阅读说明：本技术 操作磁感应流量计的方法和磁感应流量计 (Method for operating a magneto-inductive flow meter and magneto-inductive flow meter ) 是由 迈克尔·林纳特 西蒙·玛利亚格 于 2018-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种操作磁感应流量计(1)的方法,并且涉及这种流量计,其中,在具有恒定磁场的恒定阶段(K)期间,确定原始测量电压的多个原始测量值(RM(t)),其中,原始测量电压(R)由流量相关分量(D)、干扰分量(S)和噪声分量(N)组成,其中每个原始测量值(RM(t))分别被分配流量测量值和干扰电压值,其中使用来自先前的第一恒定阶段的原始测量值和来自跟随第一恒定阶段的第二恒定阶段的原始测量值来计算干扰分量的第二干扰电压值和第二流量测量值,其中借助于第二流量测量值和所计算的第二干扰电压值的知识来校正来自第一恒定阶段和/或第二恒定阶段的第一流量测量值。(The invention relates to a method of operating a magnetically inductive flow meter (1), and to such a flow meter, wherein a plurality of raw measured values (RM (t)) of a raw measured voltage are determined during a constant phase (K) with a constant magnetic field, wherein the raw measurement voltage (R) is composed of a flow-dependent component (D), an interference component (S) and a noise component (N), wherein each raw measurement value (RM (t)) is assigned a flow measurement value and a disturbance voltage value, wherein a second interference voltage value and a second flow measurement value of the interference component are calculated using the raw measurement values from a preceding first constant phase and the raw measurement values from a second constant phase following the first constant phase, wherein the first flow rate measurement value from the first and/or second constant phase is corrected by means of the second flow rate measurement value and knowledge of the calculated second interference voltage value.)

操作磁感应流量计的方法和磁感应流量计

技术领域

本发明涉及一种操作用于测量流过流量计的测量管的介质的流率或体积流量的磁感应流量计的节能方法，并且涉及这种流量计。

背景技术

磁感应流量计利用以下事实：磁场使带电粒子垂直于磁场偏转，该带电粒子具有垂直于磁场的速度分量，偏转的方向取决于电荷的符号。

在流过磁感应流量计的测量管的导电介质中，电测量电压由垂直于测量管轴线延伸的磁场感应，并且可以借助于测量电极进行分接并被评估用于流量测量。

理想情况下，由测量电极分接的电压与磁场强度成比例，与介质通过测量管的流量成比例。但是，例如在介质测量电极表面上的电化学效应引起干扰电势，该干扰电势随时间变化并使流量测量失真。

例如，通过建立测量阶段来克服该缺点，在该阶段期间介质随时间经受恒定的磁场，其中测量阶段被交变阶段中断，所述交变阶段被建立用于交变磁场强度和可选地磁场的方向。通过分接来自不同测量阶段的测量电压并形成差值，可以确定干扰电势的影响，并且因此可以确定校正后的流量测量值。结果，必须为每个流量测量和每个干扰电压确定改变磁场。

用于确定和校正干扰电压的另一过程例如在WO 2015043746 A1中公开，其技术背景是具有低开关频率的节能的磁感应流量计。具有第一磁场强度的第一磁场用于建立具有第二磁场强度的第二磁场和具有第三磁场强度的紧随其后的第三磁场，其中，在第一磁场和第二磁场中的每一个中精确地确定测量电压的一个测量值，在第三磁场中确定测量电压的另外两个测量值，并且直到第四测量电压才获得借助于特定干扰电压校正的流量测量。

该解决方案的缺点是在两个第一磁场期间的长阶段，在此期间不进行流量测量。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种操作磁感应流量计的方法和一种磁感应流量计，以使得操作该流量计所需的能量很少，并且可获得更多的测量时间。

