CN114787587A - 用于操作磁感应流量计的方法及磁感应流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作磁感应流量计的方法，其中，该磁感应流量计具有：用于传导可流动介质的测量管；用于检测在介质中感应的基于流速的测量电压的至少两个测量电极；以及，用于产生穿过测量管的磁场的磁场产生设备，所述磁场产生设备具有线圈。该方法具有以下步骤：‑向线圈施加控制电压，以产生线圈电流随时间的改变；以及，‑确定在转换区域中线圈电流随时间的改变，其中，线圈电流在转换区域中改变，直到达到目标线圈电流(I_目标)。

Description

用于操作磁感应流量计的方法及磁感应流量计

背景技术

磁感应流量计被用于确定管道中流动介质的流量和体积流量。磁感应流量计具有产生垂直于流动介质的流动方向的磁场的磁体系统。单线圈通常用于此目的。为了实现均匀占主导的磁场，另外形成和附接极靴，使得磁场线基本上垂直于横轴或平行于测量管的竖直轴在整个管横截面上延伸。附接到测量管的侧面的测量电极对分接电测量电压或电位差，该电测量电压或电位差垂直于流动方向和磁场被施加，并且当在磁场被施加时导电介质以流动方向流动时发生。因为根据法拉第感应定律，分接的测量电压取决于流动介质的速度、流量U，并且借助已知的管道横截面，能够从感应的测量电压

确定体积流量u。

磁感应流量计经常在过程和自动化技术中用于电导率高达约5μS/cm的流体。对应的流量计由申请人以用于各种应用领域的多种设计(例如，以名称PROMAG)销售。

传统的磁感应流量计具有测量系统周围的外壳，该外壳被配置为保护测量系统免受损坏和外部影响，诸如外部磁场。在没有屏蔽的情况下，外部磁场影响测量管内部产生的磁场，其导致测量误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于操作磁感应流量计的方法，利用该磁感应流量计能够检测由于外部磁场引起的影响。

此外，该目的是提供一种磁感应流量计，其被设计为执行该方法。

通过根据权利要求1所述的用于操作磁感应流量计的方法以及通过根据权利要求12所述的磁感应流量计来实现该目的。

根据本发明的用于操作磁感应流量计的方法，

该磁感应流量计具有：用于传导可流动介质的测量管；用于检测在介质中感应的与流速相关的测量电压的至少两个测量电极；以及，用于产生穿过测量管的磁场的磁场产生设备，

其中，该磁场产生设备具有线圈；

并且该方法包括以下方法步骤：

-向线圈施加控制电压，以便产生线圈电流随时间的改变；以及

-确定在转换区域中线圈电流随时间的改变，

其中，在该转换区域中，存在线圈电流的改变，直到达到目标线圈电流I_目标。

特别有利的是，能够经由监视线圈电流随时间的改变来推断干扰影响的存在。因此，测量管内或测量管上不需要额外的传感器，诸如霍尔传感器或

探头，它们监视测量管中得到的磁场。

对测量管中得到的磁场的可能干扰影响是永磁体的外部磁场、环境温度的波动、传导介质中的铁磁成分、对于磁场产生设备的损坏、生产误差和/或例如电动机或发电机的外部磁场。

传统的磁感应流量计具有以具有交替电流方向的直流电工作的线圈。线圈电流已经达到其目标值并且线圈电流基本上恒定的时间段被称为测量范围。两个连续测量范围之间的时间段在下文中被称为转换区域。改变施加的线圈电压的符号导致线圈电流在该时间段中改变，直到它已经达到目标线圈电流I_目标。

目标线圈电流I_目标能够是调节所基于的线圈电流，并且当达到所述目标线圈电流时，测量在流动介质中感应的电压。在这种情况下，这样的目标线圈电流被称为线圈测量电流。然而，用于调节线圈电流的方法也是已知的，利用该方法将转换区域中的线圈电流调节到另外的目标线圈电流，即峰值线圈电流，该峰值线圈电流大于线圈测量电流并使必须等待直到线圈电流已经达到转换后的线圈测量电流的时间降低。

