專利名稱：電磁流量計和流量的電磁測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電磁流量計和用來測量傳導流體的流量的電磁流量測量方法。更具體地說，涉及一種使感應噪聲造成的測量誤差減至最小的電磁流量計，而不必進行會招致被測流體停止流動的零點調整，借以提供一種在測量精度和方法方面的改進。
一般地說，電磁流量計是這樣設計的，在與流經一測量管路的傳導流體相垂直的方向施加一個電磁場，通過利用管內的兩個電極檢測在流體內的電磁感應產生的電動勢，并且將其轉換成相應的流體流量值。在現(xiàn)有的電磁流量計中，廣泛使用一種低頻激磁型的電磁流量計，它也被稱為方波激磁型的電磁流量計，它在零點穩(wěn)定性方面較之交流激磁型和直流激磁型更優(yōu)越。
在低頻激磁型的電磁流量計中，流經激磁線圈的激磁電流周期性地在兩個固定值間轉換，即激磁電流的極性周期性地改變，當激磁電流為各個固定值時，在管內部的兩電極間產生的電動勢被采樣一次。借助于產生相鄰采樣值之間的差值，可以獲得不受電路裝置的偏移電壓以及機電產生的直流電流影響的流量值。
不過，這種低頻激磁型電磁流量計的問題在于，零點漂移會產生流量測量誤差，除非在足夠長的時間推移之后才對電極之間的電動勢進行采樣，因為此時激磁電流已達一固定值。使激磁電流的轉換周期如此之長以達到穩(wěn)定零點將會導致糟糕的響應性能;并且，當形成控制環(huán)時會產生振蕩。
為了穩(wěn)定零點，在日本未審專利公開第No.2-16852中披露了一種新的電磁流量計。

圖10是這種電磁流量計的方塊圖，圖11是說明其工作的時序圖。該流量計包括一用來提供激磁電流的激磁電路1，響應來自激磁電路1的激磁電流以產生與流體流量成正比的電動勢ea的電磁流量(計)傳感器2，以及用來獲得相應于電動勢ea的流量值的信號處理電路3。
在激磁電路1中，恒流源4產生恒定的電流，開關5a和5b分別響應圖11中在(a)、(b)處所示的脈沖P1a、P1b，來改變恒流源4送出的恒定電流的極性，使其為零、負和正，并把此改變著極性的恒定電流提供給傳感器2中的激磁線圖6。
在電磁流量傳感器2中，激磁線圈6響應來自激磁電路1的激磁電流Iw(圖11中(c)所示)，產生一個以垂直于測量管7的軸線方向而施加的磁場。兩個電極8a和8b置于該管道的內壁上，把在流體中由所述磁場感應的電動勢ea(圖11中(d))施加到信號處理電路3中的AC放大器9上。
在信號處理電路3中，AC放大器9放大由電極8a、8b檢測到的電動勢ea，并且在激磁電流為零的時間間隔內，開關10對經放大的輸出采樣兩次，而在激磁電流是正或負的期間里，則采樣一次，與圖11中(e)所示的采樣脈沖P2的時序相應。所得到的每個采樣值被依次送到模一數(shù)(A/D)轉換器11中。
A/D轉換器11把每一采樣值轉換成數(shù)字形式，并把其供給微處理器12。
微處理器12根據(jù)這些數(shù)字采樣值進行計算，從而除去電動勢中的偏移電壓分量Vf和噪聲分量Vn，借以獲得只和流體流量成比例的信號分量Vs1和Vs2。信號分量Vs1和Vs2被送到數(shù)一模(D/A)轉換器13。微處理器12有向開關5a、5b提供脈沖P1a、P1b、向采樣開關10提供脈沖P2、以及向D/A轉換器13后面的采樣和保持電路14提供控制脈沖P3的功能。
D/A轉換器13把微處理器12的計算結果轉換成模擬信號，這些模擬信號然后依次被提供給采樣和保持電路14。采樣和保持電路14在圖11中(f)所示的脈沖P3的那些時刻采樣并保持所述模擬信號，從而產生輸出電壓eo這樣，這種類型的電磁流量計補償當激磁電流為正或負時的噪聲分量和當激磁電流為零時的噪聲分量之間的差，從而有效地消除引起零點漂移的噪聲分量，借以穩(wěn)定零點，同時由于不利用長的轉換間隔防止了響應性能的降低。
不過，在這種電磁流量計中，一次采樣時間必須非常短，這是因為在激磁電流為零的時間間隔內完成兩次采樣，而在激磁電流是正或負的時間間隔內完成一次采樣。這樣，這種測量就易受在采樣期間內流體中的氣泡或固體物質的影響，這將會降低測量的可靠性。
在另一方面，使對電極間產生的電動勢ea的采樣時間如此之長以致克服這種氣泡和固體物質的影響將需要長的激磁期間或周期，這會導致變劣的響應特性。一些懸浮液體例如象抽吸液體，具有1/F特性，其中噪聲頻率越低，噪聲電平就變得越高。這樣，當激磁周期增加時，也就是激磁頻率減少時，信噪比變劣。
因此，本發(fā)明的第一個目的在于，提供一種電磁流量計和一種電磁流量測量方法，能夠使由于感應噪聲引起的測量誤差得以消除，而不進行招致停止被測流體流動的零點調整。
