本發(fā)明涉及電磁流量計，更具體地，涉及一種用于對使用中的電磁流量計的電極阻抗進行測量的方法和設(shè)備。例如，該方法和設(shè)備可以用于執(zhí)行流量計電極完整性的現(xiàn)場驗證，或者用于確定導(dǎo)管(例如與流量計耦接的管道)中是否存在或不存在流體。

背景技術(shù)：

在使用中，電磁(em)流量計依賴于至少兩個測量電極來測量導(dǎo)管(例如與流量計耦接的管道)中的流體速度。這些電極通常是與流動的流體接觸的。如果由于例如流量計中的液平面過低或者不存在流體導(dǎo)致該接觸丟失，則流量測量將無法進行。電極的潛在覆蓋，或者較低的流體電導(dǎo)率，也會影響流量計的準(zhǔn)確度。因此，對測量電極的阻抗的測量，進而對電極完整性的驗證，是非常有益的。這些信息是對em流量計的重要診斷和警報來源。

例如，在gb2333161中建立了很好的體系，其中通過注入恒定電流并測量所產(chǎn)生的電壓以計算em流量計的各個電極阻抗，來測量電極之間的電阻。

在每個測量電極上注入電信號會在測量流體上生成電壓，該電壓與該電極的阻抗相關(guān)。感應(yīng)電壓(可能會較小)的振幅可低于作為電磁感應(yīng)的結(jié)果、由流動的流體感生的小振幅流動相關(guān)信號的振幅。該流量感應(yīng)信號用于確定流體的流速，其重要性在于，任何來自用于測量阻抗的信號注入的對流量信號的干擾都會被保持到最小限度。

一種通常用于將干擾最小化的技術(shù)是在進行電極阻抗測量時停止或交替進行流速測量。盡管這樣做會有效果，但是這會降低所產(chǎn)生的流體測量的信噪比，并且間歇式工作意味著重要的流體測量數(shù)據(jù)可能會丟失或無法獲得。

另一種由當(dāng)前的低功率em流量計(例如由蓄電池供電的那些流量計)使用的技術(shù)是，將給定時間段中的em流量計的活動持續(xù)時間最小化。例如，為了降低功耗，通常例如每15秒獲取一個流體測量讀數(shù)。將給定時間段中的流體測量持續(xù)時間最小化有益于降低平均功耗，并且如果流量計是蓄電池供電的，則還可延長蓄電池的壽命。但是，如上面描述的交替進行流速測量和電極阻抗測量會導(dǎo)致總體測量周期的延長，從而增加流量計的功耗，并且如果流量計是蓄電池供電的，則還會減少需要更換或充電蓄電池之前的總體可運行時間。

因此，需要改善對使用中的電磁流量計進行現(xiàn)場電極阻抗測量的效率。

還需要使得阻抗測量能夠以一種不會對期望的流量信號帶來顯著干擾或惡化的方式進行，并且更一般地，以一種不會對所測量的流速帶來明顯的測量誤差的方式進行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種獲取電磁流量計的一個或多個感測電極的電阻抗的測量的方法，該方法包括：間隔性地向至少一個感測電極注入阻抗測量信號，同時向流量計的場生成線圈施加線圈勵磁驅(qū)動信號；在第一間隔，當(dāng)線圈勵磁驅(qū)動信號被施加到線圈并且阻抗測量信號被注入到至少一個感測電極時，從感測電極獲取第一測量信號，第一測量信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號和電極阻抗測量信號；在第二間隔，當(dāng)線圈勵磁驅(qū)動信號被施加到線圈但是阻抗測量信號未被注入到至少一個感測電極時，從感測電極獲取第二測量信號，第二測量信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號；將第一測量信號與第二測量信號組合以獲得輸出信號，該輸出信號包括電極阻抗測量信號，并且其中不存在電磁感應(yīng)流量測量信號。

因此，本發(fā)明使用了“消除”的形式來從第一間隔測量信號中去除不需要的場線圈勵磁感應(yīng)分量，從而只留下需要的電極阻抗信號。

以這種方式，可以獲得電極阻抗的現(xiàn)場測量，并且同步地對感測電極施加交變電磁場用于流量測量目的。憑借阻抗測與插入電極阻抗測量交錯，從而避免上述的與交替測量相關(guān)聯(lián)的缺點，并提高效率。

在某些實施例中，線圈勵磁驅(qū)動信號具有循環(huán)的波形，間隔性阻抗測量信號不是在線圈勵磁驅(qū)動信號的每一個循環(huán)都被注入。

線圈勵磁驅(qū)動信號可具有周期性變化的波形，該波形具有驅(qū)動時期。

在某些實施例中，線圈勵磁驅(qū)動信號的周期性變化的波形可具有對稱交變的半周期。

組合步驟可包括使用延遲線，該延遲線具有延遲時期。

例如，延遲線可由梳狀濾波器執(zhí)行，梳狀濾波器具有延遲時期。本文對于梳狀濾波器以及類似裝置的引用應(yīng)當(dāng)被廣泛性地解釋，以涵蓋任何適當(dāng)?shù)难b置，在這些裝置中，將信號與其自身的延遲形式組合(例如，使用減法器或加法器)，從而在頻域中生成一個或多個“凹口”，在這些“凹口”處相對應(yīng)的頻率分量將會從信號中排除。

為了排斥流量測量信號并允許電極阻抗測量信號通過，梳狀濾波器延遲時期可以是電極激勵驅(qū)動波形的全周期的整數(shù)倍，或者是電極激勵驅(qū)動波形的半周期的整數(shù)倍。

