能夠自動選擇操作設定點的磁流量計的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明總體上涉及流處理，具體地涉及一種磁流量計。
【背景技術】
[0002] 磁流量計（或者磁流量表）通過法拉第感應（電磁效應）測量流量。磁流量計通 常包括流量管和變送器。流量管包括：管道；安裝在所述管道上的場線圈（可以包括多個 線圈）；以及延伸通過所述管道的電極。變送器向場線圈供電以便在管道部兩端產生磁場， 磁場在過程流兩端感應電動勢（EMF)。使用延伸通過管道部并與過程流相接觸的電極對， 或通過電容耦合，來感測得到的電勢差（或電壓）。流速率與感應到的EMF成正比，體流率 (volumetric flow rate)與流速率和流橫截面面積成正比。變送器從電極接收感測到的電 壓，并產生表示測量流的信號。
[0003] 通常，電磁流測量技術適用于水基流體、離子溶液和其他導電液體流。具體的用 途包括水處理設施、高純度醫藥制造、衛生食品和飲料生產以及包括有害和腐蝕性過程流 的化學處理。磁流量計還用于包括利用磨蝕和腐蝕性泥楽的液壓破碎技術（hy drau I i c fracturing technique)的碳氫化合物燃料行業，以及其他的碳氫化合物提取和處理方法。
[0004] 由于相關聯的永久性壓力損失（例如孔板或者文氏（Venturi)管兩端），使得磁 流量計在基于壓差的技術不受歡迎的應用中提供快速、精確的流測量。當難以將機械元件 (例如，渦輪轉子、渦流元件或者皮托管）引入所述過程流或者不切實際時，也可以采用磁 流量計。
[0005] -些磁流量計使用由AC線路電源直接驅動的場線圈。另一類型的磁流量計（通 常稱作脈沖式DC磁流量計）用低頻方波周期性地對該場線圈進行激勵或供電。脈沖式DC 磁流量計使用以由方波激勵確定的頻率改變方向的磁場。
[0006] 在磁流量計中，場線圈的線圈電流和繞組數目確定了與流過流量管的導電過程流 體垂直的磁場的強度。橫向切割該磁場的過程流體的流速在暴露于過程流體的電極上產生 較小電勢。針對給定數目（匝數）的繞組和繞組中的給定線圈電流，在電極上產生的信號 直接地（線性地）與流速成正比。
[0007] 在給定流速下，通過流經磁流量計的流體產生的典型噪聲譜展現了與頻率的倒數 成正比的幅度（通常稱作"l/f噪聲"或"粉紅噪聲"）。流速率越大，噪聲等級也越大。因 此，這通常對于能夠在較高激勵頻率下進行操作以便改善信噪比的磁流量計是有利的。由 于在磁流量計的電極處產生的信號等級直接與場線圈的安培圈數（即，線圈電流（安培） 乘以繞組數目或場線圈匝數）成正比，還希望能夠在較高線圈電流下進行操作，以便改善 信噪比。
[0008] 在脈沖式DC磁流量計中，磁場以激勵頻率改變方向。當磁場改變了方向時，通過 快速改變磁場而產生被電極感測到的電壓尖峰。為了進行流測量，流量計的電極電壓測量 電路必須在進行測量之前等待，直到該電極電壓尖峰穩定。潛在錯誤的另一來源在于：如果 線圈中的電流不穩定，或如果磁場的改變滯后于電流的改變并且是緩慢變化的，則得到的 耦合到電極信號的電壓將出現錯誤的流讀數。在某最大頻率下，線圈驅動電路無法令線圈 電流或磁通量密度（magnetic flux density)穩定，結果變化的線圈電流感應出與流無關 的電極電壓改變。在該最大激勵頻率上的操作將導致流測量的準確度和可重復性變差。不 穩定的電流驅動降低了流測量的零準確度（zero accuracy)。
[0009] 針對不同直徑和構造的流量管，線圈電流穩定的速率是不同的。由于線圈電流在 較小直徑的流量管中更快穩定，相較于較大直徑的流量管，較小直徑的流量管可以以較高 激勵頻率進行操作。此外，構造流量管使用的某些材料的磁性特性和電學特性可能引起磁 通量密度滯后于線圈中的電流。這對于操作在較高頻率下的線圈而言十分重要。
[0010] 對驅動電流波形的主要影響是場線圈以及在線圈驅動電路和流量管之間的引線 (lead)的電感和電阻。根據流直徑和供應商不同，磁流量管具有多種不同的電感值和電阻 值。根據用于將變送器與流量管相連的線纜的電阻值，對相同流量管的不同安裝方式可以 具有變化超過二分之一的傳感器電阻。即使在單個供應商的產品線中，在場線圈的電感和 流量管的流直徑之間也不存在直接關系。新流量管以及對已有型號的流量管的設計改變可 能導致在制造特定變送器時不可用的不同線圈電感值和電阻值。