本發(fā)明的第二個目的在于，提供一種電磁流量計和電磁流量測量方法，其允許設置相對長的采樣時間，借以消除流體中氣泡和固體物質的影響，提高可靠性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的電磁流量計包括被測流體在其內流動的測量管，在測量管內壁上相互面對面設置的一組電極，向測量管道內部沿垂直于其軸的方向提供磁場的激磁線圈，其特征在于，進一步包括用來向激磁線圈提供選擇性地在至少兩個激磁周期之間轉換的矩形電流的激磁電路;一個用于獲得一個流量值信號的流量值計算電路，該流量值信號應當在使得該激磁周期為無限時，從那些由在流體中感生的電動勢中獲得、并通過諸電極檢測到的對應激磁周期中的流量信號中，借助于對這些流量信號的外推計算而獲得的;以及一個用來輸出由所述流量值計算電路獲得的流量值信號的流量值輸出電路。
眾所周知，當使激磁線圈的激磁周期變得越長時，激磁電流就變得越穩(wěn)定，因而在這些流量信號中就不易出現(xiàn)誤差。同樣眾所周知的是，當激磁周期越長時，響應度就變得越低，并且容易發(fā)生振蕩。
在本發(fā)明中，流量值計算電路獲得這樣一個流量值信號，它是對應于使激磁周期為無限長時從不同激磁周期的一些流量信號中獲得的一個信號，從而防止了響應度變低，并且消除了由于感應噪聲而引起的測量誤差，而不必進行招致停止流體流動的零點調整。
而且，本發(fā)明簡化了對每一激磁周期的流量信號的采樣，這就允許使用長的采樣時間，從而使其不易遭受流體中的汽泡和固體物質的影響。
在該電磁流量計中，激磁電路給激磁線圈提供交替的第一、第二激磁頻率fH、fL的矩形電流，并且在對于第一激磁頻率fH檢測到一個第一流量信號SH以及對于第二激磁頻率fL檢測到一個第二流量信號SL時，流量值計算電路可以根據(jù)下式之一計算流量值VV＝SL×fH/(fH-fL)-SH×fL/(fH-fL)V＝SL×fH2/(fH2-fL2)-SH×fL2/(fH2-fL2因此，只使用兩個激磁頻率，使得電磁流量計的結構做得很簡單。
流量值計算電路可以獲得相對于第一激磁頻率fH的第一流量信號SH的平均值SHa和相對于第二激磁頻率fL的第二流量信號SL的平均值SLa。當平均值SHa、SLa的計算之后該電路接收到一個第一流量信號SH時，它就根據(jù)下式計算VV＝(SLa-SHa)×fH/(fH-fL)+SH
當在平均值SHa、SLa的計算之后該電路接收到一個第二流量信號SLa時，它就按下式計算VV＝(SLa-SHa)×fL/(fH-fL)+SL因此，平均值的使用進一步使可靠性得到了改善。
在感應噪聲幅度大的情況下，基于平均值的等式可以修正為V＝(SLa-SHa)×fH2/(fH2-fL2)+SHV＝(SLa-SHa)×fH2/(fH2-fL2)+SL本發(fā)明的另一種電磁流量計包括一個測量管，其流量要被測量的流體在該管內流動;一組在測量管內壁上相互面對面設置的電極;以及用來沿與測量管軸向相垂直的方向向其內部提供磁場的激磁線圈;其特征在于，進一步包括向激磁線圈提供在至少兩個激磁周期之間選擇性地轉換的矩形激磁電流的激磁電路;響應于在流體中感應的并被電極檢測到的電動勢，相對于每一激磁周期產生一個流量信號的流量信號產生電路;用于檢測在一預選的上升時間流過激磁線圈的激磁電流的激磁電流檢測電路;一個流量值計算電路，用于把一個由激磁電流檢測電路檢測到的激磁電流和一個預定的參考電流值進行比較，從而確定在所述上升時間間隔內激磁電流是否已達到該預定參考電流值，并且用于獲得一個流量值信號，該信號應當是對應于使得此激磁周期為無限時的、借助于某種外推從由流量信號產生電路所產生的那些信號中獲得的信號，所述的外推為這樣兩種之一，即當判定是激磁電流已到達該參考電流值時在激磁周期的線性函數(shù)基礎上的外推，或是當判定是激磁電流尚未到達該參考電流值時在激磁周期的二次函數(shù)基礎上的外推;以及用于輸出由流量值計算電路得到的流量值信號的流量值輸出電路。
用這種方式，流量值計算電路根據(jù)在預選的上升時間間隔內激磁電流的上升程度來選擇用于外推流量信號的函數(shù)之間進行選擇，從而改良了外推精度，這便進一步改善了測量精度。
按照本發(fā)明，應當對應于當激磁周期為無限大時的流量值信號是由不同激磁周期的那些流量信號中獲得的，因而消除了由于感應噪聲而產生的測量誤差，而不必進行招致被測流體停止流動的零點調整，從而改善了測量精度。此外，允許長的采樣時間，這便使其不易遭受流體中的汽泡和固體物質的影響，因而改善了可靠性。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電磁流量計的方案圖;
圖2是說明圖1所示儀器工作的時序圖，具體地，(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)和(m)分別表示激磁電流波形、磁場波形、電動勢波形、感應噪聲波形、定時信號、被采樣的信號以及初始流量信號;
