运行磁感应流量计的方法及对应的磁感应流量计与流程

1.本发明涉及一种用于运行磁感应流量计的方法，该流量计具有：用于引导介质的测量管；用于产生垂直于介质流动方向地穿过所述测量管的磁场的磁场产生装置；用于量取（abgreifen）在所述测量管中的介质中通过感应引起的电压作为有噪声的（verrauscht）原始测量信号的电极对，其中利用第一信号路径由信号采集装置（signalaufnahmevorrichtung）从所述电极对高欧姆地采集所述有噪声的原始测量信号，并作为所采集的有噪声的原始测量信号从所述信号采集装置转发到第一信号处理装置并且由所述信号处理装置至少处理为去噪的流量测量信号，以及将所述去噪的流量测量信号经由有用信号接口（nutzsignalschnittstelle）输出。此外，本发明还涉及一种适用于执行上述方法的这种磁感应流量计。


背景技术：

2.上述基于磁感应测量原理的流量计是数十年以来已知的。因此，用于运行如上所述的这种流量计的方法也早已为人所知。所述磁感应测量原理基于以下状况：有力作用在垂直于磁场运动的或具有垂直于所涉及磁场的运动分量的载流子上。为了能够基于该原理来执行流量测量，测量管中引导的介质必须具有一定的导电性。该介质通过测量管的速度越快并且因此也越快地运动通过由所述磁场产生装置产生的磁场，则对应测量管区段的流动介质中的载流子就分离得越强并使得通过电荷分离而引发的电场就越强，所述电场在测量管的电极之间形成并且可以作为电极之间的电压被采集。电极之间的测量电压与流速在如下时间段总是成比例地发展，其中在所述时间段内磁场是恒定的且介质的导电性或介质中的载流子浓度是保持不变的。
3.即使磁感应测量原理的基本相互关系已经完全清楚，在测量技术实践中仍然存在一些障碍，必须消除这些障碍，直至存在一种提供可靠准确的流量信息的流量计。这些障碍之一是：将介质中通过感应引起的电压作为明显有噪声的原始测量信号施加在所述电极对的电极上。所述有噪声的原始测量信号的信噪比非常不利，从而无法直接从有噪声的原始测量数据中提取可靠、稳定的流量信息。这种噪声主要是由于电极上的电化学过程。
4.为了降低由电化学过程引起的噪声，从现有技术中例如已知不断地变换磁场的方向，使得在介质中通过感应引起的电压也变换其方向。为此定期改变磁场产生装置中线圈的通电方向。由于存在电感而无法瞬间变换磁场方向，而是始终存在其中的磁场不恒定的过渡区域，因此必须注意：仅使用那些在磁场恒定的情况下所检测到的原始测量信号来确定流量。通过如上所述切换磁场可以减少特定的电化学效应，尽管如此电极处的原始测量信号却仍然有非常显著的噪声。为了将有噪声的原始测量信号发展成合适的、去噪的流量测量信号，在信号处理装置中对所采集的有噪声的原始测量信号去噪，例如通过对大量采集的有噪声的原始测量信号形成平均值。以这种方式获得的去噪的流量测量信号然后经由有用信号接口被输出，典型地经由4-20ma接口（通常也使用叠加的数字hart协议）被输出。


技术实现要素：

5.本发明基于以下认识：在有噪声的原始测量信号中不仅包含有鉴于通过感应引起的电压方面的信息，即流量信息，而是也包含有迄今为止尚未被利用但尽管如此却对于用户而言可以构成高附加值的信息。然而，利用开头描述的磁感应流量计和用于运行磁感应流量计的方法，对于用户而言无法简单访问这些原始测量数据以用于技术用途。
6.本发明的任务是使得有噪声的原始测量信号在技术上可用并且超出流量信息地评估所述有噪声的原始测量信号。
7.前面推导出并示出的任务在开头示出的用于运行磁感应流量计的方法的情况下和在示出的磁感应流量计的情况下首先和基本上通过以下方式解决：利用第二信号路径采集所述第一信号路径的所采集的有噪声的原始测量信号并且至少间接地传送到所述第一信号处理装置和/或第二信号处理装置，其中所述第一信号处理装置和/或所述第二信号处理装置对所述有噪声的原始测量信号执行频率分析。