该目的通过根据独立权利要求1的方法以及通过根据独立权利要求14的磁感应流量计来实现。

在根据本发明的用于操作用于测量流过流量计的测量管的介质的体积流量或流率的磁感应流量计的方法中，

磁体系统向所述测量管中的介质施加垂直于测量管轴线的磁场，

磁场曲线包括具有随时间恒定磁场的恒定阶段K，以及具有随时间可变磁场的交变阶段W，

所述交变阶段被配置为从具有第一磁场的第一恒定阶段改变为具有第二磁场的后续第二恒定阶段，

第二磁场与第一磁场不同；

借助于至少一个测量电极对分接在介质中感应的流量相关电原始测量电压R(t)，该测量电极对包括第一测量电极和第二测量电极；

电子测量/操作电路，其与测量电极电连接，该电子测量/操作电路评估原始测量电压并确定流量测量值，

其中

在每个恒定阶段期间确定原始测量电压的多个原始测量值RM(t)，该原始测量电压R由流量相关分量D、干扰分量S和噪声分量组成，

根据每个原始测量值RM(t)计算第一流量测量值D1和第一干扰电压值S1，

使用先前第一恒定阶段的原始测量值和跟随第一恒定阶段的第二恒定阶段的原始测量值来计算干扰分量S的第二干扰电压值Sb和第二流量测量值，

借助于第二流量测量值和所计算的第二干扰电压值的知识来适配第一恒定阶段和/或第二恒定阶段的第一流量测量值。

该适配例如可以通过数学模型进行。

通过在恒定阶段期间检测多个原始测量电压并计算多个第一流量测量值，同时借助于第二流量测量值进行偶尔的适配或校正，从恒定阶段到随后的恒定阶段的改变频率，因此，磁场的相关改变可能很小。各个恒定阶段因此可以包括至少0.5秒，或者尤其是至少2秒或者优选地至少10秒的持续时间。交变阶段的典型持续时间少于25毫秒。这导致恒定阶段的持续时间与交变阶段的持续时间的至少为20的比率特别有利。

术语“第一恒定阶段”和“第二恒定阶段”表示彼此跟随的任何两个恒定阶段。

在该方法的一个实施例中，基于第一流量测量值来预测流率的后续预期值，并且基于第一干扰电压值来预测干扰分量的后续预期值，

测量另一原始测量值，

借助于流量的预期值并且借助于另一原始测量值来计算第一流量测量值，以及借助于干扰电压的预期值并且借助于另一原始测量值来计算第一干扰电压值，

重复该过程以确定另一第一流量测量值和另一第一干扰电压值。

通过借助于预期流量值或干扰电压值和原始测量值从相应的先前值开始计算下一个流量值或干扰电压值，可以以较少的计算工作量以所需的精度确定流率。这是一个重要方面，尤其对于测量和自动化技术中使用的现场设备，并且因此对于磁感应流量计也是如此。