本发明的有利发展是从属权利要求的主题。

一项发展另外提供，转换区域包括γ时间范围(γ)，

其中，确定在γ时间范围(γ)内线圈电流随时间的改变，

其中，γ时间范围(γ)之后紧跟δ时间范围(δ)，在δ时间范围(δ)中，线圈电流的改变与γ时间范围(γ)的线圈电流改变具有相反的符号。

γ时间范围的特征在于是贯穿整个时间段内流动的线圈电流。换言之，过零不在γ时间范围内。另外，有利的是，γ范围内的线圈电流值大于测量范围内的线圈电流值或大于线圈电流的目标值。因此，γ时间范围包括以线圈电流的稳定为特征的线圈电流曲线的一部分。有利地，获取γ时间范围的线圈电流值，其基本上位于一条直线上或从该直线偏差不超过1％，特别是不超过0.5％，并且优选地不超过0.2％。

δ时间范围紧跟在γ时间范围之后，并且其特征在于与γ时间范围内线圈电流改变的符号相比，线圈电流改变的符号相反。δ时间范围包括线圈电流曲线的一部分，其特征在于线圈电流稳定直到达到恒定的线圈电流或目标值。当线圈电流仅从线圈测量电流偏差1％时，δ时间范围基本上结束。

不可能采用其中涡电流最小的时间范围，因为这仅在线圈电流恒定时发生，其结果是无法确定自感。有利地，γ时间范围内的线圈电流或线圈电流的改变被测量并被用于确定自感，因为时间范围内的涡电流是稳定的或恒定的并且它们对自感的影响是最小的。因此可能区分由涡电流引起的影响和由外部干扰源引起的影响。

一项发展提供，发生在γ时间范围内的涡电流随时间基本上是恒定的。

一项发展还提供，γ时间范围(γ)具有γ时间范围起点(T_γ起点)，

其中，在γ时间范围起点(T_γ起点)中，线圈电流的值至少为目标线圈电流I_目标的值的75％，特别是至少85％，并且优选地95％。

特别有利的是，用于确定线圈的自感的线圈电流的改变不被确定，直到转换区域中的线圈电流已经达到目标线圈电流I_目标的值的至少75％，特别是至少85％，并且优选地95％，其中，目标线圈电流能够是线圈测量电流或峰值线圈电流。由δ时间范围的起点定义γ时间范围终点(T_γ终点)。

一项发展提供，线圈电流的改变在ε时间范围内被确定，

其中，ε时间范围内的线圈电流改变流动方向一次。

为了产生磁场，将控制电压施加到包括至少一个线圈的线圈装置。得到的特征线圈电压曲线有几个时间范围。ε时间范围描述了其中线圈电流改变流动方向的时间段。它包括没有电流流过线圈的线圈电流的过零以及紧接在前和紧接在后的时间段。

如果检测到在ε时间范围内的线圈电流的改变并且因此也检测到线圈电流基本上为零或至少最小的状态是特别有利的。因此能够使电阻最小化并且因此使对线圈绕组的电阻的温度相关的影响最小化。

进一步的发展提供ε时间范围(ε)具有ε时间范围起点(T_ε起点)，

其中，在ε时间范围起点(T_ε起点)处的线圈电流的值小于目标线圈电流I_目标的值的15％，特别是小于10％，并且优选地小于5％。

进一步的发展提供ε时间范围(ε)具有ε时间范围终点(T_ε终点)，

其中，在ε时间范围终点(T_ε终点)处的线圈电流值小于目标线圈电流I_目标的值的15％，特别是小于10％，并且优选地小于5％。

一项发展还提供了以下方法步骤：

-测量施加在线圈的线圈电压；以及

-借助于线圈电流随时间的改变和线圈电压确定线圈的自感。

电感是电路或组件的属性，特别是线圈的属性。应区分自感(也被称为自感应)和互感。电路的自感L将电流I随时间的改变率与电压U联系起来：

U＝L·dI/dt

互感(或感应耦合)是两个或多个空间上相邻的电路通过由于磁通量改变而导致的电磁感应产生的互磁影响。

干扰影响波及磁感应流量计的整个系统的自感。通过监视自感，能够检测和补偿干扰影响，而无需在测量管内或测量管上附接另外的传感器。出于这个原因，评估电路被设计为根据线圈电流或根据线圈电流和线圈电压的改变来确定自感。

有利地，测量电路被配置为确定线圈电压和线圈电流或线圈电流的改变。

一项发展另外提供了以下方法步骤：

-输出线圈电流随时间的改变或取决于线圈电流改变的量。

有利地，线圈电流的改变或取决于线圈电流改变的量和整个系统的特性借助于输出单元被传递给用户。用户因此接收到另外的监视参数，这特别是在铁磁成分在介质中被传导的应用中提供优势。

