具体实施方式

以下参考附图更全面地描述本公开的实施方式。使用相同或相似的附图标记标识的元件指的是相同或相似的元件。然而，本公开的各种实施方式可以按照许多不同的形式来实施，不应视为局限于所述的示例性实施方式。相反，提供这些实施方式使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员完全传达本公开的范围。

在以下描述中给出具体细节以提供对实施方式的全面理解。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这些实施方式。例如，可以不示出或以框图形式示出电路、系统、网络、过程、框架、支撑件、连接器、电机、处理器和其它组件，以避免在不必要的细节中使实施方式模糊。

图1是根据本公开的实施方式的示例性工业过程测量系统100的简化图。系统100可用于处理材料(例如，过程介质)以将材料从较低价值的状态转化为更有价值且有用的产品，例如石油、化学品、纸、食品等。例如，系统100可用于进行可将原油加工成汽油、燃料油和其它石化产品的工业过程的炼油厂中。

系统100例如包括脉冲直流(DC)磁流量计102，其用于感测过程流体流104的例如通过管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。传感器部分108通常用于测量或感测流体流104的流率。发射器110通常用于控制传感器以测量流率，并且可选地将测量的流率传送到外部计算设备112，诸如计算机化控制单元，外部计算设备112可以远离流量计102设置，诸如设置在系统100的控制室114中。

发射器110可以通过适当的过程控制回路与外部计算设备112通信。在一些实施方式中，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。外部计算设备112和发射器部分之间的通信可以根据传统的模拟和/或数字通信协议在控制回路116上执行。在一些实施方式中，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过双线控制回路116的回路电流I_L的电平表示。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的模拟电流电平上。也可以采用其它纯数字技术，包括基金会现场总线(Foundation Fieldbus)和过程现场总线(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，诸如(IEC 62591)或ISA 100.11a(IEC 62734)，或另一无线通信协议，诸如WiFi、LoRa、Sigfox、BLE或任何其它适当的协议。

可以从任何适当的电源向磁流量计102供电。例如，磁流量计102可以完全由流过控制回路116的回路电流I_L供电。也可以使用一个或多个电源(例如内部或外部电池)为过程磁流量计102供电。发电机(例如，太阳能板、风力发电机等)也可用于为磁流量计102供电，或为磁流量计102所使用的电源充电。

发射器110可直接附接到传感器部分108，例如附接到包含传感器部分108的壳体，或远离(例如，10～1000英尺)传感器部分108设置。当发射器110远离传感器部分108设置时，发射器110与传感器部分108之间的电连接可由一个或多个连接电缆或传输线118提供，所述电连接可由电缆、导线、数据总线、控制总线或用于电气和数据通信的其它适当连接形成。

图2是根据本公开的实施方式的磁流量计102的简化图。传感器部分108可包括具有管段122的流管组件120，流体流104行进通过该管段122，如图1所示。流管组件120还包括具有电极124(例如电极124A和124B)的EMF传感器123，并且流管组件120包括一个或多个场线圈或线圈线126(例如线圈126A和/或126B)。电极124A和124B以及线圈126A和126B可以定位在管段122的相对侧上，如图2所示。

数字处理器130可表示响应于指令的执行而控制磁流量计102的部件以执行本文所述的一个或多个功能的一个或多个处理器，所述指令可存储于非暂时性、符合专利资格的存储器中。在一些实施方式中，数字处理器130基于磁流量计102的操作设定点向电流发生器132提供控制信号，以产生线圈电流I_C，线圈电流I_C包括使通过线圈126的方向交替的DC方波电流脉冲。

在一些实施方式中，电流发生器132包括控制器140、功率放大器142和分布(profile)生成器144。控制器140可表示例如响应于来自数字处理器130的控制信号和/或响应于指令的执行来控制功率放大器142的部件以执行本文中所描述的一个或多个功能的一个或多个处理器，所述指令可存储于由控制器140表示的非暂时性、符合专利资格的存储器中。

