调整磁场的恒定的磁场强度的方法以及磁感应流量测量仪与流程

一方面，本发明涉及一种用于在磁感应流量测量仪中在整流区间之内调整磁场的恒定的磁场强度的方法，流量测量仪带有测量管和用于产生磁场的电磁体。在此，电磁体具有电流调节器和线圈组件，电流调节器产生线圈电流并且产生的线圈电流在线圈组件中引起磁场。线圈电流在整流区间的时间间隔中整流，并且当为电流调节器规定恒定的理论电流时，电磁体振荡地产生恒定的磁场强度。

另一方面，本发明涉及一种磁感应流量测量仪，其带有测量管、用于产生磁场的电磁体和控制装置。在此，电磁体具有电流调节器和线圈组件，电流调节器产生线圈电流并且产生的线圈电流在线圈组件中引起磁场。电磁体使线圈电流在整流区间的时间间隔中整流，并且当控制装置为电流调节器规定恒定的理论电流时，电磁体振荡地产生磁场的恒定的磁场强度。

背景技术：

这种类型的磁感应流量测量仪测量通过测量管的介质的流量。为此，电磁体设定成，由电磁体产生的磁场至少部分地穿过位于测量管中的介质并且介质在测量管中的流动在介质中感应出感应电压。感应电压相对于介质在测量管中的流动速度成比例，并且例如在使用测量管的内横截面积的情况下从流动速度中确定介质通过测量管的体积流量，或在附加地使用介质密度的情况下确定介质通过测量管的质量流量。相应地，介质通过测量管的流量不仅涉及介质通过测量管的质量流量还涉及其体积流量。

利用至少一个测量电极截获感应电压，其中，至少一个测量电极与在测量管中的介质电流接触或电容接触。如果利用仅仅一个测量电极截获感应电压，则关于参考电势进行测量，参考电势例如为接地电势。如果利用至少两个测量电极测量感应电压，通常至少两个测量电极与测量管中的介质电流或电容接触。

电流调节器具有产生线圈电流的唯一的受控的电流源和调节回路。调节回路的功能通过参考量、调节量和调整量描述。调整量控制受控的电流源，调节量是由受控的电流源由于调整量而产生的线圈电流而参考量是为电流调节器规定的理论电流。电流调节器将在理论电流和所产生的线圈电流之间的差假设成调节偏差并且使该调节偏差最小化。为了使调节偏差最小化，调节回路例如具有成比例的或积分的或差分的调节特性或者也具有所述调节特性的任意组合。例如带有比例的和积分的调节特性的调节回路被称为pi调节回路，而带有比例的、积分的和差分的调节特性的调节回路被称为pid调节回路。

线圈电流在通过开始时刻和结束时刻确定的整流区间的时间间隔中的整流引起通过线圈组件的线圈电流在整流区间的时间间隔中的方向反转。因此，磁场的方向也在整流区间的时间间隔中反转。这种类型的磁场也被称为切换的直流磁场。切换的直流磁场引起感应电压的方向也在整流区间的时间间隔中反转。由此，消除通过磁感应流量测量仪的供电在交变电流源处产生的干扰电压、尤其地干扰直流电压和干扰交流电压。

线圈组件通常具有磁轭和用于产生磁场的线圈，磁轭由带有比用于引导在磁轭中的磁场的周围环境更小的磁阻的材料制成。

由于介质通过测量管的流量由介质中穿过磁场所感应出的感应电压来确定并且感应电压不仅相对于介质在测量管中的流动速度成比例而且相对于在介质中的磁场强度成比例，在测量感应电压期间在介质中的磁场强度必须是恒定的。那么，当通过感应电压的波动引起流量的测量精度的损害被视为合理的时，感应电压被视为恒定的。从整流区间的开始到恒定的磁场强度的持续时间被称为振荡时间。如果在测量感应电压期间磁场强度不恒定，确定的流量是有误差的。相应地，当为电流调节器规定恒定的理论电流并且使电磁体振荡到恒定的磁场强度上时，那么才进行感应电压的测量。整流区间必须至少与振荡时间同样长。

