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磁流量计的制作方法
【专利摘要】磁流量计包括流量管，设置用于接收过程流体的流。线圈定位于流量管附近，并且设置用于响应于驱动电流交变方向来向过程流体施加磁场。第一和第二电极设置用于响应于施加的磁场来感测过程流体中的电压电势。电压电势表示通过流量管的过程流体的流量。传感器耦合至第一和第二电流路径，所述第一和第二电流路径具有与驱动电流相关的传感器输出。当流过线圈的电流更改方向时，诊断电路根据传感器输出中的瞬变提供诊断输出。
【专利说明】磁流量计

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及用于测量过程流体流量的类型的磁流量计。更具体地，本实用新 型涉及这种流量计的诊断。

【背景技术】
[0002] 磁流量计通过检测穿过磁场的流体的速度来测量导电流体的体积流量。磁流量计 系统典型地包括流量管组件和发射机组件。流量管组件垂直或者水平地安装在过程管线 中，并且包括管道部分、线圈部分和电极。线圈定位于管道的交叉部分的相对侧面。由来自 发射机的线圈驱动电流供电的线圈沿管道的横截面扩展磁场。两个电极通常沿与磁场垂直 的线路彼此定位于管道两端。穿过管道的流体是导电的。作为导体通过磁场移动的结果， 在流体中感应出电势或电动势（EMF)，可以在电极两端检测所述电势或电动势。因此，操作 是基于电磁感应的法拉第原理。
[0003] 在磁流量计中可能发生各种类型的故障，所述故障可能导致与线圈并联的电流路 径。这种并联电流路径可能引起一些电流从线圈旁路，从而导致施加至过程流体的减小的 磁场。这种减小的磁场将导致由感测电极检测的减小的EMF。流量将低电流损耗的量。存 在可以引起这种并联电流路径增加的各种情况。例如，磁流量计流量管中的线圈可以通过 泄漏到线圈隔间中的过程流体进行折衷。这可以引起与线圈并联的电路。类似地，如果用 于切换通过线圈的电流的晶体管之一故障，可以引起线圈电流的一些通过并联路径旁路通 过线圈。这导致了施加的EMF的减小以及来自感测电极的输出的相应减小。这将导致不精 确的流量测量。
[0004] 用于施加线圈驱动信号的部件中的故障以及线圈驱动信号的电流路径中的故障 或退化可以减小施加至过程流体的磁场。这可以导致流量测量中的误差。各种诊断技术已 经用于检测这些问题。例如，Foss的等人的2011年4月12日公布并且转让给罗斯蒙德公 司的题为"MAGNETIC FLOWMETER WITH COIL GROUND PATH DETECTION"美国专利 7, 921，733 描述了具体的诊断技术。 实用新型内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：用于施加线圈驱动信号的部件中的故障以及线圈 驱动信号的电流路径中的故障或退化可以减小施加至过程流体的磁场，这可以导致流量测 量中的误差。
[0006] 磁流量计包括流量管，设置用于接收过程流体的流。线圈定位于流量管附近，并且 设置用于响应于驱动电流交变方向来向过程流体施加磁场。第一和第二电极设置用于响应 于施加的磁场来感测过程流体中的电压电势。电压电势表示通过流量管的过程流体的流 量。传感器耦合至第一和第二电流路径，所述第一和第二电流路径具有与驱动电流相关的 传感器输出。当流过线圈的电流更改方向时，诊断电路根据传感器输出中的瞬变提供诊断 输出。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 图1是双线通信回路中的磁流量计的简化方框图。
[0008] 图2是用于图1的磁流量计的桥接脉冲受控电流驱动器的示意图。
[0009] 图3A是示出了一种结构中与磁性线圈耦合的驱动电路的简化图。
[0010] 图3B是示出了第二种结构中与磁性线圈耦合的驱动电路的简化图。
[0011] 图4是说明了驱动电路的晶体管中的故障的简化示意图。
[0012] 图5是感测电阻器电流对时间的曲线。
[0013] 图6是示出了用于检测并联电流路径的示意图。