控制器140可以周期性地从电流采样电路143接收线圈电流I_C的电流电平测量值作为反馈，以确定是否需要调节线圈电流I_C来匹配磁流量计102的设定点电平，这对于准确的流率测量是必需的。电流采样电路143可以采用任何适当的形式。例如，电流采样电路143可例如在图2中所示的位置处进行操作以感测与线圈电流I_C相关的电压，并且使用模数转换器将采样的电压转换为数字信号，该数字信号例如作为测量的电流电平提供给控制器140。控制器140可以基于所测量的电流电平来调节线圈电流I_C，以试图将线圈电流I_C的电流电平与由磁流量计102的操作设定点引导的设定点电流电平相匹配。采样电压随时间的变化还可以用于形成本文描述的线圈电流I_C或线圈电流脉冲的电流分布的图。

图3和图4是根据本公开的实施方式的示例性功率放大器142的简化图。功率放大器142可以是电压控制的电流源或另一适当的电流源的形式。在所示示例中，功率放大器142包括电源145、H桥146和低通滤波器(LPF)148。H桥用于接收来自电源145(例如，电压源)的未经滤波电流I_PS，该未经滤波电流I_PS在图3和图4所示的方向上行进。在一些实施方式中，H桥146包括成对的互补开关156，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’的互补性质意味着当开关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可包括微处理器和栅极驱动器，该栅极驱动器控制开关对156A和156A’以及156B和156B’，以从电流I_PS产生高频(例如，10～100kHz)电流脉冲，所述高频电流脉冲经由导体157或159传递到LPF 148。低通滤波器(LPF)148进行操作以使来自H桥146的在导体157或159上输出的高频电流脉冲衰减，以形成低频(例如，5～200Hz)线圈电流脉冲，该低频线圈电流脉冲形成线圈电流I_C。

控制器140通过调制开关156的占空比来控制经滤波的线圈电流I_C流过线圈126的方向。例如，图5和图6是示出从控制器140到开关156的示例性控制信号的图，该控制信号使得线圈电流I_C分别沿图4和图3中所示的方向流动。图中的高电平(high)信号对应于开关156的闭合状态，图中的低电平(low)信号对应于断开状态。如图5中所示，开关156A的占空比小于开关156B的占空比。结果，开关156A’的占空比大于开关156B’的占空比。这使得线159中的平均电压大于线157中的平均电压，导致线圈电流I_C沿图4中所示的方向流动。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。这使得线157中的平均电压大于线159中的平均电压，导致线圈电流I_C沿图3中所示的方向流动。该配置不同于磁流量计102的常规功率放大器，所述常规功率放大器使用H桥简单地按路线传送来自电源的电流以交替方向通过流管组件的线圈。

图7A和图7B是示出根据本公开的实施方式的在LPF 148之前来自H桥146在具有电压Vpa的线157上(图7A)和在具有电压Vpb的线159上(图7B)输出的示例性高频电流脉冲160(例如脉冲160A和160B)的电压图。例如，在脉冲或激励周期T1期间来自H桥146在线157上具有Tp周期和1/Tp(例如，10～100kHz)的对应频率的一系列电压脉冲160A可以各自具有脉冲宽度W_L，如图7A所示。在线圈电流I_C改变方向的脉冲周期T1的过程中，脉冲160A具有平均电压V_L。同样，在脉冲周期T2期间来自H桥146的在线157上的一系列高频电压脉冲160B可各自具有脉冲宽度W_H，如图7B所示。在周期T2的过程中，平均电压脉冲160B具有平均电压V_H。来自H桥146的线159在脉冲周期T1期间具有脉冲160B，在脉冲周期T2期间具有脉冲160A，这些脉冲160B和160A在相同周期期间与线157上的脉冲互补，如图7B所示。

