阅读说明：本技术 具有介质导电率测量的磁性流量计 (Magnetic flowmeter with media conductivity measurement ) 是由 C.希奥巴努 S.威尔斯 于 2020-01-09 设计创作，主要内容包括：具有介质导电率测量的磁性流量计。一种用于测量流路径中的导电流体的速度的磁性流量计组装件。所述流量计组装件包括：线圈驱动器,其用于向线圈组装件提供驱动电流；电极,其用于测量由流过线圈组装件所产生的磁场的导电流体来产生的电信号；以及微处理器,其用于控制磁性流量计。所述微处理器基于感测的电信号而确定流体的电导率。所述微处理器然后响应于流体的电导率来修改线圈驱动器的频率,以优化流量计的采样率。流量计组装件通过如下来修改线圈驱动器频率：为高导电性流体增大驱动频率或者为不太具导电性的流体减小驱动频率。(A magnetic flowmeter having a media conductivity measurement. A magnetic flow meter assembly for measuring a velocity of a conductive fluid in a flow path. The flow meter assembly comprises: a coil driver for providing a driving current to the coil assembly; an electrode for measuring an electrical signal generated by the electrically conductive fluid flowing through the magnetic field generated by the coil assembly; and a microprocessor for controlling the magnetic flow meter. The microprocessor determines the conductivity of the fluid based on the sensed electrical signal. The microprocessor then modifies the frequency of the coil driver in response to the conductivity of the fluid to optimize the sampling rate of the flow meter. The flow meter assembly modifies the coil driver frequency by: increasing the drive frequency for highly conductive fluids or decreasing the drive frequency for less conductive fluids.)

具有介质导电率测量的磁性流量计

技术领域

本发明一般地涉及用于测量流体的速度的传感器的操作，并且更具体地涉及用于执行流体流量测量的磁性流量计。

背景技术

磁性流量计通过如下来测量通过管道的导电流体的速度：生成磁场并且测量结果得到的电压。这些流量计依赖于法拉第定律，在法拉第定律中，通过磁场的导电流体的流动引起电压信号，所述电压信号由电极来被感测。感测的电压与流体的速度成比例。

尽管这些流量计一般是有效的，但是存在不足。例如，在当前流量计的情况下的一个限制是：被测量的流体介质必须满足最小电导率水平。如果流体介质降落到该最小导电率值以下，则它不能被准确地测量。此外，对于具有低导电率的流体，感测的电压U_E必须被给予足够的时间来安定，使得可以实现准确的电压测量。该时间延迟对于低导电率的流体可能是显著的，并且不利地影响磁性流量计的采样率。在其中流体速度迅速地改变并且不连续的应用中，该降低的采样率可以进而影响测量准确性。

因此，应当领会的是，存在对于解决这些担忧的磁性流量计组装件的需要。本发明满足这些需要以及其它需要。

发明内容

简要并且一般而言，本发明提供一种用于测量在由磁性流量计测量的流体介质的导电率的系统和有关方法。

所述系统包括：线圈驱动器，其用于向线圈组装件提供驱动电流；电极，其用于测量由流过线圈组装件所产生的磁场的导电流体来产生的电信号；以及微处理器，其用于控制磁性流量计。所述微处理器响应于感测的电信号而确定流体的电导率。所述微处理器然后响应于流体的电导率而修改线圈驱动器的频率，以便优化流量计的采样率。具体地，流量计通过如下来修改线圈驱动器频率：为高导电性流体增大驱动频率或为不太导电的流体减小驱动频率。

为了概述本发明以及在现有技术之上实现的优点的目的，已经在本文中描述了本发明的某些优点。要理解的是：不一定所有这样的优点都可以根据本发明的任何特定实施例来被实现。因而，例如，本领域技术人员将认识到，本发明可以用如下方式来被具体化或实施：所述方式实现或优化如在本文中所教导的一个优点或一组优点，而不一定实现如可以在本文中被教导或建议的其它优点。

