專利名稱：電磁流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁流量計，并且尤其涉及一種對應(yīng)用于由電極所檢測到的電極間電動勢中由待測流體流量(flow rate)引起的分量的流速的系數(shù)進行校正的量程校正技術(shù)。
背景技術(shù)：
將描述為理解現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明所必需的、且為現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明所共有的邏輯命題部分。首先將描述公知的基本數(shù)學(xué)知識。
將具有相同頻率但不同振幅的余弦波P·cos(ω·t)和正弦波Q·sin(ω·t)合成為以下的余弦波。令P和Q為振幅，且ω為角頻率。
P·cos(ω·t)+Q·sin(ω·t)＝(P2+Q2)1/2·cos(ω·t-ε)其中ε＝tan-1(Q/P)…(1)為了分析等式(1)的合成運算，方便的是執(zhí)行復(fù)坐標平面映射，以便沿實軸繪出余弦波P·cos(ω·t)的振幅P，而沿虛軸繪出正弦波Q·sin(ω·t)的振幅Q。即，在復(fù)坐標平面上，到原點的距離(P2+Q2)1/2給出了合成波的振幅，且角度ε＝tan-1(Q/P)給出了合成波與ω·t之間的相位差。
另外，在復(fù)坐標平面上，以下關(guān)系式成立L·exp(j·ε)＝L·cos(ε)+j·L·sin(ε) …(2)等式(2)是與復(fù)矢量關(guān)聯(lián)的表達式，其中j是虛數(shù)單位，L給出了復(fù)矢量的長度，且ε給出了復(fù)矢量的方向。為了分析復(fù)坐標平面上的幾何關(guān)系，方便的是使用到復(fù)矢量的變換。
以下描述采用了到上述那樣的復(fù)坐標平面的映射及使用復(fù)矢量的幾何分析，來展示電極間電動勢怎樣表現(xiàn)其行為、以及解釋現(xiàn)有技術(shù)如何使用該行為。
接下來將描述本發(fā)明人所提議的、在電磁流量計中具有一組線圈和電極對的復(fù)矢量配置(見專利文獻WO 03/027614)。
圖21是用于說明以上專利參考文獻中的電磁流量計原理的框圖。該電磁流量計包括測量管道1，待測量流體流經(jīng)該測量管道1；一對電極2a和2b，這對電極2a和2b被置于測量管道1中且彼此相對，以便既垂直于要施加于流體的磁場，又垂直于測量管道1的軸PAX，并與流體接觸，且檢測由磁流和流體流動所產(chǎn)生的電動勢；以及勵磁線圈3，在包括電極2a和2b的平面PLN用作測量管道1的界面的情況下，該勵磁線圈向流體施加在以平面PLN為界的測量管道1前側(cè)和后側(cè)不對稱的時變磁場。
在由勵磁線圈3所產(chǎn)生的磁場Ba中，在連接電極2a和2b的電極軸EAX上既垂直于電極軸EAX，又垂直于測量管道軸PAX的磁場分量(磁通密度)B1由下式給出B1＝b1·cos(ω0·t-θ1)…(3)在式(3)中，b1是振幅，ω0是角頻率，且θ1是與ω0·t的相位差(相位滯后)。磁通密度B1以下將稱為磁場B1。
首先，將描述由磁場變化所引起的與待測流體的流速無關(guān)的電極間電動勢。因為由磁場變化所引起的電動勢取決于磁場的時間導(dǎo)數(shù)dB/dt，因此根據(jù)下式對勵磁線圈3所產(chǎn)生的磁場B1進行微分dB1/dt＝-ω0·b1·sin(ω0·t-θ1) …(4)如果待測流體的流速為0，則所產(chǎn)生的渦流僅僅是由磁場變化所引起的分量。如圖22所示指出了由磁場Ba的變化而引起的渦流I的方向。因此，如圖22所示，在包括電極軸EAX和測量管道軸PAX的平面內(nèi)，指出了由磁場Ba的變化所產(chǎn)生的與流速無關(guān)的電極間電動勢E的方向。該方向被定義為負方向。
此時，電極間電動勢E是通過使考慮了方向的磁場時間導(dǎo)數(shù)-dB1/dt乘以系數(shù)k(與待測流體的傳導(dǎo)率及介電常數(shù)以及包括電極2a和2b布局的測量管道1的結(jié)構(gòu)相關(guān)的復(fù)數(shù))所獲得的值，如下式所示E＝k·ω0·b1·sin(ω0·t-θ1)…(5)把式(5)改寫為下式