一项发展另外提供了以下方法步骤：

-确定分配给线圈电流随时间改变相对于参考值的确定的偏差的校正项，以及

-考虑校正项和测量的测量电压值U_meas和/或取决于所测量的测量电压值的校正量计算校正的测量电压值U_corr。

一项发展提供，借助于数学模型、校准方法和/或模拟程序确定参考值，

其中，线圈电流的改变相对于参考值的偏差在每种情况下被分配校正项。

对于某些应用，磁场状态的永久诊断是不够的。正是在饮用水领域，规定流量计对诸如例如由永磁体引起的外部干扰影响不敏感。

因此，如果评估电路被配置为校正检测到的线圈电流改变相对于参考值的偏差以及对确定的流量测量值的对应影响或篡改，则是有利的。参考值在磁感应流量计的调整期间被预先确定并被存储在评估电路的存储器单元中。

根据本发明的磁感应流量计的特征在于，该流量计具有操作、测量和/或评估电路，其被配置为执行方法。

流量测量技术领域中的测量电路是众所周知的。测量电路的目的是检测非常小的绝对值和相应测量变量的改变。有多项不同的发展，每一项都有其优点和缺点。

一方面，测量电路可以被配置为在测量电极中的一个处相对于参考电位分接电位。因此，即使两个测量电极中的一个发生故障，仍然能够根据确定的电位确定流量。外壳电位或接地电位适合作为参考电位。

另一方面，测量电路可以被设计成检测和记录两个测量电极或两组测量电极之间占主导的电位差。

另外，测量电路能够被配置为确定线圈电压和线圈电流或线圈处的线圈电流的改变。

因此，测量电路包括模拟/数字转换器，该转换器将传入信号转换成数字数据，在这种情况下，传入信号是当前存在于相应测量电极对处的电位差、在相应测量电极处占主导的电位或流过线圈的电流，然后由评估电路进一步处理或存储这些数据。然而，来自数字测量技术领域的其他测量转换器或测量变换器也是已知的并且适用于检测测量电压或电位。

评估电路被配置为处理由测量电路测量的相应测量变量的测量值并且确定被寻找的测量变量。因此，评估电路通常包括微处理器、放大器和噪声滤波器。测量和评估电路能够是模块化设计并且能够借助于无线连接进行通信，或者能够是布置在流量计外壳中的单个电子测量和评估单元的一部分。

一项特殊的发展提供，应用于线圈的线圈电压时间曲线具有转换区域和测量范围，

其中，转换区域和测量范围交替，

其中，测量范围的控制电压和特别是直接在测量范围之后的转换区域的控制电压具有相反的符号。

特别有利的是，为了确定流量测量值，等待转换区域的感应测量电压并且仅在测量范围内进行测量，因为在该时间段中磁体系统将已经稳定。电压源的极性反转导致稳定的零点，并且使测量对于来自多相物质、液体中的不均匀性或低电导率的影响不敏感。

一项具体的发展提供，在转换区域中确定线圈电流的改变。

优选地，线圈电流或线圈电流的改变在转换区域中被确定，因为测量范围内的线圈电流是恒定的或线圈电流的改变是最小的。

一项特殊的发展提供，控制电压在转换区域是恒定的，

其中，控制电压在转换区域中呈现第一电压值，

其中，控制电压在测量范围内呈现第二电压值，

其中，该第一电压值大于该第二电压值。

该特征线圈电压曲线使线圈电流稳定的时间最小化。因此，测量范围更早开始，并且能够提高工作频率。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。以下部分被示出：

图1：磁感应流量计；以及

图2：示出线圈电流和线圈电压随时间的改变的图。

具体实施方式

磁感应流量计1的结构和测量原理在原理上是已知的(见图1)。具有导电性的介质通过测量管2传导。测量管2通常包括金属管或塑料管。磁场产生设备4被安装成使得磁场线垂直于由测量管轴线限定的纵向方向定向。鞍形线圈或安装有线圈5的极靴优选地适合作为磁场产生设备4。当施加磁场时，电位分布在由在测量管2的内壁上相对地安装的两个测量电极3分接的测量管2中生产。通常，使用两个测量电极3，这两个测量电极径向地布置并形成垂直于磁力线和测量管2的纵轴的对称轴延伸的电极轴。根据测量的测量电压并考虑磁通密度，能够确定介质的流量，并考虑管的横截面积，能够确定体积流量。如果已知介质的密度，将可能确定质量流量。为了防止施加到第一和第二测量电极3的测量电压经由管耗散，内壁被衬有绝缘材料或塑料衬里。