由现有技术已知这种类型的磁感应流量测量仪，在其中，通过在整流区间中为电流调节器规定恒定的理论电流来调整恒定的磁场强度。

流量的测量精度可通过整流区间的缩短而增大。尤其地，通过整流区间的缩短，在介质流过测量管的情况中可增大测量精度，介质的流量与整流区间相比经受短暂的波动。然而，电磁体为产生恒定的磁场强度而振荡所需的振荡时间与整流区间的缩短相反。

技术实现要素：

因此，本发明目的在于说明一种用于在磁感应流量测量仪中调整磁场的恒定的磁场强度的方法，以及一种磁感应流量测量仪，在其中，与现有技术相比缩短了振荡时间。

根据第一教导，本发明涉及一种用于调整磁场的恒定的磁场强度的方法，在其中，实现了这里所提出的目的。首先，根据本发明的方法的基本特征在于以下方法步骤：

在第一方法步骤中，在整流区间之内设置带有开始时刻和结束时刻的第一区间和带有开始时刻和结束时刻的第二区间。在此，第一区间通过第一区间的开始时刻和结束时刻确定，而第二区间通过第二区间的开始时刻和结束时刻确定。

第一区间和第二区间可不同地布置在整流区间之内。然而，在每种布置方案中，第一区间在时间上都布置在第二区间之前并且第一区间和第二区间彼此不重叠。在第一区间和第二区间在整流区间之内的第一布置方案中，第一区间的开始时刻与整流区间的开始时刻重合。在第二布置方案中，第二区间的结束时刻与整流区间的结束时刻重合。在第三布置方案中，第一区间的结束时刻与第二区间的开始时刻重合。第四布置方案是上述布置方案中的任意组合。

在第二方法步骤中，为第一区间确定第一理论电流进程。在此，第一理论电流进程以电流进程差与恒定的理论电流偏差成，使得相对于恒定的理论电流的电流进程差引起磁场强度朝向恒定磁场强度的更高的变化率。那么，当由电流调节器产生的线圈电流的变化率高于当为电流调节器规定恒定的理论电流时由电流调节器产生的线圈电流的变化率时，磁场强度朝向恒定磁场强度的变化率通过相对于恒定的理论电流的电流进程差变高。由电流调节器产生的线圈电流的更高的变化率由此来实现，即使得电流进程差引起在电流调节器的调节回路中更高的调节偏差并且电流调节器由于其性能引起所产生的线圈电流的更高的变化率。

在第三方法步骤中，通过为第二理论电流进程分配恒定的理论电流来为第二区间确定第二理论电流进程。

在第四方法步骤中，在第一区间中为电流调节器规定第一理论电流进程并且在第二区间中为其规定第二理论电流进程。电磁体在第二区间的时间进程中振荡，从而使电磁体产生恒定的磁场强度。由此，当磁场强度恒定时，在第二区间之内测量感应电压，从该感应电压中确定介质的流量。

相对于从现有技术中已知的方法，根据本发明的方法具有的优点是，缩短用于调整磁场的恒定磁场强度的振荡时间。由此实现，缩短整流区间，由此尤其地在介质流过测量管的情况中改善测量精度，介质的流量经受短暂的振荡。

调节器、例如电流调节器通过使调节偏差最小化使调节量跟随参考量。在此，最高以调节量的调节器固有最大变化率进行调节量的跟随。调节量的最大变化率是调节器通过其设计方案、尤其地通过其调节性能所固有的。最大变化率在英文中被称为“slewrate”。如果参考量大于为了达到调节量的最大变化率所需的参考量，则调节器过调。因此，为了进一步缩短振荡时间，在根据本发明的方法的第一设计方案中设置成，第一理论电流进程确定成，使得在第一区间的开始时通过第一理论电流进程使电流调节器过调。

在根据本发明的方法的另一设计方案中设置成，第一区间确定成，使得其比磁场的振荡时间常数更短。磁场的振荡时间常数表示作为对线圈电流的突变式变化的响应的磁场强度的在时间上的变化。相应地，振荡时间常数表示线圈组件的突变回应(sprungantwort)。

