障碍物。3. 根据权利要求1所述的电磁流量计，还包括放置在所述电极安装孔中的所述电极的 至少一部分周围的位于所述电极和所述流管壁之间的非导电分隔物，所述非导电分隔物具 有在所述电极和所述流管壁之间延伸的至少一个流体路径，使得在所述导电流体泄漏进入 所述流体路径的情况下，所述导电流体能够建立在所述电极和所述流管壁之间的电连接。4. 根据权利要求3所述的电磁流量计，其中所述非导电分隔物包括圆柱形套筒。5. 根据权利要求4所述的电磁流量计，其中所述电极包括头部和柄部，所述圆柱形套筒 具有被配置用于接收所述柄部的轴孔。6. 根据权利要求5所述的电磁流量计，其中所述流体路径在所述圆柱形套筒内是横孔。7. 根据权利要求6所述的电磁流量计，其中所述横孔从所述柄部延伸到所述流管壁。8. 根据权利要求1所述的电磁流量计，还包括短路检测器，所述短路检测器被配置用于 检测导电流体是否在所述流体路径内。9. 根据权利要求8所述的电磁流量计，其中所述短路检测器被配置用于检测通过所述 流体路径内的所述导电流体的电流。10. 根据权利要求8所述的电磁流量计，其中所述短路检测器被配置用于检测所述电极 和所述流管壁之间的电路径中的电阻的变化。11. 根据权利要求8所述的电磁流量计，其中所述短路检测器还被配置用于当其检测到 所述导电流体在所述流体路径内时输出警报。12. 根据权利要求1所述的电磁流量计，其中所述电极包括头部和柄部，所述头部具有 头部直径，而所述柄部具有柄部直径，并且所述头部直径大于所述柄部直径。13. 根据权利要求12所述的电磁流量计，其中所述头部包括被配置用于啮合所述非导 电衬垫以有助于形成所述流体密封的齿。14. 根据权利要求1所述的电磁流管，其中所述流体路径被配置使得在所述导电流体泄 漏通过流体密封的情况下，所述导电流体建立在所述柄部和所述流管壁之间的电连接。15. -种制造电磁流量计的方法，包括： 提供流管，所述流管包括轴、外表面和内表面，流体能够沿着所述轴流动通过所述流 管，所述流管导电并且被配置使得所述内表面与流动通过所述流管的流体电绝缘，所述流 管还包括电极安装孔，所述电极安装孔相对于所述轴径向延伸通过所述流管的壁、所述外 表面和所述内表面； 将电极安装在所述电极安装孔内，使得安装孔内的所述电极的至少一部分与所述电极 安装孔内的流管壁流体连通； 可操作地将所述电极用所述流管的所述外表面和所述内表面密封； 将短路检测器与所述流管和所述电极连接，其中在所述电极和所述流管的所述内表面 之间的密封失效的情况下，流动通过所述流管并且进入所述电极安装孔的流体触及所述电 极以产生所述短路检测器可检测到的短路。16. 根据权利要求15所述的方法，其中安装所述电极包括将所述电极的一部分布置在 所述电极安装孔内，使得所述电极的所述一部分和所述电极安装孔中的流管壁的一部分是 相对的关系且中间没有障碍物。17. 根据权利要求16所述的方法，其中安装所述电极还包括将非导电分隔物置于所述 电极上，所述非导电分隔物具有在所述电极和所述电极安装孔内的流管壁之间延伸的至少 一个流体路径。18. 根据权利要求15所述的方法，其中提供所述流管包括与所述流管的所述内表面相 关地定位非导电衬垫，使得当流体流动通过流管和所述流管的所述内表面时防止流体之间 导电。19. 一种用于检测电磁流量计中的泄漏的泄漏检测系统，所述电磁流量计具有用于在 流动通过流量计的流体中产生在驱动频率下周期性地改变的电磁场的电磁场源以及用于 检测所述流体中的感应电压的第一电极和第二电极，所述泄漏检测系统包括： 泄漏检测处理器，连接到所述第一电极和所述第二电极以接收分别代表由所述第一电 极和所述第二电极检测到的电压的第一信号和第二信号，所述泄漏检测处理器被配置用于 分析在驱动频率下的至少所述第一信号的成分，以确定所述第一信号是否受到所述流量计 中的泄漏的影响，并且当所述泄漏检测处理器确定所述第一信号受到所述流量计中的泄漏 影响时提供指示检测到的泄漏的输出。20. 根据权利要求19所述的泄漏检测系统，还包括加和放大器，所述加和放大器连接到 所述第一电极和所述第二电极以接收所述第一信号和所述第二信号，所述加和放大器被配 置用于将所述第一信号和所述第二信号相加以产生由所述泄漏检测处理器接收的总和信 号。21. 根据权利要求20所述的泄漏检测系统，其中分析在驱动频率下的所述第一信号的 成分包括分析在驱动频率下的所述总和信号的成分以确定所述第一信号和所述第二信号 中的任何一个是否受到所述流量计中的泄漏的影响。22. 根据权利要求21所述的泄漏检测系统，其中所述泄漏检测处理器被配置用于将在 驱动频率下的所述总和信号的所述成分与阈值相比较，以确定所述第一信号和所述第二信 号中的任何一个是否受到所述流量计中的泄漏的影响。23. 