E＝k·ω0·b1·{sin(-θ1)}·cos(ω0·t)+k·ω0·b1·{cos(-θ1)}·sin(ω0·t)＝k·ω0·b1·{-sin(θ1)}·cos(ω0·t)+k·ω0·b1·{cos(θ1)}·sin(ω0·t)…(6)在這種情況下，如果關(guān)于ω0·t把式(6)映射到復(fù)坐標平面上，則由下式給出實軸分量Ex和虛軸分量EyEx＝k·ω0·b1·{-sin(θ1)}＝k·ω0·b1·{cos(π/2+θ1)} …(7)Ey＝k·ω0·b1·{cos(θ1)}＝k·ω0·b1·{sin(π/2+θ1)} …(8)另外，把由式(7)和(8)所表示的Ex和Ey變換為由下式表示的復(fù)矢量EcEc＝Ex+j·Ey＝k·ω0·b1·{cos(π/2+θ1)}+j·k·ω0·b1·{sin(π/2+θ1)}＝k·ω0·b1·{cos(π/2+θ1)+j·sin(π/2+θ1)}＝k·ω0·b1·exp{j·(π/2+θ1)}…(9)另外，將上述系數(shù)k變換為復(fù)矢量，以得到下式k＝rk·cos(θ00)+j·rk·sin(θ00)＝rk·exp(j·θ00) …(10)在式(10)中，rk是比例系數(shù)，且θ00是矢量k相對于實軸的角度。
把式(10)代入式(9)中，得到如下被變換為復(fù)坐標的電極間電動勢Ec(僅由磁場的瞬時變化而引起的與流速無關(guān)的電極間電動勢)Ec＝rk·exp(j·θ00)·ω0·b1·exp{j·(π/2+θ1)}＝rk·ω0·b1·exp{j·(π/2+θ1+θ00)} …(11)在式(11)中，rk·ω0·b1·exp{j·(π/2+θ1+θ00)}是具有長度rk·ω0·b1及關(guān)于實軸的角度π/2+θ1+θ00的復(fù)矢量。
接下來將描述由待測流體的流速所引起的電極間電動勢。令V(V≠0)為流體的流速大小，因為在所產(chǎn)生的渦流中，除流速為0時的渦流I以外，還產(chǎn)生了由流體的流速矢量v所引起的分量v×Ba，所以如圖23所示指出了由流速矢量v和磁場Ba所產(chǎn)生的渦流Iv的方向。因此，由流速矢量v和磁場Ba所產(chǎn)生的電極間電動勢Ev的方向變?yōu)楹陀伤矔r變化所產(chǎn)生的電極間電動勢E的方向相反，且Ev的方向被定義為正方向。
在這種情況下，如下式所示，由流速所引起的電極間電動勢是通過使如下式所示的磁場B1乘以系數(shù)kv(與流速大小V、待測流體的傳導(dǎo)率和介電常數(shù)及包括電極2a和2b布局的測量管道1的結(jié)構(gòu)相關(guān)的復(fù)數(shù))所獲得的值Ev＝kv·{b1·cos(ω0·t-θ1)}…(12)將式(12)改寫為Ev＝kv·b1·cos(ω0·t)·cos(-θ1)-kv·b1·sin(ω0·t)·sin(-θ1)＝kv·b1·{cos(θ1)}·cos(ω0·t)+kv·b1·{sin(θ1)}·sin(ω0·t)…(13)在這種情況下，當關(guān)于ω0·t把式(13)映射到復(fù)坐標平面上時，由下式給出實軸分量Evx和虛軸分量EvyEvx＝kv·b1·{cos(θ1)} …(14)Evy＝kv·b1·{sin(θ1)} …(15)另外，把由式(14)和(15)所表示的Evx和Evy變換為由下式所表示的復(fù)矢量EvcEvc＝Evx+j·Evy＝kv·b1·{cos(θ1)}+j·kv·b1·{sin(θ1)}＝kv·b1·{cos(θ1)+j·sin(θ1)}＝kv·b1·exp(j·θ1)…(16)另外，將上述系數(shù)kv變換為復(fù)矢量，以得到下式kv＝rkv·cos(θ01)+j·rkv·sin(θ01)＝rkv·exp(j·θ01) …(17)在式(17)中，rkv是比例系數(shù)，且θ01是矢量kv相對于實軸的角度。在這種情況下，rkv等效于通過使上述比例系數(shù)rk(見式(10))乘以流速大小V和比例系數(shù)γ所獲得的值。即，下式成立rkv＝γ·rk·V …(18)把式(17)代入式(16)中，得到如下被變換為復(fù)坐標的電極間電動勢EvcEvc＝kv·b1·exp(j·θ1)＝rkv·b1·exp{j·(θ1+θ01)}…(19)在式(19)中，rkv·b1·exp{j·(θ1+θ01)}是具有長度rkv·b1及關(guān)于實軸的角度θ1+θ01的復(fù)矢量。
通過根據(jù)式(11)和(19)的下式，來表示作為由磁場瞬時變化所引起的電極間電動勢Ec和由流體流速所引起的電極間電動勢Evc的組合的電極間電動勢EacEac＝Ec+Evc＝rk·ω0·b1·exp{j·(π/2+θ1+θ00)}+rkv·b1·exp{j·(θ1+θ01)} …(20)由式(20)顯然看出，用兩個復(fù)矢量rk·ω0·b1·exp{j·(π/2+θ1+θ00)}和rkv·b1·exp{j·(θ1+θ01)}來表示電極間電動勢Eac。通過組合這兩個復(fù)矢量所得到的合成矢量的長度代表輸出(電極間電動勢Eac)的振幅，并且合成矢量的角度φ代表電極間電動勢Eac關(guān)于輸入(勵磁電流)相位ω0·t的相位差(相位延遲)。注意，通過使流速乘以測量管道的橫截面積，來得到流量(flow rate)。因此，一般在初始狀態(tài)的標定中，流速和流量存在一一對應(yīng)的關(guān)系，并且得到流速就等效于得到流量。為此，以下描述將舉例說明獲得流速的方案(以得到流量)。