由交变流动方向的计时直流电流产生借助于线圈和极靴装置建立的磁场。操作电路6被连接到两个线圈5并且被配置为将具有特性曲线的控制电压施加到线圈装置，利用该线圈装置调节线圈电流。控制电压的特性曲线能够在图2中看到。电压源的极性反转确保了稳定的零点，并使测量对于多相物质、液体中的不均匀性或低电导率的影响不敏感。测量和/或评估电路7读取施加到测量电极3的电压并且输出介质的流量和/或计算的体积流量和/或质量流量。在图1所示的磁感应流量计1的横截面中，测量电极3与介质直接接触。然而，耦合也能够以电容方式发生。根据本发明，测量和/或评估电路7还被配置为测量实际施加到线圈的线圈电压和线圈电流或线圈电流随时间的改变。显示单元(未示出)输出确定的线圈电流随时间的改变或取决于线圈电流的改变的量。替代地，如果它们相对于存储的参考值有偏差，则能够输出消息或警告消息。借助于数学模型、校准方法和/或模拟程序确定参考值。然而，这还不够，特别是在饮用水领域的应用中。为此，测量和/或评估电路7被配置为借助于存储的校正因子来校正确定的偏差。

图2示出了描述线圈电流B和线圈电压A随时间的改变的图。

所描绘的线圈电压A的曲线的特征在于两个恒定的电压值，它们分别被施加到线圈上达到一定的时间段，其中，这两个电压值和分别分配的时间段不同。然而，用于磁感应流量计的操作方法也是已知的，其中，仅施加具有交变极性或电压曲线的恒定电压值，其中，电压值相对于时间被调整。然而，对线圈的自感的影响最小的有利时间范围也应用于其他操作方法。图示的曲线A示出了随着时间重复并且其符号交替的时间间隔。在现有技术中，已知电压曲线，其在电压被施加到线圈的时间段之间具有其中电压不被施加而是仅确定电压的衰减行为的静止阶段。

所描绘的线圈电流B的曲线具有两个区域。在第一区域中，线圈电流由于施加的线圈电压上的改变而改变。该区域也被称为转换区域。在第二区域，线圈电流和线圈电压基本上恒定。出于这个原因，因此在测量电压在测量电极处被分接并且流量测量值被确定之前，通常等待，直到线圈电流已经稳定并是恒定的或达到目标值。第二区域也被称为测量范围。此外，线圈电流曲线具有另外三个特性时间段(ε、δ和γ)。

ε时间范围涵盖了线圈电流改变流动方向的时间段。这也被称为过零。恰好在过零处，没有线圈电流流过线圈，并且线圈的电阻对线圈自感的影响可忽略不计地小。这是特别有利的，因为由此消除了由于线圈绕组材料的与温度相关的电导率的影响。ε时间范围具有ε时间范围起点(T_ε起点)和ε时间范围终点(T_ε终点)。当线圈测量电流的值小于目标线圈电流I_目标的值的15％，特别是小于其10％，并且优选地小于其5％时，ε时间范围开始。当线圈测量电流的值大于目标线圈电流I_目标的值的15％，特别是大于其10％，并且优选地大于其5％时，ε时间范围结束，其中，根据所描绘的发展，I_目标是峰值线圈电流。

γ和δ时间范围一个紧接一个，并且基本上涵盖了线圈电流过冲或稳定的时间段。δ时间范围包括线圈电流改变的符号与γ时间范围的符号相反的时间段。此外，线圈电流的改变在δ时间范围内减小，直到线圈电流已经达到目标值并且第二区域开始。γ时间范围包括紧接在δ时间范围之前的时间段，然而其中，线圈电流流过整个时间范围。即，线圈电流的过零不在γ时间范围内。