预测流量的预期值基于改变率的确定。除了改变率之外，还可以确定较高的时间导数，该时间导数可用于计算其他后续的预期值。

预测预期值也可以基于线性或二次连续性，或者尤其是基于泰勒展开式。

在该方法的一个实施例中，流量和干扰电压的预期值以及原始测量值的加权是流量相关的。

例如，原始测量值的不确定性可以是流量相关的，在这种情况下，可以对其加权进行适配。

在该方法的一个实施例中，将第一方差分配给流量的预期值，

将第二方差分配给干扰电压的预期值，

并且，将第三方差分配给原始测量值，

在计算第一流量测量值或第一干扰电压值时，基于相关联的方差对各自的预期值和原始测量值进行加权。

在该方法的一个实施例中，方差的估计基于相应的预期值和原始测量值之间的差或信噪比。

在该方法的一个实施例中，在计算预期值以及计算随后的流量值和随后的干扰电压值期间使用卡尔曼滤波。

第一流量测量值与第二流量测量值的适配可以例如通过变化卡尔曼滤波器的参数来进行。

在该方法的一个实施例中，当以下标准中的至少一个发生时，启动交变阶段：

第一方差超过第一阈值；

第二方差超过第二阈值；以及

第三方差超过第三阈值；以及

预期干扰分量与干扰电压值的偏差超过第四阈值。

因此，不同的恒定阶段的持续时间可以具有不同的长度并且适配于边界条件。

在该方法的一个实施例中，对在介质中感应出的至少两个流量相关的电原始测量电压(R)进行分接，

比较原始测量电压的曲线，

当原始测量电压曲线在各自的至少一个其他原始测量电压曲线中没有相应改变的情况下发生改变时，测量电压的相应改变被解释为干扰，

在一致的原始测量电压曲线的情况下，原始测量电压的改变被解释为流量的改变。

例如，当可以通过将电压曲线的幅度乘以恒定因子和/或通过将一个电压曲线偏移恒定值来重叠电压曲线时，存在两条电压曲线之间的一致性。例如，为了检测一致性的质量，可以确定两个电压曲线之间的相关性。

在该方法的一个实施例中，基于原始测量电压或从中得出的第一流量测量值或第二流量测量值和/或第一干扰电压值或第二干扰电压值来进行原始测量电压的比较。

在该方法的一个实施例中，第一测量电极与地之间的第一比较电压和第二测量电极与地之间的第二比较电压通过地分接，

地例如是地电极或连接到测量管或接地盘的管道，

和/或

借助于至少两个测量电极对分接流量相关的电原始测量电压。

以这种方式，可以识别出分接原始测量电压的改变是由于流量的改变还是由于干扰电压的改变。

可以将不同的测量电极对沿着测量管的轴线或在横截面中相对于彼此偏移地布置。

在该方法的一个实施例中，恒定阶段包括确定至少2个，且尤其是至少10个，且优选至少50个原始测量值。但是，恒定阶段也可以包括多达1000000个原始测量值。

在该方法的一个实施例中，通过对多个分接的原始测量电压求平均来计算原始测量值，其中，平均包括至少2个，且尤其是至少5个，且优选至少10个，并且不超过100个和/或尤其是不超过50个，且优选不超过20个分接的原始测量电压。

在具有低计算能力的电子测量/操作电路的情况下，这种平均可以减轻负担，而不会过度限制要计算的测量电压曲线的准确性。

在该方法的一个实施例中，在恒定阶段期间，至少部分地由至少一个剩磁磁体生成磁场，

在交变阶段期间，借助于包括至少一个线圈的线圈系统改变剩磁磁体的剩磁磁场，尤其是反转其极性，

或，在恒定阶段期间，至少部分地由至少一个永磁体以及至少部分地由包括至少一个线圈的线圈系统生成磁场，

在交变阶段期间，借助于改变由线圈系统生成的磁场分量来改变磁场；

或，由包括至少一个线圈的线圈系统生成磁场。

当使用至少一个剩磁磁体时，操作磁体系统所需的能量限于磁性材料的剩磁磁场的偶然改变，这尤其意味着剩磁磁场的极性反转。通过将例如借助于线圈生成的磁场脉冲的足够强的磁场脉冲施加到剩磁磁体来引起剩磁磁场的改变。在恒定阶段足够长的情况下，与仅由线圈生成磁场的磁体系统相比，由此可以节省能量。

可替代地，代替至少一个剩磁磁体，可以使用至少一个永磁体来至少部分地生成磁场。例如，可以通过添加由至少一个线圈生成的磁场来调制永磁体的磁场。例如，可以通过打开或关闭或通过对线圈生成的磁场的一般调制来实现交变的恒定阶段。在这种情况下，由线圈生成的磁场足够弱，以至于基本上不影响永磁体的剩磁磁场。

因此，基于其使用来确定磁体是永磁体还是剩磁磁体。

因此，根据本发明的被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的磁感应流量计包括：

具有测量管轴线的测量管，该测量管被配置为引导介质；

磁体系统，该磁体系统被配置为生成垂直于测量管轴线的磁场；

至少一个测量电极对，该至少一个测量电极对用于分接由磁场感应的电测量电压；

电子测量/操作电路，该电子测量/操作电路被配置为操作磁体系统和测量电极，并执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