在以上原理下，以上專利文獻中的電磁流量計提取不受量程漂移(span shift)影響的參數(shù)(不對稱勵磁參數(shù))，并根據(jù)所提取的參數(shù)來輸出流量，由此解決量程漂移的問題。
將參考圖24來描述量程漂移。假定，盡管待測流體的流速沒有變化，通過電磁流量計所測量的流速大小V也發(fā)生了變化。在這種情況下，可以把量程漂移看作該輸出變化的原因。
假定這樣執(zhí)行標定，以致當在初始狀態(tài)下待測流體的流速為0時，電磁流量計的輸出變?yōu)?(v)，并且當流速為1(米/秒)時，輸出變?yōu)?(v)。在這種情況下，電磁流量計的輸出是代表流速大小V的電壓。按照該標定，如果待測流體的流速為1(米/秒)，則電磁流量計的輸出應(yīng)該為1(v)。然而，當給定的時間t1過去，電磁流量計的輸出可能變?yōu)?.2(v)，盡管待測流體的流速保持為1(米/秒)。可以把量程漂移看作該輸出變化的原因。例如，當勵磁線圈中流動的勵磁電流的值不能保持為常數(shù)時，被稱為量程漂移的現(xiàn)象就會發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題首先將描述為進行說明所需的物理現(xiàn)象。當物體在變化的磁場中的移動時，電磁感應(yīng)產(chǎn)生了兩種類型的電場，即(a)由磁場瞬時變化所產(chǎn)生的電場E(i)＝A/t，以及(b)當物體在磁場中移動時所產(chǎn)生的電場E(v)＝v×B。在這種情況下，v×B代表v和B的外積，A/t代表A關(guān)于時間的偏微分。在這種情況下，v、B和A分別對應(yīng)于以下，并且是具有三維(x、y和z)方向的矢量(v流速，B磁通密度，A矢勢(與磁通密度的關(guān)系被表示為B＝rotA))。然而，注意，這種情況下的三維矢量的意義不同于復(fù)平面上的矢量。這兩種類型的電場在流體中產(chǎn)生電勢分布，并且電極能夠檢測該電極。
在基本邏輯設(shè)計中，以上專利文獻中的電磁流量計考慮了矢量k關(guān)于實軸的角度θ00及矢量kv關(guān)于實軸的角度θ01。然而，作為對能夠解決量程漂移問題的電磁流量計的約束，流量計以θ00＝θ01＝0作為前提。即，調(diào)節(jié)電磁流量計的條件以滿足該前提是該約束。注意，θ1是初始狀態(tài)，它是為勵磁電流和電極間電動勢所共有的相位部分。當象現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明中那樣只考慮勵磁電流與電極間電動勢之間的相位差時，為容易理解起見，假定θ1＝0。
以下將參考圖25來用復(fù)矢量描述以上約束對流量測量的影響。參考圖25，附圖標記Re表示實軸；Im表示虛軸。首先，只取決于磁場瞬時變化而不取決于待測流體流速的電極間電動勢Ec將稱為A/t分量，且用矢量Va來表示A/t分量。另外，取決于待測流體流速的電極間電動勢Evc將稱為v×B分量，且用Vb來表示v×B分量。以上量程是取決于待測流體流速的v×B分量的流速大小V所乘的系數(shù)?？梢愿挠脛e的術(shù)語來表示以上θ00和θ01的定義，以致θ00為矢量Va關(guān)于虛軸的角度，且θ01為矢量Vb關(guān)于實軸的角度。
在圖21所示的電磁流量計的配置中，θ00＝θ01＝0意味矢量Va存在于虛軸Im上，且矢量Vb存在于實軸Re上。即，矢量Va與Vb相互正交。如上所述，以上專利文獻中的電磁流量計是基于以下前提A/t分量的矢量Va垂直于v×B分量的矢量Vb。
然而，在實際的電磁流量計中，以上前提不一定成立。這是因為，雖然保證了A/t分量的矢量Va與v×B分量的矢量Vb之間的正交性，但是從微觀觀點來看，施加于待測流體的磁場不具有理想的分布，因此從微觀觀點來看，必須考慮到宏觀的A/t和v×B分量的矢量Va和Vb包括某些失真。因此，必須考慮到矢量Va和Vb不是相互正交的，或θ00≠0、θ01≠0及θ00≠θ01。
如從以上描述可以明顯看到的，當電磁流量計以高頻為目標時，必須謹慎考慮矢量Va與Vb之間的正交性。然而，以上專利文獻中的電磁流量計是以矢量Va與Vb之間的正交性為前提的。因此，如果正交性出現(xiàn)了誤差，則有可能流量計不能執(zhí)行精確的量程校正或流量測量。
為解決以上問題而提出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種能夠自動執(zhí)行精確的量程校正，并能夠執(zhí)行精確的流量測量的電磁流量計。
