用於測量介質流速的測量裝置製造方法
2023-09-19 18:26:00 2
用於測量介質流速的測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於在由磁場穿過的體積中測量導電介質的流速的測量裝置，所述測量裝置具有：用於產生磁場的器件，至少兩個電極，和評估單元，所述評估單元評估來自所述電極的信號並計算流速，其中，所述至少兩個電極與開關連接，所述開關構造成用於短接所述電極。
【專利說明】用於測量介質流速的測量裝置
[0001]描述
[0002]本發明涉及一種用於在由磁場穿過的體積中測量導電介質的流速的測量裝置，所述測量裝置具有用於產生磁場的器件、至少兩個電極、和分析評估單元，所述評估單元評估來自電極的信號並計算流速。
[0003]本發明還涉及一種用於在由磁場穿過的體積中測量導電介質的流速的方法。
[0004]這種用於測量介質流速的方法和測量裝置長期以來以術語「磁感應流量測量」已知。這裡，磁感應流量計通常具有測量管，導電介質流動通過所述測量管。磁場通常通過線圈或永磁體產生。根據法拉第定律，在磁場中運動電荷的分離會發生在這種情況下。所述至少兩個電極通常設置在測量管的相對的兩側並且測量電壓，所述電壓在理想情況下與載荷子的流速成比例，就是說與導電介質的流速成比例。該方法的前提條件是僅有非常低的導電性,這樣例如也可以確定自來水的流速。
[0005]待測量的信號可以電流式或電容式地去耦。對於電流式的去耦，電極與介質電接觸。因此，這種情況下，要求介質有一定的最低導電性。此外，電極由於其持續與介質接觸必須是足夠抗腐蝕的。對於電容式的信號去耦，電極構造成電容器的大面積的板並位於管的外側，就是說它們不與介質接觸。
[0006]當前通常使用的這種測量裝置使用通過電磁鐵產生的交變電磁場來產生所需的磁場。這導致在電極上出現感應幹擾電壓。必須通過濾波器有目的地抑制所述幹擾電壓。為了實現簡單且能量高效的運行，由此希望，以交變電壓工作的電磁鐵用具有靜磁場的永磁體替代。然而，在使用永磁體時可能會觀察到附加的測量誤差，所述測量誤差表現為電極上測得的感應生成的電壓的漂移。這種漂移是隨時間變化的、隨機的直流電壓值，所述直流電壓值與實際的感應生成的測量值疊加。產生這種測量誤差的原因可能是靜電電荷或電化學電荷。這種測量誤差無法利用統計學方法計算消除。
[0007]因此本發明的目的是，提供一種開頭所述類型的測量裝置和方法，在所述方法中不會由於所述測量誤差使得對介質流速的測量失真。
[0008]根據本發明的第一方面，這樣來實現所述目的，S卩，測量裝置的所述至少兩個電極與開關連接，所述開關構造成用於短接各電極。
[0009]根據本發明的另一個方面，通過開頭所述類型的方法這樣來實現所述目的，其中，電極在第一時段、特別是在0.3至I秒之間的時段期間短接，在第二時段、特別是I至3秒之間的時段期間斷開所述短接，讀出電極的有效信號並基於所讀出的有效信號計算流速。
[0010]這種新的方法和新的測量裝置基於這樣的認知:所述靜電電荷和電化學電荷在測量裝置的電極上出現，特別是在電極的表面附近出現。然而，通過根據本發明的開關可以降低(中和)所述電荷，其方式是，所述開關將所述電極短接並以這種方式強制實現電勢平衡。這樣當重新取消所述短接時，可以假定在這個開關操作後立即形成的、電極之間的電勢差可以歸因於磁感應，從而代表了通過流量的量度。所述電化學和靜電的過程這裡不會導致測量誤差，因為所述過程較為緩慢地起作用並且在斷開短接之後的最初才緩慢地重新建立。這裡，信號去耦是按照電流原理還是電容原理起作用並不重要。在所述短接斷開後，這裡可以按由現有技術已知的方法對測得的信號進行分析評估。
[0011]因此可以以經濟的方式提供一種具有較高精度的測量裝置。由此可以完全實現上述目的。
[0012]在本發明的優選實施形式中，所述開關是電子開關。與機械開關(例如繼電器)不同，電子開關的突出之處在於較小的能量需求、長的使用壽命、短的開關時間和小的洩漏電流。根據本發明使用的開關通常總是或者處於斷開狀態或者處於閉合狀態，該開關具有非常短的切換階段，這僅是由技術上引起的。在本發明的另一個實施形式中，還可以設置為在鎖定閉合狀態之間進行有目的的連續過渡。
[0013]在另一個實施形式中，用於產生磁場的器件是永磁體。如上所述，由此可以(通過避免使用電磁鐵)防止或至少降低在電極上的感應幹擾電壓。
