專利名稱：電磁流量測量方法和相應的流量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有用于引導電導性流體流過的測量管的電磁流量計。
期刊“Meas.Sci.Technol.”在1996年的第7卷中的第354至357頁公開了一種電磁流量計，它具有一個測量管，在運行過程中要被測量的電導性流體流經該測量管，具有一對單獨的組件，它們設置在測量管的磁場直徑方向上，并用于產生沿磁場直徑方向空間均勻的磁場，具有由第一和第二電極構成的第一電極對，用于在運行過程中產生第一電極電壓，具有由第三和第四電極構成的第二電極對，用于在運行過程中產生第二電極電壓，具有由第五和第六電極構成的第三電極對，用于在運行過程中產生第三電極電壓，各電極均與流體相接觸，第一電極對沿測量管的第一電極直徑方向設置，該直徑方向與磁場直徑之間的角度為90°，第二電極對沿測量管的第二電極直徑方向設置，該直徑方向與第一電極直徑之間的角度大約為45°，第三電極對沿測量管的第三電極直徑方向設置，該直徑方向與第二電極直徑之間的角度大約為90°，并且具有一個用于處理各電極電壓的測量回路。
與傳統的電磁流量計相比，如上所述的這種類型的電磁流量計可以改進其流量測量精度，即使在流體剖面是旋轉非對稱的時也是如此。
傳統的僅具有兩個電極的電磁流量計通常由直的、位于上流側的管形部分，即所謂的輸入部分構成，以便使旋轉非對稱的流體剖面再次呈旋轉對稱狀。然而輸入部分的長度和由此所產生的生產成本將與標稱直徑不成比例的增大。通過如上所述的設置方式可以減小輸入部分的長度。
然而這種改進往往并不十分有效，如果想獲得較高的測量精度，即要將測量誤差減小到1％以下時更是如此。
正如上所述的文獻中的第358至360頁中所指出的那樣，可以通過形成與空間均勻的第二磁場成直角的、單獨的空間均勻磁場的方式，進一步地改進電磁流量計的測量精度。
為了能夠進一步的在測量范圍內改善測量精度，即使測量誤差小于1％，并且使其價格也是可以接受的，又不用再為產生第二磁場用的部件花費費用，本發明人經過進一步的研制，獲得了構成為本發明第一方面的一種利用電磁流量計測量電導性流體的體積流量的方法，它包括一個測量管，在運行過程中流體流經該測量管，而且測量管以和內側相接觸的流體電絕緣的方式構成，一對單獨的組件，它們設置在測量管的橫向表面處，位于測量管的磁場直徑上，并用于產生沿磁場直徑方向為非空間均勻的磁場，由第一和第二電極構成的第一電極對，用于在運行過程中產生第一電極電壓，由第三和第四電極構成的第二電極對，用于在運行過程中產生第二電極電壓，由第五和第六電極構成的第三電極對，用于在運行過程中產生第三電極電壓，各電極均具有一個比點的形狀更大一些的、有限的表面，這些表面與流體相接觸，第一電極對沿測量管的第一電極直徑方向設置，該直徑方向與磁場直徑之間的角度為90°，第二電極對沿測量管的第二電極直徑方向設置，該直徑方向與第一電極直徑之間的角度大約為45°，第三電極對沿測量管的第三電極直徑方向設置，該直徑方向與第二電極直徑之間的角度大約為90°，一個用于向產生磁場用的組件提供電流的激勵回路；以及一個用于處理第一、第二和第三電極電壓的測量回路，
其特征在于該方法僅有第二電極電壓的0.1至0.7之間的部分與第一電極電壓一并由測量回路實施處理，而且僅有第三電極電壓的0.1至0.7之間的部分與第一電極電壓一并由測量回路實施處理。