更具體地，利用這些實施例(其中的勵磁驅(qū)動信號具有周期性變化的波形)，延遲時期可以是線圈勵磁驅(qū)動信號的驅(qū)動時期的周期的整數(shù)倍。

替代性地，利用這些實施例(其中的勵磁驅(qū)動信號的周期性變化的波形具有對稱交變的半周期)，延遲時期間可以是線圈勵磁驅(qū)動信號的驅(qū)動時期的半周期的整數(shù)倍。

線圈勵磁驅(qū)動信號的形式可以從包括以下的群組中選擇：方波、脈沖形式、非50:50脈沖形式、正弦波、三角波、鋸齒波。

阻抗測量信號注入至少一個感測電極的方式可以是從包括以下的群組中選擇的：恒定電流、來自電阻源的恒定電壓、來自電容源的電壓注入。

優(yōu)選地，阻抗測量信號的注入與線圈勵磁驅(qū)動信號是同步的。

優(yōu)選地，阻抗測量信號包括短時的脈沖，所述脈沖的發(fā)生時間被控制為恰好在線圈勵磁驅(qū)動信號的極性反轉(zhuǎn)之后。以這種方式，通過使用恰好在勵磁驅(qū)動波形的極性反轉(zhuǎn)之后的正常的“廢棄”時期(在此期間，流量測量數(shù)值是不穩(wěn)定的和不準(zhǔn)確的)，可將阻抗測量信號疊加到與流量測量信號相同的時間范圍中，并且在阻抗測量信號與流量測量信號的“穩(wěn)定”部分之間不存在任何干擾的風(fēng)險。

例如，阻抗測量信號(例如，短脈沖)的發(fā)生時間可被控制為僅在線圈勵磁驅(qū)動信號的半周期的前75％之中。

特別是，在某些實施例中，阻抗測量信號的發(fā)生時間可被控制為僅在線圈勵磁驅(qū)動信號的半周期的前50％之中。

在替代性實施例中，阻抗測量信號的發(fā)生時間可被控制為僅在線圈勵磁驅(qū)動信號的半周期的前25％之中。

更一般來說，對于一對感測電極，阻抗測量信號優(yōu)選地是以交錯方式注入的，從而使得該對電極中的一個電極是在該對電極中的另一個電極之后接收到阻抗測量信號。這使得該對電極中的每個電極的阻抗能夠被分別獲得。

上面提到的第一間隔和第二間隔在時間上可以是相鄰的，使得一個緊跟隨另一個。

替代性地，第一間隔和第二間隔在時間上可以是隔開的。即，在第一間隔的結(jié)束與第二間隔的開始之可間存在一段時間。優(yōu)選地，這段時間是場線圈驅(qū)動半周期的整數(shù)倍。

該方法還可包括，對輸出信號的電極阻抗測量信號進行解調(diào)，以獲得至少一個感測電極的電阻抗的測量。

該方法還可包括，將電極阻抗的測量與至少一個閾值進行比較，并根據(jù)比較的結(jié)果將至少一個疑似故障狀態(tài)信號化。例如，如果阻抗的測量高于所述閾值，則可將該疑似故障狀態(tài)信號化。例如，電極阻抗可以用于檢測無流體導(dǎo)管或者部分填充導(dǎo)管(例如，管道)。

在某些實施例中，電極阻抗的測量可以是針對多個感測電極獲得的，這些感測電極位于導(dǎo)管的橫截面周圍，并位于橫截面的低點與橫截面的高點之間的位置處，從而通過每個感測電極的電極阻抗確定導(dǎo)管的填充水平。

更一般來說，該方法還可包括，與將第一測量信號與第二測量信號組合以獲得包括電極阻抗測量信號、并且不存在電磁感應(yīng)流量測量信號的輸出信號的步驟并行地進行如下步驟：對第一和/或第二測量信號進行處理以獲得第二輸出信號，該第二輸出信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號，并且不存在電極阻抗測量信號。在某些實施例中，這可以通過例如對第一測量信號進行梳狀濾波器操作來完成。例如，在一些實施例中，線圈勵磁驅(qū)動信號的周期性變化的波形具有對稱交變半周期，所述梳狀濾波操作可使用對應(yīng)于線圈勵磁驅(qū)動信號的半周期的延遲時期。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種配置為執(zhí)行如本發(fā)明的第一方面所述的方法的感測設(shè)備。

因此，提供該感測設(shè)備是用于獲取電磁流量計的一個或多個感測電極的電阻抗的測量，該感測設(shè)備包括：一個或多個信號發(fā)生器，其配置為間隔性地向至少一個感測電極注入阻抗測量信號，同時向流量計的場生成線圈施加線圈勵磁驅(qū)動信號；獲取工具，用于在第一間隔，當(dāng)線圈勵磁驅(qū)動信號被施加到線圈并且阻抗測量信號被注入到至少一個感測電極時，從感測電極獲取第一測量信號，第一測量信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號和電極阻抗測量信號；獲取工具，用于在第二間隔，當(dāng)線圈勵磁驅(qū)動信號被施加到線圈但是阻抗測量信號未被注入到至少一個感測電極時，從感測電極獲取第二測量信號，第二測量信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號；以及組合工具，用于將第一測量信號與第二測量信號組合以獲得輸出信號，該輸出信號包括電極阻抗測量信號，并且其中不存在電磁感應(yīng)流量測量信號。

這種感測設(shè)備可以被并入到電磁流量計中，或者也可以作為用于連接到已存在的電磁流量計的單獨的單元或模塊而提供。

因此，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種電磁流量計，其包括：場生成線圈、用于為所述線圈提供線圈勵磁驅(qū)動信號的勵磁電流發(fā)生器、一對或多對感測電極、以及如本發(fā)明的第二方面所述的感測設(shè)備。

