专利名称：变频磁流量计的制作方法
技术领域：
本实用新型主要涉及流体处理，并且具体地，涉及过程流量测量和控制。特别地，本实用新型涉及用于磁流量计的测量技术。
背景技术：
磁流量计(或磁计量器(mag meter))通过法拉第感应、电磁效应测量流量。流量计激励线圈以在管道部分上产生磁场，并且磁场在过程流上感应电动势(EMF)。使用延伸通过管道部分和进入过程流的一对电极或者通过电容性耦合测量产生的电势差(或电压)。流速与感应电动势成比例，并且体积流速与流速和过流面积成比例。 一般情况下，电磁流量测量技术能够应用于水基流体、离子溶液和其他传导流。具体用途包括污水处理设施、高纯度药品生产、卫生食品和饮料生产以及化学处理，包括危险和腐蚀性过程流。磁流量计还用在碳氢燃料工业中，包括利用研磨和腐蚀性泥浆的水力压裂技术，和其他油气开采和加工方法。磁流量计在其中由于相关的压降(例如，在孔板或文丘里管上)而使得基于压差的技术不受欢迎的应用中提供快速、精确的流量测量。当将机械元件引入过程流是困难的或不切实际时，也可以使用磁计量器，如涡轮转子、涡流脱落元件或皮托管。在这些应用中，存在对改进磁流量测量技术的持续需要。特别地，存在在经受包括电子、机械和电磁噪声影响的过程噪声影响的高精度应用中降低流量测量的偏差的需求。
实用新型内容根据本实用新型的一个方面，提供了一种磁流量计，包括用于过程流的管道部分；线圈，用于在管道部分上产生磁场；电流源，用于激励线圈以产生磁场，其中电流源以多个不同脉冲频率激励线圈；电极，用于检测在过程流上由磁场感应的电动势；和处理器，用于计算在所述多个不同脉冲频率处的电动势的函数，并且用于基于所述函数产生流量输出。根据本实用新型的实施例，较佳地，在上述磁流量计中，所述多个不同脉冲频率可以包括至少三个不同脉冲频率。较佳地，在上述磁流量计中，电极检测在多个不同相位处的电动势。根据本实用新型的另一个方面，提供了一种磁流量计，包括管道部分，管道部分具有内径和外径；线圈，靠近管道部分的外径；连接到线圈的脉冲式电流源，其中脉冲式电流源提供多个不同脉冲频率；电极，从管道部分的外径延伸到管道部分的内径，其中电极检测在管道部分上的电动势；和连接到电极的处理器，其中处理器产生作为在所述多个不同脉冲频率处的电动势的函数的流量输出。根据本实用新型的实施例，较佳地，上述磁流量计还可以包括在管道部分的内径上的衬里，其中电极延伸穿过衬里以接触过程流。
图I是在具有一体安装变送器的带法兰的实施例中的磁流量计的示意性侧视图。图2是在具有远程安装变送器的圆片型的实施例中的磁流量计的示意性端视图。图3是用于具有变频脉冲式电流源的磁流量计的接线图。图4是变频脉冲电流信号的曲线图。图5是说明用于用变频磁流量计测量流量的方法的流程图。
具体实施方式
图I是在具有一体化安装变送器12的法兰配置中的磁流量计10的一个实施例的示意性侧视图。流量计10包括传感器壳体14和管道部分16，线圈18和电极20 (虚线所示)位于传感器壳体14中。变送器12包括变送器壳体22，变送器壳体22带有电路板(或控制器)24(也以虚线所示)，和本地操作者界面(L0I)26。如下所述，控制器24产生用于线圈18的变频脉冲式激励电流，在经受过程噪声的环境中，提高性能和减少信号偏差。在图I的一体化安装实施例中，变送器12直接地安装在传感器壳体14的接口部分14A上，在控制器24、线圈18和电极20之间进行直接内部连接。可替换地，变送器12被远程地安装并且连接是外部的，如图2所示。传感器壳体14由诸如碳钢之类的坚固、耐用磁性金属形成，，以屏蔽线圈18和电极20免受可能会影响流量测量的外部场和干扰的影响。传感器壳体14还防止污垢、油和水污染，抑制易爆和腐蚀性物质的进入，并避免与在工业加工环境中的其他危害接触。管道部分16包括可变长度的管道或过程流导管，具有范围从二分之一英寸(12. 