為了能夠進一步的在測量范圍內改善測量精度，即使測量誤差小于1％，并且使其價格也是可以接受的，又不用再為產生第二磁場用的部件花費費用，本發明人經過進一步的研制，獲得了構成為本發明第二方面的一種電磁流量計，它具有一個測量管，在運行過程中要被測量的電導性流體流經該測量管，而且測量管以和內側相接觸的流體電絕緣的方式構成，具有一對單獨的組件，它們設置在測量管的橫向表面處，位于測量管的磁場直徑上，并用于產生沿磁場直徑方向為非空間均勻的磁場，具有由第一和第二電極構成的第一電極對，用于在運行過程中產生第一電極電壓，具有由第三和第四電極構成的第二電極對，用于在運行過程中產生第二電極電壓，具有由第五和第六電極構成的第三電極對，用于在運行過程中產生第三電極電壓，各電極均具有一個比點的形狀更大一些的、有限的表面，這些表面與流體相接觸，第一電極對沿測量管的第一電極直徑方向設置，該直徑方向與磁場直徑之間的角度為90°，第二電極對沿測量管的第二電極直徑方向設置，該直徑方向與第一電極直徑之間的角度大約為45°，第三電極對沿測量管的第三電極直徑方向設置，該直徑方向與第二電極直徑之間的角度大約為90°，具有一個用于向產生磁場用的組件提供電流的激勵回路；并且具有一個用于處理第一、第二和第三電極電壓的測量回路，包括一個具有第一、第二和第三輸入端的加法級，一個具有第一和第二輸入端和一個輸出端的第一乘法級，
一個具有第一和第二輸入端和一個輸出端的第二乘法級，而且在測量回路中，第一電極電壓偶合至加法級的第一輸入端，第二電極電壓偶合至第一乘法級的第一輸入端，第三電極電壓偶合至第二乘法級的第一輸入端，并且向第一乘法級的第二輸入端和第二乘法級的第二輸入端供給代表著倍增系數f的倍增信號(F)，其中的倍增系數f在0.1至0.7之間，加法級的輸出提供著一個與體積流量成比例的信號。
作為本發明第二方面的一個最佳實施例，其中測量回路的特征還可以在于第一電極電壓供給至具有一個輸出端的第一去偶合放大器的輸入側，第二電極電壓供給至具有一個輸出端的第二去偶合放大器的輸入側，第三電極電壓供給至具有一個輸出端的第三去偶合放大器的輸入側，其中各個去偶合放大器具有相同的增益，第一去偶合放大器的輸出端通過具有電阻值為R的第一電阻器與一個差分放大器的反向輸入端相連接，所述差分放大器的非反向輸入端與回路零點相連接，所述差分放大器的輸出端通過具有電阻值為R的第二電阻器與其反向輸入端相連接，并且提供出一個與體積流量成比例的信號，第二去偶合放大器的輸出端通過具有電阻值為R/f的第三電阻器與差分放大器的反向輸入端相連接，第三去偶合放大器的輸出端通過具有電阻值為R/f的第四電阻器與差分放大器的反向輸入端相連接。
本發明中的一個引人注目的事實就是，由于第二電極直徑或第三電極直徑與單獨磁場方向之間所成的角度為45°左右或為-45°左右，故使得第二電極電壓和第三電極電壓均比第一電極電壓小，而且為了能實現上述的目的，還將第二和第三電極電壓再乘以0.1至0.7，以進一步將其降低。
本發明的優點在于，即使對于流體剖面為旋轉非對稱的場合，對于磁場為非空間均勻的場合，也可以改善其測量精度，而這些場合在實際應用時是經常出現的。如果舉例來說，旋轉非對稱的流體剖面會出現在節流孔、閥門、塞閥、滑閥和管線彎曲部分的下流側。因此當采用本發明時，可以大大縮短如上所述的輸入部分的長度，甚至可以將其完全取消。
下面參考附圖，利用最佳實施例更詳細地說明本發明。
圖1為表示有關一種電磁流量計中的測量傳感器的結構設置的示意性橫剖面圖。
圖2為表示應用于本發明的測量回路的原理的示意性方框圖。
圖3為表示如圖2所示的測量回路中的一種最佳實施方式的示意性方框圖。
圖4為表示如圖2所示的測量回路中的另一種最佳實施方式的示意性方框圖。