圖3是用來說明根據(jù)在圖1的儀器中使用的線性接近的外推圖;
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電磁流量計的激磁周期與初始流量信號的關系，其中激磁周期按三步設置;
圖5表示根據(jù)本發(fā)明第四實施例的模擬電磁流量計的方案;
圖6是用來說明圖5儀器的時序圖，特別是其中(n)、(o)、(q)和(r)表示開關打開和閉合的時序圖，(p)和(s)分別表示圖5中差分放大器和運算放大器的輸出;
圖7是用來說明根據(jù)一條拋物線外推的圖;
圖8說明本發(fā)明的第七實施例的電磁流量計的結構;
圖9是說明圖8的電磁流量計的工作的時序，更具體地，其中(t)為對激磁電流檢測線連接的時序圖，(u)為圖8中的A/D轉換器的輸出波形;
圖10是常規(guī)的電磁流量計的方案圖;
圖11是說明圖10的電磁流量計的時序圖，更具體地，其中(a)和(b)是激磁電流轉換脈沖的定時，(c)、(d)、(e)和(f)分別是激磁電流波形、電動勢波形、采樣脈沖和采樣保持脈沖。
參看圖1，它說明本發(fā)明第一實施例的電磁流量計，它包括傳導流體流經的測量管21，傳導流體的流量要被測量，用來沿垂直于管的軸向方向向測量管提供一個磁場的激磁線圈22，由在垂直于磁場方向在測量管的內壁上對置安放的兩個電極23構成的檢測器24。檢測器24被連接到具有控制功能的轉換器25。
具有控制功能的轉換器25被設置用來以任何一組激磁周期給激磁線圈22激磁并在任一時刻取出從電極獲得的電動勢，用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。更具體地說，轉換器25備有激磁電路26、前置放大器27、采樣開關28、電容器29、A/D轉換器30，信號處理定時控制電路31、以及輸出電路32。
激磁電路12包括相反極性的恒流源26a和26b，和用來將每個電流源連接到激磁線圈22上去的激磁轉換開關26c。借助于來自信號處理定時控制電路31的激磁轉換信號來轉換開關26c，由激磁電路12實現(xiàn)以任一組激磁周期給線圈22激磁的功能。
前置放大器27放大被電極23檢測到的電動勢，并把放大了的信號發(fā)送給采樣開關28。
采樣開關28和與其相連的電容器29一起形成采樣和保持電路。借助于被來自信號處理定時控制電路31的定時信號來打開和閉合開關28，開關28在任一時刻執(zhí)行提取前置放大器27的輸出信號并把提取的采樣信號送到A/D轉換器30去的功能。
A/D轉換器30具有把來自采樣和保持電路的每一采樣信號轉換成數(shù)字形式并把所得的數(shù)字化信號送到信號處理定時控制電路31的功能。
信號處理定時控制電路31具有一個圖中沒有畫出的微機，以一預定的激磁周期執(zhí)行把激磁控制信號送到激磁轉換開關26c的功能，借以控制激磁電路26，并在預定的時刻把定時信號送到采樣開關28，借以控制采樣和保持電路。信號處理定時控制電路31也具有根據(jù)A/D轉換器30的采樣信號進行計算并把結果送到輸出電路32的功能。
輸出電路32提供一來自信號處理定時控制電路31的計算結果，作為流量計的輸出。
下面將參考圖2的時序圖說明上述電磁流量計的工作。
現(xiàn)假定流過測試管21的流體是一恒速流。
轉換電路25的信號處理定時控制電路31向激磁電路26的開關26c提供一個在一長激磁周期和一短激磁周期之間交替的激磁轉換信號。響應于此，激磁電路26給激磁線圈22提供一長周期和短周期的方波電流。
此時，激磁電流流過激磁線圈26，如圖2(g)所示，在從極性改變之后一預定的時間滯后之后，激磁電流變成恒定的，因為每個線圈有一電感以及每個恒流源26a、26b具有一固定的輸出電壓所致。結果，產生了如圖2(h)所示磁通量的磁場。
這一磁場在流體中產生如圖2(i)所示的電動勢，它被電極檢測到。注意磁場遭受流過檢測器的渦流的影響，使得在激磁電流幅值成為恒定的瞬時和磁場變?yōu)楹愣ǖ乃矔r之間會發(fā)生某些滯后。
在磁場穩(wěn)定之前，如圖2(i)所示，在前置放大器27的兩個輸入端、電極23和傳導流體形成的傳導環(huán)內，產生由于磁場改變感生的噪聲，其中包括DC噪聲。這一感應噪聲被迭加在電極23之間的電動勢上。應該注意，DC噪聲是在電極23上發(fā)生的。
被電極23檢測的電動勢由前置放大器27放大后送到采樣開關28，作為電動勢放大信號。同時，信號處理定時控制電路31，在從發(fā)出激磁轉換信號到電極23間的電動勢幅值成為恒定時這一預定的時間滯后之后，發(fā)出一定時信號給采樣開關28，如圖2(k)所示。
響應這一定時信號，采樣開關28緊接在每一激磁周期內激磁電流的極性改變之前一直被置于閉合位置并持續(xù)一預定時間間隔，在這期間，電容器29被充電到電動勢放大信號的電平。也就是說，在兩個長的和短的激磁周期的每一個期間，完成采樣兩次，以便抽取出穩(wěn)定的電動勢放大信號的正、負電平。