第一理论电流进程在第一区间的时间内基本上可具有任意走向，即时间的函数。然而，在该方法的可尤其简单地实现的设计方案中设置成，使第一理论电流进程确定成，使得其是恒定的。利用在时间上恒定的第一理论电流进程也缩短振荡时间。

在方法的另一可简单实现的设计方案中，在第一区间和第二区间在整流区间之内的布置方案中设置成，整流区间的开始时刻假设为第一区间的开始时刻，第二区间的开始时刻假设为第一区间的结束时刻，而整流区间的结束时刻假设为第二区间的结束时刻。

在该方法的另一可简单实现的设计方案中，在第一区间和第二区间的布置方案中设置成，测量线圈电流，确定所测得的线圈电流在其中达到第一理论电流进程或第二理论电流进程的时刻，并且将所确定的时刻假设成第一区间的结束时刻和第二区间的开始时刻。在该设计方案的尤其优选的改进方案中，该设计方案与以上说明的设计方案组合。通过设计方案的组合，以尤其简单的方式确定第一区间和第二区间。

在该方法的另一设计方案中设置成，第一理论电流进程确定成，使得电流进程差的值最大为恒定的理论电流的值的15%。该设计方案尤其有利地与恒定的第一理论电流进程相结合，因为方法的实现方案通常不需要在电流调节器处的改变，但是引起振荡时间的显著缩短。

可按照根据本发明的方法的不同的基于彼此构建的设计方案实现对第一区间和/或第一理论电流进程的确定。

在基于彼此构建的设计方案中的第一个中设置成，测量磁场强度或者通过介质在测量管中的流动在介质中通过磁场感应的感应电压或者线圈电流或者由线圈电流在线圈组件中产生的线圈电压作为指示量，并且在使用指示量的情况下确定第一区间和/或第一理论电流进程。

在基于第一设计方案构造的第二设计方案中设置成，在第二区间之内的第三区间中测量指示量。该设计方案所基于的认知是，之后电磁体振荡并且当测得的指示量也是恒定的时产生恒定的磁场强度。优选地，在第三区间之内也实现对感应电压的测量，随后由该感应电压确定流量。

在基于第一或第二设计方案构造的第三设计方案中设置成，通过测量指示量的至少一个第一测量值和第二测量值、形成平均值并且从第一测量值中减去平均值来形成评估量，并且在使用评估量的情况下确定第一区间和/或第一理论电流进程。在此，平均值是至少第一测量值和第二测量值的算术平均值。指示量的质量随着测量值的数量而增加，其中，约数千次的测量值表示在平均值形成和指示量的质量之间的良好折中。

在基于第三设计方案构造的第四设计方案中设置成，通过在整流区间的第二区间中并且在至少一个另外的整流区间的第二区间中确定评估量并且确定评估量的变化来确定趋势量，并且在使用趋势量的情况下确定第一区间和/或第一理论电流进程。趋势量可被改进，在其中利用趋势量形成平滑的平均值并且将其用于确定第一区间和/或第一理论电流进程。

已经已知的是，在确定第一区间和/或第一理论电流区间时考虑磁感应流量测量仪的温度改善了磁感应流量测量仪的测量精度。因此，在该方法的另一设计方案中设置成，测量在磁感应流量测量仪处的温度并且在确定第一区间和/或第一理论电流区间的情况中使用所测得的温度。在该设计方案的改进方案中设置成，测量线圈组件和/或介质的温度和/或过程温度。尤其地，线圈组件的温度非常重要，因为线圈组件的温度对线圈组件的电阻和电感有直接影响。

根据第二教导，本发明涉及一种磁感应流量测量仪，在其中，实现这里所导出且示出的目的。根据本发明的磁感应流量测量仪首先且主要特征在于，控制装置在整流区间之内调整磁场的恒定的磁场强度。