在一个实施例中，磁体系统包括具有至少一个线圈的至少一个线圈系统，其中，磁体系统尤其包括至少一个剩磁磁体或尤其包括至少一个永磁体。

在一个实施例中，流量计包括地电极。

附图说明

现在将参考示例性实施例描述本发明。

图1示出了测量信号和处理后的信号的示例性说明曲线；

图2示出了用于描述根据本发明的方法的计算步骤的图1所示的曲线的细节；

图3示出了在多个恒定阶段上的磁场和测量电压曲线的示例性曲线；

图4示出了测量电压发展以及借助于地分接的第一比较原始测量电压和第二比较原始测量电压的示例性曲线；

图5示出了借助于两个测量电极对分接的两个原始测量电压的示例性曲线；

图6示出了示例性磁场曲线；以及

图7示出了一种磁感应流量计。

具体实施方式

图1示出了在具有恒定磁场的恒定阶段期间介质中的原始测量电压R的示例性曲线，该电压借助于磁感应测量装置1的一对测量电极30来分接，请参见图6。原始测量电压R由流量相关的分量D、干扰分量S和信号噪声N组成，其中D是由作用在流量计的测量管上的磁场以及介质中的介质的流量感应的。干扰分量是通过在介质和测量电极31、32之间的界面处发生的电化学过程产生的(参见图6)。干扰分量表现出比典型的流量波动发生明显更慢的时间动态行为，使得可以通过信号处理措施将它们彼此分离。原始测量电压R的曲线由任意原始测量电压值RM(t)表示，其后紧跟后续的原始测量电压值PM(t+dt)。因此，测量电压曲线包括尚不已知的流量相关的分量D和尚不已知的干扰分量S。在恒定阶段K期间，分别将第一流量测量值D1和第一干扰电压值S1分配给恒定阶段K期间的原始测量电压R。通过将第一流量测量值添加到关联的第一干扰电压值，可以计算出测量电压曲线VM，其中在测量电压曲线中至少部分地抑制了信号噪声N。

图2示出了图1所示的曲线的示例性放大细节，其中从任意时间点t开始，示出了紧跟的第一流量测量值D1和第一干扰电压值S1的确定。

从任意时间点t的已经计算出的值D1和S1出发，针对随后的时间点t+dt预测第一流量测量值和第一干扰电压值的相应值，从而得出流量PD1(t+dt)的预期值和干扰电压PS1(t+dt)的预期值。时间点t+dt处的原始电压R的测量值RM(t+dt)用于校正预期值，其中，预期值和原始电压测量值RM的不确定性或方差可以用于确定校正期间各个值的加权，请参见放大的细节。

预期基于数学模型，其中，流量的预期经受第一方差V1，并且其中干扰电压的预期经受第二方差V2，例如，使用数学模型来计算方差，或估计方差。但是，也可以基于介质的流率来确定方差，或者可以假设方差是恒定的。其他标准例如是原始测量电压的信噪比。在时间点t+dt处测量的原始测量值RM(t+dt)具有不确定性，该不确定性具有第三方差V3。当相对于原始测量值RM(t+dt)计算预期值PD1(t+dt)或PS1(t+dt)时，两个值例如基于其方差来加权。例如，数学模型可以基于卡尔曼滤波器。通过相对于原始测量值RM计算预期值PD1，可以针对时间点t+dt获得新的第一流量测量值D1(t+dt)。因此，通过相对于原始测量值RM计算预测值PS1来获得新的第一干扰电压值S1(t+dt)。通过重复列出的步骤，由此可以在恒定阶段期间确定流量的发展或原始测量电压R的流量相关分量的发展以及干扰电压的发展。

如果由数学模型确定的发展测量值与由数学模型确定的干扰值的偏差超过极限值，则可以提示磁体系统从当前的恒定阶段切换到下一阶段。

图3示出了在多个恒定阶段K和交变阶段W上的磁场B和原始电压曲线R的改变，在恒定阶段期间介质经受恒定磁场，并且磁场改变在交变阶段进行。原始电压曲线R跟随磁场B的改变，通过流量的改变和干扰分量的改变叠加了磁场对原始电压曲线R的调制。在恒定阶段结束时以及在随后的恒定阶段开始时，通过形成两个值之间的差，相应的原始电压测量值RM(t)用于确定第二验证流量测量值和第二验证干扰电压值，借助于这些值可以重新调整数学模型。