解決問題的手段根據(jù)本發(fā)明，提供一種電磁流量計，該流量計包括測量管道，待測流體流過該測量管道；電極，該電極位于測量管道中，并檢測由施加于流體的磁場和流體流動所產(chǎn)生的電動勢；勵磁單元，該勵磁單元向流體施加關(guān)于第一平面不對稱的時變磁場，該第一平面包括該電極且垂直于測量管道的軸方向；信號轉(zhuǎn)換單元，該信號轉(zhuǎn)換單元從基于A/t分量的電動勢和基于由流體流速引起的v×B分量的電動勢的合成電動勢中，提取與流體流速無關(guān)的A/t分量；以及流量輸出單元，該流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除作為合成電動勢中v×B分量的流速大小V所乘的系數(shù)的量程變化因素，并從通過消除該變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，通過以下方法來消除量程變化因素從由電極所檢測到的、基于與流體流速無關(guān)的A/t分量的電動勢和基于由流體流速引起的v×B分量的電動勢的合成電動勢中，提取A/t分量，并校正作為合成電動勢中v×B分量的流速大小V所乘的系數(shù)的量程。這使自動執(zhí)行精確的量程校正和精確的流量測量成為可能。
以多個勵磁頻率向流體施加磁場，并獲得由電極所檢測到的合成電動勢的至少兩個不同頻率分量的每一個的振幅和相位。這使提取A/t分量成為可能。
另外，向勵磁線圈提供包含兩個不同頻率分量的勵磁電流，并獲得由電極所檢測到的合成電動勢的第一和第二頻率這兩個頻率分量的振幅和相位。這使提取這兩個頻率分量之間的電動勢差作為At分量成為可能。
從多個勵磁線圈向流體施加具有不同勵磁頻率的磁場，并獲得由電極所檢測到的合成電動勢的至少兩個不同頻率分量的每一個的振幅和相位。這使提取A/t分量成為可能。
同時向第一和第二勵磁線圈分別提供具有第一和第二頻率的勵磁電流，并獲得由電極所檢測到的合成電動勢的第一和第二頻率這兩個頻率分量的每一個的振幅和相位。這使提取這兩個頻率分量之間的電動勢差或電動勢和作為A/t分量成為可能。
將多個電極設(shè)置在沿測量管道軸的不同位置，并獲得由這多個電極所檢測到的合成電動勢中的、由至少兩個電極所檢測到的合成電動勢的振幅和相位。這使提取A/t成為可能。
獲得分別由第一和第二電極所檢測到的第一和第二合成電動勢的每一個的振幅和相位。這使提取第一和第二合成電動勢之間的電動勢差或電動勢和來近似作為A/t分量成為可能。因為能夠通過僅僅一個勵磁頻率來提取A/t分量，所以不需要使用兩個勵磁頻率。


圖1A是示出A/t分量矢量和v×B分量矢量的視圖；
圖1B是示出通過用A/t分量矢量對v×B分量矢量進行標準化所獲得的矢量的視圖；圖1C是示出通過使圖1B中的矢量乘以勵磁角頻率所獲得矢量的視圖；圖2是以復(fù)矢量的形式來表示本發(fā)明第一實施例中的電極間電動勢和電動勢差的視圖；圖3是以復(fù)矢量的形式來表示本發(fā)明第一實施例中的標準化處理方式的視圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電磁流量計的配置的框圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的信號轉(zhuǎn)換單元和流量輸出單元的操作的流程圖；圖6是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電磁流量計的原理的框圖；圖7是示出本發(fā)明第二實施例中待測流體的流量為0時的渦流和電極間電動勢的視圖；圖8是示出本發(fā)明第二實施例中待測流體的流量為0時的渦流和電極間電動勢的視圖；圖9是以復(fù)矢量的形式來表示本發(fā)明第二實施例中的電極間電動勢、電動勢和以及電動勢差的視圖；圖10是以復(fù)矢量的形式來表示本發(fā)明第二實施例中的標準化處理方式的視圖；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電磁流量計的配置的框圖；圖12是示出本發(fā)明第二實施例中的信號轉(zhuǎn)換單元和流量輸出單元的操作的流程圖；圖13是用于說明根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電磁流量計的原理的框圖；圖14是示出本發(fā)明第三實施例中待測流體的流量為0時的渦流和電極間電動勢的視圖；圖15是示出本發(fā)明第三實施例中待測流體的流量為0時的渦流和電極間電動勢的視圖；
