具体实施方式

在下文中，将参考附图更全面地描述本公开的实施例。使用相同或相似附图标记标识的元素是指相同或相似元素。然而，本公开的各种实施例可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。

在下面的描述中给出具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。例如，电路、系统、网络、过程、框架、支撑件、连接器、电动机、处理器和其他部件可能未示出或以框图形式示出，以避免在不必要的细节上使实施例模糊。

图1是根据本公开的实施例的示例性工业过程测量系统100的简化图。系统100可以用在材料(例如，工艺介质)的处理中，以将材料从价值较低的状态转变为价值更高、更有用的产品，例如石油、化学药品、纸张、食品等。系统100可用在执行工业过程的炼油厂中，该工业过程可将原油加工成汽油、燃料油和其他石化产品。

系统100包括脉冲直流(DC)磁流量计102，其配置为感测过程流体流104的例如通过管道106的流率。磁流量计102包括电动势(EMF)传感器部分108和发射器110。发射器110通常被配置为控制传感器部分108测量流体流104的流率，并且可选地将测量到的流率传达给外部计算设备112，例如可能远离流量计102(例如位于系统100的控制室114中)的计算机控制单元。

发射器110可以在适当的过程控制回路上与外部计算设备112通信。在一些实施例中，过程控制回路包括物理通信链路，例如双线控制回路116，或无线通信链路。可以根据常规的模拟和/或数字通信协议在控制回路116上执行外部计算设备112与发射器部分之间的通信。在一些实施例中，双线控制回路116包括4-20毫安控制回路，其中过程变量可以由流经双线控制回路116的回路电流I_L的水平表示。示例性数字通信协议包括例如根据通信标准将数字信号调制到双线控制回路116的模拟电流水平上。也可以采用其他纯数字技术，包括Foundation FieldBus和Profibus通信协议。过程控制回路的示例性无线版本包括例如无线网状网络协议(例如(IEC 62591)或ISA 100.11a(IEC 62734))，或另一种无线通信协议(例如WiFi、LoRa、Sigfox、BLE)，或任何其他合适的协议。

可以从任何合适的电源向磁流量计102供电。例如，磁流量计102可以由流过控制环路116的环路电流I_L完全供电。可以利用一个或多个电源(例如内部或外部电池)为过程磁流量计102供电。发电机(例如，太阳能电池板、风力发电机等)也可以用于为磁流量计102供电或为磁流量计102使用的电源充电。

发射器110可以直接附接到传感器部分108(例如附接到包含传感器部分108的外壳)，或者位于离传感器108较远(例如10-1000英尺)的位置。当发射器110远离传感器部分108定位时，发射器110和传感器部分108之间的电连接可以由一根或多根连接电缆或传输线118提供，其可以由电缆、电线、数据总线、控制总线或其他适用于电气和数据通信的连接来形成。

图2是根据本公开的实施例的磁流量计102的简化图。传感器部分108可包括具有管段122的流管套件120，流体流104穿过管段122行进，如图1所示。流管套件120还包括具有电极124(例如电极124A和124B)的EMF传感器123，并且流管套件120包括一个或多个磁场线圈(field coil)或线圈线126，例如磁场线圈126A和126B。电极124A和124B以及线圈126A和126B可位于管段122的相对侧，如图2所示。

发射器110可包括例如信号处理器128、数字处理器130和可编程双向电流发生器132。在一些实施例中，发射器110包括通信接口134。数字处理器130可代表一个或多个处理器，其控制磁流量计102的部件以响应于指令的执行而执行本文所述的一个或多个功能，这些指令可以存储在非暂时性的符合专利条件的存储器中。在一些实施例中，数字处理器130基于磁流量计102的工作设置点向电流发生器132提供控制信号，并且电流发生器132产生DC线圈电流I_C，该DC线圈电流I_C包括以交替方向通过该一个或多个线圈126传递的DC电流脉冲。

线圈电流I_C通过合适的电连接(例如图1和图2所示的传输线118)来通过流量管120的磁场线圈126A和126B传递。这导致线圈126A和126B在流经管段122的流体流104上生成交变磁场，该流体流104用作根据法拉第电磁感应定律在流体中感应出EMF的运动导体。电容性地耦合到导电过程流体或与过程流体直接电接触的电极124A和124B获取流体流104中存在的电压。电极124A和124B处的电压差与流体流104的流率成正比，并且形成EMF传感器123的输出

发射器110的信号处理器128连接到电极124A和124B，以接收来自传感器123的差分电压形式的输出。数字处理器130使用任何合适的技术来控制信号处理器128采样电极124A和124B之间的电压差，并且将测量到的电压差提供给数字处理器130。例如，这可以涉及将模拟差分电压信号转换成提供给数字处理器130的数字值。数字处理器130可以对测量到的差分电压执行附加的信号处理，以建立对过程流体流104的流率的测量结果，可以使用通信接口134将测量结果传送给计算设备112。