如此被采樣的電動勢放大信號被A/D轉換器30轉換成數(shù)字采樣信號，對于相繼的激磁周期中激磁電流的每種極性，這些數(shù)字化采樣信號被送到信號處理定時控制電路31。
在收到在每個長、短激磁周期中的正、負采樣信號之后，信號處理定時控制電路31借助圖中沒有畫出的微計算機進行初步處理，對于每一激磁周期，從正的采樣信號中減去負的采樣信號。結果，獲得了如圖2(m)所示的初始流量信號。
在對于長、短激磁周期的初次流量信號中，已經除去了非常低的頻率的噪聲分量，但含有感應噪聲分量Nc，如圖2中(m)的黑色處所示。在這些初始流量信號中，長激磁周期的初始流量信號所含的感應噪聲Nc較少，這是由于直到完成采樣前磁場保持恒定的時間間隔長的緣故。換句話說，感應噪聲Nc的幅值與激磁周期或激磁期間成反比，而與激磁頻率成正比。
接著，信號處理定時控制電路31對于長、短激磁周期的初始流量信號根據(jù)線性接近進行外推處理，從而得到倘若激磁頻率為零時的流量信號(當激磁周期為無限大時的流量值)。該流量信號被送到輸出電路32、當激磁頻率為零時，流量信號中沒有感應噪聲Nc，因而表示真正的流量值。
作為例子，輸出電路32把這一流量信號提供給記錄器。
在第一實施例中，如上所述，當流體在測量管21中以一恒速流動的同時，激磁電路26供給激磁線圈22在長、短周期間交替的激磁電流，信號處理定時控制電路31根據(jù)在電極23間產生的電動勢獲得每一激磁周期的初始流量信號，并進而借助于外推法由初始流量信號獲得假如激磁周期為無限大時而獲得的流量信號，輸出電路32輸出由信號處理定時控制電路31得到的流量信號。
按這種方式，本發(fā)明的本實施例可以獲得當激磁頻率為零時的流量信號，這在通常情況下是不可能實現(xiàn)的，借助于外推兩個含有當流速恒定時正比于激磁頻率的感應噪聲的初始流量信號實現(xiàn)了這一點，這就允許消除由于感應噪聲Nc引起的測量誤差而不進行招致停止流體流動的零點調整并且改善了測量精度。
而且，只需要簡單地采樣每一極性的交流激磁電流的電動勢。因此，相對于現(xiàn)有技術，不需要對每一極性的激磁電流進行兩次采樣。這就允許采用相對較長的采樣時間，以使其不易遭受流體中汽泡和固體物質的影響。
而且，通過減法獲得初始流量信號，這使得象直流一樣低頻的噪聲得以消除。這樣，可以實現(xiàn)信噪比高的狀態(tài)下的外推處理。
此外，對外推使用線性接近，對于在如果感應噪聲與初始流量信號相比足夠小時從電極23間的電動勢中消除感應噪聲Nc是非常有效的。
而且，即使由于流體的傳導性發(fā)生變化而發(fā)生零點漂移，只要流速是恒定的，通過處理產生初始流量信號來消除感應噪聲，這便保證了流量測量的可靠性。
接著描述根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，本實施例允許信號處理定時控制電路31按三步來改變激磁周期，以便改善優(yōu)于第一實施例的測量精度，本流量計的結構和圖1所示的相同。
圖4所示為初始流量信號在激磁周期按三步變化即L(低)、M((中)、H(高)時與激磁周期的關系。正如所見到的，初始流量信號隨磁頻率的增加而降低。
當感應噪聲Nc的相位與流量信號相差180度時產生這種初始流量信號。與第一實施例相反，感應噪聲越多，信號電平變得越低。
信號處理定時控制電路31借助于外推三個初始流量信號，得到如上所述的相當于假如激磁頻率為零時會得到的流量信號，接著把此流量信號送到輸出電路32。作為例子，它把這一流量信號提供給一個記錄器(未示出)。
按照上述的第二實施例，因為激磁周期按三步變化，就可以更精確地實現(xiàn)外推。除第一實施例的優(yōu)點之外，第二實施例可以在即使感應噪聲Nc具有大的幅值時進行高精度的流量測量。
下面將描述本發(fā)明第三實施例的電磁流量計。
為了改進第一實施例的可靠性，第三實施例進行借助于信號處理定時控制電路31獲得的初始流量信號的統(tǒng)計處理。第三實施例的電磁流量計在結構上與圖1所示的第一實施例的相同。
設SH＝短激磁周期的初始流量信號，fH＝相應于短激磁周期的激磁頻率，SL＝長激磁周期的初始流量信號，fL＝相應于長激磁周期的激磁頻率，V＝真正的流量值，Nc＝相應于激磁頻率的感應噪聲的比例系數(shù)。那么，下式成立SH＝Nc×fH+V (1)SL＝Nc×fL+V (2)根據(jù)當認為流量為定值時的時間間隔內獲得的初始流量信號SH1、SH2……以及SL1，SL2……，信號處理定時控制電路31獲得短激磁周期的初始流量信號的平均值SHa和長激磁周期的初始流量信號的平均值SLa。