7毫米)或更少到十二英寸(30厘米)或更多的内径(ID)。管道部分16通常由诸如不锈钢之类的非磁性金属形成，以通过由线圈18在过程流上所产生的磁通线。在图I的法兰实施例中，管道部分16包括通孔法兰28，用于采用在运输和安装过程中支撑流量计10的凸缘28A将磁流量计10安装在管道(piperun)或其他流动结构中。根据实施例，法兰28可由不锈钢材料(例如，如用于管道部分16)或碳钢材料(如用于传感器壳体14)形成。可替换地，传感器壳体14、管道部分16和法兰28中的任何一个都可以由碳钢、不锈钢、铝、铜、黄铜或其他金属或金属合金形成，或由耐用聚合物或热塑性材料形成,如PVC(聚氯乙烯)或ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)。线圈18和电极20位于传感器壳体14内。线圈18包括缠绕铜线或其他导电绕组，缠绕铜线或其他导电绕组围绕管道部分16的外径(OD)定向，以在过程流上产生磁场。在一些实施例中，线圈18结合软磁心和通量返回部件，以增加场强度和均匀度，或成形场线和减少传感器壳体14外侧的边缘通量。电极20延伸通过管道部分16以通过直接电接触或电容性耦合检测在过程流上感应的电势差(或EMF)，或者。取决于实施例，可以提供电极盖30，用于访问电极20，电极盖30具有用于标示流量计的制造商、型号或序列号的铭牌32。如图I所示，电极20也可以被“时钟控制(clocked) ”或围绕轴线A转动，从而使电极平面关于中心线CL定向在高达45度的倾斜角度处。变送器壳体22包括用于电子元件板24和本地操作者界面26的前盖34，和用于将变送器12连接到电源(PS) 40和过程控制单元(P⑶)42的导管连接件36。电源40包括交流(线)或直流电源，或二者。过程控制单元42包括远程通信装置、远程操作装置或过程控制系统，其利用来自磁流量计10的输出，以监视或控制过程变量，包括但不仅限于，通过管道部分16的流量。在二线式实施例中，变送器12适应一系列不同通信协议，包括但不限于，标准模拟(4-20毫安)信号、模拟-数字混合协议(诸如HART )和数字化测量和控制架构(包括 Foundation 现场总线，PROFT BUS/ PROFT* NET 和Pl antWeh1)。可替换地，变送器12利用环路线路、电缆、控制总线和数据线或用于射频RF)、红外(IR)或光通信的无线接口的结合。在这些和其他的实施例中，合适的变 送器12及磁流量计10可从明尼苏达州EdenPrairie 市的 Rosemount 公司和 Emerson Process Management 公司获得，具有在此描述的改善。图2是具有远程安装变送器12的圆片型(无凸缘)配置中的磁流量计10的示意性侧视图。取决于实施例，磁流量计10还采用附加安装结构，包括但不局限于，对准环、带螺纹的压合接头和外部套环型连接元件。在其中管道部分16附近没有足够空间的受限安装中，图2的远程安装配置允许变送器12位于在诸如梁、壁或隔断之类的过程结构的附近，或位于另一个流管或导管上。可替换地，变送器12可以定位为距离传感器壳体14达到1000英尺(约合240米)或更多，例如用于适应更加集中或易接近的变送器布置，或将变送器12定位在过程环境外的控制室中。为了包括这些实施例的每一个，在这里使用的术语“流量计”可以不仅包括管道部分16、传感器壳体14以及其内部部件，而且包括变送器12及其部件。特别地，“流量计”可以包括变送器12的一体安装和远程安装实施例两者，而不管变送器12和传感器壳体14之间的连接长度，并且不管形成连接的特定形式。在图2的端视图中，管道部分16 (用交叉影线显示)轴向地延伸通过传感器壳体14,并且传感器壳体14形成围绕管道部分16、线圈18和电极20的环形壳体。磁场B横向地定向跨过管道部分16，大致垂直过程流。