根据权利要求22所述的泄漏检测系统，其中所述泄漏检测处理器被配置用于接收 代表所述第一信号和所述第二信号之间的幅值差的差值信号，并且动态地确定所述阈值占 差值信号的百分比。24. 根据权利要求23所述的泄漏检测系统，其中所述百分比的范围从所述差值信号的 大约10 %到大约40 %。25. 根据权利要求21所述的泄漏检测系统，其中所述泄漏检测系统被配置用于对采样 间隔期间的总和信号进行采样，以产生在时间上与一个或多个完整驱动周期对应的样本 集。26. 根据权利要求25所述的泄漏检测系统，其中在驱动频率下的所述总和信号的成分 是在驱动频率下的所述总和信号的幅值，并且其中所述泄漏检测处理器被配置用于使用傅 里叶分析确定来自所述样本集的幅值。27. 根据权利要求20所述的泄漏检测系统，还包括高通滤波器，所述高通滤波器连接在 所述加和放大器和所述泄漏检测处理器之间，以抑制能够归因于在所述第一电极和所述第 二电极之间的DC电势的所述总和信号的一部分。28. 根据权利要求19所述的泄漏检测系统，其中所述泄漏检测处理器还被配置用于分 析在驱动频率下的所述第二信号的成分以确定所述第一信号和所述第二信号中的任何一 个是否受到所述流量计中的泄漏的影响。29. 根据权利要求28所述的泄漏检测系统，还包括多路复用器，所述多路复用器可操作 地连接到所述第一电极和所述第二电极以接收所述第一信号和所述第二信号，所述多路复 用器被配置用于产生包括交错序列的所述第一信号和所述第二信号的多路复用信号，所述 泄漏检测处理器接收来自所述多路复用信号的所述第一信号和所述第二信号。30. 根据权利要求28所述的泄漏检测系统，其中所述泄漏检测处理器被配置用于将所 述第一信号的所述成分与所述第二信号的所述成分进行比较，以确定所述第一信号和所述 第二信号中的任何一个是否受到所述流量计中的泄漏的影响。31. 根据权利要求30所述的泄漏检测系统，其中所述泄漏检测系统被配置用于在第一 采样间隔期间对第一信号进行采样，以生成在时间上与一个或多个完整驱动周期对应的所 述第一信号的样本集，并且在第二采样间隔期间对第二信号进行采样，以生成在时间上与 一个或多个完整驱动周期对应的所述第二信号的样本集。32. 根据权利要求31所述的泄漏检测系统，其中所述第一信号的所述成分是相应的一 个或多个完整驱动周期期间的在驱动频率下的所述第一信号的幅值，并且所述第二信号的 成分是在相应的一个或多个完整驱动周期期间的在驱动频率下的所述第二信号的幅值，所 述泄漏检测处理器使用傅里叶分析确定来自所述第一信号的样本集和所述第二信号的样 本集的所述第一信号和所述第二信号的幅值。33. 根据权利要求32所述的泄漏检测系统，其中所述泄漏检测处理器被配置用于确定 所述第一信号和所述第二信号的所确定的幅值之间的差值是否超过阈值。34. 根据权利要求19所述的泄漏检测系统，所述泄漏检测系统与所述电磁流量计结合， 所述电磁流量计包括： 流管，被配置用于承载流体，所述流管具有包括导电材料的流管壁，所述流管壁具有围 绕着所述流体的流体流动路径的内表面； 非导电衬垫，被定位为使所述流管壁与所述流体绝缘，所述流管和所述非导电衬垫限 定第一电极安装孔和第二电极安装孔;以及 第一电极和第二电极，分别延伸通过所述第一电极安装孔和所述第二电极安装孔，所 述第一电极和所述第二电极以及非导电衬垫形成在所述第一电极安装孔和所述第二电极 安装孔以及所述流体流动路径之间的相应的流体密封，所述第一电极和所述第二电极中的 每一个的至少一部分被布置为与相应的电极安装孔内的流管流体连通。35. -种用于检测电磁流量计中的泄漏的方法，所述电磁流量计具有电磁场源和至少 第一电极和第二电极，所述电磁场源被配置用于在流动通过流量计的流体中产生在驱动频 率下周期性地改变的电磁场，所述至少第一电极和第二电极被配置用于检测响应于所述电 磁场在所述流体中产生的感应电压，所述方法包括： 分析来自所述第一电极和所述第二电极中的至少一个的在驱动频率下的信号的成分； 使用所述第一信号的成分检测所述流量计中的泄漏；以及 当检测到泄漏时提供检测到泄漏的指示。
【文档编号】G01R31/02GK106092226SQ201610383155
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年3月16日 公开号201610383155.7, CN 106092226 A, CN 106092226A, CN 201610383155, CN-A-106092226, CN106092226 A, CN106092226A, CN201610383155, CN201610383155.7
【发明人】D·G·陶尔三世, J·Y·谢, J·L·匹祖提, A·德普鲁斯特
【申请人】因文西斯系统公司