在一些实施例中，电流发生器132包括控制器140、功率放大器142和波形发生器144。控制器140可以代表一个或多个处理器，其控制功率放大器142的部件以执行本文描述的一个或多个功能，诸如响应于来自数字处理器130的控制信号，来自波形发生器144的波形命令145和/或响应于控制器140所代表对可存储在非暂时性的符合专利条件的存储器中的指令的执行。例如，控制器140可以基于来自数字处理器130的信号(该信号可以基于磁流量计102的工作设置点)来控制功率放大器142以生成形成线圈电流I_C的线圈电流脉冲，并且基于来自波形发生器144的波形命令145控制每个线圈电流脉冲的电流波形。如本文中所使用的，线圈电流I_C或线圈电流脉冲的“电流波形”对应于线圈126两端或线圈126一侧的随时间的电压，该电压对应于通过线圈126的线圈电流I_C。

图3和图4是根据本公开的实施例的示例性功率放大器142的简化图。功率放大器142可以是压控电流源或另一合适的电流源的形式。在所示的示例中，功率放大器142包括电源147、H桥146和低通滤波器(LPF)148。H桥被配置为从电源147(例如，电压源)接收沿图3和图4所示的方向行进的未滤波的电流I_PS。在一些实施例中，H桥146包括成对的互补开关156，包括开关156A及其互补开关156A′，以及开关156B及其互补开关156B′。开关对156A和156A′的互补性意味着，当开关156A断开时，开关156A′闭合，而当开关156A闭合时，开关156A′断开。这也适用于互补开关156B和156B′。

控制器140可以包括微处理器和栅极驱动器，其控制开关对156A和156A′以及156B和156B′根据未滤波电流I_PS来生成高频(例如10-100kHz)未滤波电流脉冲，未滤波电流脉冲通过导体157或159传递给低通滤波器(LPF)148。低通滤波器(LPF)148工作以衰减在导体157或159上输出的来自H桥146的高频未滤波电流脉冲，以形成线圈电流I_C的低频(例如5-100Hz)线圈电流脉冲。

控制器140通过调节开关156的占空比来控制滤波后的线圈电流I_C流过一个或多个线圈126的方向。例如，图5和图6是示出了从控制器140到开关156的示例性控制信号的图，该控制信号分别使得线圈电流I_C沿图4和图3所示的方向流动。图表中的高信号对应于开关156的闭合状态，图表中的低信号对应于断开状态。如图5所示，开关156A的占空比小于开关156B的占空比。因此开关156A′的占空比大于开关156B′的占空比。这导致线路159中的平均电压大于线路157中的平均电压，导致线圈电流I_C沿图3所示的方向流动。在图6中，开关156A的占空比大于开关156B的占空比，并且开关156A′的占空比小于开关156B′的占空比。这导致线路157中的平均电压大于线路159中的平均电压，从而导致线圈电流I_C沿图4所示的方向流动。这种配置与磁流量计102的常规功率放大器不同，常规的磁流量计使用H桥简单地将来自电源的电流沿交替方向路由通过流管套件的线圈。

图7A和图7B是根据本公开的实施例的电压图，分别示出了在线路157或159处从H桥146输出的示例性高频未滤波电流脉冲P_L和PH，以及在LPF 148之后的线圈126一侧的相应电压。未滤波的脉冲各自具有可调整以生成线圈电流I_C所希望的电压水平的脉冲宽度。例如，如图7A所示，来自H桥146的在线路157或159上的一系列高频电压脉冲P_L可各自具有脉冲宽度W_L。在线圈电流I_C于其中改变方向的脉冲或激励时段T期间，脉冲P_L具有平均电压V_L。LPF 148对电压脉冲P_L进行滤波，以产生线圈电流I_C的具有低DC电压水平V_L的线圈电流脉冲P_CL，如图7B所示。同样，来自H桥146的一系列高频电压脉冲P_H可各自具有脉冲宽度W_H，如图7A所示。在周期T期间，平均电压脉冲P_H具有平均电压V_H。LPF 148对电压脉冲PH进行滤波，以产生线圈电流I_C的具有高DC电压水平V_H的电压脉冲P_CH，如图7B所示。因此，控制器140可以改变控制器140致动H桥146的开关156的占空比，以不仅控制线圈电流脉冲流经线圈126的方向，而且还控制线圈电流脉冲的电流波形。