优选地，γ时间范围的线圈电流值的特征在于，它们大于第二区域或测量范围内的线圈电流的目标值。此外，γ时间范围被选择，使得线圈电流值位于一条直线上。已经发现，涡电流在γ时间范围内呈现稳定状态，并且不改变或仅仅略微改变。因此，它们对线圈自感的影响也最小。结果，即使是由于外部影响而引起的自感相对于参考值的最小偏差也能够已经被检测和补偿。当线圈测量电流的值是目标线圈电流I_目标的值的至少75％，特别是其至少85％，并且优选地是其95％时，γ时间范围起点(T_γ起点)开始，其中，根据所描绘的发展，目标线圈电流I_目标对应于峰值线圈电流。γ时间范围终点(T_γ终点)由δ时间范围的起点定义，特别是由线圈电流改变流动方向的时间定义。优选地，仅从γ时间范围导出用于确定自感的测量值。

附图标记列表

1 磁感应流量计

2 测量管

3 测量电极

4 磁场产生设备

5 线圈

6 操作电路

7 测量和/或评估电路

ε ε时间范围

γ γ时间范围

δ δ时间范围

I_目标 目标线圈电流

T_γ起点 γ时间范围起点

T_γ终点 γ时间范围终点

T_ε起点 ε时间范围起点

T_ε终点 ε时间范围终点

Claims (12)

1.一种操作磁感应流量计的方法(1)，

其中，所述磁感应流量计(1)具有：用于传导可流动介质的测量管(2)；用于检测在所述介质中感应的与流速相关的测量电压的至少两个测量电极(3)；以及，用于产生穿过所述测量管(2)的磁场的磁场产生设备(4)，

其中，所述磁场产生设备(4)具有线圈(5)；

所述方法包括方法步骤：

-向所述线圈(5)施加控制电压，以便产生所述线圈电流随时间的改变；以及

-确定在转换区域中所述线圈电流随时间的所述改变，

其中，在所述转换区域中，存在所述线圈电流的改变，直到达到目标线圈电流I_目标。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述转换区域包括γ时间范围(γ)，

其中，确定在所述γ时间范围(γ)内所述线圈电流随时间的所述改变，

其中，所述γ时间范围(γ)之后紧跟δ时间范围(δ)，其中，所述线圈电流的所述改变与所述γ时间范围(γ)中所述线圈电流的所述改变具有相反的符号。

3.根据权利要求2所述的方法，

其中，在所述γ时间范围(γ)中出现的涡电流随时间基本上恒定。

4.根据权利要求2和/或3所述的方法，

其中，所述γ时间范围(γ)具有γ时间范围起点(T_γ起点)，

其中，在所述γ时间范围起点(T_γ起点)中，所述线圈电流的值为所述目标线圈电流I_目标的值的至少75％，特别是至少85％，优选地是95％。

5.根据权利要求1所述的方法，

其中，确定在ε时间范围(ε)内所述线圈电流随时间的所述改变，

其中，所述ε时间范围(ε)内的所述线圈电流改变流动方向一次。

6.根据权利要求5所述的方法，

其中，所述ε时间范围(ε)具有ε时间范围起点(T_ε起点)，

其中，在所述ε时间范围起点(T_ε起点)处的所述线圈电流的值小于所述目标线圈电流I_目标的值的15％，特别是小于10％，并且优选地小于5％。

7.根据权利要求5和/或6所述的方法，

其中，所述ε时间范围(ε)具有ε时间范围终点(T_ε终点)，

其中，在所述ε时间范围终点(T_ε终点)处的所述线圈电流的值小于所述目标线圈电流I_目标的所述值的15％，特别是小于10％，并且优选地小于5％。

8.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，包括以下方法步骤：

-测量施加到所述线圈(5)的线圈电压；以及

-借助于所述线圈电流随时间的所述改变和所述线圈电压确定所述线圈(5)的自感。

9.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，包括以下方法步骤：

-输出所述线圈电流随时间的所述改变或取决于所述线圈电流的所述改变的量。

10.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，包括以下方法步骤：

-确定校正项，所述校正项被分配给所述线圈电流随时间的所述改变相对于参考值的确定的偏差，以及

-考虑所述校正项和测量的测量电压值U_meas和/或取决于所测量的测量电压值的校正量计算校正的测量电压值U_corr。

11.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，

其中，所述参考值借助于数学模型、校准方法和/或模拟程序确定，

其中，所述线圈电流随时间的所述改变相对于所述参考值的所述偏差在每种情况下被分配校正项。

12.一种磁感应流量计，其特征在于

所述流量计具有操作、测量和/或评估电路(6，7)，其被配置为执行根据前述权利要求中的一项所述的方法。

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