【具体实施方式】
[0014] 在图1中，磁流量计系统与承载电流I的双线通信4-20mA回路以及外部电源（未 示出）相连。流量管4承载过程流体的流。发射机9将线圈驱动电流k供应给相邻流量管 4的线圈26,所述线圈在过程流体中产生磁场。沿与流体中的磁场垂直的线在流量管4中 安装的电极6、8用于感测由流体流感应的EMF和施加的磁场。发射机9感测电极6、8之间 的EMF，并且控制对感测的EMF加以表示的DC输出电流，所述EMF进而与流体流量成正比。 发射机9将电流I在4-20mA电流回路传输至远程接收站11。发射机9可以使用任意合适 技术通信，并且不局限于4-20mA电流回路。其他的示例通信技术包括根据过程工业标准协 议的那些技术，例如甘露可寻址远程变送器（HART?)、FOUNDATION?、现场总线或任意其他 合适的协议。另外，过程控制回路可以包括无线过程控制回路，其中例如使用根据IEC62591 标准的无线HART?通信协议或其他通信技术或协议无线地通信信息。
[0015] 图2示出了发射机9中的H桥式驱动器电路。磁流量计系统2的H-桥式驱动器 电路10产生对于线圈26的驱动电流込。在H-桥式驱动器10中，电源向晶体管桥式电路 14供电。在桥式电路14中，控制电路28和30将场效应晶体管（FET)16、FET 18、FET20和 FET22的栅极相连以将它们成对导通，以通过线圈26提供交流电。电源12连接FET 16和 18的漏极端子。FET 16的源极端子和FET 20的漏极端子连接至线圈26的一侧。类似地， FET 18的源极和FET 22的漏极连接至线圈26的另一侧。控制电路28和30将输入的高和 低逻辑电平转换为与晶体管16、18、20、22的栅极一致的所需电压偏置电平，用于在导通和 截止状态之间切换。
[0016] 微处理器40根据感测的电流按照所需操作频率产生控制输出a和a'，所述操作频 率典型地是5Hz。输出a和a'分别向电路28和30提供逻辑电平。微处理器40与存储器 44、时钟46、操作者输入/输出（I/O)电路48和回路I/O电路49相连。存储器44包含编 程指令以控制微处理器40的操作。微处理器40按照时钟46确定的速度操作。输入/输 出电路48用于向例如过程控制回路提供输出连接。
[0017] 来自电源12的电流Is通过感测电阻器RSENSE52流至返回路径50。模数转换器 (ADC) 58连接感测电阻器52,并且通过线圈26将对电流加以表示的输出提供给微处理器 40。ADC电路58的输出对流过感测电阻器52的电流Is的幅度加以表示。微处理器40如 上所述监测Is的幅度。
[0018] 图3A和3B是示出了正常操作期间场效应晶体管16-22的条件的简化图。将线圈 26模型化为电感器26A和电阻器26B。在图3A中，场效应晶体管16和22处于导通条件， 而晶体管18和20处于截止条件。这允许电流沿所示的方向从电源12流过线圈26。相反， 在图3B中，场效应晶体管16和22截止，而晶体管18和20处于导通状态。这允许电流从 电源12沿所示方向流动。。
[0019] 磁流量计中的电学部件中的各种类型的故障可以导致不容易检测的误差。例如， 一些类型的故障可以引起在线圈26周围旁路一部分电流，并且流过与线圈26电学并联的 并联电流路径。这种并联电流路径转移流过线圈26的电流的一部分，从而导致了将减小的 磁场施加至过程流体。通过简单地测量流过感测电阻器52的电流不会检测到由这种并联 电流路径引起的故障。可能导致并联电流路径的示例故障包括场效应晶体管16-22电学短 路或者部分短路的一种或多种。并联电流路径的另一个示例是线圈26配线内的电学短路 或者部分短路。类似地，可以接触配线的过程流体引起来自电压12的电流的一部分流过没 有经过线圈26的并联电流路径。
[0020] 图4说明了引起并联电流路径的一种示例故障条件。在图4中，场效应晶体管20 部分地电学短路，并且当"截止"时提供10欧姆的阻抗。这引起了即使处于截止条件电流 的一部分（Iuss)流过场效应晶体管而不是流过线圈26。在图4所示的示例中，如果管路也 是10欧姆，这导致了总电流一半的电流损耗，即250mA。注意：流过感测电阻器52的电流 仍然是来自电源12的总电流，即500mA。
[0021] 典型地，将不会检测到图4中所示类型的故障。然而，通过在时域中监测流过感测 电阻器52的电流、而不是简单地监测静态电流电平，可以获得附加的诊断信息。具体地，当 流过线圈26的电流在图3A和3B中所示的两个电流路径之间切换时，将瞬态信号施加至线 圈26。线圈的电感26A对抗这种变化，并且在到达感测电阻器52的电流中引入了滞后或 时延。这通过图5的曲线中的实线说明。具体地，图5说明了正常操作期间的线圈电流的 曲线（实线）以及当存在140欧姆并联电流路径时的线圈电流的曲线（虚线）。如图5所 示，流过并联电流路径的电流将电感26A旁路，因此不会表现出这种时延。这由图5所示的 虚线说明。因此，通过电阻器20的并联电流路径引起了当在两个电流路径之间切换时，通 过感测电阻器52的电流实质上立即改变。图5所示的线圈电流中的迅速转变（瞬变）是 由在两个电流路径之间转变时、线圈驱动器12施加的电源电压12引起的。在图5的曲线 中，人们可以确定流过并联电流路径的电流的量Iuss等于V/R等于40伏/140欧姆，产生了 286mA的阶跃变化。基于这一示例，人们可以看出即使并联电流路径电阻高到足以只引起线 圈电流中1 %的减小，在感测电阻器52两端上明显的阶跃变化将是29mA，可以容易用检测 电路检测到。
[0022] 感测电阻器52上的初始电流的幅度可以用于估计通过并联电流路径旁路通过线 圈26的电流的量。因此，可以通过确定并联路径中的电流来校正感测电极电压中的误差。 传感器线圈26B和并联电流路径的组合电阻可以在测量波形的DC部分（图5中所示的部 分70)期间测量线圈电压和线圈电流来计算。可以通过测量电流阶跃变化和施加的电压来 计算 Rstot。Rstot = V/I = 40V/286mA = 40 欧姆。一旦找到了 Rlrtal 和 Rshtjrt，可以将 Rrail 计 算如下：

【权利要求】
1. 一种磁流量计，其特征在于包括： 流量管，设置用于接收过程流体的流； 流量管附近的线圈，设置用于响应于交变线圈驱动电流来向过程流体施加磁场； 第一和第二电极，设置用于响应于施加的磁场来感测流量管中的电压电势，所述电压 电势表示通过流量管的过程流体的流量；以及 传感器，耦合至线圈，所述传感器具有与驱动电流相关的传感器输出，以及 诊断电路，当流过线圈的电流更改方向时，所述诊断电路具有根据传感器输出中的瞬 变的诊断输出。
2. 根据权利要求1所述的磁流量计，包括模数转换器，所述模数转换器将线圈电流测 量数字化。
3. 根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述传感器包括感测电阻。
【文档编号】G01F1/58GK204142301SQ201420154529
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】斯科特·罗纳德·福斯, 扎里德·詹姆斯·德里尔 申请人:罗斯蒙特公司