8.通过所述第二信号路径以电路技术提取在所述第一信号路径中采集的有噪声的原始测量信号，并因此总的来说创建如下可能性：能够对所述有噪声的原始测量信号执行进一步的处理。为了能够进行进一步的处理，通过所述第二信号路径采集的有噪声的原始测量信号至少间接地被传送到所述第一信号处理装置和/或第二信号处理装置。与使用哪个信号处理装置无关地，总是在那里对有噪声的原始测量信号执行频率分析。
9.根据本发明已经认识到：即使当所述有噪声的原始测量信号以高时间分辨率而存在时，对所述有噪声的原始测量信号的分析在时域中也是相对疑难的。如果对所述有噪声的原始测量信号进行频率分析，则至少可以对周期性和非周期性的干扰信号清楚地区分，并且总的来说可以很好地识别出磁感应流量计的介质中的周期性事件。因此，例如已经查明：磁感应流量计的介质中的压力和温度对有噪声的原始测量信号有影响，并且可以通过对有噪声的原始测量信号进行频率分析来标识出这些影响。
10.所述有噪声的原始测量信号是从所述第二信号路径传送到所述第一信号处理装置还是传送到所述第二信号处理装置例如取决于：所述第一信号处理装置总的来说是否能够采集和处理另外的数据流。
11.在所述方法和所述磁感应流量计的优选设计中规定，所述第一信号路径的信号采集装置利用模拟/数字转换器将所述有噪声的原始测量信号数字化，并将其作为经数字化的所采集的有噪声的原始测量信号转发，并且其中所述第二信号路径采集所述第一信号路径的经数字化的所采集的有噪声的原始测量信号并且传送到所述第一信号处理装置和/或所述第二信号处理装置。
12.在现代磁感应流量计中常见的是，在所述第一信号路径中将（最初当然是）模拟的有噪声的原始测量信号数字化，并且在所述第一信号处理装置中以数字的方式进行进一步处理。在实践中，信号处理装置通常基于微控制器或数字信号处理器。在该方法和该磁感应流量计的所述变型中，对该情况加以利用，以便利用所述第二信号路径数字地采集所述第一信号路径的经数字化的所采集的有噪声的原始测量信号并且然后传送到所述第一信号处理装置和/或所述第二信号处理装置。而利用模拟/数字转换器对在所述第一信号路径中采集的有噪声的原始测量信号进行数字化这一事实却并没有改变数字化的原始测量信号仍然是“有噪声的原始测量信号”这一情况，这是因为对模拟的有噪声的原始测量信号进行
数字采样不会带来噪声的抑制。
13.根据所述方法和所述磁感应流量计的替代变型规定，所述第一信号路径的信号采集装置利用变压器级从电极中高欧姆地量取有噪声的原始测量信号并且低欧姆地转发所述高欧姆地量取的有噪声的原始测量信号。此外，当信号在所述第一信号路径中被数字化时也是这种情况。所述第二信号路径采集所述第一信号路径的低欧姆地转发的所采集的有噪声的原始测量信号，并将其传送到所述第一信号处理装置和/或所述第二信号处理装置。优选地，被传送到所述第一信号处理装置和/或所述第二信号处理装置的所采集的有噪声的原始测量信号在所述第二信号路径中得到数字化，然后将经数字化的所采集的有噪声的原始测量信号传送到所述第一信号处理装置和/或所述第二信号处理装置。
14.测量管中的电极装置连同至少最低导电性的介质一起是非常高欧姆的，从而也必须非常高欧姆地以测量技术量取以电极电压的形式施加在所述电极装置上的有噪声的原始测量信号，以便在尽可能无反作用（r
ü
ckwirkungsfrei）的情况下采集所述有噪声的原始测量信号并且测量信号并非单单由于测量过程而崩溃（zusammenbrechen）。为此而设置的变压器级可以例如基于阻抗转换器通过高欧姆放大器级来实现，例如基于运算放大器等。通过所述变压器级，带有电极对的磁感应流量计的传感器侧实际上与其余信号路径中的数据处理电解耦。变压器级的输出端应该是低欧姆的，并且因此是可电受载的，在任何情况下都比电极装置周围的测量段更加可电受载的。