勵磁電流發(fā)生器可配置成為所述線圈提供線圈勵磁驅(qū)動信號，該線圈勵磁驅(qū)動信號的形式是從包括以下的群組中選擇的：方波、脈沖形式、非50:50脈沖形式、正弦波、三角波、鋸齒波。

該電磁流量計還可包括用于在檢測到代表空導(dǎo)管(例如，管道)的阻抗時生成代表零流量的輸出的工具。

替代性地，或者額外地，該電磁流量計還可包括用于生成代表被測量其流量的導(dǎo)管(例如，管道)空或部分空的輸出的工具。

在大量間隔中的來自感測電極的輸出包括電磁感應(yīng)流量測量信號(存在于上面所述的第一和第二間隔中，并且可能是連續(xù)性地)，以及處于離散時間點上(例如，在第一間隔中)的間隔性電極阻抗測量信號，本文中可將該輸出稱為“復(fù)合信號”。

因此，根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種獲取電磁流量計的一個或多個感測電極的電阻抗的測量的方法，該方法包括：向至少一個感測電極注入間隔性阻抗測量脈沖，同時對感測電極施加周期性變化的電磁場，從而使得感測電極產(chǎn)生復(fù)合信號，該復(fù)合信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號和電極阻抗測量信號；以及對復(fù)合信號進行濾波器操作，其中將復(fù)合信號與其自身的延遲部分組合，延遲時期用于從復(fù)合信號中消除電磁感應(yīng)流量測量信號，從而能夠提取電極阻抗測量信號，并用于獲得電極阻抗的測量。

并行地，可以同樣對復(fù)合信號進行過濾，從而去除電極阻抗測量信號，并獲取電磁感應(yīng)流量測量信號。

同樣，根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種用于獲取電磁流量計的一個或多個感測電極的電阻抗的測量的感測設(shè)備，該感測設(shè)備置包括：一個或多個信號發(fā)生器，其配置為向至少一個感測電極間隔性地注入阻抗測量脈沖，同時對感測電極施加周期性變化的電磁場，從而使得感測電極產(chǎn)生一個復(fù)合信號，該復(fù)合信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號和電極阻抗測量信號；以及濾波器電路，其配置為將復(fù)合信號與其它自身的延遲部分組合，延遲時期用于從復(fù)合信號中消除電磁感應(yīng)流量測量信號，從而能夠提取電極阻抗測量信號，并用于獲得電極阻抗的測量。

一種電磁流量計，其可包括：一對或多對感測電極、以及如本發(fā)明的第五方面所述的感測設(shè)備。

附圖說明

僅以示例的方式，現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明的實施例進行描述，在附圖中：

圖1是em流量計的示意圖，該em流量計并入了用于測量電極阻抗的工具，其可操作為產(chǎn)生包括em流量信號和電極阻抗測量信號的復(fù)合信號；

圖2是示出第一信號處理配置的框圖，該第一信號處理配置用于利用“流量信號通過”梳狀濾波器裝置從復(fù)合輸入信號中提取em流量信號；

圖3示出了第一信號處理配置從復(fù)合輸入信號中提取em流量信號的操作；

圖4是示出第二信號處理配置的框圖，該第二信號處理配置用于利用第一“流量信號排斥”梳狀濾波器裝置來排斥em流量信號，從而從復(fù)合輸入信號中提取電極阻抗測量信號；

圖5示出了第二信號處理配置的操作，其中展示了em流量信號的排斥，并且其中沒有電極阻抗注入；

圖6示出了使用第二信號處理配置的、在存在大em流量信號的情況下的電極阻抗測量信號的恢復(fù)；

圖7是示出第三信號處理配置的框圖，該第三信號處理配置用于利用第二“流量信號排斥”梳狀濾波器裝置來排斥em流量信號，從而從復(fù)合信號中提取電極阻抗測量信號；

圖8示出了第三信號處理配置的操作，其中展示了em流量信號的排斥；

圖9示出了管道的橫截面，該管道具有多對傳感器電極，這些電極對位于橫截面周圍的垂直位置的范圍上，以通過每對電極的電極阻抗來確定管道的填充水平；以及

圖10是流量計電路的示意圖，該流量計電路包括阻抗測量信號發(fā)生器(例如，如圖1中所示)和關(guān)聯(lián)的濾波器電路(例如，如圖2、圖4、和圖7中所示)。

在附圖中，相同的元件自始至終由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示。

具體實施方式

本文的實施例描繪了申請人已知的實踐本發(fā)明的最佳方式。但是，它們不是實現(xiàn)該目標(biāo)的僅有方式。

概述

本文的實施例提供了一種用于獲取電磁流量計的一個或多個感測電極的電阻抗的測量的方法和設(shè)備。這是通過在向流量計的場生成線圈施加勵磁驅(qū)動信號的同時間隔性地向至少一個感測電極注入阻抗測量信號來實現(xiàn)的。在第一間隔中，當(dāng)向線圈施加勵磁驅(qū)動信號并且將阻抗測量信號注入到至少一個感測電極時，從感測電極獲得第一測量信號，第一測量信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號和電極阻抗測量信號。在第二間隔中，當(dāng)向線圈施加勵磁驅(qū)動信號但是未將阻抗測量信號注入到至少一個感測電極時，從感測電極獲得第二測量信號，第二測量信號包括電磁感應(yīng)流量測量信號。隨后，將第一測量信號與第二測量信號組合(例如，進行減法運算，例如使用梳狀濾波器)以獲得輸出信號，該輸出信號包括電極阻抗測量信號，并且不包括電磁感應(yīng)流量測量信號。