在圖1中示意性的示出了在一個電磁流量計的測量傳感器中起主要作用的各個部分。其中的測量管1用于引導要被測量的電導性流體通過。
這種測量管1以和內側相接觸的流體電絕緣的方式構成，所以如果舉例來說，測量管1本身可以完全由絕緣材料構成，比如說可以由燒結陶瓷構成，而且當用氧化鋁陶瓷構成時更好些，或是由塑料構成，而且當用硬質橡膠構成時更好些。
測量管1還可以用涂敷非鐵磁金屬管，特別是不銹鋼管的方式構成，其內側可以用適當的塑料材料構成絕緣層，而且塑料材料可以采用硬質橡膠、軟質橡膠或聚氟乙烯等等，如果采用聚四氟乙烯則更好些。也可在涂層中加入諸如金屬網的機械加固組件。
一對單獨的組件2設置在測量管1的外側橫向表面處，位于測量管1的磁場直徑3上，并用于產生沿直徑方向延伸的磁場；這一磁場是非空間均勻的。
產生磁場用的這一組件包括由第一線圈21和第二線圈22構成的一對單獨的線圈，由第一線圈磁芯23和第二線圈磁芯24構成的一對單獨的線圈磁芯，由第一極靴25和第二極靴26構成的一對極靴，以及用于向線圈21、22供給電流i的激勵回路5。線圈21、22是彼此串聯連接的。
極靴25、26為具有一個中心磁芯的扁平狀的軟磁性板材，線圈磁芯23、24也是由軟磁芯板材形成的，因此對于每一個極靴均可以將一個電極設置在測量管1中。
如果圖1所示的位置為電磁流量計的安裝位置，則設置在極靴26的芯體中的另一電極還用于與回路的零點相連接。
如果圖1所示的位置為電磁流量計的安裝位置，則設置在極靴25的芯體中的另一電極還用于檢測測量管1是否已經被要測量的流體完全充滿。
電流i是電磁流量計中的常規特征量之一；如果舉例來說，電流i可以是雙極直流電流，脈動變化電流或是連續變化電流。
通常設置在電磁流量計的范圍內的、并且象在先技術中所述的那種回路適用于產生上述的直流電流或交變電流，在這兒省略了對它們的詳細描述。
線圈對、線圈磁芯對和極靴對位于同一軸線上，該軸線也是測量管1的一條直徑。這一直徑就是上述的磁場直徑3。
就象常規的電磁流量計中那樣，線圈磁芯23、24可以是鐵磁體—象最佳實施例所示的的那樣—也可以是非鐵磁體。磁性回路由適當的磁反射板材6閉合住。
而且在測量管1上還配置有由第一和第二電極41、42構成的第一電極對，由第三和第四電極43、44構成的第二電極對，以及由第五和第六電極45、46構成的第三電極對。每一個電極均具有一個比點的形狀更大一些的表面，這些表面與流體相接觸，并且以流體密封的形式固定在測量管1的管壁上。
第一電極對的兩個電極41、42沿測量管1的一條直徑方向設置，而這一直徑在下面將被稱為第一電極直徑41。在電磁流量計的運行過程中，可以由這兩個電極41、42上導出第一電極電壓u1。
第二電極對的兩個電極43、44沿測量管1上的另一條直徑方向設置，這一直徑在下面將被稱為第二電極直徑42。在電磁流量計運行的過程中，可以由這兩個電極43、44上導出第二電極電壓u2。
第三電極對的兩個電極45、46沿測量管1上的又一直徑方向設置，這一直徑在下面將被稱為第三電極直徑43。在電磁流量計運行的過程中，可以由這兩個電極45、46上導出第三電極電壓u3。
第一電極直徑41與磁場直徑3之間的角度為90°。第二電極直徑42與第一電極直徑41之間的角度為45°，與第三電極直徑43之間的角度為90°。后兩個角度并不需要非常的精確，如果舉例來說，它們可以有大約10％的偏差量。而且對于倍增系數f而言，這種值應該取為45°或90°，倍增系數f將在下面給予說明，并且可以依據所產生的細微偏差加以選擇。