15.在变压器级的输出端高欧姆量取的有噪声的原始测量信号现在由所述第二信号路径采集并传送到所述第一信号处理装置和/或所述第二信号处理装置，其中优选地，在该路径上所采集的有噪声的原始测量信号的数字化也通过模拟/数字转换器来进行。这种方式的优点在于可以在所述第一信号路径和所述第二信号路径中以完全不同的采样率和数据流而工作，这取决于是如何期望的。例如可以想到，所述第一信号路径中的采样率被选择为明显低于所述第二信号路径中的采样率，因为必须使用明显更高的时间分辨率对经由第二信号路径转发的有噪声的原始测量信号进行评估，以便在所采集的有噪声的原始测量信号的频率分析中可以实现期望的带宽。
16.根据所述方法和所述磁感应流量计的优选设计规定，所采集的有噪声的原始测量信号经由磁感应流量计的不同于有用信号接口的另外的信号接口被传送到磁感应流量计外部的第二信号处理装置。因此，经由第二信号路径采集的有噪声的原始测量信号在这里经由另外的信号接口传送到第二信号处理装置，其中于是所述第二信号处理装置强制性地位于磁感应流量计的外部。于是优选地以与有用信号接口不同的技术来构造所述另外的信号接口，其中经由该有用信号接口输出被去噪的流量测量信号。例如，所述信号接口可以是以太网接口。
17.在所述方法和所述磁感应流量计的另一优选设计中规定，将所采集的有噪声的原始测量信号传输到磁感应流量计内部的第一信号处理装置和/或第二信号处理装置。因此，所述第二信号处理装置在这里位于磁感应流量计中。这与经由所述另外的信号接口将采集的原始测量信号传输到磁感应流量计外部的解决方案并不矛盾。这两种变型也可以同时实现。
18.所述方法和所述磁感应流量计的另一优选设计以此而出众：由所述磁场产生装置产生的磁场被反转，特别是周期性地反转，并且所述第一信号处理装置和/或所述第二信号
处理装置仅采用来自如下时间窗的所传送的有噪声的原始测量信号用于频率分析，在所述时间窗中磁场是恒定的。
19.所述方法和所述磁感应流量计的同样优选的设计的特征在于，由所述第一信号处理装置和/或所述第二信号处理装置使用来自恒定磁场的多个时间窗的所传送的有噪声的原始测量信号来计算出多个频率分析，并且将这些频率分析的与频率相关的结果值平均成：经平均的频率分析，特别是其中对来自至少十个时间窗的频率分析进行平均，优选对来自至少100个时间窗的频率分析进行平均。
20.根据所述方法和所述磁感应流量计的另一设计规定，作为频率分析，基于所采集的有噪声的原始测量信号执行快速傅立叶变换，特别是其中：特别是如果一个时间窗的可用于频率分析的有噪声的原始测量值的数量不对应于二次幂，则将所述有噪声的原始测量信号的数量通过零填充（zero-padding）增加到下一个更高的二次幂。
21.可能仅仅已经结合用于运行磁感应流量计的方法所描述的每个前述特征当然同样具体适用于被设计用于执行所述方法的磁感应流量计。反之，前面可能仅在磁感应流量计的上下文中已述的特征同样应理解为这里描述的用于运行磁感应流量计的方法的特征。
附图说明
22.具体地，存在对根据本发明的用于运行磁感应流量计的方法和对应的根据本发明的磁感应流量计进行设计和扩展的大量可能性。为此，一方面参考从属于独立权利要求的权利要求，另一方面参考以下结合附图对实施例的描述。在附图中：图1示出了用于运行磁感应流量计的方法的第一基本变型和对应的磁感应流量计；图2示出了用于运行磁感应流量计的方法的第二变型以及在第一信号路径中具有数字/模拟转换器的对应磁感应流量计；图3示出了用于运行磁感应流量计的方法的另一变型以及具有用于高欧姆地量取有噪声的原始测量信号的变压器级的对应磁感应流量计；图4示出了用于运行磁感应流量计的方法的另一变型以及具有另外的信号接口的对应磁感应流量计；图5示意性地示出了与通过磁场产生装置的线圈的电流相关的电极之间电压的时间变化过程和由此产生的用于测量的时间窗；以及图6示出了所采集的有噪声的原始测量信号的频率分析以及对多个频率分析的平均。