图7C和图7D示出了在LPF 148之后的电压Va和Vb(图2、图3和图4)，LPF 148使线157和159上的高频脉冲136A和136B衰减。电压Va和Vb确定形成线圈电流I_C的线圈电流脉冲的方向和幅度。例如，在脉冲周期T1期间，电压Va小于电压Vb。这使得线圈电流I_C沿图4中所示的方向流动。在周期T2期间，电压Va大于电压Vb，从而使得线圈电流I_C沿图2和图3中所示的方向流动。

图7E是示出周期T1和T2内的线圈电流脉冲电压(诸如由电流采样电路143采样的电压)的电压图。如图7E中所示，周期T1内的线圈电流脉冲P1的电压是负的，并且周期T2内的线圈电流脉冲P2的电压是正的。

线圈电流I_C通过适当的电连接(例如图1和图2所示的传输线118)被传送到流管120的励磁线圈126A和126B。这使得线圈126A和/或126B在管段122上产生磁场，该磁场以激励频率(例如，1/T)改变方向。穿过管段122内部的过程流体流104用作移动导体，其根据法拉第电磁感应定律引发流体中的EMF。电容性耦合到导电过程流体或者与过程流体直接电接触的电极124A和124B拾取流体流104中存在的电压。电极124A和124B处的电压差与流体流104的速率成比例。

发射器110的信号处理器128连接到电极124A和124B。流管组件120可电接地到管段122、电接地到管段122上游或下游的凸缘或管段、或电接地到另一适当的接地连接。数字处理器130控制信号处理器128以使用任何适当的技术对电极124A和124B之间的电压差进行采样，并将测量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为提供给数字处理器130的数字值。数字处理器130可以对测量的差分电压执行进一步的信号处理，以建立过程流体流104的流率的流率测量。可以使用通信接口134，例如通过上面论述的有线或无线通信协议之一，将测量的流率传送到计算设备112。

图8是发射器110的功率放大器142、传感器部分108的线圈126和将功率放大器142连接到线圈126的传输线118的示意图。功率放大器142由电流源149和阻抗Z_S表示，一个或多个线圈126由阻抗Z_C表示，并且传输线118具有特性阻抗Z₀。当电流发生器的阻抗Z_S和/或线圈的阻抗Z_C与传输线的特性阻抗Z₀不匹配时，可能发生线圈电流I_C的反射。当传感器部分108通过长传输线118(例如，10～1000英尺)连接到发射器110时，这种阻抗失配最可能发生。

LPF 148不能完全使高频或未经滤波脉冲160(图7A和图7B)衰减。结果，未经滤波脉冲160的残余部分通过LPF 148并出现在线圈电流I_C(或其谐波)的线圈电流脉冲P的顶部。结果，在上述阻抗失配的情况下发生的线圈电流I_C的反射包括未经滤波脉冲160的高频残余部分的反射，这可能导致沿着传输线118的电压/电流波反射的驻波。

图9是示出由于传输线118的特性阻抗Z₀与电流发生器132的阻抗Z_S和一个或多个线圈126的阻抗Z_C之间的失配，未被LPF 148衰减的未经滤波脉冲160的残余信号162在线圈电流I_C上的电压/电流波反射的示例的图。图10包括示出可由于失配阻抗而形成的电压/电流驻波的形成的简化示例的图。

如图9中所示，当残余信号162从传输线118和功率放大器142的接口164传输到线圈126时，由于接口166处的阻抗Z₀和Z_C之间的失配，信号162的一部分沿着传输线118从传输线118和线圈126的接口166反射回来作为反射电压信号162A。由于在接口164处阻抗Z₀和Z_C之间的失配，信号162A的一部分沿着传输线118被反射回来作为电压信号162B。可以沿着传输线118观察到所得到的驻波信号168作为“振铃(ringing)”，并且所得到的驻波信号168包括波峰170和波谷172，如图10所示。结果，线圈电流I_C可以包括具有与残余波信号168的形式类似的形式的高频电压信号，如图11所示。这些残余波信号168形成在线圈电流脉冲P的顶部，如图12中的图所示。