同樣，信號處理定時控制電路31還根據(jù)平均SHa、SLa獲得滿足方程(1)、(2)的Nc如下Nc＝(SHa-SLa)/(fH-fL)(3)注意此處的Nc是周期性地獲得的。
進而，收到在短激磁周期內的第一個初始流量信號SH之后，信號處理定時控制電路31根據(jù)方程V＝(SLa-SHa)×fH/(fH-fL)+SH來計算V值，該方程是由方程(3)和(1)中的Nc獲得的。
同樣，收到在長激磁周期內的第一初始流量信號SH之后，信號處理定時控制電路31按式V＝(SLa-SHa)×fL/(fH-fL)+SL
來計算V值，該等式同樣地從式(3)和式(2)中的Nc獲得。
然后信號處理定時控制電路31向輸出電路18提供一代表真實流量值V的流量信號，它接著又被送至記錄器。
按上述的第三實施例，信號處理定時控制電路31使用平均流量信號來計算流量值V。這樣，第三實施例除在具有第一實施例的優(yōu)點之外還進一步提高了流量值V的可靠性。此外，僅使用兩種激磁頻率使得流量計的結構簡化了。
下面參照圖5說明本發(fā)明的第四實施例的電磁流量計，圖5詳細說明了流量計的模擬實現(xiàn)方式。在該圖中，相應于圖1的部分用相同標號表示，并略去其詳細說明，此處只說明不同的部分。
在這一流量計中，采樣和保持電路、A/D轉換器30、信號處理定時控制電路31以及輸出電路32被省略了。而在前置放大器27之后提供了模擬電路借以實現(xiàn)具有控制功能的轉換器25a。
在此模擬流量計中，前置放大器27的輸出端與兩個由開關40L(40H)和電容器41L(41H)構成的采樣和保持電路相連。由開關40L和電容41L構成的采樣和保持電路的輸出端與差分放大器42的同相輸入端相連，由開關40H和電容40L構成的另一采樣和保持電路與反相輸入端相連。
差分放大器42的輸出端借助于各自的由開關43H(43L)和電容器44H(44L)構成的采樣和保持電路與第一、第二緩沖放大器45、46中的每一個相連。第一緩沖放大器45的輸出端通過電阻ra、rb的串聯(lián)組合與輸出電路47相連。電阻ra、rb之間的連接點與運算放大器48的反相輸入端相連，運算放大器48的輸出端與輸出電路47相連。另一方面，第二緩沖放大器46的輸出端通過串聯(lián)電阻rc、rd與地相連。電阻rc、rd間的接點與運算放大器48的同相輸入端相連。
定時發(fā)生器49與開關40L、40H、43H、43L以及激磁電路26中的激磁轉換開關26c相連。定時發(fā)生器49以圖6所示的時序控制這些開關40L、40H、43H和43L。
下面參照圖6說明這種結構的流量計的工作。
現(xiàn)假定流體以恒速流經測量管1。
如上所述，在電極23之間產生相應于每個長、短激磁周期的電動勢，如圖6(i)所示。它被前置放大器27放大后出現(xiàn)在開關40L、40H上。
開關40L借助于定時發(fā)生器49緊接在激磁極性轉換之前一直被置于閉合狀態(tài)一個時間間隔，在這期間內，正的電動勢保持穩(wěn)定。同樣開關40H在緊接激磁極性轉變之前置于閉合狀態(tài)一段時間，在此時間內，負的電動勢保持穩(wěn)定。
這就是說，被開關40L采樣的正電動勢放大信號加到差分放大器42的同相輸入端，被開關40H采樣的負電動勢放大信號加到差分放大器42的反相輸入端。
這樣，差分放大器42對于每一激磁周期從正電動勢放大信號中減去負電動勢放大信號，借以在完成一長激磁周期之后在開關43H、43L中的每一個上施加初始流量信號SL，在完成短激磁周期之后施加初始流量信號SH，如圖6(p)所示。
開關43H借助于定時發(fā)生器29僅僅在完成每個短激磁周期之后閉合一時間間隔，如圖6(q)所示，借以通過第一緩沖放大器45和電阻ra施加一初始流量信號SH給運算放大器48的反相輸入端。同樣開關43L僅僅在完成每個長激磁周期之后置于閉合狀態(tài)一時間間隔，如圖6(r)所示，借以通過第二緩沖放大器46和電阻rc施加一初始流量信號SL給運算放大器48的同相輸入端。
運算放大器48和輸出So表示為So＝(1+rb/ra)(rd/rc+rd)SL-(rb/ra)SH (4)式(4)中的SL、SH的系數(shù)分別用K1、K2代換，則寫成So＝K1×SL-K2×SH (5)解方程(1)、(2)求得真實流量值VV＝(SL×fH-SH×fL)/(fH-fL) (6)應該注意到，此處為使So＝V，ra至rd被選取使得滿足K1＝fH/(fH-fL)以及K2＝fL/(fH-fL)。
這樣，運算放大器48向輸出電路47提供一代表真實流量值V的流量信號，如圖6(s)所示。然后輸出電路47把流量信號送給未畫出的記錄器。
按照上述的第四實施例，圖1所示的儀器用模擬電路來實現(xiàn)，這具有較快速地處理信號的特點，即除圖1所示儀器的優(yōu)點外，還增加了快速流量測量的優(yōu)點。