在典型的流量計使用中，發(fā)生很多第一和第二間隔。

如上面描述，在許多間隔中的感測電極的輸出，包括電磁感應(yīng)流量測量信號(存在于第一和第二間隔，并且可能是連續(xù)地存在)，以及離散時間處(例如，在第一間隔中)的間隔性電極阻抗測量信號，在此可將該輸出稱為“復(fù)合信號”。

在當(dāng)前的優(yōu)選實施例中，通過使用勵磁線圈電流的每次極性反轉(zhuǎn)之后的正?！皬U棄”時期(在該時期是不能進行流量測量的，因為通過勵磁線圈的電感的線圈電流、以及em流量計中的關(guān)聯(lián)的渦電流還沒有穩(wěn)定)，在沒有干擾的情況下，在相同的時間范圍內(nèi)(在第一間隔中)，em流量測量信號和電極阻抗測量信號在復(fù)合信號中疊加。即，電極阻抗測量信號的生成時間被控制為與上述的流量測量線圈的勵磁周期的正?！皬U棄”部分一致。

如下面更詳細的討論，相比于流量測量線圈的勵磁頻率，阻抗測量信號通常處于更高的頻率，從而使得阻抗測量信號能夠被容納到線圈勵磁周期的該正?！皬U棄”部分中。

使用該方法和設(shè)備，通過并行地從復(fù)合信號中提取電磁感應(yīng)流量測量信號和電極阻抗測量信號，可獲得流速和電極阻抗的同步測量。這種同步測量降低了流量計的總體功耗，對于蓄電池供電的流量計，這可延長蓄電池的壽命(或再充電周期)。

該方法和設(shè)備可用于為em流量計提供“空管檢測器”，它可用于確保流速輸出是受控制的，通常在空的或部分填充的管道狀態(tài)下控制為零流量。

信號生成和處理原理

利用em流量計，設(shè)計者能夠?qū)鞲衅骶€圈的磁勵磁頻率和電極阻抗測量波形/頻率兩者進行控制。由于線圈電感和流量計傳感器磁電路中生成的渦電流，磁勵磁頻率是受限制的。取決于em傳感器的材料和設(shè)計，這種渦電流抵抗所施加的磁場并緩慢地衰退。因此，em驅(qū)動經(jīng)常會被限制于例如30hz，或者對于大直徑em傳感器可能限制于5hz。

存在于測量電極與流體之間的電化學(xué)界面實際上是復(fù)雜的，由于表面電荷，它具有顯著的電容分量。流體與電極中的過量的電荷形成了所謂的雙層。所施加的任何阻抗測量對這些表面電荷的擾亂會導(dǎo)致測量電極上的不需要的殘留電壓，這很容易會干擾流速測量的準(zhǔn)確度。出于這些原因，所施加的阻抗測量驅(qū)動被保持得非常低，因此產(chǎn)生非常小的(例如，幾nv)阻抗信號。

根據(jù)當(dāng)前的優(yōu)選實施例，在線圈勵磁周期中，當(dāng)較低頻率的線圈電流發(fā)生變化或者它的極性反轉(zhuǎn)時的時間點上，或者緊隨其后，向測量電極施加高頻率電極驅(qū)動信號。由于上述的em傳感器的磁場的不穩(wěn)定性，該時期不能用于進行流速確定。但是，在存在相對較大振幅的電磁流量信號時解析較小的電極阻抗測量信號是困難的。例如，多數(shù)物理傳感器還具有不需要的變壓器作用，這種變化的h磁場會產(chǎn)生對應(yīng)于變化的磁場的導(dǎo)數(shù)的信號。這進一步混合了解析任何這種小電極阻抗測量信號的能力。

因此，在當(dāng)前的優(yōu)選實施例中，使用了一種刪除技術(shù)，從而電極阻抗驅(qū)動信號不會被施加到每個線圈勵磁周期上。這使得當(dāng)施加電極阻抗驅(qū)動信號時在一個周期中獲得的感測到的電極信號能夠被存儲，并且從當(dāng)未施加電極阻抗驅(qū)動信號時在一個周期中獲得的感測到的電極信號中減去(或者以其它方式與其進行對比)。在電阻抗驅(qū)動信號施加的過程中的線圈勵磁周期可被視為上述的第一間隔，而在電阻抗驅(qū)動信號未被施加的過程中的線圈勵磁周期可被視為第二間隔。由于線圈驅(qū)動信號和關(guān)聯(lián)的電極電壓是確定的且可重復(fù)的，將存儲的波形從當(dāng)未施加電阻抗驅(qū)動信號時獲得的波形中減去(或其它對比)，會去除由電磁流量信號導(dǎo)致的不需要的信號腐化，從而能夠?qū)﹄姌O阻抗測量信號進行簡單和精確的恢復(fù)。

盡管在該示例中，所存儲的感測到的電極信號是線圈勵磁周期中施加了電阻抗驅(qū)動信號時獲得的電極信號，并且將該存儲的信號從當(dāng)未施加電阻抗驅(qū)動信號時獲得的感測到的電極信號中減去，但是，替代性的配置也是可行的。

例如，在一個替代性的實施例中，所存儲的感測到的電極信號可以是線圈勵磁周期中未施加電阻抗驅(qū)動信號時獲得的電極信號，并且可將該存儲的信號從施加電阻抗驅(qū)動信號時獲得的感測到的電極信號中減去。

在上面兩個段落中給出的示例中，將存儲的信號從未存儲的信號中減去。但是，在上面兩個段落中描述的示例的變型中，可將未存儲的信號從存儲的信號中減去，從而得到本質(zhì)上相同的結(jié)果(只是符號不同)，這對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員是可以理解的。