进行这样的调整，即在其中控制装置首先在整流区间之内设置带有开始时刻和结束时刻的第一区间和带有开始时刻和结束时刻的第二区间。之后，控制装置为第一区间确定第一理论电流进程，其中，第一理论电流进程以电流进程差与恒定的理论电流偏差成，使得相对于恒定的理论电流的电流进程差引起磁场强度朝向恒定磁场强度的更高变化率。之后，通过控制装置为第二理论电流进程分配恒定的理论电流，控制装置为第二区间确定第二理论电流进程。此外，控制装置在第一区间中为电流调节器规定第一理论电流进程，并且在第二区间中为其规定第二理论电流进程。

在根据本发明的磁感应流量测量仪的第一设计方案中设置成，电磁体具有整流装置并且整流装置使线圈电流整流。例如，整流装置是h桥式电路，在其中如此布置四个开关，并且如此由电磁体操纵四个开关，即在整流区间的时间间隔中，使通过线圈组件的线圈电流的方向反转。在备选的设计方案中，电流调节器自身产生整流的线圈电流，独立的整流装置由此是多余的。

在根据本发明的磁感应流量测量仪的另一设计方案中设置成，控制装置构造成用于实施以上说明的根据本发明的方法中的一个。

根据本发明的方法的实施方案相应地也适用于根据本发明的芯磁性流量测量仪，且反之亦然。

附图说明

具体地给出多种设计和改进根据本发明的方法和根据本发明的磁感应流量测量仪的可能性。为此，不仅参考权利要求1和13的从属权利要求而且参考以下结合附图对优选的实施例的说明。其中：

图1显示了磁感应流量测量仪的实施例，

图2a显示了在时间上示意性示出的理论电流进程，

图2b显示了在时间上示意性示出的测得的被整流的线圈电流，

图2c显示了在时间上示意性示出的测得的线圈电压，以及

图2d显示了在时间上示意性示出的磁场的磁场强度。

附图标记清单

1磁感应流量测量仪

2测量管

3电磁体

4磁场

5控制装置

6电流调节器

7线圈组件

8整流装置

9第一信号路径

10线圈

11磁轭

12介质

13第一测量电极

14第二测量电极

15第二信号路径

16第三信号路径

17第四信号路径

18第五信号路径

19第六信号路径

h磁场强度

hkonst恒定的磁场强度

i电流

is线圈电流

is,k整流的线圈电流

isoll,konst恒定的理论电流

isoll,1第一理论电流进程

isoll,2第一理论电流进程

δisoll电流进程差

us线圈电压

us,konst恒定的线圈电压

ui感应电压

t时间

δtk,1第一整流区间

tk,1,a第一整流区间的开始

tk,1,e第一整流区间的结束

δtk,1第二整流区间

tk,2,a第二整流区间的开始

tk,2,e第二整流区间的的结束

δt1第一区间

δt1,a第一区间的开始

t1,a第一区间的开始时刻

t1,e第一区间的结束时刻

δt2第二区间

t2,a第二区间的开始时刻

t2,e第二区间的结束时刻

δt3第三区间。

具体实施方式

图1显示了在运行中的磁感应流量测量仪1。磁感应流量测量仪1具有测量管2、用于产生磁场4的电磁体3和控制装置5。测量管2以剖切的俯视图示出。电磁体3又具有电流调节器6、线圈组件7和整流装置8。

在该实施例中，电流调节器6是模拟的电流调节器并且具有唯一受控的、产生线圈电流is的电流源和调节回路。调节回路的功能通过参考量、调节量和调整量描述。调整量控制受控的电流源，调节量是受控的电流源根据调整量产生的线圈电流is，而参考量是为电流调节器6规定的理论电流，见图2a。由控制装置5为电流调节器6规定该理论电流。为此，控制装置5利用微控制器和数字-模拟-转换器产生描述理论电流的信号，并且之后将该信号通过第一信号路径9传递到电流调节器6处。

电流调节器6将在规定的理论电流与所产生的线圈电流is之间的差假设为调节偏差并且使该调节偏差最小化，由此，使调节量跟随参考量。在此，最高以电流调节器6固有的最大调节量变化率进行调节量的跟随。调节量的最大变化率是电流调节器6通过其调节性能所固有的。为了使调节偏差最小化，在该实施例中调节回路不仅具有成比例的调节性能而且具有积分和微分的调节性能。相应地，电流调节器6是pid电流调节器。如果参考量大于为了达到调节量的最大变化率所需的参考量，则电流调节器过调。