使用在本發明這一實例中的測量回路的原理由圖2中的示意性方框圖示出了，這種回路可以用于處理電極電壓u1、u2、u3。
第一電極電壓u1供給至第一去偶合放大器11的輸入側，換句話說就是其第一輸入端與第一電極41相連接，第二輸入端與第二電極42相連接。
第二電極電壓u2供給至第二去偶合放大器12的輸入側，即它的第一輸入端與第三電極43相連接，它的第二輸入端與第四電極44相連接。
第三電極電壓u3供給至第三去偶合放大器13的輸入側，換句話說就是其第一輸入端與第五電極45相連接，第二輸入端與第六電極46相連接。
第一乘法級8的第一輸入端與第二去偶合放大器12的輸出端相連接。在第一乘法級8的第二輸入端處輸入有代表著倍增系數f的一個倍增信號F；這一倍增系數f在0.1至0.7之間。
第二乘法級9的第一輸入端連接至第三去耦合放大器13的一個輸入端。第二乘法級9的第二輸入端 饋入代表位于0.1至0.7之間的倍培系數的同樣的倍增信號F。
加法級7的第一輸入端與第一去偶合放大器11的輸出端相連接，加法級7的第二輸入端與第一乘法級8的輸出端相連接，加法級7的第三輸入端與第二乘法級9的輸出端相連接。
這三個去偶合放大器11、12、13具有相同的增益，因而彼此間的性能可盡可能的趨于一致。在加法級7的輸出端可產生一個與體積流量成比例的信號v。
圖3以示意性方框圖的方式示出了測量回路中的一種最佳實施方式，其中的三個去偶合放大器11、12、13以盡可能相同的方式配置。
第一去偶合放大器11的輸出端通過具有電阻值為R的第一電阻器W1偶合至差分放大器10的反向輸入端，而后者的非反向輸入端與回路零點SN相連接。差分放大器10的輸出端通過具有電阻值為R的第二電阻器W2與其反向輸入端相連接，并且提供出一個與體積流量成比例的信號。
第二去偶合放大器12的輸出端通過具有電阻值為R/f的第三電阻器W3偶合至差分放大器10的反向輸入端，第三去偶合放大器13的輸出端通過具有電阻值為R/f的第四電阻器W4亦偶合至差分放大器10的反向輸入端。因此電阻值R被乘以倍增系數f的倒數。
在如圖3所示的實施例中，差分放大器10的反向輸入端與如圖2所示的加法級相對應，因此在這兒僅有一個加法連接點。
在圖2和圖3的說明中，由于電極電壓u1、u2、u3均是模擬電壓，所以均假定是以模擬方式進行進一步的處理的，因此子回路8、9、10、11、12、13均是模擬回路。然而并非一定需要如此，也可以采用數字方式對電極電壓u1、u2、u3進行進一步的處理。
為此，圖4還以示意性方框圖的方式，示出了如圖2所示的測量回路中的另一種最佳實施方式。在這種實施方式中，特定的去偶合放大器111、112、113、114、115、116被用于相應的電極41、42、43、44、45、46。隨后立刻對各個去偶合放大器輸出的信號進行模數轉換，并根據本發明的、如上所述的基本原理對這些數字信號進行處理，當然在這兒采用的是數字方式。
去偶合放大器111、112、113、114、115、116為運算放大器，它們的非反向輸入端與相應的電極41、42、43、44、45、46相連接，而各自的反向輸入端與回路零點SN相連接。這些去偶合放大器111、112、113、114、115、116具有相同的增益，因而彼此間的性能可盡可能的趨于一致。
在每一個去偶合放大器111、112、113、114、115、116的后面均設置有一個相應的模數轉換器121、122、123、124、125、126，后者的信號輸入端與相應的去偶合放大器的輸出端相連接。如果需要的話，還可以在其中間位置處插入由虛線示出的相應的放大器131、132、133、134、135、136。