[0014]在一個優選實施形式中，所述開關包括至少一個電晶體，優選是金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOFET)、特別是互補金屬氧化物半導體集成電路(CMOS-1C)中的M0SFET。MOSFET的突出之處在於短的開關時間和小的開關電阻。此外MOSFET能夠以特別經濟的方式製造。
[0015]在本發明的一個實施形式中，設置為，所述開關在斷開狀態下具有至少1G歐姆、特別是至少100G歐姆的電阻。由於在開關的斷開狀態下進行信號的測量，但所述開關仍與電極連接，不應由於斷開的開關的過低的電阻使得來自電極的信號失真或減弱。否則需要對來自電極的信號進行較高的放大，但這也會導致對幹擾信號較高的放大。
[0016]在本發明的一個實施形式中，設置為，測量裝置具有用於開關的控制單元，其中控制單元包括至少一個計時器。通過控制單元可以自動地，即以規則的間隔閉合和斷開所述開關。這裡所述計時器本身可以預定開關的閉合和斷開之間的時間間隔。在另一個實施形式中，由開關預定的時間也可以取決於變化的值，例如與所測量的流速較低的情況相比，所述計時器可在所測量的流速較高時預定較短的時間間隔。此外，所述控制單元可以預定何時對來自電極的信號進行評估。最後，通過計時器也可以預定開關控制和信號評估的周期序列。
[0017]在優選實施形式中，設置為，所述控制單元構造成使得開關在第一時段的時長、特別是在0.3至I秒之間的時段的時長中閉合，而在第二時段的時長、特別是在I至3秒的時段的時長中斷開，此外，評估單元構造成，使得在第二時段後立即分析評估電極的信號。
[0018]在本發明的一個變型方案中，將電極在每種情況下短接50至100ms、特別是約80ms，然後為了進行測量斷開10至50ms、特別是約20ms。這些參數使得可以實現高解析度和短的反應時間/測量時間之間特別好的折中。
[0019]該實施形式基於以下考慮:通過在第一時段的時長內短接各電極強制實現電極的電勢平衡，並降低靜電電荷和電化學電荷。為了確定感應產生的電壓，然後取消所述短接。但根據該實施形式，對來自電極的信號的評估不是在取消短接之後立即進行的，而是在主要由測量迴路的電容確定的穩定時間(Einschwingzeit)結束之後進行。在開關斷開的所述第二時段結束之後，例如利用模/數轉換器轉換電極上存在的電壓並對其進行評估，特別是還存儲所述電壓以便進行其他處理。在存儲過程之後，可以立即重新短接電極並周期性地重複所述過程。以這種方式，可以在時間上離散地測量感應生成的電壓。這裡連續存儲多個離散的測量值使得可以進行數學的再處理，以便抑制統計學上的測量誤差(例如數字濾波或均值計算)。
[0020]第一時段的時長的選擇取決於直到靜電電荷和電化學電荷充分低所需的時間。這可能取決於不同的因素，例如測量裝置的幾何結構、流動通過的介質的種類、介質的流速和電極的材料和表面。據此，在本發明的其他實施形式中還可以設定明顯更短或更長的時段。特別是也可以設想在100至300毫秒之間的第一時段或在I至10秒之間的第一時段。
[0021]第二時段的時長應這樣選擇，使得測量迴路的穩定時間基本上被包括在內。由於這裡也可以根據測量迴路的結構設想測量迴路的非常不同的電容並由此設想非常不同的穩定時間，在本發明的不同的實施形式中，對於第二時段的時長也可以採用不同的值，特別是在100毫秒至I秒之間的時段或在3至10秒之間的時段。
[0022]根據本發明的一個實施形式，設置為，在第二時段開始時立即讀出零點信號並基於零點信號和有效信號，特別是基於零點信號和有效信號的差計算流速。通過在零點信號和有效信號之間求差，可以計算出儘管電極短接而仍殘餘的不是由介質流導致的漂移電壓。在另一個實施形式中，也可以設想，在測量有效信號之前記錄至少一個信號，以便確定零點或用於其他的校準(Eichung)，並將其用於計算流速。
[0023]在本發明的另一個實施形式中，設置為，評估單元具有濾波電路，用於抑制高頻幹擾信號。這種濾波電路例如可以設計成簡單的低通濾波器，因為在多數應用場合中可以假定介質的流速僅緩慢地變化。但也可以設想使用較為複雜的濾波器，例如有源濾波器或統計學濾波法。
[0024]根據本發明的另一個變型方案，設置為，利用合適的測量電路(觸發的採樣電路和持保電路)僅測量感應生成的電壓的部分並且不考慮與電極運動過程相關的電壓。有利地，由此可以從測量信號中消除電化學地引起的偏移電壓。