在该实施例中，整流装置8具有带有四个开关的h桥形电路，这些开关布置且运行成，使得在整流区间δtk的时间间隔之内使线圈电流is整流，从而得到经整流的线圈电流is,k，见图2b。经整流的线圈电流is,k与线圈电流is的区别仅仅在于，经整流的线圈电流is,k在整流区间δtk的时间间隔中反转其方向。经整流的线圈电流is,k引起线圈电压us(见图2c)和磁场强度h(见图2d)。线圈电压us以没有通过线圈10的欧姆电阻引起的电压份额的方式示给出。在备选的实施例中，唯一的电流源直接产生经整流的线圈电流is,k。

线圈组件7具有线圈10和磁轭11。线圈10在磁轭11的一区段中围绕磁轭11卷绕并且磁轭11由带有低磁阻的材料制成，从而由经整流的线圈电流is,k在线圈10中产生的磁场4优选地在磁轭11中扩散。磁轭11设计成，使得其形成带有气隙的磁路，其中，测量管2布置在气隙中。在图1中仅仅示意性地示出了在气隙中的磁场4。磁场4穿过测量管2并且至少部分地穿过流过测量管2的介质12。在此，磁场4的方向垂直于介质12的流动方向，由此，在介质12中感应出电势进程，即该电势进程的方向不仅垂直于磁场4的方向并且也垂直于介质12的流动方向取向。

测量管2的壁由对于磁场来说透明(即不影响磁场4)的材料制成。在测量管2的壁中，两个凹口相对，其中，在一凹口中布置第一测量电极13而在另一凹口中布置第二测量电极14。第一测量电极13和第二测量电极14与介质12电流接触。在第一测量电极13与第二测量电极14之间存在通过在介质12中的电势进程引起的感应电压ui。控制装置5经由第二信号路径15和第三信号路径16测量该感应电压ui。

除了感应电压ui之外，控制装置5也还经由第四信号路径17测量经整流的线圈电流is,k并且经由第五信号路径18和第六信号路径19测量线圈电压us。

当控制装置5经由第一信号路径9为电流调节器6规定恒定的理论电流isoll,konst时，电磁体3振荡地产生恒定的磁场强度hkonst。磁场的振荡意味着，在恒定的理论电流isoll,konst流过线圈10起的这样的时刻中，在介质12中还不存在恒定的磁场强度hkonst。磁场4的振荡主要由于磁轭11的材料性能引起。已经已知的是，该材料性能与在铁磁材料的情况中引起滞后的材料性能相似。

在该实施例中，控制装置5通过实施以下结合图2a至2d说明的方法，在带有开始时刻tk,1,a和结束时刻tk,1,e的第一整流区间δtk,1之内调整恒定的磁场强度hkonst，并且在带有开始时刻tk,2,a和结束时刻tk,2,e的第二整流区间δtk,2之内调整恒定的磁场强度-hkonst。

在图2a至2d中，完整地示出了第一整流区间δtk,1和第二整流区间δtk,2，其中，第一整流区间δtk,1的结束时刻tk,1,e与第二整流区间δtk,2的开始时刻tk,2,a重合。第一整流区间和第二整流区间彼此的区别在于，在第一整流区间δtk,1期间线圈电流is在一方向上流过线圈10而在第二整流区间δtk,2期间线圈电流is在相反的方向上流过线圈10。线圈电流is的整流通过整流装置8实现。以下仅仅参考第一整流区间δtk,1。用于第一整流区间δtk,1的实施方案也适用于第二整流区间δtk,2并且不仅适用于在第一整流区间δtk,1之前的整流区间也适用于在第二整流区间δtk,2之后的整流区间。