衬里44由非磁性绝缘材料形成，其作为衬管道部分16的内径的衬里，以在管道部分16和过程流之间形成电的、化学的和机械的屏障。特别地，衬里44将管道部分16与过程流体隔离，并且防止由于在过程流中的化学和研磨剂的侵蚀和腐蚀。在一些实施例中，衬里44由PFA (全氟烷)材料组成，如Tef Ion气Tef I on -PFA或Tef ze V -PFA、PPS (聚苯硫醚)材料，如RytoniPPS,或其它艮合物，如氯丁橡胶、聚氨酯橡胶或天然橡胶，如在商业上可以从包括Rosemount公司的商业供应商获得。线圈18围绕管道部分16的外径定向，并且被配置为在过程流中产生磁场B。电极20从管道部分16的OD延伸穿过管道部分16的ID上的衬里44，与过程流进行电接触，以检测由磁场B感应的电动势。可替换地，电极20与过程流形成电容性稱合或联接(capacitivecoupling)。此外，电极20的平面可以垂直于中心线CL，如图2所示，或电极可以被时钟控制在高达45°的倾斜角处，如图I所示。变送器12包括变送器壳体22，变送器壳体22具有用于电子元件板24和本地用户界面26的前(电子元件)盖34、以及用于一个或多个接线板48的后(终端)盖46。变送器壳体22还提供附加的管道连接件36，用于将变送器12连接到传感器壳体14的接口部分14A。电子元件板(或控制器)24包括处理器或微处理器(μΡ)24Α和变频电源(VFDC) 24Β。处理器24Α包括接口，该接口用于连接到过程控制系统或远程操作装置以及用于传送代表通过管道部分16的流量的输出。本地操作者界面26包括用于本地控制和与变送器12通信的交互式可视化显示器。在一些实施例中，本地操作者界面26包括基于菜单的导航键，以输入安装数据和配置参数，运行测试模式，并访问其他变送器功能。接线板48由耐用塑料或其他绝缘材料形成，具有用于电源和与过程控制系统的输入/输出(I/o)通信的电连接，如图I所示。取决于实施例，也可以提供一个或多个接线板48，用于形成到传感器壳体14中的线圈18和电极20的连接，如图3所示。控制器24、本地操作者界面26和接线板28的各个部件可以设置成不同的电子元件板或电路元件的形式，如图2所示，或设置成集成电子组件或堆栈。此外，控制器24也可以被配置为在用于变频电流源24Β的内部电源和外部电源之间切换。在一些实施例中，如图I所示，磁流量计10利用外部电源40，其提供由变频电流源24Β切换、脉冲化或调制的交流或直流电流。在这些实施的每一个中，变频电流源24Β提供脉冲激励电流到线圈18，并且该电流被以多个不同频率脉冲化。电极20检测在过程流中感应的电动势，并且处理器24Α基于在多个不同脉冲频率处的电动势的函数计算流量输出。在一般情况下，该函数包括如在每个不同的脉冲频率处感应的电动势信号的均值、加权平均数或其他平均函数，，以减少由于如下所述的噪声影响引起的信号偏差。更具体地说，线圈18被配置以在管道部分16内部产生大致均匀磁场B。通量线横跨管道部分16和衬里44定向，如图2所示，在大致垂直或法线方向上(即，以约90° )与过程流交叉。在相对较宽的操作范围上，磁场强度(或磁通量密度)大约与激励电流成比例，激励电流在由变频电流源24Β向线圈18发出脉冲信号时接通和断开磁场。当传导过程流流动通过磁场B时，在电极20上形成法拉第环。电极20检测管道部分16上的感应电动势(或法拉第电压)，其中感应电动势与流速和磁场强度大致成比例。在数学形式中，感应电势E与平均流速V、平均磁场强度B和由衬里44限定的流道的内径D成比例E = kVBD [I]“K因数”⑷是取决于测量E、V、B和D所采用的单位的比例常数。转化公式1，流速V作为感应电势E、磁场强度B和流道直径D的函数给出V = E/kBD [2]体积流量等于平均流速乘以过流面积。