具体实施方式
23.在图1至4中分别共同地示出了用于运行磁感应流量计2的方法1以及同时还示出了对应的磁感应流量计2。
24.磁感应流量计2具有用于引导介质的测量管3、用于产生垂直于介质流动方向地穿过测量管3的磁场的磁场产生装置4和用于量取在测量管中的介质中感应出的电压作为有噪声的原始测量信号6的电极对5。这种装置通常也称为磁感应流量计2的“传感器”。
25.有噪声的原始测量信号6利用第一信号路径7（参见图1）由信号采集装置8从电极
对5高欧姆地被采集，并且作为所采集的有噪声的原始测量信号9从信号采集装置8被转发到第一信号处理装置10。由信号处理装置10将所采集的有噪声的原始测量信号9至少处理为去噪的流量测量信号11，然后将去噪的流量测量信号11经由有用信号接口12输出。在所示的实施例中，有用信号接口12是具有叠加的hart协议的双导体电流接口，正如在过程工业中经常使用的那样。
26.第一信号路径7在图1中由虚线框包围。磁感应流量计2的这些组成部分通常形成所谓的发射器。在信号处理装置10中，为了对所采集的有噪声的原始测量信号9去噪而对大量的单值（einzelwert）进行平均并处理为可适用的去噪的流量测量信号11。
27.图1至图4所示的用于运行磁感应流量计2的方法和与此对应的n个磁感应流量计2显示出从有噪声的原始测量信号6中在有噪声的原始测量信号6中出乎意料地存在并且实际上与流量的主要测量变量无关的信息提取并使其在技术上可用的各种可能性。所示出的实施例的共同点在于，利用第二信号路径13采集第一信号路径7的所采集的有噪声的原始测量信号9、9'并且至少间接地传送到第一信号处理装置10和/或第二信号处理装置14，其中第一信号处理装置10和/或第二信号处理装置14对有噪声的原始测量信号9、9'执行频率分析15。通过这种措施可以探测到对所述有噪声的原始测量信号产生影响的周期性事件。该措施基于以下出乎意料的认识：在有噪声的原始测量数据6中反映出（niederschlagen）与主要感兴趣的流量测量变量没有明显关联的大量信息。因此例如在频率分析15时可以很好地探测到介质中的周期性压力波动。
28.图2示出了：第一信号路径7的信号采集装置8利用模拟/数字转换器16数字化有噪声的原始测量信号6并作为数字化采集的有噪声的原始测量信号9转发。在这种情况下，第二信号路径13采集第一信号路径7的现在起经数字化的所采集的有噪声的原始测量信号9并将其传送到第二信号处理装置14。在那里对有噪声的原始测量信号9进行频率分析15。该变型是特别有利的，因为只要保持定义的信号电平，就可以在内容上没有损失的情况下对数字数据进行分流（abzweigen）和转发。
29.在图3中应看出，第一信号路径7的信号采集装置8利用变压器级17从电极5中高欧姆地量取有噪声的原始测量信号6（这也已经在图2中实现）并且低欧姆地转发所述高欧姆量取的有噪声的原始测量信号9'。通常，该变压器级17将是能够无反作用地采集灵敏的、有噪声的原始测量信号6的放大器级（缓冲器、阻抗转换器、具有高欧姆输入端和低欧姆输出端的放大器级）。第二信号路径13采集以低欧姆方式转发的第一信号路径的所采集的有噪声的原始测量信号9'，并且在这种情况下将其传送到第二信号处理装置14，在那里执行频率分析15。在所示出的实施例中，被传送到第二信号处理装置14的所采集的有噪声的原始测量信号9'在其到达第二信号处理装置14之前利用模拟/数字转换器18被数字化。这里所示的措施的优点在于，可以在第一信号路径7和第二信号路径13中以不同的采样频率来工作。