所有这些实施例意图在本文中所公开的发明的范围内。从参考附图的优选实施例的以下详细描述中，本发明的这些和其它实施例对于本领域技术人员而言将变得容易地明显，本发明不限于所公开的任何特定优选实施例。

附图说明

现在将参考以下附图、仅仅作为示例来描述本发明的实施例：

图1是根据本发明的磁性流量计组装件的简化透视图。

图2图示了由行进通过磁性流量计的流路径的导电流体所产生的时变电压（U_E）。

图3图示了在所测量的峰值电压U_E峰值（mV）与流体的电导率（）之间的关系。

图4是用于测量流体的导电率并且优化其操作的磁性流量计系统的简化图。

图5图示了被施加到线圈组装件的时变驱动电压（V）。

图6图示了传播通过线圈组装件的时变驱动电流（I）。

图7图示了由线圈组装件在流体流路径内产生的时变磁场（B）。

图8图示了在导电流体中感生的并且由电极检测的时变电压信号（U_E）。

图9描绘了未经优化的电压信号（U_E），其图示了时间延迟T_D、稳定状态时间T_S以及总测量时间T_T。

图10描绘了经优化的时变电压信号（U_E），其中已经通过增大驱动电流（I）频率而减少了稳定状态时间T_S。

图11图示了如何基于流体介质的导电率来优化驱动电流频率。

图12描绘了根据本发明的一个实施例的用于修改驱动电流（I）的频率的方法。

图13是根据本发明的磁性流量计组装件的简化透视图，所述磁性流量计组装件包括被耦合到一对线圈的支架，该对线圈形成限制管道的磁性电路。

图14是图13的磁性流量计组装件的简化透视图，所述磁性流量计组装件进一步包括屏蔽外壳和电子组装件。

通过引用的并入

在本发明的某些实施例中，磁性流量计组装件可以如在以下申请人的共同待决的专利申请中所描述和所要求保护的那样被配置：2018年9月28日提交的、题为“FULL BOREMAGNETIC FLOWMETER ASSEMBLY”的申请号为16/146,090的美国申请，所述申请由此通过引用被并入以用于所有目的。

具体实施方式

流体的导电率是其用于传导电流的能力。典型地用西门子每米（S/m）来测量流体的电导率。流体的导电率一般是流体中的总溶解的固体（TDS）的函数。例如，纯的去离子水具有近似5.5 的导电率，而具有溶解的盐和其它杂质的海水具有近似5 S/m的导电率（即，海水导电性是去离子水的一百万倍）。

流体溶液的电导（C）取决于溶液中电解质的强度和浓度。强电解质典型地包括强酸（例如HCI、H₂SO₄、HNO₃）、强碱（例如LiOH、NaOH、KOH）和/或盐（例如NaCL、KNO₃、MgCl₂）。这些电解质在溶液中完全离子化或分离，并且悬浮的离子是良好的电导体。相比之下，弱电解质从来不在溶液中完全分离（即形成处于平衡状态的离子与分子的混合物）。弱电解质一般包括弱酸（例如醋酸、CH₃COOH和磷酸（H₃PO₄））和/或弱碱（例如NH₃）。在弱电解质溶液中，离子的浓度小于电解质本身的浓度。

通过如下来确定溶液的电导（C）：利用导电率计来测量被固定的距离（）分离的两个电极之间的溶液的电阻（R）。

R ==

其中：

R = 电阻

C = 电导

= 电极之间的距离

= 流体的电阻率

A= 测试样本的横截面面积。

根据经验，利用磁性流量计测量的流体的最小电导率是5微S/cm。具有较低导电率的溶液一般具有检测起来具有挑战性并且难以准确地测量的电压信号（U_E）。替换地，具有高电导率的流体具有随时间一致的电压信号（U_E）、具有被很好地限定的电压信号并且可以被准确地测量。

