利用驅動信號診斷的磁流量計的製作方法

2023-04-25 20:25:26 3

利用驅動信號診斷的磁流量計的製作方法
【專利摘要】磁流量計包括流量管，設置用於接收過程流體的流。線圈定位於流量管附近，並且設置用於響應於驅動電流交變方向來向過程流體施加磁場。第一和第二電極設置用於響應於施加的磁場來感測過程流體中的電壓電勢。電壓電勢表示通過流量管的過程流體的流量。傳感器耦合至第一和第二電流路徑，所述第一和第二電流路徑具有與驅動電流相關的傳感器輸出。當流過線圈的電流更改方向時，診斷電路根據傳感器輸出中的瞬變提供診斷輸出。
【專利說明】利用驅動信號診斷的磁流量計

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用於測量過程流體流量的類型的磁流量計。更具體地，本發明涉及這 種流量計的診斷。

【背景技術】
[0002] 磁流量計通過檢測穿過磁場的流體的速度來測量導電流體的體積流量。磁流量計 系統典型地包括流量管組件和發射機組件。流量管組件垂直或者水平地安裝在過程管線 中，並且包括管道部分、線圈部分和電極。線圈定位於管道的交叉部分的相對側面。由來自 發射機的線圈驅動電流供電的線圈沿管道的橫截面擴展磁場。兩個電極通常沿與磁場垂直 的線路彼此定位於管道兩端。穿過管道的流體是導電的。作為導體通過磁場移動的結果， 在流體中感應出電勢或電動勢（EMF)，可以在電極兩端檢測所述電勢或電動勢。因此，操作 是基於電磁感應的法拉第原理。
[0003] 在磁流量計中可能發生各種類型的故障，所述故障可能導致與線圈並聯的電流路 徑。這種並聯電流路徑可能引起一些電流從線圈旁路，從而導致施加至過程流體的減小的 磁場。這種減小的磁場將導致由感測電極檢測的減小的EMF。流量將低電流損耗的量。存 在可以引起這種並聯電流路徑增加的各種情況。例如，磁流量計流量管中的線圈可以通過 洩漏到線圈隔間中的過程流體進行折衷。這可以引起與線圈並聯的電路。類似地，如果用 於切換通過線圈的電流的電晶體之一故障，可以引起線圈電流的一些通過並聯路徑旁路通 過線圈。這導致了施加的EMF的減小以及來自感測電極的輸出的相應減小。這將導致不精 確的流量測量。
[0004] 用於施加線圈驅動信號的部件中的故障以及線圈驅動信號的電流路徑中的故障 或退化可以減小施加至過程流體的磁場。這可以導致流量測量中的誤差。各種診斷技術已 經用於檢測這些問題。例如，Foss的等人的2011年4月12日公布並且轉讓給羅斯蒙德公 司的題為"MAGNETICFLOWMETERWITHCOILGROUNDPATHDETECTION" 美國專利 7, 921，733 描述了具體的診斷技術。


【發明內容】

[0005] 磁流量計包括流量管，設置用於接收過程流體的流。線圈定位於流量管附近，並且 設置用於響應於驅動電流交變方向來向過程流體施加磁場。第一和第二電極設置用於響應 於施加的磁場來感測過程流體中的電壓電勢。電壓電勢表示通過流量管的過程流體的流 量。傳感器耦合至第一和第二電流路徑，所述第一和第二電流路徑具有與驅動電流相關的 傳感器輸出。當流過線圈的電流更改方向時，診斷電路根據傳感器輸出中的瞬變提供診斷 輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1是雙線通信迴路中的磁流量計的簡化方框圖。
[0007] 圖2是用於圖1的磁流量計的橋接脈衝受控電流驅動器的示意圖。
[0008] 圖3A是示出了一種結構中與磁性線圈耦合的驅動電路的簡化圖。
[0009] 圖3B是示出了第二種結構中與磁性線圈耦合的驅動電路的簡化圖。
[0010] 圖4是說明了驅動電路的電晶體中的故障的簡化示意圖。
[0011] 圖5是感測電阻器電流對時間的曲線。
[0012] 圖6是示出了用於檢測並聯電流路徑的示意圖。