图3是用于磁流量计10的示意性接线图。在此实施例中，如上所述，电极20延伸穿过管道部分16和衬里44以检测由横过磁场B的过程流体流感应的电动势。接线板48将处理器24A连接到电极20以及将电源24B连接到线圈18。为了提高精度，磁流量计10被配置用于脉冲式DC(直流)操作。在这种模式中，处理器24A比较来自电极20的在最大(峰值)和最小(接近零)磁场处感应的电动势信号，以纠正偏移和零点漂移。脉冲式直流测量也减少过程流体和电极20之间的电解反应、到线圈18的电容性耦合、基于阻抗的相移和包括磁场和过程流体或电极信号线之间的电感率禹合的正交作用(quadrature contribution)的影响。变频电流源24B也改变脉冲电流频率以降低过程噪声影响。在一些实施例中，处理器24A定时(clocks)电流源24B以调节脉冲频率或占空比，如图3所示。可替换地，电流源24B包括内部脉冲调制电路部件，或用于定时外部电流源的门或时钟，如上所述。图4是变频脉冲电流信号I的曲线图，带有同时产生的过程噪声信号N。每个电流脉冲由脉冲振幅A、脉冲宽度W(或W’)和脉冲周期T(或T’、T”)限定。脉冲周期T限定脉冲频率(f = 1/Τ)，并且通过脉冲宽度W除以脉冲周期T给出占空比(B卩，占空比=W/T，或等价地，占空比=W)。电流脉冲幅度A取决于线圈电阻和输入电压，输入电压通常从IOV到40V或更多变化。在一些实施例中，脉冲电流I是严格的DC(直流)信号，并且线圈电流和磁场具有大致恒定的(脉冲)极性。在其他实施例中，使用AC(交流电)源，或电子元件引入移位或偏移以在线圈18中产生脉冲AC信号。在这些实施例中，线圈电流和磁场两者可以周期性地逆转方向。噪声信号N由多种不同作用产生。这些作用包括来自线路功率和其他交流信号的电子纹波和渗透(bleed-through)、和来自泵、压缩机、涡轮机和其他旋转装置的压力或流量脉动(flow pulsation)。噪声信号N还由在管道部分和其他过程结构中的机械振动独立于其它来源或与其他来源结合产生。在图4的特定实施例中，第一组电流脉冲具有近似恒定的脉冲宽度W和周期T，具有对应于占主导地位的噪声信号的频率f。在采样相位S处测量感应电动势，采样相位S被以逐个脉冲为基础定义为脉冲周期T的一部分或分数。一般地，在磁场已经被设置在大致最大值处以后，在每个电流脉冲接近结束时选择采样相位S。当噪声信号N匹配采样频率时，流量测量受到偏差影响，因为每个样本“读取”噪声信号的相同相位，导致朝向更高或更低值的恒定移位。当噪声和采样频率是谐波关系(harmonic relationship)时,效果是类似的,特别是对于主导大致方波脉冲电流信号I的傅立叶变换的一阶、三阶和其他奇数阶谐波。然而，由于跳动产生(beat generation)和其他干扰影响，偏差影响也可以发生在非谐波采样和噪声频率处。因此，不管噪声信号N的特定形式，常数频率采样通常将偏差进入流量测量。特别地，在泵和其它涡轮机械循环开启和关闭时，或当特定噪声频率在采样频率(或其谐波)上变化时，可能引入偏差。大功率机械装置即使在没有直接流动耦合的情况下也可以产生噪声，，例如，通过在流动管道和其它过程结构中诱发机械振动，或通过线路功率上的渗透(bleed-through)。为了减少这些影响，线圈电流的脉冲频率变化，如图4所示。特别地，脉冲宽度为W和脉冲周期T是能够独立地变化的，从而以固定宽度或固定占空比增加或减少脉冲频率，或者作为频率的函数改变脉冲宽度和占空比两者。结果，采样相位S相对于噪声信号N变化，通过在不同相位和相应幅度的范围内对噪声进行采样而减少偏差。在图4的特定示例中，线圈电感相对低并且电流脉冲在大部分脉冲宽度W内具有长的“平坦”或坪区或平稳区域(plateau region) 0在这种情况下，也能够独立于脉冲周期T调整采样相位S，。