圖16是以復(fù)矢量的形式來表示本發(fā)明第三實施例中的電極間電動勢、電動勢和以及電動勢差的視圖；圖17是以復(fù)矢量的形式來表示本發(fā)明第三實施例中的標準化處理方式的視圖；圖18是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電磁流量計的配置的框圖；圖19是示出根據(jù)本發(fā)明的電磁流量計中所使用的電極的例子的橫截面圖；圖20是示出根據(jù)本發(fā)明的電磁流量計中所使用的電極的另一例子的橫截面圖；圖21是用于說明常規(guī)電磁流量計的原理的框圖；圖22是示出常規(guī)電磁流量計中待測流體的流量為0時的渦流和電極間電動勢的視圖；圖23是示出常規(guī)電磁流量計中待測流體的流量不為0時的渦流和電極間電動勢的視圖；圖24是用于說明電磁流量計中的量程漂移的視圖；以及圖25是用于說明常規(guī)電磁流量計中的問題的視圖。
具體實施例方式本發(fā)明考慮到當從通過電磁流量計的電極所檢測到的電極間電動勢得到A/t分量的矢量Va和v×B分量的矢量Vb的合成矢量Va+Vb時，與矢量Va和Vb是否相互正交無關(guān)，矢量Va是只取決于磁場瞬時變化而與待測流體的流速無關(guān)的矢量，且矢量Vb是與待測流體的流速成比例地變化的矢量。
根據(jù)本發(fā)明，從合成矢量Va+Vb中提取A/t分量的矢量Va，并利用矢量Va來消除合成矢量Va+Vb中v×B分量的矢量Vb中所包含的量程變化要素。根據(jù)從中消除了該量程變化要素的v×B分量，來計算待測流體的流量。重要的是，提取A/t分量的矢量Va允許，與矢量Va和Vb是否相互正交無關(guān)地分別處理矢量Va和Vb。圖21所示的常規(guī)電磁流量計是基于矢量Va和Vb相互正交的前提，因此沒有被設(shè)計成從合成矢量Va+Vb中提取矢量Va或Vb。
下面，將參考圖1A至1C來描述本發(fā)明實際校正量程的基本原理。如圖21所示的電磁流量計中一樣，在把垂直于測量管道軸且包括電極的平面用作測量管道界面的情況下，當在以該平面為界的測量管道的前側(cè)和后側(cè)向待測流體施加不對稱磁場時，基于通過不對稱勵磁所測得的電極間電動勢振幅及電極間電動勢之間相位差而映射到復(fù)平面上的矢量，對應(yīng)于A/t分量的矢量Va和v×B分量的矢量Vb的合成矢量Va+Vb。
Va＝rω·exp(j·θω)·C·ω …(21)Vb＝rv·exp(j·θv)·C·V…(22)圖1A示出了矢量Va和Vb。A/t分量的矢量Va是由磁場變化所產(chǎn)生的電動勢，因此具有與勵磁角頻率ω成比例的大小。令rω為與矢量Va大小相對應(yīng)的公知比例常數(shù)部分，令θω為矢量Va的方向，C作為諸如磁場漂移的變化要素，即量程變化要素。另外，v×B分量的矢量Vb是由測量管道中待測流體的運動所產(chǎn)生的電動勢，因此具有與流速大小V成比例的大小。在這種情況下，令rv為與矢量Vb大小相對應(yīng)的公知比例常數(shù)部分，令θv為矢量Vb的方向，C作為量程變化要素。注意，由式(21)表示的矢量Va中的C和由式(22)表示的矢量Vb中的C是相同的要素。
量程漂移的因素是量程變化要素C的變化。因此，通過從中消除了量程變化要素C的信號轉(zhuǎn)換表達式來獲得待測流體的流速使基本上實現(xiàn)自動量程校正成為可能。以下兩種方法可用作具體的量程校正方法。
根據(jù)第一校正方法，通過用A/t分量的矢量Va對v×B分量的矢量Vb進行標準化(normalizing)，來消除量程變化要素C，并通過和基于標準化矢量的流速大小V關(guān)聯(lián)的信號轉(zhuǎn)換表達式，來實現(xiàn)流量測量的自動量程校正。以下在數(shù)學(xué)上表示第一校正方法的標準化Vb/Va＝{rv·exp(j·θv)·C·V}/{rω·exp(j·θω)·C·ω}＝(rv/rω)·exp{j·(θv-θω)}·V/ω …(23)|Vb/Va|＝(rv/rω)·V/ω …(24)
圖1B示出了通過用A/t分量的矢量Va對v×B分量的矢量Vb進行標準化所獲得的矢量。注意，圖1C所示的矢量是通過使圖1B中的矢量乘以勵磁角頻率ω、從式(23)的右邊消除勵磁角頻率ω所獲得的矢量。
根據(jù)第二校正方法，通過用A/t分量的矢量Va對合成矢量Va+Vb進行標準化，來消除量程變化要素C，并利用和基于標準化矢量的流速大小V關(guān)聯(lián)的信號轉(zhuǎn)換表達式，來實現(xiàn)流量測量的自動量程校正。以下在數(shù)學(xué)上表示第二校正方法的標準化(Va+Vb)/Va＝{rω·exp(j·θω)·C·ω+rv·exp(j·θv)·C·V}/{rω·exp(j·θω)·C·ω}＝1+(rv/rω)·exp{j·(θv-θω)}·V/ω …(25)|(Va+Vb)/Va-1|＝(rv/rω)·V/ω …(26)第二校正方法提供了比第一校正方法更可行的處理。這是因為，不能直接從通過電磁流量計所獲得的電極間電動勢得到v×B分量的矢量Vb，而能夠從電極間電動勢得到的矢量是Va+Vb。