【具體實施方式】
[0013] 在圖1中，磁流量計系統與承載電流I的雙線通信4-20mA迴路以及外部電源（未 示出）相連。流量管4承載過程流體的流。發射機9將線圈驅動電流k供應給相鄰流量管 4的線圈26,所述線圈在過程流體中產生磁場。沿與流體中的磁場垂直的線在流量管4中 安裝的電極6、8用於感測由流體流感應的EMF和施加的磁場。發射機9感測電極6、8之間 的EMF，並且控制對感測的EMF加以表示的DC輸出電流，所述EMF進而與流體流量成正比。 發射機9將電流I在4-20mA電流迴路傳輸至遠程接收站11。發射機9可以使用任意合適 技術通信，並且不局限於4-20mA電流迴路。其他的示例通信技術包括根據過程工業標準協 議的那些技術，例如甘露可尋址遠程變送器（HART? )、F0UNDATI0N?、現場總線或任意其他 合適的協議。另外，過程控制迴路可以包括無線過程控制迴路，其中例如使用根據IEC62591 標準的無線HART?通信協議或其他通信技術或協議無線地通信信息。
[0014] 圖2示出了發射機9中的H-橋式驅動器電路。磁流量計系統2的H-橋式驅動器 電路10產生對於線圈26的驅動電流込。在H-橋式驅動器10中，電源向電晶體橋式電路 14供電。在橋式電路14中，控制電路28和30將場效應電晶體（FET) 16、FET18、FET20和 FET22的柵極相連以將它們成對導通，以通過線圈26提供交流電。電源12連接FET16和18 的漏極端子。FET16的源極端子和FET20的漏極端子連接至線圈26的一側。類似地，FET18 的源極和FET22的漏極連接至線圈26的另一側。控制電路28和30將輸入的高和低邏輯 電平轉換為與電晶體16、18、20、22的柵極一致的所需電壓偏置電平，用於在導通和截止狀 態之間切換。
[0015] 微處理器40根據感測的電流按照所需操作頻率產生控制輸出a和a'，所述操作頻 率典型地是5Hz。輸出a和a'分別向電路28和30提供邏輯電平。微處理器40與存儲器 44、時鐘46、操作者輸入/輸出（I/O)電路48和迴路I/O電路49相連。存儲器44包含編 程指令以控制微處理器40的操作。微處理器40按照時鐘46確定的速度操作。輸入/輸 出電路48用於向例如過程控制迴路提供輸出連接。
[0016] 來自電源12的電流Is通過感測電阻器RSENSE52流至返迴路徑50。模數轉換器 (ADC) 58連接感測電阻器52,並且通過線圈26將對電流加以表示的輸出提供給微處理器 40。ADC電路58的輸出對流過感測電阻器52的電流Is的幅度加以表示。微處理器40如 上所述監測Is的幅度。
[0017] 圖3A和3B是示出了正常操作期間場效應電晶體16-22的條件的簡化圖。將線圈 26模型化為電感器26A和電阻器26B。在圖3A中，場效應電晶體16和22處於導通條件， 而電晶體18和20處於截止條件。這允許電流沿所示的方向從電源12流過線圈26。相反， 在圖3B中，場效應電晶體16和22截止，而電晶體18和20處於導通狀態。這允許電流從 電源12沿所示方向流動。。
[0018] 磁流量計中的電學部件中的各種類型的故障可以導致不容易檢測的誤差。例如， 一些類型的故障可以引起在線圈26周圍旁路一部分電流，並且流過與線圈26電學並聯的 並聯電流路徑。這種並聯電流路徑轉移流過線圈26的電流的一部分，從而導致了將減小的 磁場施加至過程流體。通過簡單地測量流過感測電阻器52的電流不會檢測到由這種並聯 電流路徑引起的故障。可能導致並聯電流路徑的示例故障包括場效應電晶體1622電學短 路或者部分短路的一種或多種。並聯電流路徑的另一個示例是線圈26配線內的電學短路 或者部分短路。類似地，可以接觸配線的過程流體引起來自電壓12的電流的一部分流過沒 有經過線圈26的並聯電流路徑。
[0019] 圖4說明了引起並聯電流路徑的一種示例故障條件。在圖4中，場效應電晶體20 部分地電學短路，並且當"截止"時提供10歐姆的阻抗。這引起了即使處於截止條件電流 的一部分（Iuss)流過場效應電晶體而不是流過線圈26。在圖4所示的示例中，如果管路也 是10歐姆，這導致了總電流一半的電流損耗，即250mA。注意：流過感測電阻器52的電流 仍然是來自電源12的總電流，即500mA。
[0020] 典型地，將不會檢測到圖4中所示類型的故障。然而，通過在時域中監測流過感測 電阻器52的電流、而不是簡單地監測靜態電流電平，可以獲得附加的診斷信息。具體地，當 流過線圈26的電流在圖3A和3B中所示的兩個電流路徑之間切換時，將瞬態信號施加至線 圈26。線圈的電感26A對抗這種變化，並且在到達感測電阻器52的電流中引入了滯後或 時延。這通過圖5的曲線中的實線說明。具體地，圖5說明了正常操作期間的線圈電流的 曲線（實線）以及當存在140歐姆並聯電流路徑時的線圈電流的曲線（虛線）。如圖5所 示，流過並聯電流路徑的電流將電感26A旁路，因此不會表現出這種時延。這由圖5所示的 虛線說明。因此，通過電阻器20的並聯電流路徑引起了當在兩個電流路徑之間切換時，通 過感測電阻器52的電流實質上立即改變。圖5所示的線圈電流中的迅速轉變（瞬變）是 由在兩個電流路徑之間轉變時、線圈驅動器12施加的電源電壓12引起的。在圖5的曲線 中，人們可以確定流過並聯電流路徑的電流的量Iuss等於V/R等於40伏/140歐姆，產生了 286mA的階躍變化。基於這一示例，人們可以看出即使並聯電流路徑電阻高到足以只引起線 圈電流中1 %的減小，在感測電阻器52兩端上明顯的階躍變化將是29mA，可以容易用檢測 電路檢測到。
[0021] 感測電阻器52上的初始電流的幅度可以用於估計通過並聯電流路徑旁路通過線 圈26的電流的量。因此，可以通過確定並聯路徑中的電流來校正感測電極電壓中的誤差。 傳感器線圈26B和並聯電流路徑的組合電阻可以在測量波形的DC部分（圖5A中所示的部 分70)期間測量線圈電壓和線圈電流來計算。可以通過測量電流階躍變化和施加的電壓來 計算Rstot。Rstot =V/I= 40V/286mA= 40 歐姆。一旦找到了Rlrtal 和Rshtjrt，可以將Rrail 計 算如下：