下面說明本發(fā)明第五實施例的電磁流量計。
第五實施例與圖1所示流量計的區(qū)別在于實現(xiàn)外推的方式。就是說，本實施例根據(jù)圖7所示的拋物線，借助于外推長、短激磁周期的初始流量信號來獲得流量信號。
現(xiàn)假定激磁電路26給激磁線圈22激磁時，在檢測器24的結構和流體中流過渦流，因而產生同步感應噪聲。
根據(jù)渦流的幅值正比于激磁頻率平方這一事實，理論上應得出感應噪聲正比于激磁頻率的平方。感應噪聲增加得越多，會有感應噪聲的初始流量信號越變得正比于激磁頻率的平方。
借助于利用圖7所示的拋物線對含有感應噪聲的初始流量信號進行外推，信號處理定時控制電路31獲得一流量信號，從而改善流量測量的精度。如前述的實施例那樣，輸出電路32把流量信號供給未示出的記錄器。
按照上述的第五實施例，信號處理定時控制電路31對含有噪聲的初始流量信號進行基于拋物線的外推，從而獲得流量信號，這在產生大量的感應噪聲時對改良測量精度是有效的。
下面說明本發(fā)明第六實施例的電磁流量計。
在本實施例中，和第五實施例一樣，假定感應噪聲正比于激磁頻率的平方，借助于利用式(1)′、(2)′代替第二實施例中描述的式(1)、(2)進行外推，信號處理定時控制電路31獲得流量值VSH＝Nc×fH2+V (1)′SL＝Nc×fL2+V (2)′信號處理定時控制電路31根據(jù)當流量恒定時獲得的初始流量信號SH1，SH2…以及SL1，SL2…得到短激磁周期的初始流量信號的平均值SLa。
接著，信號處理定時控制電路31根據(jù)方程Nc＝(SHa-SLa)/(fH-fL) (3)′獲得滿足方程(1)′、(2)′的Nc。
結果，收到第一流量信號SH之后，信號處理定時控制電路31按下式計算VV＝(SLa-SHa)×fH2/(fH2-fL2)+SH同樣，收到第二流量信號SL之后，信號處理定時控制電路31按下式計算VV＝(SLa-SHa)×fL2/(fH2-fL2)+SL。
然后，信號處理定時控制電路31把流量值V送給輸出電路32，它接著送到未示出的記錄器。
按上述的第六實施例，信號處理定時控制電路32利用初始流量信號的平均值實現(xiàn)基于拋物線的外推，從而保證了流量測量的可靠性。
下面結合圖8、9說明本發(fā)明的第七實施例。
圖8說明第七實施例的電磁流量計的方案，圖9是說明其工作的時序圖。在這些圖中，相同的標號代表圖1、2中的相同部分，并省略其說明。此處只說明不同之處。
為保證測量精度，第七實施例的電磁流量計根據(jù)流量信號中含的感應噪聲的幅值在基于線性接近外推法和基于拋物線外推法之間進行選擇。與圖1不同，與激磁電路26中的激磁轉換開關26c相連接的是電阻50的一端，后者的另一端連到激磁電流檢測線51。借助于信號處理定時控制電路31，允許采樣開關28連接到與激磁電路26相連的檢測線51的另一端或連到前置放大器27的輸出端。
現(xiàn)在假定激磁電路26提供如圖9(g)所示的激磁電流，并且在電極23之間產生的電動勢如圖9(i)所示。
前置放大器27放大這一電動勢并將其送到采樣開關28。
信號處理定時控制電路31提供如圖9(k)所示的定時信號給采樣開關28，把前置放大器27的輸出連到采樣和保持電路，借以當電動勢穩(wěn)定時在緊接如前所述激磁電流極性轉換之前采樣放大的電動勢信號。
在激磁電流極性轉換的時刻，信號處理定時控制電路31控制激磁電路26中的激磁電流轉換開關26c來改變激磁電流的極性，并在同一時刻以圖9(t)所示的一預選的上升時間Ts把采樣開關28連接到激磁電流檢測線51上。在上升時間Ts之后，信號處理定時控制電路31解除采樣開關與激磁電流檢測線51的連接。因此，信號處理定時控制電路31在激磁電流極性已被轉換之后立即在所述上升時間Ts采樣激磁電流，并且通過A/D轉換器30獲得如圖9(u)所示的激磁電流值。
接著，信號處理定時控制電路31把激磁電流值和一預定的參考值進行比較，借以確定在上升時間Ts內激磁電流是否已超過參考值。如果在上升時間Ts內激磁電流已經上升到參考值之外，感應噪聲的影響就是小的，否則就是大的。
如果作出激磁電流上升到參考值之外的判斷，那么信號處理定時控制電路31就對長、短激磁周期的流量信號進行基于線性接近的外推處理，從而獲得真實的流量值V，然后把其送至輸出電路32。另一方面，如果作出了激磁電流沒有上升到參考值之外的判定，那么信號處理定時控制電路31就進行基于拋物線的外推處理。在這種情況下獲得的真實流量值V也被送到輸出電路32。輸出電路32把真實流量值V送給未示出的記錄器。
按上述的第六實施例，信號處理定時控制電路31判定激磁電流在激磁電流極性轉換的時刻上升的程度，從而檢查感應噪聲的影響，并且根據(jù)感應噪聲的影響在線性接近外推法和基于拋物線的外推法之間轉換，從而獲得真實的流量值V。這便得以實現(xiàn)不受感應噪聲影響的更加精確的流量測量。