磁性流量计依赖于法拉第电磁感应定律来测量流路径中的导电流体的速度。具体地，法拉第定律陈述了：跨以直角移动通过磁场的任何导体所感生的电压与导体的速度成比例。

其中：

U_E = 感应电压（即信号电压）

V= 导电流体的平均速度

B= 磁场强度

L= 导体的长度（即在电极之间的距离）。

替换地，流体速度。

通过磁场B的导电液体的流动产生电压信号U_E，该电压信号U_E由测量电极对来被感测并且进而可以被用于计算流体的平均速度V。磁性流量计一般是非常准确的（例如，＜1%测量误差）。

如法拉第方程所说明的，平均流体速度V与感应电压U_E直接成比例。我们将简短地看到：感应峰值电压（U_E峰值）是流体的电导率C的函数。在感应峰值电压U_E峰值与流体导电率C之间的该关系使得能够确定流体的电导率，并且使得能够基于流体介质的导电率来优化磁性流量计的操作。

现在参考附图并且具体地参考图1，示出有一种磁性流量计组装件10，其具有新颖的流体导电率测量系统。磁性流量计组装件10具有管状主体12（例如管道），所述管状主体12具有两个相对的端部14和16，所述两个相对的端部14和16沿着水平轴（A_x）而被对准并且限定用于输送导电流体的流体流路径18。磁性流量计组装件10包括一对线圈组装件（20,22），所述线圈组装件（20,22）被耦合到流量计10的中间区，并且被配置成传递从一对线圈驱动器（24,26）接收的电流。线圈组装件（20,22）经由通过其中的电流来在管状主体12的流体流路径18内生成磁场28。被附连到主体12的一对测量电极（30,32）被配置成检测由通过磁场28的导电流体所感生的电压。检测的电压信号由信号处理器34来处理，所述信号处理器34向微处理器36提供数字信号，所述微处理器36处理信号数据并且确定流体介质的电导率C。

继续参考图1，在替换的实施例中，线圈组装件（20,22）可以在外部被耦合到管状主体12，并且沿着垂直轴（A_z）而被对准，所述垂直轴（A_z）与纵轴（A_x）和水平轴（A_Y）正交。磁性流量计组装件10可以进一步包括多个辅助电极19（a,b,c），多个辅助电极19（a,b,c）包括被布置在该对测量电极（30,32）的上游的第一辅助电极19（a）以及第二辅助电极19（b）。所述第一和第二辅助电极（19a,19b）在管道的相对侧上与垂直轴（Az）对准，使得轴（Ay）和轴（Az）共平面。第三辅助电极19（c）被布置在该对测量电极（30,32）的下游。测量电极和辅助电极各自被装配到在管道12的壁中形成的对应的孔。

图2是由该对电极（30,32）感测的时变电压信号U_E的图示。当导电流体18流过由该对线圈组装件（20,22）产生的磁场（B）28的时候产生时变电压信号U_E。注意到，每当磁场B跨过零（即磁场的量值转至零）的时候，U_E有尖峰。参考视图A-A，发明人已经发现了U_E峰值的幅度（即在稳定状态U_E值以上的高度）与流体介质的导电率成比例。因此，基于磁性流量计的几何结构，可以基于U_E峰值的幅度来准确地确定流体介质的导电率。

还已经发现了：时间延迟(T_D）——其是对于感应电压U_E测量安定并且达到平稳（即达到稳定状态）而言必要的时间——对于低导电率的流体而言比对于高导电率的流体而言大。稳定状态时间（T_S）是在其期间可以执行准确的流量测量的时间。如在图2中所图示的，时间延迟T_D可以计及总测量时间T_T的显著部分。因此，当测量高导电率的流体的速度的时候，可以减少总测量时间（即测量频率增大），并且当测量低导电率的流体的时候，可以增大总测量时间（即测量频率减小）。用于基于流体的导电率来定制测量频率的能力在现有的流体测量系统之上是显著有利的。特别是在测量非稳定状态的流体（即具有宽泛变化的流速度的流体）或具有宽泛变化的导电率的流体（即不同批次的流体介质或不同的流体组成）的时候。