图4描述了基于测量电压曲线以及第一比较电压VG1和第二比较电压VG2的曲线的方法的有利实施例，其中，通过确定第一测量电极31和地——或者，尤其是地电极——之间的电势差来确定第一比较电压，并且其中，通过确定地或地电极ME与第二测量电极32之间的电势差来确定第二比较电压。

如果两个比较电压遵循相同的过程，如在时间点t1所示，则将测量电压的改变识别为由流量的改变或干扰电压的改变引起。如果在第一比较电压和第二比较电压之间存在明显的偏差，如在时间点t2处所示，则将测量电压的改变解释为干扰电压的改变。

可替代地或附加地，如图5所示，还可以借助于两个测量电极对来分接两个原始测量电压R1和R2，并且可以比较两个原始测量电压的曲线。可以将诸如时间点t1处的两个电压的一致的发展解释为流量改变，而将不一致的发展解释为由干扰引起。这样，可以在流量改变和干扰影响之间进行区分，并且可以将附加信息提供给数学模型。该原理也可以扩展到三个或更多个测量电极对。

可以基于所测量的原始测量电压或从中得出的第一流量测量值或第二流量测量值和/或第一干扰电压值或第二干扰电压值来执行图4和图5所示的电压的比较。

图6示出了可以使用不同的磁体系统生成的磁场的示意性曲线，其中上部曲线可以例如通过包括线圈系统的磁体系统或通过包括线圈系统和至少一个剩磁磁体的磁体系统产生。

例如，线圈系统可以生成围绕零点振荡的磁场。也可以例如通过改变剩磁或通过让剩磁磁体经受磁脉冲使其极性反转来生成这种磁场。

磁场不必相对于零点对称。图6中所示的磁场曲线以示例的方式提供，并且不应将其解释为限制性的。

下部的磁场曲线示出了其中通过永磁体生成基本磁场的发展，其中，总磁场由借助于线圈系统对基本磁场的调制引起。

与图6所示的曲线相反，连续恒定阶段的持续时间也可以不同。图6中所示的曲线的持续时间将被视为以示例的方式提供且非限制性的。

图7示出了磁感应流量计1的示意性设计，该磁感应流量计1包括测量管10和磁体系统20，磁体系统20包括两个线圈系统21，每个线圈系统包括线圈21.1和两个剩磁磁体22或永磁体23，每个剩磁磁体22或永磁体23布置在线圈系统中。磁感应流量计1还包括测量电极对30，该测量电极对30包括第一测量电极31和第二测量电极32，利用它们可以分接原始测量电压R。另外，流量计包括地电极，通过该地电极，可以分接第一测量电极31与地电极ME31之间的第一比较原始测量电压VG1以及地电极与第二测量电极32之间的第二比较原始测量电压VG2。流量计的电子测量/操作电路77.7被配置为操作磁体系统以及测量电极和地，并执行根据本发明的方法。

附图标记列表

1 磁感应流量计

10 测量管

20 磁体系统

21 线圈系统

21.1 线圈

22 剩磁磁体

23 永磁体

30 测量电极对

31 第一测量电极

32 第二测量电极

77.7 电子测量/操作电路

K 恒定阶段

W 交变阶段

R 原始测量电压

RM(t) 原始测量值

D1 第一流量测量值

D 原始测量电压的流量相关分量

S 原始测量电压的干扰分量

S1 第一干扰电压值

N 噪声分量

VM 测量电压曲线

VM(t) 曲线测量值

PD1 流量的预期

PS1 干扰电压的预期

VS 干扰分量曲线

M 地

VG1 第一比较电压

VG2 第二比较电压

R1 第一原始测量电压

R2 第二原始测量电压

ME 地电极

V1 第一方差

V2 第二方差

V3 第三方差