图8是可以由电流发生器142产生的示例性方波线圈电流脉冲152的简化电流波形图。例如，控制器140可以控制占空比，H桥146的互补开关对156以该占空比致动来产生未滤波的电流脉冲，该未滤波的电流脉冲在使用LPF 148来滤波后产生线圈电流脉冲152，线圈电流脉冲152具有可以基于流量计102的工作设置点来设置的电压水平158。控制器140还可以基于用于致动互补开关对156的占空比来调整激励频率，脉冲152以该激励频率来改变方向。例如，线圈电流I_C的正电流脉冲152(无阴影)可沿图2和图3所示的方向流过线圈126，并且线圈电流I_C的负电流脉冲152(有阴影)可沿图4所示的方向流过线圈126。另外，脉冲152的电流波形可以由来自波形发生器144的波形命令145控制。如下所述，脉冲152的电流波形可以包括随时间变化的电压水平。

控制器140可以周期性地从电流监测电路150接收线圈电流I_C的电流水平测量结果来作为反馈，以确定是否需要对线圈电流I_C进行调整以匹配磁流量计102的设置点水平158(图8中的虚线)，这对于精确的流率测量是必要的。电流监测电路150可以采用任何合适的形式。例如，电流监测电路150可以操作为感测与线圈电流I_C相关的电压，并且例如使用模数转换器将采样的电压转换为数字信号，作为测量到的电流水平呈现给控制器140。控制器140可以基于测量到的电流水平来调整线圈电流I_C，以试图使线圈电流I_C的电流水平与磁流量计102的工作设置点所指示的设置点电流水平相匹配。电路150随时间采样的电压可以限定线圈电流I_C或线圈电流脉冲的电流波形，并且可用于形成本文所述的电流波形图。

可期望基于来自控制器140的方波波形命令，通过以针对于图5和图6所示的相位的连续占空比来致动H桥146的开关156，生成图8所示的具有方波电流波形的电流脉冲152来作为DC线圈电流I_C。然而，由于线圈126的电感，通过线圈126驱动的线圈电流I_C的电流脉冲的测量到的电流波形与如图8所示的理想方波波形不匹配。

这在图9中一般性地示出，图9包括来自波形发生器144的示例性方波波形命令145以及基于命令145生成并通过流管套件120的线圈126驱动的线圈电流脉冲164的所产生的电流波形162的电流波形图。如图9所示，命令信号145的前部164基本上立即从负方波电流脉冲波形166过渡到正方波电流脉冲波形168。这使得控制器140调整施加到开关156的固定占空比，以切换线路157和159中的电压水平，并改变线圈电流I_C的方向。例如，命令145可以使控制器140从图6所示的占空比过渡到图5所示的占空比，以将线圈电流I_C的方向从图4所示的方向切换到图3所示的方向。

由于线圈126的电感，线圈电流I_C不可能根据波形命令145立即使方向改变。反而，电流脉冲162的前部170的水平随时间逐渐朝着设置点水平158增加，然后超过设置点水平158。因此，电流脉冲162的电流波形的前部170包括前部误差区域172(有阴影)，该前部误差区域对应于与波形命令145的前部164的差。类似地，电流脉冲162的测量到的电流波形的后部174不能与波形命令145的对应后部176匹配，从而导致后部误差区域178(有阴影)，该后部误差区域178对应于与波形命令145的后部176的差。

这种过冲可能由比例积分微分(PID)控制算法的积分部分引起，该比例积分积分微分(PID)控制算法可以由控制器140实施。PID控制算法的积分器部分确保电流反馈精确跟踪波形命令145，或者确保波形命令145与来自监测电路150的反馈之间没有误差。然而，当反馈电流落后于命令电流时，积分器尝试通过创建具有相反符号的另一个误差以使误差的“和”为零来补偿该误差。这种现象为设计经典PID控制器的控制工程师熟知。

然而，当控制器140试图补偿因快速命令电流波形和缓慢反馈响应引起的误差时，可能需要施加大的电压以使误差为零。如果所希望的误差补偿电压超过电源147的最大值(例如，当脉宽调制占空比约为100％时)，则电源147可能会变得“饱和”，从而不能再在电感上施加更多的电压。在这种情况下，在试图将所有电源电压施加到负载(线圈126)上之后，控制器140的积分器部分无法控制电流并且命令电流(命令波形145)和反馈电流之间的误差越来越大。这可能导致控制器140的不稳定和振铃(ringing)，因为PID控制器140的积分器部分继续尝试通过创建另一个带有“相反符号”的误差来使(命令和反馈之间的)总累积误差回到零。

电流脉冲162的测量到的电流波形的前部误差区域172和后部误差区域178中的电流水平超过设置点电流水平158。线圈电流水平的过冲导致由一个或多个线圈126响应于电流脉冲162生成的磁场稳定到错误的场强，这可能导致不正确的流率测量。此外，区域172和178中的电流水平过冲可能导致功率放大器142超过其最大电压，这会使功率放大器142饱和并阻止功率放大器142的适当调节。