在電動勢放大信號的檢測之后采樣激磁電流。這就不需要另外的A/D轉換器，從而使得流量計的結構簡單。
第二實施例以激磁電流頻率按三步改變進行了描述，當然，也可以多于三步來改變激磁流頻率。
第三實施例中對為獲得流量信號把初始流量信號的平均值代入操作表達式中進行了說明，也可以把單個的初始流量信號代入操作表達式中。
此外，第六實施例用從方程(1)′、(2)′得到方程(3)′、并且根據(jù)(3)′得到真實流量值V進行了說明，它也可以修改為從方程(1)′、(2)′得到下面的方程(6)′，并按此方得到真實流量值VV＝SL×fH2/(fH2-fL2)-SH×fL2/(fH2-fL2) (6)′此外，第七實施例根據(jù)在預選上升時間Ts內的激磁電流值來檢測感應噪聲的影響并在與此相應的不同的外推法之間選擇，它也可以修改為根據(jù)激磁電流達到一預定值所需的上升時間來檢測噪聲的影響并選擇相應的外推法。在這種情況下，如果上升時間長，則進行基于拋物線的外推，這是因為感應噪聲的幅值較大。如果上升時間短，則進行基于線性接近外推，因為感應噪聲小。
本發(fā)明在不脫離此處的構思的情況下可以用其它方式實施或修改。
權利要求
1.一種電磁流量計，包括為其流量要被測量的流體所流經測量管；在所述測量管內壁上彼此對置設置的一組電極；用來沿垂直于所述管軸線的方向向所述測量管內部提供磁場的激磁線圈；以至少兩種激磁周期向所述激磁線圈提供矩形激磁電流的激磁裝置；流量值計算裝置，用來在每種所述激磁周期中當所述電極間產生電動勢時，根據(jù)在所述激磁周期期間產生的所述電動勢外推流量信號，以便獲得當所述激磁周期為無限大時將會得到的流量值信號；以及流量值輸出裝置，用來輸出通過外推法借助于所述流量值計算裝置獲得的所述流量值信號。
2.根據(jù)權利要求1的電磁流量計，其中所述流量值計算裝置根據(jù)激磁周期的線性函數(shù)進行外推運算。
3.如權利要求1的電磁流量計，其中所述矩形電流在三個激磁周期中選擇性轉換，其中所述的流量值計算裝置從所述三個激磁周期的流量信號中獲得流量值信號。
4.如權利要求1的電磁流量計，其中所述的矩形電流選擇性地在第一激磁頻率fH和第二激磁頻率fL之間轉換，其中所述的流量值計算裝置獲得通過所述電極檢測到的所述第一激磁頻率fH的第一流量信號SH的平均值SHa以及通過所述電極檢測到的所述第二激磁頻率fL的第二流量信號SL的平均值SLa，接著所述流量值計算裝置在收到第一流量信號后計算V＝(SLa-SHa)×fH/(fH-fL)+SH或在收到第二流量信號后計算V＝(SLa-SHa)×fL/(fH-fL)+SL
5.如權利要求1的電磁流量計，其中所述矩形電流選擇性地在第一激磁頻率fH和第二激磁頻率SL之間轉換，并且其中通過所述電極檢測所述第一激磁頻率的一個第一流量信號SH后、以及通過所述電極檢測所述第二激磁頻率的一個第二流量信號SL后，所述流量值計算裝置計算V＝SL×fH/(fH-fL)-SH×fL/(fH-fL)。
6.如權利要求5所述的電磁流量計，其中所述的流量值計算裝置包括具有一反相輸入端和一同相輸入端以及一輸出端的運算放大器;一個電阻ra，用來把所述第一流量信號SH連接到所述反相輸入端;一個電阻rb，用來把所述反相輸入端連到輸出端;一個電阻rc，用來把所述第二流量信號SL連到所述同相輸入端;以及一個電阻rd，用來把反相輸入端接地，所述電阻ra、rb、rc和rd的選擇滿足公式fH/(fH-fL)＝(1+rb/ra)[rd/(rc+rd)]fL/(fH-fL)＝rb/ra。
7.如權利要求1的電磁流量計，其中所述流量值計算裝置根據(jù)激磁周期的二次函數(shù)進行外推運算。
8.如權利要求1所述的電磁流量計，其中所述矩形電流選擇性地在一第一激磁頻率fH和一第二激磁頻率fL之間轉換，并且其中所述流量值裝置獲得所述電極檢測到的所述第一激磁頻率fH的第一流量信號SH的平均值SHa，以及通過所述電極檢測到的所述第二激磁頻率fL的第二流量信號SL的平均值SLa，然后所述流量值計算裝置在收到一第一流量信號后計算V＝(SLa-SHa)×fH2/(fH2-fL2)+SH在收到第二流量信號后計算V＝(SLa-SHa)×fL2/(fH2-fL2)+SL。
9.如權利要求1所述的電磁流量計，其中所述矩形電流選擇性地在一第一激磁頻率fH和一第二激磁頻率fL之間轉換，并且在通過所述電極檢測所述第一激磁頻率fH的一個第一流量信號SH以及通過所述電極檢測所述第二激磁頻率fL的一個第二流量信號SL之后，所述流量值計算裝置計算V＝SL×fH2/(fH2-fL2)-SH×fL2/(fH2-fL2)。