在该方法的第一步骤中，控制装置5在第一整流区间δtk,1之内设置带有开始时刻t1,a和结束时刻t1,e的第一区间δt1和带有开始时刻t2,a和结束时刻t2,e的第二区间δt2。在该实施例中，第一区间δt1的开始时刻t1,a与第一整流区间δtk,1的开始时刻tk,1,a重合，第一区间δt1的结束时刻t1,e与第二区间δt2的开始时刻t2,a重合，而第二区间δt2的结束时刻t2,e与第一整流区间δtk,1的结束时刻tk,1,e重合。

在方法的第二步骤中，控制装置5为第一区间δt1确定第一理论电流进程isoll,1，其中，第一理论电流进程isoll,1以电流进程差δisoll与恒定的理论电流isoll,konst偏差成，使得相对于恒定的理论电流isoll,konst的电流进程差δisoll引起磁场强度h朝向恒定的磁场强度hkonst的更高的变化率。在该实施例中，第一理论电流进程isoll,1在整个第一区间δt1中是恒定的。第一理论电流进程isoll,1的值以电流进程差δisoll的值大于恒定的理论电流isoll,konst的值。通过第一理论电流进程isoll,1相对于恒定的理论电流isoll,konst的值的更大的值，来引起磁场强度h朝向恒定的磁场强度hkonst更高的变化率。第一整流区间δtk,1的开始时刻tk,1,a到恒定的磁场强度hkonst的持续时间被称为振荡时间。通过磁场强度h更高的变化率，缩短该振荡时间。此外，第一理论电流进程isoll,1在第一区间δt1开始δt1,a时引起电流调节器6过调，由此进一步缩短振荡时间。

在该实施例中，通过控制装置5经由第四信号路径17测量整流的线圈电流is,k来确定第一区间δt1的结束时刻t1,a，控制装置5确定了在其中所测得的整流的线圈电流is,k达到恒定的理论电流isoll,konst的时刻，并且将该时刻假设为第一区间δt1的结束时刻t1,e。通过一方面第一区间δt1的开始时刻t1,a与第一整流区间δtk,1的开始时刻tk,1,a重合并且第二区间δt2的结束时刻t2,e与第一整流区间δtk,1的结束时刻重合，并且另一方面第一区间δt1的结束时刻t1,e和第二区间δt2的开始时刻t2,a与在其中整流的线圈电流is,k达到恒定的理论电流isoll,konst的时刻重合，不仅完整地确定了第一区间δt1而且完整地确定了第二区间δt2。

在该方法的第三步骤中，通过控制装置5为第二理论电流进程isoll,2分配恒定的理论电流isoll,konst，控制装置5为第二区间δt2确定第二理论电流进程isoll,2。

在该方法的第四步骤中，控制装置5在第一区间δt1中为电流调节器6规定第一理论电流进程isoll,1并且在第二区间δt2中为电流调节器6规定第二理论电流进程isoll,2。

附加地，在该实施例中，控制单元5实施用于适应性地匹配第一理论电流进程isoll,1的值的方法。该方法包括，在至少第一整流区间δtk,1和第二整流区间δtk,1中确定评估量。评估量的确定对于所有整流区间来说都是相同的，因此接下来仅仅对于第一整流区间对其进行说明。

控制装置5首先经由第五信号路径18和第六信号路径19在设置第二区间δt2之内的第三区间δt3中测量通过经整流的线圈电流is,k(见图2b)在线圈10中引起的线圈电压us(图2c)，将其作为指示量。将线圈电压us假设成指示量所依据的认知是，当不仅经整流的线圈电流is,k而且磁场强度h(见图2d)是恒定的，线圈电压us也是恒定的。如果虽然经整流的线圈电流is,k是恒定的但磁场强度h不是恒定的，线圈电压us也不是恒定的，并且线圈电压us的在时间上的进展包含关于磁场强度h的在时间上的进展的信息。那么，通过在该实施例中数千次地测量指示量的测量值，通过数千次的测量值形成算术平均值并且由第一测量值减去平均值，控制装置5从指示量中形成评估量。

之后，通过确定评估量在整流区间上的变化，控制装置5从至少第一整流区间δtk,1和第二整流区间δtk,2的评估量中确定趋势量。在使用趋势量的情况下适宜地匹配第一理论电流进程isoll,1的值。