在一些实施方式中，控制器140使线圈电流I_C的采样与操控H桥的开关156并且生成脉冲160所采用的控制器140的脉冲周期Tp或更新循环同步。这导致残余波信号168和采样点之间的固定间隔，在采样点处电流采样电路143对线圈电流I_C脉冲P进行采样。在由于不匹配阻抗而在传输线118中发生电流/电压驻波反射从而在线圈电流脉冲P上形成残余波信号168的情况下，如图12所示，信号168和采样点之间的同步可以导致采样点处于信号168的相同位置。

图13中示出了这种情况的一个示例，其中电流采样电路143相对于每个电流脉冲160或残余波信号168的每个脉冲周期Tp的开始，以固定采样延迟t_S在采样点174处对线圈电流I_C进行采样。在示出的示例中，以这种方式对线圈电流脉冲P的采样导致采样点174位于残余波信号168的波谷处，但是其也可以发生在沿着每个信号168的另一位置处，诸如在波峰处。因此，采样线圈电流电平中的每一个可以相对于实际平均电流电平176偏离偏移量178。

线圈电流I_C的测量电平中的该误差可致使控制器140将线圈电流I_C设定为从由数字处理器130根据磁流量计102的操作设定点所引导的期望电平偏移的电平。结果，由线圈126响应于偏移线圈电流产生的磁场将不同于由操作设定点所引导并且准确测量流体流104的流率所需要磁场。因此，测得的电极124A和124B之间的电压差可能不能准确地指示流体流104的流率。

本公开的实施方式进行操作以改善线圈电流I_C测量，例如在由于上述阻抗失配而存在驻留残余波信号168的情况下，用于提高流率测量准确度。通常，电流发生器132的控制器140用于改变具有周期Tp或频率1/Tp的从H桥146输出的脉冲160与采样点174之间的关系(例如，去同步)，在采样点174处线圈电流脉冲P被采样电路143采样。结果，采样电路143对信号168的不同部分进行采样，而不是对在采样点174与周期Tp或频率1/Tp同步时出现的脉冲136的相同部分(图13)进行采样。

每个线圈电流脉冲P的多个采样电压可用于建立线圈电流脉冲P的平均电压电平，该平均电压电平更准确地表示提供给一个或多个线圈126的线圈电流I_C的实际电平176。结果，电流发生器132可以更准确地将线圈电流脉冲P设置为磁流量计102的操作设定点所需的电压电平，从而提供对由线圈126产生的磁场的改进控制以及更准确的流率测量。

用于改变关系或使采样点174与残余信号168去同步的不同技术将参照图14至图16进行讨论，图14至图16是示出包括未经滤波电流脉冲160的残余信号168的示例性线圈电流脉冲P的部分的图。在一些实施方式中，可以通过相对于残余信号168向采样点174引入相移或延迟来改变残余信号168和采样点174之间的关系或去同步。例如，当残余信号168在每个脉冲周期Tp的起始产生并且具有脉冲频率(1/Tp)时，控制器140可以改变从每个脉冲周期Tp开始测量的每个采样点174的采样延迟t_S。采样延迟t_S可以从零延迟到脉冲周期Tp变化。因此，线圈电流脉冲P脉冲可以在从脉冲周期开始延迟采样延迟t_S1的采样点174处进行采样，第二采样点174可以从下一脉冲周期Tp开始延迟采样延迟t_S2，第三采样点174可以从下一脉冲周期Tp延迟采样延迟t_S3，并且第四采样点174可从下一脉冲周期Tp延迟采样延迟t_S4，依此类推，其中延迟t_S1、t_S2、t_S3和t_S4各自不同，如图14和图15中所示。这使得对应于采样延迟t_S1至t_S4的残余信号168的不同部分被采样电路143采样并且被控制器140用来确定线圈电流电平测量。结果，避免了线圈电流脉冲P在残余脉冲168的波峰或波谷中的重复采样，并且电流采样的平均值(虚线)中的误差随时间推移接近零。