[0025]在本發明的另一個實施形式中，設置為，評估單元構造成通過校準表計算流速。如已經說明的那樣，在根據本發明的測量裝置和方法中，可以使用由現有技術已知的用於計算流速的公式。這些公式例如假定在電極上測量的電壓和介質的流速之間存在線性關係。然而在實際中顯示，經常會出現非線性，這與相應的實施方式和可能甚至與測量裝置的處理安裝，例如將其安裝到管中的條件相關。因此有利地進行校準，就是說用具有已知流速的介質流動通過所述測量裝置並將此時出現的電極電壓接出並存儲到一個表中。校準表可以存儲在評估單元中並根據所述校準表計算流速。可選地，也可以設想，評估單元首先僅存儲來自電極的信號並且事後進行校準，即直到事後才計算對於電極的所記錄的電壓值的流速。
[0026]為了在評估單元上實現上述功能，特別是可以設置為，所述評估單元具有微控制器。同樣可以設置為，所述微控制器控制安裝在測量裝置上的顯示器，從而可以讀取流動通過的介質的當前流速或總體積。此外，測量裝置有利地還具有接口，所測得的值利用所述接口能傳輸給計算機或通過所述接口能夠存儲來自測量裝置的校準數據。
[0027]測量裝置的電極有利地具有高質量的表面，從而使電沉積最小化並簡化沉積物的分離。
[0028]當然，前面所述的和後面還將說明的特徵不僅可以以相應說明的組合使用，而且還可以以另外的組合或獨立使用，而不會偏離本發明的範圍。
[0029]本發明的實施例在附圖中示出並將在下面的說明中詳細解釋。在附圖中:
[0030]圖1a示出了根據本發明的測量裝置的示意圖，其中信號去耦按電流原理進行；
[0031]圖1b示出了根據本發明的測量裝置的示意圖，其中信號去耦按電容原理進行；
[0032]圖2示出了根據本發明的測量裝置的電極處電壓特性的非常簡化的曲線圖；
[0033]圖3示出了根據本發明的測量裝置的透視圖；
[0034]圖4a示出了圖3的測量裝置的側視圖；
[0035]圖4b、4c示出了圖3和4a中示出的測量裝置的橫向剖視圖。
[0036]圖1a示出根據本發明的具有電流信號去耦的測量裝置的簡化視圖。測量裝置1a在這裡具有兩個電極12a、12b，所述電極與流動通過管11的介質接觸。產生(指向圖平面中的)磁場的磁體沒有示出。在流動的介質中，由此出現電荷分離並出現正粒子13a和負粒子13b在電極12a、12b表面上的沉積。電極12a、12b通過引線14a、14b與開關16以及差動放大器20相連。開關16與差動放大器20的輸入端並聯。差動放大器有利地具有非常小的溫度相關性和小的失調漂移。
[0037]開關16由控制單元18開關，其中控制單元18具有(未示出的)計時器並且還控制評估單元19。所述評估單元19具有(未示出的)數/模轉換器和存儲單元。
[0038]圖1b示出具有電容信號去耦的根據本發明的測量裝置1b的實施例。就是說，電極12a、12b設置在管11之外。其餘元件的連接布置對應於具有電流信號去耦的測量裝置1a中的元件的連接布置。
[0039]在圖2中示出根據本發明的測量裝置的電極上的電壓曲線的(這裡非常簡化地用草圖繪製的)圖示。在第一時段21期間，開關閉合，從而使電極與差動放大器的輸入端被短接。在第一時段之後，開關在第二時段22中斷開。在開關斷開之後，立即在電極上存在第一電壓。可以測量所述第一電壓作為零點信號，並將其用於計算校正信號。在第二時段22期間發生穩定過程，所述穩定過程的曲線主要取決於測量電路的電容。通常此時會出現電壓的升高，其中所述電壓升高逐漸變得平緩。在第二時段結束之後，在非常短的並且由此在視圖中作為時刻示出的第三時段23進行有效信號的測量。例如可以在1μ s的時段期間進行測量。在測量有效信號之後，可以在第一時段中重新閉合開關，並開始新的循環。
[0040]根據對測量裝置，特別是對電極和測量電路的改進，可以得到完全不同的電壓特性。
[0041]圖3示出根據本發明的測量裝置10的透視圖。此處，測量裝置10具有開口 30a、30b，適當時用作介質的入口和出口。測量裝置10此外還具有金屬的、圓柱形的外殼31。所述外殼31這裡具有儘可能少的缺口和開口，以便儘可能抑制幹擾信號。用於評估單元和控制單元的殼體32安裝到外殼31上。評估單元和控制單元例如可以在微控制器上實現。殼體32具有用於USB插座34的開口，以使測量裝置10的微控制器可以與計算機連接。測量裝置此外還具有顯示器33，在所述顯示器上可以讀取所述介質的當前流速和已經流動通過的總體積。
[0042]圖3所示的測量裝置不具有用於外部供電的接口，而是通過內置的電池供電。因此可以防止由於外部供電的波動導致的幹擾影響。
[0043]圖4a示出了圖3中所示的測量裝置的側視圖。