在當(dāng)前的優(yōu)選實施例中，所存儲的感測到的電極信號是通過延遲線的方式存儲的。更具體地，在當(dāng)前的優(yōu)選實施例中，延遲線是通過梳狀濾波器的方式實施的，所述梳狀濾波器配置為移除電磁流量信號并輸出不包含來自該流量信號的腐化的阻抗測量信號。這種梳狀濾波器也可具有不同的配置，如下面更詳細的討論。

由于電極阻抗測量是次級測量，即，不是主要的流量測量，因此只實施例如每秒一次到每15秒一次的阻抗測量周期可能會是有益的。例如，對于蓄電池供電的流量計，每15秒一次的讀數(shù)頻率通常將會包含所有兩個測量電極每15秒的阻抗測量。當(dāng)較高的能量源可用時，例如太陽能，則更典型的將會是每2秒一次的阻抗測量，這對應(yīng)于例如每10次線圈驅(qū)動周期。

對于例如12.5hz的線圈驅(qū)動勵磁頻率，如果第一間隔和第二間隔在時間上是相互緊鄰的，則從第一間隔開始到第二間隔開始之間的時間間隔可能只有80ms(例如，對于下面討論的圖4中的配置)或者40ms(例如，對于下面討論的圖7中的配置)。替代性地，第一間隔的結(jié)束與第二間隔的開始之間可能存在一段時間。

延遲線可存儲延遲的輸入信號，直到延遲線的值——例如，對于圖4中的配置該值為k，或者對于圖7中的配置該值為m。

流量計配置和操作

參照圖1，絕緣管道1包括流動的流體，并且在其周圍放置了一對串聯(lián)連接的線圈3。連接到兩個線圈3的周期性方波恒定電流發(fā)生器4生成跨越管道1的交變磁場h。磁場的方向隨著每次電流發(fā)生器4的勵磁極性的變化而反轉(zhuǎn)。流體穿過磁場的移動在感測電極2a與2b之間生成了電壓，該電壓的極性也隨著線圈勵磁信號的極性的變化而變化。具有輸出6的差分放大器5包含方波分量，它的振幅對應(yīng)于管道1中的流體流速。

圖1還包括兩個恒定電流發(fā)生器7和8，它們配置為向感測電極2a和2b中的每一個注入小電流。由此形成電壓，該電壓被放大器5放大。因此，復(fù)合輸出信號6是由磁場h中的流速和每個電極2a與2b的電阻抗產(chǎn)生的信號的疊加。發(fā)生器7和8的定時優(yōu)選針對每個待確定的電極阻抗而交錯進行。即，發(fā)生器7生成并發(fā)送至電極2b的電阻抗測量信號與發(fā)生器8生成并發(fā)送至電極2a的電極阻抗測量信號會在不同的時間發(fā)送。這使得每個電極的阻抗能夠被獨立地測量。

在一些流量計中，存在額外的“接地”或流體觸點電極9，它是勵磁發(fā)生器7和8的返回路徑。如果不存在該電極，則通常會在流量計輪緣上提供接地環(huán)，或者將流量計接到上游/下游管道上來實現(xiàn)接地。

在替代性實施例中，可以將恒定電流發(fā)生器7&8替換為具有已知源電阻的電壓發(fā)生器，或者具有已知源阻抗的耦合電容器的電壓發(fā)生器。

在其它替代性實施例中，可以將恒定電流發(fā)生器7&8替換為交變電流注入工具，從而創(chuàng)建限定的注入信號，由此可通過所施加的信號確定電極電路的阻抗。

隨后，可以并行方式對復(fù)合輸出信號6進行過濾，從而同時提取em感應(yīng)流量信號和電極阻抗測量信號?，F(xiàn)在將會描述用于并行過濾裝置(例如，如圖10中的82和83所標(biāo)識的，將會在下面對其進行更詳細的描述)的一些適合的濾波器的配置和操作。

用于提取em感應(yīng)流量信號的濾波器

圖2示出了用于從復(fù)合輸入信號11(復(fù)合輸入信號11對應(yīng)于圖1的復(fù)合輸出信號6)中提取em感應(yīng)流量信號的第一信號處理配置。這涉及以“流量信號通過”方式運行的梳狀濾波器裝置10的使用，其中梳狀濾波器輸出等于輸入信號減去輸入信號的延遲版本，其數(shù)學(xué)定義如下面的等式：

i.y(n)＝x(n)–x(n-l)

其中:

ii.y(n)＝輸出

iii.x(n)＝輸入

iv.l＝延遲

梳狀濾波器延遲值l(圖2中的12)被設(shè)置為線圈驅(qū)動半周期，如下面的等式所給出：

i.l＝1/(2xem線圈勵磁頻率)

減法器13執(zhí)行梳狀濾波器操作，從而生成輸出14。

圖3示出的是，使用圖2的信號處理裝置從復(fù)合輸入信號20中提取em流量信號21(圖3中的復(fù)合輸入信號20對應(yīng)于圖2中的信號11，圖3中的提取出的em流量信號21對應(yīng)于圖2中的輸出信號14)。

盡管圖2和圖3示出了一種用于從復(fù)合信號中提取em感應(yīng)流量信號的可能的技術(shù)，但是也可使用其它適合的技術(shù)替代。

隨后，使用電磁流量計領(lǐng)域中的技術(shù)人員眾所周知的技術(shù)，可對從復(fù)合信號中提取的em感應(yīng)流量信號進行解調(diào)以獲得流體流速的測量。如下面討論，這可以與一個或多個感測電極的電極阻抗的測量的獲取(通過從同一復(fù)合信號中提取電極阻抗測量信號)并行進行。