在一个实施方式中，控制器140在一系列未经滤波的电流脉冲周期或循环Tp内使采样延迟t_S随机化，通常如图14所示。或者，可以对采样延迟进行编程使得采样点174沿着脉冲周期Tp以离散间隔进行定位，以在残余信号168的脉冲周期Tp内有效地执行受控横扫(sweep)，如图15所示。这里，采样延迟t_S1至t_S4可以各自偏移预定周期，该预定周期允许采样电路143对脉冲周期T的一部分或全部进行采样。这可以导致比当采样点174被随机化时更准确的线圈电流电平测量。

根据另一实施方式，通过从脉冲周期Tp的开始向电流脉冲160的产生引入相移或脉冲延迟t_P，同时通过从每个电流脉冲周期T的开始固定采样延迟t_S来保持固定的采样频率，来使残余信号168或未经滤波电流脉冲160与采样点174之间的关系去同步。该技术的一个示例在图16的图中示出，其中，所示出的残余信号168对应于从相应的脉冲周期Tp开始在不同脉冲延迟t_P(诸如t_P1、t_P2和t_P3)后产生的未经滤波电流脉冲160，而采样延迟t_S保持固定。这使得每个采样点174对应于一系列电流脉冲136上的电流脉冲136的不同部分。结果，避免了对波峰或波谷内的残余信号168的重复采样，并且可以在更准确地反映线圈电流I_C的平均电平176的时间段内获得采样的平均值。因此，使用该技术，线圈电流电平测量中的误差接近零。

图17是示出根据本公开的实施方式的控制磁流量计102的方法的流程图。在该方法的190处，通过流管组件120的管段122容纳流体流104，如图1所示。在192处使用电流发生器132的功率放大器142产生未经滤波电流脉冲160(图7A和图7B)，如上所述。未经滤波电流脉冲160以高频(例如，10～100kHz)产生，并且每一脉冲160在脉冲周期Tp内产生(图7A和图7B)。在194处，使用功率放大器142的LPF 148使未经滤波的电流脉冲160衰减(图3和图4)以形成线圈电流I_C的线圈电流脉冲P(图7E和图12)。线圈电流脉冲P包括未被LPF 148完全衰减的未经滤波电流脉冲160的残余信号168，如图12所示。

在该方法的196处，在交替方向上驱动线圈电流脉冲P通过一个或多个线圈126。可以由电流发生器132使用上述技术产生在交替方向上行进通过一个或多个线圈126的正负线圈电流脉冲P的形成(图7E)。

在该方法的198处，响应于步骤186在管段122内跨越流体流104产生磁场，并且在流体流104中引发与流体流104的流率成比例的EMF。

在该方法的200处，使用电流采样电路143，在每个脉冲周期Tp内，在采样点147处对线圈电流脉冲P之一进行采样。根据上述技术之一，使用控制器140使采样点174和对应的电流脉冲之间的关系去同步，使得采样点174与残余信号168具有唯一的关系。结果，采样点174不与残余信号168同步，如图12所示。因此，该方法避免了在相同位置处(例如在残余信号的波峰170或波谷172处(图11))对残余信号168的重复采样。

在202处，使用控制器140基于样本来调节线圈电流I_C，以便匹配磁流量计102的操作设定点。例如，控制器140可基于由采样电路143获取的线圈电流脉冲P的样本(诸如由样本指示的电压电平的平均值)来确定线圈电流电平测量(诸如线圈电流脉冲P的电压)。与采样点174与残余信号168同步(图13)时不同，根据该方法捕获的电流样本覆盖残余信号168的各个部分。所得到的样本的平均值提供线圈电流I_C的电平的近似，该近似比当在残余信号168的相同的波峰或波谷处重复采样残余信号168时更准确。控制器140可以将线圈电流电平测量值与基于磁流量计102的操作设定点的期望线圈电流电平进行比较，并且在步骤202中相应地调节线圈电流。

虽然已经参考优选实施方式描述了本公开的实施方式，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。