[0044]圖4b示出了圖4a和圖3中的測量裝置的橫向剖視圖。該橫向剖視圖在這裡示出磁體40a、40b，所述磁體設置在通道45的相對置的側面上。這裡磁體40a、40b通過用螺栓42固定在殼體上的保持件41a、4b保持就位。如果圓柱形的外殼31被取下，則可以接近螺栓42並可以拆卸和移除保持件。由此可以接近磁體41a和41b並對其進行更換。
[0045]如由圖4B的橫向剖視圖可見的那樣，開口 30a、30b具有比通道45大的直徑。由此，在通道45中實現更高的流速。但在另外的實施形式中，也可以設想，通道具有與開口相同或比開口更大的直徑。
[0046]圖4C示出通過設置有電極12a、12b的平面的橫向剖視圖。所述電極在這裡固定在基體15a、15b上。當外殼31被取下時，這裡所述基體15a、15b能夠從外面接近，從而電極12a、12b必要時可以與基體15a、15b —起更換。
[0047]在圖4C中沒有示出微控制器，控制單元和評估單元位於所述微控制器上。微控制器在這裡應設置在殼體32中。同樣開關16和放大器20也位於殼體32中。但在另外的實施例中，也可以設置為，開關16直接設置在電極12a、12b上，以便能夠實現儘可能小的短路電阻。因此根據該實施例從電極12a、12b到開關16和放大器20的引線(Zuleitung) 14a、14b有不同的長度。在另外的實施例中可以設置為，所述引線構成為對稱的。
[0048]在圖4C中縮短地示出了引線14a、14b。引線有利地使用加粗的金屬線或絞合線，從而實現了小的短路電阻。
【權利要求】
1.一種測量裝置，用於在由磁場穿過的體積中測量導電介質的流速，所述測量裝置具有: 用於產生磁場的器件， 至少兩個電極，和 評估單元，所述評估單元評估來自所述電極的信號並計算流速， 其特徵在於，所述至少兩個電極與開關連接，所述開關構造成用於短接所述電極。
2.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於，所述開關是電子開關。
3.根據權利要求1或2所述的測量裝置，其特徵在於，所述用於產生磁場的器件是永磁體。
4.根據前述權利要求中任一項所述的測量裝置，其特徵在於，所述開關包括至少一個電晶體，優選是金屬氧化物半導體場效應電晶體MOSFET、特別是互補金屬氧化物半導體集成電路CMOS-1C中的M0SFET。
5.根據前述權利要求中任一項所述的測量裝置，其特徵在於，所述開關在斷開狀態下具有至少1G歐姆、特別是至少100G歐姆的電阻。
6.根據前述權利要求中任一項所述的測量裝置，其特徵在於，所述開關在接通狀態下具有最聞I歐姆、優選最聞0.1歐姆並且特別優選最聞10暈歐姆的電阻。
7.根據前述權利要求中任一項所述的測量裝置，其特徵在於，所述測量裝置具有用於所述開關的控制單元，其中，所述控制單元包括至少一個計時器。
8.根據權利要求7所述的測量裝置，其特徵在於，所述控制單元構造成，使得開關在第一時段、特別是在0.3至I秒的時段的時長中閉合，並且在第二時段、特別是在I至3秒的時段的時長中斷開，此外，所述評估單元構造成，使得在第二時段之後立即評估來自電極的信號。
9.根據前述權利要求中任一項所述的測量裝置，其特徵在於，所述評估單元具有濾波器電路，所述濾波器電路用於抑制高頻幹擾信號。
10.根據前述權利要求中任一項所述的測量裝置，其特徵在於，所述評估單元構造成通過校準表計算所述流速。
11.一種用於利用至少兩個電極在磁場穿過的體積中測量導電介質的流速的方法，具有以下步驟: 在第一時段、特別是在0.3至I秒之間的時段期間短接所述電極， 在第二時段、特別是I至3秒之間的時段期間斷開所述短接， 讀出來自所述電極的有效信號，以及 基於讀出的所述有效信號計算所述流速。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，在第二時段後立即讀出有效信號。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特徵在於，在第二時段開始時立即讀出零點信號，並基於零點信號和有效信號、特別是基於零點信號和有效信號之間的差計算流速。
14.根據權利要求11至13中任一項所述的方法，其特徵在於，周期性地執行所述方法步驟。
【文檔編號】G01F1/60GK104395702SQ201380032040
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年4月30日 優先權日:2012年4月30日
【發明者】馬庫斯·沃爾夫, 亨利·布魯亨恩斯 申請人:齊魯姆專利Ⅱ有限及兩合公司