【權利要求】
1. 一種磁流量計，包括： 流量管，設置用於接收過程流體的流； 流量管附近的線圈，設置用於響應於交變線圈驅動電流來向過程流體施加磁場； 第一和第二電極，設置用於響應於施加的磁場來感測流量管中的電壓電勢，所述電壓 電勢表示通過流量管的過程流體的流量；以及 傳感器，耦合至線圈，所述傳感器具有與驅動電流相關的傳感器輸出，以及 診斷電路，當流過線圈的電流更改方向時，所述診斷電路具有根據傳感器輸出中的瞬 變的診斷輸出。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中基於由於線圈電流的損耗導致的瞬變來補償流量 測量。
3. 根據權利要求2所述的設備，其中所述補償是基於瞬變的幅度。
4. 根據權利要求1所述的設備，其中所述診斷電路識別當流過線圈的電流更改方向時 的不對稱瞬變。
5. 根據權利要求4所述的設備，其中所述不對稱瞬變表示線圈驅動電路中的故障部 件。
6. 根據權利要求1所述的設備，其中所述診斷電路識別當流過線圈的電流更改方向時 的對稱瞬變。
7. 根據權利要求6所述的設備，其中所述對稱瞬變表示線圈、線圈配線和/或流量管中 的故障。
8. 根據權利要求1所述的設備，包括模數轉換器，所述模數轉換器將線圈電流測量數 字化。
9. 根據權利要求1所述的設備，其中所述傳感器包括感測電阻。
10. 根據權利要求1所述的設備，其中所述診斷電路基於瞬變來補償流量測量。
11. 一種檢測磁流量計中的故障的方法，包括： 通過第一電流路徑施加通過磁流量計的磁性線圈的線圈驅動電流； 感測流過第一電流路徑的電流； 通過第二電流路徑向磁性線圈施加電流； 感測流過第二電流路徑的電流； 基於在第一感測電流中觀察到的瞬變來提供診斷輸出。
12. 根據權利要求11所述的方法，包括基於瞬變來補償流量測量。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中所述補償是基於瞬變的幅度。
14. 根據權利要求11所述的方法，包括識別當流過線圈的電流從第一電流路徑切換至 第二電流路徑以及從第二電流路徑切換至第一電流路徑時的不對稱瞬變。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中不對稱瞬變表示線圈驅動電路中的故障部件。
16. 根據權利要求11所述的方法，包括識別當流過線圈的電流從第一電流路徑切換至 第二電流路徑以及從第二電流路徑切換至第一電流路徑時的對稱瞬變。
17. 根據權利要求11所述的方法，其中所述對稱瞬變表示線圈、線圈配線和/或流量管 中的故障。
18. 根據權利要求11所述的方法，包括將傳感器輸出轉換為數字格式。
19. 根據權利要求11所述的方法，其中所述感測使用感測電阻。
20. 根據權利要求11所述的方法，包括基於瞬變來補償流量測量。
21. 根據權利要求11所述的方法，包括基於在第二感測電流中觀察到的瞬變來提供診 斷輸出。
【文檔編號】G01F1/56GK104515554SQ201410128313
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】斯科特·羅納德·福斯, 扎裡德·詹姆斯·德裡爾 申請人:羅斯蒙特公司