在其它配置中，特别地是对较大的管径，稳定时间可以较长，并且平稳区域可以相对较窄，这需要增加脉冲宽度W。图5是流程图，说明用于使用变频磁流量计测量流量的方法50。方法50包括在过程流上产生脉冲磁场(步骤52)、检测由磁场感应的电动势(步骤54)、改变脉冲磁场的频率(步骤56)、计算在多个不同频率处的电动势的平均函数(步骤58)和基于平均数输出流量测量值(步骤60)。在一些实施例中，方法50还包括加权频率(步骤62)以产生加权平均数(weighted average),例如以排除经受噪声引起的偏差的一个或多个频率。在其他实施例中，方法50包括改变采样相位(步骤64)和加权相位(步骤66)以产生加权平均数。在进一步实施例中，方法50包括基于特定频率或相位处的电动势的与均值或平均数相比的偏差或差异产生警报(步骤68)。 产生脉冲磁场(步骤52)包括激励线圈或其他场源以在过程流中产生脉冲磁场。如上文针对图4描述描述的那样，磁场特性由电流脉冲幅度、脉冲宽度和脉冲频率确定。检测电动势(步骤54)包括例如使用定位在有衬里的流管上(图2)的一对电极检测由磁场感应的电压或电势差。电势差(即感应电动势)随磁场强度和平均流速变化，典型地以大致线性形式变化。改变脉冲磁场的频率(步骤56)包括改变激励电流源的频率以产生多个不同的脉冲频率。如上所述，取决于额外参数，如线圈电感和流量计几何形状，磁场脉冲形状和脉冲频率跟随电流脉冲的形状和脉冲频率。在一些实施例中，独立于脉冲宽度，通过改变脉冲周期而改变脉冲频率，并且占空比相应地增加或减少。在其他实施例中，脉冲宽度也变化，并且脉冲频率和占空比是独立的。在典型的实施例中，至少产生三个不同的脉冲频率。在一般情况下，采样频率间隔，以使谐波不重叠，或使一组谐波与其他组谐波不重叠。这通过避免噪声信号的重复的谐波采样而进一步降低偏差。计算平均数(步骤58)包括限定多个不同脉冲频率处的电动势的平均函数。在一些实施例中，平均函数包括在每一个不同的频率处的电动势的共同(未加权)均值，每个基值(contribution)给予相等权值。在其它实施例，平均函数包括基于不同频率和相位基值(phase contribution)的加权均值(weighted mean)或加权平均数,如下所述。在进一步的实施例中，平均函数包括来自不同采样期间的基值，例如，在两个、三个或更多连续采样周期上获得的连续平均值，或包括其中基于相对采样时间给予基值权值的时间加权平均值。产生输出(步骤60)包括基于平均函数产生代表过程流量的输出信号。特别地，所述输出基于在多个不同脉冲频率处、而不是单个脉冲频率处的电动势的均值、平均数或加权平均数。加权频率(步骤62)包括将每个脉冲频率处感应的电动势与共同均值(commonmean)进行比较，限定共同均值和电动势之间的用于每个脉冲频率的差异，并且基于差异加权平均数。所述差异被不同地限定为相对于均值的绝对或相对)偏差，或通过统计方法限定，统计方法例如为基于标准偏差的Z-分数，或基于偏差或Z-分数的可能性或概率。在一个实施例中，权值是O或I。这基本上是表决或否决技术，其中，在均值的特定范围内的电动势值被赋值为统一相对权值1，并且在该范围以外的那些被赋值为权值O。因此，O加权值因此被“否决”或从流量输出排除，而I加权值是被包括在内的。在一些实施例中，在与特定频率相应的电动势与均值相差超过流量计的额定精度时，该特定频率被否决或排除。对于高精度应用，额定精度可以是1%或更低，例如约O. 2%。在其他实施例中，当特定频率相应的电动势与均值相差选择数量的标准偏差时，例如，相差一个、两个或三个，或当电动势的概率或可能性(例如，基于随机采样假说)少于特定阈值时，例如或10%，该特定频率被否决或排除。在进一步的实施例中，在减少的样品上重复统计分析，以验证剩余的测量，并且排除基本上不同于新的平均数的任何额外频率。