30.在图4中示出了方法1和磁感应流量计2的感兴趣的变型。该变型以此而出众：由第二信号路径13采集的有噪声的原始测量信号9经由磁感应流量计2的与有用信号接口12不同的另外的信号接口20传送到第二信号处理装置14。因此，第二信号处理装置14位于磁感应流量计2之外，也如图3所示的，边界在此由两条垂直虚线表示。另外的信号接口20在所示出的实施例中被设计为以太网接口。因此，第二信号处理装置14可以远离所示的磁感应流
量计2地实现。例如在控制中心（leitstelle）、膝上型电脑、手持设备中或在磁感应流量计2的制造商那里或在其中安装了相关磁感应流量计的过程技术设施的安装者那里。
31.与根据图4的实施例不同，在根据图3的实施例中将所采集的有噪声的原始测量信号9'传输到第二信号处理装置14，其中第二信号处理装置14在磁感应流量计2之内实现；在这里也应注意到垂直虚线，所述垂直虚线表示示意性示出的磁感应流量计的物理边界。
32.根据图2至图4的磁感应流量计2以此而出众：第二信号路径13和第二信号路径13中的电路技术元件在电路技术上是独立于第一信号路径7和第一信号路径7的电路技术元件地实现的。当然，其中例外的是：始终需要的如下信号连接，利用该信号连接将第一信号路径7的所采集的有噪声的原始测量信号9、9'传输到第二信号路径13。在这种规定下实现磁感应流量计2的优点在于，第二信号路径13也可以事后安装到具有第一信号路径7的已经存在的磁感应流量计2中。而无关于事后安装可能性地，该解决方案还具有以下优点：第二信号路径13的实现方案不会与第一信号路径7中的电路或电路部分的可能技术认证（例如sil认证）发生冲突。
33.图5示出了在磁场产生装置4中用于向励磁线圈通电的线圈电流i
coil
的变化过程，以及以电极电压u
el
的形式（这里平滑地示出）的原始测量信号6、9的变化过程。因此，电流方向周期性地切换，由此磁场方向和通过感应引起的测量电压的正负符号（vorzeichen）也周期性地改变。从图5中可以看出，电极5处的电压u
el
仅在整个曲线变化过程中的一个区域内是静止的（station
ä
r）。因此，在方法1和磁感应流量计1中注意的是，仅将在静止的时间窗21中传送的有噪声的原始测量信号9、9'用于频率分析15。
34.图6示出了对多个频率分析15进行平均的有利效果。为此，由第一信号处理装置10和/或由第二信号处理装置14使用来自恒定磁场的多个时间窗21的所传送的有噪声的原始测量信号9、9'计算出多个频率分析15。这典型地产生幅谱（amplitudenspektrum），也即，其中关于信号频率绘制信号幅度，作为经过分析的原始测量信号的与频率相关的能量分布的图解；这些是频率分析15的与频率相关的结果值。对频率分析15的与频率相关的结果值进行平均，从而产生经平均的频率分析。在图6a中示出了唯一时间窗的原始测量信号的频率评估15的结果，在图6b中示出了来自十个时间窗21的原始测量信号的经平均的频率分析，并且在图6c中示出了来自120个时间窗21的原始测量信号的经平均的频率分析15。应清楚地看出，经平均的结果具有明显更小的波动范围并且因此更可靠。
35.所示出的实施例中的方法1和磁感应流量计2被设计为，作为频率分析15分别基于所采集的有噪声的原始测量信号9、9'进行快速傅立叶变换，其中：特别是如果一个时间窗21的可用于频率分析15的有噪声的原始测量值的数量不对应于二次幂，则将有噪声的原始测量信号9、9'的数量通过零填充增加到下一个更高的二次幂。
36.附图标记1用于运行磁感应流量计的方法2磁感应流量计3测量管4磁场产生装置5电极对6有噪声的原始测量信号
7第一信号路径8信号采集装置9、9'所采集的有噪声的原始测量信号10信号处理装置11去噪的流量测量信号12有用信号接口13第二信号路径14第二信号处理装置15频率分析16模拟/数字转换器17变压器级18模拟/数字转换器19经数字化的所采集的有噪声的原始测量信号20另外的信号接口21时间窗。