第一減法器17配置在模數轉換器121、122的相應輸出端的后面。如果舉例來說，減法器17的被減數輸入端可以與模數轉換器121的輸出端相連接，減法器17的減數輸入端可以模數轉換器122的輸出端相連接。
第二減法器18配置在模數轉換器123、124的相應輸出端的后面。如果舉例來說，減法器18的被減數輸入端可以與模數轉換器123的輸出端相連接，減法器18的減數輸入端可以模數轉換器124的輸出端相連接。
第三減法器19配置在模數轉換器125、126的相應的輸出端的后面。如果舉例來說，減法器19的被減數輸入端可以與模數轉換器125的輸出端相連接，減法器19的減數輸入端可以模數轉換器126的輸出端相連接。
時鐘發生器180向模數轉換器121、122、123、124、125、126提供其頻率大于1kHz左右的取樣信號；這一頻率最好取為10kHz的量級，即比如說取在5kHz至50kHz之間。而且時鐘發生器180還向各減法器17、18、19提供適當頻率的時鐘信號，該頻率可以與控制各模數轉換器用的時鐘信號的頻率相等。
第一倍增器8’的第一輸入端與減法器18的輸出端相連接。代表著第一倍增系數f的數字倍增信號F’供給至倍增器8’的第二輸入端。
第二倍增器9’的第一輸入端與減法器19的輸出端相連接。代表著第一倍增系數f的數字倍增信號F’供給至倍增器9’的第二輸入端。
加法器7’的第一輸入端與減法器17的輸出端相連接，加法器7’的第二輸入端與第一倍增器8’的輸出端相連接，加法器7’的第三輸入端與第二倍增器9’的輸出端相連接。加法器7’的輸出端可提供出與體積流量成比例的數字信號v’。
為簡單起見，倍增器8’、9’在圖4所示中構成為加法器7’的子回路；這顯然是可以的，其原因在于在數字處理過程中，加法和乘法是用相同的方式實現的，在微型處理機中更是如此。
可以通過顯示的方式或其它的、諸如圖表記錄器等等的適當方式，使上述的信號v或v’成為可視信號。信號v或v’還可以與可視信號相偶合，或疊加在可視信號上，以對被測信號進行更廣泛的處理。
按這種方式構造的電磁流量計，如果其測量管的標稱直徑為50mm，并且按與如圖1所示的剖面圖的比例大體相當的比例設置，則倍增系數f的值可以取為0.3。直到標稱直徑為100mm，并且按如圖1所示的大小設置產生磁場用的組件時，這一值仍可以取為0.3。
當標稱直徑大于100mm時，產生磁場用的組件的相對于標稱直徑的大小和圖1所示的場合相比可以更為緊縮，而且這一倍增系數f的值可以取在0.35至0.7之間。
權利要求
1.一種利用電磁流量計測量電導性流體的體積流量的方法，包括一個測量管，在運行過程中流體流經該測量管，而且測量管以和內側相接觸的流體電絕緣的方式構成，一對單獨的組件，它們設置在測量管的橫向表面處，位于測量管的磁場直徑上，并用于產生沿磁場直徑方向為非空間均勻的磁場，由第一和第二電極構成的第一電極對，用于在運行過程中產生第一電極電壓，由第三和第四電極構成的第二電極對，用于在運行過程中產生第二電極電壓，由第五和第六電極構成的第三電極對，用于在運行過程中產生第三電極電壓，各電極均具有一個比點的形狀更大一些的、有限的表面，這些表面與流體相接觸，第一電極對沿測量管的第一電極直徑方向設置，該直徑方向與磁場直徑之間的角度為90°，第二電極對沿測量管的第二電極直徑方向設置，該直徑方向與第一電極直徑之間的角度大約為45°，第三電極對沿測量管的第三電極直徑方向設置，該直徑方向與第二電極直徑之間的角度大約為90°，一個用于向產生磁場用的組件提供電流的激勵回路；以及一個用于處理第一、第二和第三電極電壓的測量回路，在該方法中僅有第二電極電壓的0.1至0.7之間的部分與第一電極電壓一并由測量回路實施處理，而且僅有第三電極電壓的0.1至0.7之間的部分與第一電極電壓一并由測量回路實施處理。