用于提取電極阻抗測量信號的濾波器

當(dāng)前的工作考慮的是兩個替代性的用于從復(fù)合輸入信號中提取電極阻抗測量信號的信號處理配置。在這兩種替代性配置中的每一種配置中，梳狀濾波器都是以“流量信號排斥”的方式運行的，從而能夠提取電極阻抗測量信號。二者中的任何一種配置都可與上面描述的“流量信號通過”濾波器并行設(shè)置。

用于提取電極阻抗測量信號的濾波器的第一替代性方案

圖4示出了“流量信號排斥”信號處理配置的第一替代性方案，其中梳狀濾波器裝置30用于從復(fù)合輸入信號32中提取電極阻抗測量信號(復(fù)合輸入信號32對應(yīng)于圖1的復(fù)合輸出信號6)。這里，梳狀濾波器是由下面的等式限定的：

i.y(n)＝x(n)–x(n-k)

其中：

ii.y(n)＝輸出

iii.x(n)＝輸入

iv.k＝延遲

這會排斥由重復(fù)的電磁流量信號生成的em流量相關(guān)信號，從而提取電極阻抗測量信號。對于梳狀濾波器延遲33，延遲值k被設(shè)置為線圈驅(qū)動周期的整數(shù)倍，從而：

i.k＝nx(1/em線圈勵磁頻率)

其中n＝整數(shù)。

當(dāng)減法器34從輸入信號中減去延遲版本的輸入信號時，產(chǎn)生的輸出35去除了電磁(em)感應(yīng)信號。該去除的em感應(yīng)信號將會由下面的所有組成部分構(gòu)成：諸如對應(yīng)于管道1中的流速的感應(yīng)電磁流量信號；由于線圈3中的電流變化導(dǎo)致的與導(dǎo)數(shù)項相關(guān)聯(lián)的變壓器效應(yīng)；與線圈電流3和存在于傳感器磁電路中的渦電流的變化相關(guān)聯(lián)的緩慢上升時間電感效應(yīng)。為了進行該消除工作，假定流速是恒定的。對于流速不穩(wěn)定或快速變化的情形，這種消除可能會是不完美的。

圖5示出了圖4的濾波器裝置的操作，其中沒有應(yīng)用任何阻抗測量信號。因此，梳狀濾波器30的輸出信號41展示的是來自輸入信號40的電磁流量信號(對于穩(wěn)定狀態(tài)的流速)的完全排斥。在線圈勵磁的開始過程中，梳狀濾波器30的延遲線33不會被必需的歷史信息占據(jù)，因此區(qū)域42中的初始消除是無效的，但是從這里開始，電磁流量信號的去除，以及任何阻抗測量信號的缺少，都會導(dǎo)致空的輸出信號41。

電極阻抗測量信號及其提取的定時

在一個實施例中，電極阻抗信號發(fā)生器7和8被配置為提供短暫的較高頻率方波爆炸形式的電極阻抗測量信號。此外，發(fā)生器7和8是受控制的，從而控制生成電極阻抗測量信號的時間，使其恰好處于線圈勵磁極性變化或反轉(zhuǎn)之后——因而與如上面描述的流量測量線圈的勵磁周期的其它“廢棄”部分一致。

例如，可將阻抗測量注入的時間控制為使其只發(fā)生在電極激勵驅(qū)動波形的半周期的前75％以內(nèi)。特別是，可將阻抗測量注入的時間控制為使其只發(fā)生在電極激勵驅(qū)動波形的半周期的前50％以內(nèi)(或者替代性地，使其只發(fā)生在電極激勵驅(qū)動波形的半周期的前70％、或65％、或60％、或55％以內(nèi))。在替代性實施例中，可將阻抗測量脈沖的時間控制為使其只發(fā)生在電極激勵驅(qū)動波形的半周期的前25％以內(nèi)(或者替代性地，使其只發(fā)生在電極激勵驅(qū)動波形的半周期的前45％、或40％、或35％、或30％以內(nèi))。

為了圖6中的示出性目的，電極2a上的阻抗是電極2b上的一半。供給到梳狀濾波器30的輸入信號50(對應(yīng)于圖1的復(fù)合輸出信號6，以及圖4的輸入信號32)示出了em流量信號與兩個電極勵磁信號的結(jié)果的疊加，疊加的信號52來自電極2b處的阻抗(發(fā)生器7產(chǎn)生)，疊加的信號53來自電極ab處的阻抗(發(fā)生器8產(chǎn)生)。從圖6可以理解，測量原始復(fù)合信號50中的信號52和53的振幅，來確定電極2a和2b的電阻抗，按照慣例會是非常困難的。對信號50的諸如高通或帶通濾波技術(shù)是眾所周知的，但是在存在這種腐化的em感應(yīng)信號的情況下不是非常有效。

但是，上述的“流量信號排斥”信號處理配置，如圖4所示，提供了用于排斥em流量信號，并且使得電極阻抗測量信號能夠被提取的有效的工具。這在圖6中得以示出，其中信號51是來自梳狀濾波器30的輸出信號(梳狀濾波器30已經(jīng)對輸入信號50進行了過濾)?？梢钥吹剑瑏碜噪姌O2b的阻抗測量信號在時間54處出現(xiàn)了兩次，并且在55處反轉(zhuǎn)，這是這種梳狀濾波器處理的本質(zhì)。類似地，來自電極2a的阻抗測量信號在時間56處出現(xiàn)了兩次，并且在57處反轉(zhuǎn)。還可以觀察到，這些電極阻抗測量信號具有發(fā)生器7&8生成的短高頻率方波爆發(fā)激勵的精確形狀，不需要的em感應(yīng)分量已經(jīng)被完全去除。隨后可以容易地確定這些恢復(fù)的信號54&55、56&57的振幅，以分別對電極2b和2a的電極阻抗給予準(zhǔn)確的確定。用于對這些短暫的電極阻抗方波爆炸進行解調(diào)以確定其振幅的適當(dāng)技術(shù)對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員是明確的和眾所周知的，因此本文不需要詳細描述。