以下兩種方法可用作提取A/t分量的矢量Va的方法。第一提取方法如下通過以多個勵磁頻率向待測流體施加磁場、并使用電極間電動勢中所包含的多個分量之間的頻率差，來提取矢量Va。如上所述，能夠直接從電極間電動勢得到的復(fù)矢量是Va+Vb，并且不能直接測量矢量Va和Vb。因此，注意A/t分量的矢量Va的大小與勵磁角頻率ω成比例，并且v×B分量的矢量Vb不取決于勵磁角頻率ω。更具體地說，勵磁線圈向待測流體施加包含兩個分量的磁場，這兩個分量具有相同的大小和不同的頻率。這使獲得第一頻率分量的合成矢量Va+Vb與第二頻率分量的合成矢量Va+Vb之差成為可能。該差值對應(yīng)于僅僅代表矢量Va大小變化的矢量，因此允許提取矢量Va。
第二提取方法可應(yīng)用于一種具有被放置成通過包括勵磁線圈軸的線圈平面而彼此相對的至少兩對電極的電磁流量計。該方法利用電極間的輸出差，來提取矢量Va。在該第二提取方法中，注意，第一電極間電動勢中所產(chǎn)生的A/t分量的方向和第二電極間電動勢中所產(chǎn)生的A/t分量的方向相反，并且第一電極間電動勢中所產(chǎn)生的v×B分量的方向和第二電極間電動勢中所產(chǎn)生的v×B分量的方向相同。
更具體地說，當把第一和第二電極均勻地放在線圈平面上以獲得第一電極間電動勢的合成矢量Va+Vb與第二電極間電動勢的合成矢量Va+Vb之差時，第一電極間電動勢中所產(chǎn)生的v×B分量和第二電極間電動勢中所產(chǎn)生的v×B分量抵消了。這使提取第一電極間電動勢中所產(chǎn)生的A/t分量和第二電極間電動勢中所產(chǎn)生的A/t分量之和的矢量Va成為可能。
利用通過用A/t分量的矢量Va對v×B分量的矢量Vb進行標準化的第一校正方法所獲得的標準化結(jié)果，使如下計算待測流體的流速大小V成為可能V＝(rω/rv)·|Vb/Va|·ω …(27)另外，利用通過用A/t分量的矢量Va對合成矢量Va+Vb進行標準化的第二校正方法所獲得的標準化結(jié)果，使如下計算待測流體的流速大小V成為可能V＝(rω/rv)·{|(Va+Vb)/Va-1|}·ω …(28)根據(jù)以上原理，可以與量程變化要素C如磁場漂移無關(guān)地測量流速大小V，因此能夠基本上實現(xiàn)自動量程校正。在本發(fā)明所有實施例中，可以在不切換勵磁狀態(tài)的情況下，只通過某一勵磁狀態(tài)下的單次測量來獲得A/t分量及A/t分量和v×B分量的合成分量。因此，與通過切換勵磁狀態(tài)進行測量相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速度的自動校正。
以下將參考附圖來詳細描述本發(fā)明第一實施例。該實施例使用與基本原理關(guān)聯(lián)地描述的方法中的第一提取方法，作為提取A/t分量的矢量Va的方法，并使用第二校正方法作為量程校正方法。根據(jù)該實施例的電磁流量計包括一個勵磁線圈和一對電極，并且除了信號處理系統(tǒng)之外，具有和圖21所示的常規(guī)電磁流量計一樣的配置。因此，將利用圖21中的附圖標記來描述該實施例的原理。
參考圖21，在由勵磁線圈3所產(chǎn)生的磁場Ba中，在連接電極2a和2b的電極軸EAX上既垂直于電極軸EAX又垂直于測量管道軸PAX的磁場分量(磁通密度)B6由下式給出B6＝b6·cos(ω0·t-θ6)+b6·cos(ω1·t-θ6)…(29)在式(29)中，ω0和ω1是不同的角頻率，b6是磁通密度B6的角頻率ω0和角頻率ω1的振幅，θ6是角頻率ω0和ω0·t之間的相位差(相位滯后)以及角頻率ω1和ω1·t之間的相位差。磁通密度B6以下將稱為磁場B6。
在這種情況下，令E50為對通過把由磁場瞬時變化而引起的電極間電動勢變換為復(fù)矢量所獲得的電動勢以及通過把由流體流速而引起的電極間電動勢變換為復(fù)矢量所獲得的電動勢進行組合，由此所獲得的總電極間電動勢的角頻率ω0分量的電動勢為E50。在這種情況下，用類似于式(20)的下式來表示電極間電動勢E50E50＝rk·ω0·b6·exp{j·(π/2+θ6+θ00)}+rkv·b6·exp{j·(θ6+θ01)} …(30)令E51為對通過把由磁場瞬時變化而引起的電極間電動勢變換為復(fù)矢量所獲得的電動勢以及通過把由流體流速而引起的電極間電動勢變換為復(fù)矢量所獲得的電動勢進行組合，由此所獲得的總電極間電動勢的角頻率ω1分量的電動勢為E51。