10.一種電磁流量計，包括一個測量管，其流量要被測量的流體在該管中流過;在所述測量管內壁上相互對置放置的一組電極;用來沿垂直于所述管軸線方向的方向向所述測量管內部提供磁場的激磁線圈;用來給所述激磁線圈提供至少在兩種激磁周期之間選擇性地轉換的矩形電流的激磁裝置;響應在流體內產生和被所述電極檢測到的感生電動勢而產生每一激磁周期的流量信號的流量信號產生裝置;用來檢測在預選上升時間內流過所述激磁線圈的所述激磁電流的激磁電流檢測裝置;流量值計算裝置，用來把所述激磁電流檢測裝置檢測到的一激磁電流和一預定參考電流值進行比較，從而確定在所述上升時間所述激磁電流值是否已達到所述預定參考電流值，當判定為激磁電流值已達到參考電流值時根據(jù)激磁周期的線性函數(shù)外推，當判定為所述激磁電流值沒有達到參考電流值時則根據(jù)激磁周期的二次函數(shù)外推，從而獲得相當于當所述激磁周期為無窮大時的流量值信號;以及流量值輸出裝置，用來輸出由所述流量值計算裝置獲得的流量值信號。
11.一種電磁測量流體流量的方法，包括下列步驟給激磁線圈激磁;向激磁線圈提供至少在兩種激磁周期之間選擇性地轉換的矩形電流;從用電極檢測的所述流體中的感應電動勢獲得各個激磁周期的流量信號中，借助于對所述流量信號的外推來計算相當于所述激磁周期為無窮大時的流量值信號;以及輸出所述流量值信號。
12.如權利要求11的方法，其中所述的外推根據(jù)激磁周期的線性函數(shù)進行。
13.如權利要求11的方法，其中所述的矩形激磁電流在三種激磁周期中轉換，并且其中所述計算步驟從相應于所述三種激磁周期的流量信號中獲得所述流量值信號。
14.如權利要求11的方法，其中所述矩形電流在第一頻率fH和第二頻率fL之間轉換，并且其中所述的計算步驟包括下列子步驟獲得由所述電極檢測的所述第一頻率fH的第一流量信號SH的平均值SHa以及由所述電極檢測的所述第二頻率fL的第二流量信號SL的平均值SLa;以及當收到一第一流量信號后計算V＝(SLa-SHa)×fH/(fH-fL)+SH當收到一第二流量信號后計算V＝(SLa-SHa)×fL/(fH-fL)+SL。
15.如權利要求11的方法，其中所述矩形電流在第一激磁頻率fH和第二激磁頻率fL之間選擇性地轉換，其中所述計算步驟根據(jù)通過所述電極檢測的所述第一激磁頻率的第一流量信號SH和通過所述電極檢測的所述第二激磁頻率的第二流量信號SL來計算V＝(SL×fH-SH×fL)/(fH-fL)
16.如權利要求11所述的方法，其中所述計算步驟根據(jù)激磁周期的二次函數(shù)進行外推運算。
17.如權利要求11所述的方法，其中所述矩形電流在第一頻率fH和第二頻率fL之間轉換，并且其中所述計算步驟包括子步驟獲得被所述電極檢測到的所述第一頻率fH的第一流量信號SH的平均值SHa以及被所述電極檢測到的第二頻率fL的第二流量信號SL的平均值SLa，接著在收到第一流量信號后計算V＝(SLa-SHa)×fH2/(fH2-fL2)+SH在收到第二流量信號后計算V＝(SLa-SHa)×fL2/(fH2-fL2)+SL。
18.如權利要求11的方法，其中所述矩形電流在第一激磁頻率fH和第二激磁頻率fL之間選擇性地轉換，其中所述的計算步驟根據(jù)通過所述電極檢測的所述第一激磁頻率fH的第一流量信號SH和通過所述電極檢測到的所述第二激磁頻率fL的第二流量信號SL來計算V＝SL×fH2/(fH2-fL2)-SH×fL2/(fH2-fL2)。
19.一種電磁測量流體流量的方法，包括下列步驟給激磁線圈激磁;向激磁線圈提供在至少兩種激磁周期之間選擇轉換的矩形激磁電流;根據(jù)在所述流體中感應的電動勢產生每個所述激磁周期的流量信號;檢測在預定上升時間通過所述激磁線圈的激磁電流;把在所述激磁電流檢測步驟中檢測到的激磁電流和預定參考電流值進行比較，判定是否所述激磁電流在所述上升時間已經達到所述預定參考電流值;利用當判定所述激磁電流已經達到所述參考電流值時用基于激磁周期的線性函數(shù)外推運算，而當判定所述激磁電流尚未達到參考電流值時，用基于激磁周期的二次函數(shù)外推運算的方法，從而從所述流量信號產生步驟中產生的那些流量信號中，計算出相應于當所述激磁周期為無窮大時的流量值信號;以及輸出所述流量值計算步驟得到的流量值信號。
全文摘要
一種電磁流量計包括被測流體流過的測量管；在管內壁上相互對置的一組電極；沿垂直于管軸向的方向向管內部提供磁場的激磁線圈；為激磁線圈提供至少在兩種激磁周期之間選擇轉換的矩形激磁電流的激磁電路；流量值計算電路，當在每一激磁周期中在電極之間產生電動勢時，外推根據(jù)激磁周期期間產生的電動勢的流量信號，從而獲得當激磁周期為無窮大時的流量值信號；流量值輸出電路，用來輸出所獲得的流量值信號。
文檔編號G01F1/60GK1097868SQ94106979
公開日1995年1月25日 申請日期1994年6月20日 優(yōu)先權日1993年6月21日
發(fā)明者富田豐文 申請人:株式會社東芝