為了em流量信號排斥梳狀濾波器30的操作，電極阻抗信號發(fā)生器7和/或8產(chǎn)生的脈沖應(yīng)當(dāng)是間隔性的，并且同時不應(yīng)在每個周期上發(fā)生——否則em流量信號排斥梳狀濾波器30將會同樣去除來自復(fù)合信號的阻抗信號測量信號。

在另一實施例中，可對電極阻抗信號發(fā)生器7和/或8的時機進行交錯和移動，以使其在em流量信號勵磁周期4中的不同時間點上發(fā)生。

用于提取電極阻抗測量的濾波器的第二替代性方案

圖7示出了圖4的信號處理配置的一個變型，仍然是“流量信號排斥”配置。對于圖7的替代性方案，em流量信號被梳狀濾波器裝置60排斥，從而能夠從復(fù)合信號中提取電極阻抗測量信號。對于圖7的替代性方案，假定線圈勵磁在來自發(fā)生器4的em驅(qū)動的正半周期和負半周期之間是對稱的，這使得能夠消除來自上一個半周期的em流量信號(而不是如圖4的替代性方案那樣使用完整周期)。于是，圖7示出了基于該半周期處理的實施例。這使用了前饋梳狀濾波器的變型，其中使用了加法器64，如下面的等式所定義：

i.y(n)＝x(n)+x(n-m)

其中:

ii.y(n)＝輸出

iii.x(n)＝輸入

iv.m＝延遲

在該第二替代性方案中，梳狀濾波器60具有延遲63，用于通過加法器64對線圈驅(qū)動勵磁發(fā)生器4產(chǎn)生的上一個半周期進行求和來排斥來自重復(fù)的電磁流量信號的不需要的em流量干擾。對于梳狀濾波器延遲63，延遲值m被設(shè)置為線圈驅(qū)動半周期的整數(shù)倍，從而使得：

i.m＝m×1/(2×em線圈勵磁頻率)

其中m＝整數(shù)。

圖8中示出了該第二替代性方案的操作。這里，供給到梳狀濾波器60的輸入信號70(對應(yīng)于圖1的復(fù)合輸出信號6，以及圖7的輸入信號62)包括由于發(fā)生器7&8的運行而產(chǎn)生的電極阻抗測量信號(疊加的，如72&73處所示)。梳狀濾波器60產(chǎn)生輸出信號71，在75&76處、以及77&78處示出了相對應(yīng)的恢復(fù)的電極阻抗測量信號。脈沖的重復(fù)(如75&76處、以及77&78處所示)是這種梳狀濾波器裝置的預(yù)期功能。如上面針對第一替代性方案所述，這些電極阻抗測量信號的振幅的恢復(fù)是明確的，使得能夠分別確定電極2b和2a的電極的阻抗。

管道內(nèi)含物深度的確定

通過上面替代性方案中的任何一個方案獲得的電阻抗測量都可用于確定空管道狀態(tài)或者部分填充管道狀態(tài)。在這點上，如圖9所示，可在管道1的橫截面周圍、在橫截面的低點與橫截面的高點之間的垂直位置的范圍中添加更多對感測電極，并使用本文的原理來測量每個電極對上(即，橫截面中的每個垂直位置上)的流體阻抗，并因此計算所測量的管道的填充水平。在圖9中展示的示例中，提供了五對感測電極，其中電極對2a.1&2b.1位于橫截面的低點處，電極對2a.2&2b.2位于大約四分之一高度處，電極對2a.3&2b.3位于二分之一高度處，電極對2a.4&2b.4位于大約四分之三高度處，電極對2a.5&2b.5位于橫截面的高點處。為了簡明，該示圖中省略了“接地”電極(圖1的9)，但是可以包含“接地”電極。

每個電極對之間存在或者不存在流體79，是由每個電極對提供的各個阻抗測量來反映的。在所示的示例中，電極對2a.1&2b.1和電極對2a.2&2b.2提供的阻抗測量都會指示出各個電極對之間存在流體79，而電極對2a.3&2b.3、2a.4&2b.4、和2a.5&2b.5提供的阻抗測量將會分別指示出各個電極對之間不存在流體。通過這種測量，可以容易地確定流體液面至少與電極對2a.2&2b.2一樣高，但是不會達到電極對2a.3&2b.3的高度。

應(yīng)當(dāng)注意到，如果也是為了提供流量測量功能，則更多的電極只需要成對提供。為了僅僅獲得阻抗值(并由此確定深度)，可使用單電極作為更多電極，并且本文的技術(shù)仍然將會適用。

實際上，可以使用更先進的層析技術(shù)來組合并利用來自每個電極(可能是單電極，而不是成對電極)的測量阻抗數(shù)據(jù)，以給出更準(zhǔn)確的管道填充水平的確定。

流量計電路

圖10是流量計電路的示意圖，其中包括上面描述的阻抗測量信號發(fā)生器8&9，“流量信號通過”濾波器電路82(例如，上面描述的配置10)與“流量信號排斥”濾波器電路83(例如，上面描述的配置30或60)并行。該電路是由控制器80控制的，控制器80通常是適當(dāng)編程的微處理器(具有相關(guān)的存儲器、電源等，這對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員是可以理解的)。