在這種情況下，用類似于式(20)的下式來表示電極間電動勢E51E51＝rk·ω1·b6·exp{j·(π/2+θ6+θ00)}+rkv·b6·exp{j·(θ6+θ01)} …(31)把矢量Va關(guān)于虛軸的角θ00與矢量Vb關(guān)于實軸的角θ01之間的關(guān)系定義為θ01＝θ00+Δθ01，把θ01＝θ00+Δθ01和式(18)代入式(30)和(31)可得到由式(32)和(33)表示的電極間電動勢E50和E51E50＝rk·ω0·b6·exp{j·(π/2+θ6+θ00)}+γ·rk·V·b6·exp{j·(θ6+θ00+Δθ01)}＝rk·b6·exp{j·(θ6+θ00)}·{ω0·exp(j·π/2)+γ·V·exp(j·Δθ01)}…(32)E51＝rk·ω1·b6·exp{j·(π/2+θ6+θ00)}+γ·rk·V·b6·exp{j·(θ6+θ00+Δθ01)}＝rk·b6·exp{j·(θ6+θ00)}
·{ω1·exp(j·π/2)+γ·V·exp(j·Δθ01)}…(33)令EdA5為通過使電極間電動勢E50和E51之差乘以ω0/(ω0-ω1)所獲得的結(jié)果，則式(34)成立EdA5＝(E50-E51)·ω0/(ω0-ω1)＝rk·b6·exp{j·(θ6+θ00)}·{ω0·exp(j·π/2)+γ·V·exp(j·Δθ01)-ω1·exp(j·π/2)-γ·V·exp(j·Δθ01)}·ω0/(ω0-ω1)＝rk·ω0·b6·exp{j·(π/2+θ6+θ00)} …(34)電動勢差EdA5與流速大小V無關(guān)，因此只是由A/t所產(chǎn)生的分量。電動勢差EdA5用于對電極間電動勢E50(合成矢量Va+Vb)中的v×B分量的流速大小V所乘的系數(shù)(量程)進行標準化。圖2是以復(fù)矢量形式來表示以上電極間電動勢E50和E51及電動勢差EdA5的視圖。參考圖2，附圖標記Re表示實軸，Im表示虛軸。參考圖2，附圖標記v×B表示電極間電動勢E50和E51的v×B分量rk·b6·exp{j·(θ1+θ00)}·γ·V·exp(j·Δθ01)；A/t表示電極間電動勢E51的A/t分量rk·b6·exp{j·(θ6+θ00)}·ω1·exp(j·π/2)。確切地說，電動勢差EdA5是通過使電極間電動勢E50和E51之差乘以ω0/(ω0-ω1)所獲得的值。然而，使該電動勢差乘以ω0/(ω0-ω1)的原因是，便于展開方程式。
令En5為通過用式(34)所給出的電動勢差EdA5對式(32)所給出的電極間電動勢E50進行標準化，并使標準化結(jié)果乘以ω0所獲得的值，該標準化電動勢En5由式(35)給出En5＝(E50/E51)·ω0＝rk·b6·exp{j·(θ6+θ00)}·{ω0·exp(j·π/2)+γ·V·exp(j·Δθ01)}/[rk·ω0·b6·exp{j·(π/2+θ6+θ00)}]·ω0＝ω0+[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]·V …(35)式(35)右邊第二項是通過利用由A/t所產(chǎn)生的分量對由v×B所產(chǎn)生的分量進行標準化所獲得的項。圖3是以復(fù)矢量形式表示以上標準化過程的方式的視圖。參考圖3，附圖標記v×B表示電極間電動勢E50的v×B分量rk·b6·exp{j·(θ6+θ00)}·γ·V·exp(j·Δθ01)；n(v×B)表示標準化的v×B分量[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]·V。使通過用電動勢差EdA5對電極間電動勢E50進行標準化所獲得的結(jié)果乘以ω0的原因是，從與流速大小V關(guān)聯(lián)的右邊第二項中消除勵磁角頻率ω0。按照式(35)，流速大小V所乘的復(fù)系數(shù)的大小為γ，且關(guān)于實軸的角度為-π/2+Δθ01。系數(shù)γ和角度Δθ01是可以預(yù)先通過標定等而獲得的常數(shù)，并且式(35)右邊第二項保持為常數(shù)，除非待測流體的流速變化。
利用A/t分量對v×B分量進行標準化使得有可能實現(xiàn)對由于磁場漂移或相位變化而引起的誤差進行自動校正的量程校正。按照式(35)，流速大小V表示為V＝|(En5-ω0)/[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]|＝|(En5-ω0)/γ| …(36)表1示出了上述基本原理中所使用的常數(shù)和變量與該實施例中的常數(shù)和變量之間的對應(yīng)關(guān)系。由表1顯然看出，該實施例是具體實現(xiàn)上述基本原理的一個例子。