图3图示了在作为流体导电率（）的函数的U_E峰值（mV）的幅度之间的关系。可以看到的是：U_E峰值的幅度随着流体导电率而近似对数节奏地增大。因此，高导电性流体具有高的、被很好地限定的信号峰值，并且低导电率的流体具有小得多的限定的信号峰值，其检测并且测量起来可能具有挑战性得多。通过使用该关系，我们可以基于“U_E峰值”的幅度来确定流体介质的导电率。应当领会到，虽然我们用图形示出了在U_E峰值与流体导电率C之间的关系，但是所述关系还可以用查找表、数学关系或可以被存储在计算机存储器中并且由微处理器处理或访问的其它数学手段来被记录。

图4是用于测量流体介质的导电率并且优化其操作的磁性流量计系统40的简化图。所述系统包括管状主体12，所述管状主体12形成用于输送导电流体18的流体导管。所述系统进一步包括两个线圈组装件（20,22），所述线圈组装件（20,22）由一对线圈驱动器（24,26）来被供给能量，该对线圈驱动器（24,26）生成跨导电流体18的时变磁场28。

两个线圈驱动器（24,26）是提供有功功率脉冲输出的能量管理IC。线圈驱动器可以被具体化为H桥驱动器，所述H桥驱动器被配置有非常低的电阻以及因而低的电压降。照此，线圈驱动器能够使通过每个线圈组装件的电流的方向交变，并且从而影响从每个线圈发射的磁场的方向。实现使电流、以及因而磁场的方向交变，以便避免电极迁移的电化学现象。线圈驱动器具有集成的芯片上电压参考、超低温度漂移（＜15 ppm/C^o）并且是高度可靠的。

一对电极（30,32）测量由磁场28在导电流体18中所感生的电压信号U_E。电压信号运行通过一对二极管（42,44）、信号调节器（46,48）以及仪器化放大器（50），所述仪器化放大器（50）测量跨流体的感应电压（U_E1,U_E2）。仪器化放大器（50）放大信号，并且维持在输入电流（I₁,I₂）与输出电压（V_E1,V_E2）之间的线性关系。A至D转换器（ADC）（52）从仪器化放大器（50）接收模拟输出，并且将它转换成数字信号。微处理器（36）接收数字信号、使用被存储在存储器中的指令来处理数据，并且基于所述数字信号来确定流体介质的导电率。微处理器然后基于导电率测量来确定驱动电流（I）的最优频率。两个线圈驱动器（24,26）然后使用最优驱动频率来为如图6中所图示的两个线圈组装件（20,22）供给能量。这导致如图10中所图示的经优化的时变电压（U_E）。

参考图5、6、7、8、9和10，我们将解释：一旦已经确定了流体介质的导电率，控制系统如何优化驱动电流（I）的频率。

参考图5，图5是被提供到线圈组装件的、具有量值（V₁,V₂）以及周期的交变驱动电压V的描绘。当通过交变电压V来驱动线圈组装件的时候，在线圈中产生交变电流I，其具有如由图6所图示的量值（I₁,I₂）和周期。注意到，取决于电路R/L比，花费时间（t）来使得电流I实现恒定值。以下等式说明了在线圈的电流I、电阻R以及电感L之间的关系。

其中：

V = 施加的驱动电压

R = 线圈电阻

L = 线圈电感

t = 时间。

在图7中示出了在流场内生成的说明性的时变磁场B。通过以交变方向流过每个线圈组装件的电流I来生成磁场B。B（B₁,B₂）的量值与驱动电流I以及线圈匝数成比例。

其中：

I = 施加的驱动电流

R = 线圈匝数。

参考图8，图8是由时变磁场B生成的感测的电压U_E的图示，所述时变磁场B与流体流线V垂直地流动，并且由该对电极来被检测。注意到，当时变磁场B跨过零（参见图7过零）的时候，U_E有尖峰。U_E的量值在过零处有峰值，并且然后在短时间延迟（T_D）之后被安定成稳定状态值U_E1和U_E2。正是在该短时间延迟T_D之后，U_E实现了稳定状态值（即U_E1稳定状态），并且在那时候可以执行准确的流速度测量。