可替换地，使用连续加权的平均数，其中权值由可能性或概率函数限定，如上所述，具有O和I之间的相对权值。方法50还可以包括在多个不同相位处检测电动势(步骤64),如图4所示。在这些实施例中，计算平均数(步骤58)包括计算在多个不同的脉冲频率和多个不同相位处的电动势的平均数。·在不同相位处检测电动势进一步减少偏差，因为其产生过程流的更完整的样本，包括噪声成分的不同相位和幅度。在一些实施例中，流量输出基于如在每个单独的相位处采样的电动势的共同(或者未加权)均值。在其它实施例中，所述输出包括不同相位基值的加权均值(weighted mean)(步骤62),其中权值基于与平均数(或共同均值)的差异或偏差，如上文针对频率加权(步骤66)描述的那样。因此，取决于实施例，流量函数可以包括在多个不同频率或在多个不同频率和多个不同相位处的电动势的平均数。流量输出又可以包括基于不同频率和相位基值的共同均值、平均数或加权平均数。在一些实施例中，处理器产生偏差降低的可变频率的流量测量，无需额外的操作者输入或配置要求，并且不论噪声信号本身的性质或来源。例如，当泵或其他噪声源被引入过程系统中时，平均函数自动地降低流量计输出中的偏差，无论是否识别噪声源。偏差通过频率和相位加权被进一步降低，这自动地适应噪声频谱中的变化(例如，当泵或涡轮速度变化时)，无需频率匹配、相位锁定和其他复杂信号处理技术。在一些实施例，在任何频率或相位分量的偏差超过特定阈值时，基于其与共同均值或平均数的差，产生警告输出或警报指示(步骤68)。在一般情况下，警报阈值可以对应于否决阈值，如上所述(例如，百分比或西格马偏差，或可能性)，但警报信号独立于频率或相位加权。因此，能够基于特定频率或相位基值与均值的偏差产生警报指示，不论偏差是否用来加权在流量测量输出中使用的平均数。虽然已经参考示例性实施例描述了本实用新型，本领域技术人员将理解，可以在没有背离本实用新型的范围的情况下进行各种变化和用等同物代替其元件。此外，在没有背离本实用新型的本质范围的情况下，可以做出修改以使特殊情况或材料适应本实用新型的教诲。因此，本实用新型不限于在此公开的特定实施例，而是包括落入附后权利要求的包含范围内的全部实施例。
权利要求1.一种磁流量计，其特征在于包括 用于过程流的管道部分； 线圈，用于在管道部分上产生磁场； 电流源，用于激励线圈以产生磁场，其中电流源以多个不同脉冲频率激励线圈； 电极，用于检测在过程流上由磁场感应的电动势；和 处理器，用于计算在所述多个不同脉冲频率处的电动势的函数，并且用于基于所述函数产生流量输出。·
2.根据权利要求I所述的磁流量计，其中所述多个不同脉冲频率包括至少三个不同脉冲频率。
3.根据权利要求I所述的磁流量计，其中电极检测在多个不同相位处的电动势。
4.一种磁流量计，其特征在于包括 管道部分，管道部分具有内径和外径； 线圈，靠近管道部分的外径； 连接到线圈的脉冲式电流源，其中脉冲式电流源提供多个不同脉冲频率； 电极，从管道部分的外径延伸到管道部分的内径，其中电极检测在管道部分上的电动势；和 连接到电极的处理器，其中处理器产生作为在所述多个不同脉冲频率处的电动势的函数的流量输出。
5.根据权利要求4所述的磁流量计，还包括在管道部分的内径上的衬里，其中电极延伸穿过衬里以接触过程流。
专利摘要本实用新型公开一种变频磁流量计，包括用于过程流的管道部分、用于在管道部分上产生磁场的线圈、用于激励线圈以产生磁场的电流源和用于检测在过程流上由磁场感应的电动势的电极。电流源以多个不同脉冲频率激励线圈。处理器计算在所述多个不同脉冲频率处的电动势的函数，并且基于该函数产生流量输出。
文档编号G01F1/58GK202770479SQ20122020235
公开日2013年3月6日 申请日期2012年5月8日 优先权日2011年6月28日
发明者布鲁斯·大卫·罗弗纳 申请人:罗斯蒙德公司