本公开的实施例操作用于减小命令电流波形145和线圈电流I_C的测量到的电流波形之间的失配误差。这样可以减少电流水平过冲并提高流率测量准确度。另外，命令电流波形可以被配置为防止功率放大器142超过其最大电压，以避免调节问题。

如上所述，控制器140基于来自波形发生器144的波形命令145控制线圈电流脉冲的电压水平和电流波形，如图2所示。波形发生器144操作以向控制器140发出波形命令145，以控制线圈电流I_C的DC脉冲的电流波形，如图9的简化图所示，其中功率放大器142由可编程双向电流源154表示，该可编程双向电流源154可以根据上述实施例形成。在一些实施例中，波形发生器144被配置为产生不同的复杂波形命令145，例如方波电流波形命令145A、梯形电流波形命令145B、不规则电流波形命令145C、正弦电流波形命令145D和/或其他复杂波形命令，如图10所示。

在一些实施例中，波形命令145适配于线圈126的电感，使得测量到的电流波形紧密匹配命令的波形。线圈126的电感可以例如根据经验从磁流量计102的总体族特性中得出，或者是根据经验得出的磁流量计102的工厂特性。在一些实施例中，波形命令145被编程为工厂设置并且被存储在磁流量计102的非暂时性的符合专利条件的存储器中，例如由控制器140或数字处理器130表示的存储器中。

另外，可以将波形命令适配于功率放大器142(例如电源147(图3和图4))的最大电压，以减小脉冲电流的电流过冲超过功率放大器142的最大电压的可能性。波形发生器142基于所估计的线圈126的电感以及(可选的)功率放大器142的最大电压来计算实际上可实现的电流水平斜坡的斜率，并使用该斜率来生成具有非方波电流波形的波形命令，该波形命令可以与线圈电流I_C的电流脉冲基本匹配。

图11是示出了根据本公开的实施例的示例性梯形波形命令145的电流波形184的图，该示例性梯形波形命令145可以由波形发生器144发出给功率放大器142。电流波形184各自具有前部186和后部190，在前部186中，电流水平在上升时间段t_R期间逐渐上升到设置点电流水平188；在后部190中，电流水平在下降时间段t_F期间逐渐返回到零。波形发生器144基于线圈126的估计电感以及(可选的)功率放大器142的最大电压来确定前部186和后部190的斜率。

图12示出了来自波形发生器144的示例性梯形波形命令145的电流波形184的图，以及由功率放大器142生成的相应电流脉冲194的电流波形192的图，该相应电流脉冲194可以是例如使用监测电路150测量到的。由于波形命令145的前部186和后部190的斜率适配于线圈126的电感，因此测量到的电流波形192包括与波形命令145的电流波形184的前部186和后部190紧密匹配的前部195和后部196，导致相对于当使用方波电流波形命令145(图9)时更小的前部误差区域197(阴影区域)和后部误差区域198(阴影区域)。结果，线圈电流I_C的电流脉冲194在区域197和198中具有减小的电流过冲，从而驱动线圈126生成的磁场稳定到电流水平设置点188指示的所希望的磁场强度，并提高流率测量准确度。

另外，当响应于波形命令145产生电流脉冲194时(包括在误差区域197和198中产生电流过冲期间)，波形命令145可以被适配为将功率放大器142的电压保持在其最大电压以下。结果，可以减少功率放大器142的调节问题。

图13是示出根据本公开的实施例的使用磁流量计102测量流体流的流率的方法的流程图。在所述方法的200中，如图1和图2所示，通过流管套件120(例如通过管段122)接收流体流104。在202中使用波形发生器144发出波形命令145，波形命令145限定随时间的电压的电流波形184(图9和图10)。在一些实施例中，波形命令145基于线圈126的电感。在一些实施例中，波形命令145还基于功率放大器142的最大电压。

在所述方法的204中，基于波形命令145使用功率放大器142生成电流脉冲，并且在交替方向上驱动电流脉冲通过流管套件120的线圈126。例如，这可以根据上述技术来实现，例如通过以不同的占空比来致动功率放大器142的H桥的互补开关对156。在一些实施例中，电流脉冲各自具有非方波的电流水平波形，诸如图12中所示的电流脉冲194所指示的。

在206中，在流体流104上生成磁场，并且在流体流104中感应出EMF。感应出的EMF与流体流104的流率成正比。

在208中，使用流管套件120的EMF传感器123(图2)生成指示流体流104的流率的输出(例如，差分电压)。如上所述。如图2所示，EMF传感器123的输出可以由信号处理器128和数字处理器130处理，并且使用通信接口134传送给外部计算设备112。

尽管已经参考优选实施例描述了本公开的实施例，但是本领域技术人员将认识到，可以在形式和细节上进行改变而不背离本公开的精神和范围。