参考图9，图9是使用非最优线圈驱动频率生成的电压U_E曲线的描绘。注意到，总测量时间T_T包括延迟时间T_D和稳定状态时间T_S二者。

T_T = T_D + T_S

延迟时间T_D强烈地取决于流体介质的导电率，因为它遵循常规的电容器放电曲线。我们较早前看到：流体的电阻率R是电荷载流子的数目的函数。因此，电阻率R越低，放电时间就越短（例如，如果在RC电路中R高，则时间常量T也高）。因此，流体的导电率越大，延迟时间T_D就越短。稳定状态时间T_S是在其期间U_E处于稳定状态值并且执行电压测量的时间。该时间也可以被优化以实现更大的测量频率。

参考图10，图10是使用最优线圈驱动频率生成的感测的电压U_E的图示。在该示例中，流体介质高度导电，并且线圈驱动频率已经增大，以利用在感应电压U_E实现稳定状态值之前的较短的延迟时间T_D。在该示例中，用于经优化的过程的总测量时间T_TO比用于未经优化的过程的总测量时间T_T显著短。

图11图示了用于基于流体介质的导电率来优化驱动电流频率（即近似1到10 Hz）的技术。磁性流量计使用初始驱动电流频率（F_Init）（即4 Hz）来开始操作，所述初始驱动电流频率（F_Init）在可以执行流体导电率测量之前提供基线操作参数。一旦已经确定了流体的导电率，就将导电率值与较低的导电率限制（CL）进行比较。导电率下限CL是如下值：在该值以下，不能准确并且可重复地测量感应电压U_E。如果流体导电率在该值以下，则流体速度测量一般终止。如果流体导电率值在导电率下限CL以上、但是在与初始频率F_Init相对应的导电率值以下，则典型地基于在驱动电流频率与流体导电率之间的关系来降低驱动频率。这具有如下效应：提供附加的时间来用于感测的电压信号U_E安定以及建立稳定状态值，从而导致更准确的速度测量。如果流体导电率测量在与初始频率F_Init相对应的导电率值以上，则典型地基于在驱动电流频率与流体导电率之间的关系来增大驱动频率。较高的线圈驱动频率增大数据采样率，而不影响U_E信号的品质。当流体介质的组成和/或流率正迅速地改变的时候，该较高的采样率可以提供显著的优点。应当注意到：虽然用图形示出了在驱动电流频率与流体导电率之间的关系，但是所述关系还可以用查找表、数学方程、计算机子例程或用于记录变量之间的关系的任何其它方法来被记录。

参考图12，描绘了根据本发明的用于操作磁性流量计的方法。所述方法通过如下而开始：使用第一和第二线圈驱动器来向两个线圈组装件提供驱动电流（I₁,I₂）（步骤102）。如在图6中所图示的，驱动电流I具有量值I₁和I₂以及周期。驱动电流为线圈组装件供给能量，所述线圈组装件生成跨流体流路径的时变磁场B，如图7中所示。

两个电极感测电压U_E，所述电压U_E由与时变磁场B垂直地流动的导电流体产生，如在图8中所描绘的（步骤104）。电压U_E具有指示流体介质的导电率的峰值（U_E1峰值，U_E2峰值）。所述电压信号还具有稳定状态值（U_E1稳定，U_E2稳定）以及用于信号实现稳定状态值的时间延迟T_D。

来自一个或两个电极的电压信号通过二极管和信号调节器，并且然后使用A/D转换器从模拟被转换至数字信号。所述数字信号被微处理器接收，所述微处理器比较峰值电压值（U_E1峰值，U_E2峰值）的幅度与在峰值电压和流体电导率之间的关系（参见图3）。如较早前所指出的，关系可以是用图形表示、查找表、数学方程或其它记录手段的形式。从该关系中，微处理器确定流体的电导率（步骤106）。