[0011] 因此，難以針對特定流量管和變送器的組合確定適當的工作點。不能提前確定用 于普遍地操作電流和頻率的優化設定點。
【發明內容】
[0012] 一種磁流量計包括：流量管；以及變送器，基于操作設定點向流量管提供激勵。變 送器基于場線圈電阻、場線圈電感、變送器和/或流量管的額定功率以及性能準則選擇，自 動地確定操作設定點。變送器基于所確定的操作設定點，向流量管提供激勵，并基于由流量 管產生的感測電壓信號，提供流測量值。
【附圖說明】
[0013] 圖1是磁流量計的框圖。
[0014] 圖2是示出了圖1的磁流量計的線圈驅動器和相關測量電路的框圖；
[0015] 圖3是示出了由變送器自動選擇設定點的流程圖。
【具體實施方式】
[0016] 圖1示出了示例磁流量計10,包括初級部（流量管或傳感器）IOA和次級部（變 送器）1〇Β。流量管IOA包括管道12、絕緣內襯14、電極16A和16B以及由串聯線圈18A和 18B形成的場線圈18。
[0017] 流量管IOA的主要功能是產生與待測流體的速度成正比的電壓。通過使電流通過 線圈18A和18B來給線圈提供電能以形成磁場。在脈沖式DC磁流量計中，周期性地反轉線 圈驅動電流的方向，使得由場線圈18A和18B產生的磁場改變方向。流經流管道IOA內部 的過程流體用作移動導體，以便磁場在該流體中感應電壓。流量管IOA內部齊平安裝的電 極16A、16B與導電的過程流體直接電接觸，從而拾取在流體中出現的電壓。為了防止電壓 被短路，必須將流體容納在電絕緣材料中。當管道12是金屬管時，由內襯14提供電絕緣， 內襯14是非導電材料，例如，聚氨酯、聚四氟乙烯（PTFE)，或其它絕緣材料。
[0018] 變送器IOB解譯在電極16A和16B處產生的電壓，并將準則化信號發送至監測或 控制系統。通常將次級部IOB稱作變送器或信號轉換器。
[0019] 變送器IOB通常包括信號處理器20、數字處理器22、線圈驅動器24、通信接口 26 和本地操作接口 28。信號轉換、調節和傳輸是變送器IOB的主要功能。
[0020] 數字處理器22控制由線圈驅動器24向線圈18A、18B提供的脈沖式DC線圈驅動 電流的脈沖頻率。由線圈驅動器24提供的電流波形是方波，其頻率被稱作脈沖頻率或激勵 頻率。該方波可以具有由數字處理器22選擇的可變占空比。
[0021] 信號處理器20連接至電極16A和16B并接地。接地連接可以是連接至管道12,或 可以連接至管道12的凸緣或者管道部分上游或下游。
[0022] 在由數字處理器22限定的電極電壓采樣時段期間，信號處理器20監測電極16A 處的電勢VA和電極16B處的電勢VB。在電極電壓米樣時段期間，信號處理器20產生對電 極16A和16B之間電勢差加以表不的電壓，并將該電壓轉換為對電極電壓加以表不的數字 信號。數字處理器22可以對從信號處理器20接收到的數字信號執行進一步的信號處理和 濾波。數字處理器22向通信接口 26提供流測量數值，通信接口 26將該數值傳送至可以位 于控制室的監測或者控制系統（未示出）。通過通信接口 26進行的通信可以為以下形式： 在4至20mA之間變化的模擬電流級、HART?通信協議（其中在4-20mA電流上調制數字 信息）、數字總線上的通信協議（例如，FieldbusdEC 61158))、或者使用無線協議（例如， 如WirelessHART (IEC 62951))在無線網絡上的無線通信。
[0023] 流量計10提供自動方法用于基于流量管IOA的特性以及流量管IOA和變送器IOB 的額定功率，選擇對激勵頻率、線圈驅動電流和可選的線圈驅動占空比的最佳組合加以表 示的操作設定點。可以在安裝時現場執行、在對變送器通電時自動執行、或當流量管IOA和 變送機IOB處于操作時在后臺連續地執行對操作頻率、電流和占空比的自動選擇。
[0024] 數字處理器22基于將參數用作輸入的算法以及由操作者進行的準則選擇，執行 自動選擇設定點，以便針對現場的特定安裝方式的變送器IOB確定設定點