控制器80配置為對勵磁電流發(fā)生器4進行控制，從而使勵磁電流發(fā)生器4為勵磁線圈3供應(yīng)交變勵磁電流，并因而生成交變磁場(如上面參照圖1描述)?？刂破?0還控制阻抗測量信號發(fā)生器8、9的運行。為此，控制器80有效地設(shè)置有定時控制模塊81(它可以是控制器的主要部分，或者是與控制器相關(guān)聯(lián)的單獨的定時器單元)來與勵磁電流發(fā)生器4的運行同步地控制阻抗測量信號發(fā)生器8、9，從而在流量測量線圈3的勵磁周期中的給定時間將電極阻抗測量脈沖供給到電極2a和2b。優(yōu)選地，如上面描述，生成電極阻抗測量脈沖的時間被控制為與勵磁周期的正?！皬U棄”部分一致，其恰好發(fā)生在勵磁線圈電流的每次極性反轉(zhuǎn)之后(在此時，無法進行流量測量)。

在使用中，流體在流量測量線圈3產(chǎn)生的交變磁場中的移動會在感測電極2a與2b之間生成電壓(如圖10中的虛線箭頭所指示，它描繪了流量信號的感應(yīng))。該電壓形成了隨后所處理的信號的基礎(chǔ)。感測電極2a和2b產(chǎn)生的信號還包括由于向電極2a和2b施加電極阻抗測量脈沖而產(chǎn)生的電極阻抗測量信號。

總體信號被放大電路84(例如，包括上面描述的差分放大器5)放大，隨后，所產(chǎn)生的復(fù)合信號(圖1中的6)被“流量信號通過”濾波器電路82與“流量信號排斥”濾波器電路83并行地處理。在濾波器電路82和濾波器電路83中，可以確定適當(dāng)?shù)难舆t值l、k和m(如圖2、圖4和圖7中描繪)并由控制器80設(shè)置為所使用的線圈勵磁頻率的函數(shù)(例如，按照上面給出的公式)。

隨后，控制器80對“流量信號通過”濾波器電路82的輸出進行處理(例如，采用同步解調(diào))，以提供代表(或者依賴于)流體流速的輸出，同時，控制器80對“流量信號排斥”濾波器電路83的輸出進行處理，以提供代表(或者依賴于)一個或者兩個感測電極2a、2b的電阻抗的輸出。這些輸出全部由圖10的輸出60表示。

修改和替代方案

上面描述了詳細的實施例和一些可能的替代方案。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解的是，可對上面的實施例進行許多修改和其它替代，同時仍然從包含于其中的本發(fā)明受益。

例如，對于電極激勵驅(qū)動波形和電阻抗測量脈沖的頻率(或者脈沖持續(xù)時間)的選擇具有相當(dāng)高的自由度。

盡管上面的實施例使用了方波勵磁信號來驅(qū)動流量測量線圈，但是，在替代性實施例中，也可使用其它形式的勵磁，例如非50:50脈沖(例如，具有占空比的方波中，每個脈沖處于“開”的狀態(tài)的時期短于“關(guān)”的狀態(tài)，或者相反)、正弦波、三角波、鋸齒波等。

雖然通過上面的實施例，主要將em流量計描述為用于測量管道中的流體速度(選擇性地，可測量液面高度)，但是在其它應(yīng)用中，可將流量計耦接到其它類型的導(dǎo)管(流體可沿著/通過該導(dǎo)管流動)。

雖然在上面的實施例中，梳狀濾波器用于執(zhí)行延遲線以能夠?qū)⒌谝缓偷诙y量信號(分別在第一和第二時間間隔獲得的)組合，并因此能夠提取電極阻抗測量信號，但是，在替代性實施例中，也可使用其它工具來對第一和第二測量信號中的一個或二者進行存儲并能夠?qū)⑺鼈兘M合。例如，可使用一個或多個數(shù)字信號處理器，與適當(dāng)?shù)哪?shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)合運行。但是，本文描述的梳狀濾波器的優(yōu)點在于能夠在模擬域中處理信號，這可降低功耗(相對于等效的數(shù)字信號處理)。

不必將梳狀濾波器的類型限制為前饋梳狀濾波器。相反，可以使用替代性的反饋梳狀濾波器、或者連續(xù)時間梳狀濾波器。

另外，盡管上面沒有明確地示出或討論，但是可以理解的是，在延遲信號與輸入信號組合之前(例如，從輸入信號中減去延遲信號之前)，梳狀濾波器可以對延遲信號應(yīng)用縮放比例。

雖然在上面的實施例中，電極阻抗測量電路被并入到電磁流量計中，但是在替代性實施例中，可以將其提供為單獨單元或模塊形式的感測設(shè)備，用于連接到已存在的電磁流量計。

概要

如上面討論，當(dāng)前的工作為電磁流量計提供了一種用于測量電壓感測電極2a、2b與地面(例如電極9)之間的電阻抗的方法和設(shè)備。該方法和設(shè)備允許同時測量流體流速和每個測量電極的電阻抗。一種消除方法，能夠在存在潛在的較大電磁感應(yīng)流速信號和不需要的電感、變壓器效應(yīng)和渦電流信號的情況下，測量來自發(fā)生器7&8的小振幅電勵磁阻抗分量。該方法還確保想要的流速信號不會被那些同時存在的電阻抗測量所影響或腐化。該技術(shù)可用于空管道檢測，并且可以很容易地被擴展為能夠確定管道(或其它導(dǎo)管)中的流體液面高度。