微处理器然后基于流体介质的电导率来修改驱动电流频率（步骤108）。首先将流体的电导率与最小电导率进行比较以用于实现准确的流体速度测量（步骤110）。如果流体的电导率在该阈值以下，则磁性流量计的操作典型地暂停，并且显示误差信号（步骤112）。替换地，如果流体的电导率在阈值以上，则处理器于是确定流体的导电率是否足够高以保证增大驱动电流的频率（步骤114）。例如，如果流体具有在50 以上的导电率，则驱动电流频率增大到5 Hz。

接下来，如果流体的电导率在阈值以上，但是太低以致不能增大驱动电流频率，则于是确定是否保证较低的驱动电流频率（步骤118）。在其中感应电压U_E需要附加的时间来实现稳定状态值的实例中，驱动电流I的频率减小。这导致稳定状态时间T_S中的增大，以及更准确且可重复的电压测量（步骤120）。例如，如果流体导电率在15 以下，则驱动电流频率减小到3 Hz。先前经受大流体速度测量误差的流体介质现在可以被准确地测量。

一旦已经为当前流体介质优化了驱动频率，新颖的方法就可以在步骤124处重复或在步骤126处结束（步骤122）。存在继续执行优化过程的许多原因，仅举几例包括：流体导电率中批次间的变化、在被测量的流体介质中的规律改变或者为了确保非常快速且准确的流体速度测量。

随着我们对磁性流量计以及用于测量流体介质的导电率的方法的讨论完成。我们现在将把我们的注意力转移到流量计的商业实现。

现在参考图13，磁性流量计组装件10包括一对线圈组装件（18,20），所述线圈组装件（18,20）在管道12的中间区中被耦合到管道12。线圈组装件被装配到管道外部，沿着轴（A_z）对准。更具体地，每个线圈通过支架21被保持在适当的位置，所述支架21限制管道12。磁极25被布置在线圈18与管道之间。磁极由导电材料形成，并且被成形以关于管道而顺应，所述导电材料例如与磁性支架相同的金属、具有Fe% ＞ 99.4的软磁性碳钢。非导电（空气隙）垫片27被布置在线圈的相对端部上。在每个线圈的情况下，第一空气隙垫片27被夹在线圈与对应的磁极25之间，并且第二空气隙垫片27被夹在线圈与支架21之间。在每个线圈中，存在由具有良好磁性性质的材料构成的磁芯。这些磁芯从线圈往极靴以及磁性支架中传递通量线。

支架21进一步用作用于由线圈18、20生成的磁场的磁性电路。支架具有一般八边形的形状，其有益于组装件以及组装件10的操作。更具体地，支架21由两个、一般c形的部件29形成，所述两个、一般c形的部件29可滑动地关于管道而与彼此配对，以耦合到彼此。以此方式，支架21可以被使用在具有不同直径的管道上。附连件（例如螺栓）沿着轴（Az）将线圈耦合到支架。

组装件10被配置成生成在管道的横截面之上均匀地分布的强交变磁场（通量）B。利用交变磁场避免电极材料迁移。支架21的配置、例如包括形状和材料促进管道12内的结果得到的磁场（通量）B。在示例性的实施例中，支架21由“软”磁性材料形成，所述“软”磁性材料是指相对磁导率，意味着它当被关断的时候没有剩余磁化。

现在参考图14，磁性流量计组装件10进一步包括外壳35，所述外壳35被配置成保护磁场生成器（其包括线圈18、20和支架21）以免受环境暴露。组装件10进一步包括电子组装件62，所述电子组装件62被附连到组装件的外壳。电子组装件62与组装件的电极（19,26）以及线圈（18,20）进行电通信，以操作组装件。在示例性的实施例中，电子组装件可以收容除了其它之外尤其诸如以下各项的部件：驱动器（32,34）、运算放大器（40,42）、A至D转换器（ADC）（44,46）、微处理器48以及脉冲宽度调制器（PWM）50。

已经在上文中在目前优选的实施例的方面中描述了本发明，使得可以传达对本发明的理解。然而，存在本发明可适用于其的、未在本文中具体描述的其它实施例。因此，本发明不应当被视为受限于所示出的形式，所示出的形式将被认为是说明性的而不是限制性的。