2.一種電磁流量計具有一個測量管，在運行過程中要被測量的電導性流體流經該測量管，而且測量管以和內側相接觸的流體電絕緣的方式構成，具有一對單獨的組件，它們設置在測量管的橫向表面處，位于測量管的磁場直徑上，并用于產生沿磁場直徑方向為非空間均勻的磁場，具有由第一和第二電極構成的第一電極對，用于在運行過程中產生第一電極電壓，具有由第三和第四電極構成的第二電極對，用于在運行過程中產生第二電極電壓，具有由第五和第六電極構成的第三電極對，用于在運行過程中產生第三電極電壓，各電極均具有一個比點的形狀更大一些的、有限的表面，這些表面與流體相接觸，第一電極對沿測量管的第一電極直徑方向設置，該直徑方向與磁場直徑之間的角度為90°，第二電極對沿測量管的第二電極直徑方向設置，該直徑方向與第一電極直徑之間的角度大約為45°，第三電極對沿測量管的第三電極直徑方向設置，該直徑方向與第二電極直徑之間的角度大約為90°，具有一個用于向產生磁場用的組件提供電流的激勵回路；并且具有一個用于處理第一、第二和第三電極電壓的測量回路，包括一個具有第一、第二和第三輸入端的加法級，一個具有第一和第二輸入端和一個輸出端的第一乘法級，一個具有第一和第二輸入端和一個輸出端的第二乘法級，而且在測量回路中，第一電極電壓偶合至加法級的第一輸入端，第二電極電壓偶合至第一乘法級的第一輸入端，第三電極電壓偶合至第二乘法級的第一輸入端，并且向第一乘法級的第二輸入端和第二乘法級的第二輸入端供給代表著倍增系數f的倍增信號(F)，其中的倍增系數f在0.1至0.7之間，加法級的輸出提供著一個與體積流量成比例的信號。
3.一種如權利要求2所述的電磁流量計，其中第一電極電壓供給至具有一個輸出端的第一去偶合放大器的輸入側，第二電極電壓供給至具有一個輸出端的第二去偶合放大器的輸入側，第三電極電壓供給至具有一個輸出端的第三去偶合放大器的輸入側，其中各個去偶合放大器具有相同的增益，第一去偶合放大器的輸出端通過具有電阻值為R的第一電阻器與一個差分放大器的反向輸入端相連接，所述差分放大器的非反向輸入端與回路零點相連接，所述差分放大器的輸出端通過具有電阻值為R的第二電阻器與其反向輸入端相連接，并且提供出一個與體積流量成比例的信號，第二去偶合放大器的輸出端通過具有電阻值為R/f的第三電阻器與差分放大器的反向輸入端相連接，第三去偶合放大器的輸出端通過具有電阻值為R/f的第四電阻器與差分放大器的反向輸入端相連接。
全文摘要
本發明提供了一種可以在測量范圍內改善測量精度的電磁流量測量方法和相應的流量計,它的測量誤差小于1%,而且其價格也是可以接受的。這種流量計包括有一個在運行時被測流體由其中流過的測量管(1)。一對單獨的組件(2)沿磁場直徑(3)設置在測量管(1)的橫向表面處,并用于產生一個磁場。由第一和第二電極(21、22)構成的第一電極對,由第三和第四電極(23、24)構成的第二電極時,以及由第五和第六電極(25、26)構成的第三電極對與流體相接觸。
文檔編號G01F1/56GK1201140SQ9810848
公開日1998年12月9日 申請日期1998年5月14日 優先權日1997年5月15日
發明者福蘭茨·莫西, 伯里斯·豪恩爾 申請人:安德雷斯和霍瑟·弗羅泰克有限公司