基本原理與第一實施例的對應(yīng)關(guān)系

接下來將描述該實施例的電磁流量計的具體配置及其操作。圖4是示出根據(jù)該實施例的電磁流量計的配置的框圖。和圖21中一樣的附圖標記表示圖4中的相同部件。根據(jù)該實施例的電磁流量計包括測量管道1；電極2a和2b；勵磁線圈3，該勵磁線圈3被設(shè)置在沿軸向與平面PLN相距一偏移距離d的位置，該平面PLN包括電極2a和2b且垂直于測量管道軸PAX方向；電源單元4，該電源單元4向勵磁線圈3提供勵磁電流；信號轉(zhuǎn)換單元5，該信號轉(zhuǎn)換單元5獲得由電極2a和2b所檢測到的合成電動勢的第一和第二頻率的兩個頻率分量的振幅和相位，并根據(jù)所獲得的振幅和相位來提取這兩個頻率分量之間的電動勢差，作為A/t分量；以及流量輸出單元6，該流量輸出單元6根據(jù)所提取的A/t分量，來去除由電極2a和2b所檢測到的合成電動勢的第一頻率分量中的v×B分量或第二頻率分量中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過去除變化因素所獲得的結(jié)果來計算待測流體的流量。勵磁線圈3和電源單元4組成了勵磁單元，向待測流體施加關(guān)于平面PLN不對稱的時變磁場。
電源單元4向勵磁線圈3施加一包含第一角頻率ω0和第二角頻率ω1的正弦波分量的勵磁電流。在這種情況下，勵磁電流中的角頻率ω0的振幅和角頻率ω1的振幅是相同的。
圖5是示出信號轉(zhuǎn)換單元5和流量輸出單元6的操作的流程圖。首先，信號轉(zhuǎn)換單元5使相位檢測器(未示出)獲得電極2a和2b之間的電動勢的角頻率ω0的電動勢E50的振幅r50，并獲得實軸和電極間電動勢E50之間的相位差φ50。隨后，信號轉(zhuǎn)換單元5使相位檢測器(未示出)獲得電極2a和2b之間的電動勢的角頻率ω1的電動勢E51的振幅r51，并獲得實軸和電極間電動勢E51之間的相位差φ51(圖5中的步驟S101)。電極間電動勢E50和E51也能夠通過帶通濾波器來分離頻率。然而，實際上它們可以利用一種被稱為“梳狀濾波器”的梳狀數(shù)字濾波器，容易地把頻率分離為兩個角頻率。
然后，信號轉(zhuǎn)換單元5按照下式來計算電極間電動勢E50的實軸分量E50x和虛軸分量E50y，以及電極間電動勢E51的實軸分量E51x和虛軸分量E51y(步驟S102)E50x＝r50·cos(φ50)…(37)E50y＝r50·sin(φ50)…(38)E51x＝r51·cos(φ51)…(39)E51y＝r51·sin(φ51)…(40)在計算式(37)至(40)之后，信號轉(zhuǎn)換單元5獲得電極間電動勢E50和E51之間的電動勢差EdA5的振幅和角度(步驟S103)。步驟S103的處理對應(yīng)于獲得A/t分量和v×B分量的處理，并等效于式(34)的計算。信號轉(zhuǎn)換單元5按照下式來計算電極間電動勢E50和E51之間的電動勢差EdA5的振幅|EdA5||EdA5|＝{(E50x-E51x)2+(E50y-E51y)2}1/2·ω0/(ω0-ω1)…(41)然后，信號轉(zhuǎn)換單元5按照下式來計算電動勢差EdA5關(guān)于實軸的角度∠EdA5∠EdA5＝tan-1{(E50y-E51y)/(E50x-E51x)} …(42)利用以上操作完成步驟S103的處理。
然后，流量輸出單元6獲得通過用電動勢差EdA5對電極間電動勢E50進行標準化所得到的標準化電動勢En5的振幅和角度(步驟S104)。步驟S104的處理等效于式(35)的計算。流量輸出單元6按照下式來計算標準化電動勢En5的振幅|En5||En5|＝(r50/|EdA5|)·ω0 …(43)流量輸出單元6也按照下式來計算標準化電動勢En5關(guān)于實軸的角度∠En5∠En5＝φ50-∠EdA5 …(44)利用該操作完成步驟S104的處理。
然后，流量輸出單元6計算待測流體的流速大小V(步驟S105)。步驟S105的處理等效于式(36)的計算。流量輸出單元6按照下式來計算(En5-ω0)的實軸分量En5x和(En5-ω0)的虛軸分量En5yEn5x＝|En5|cos(∠En5)-ω0…(45)En5y＝|En5|sin(∠En5)…(46)然后，流量輸出單元6按照下式來計算待測流體的流速大小VV＝(En5x2+En5y2)1/2/γ …(47)利用該操作完成步驟S105的處理。
信號轉(zhuǎn)換單元5和流量輸出單元6循環(huán)執(zhí)行上述步驟S101至S105的處理，直到例如操作者指示測量結(jié)束為止(步驟S106中‘是’)。
如上所述，該實施例被配置成向待測流體施加一具有振幅相同而頻率不同的兩個分量的磁場，并從電極2a和2b間電動勢的角頻率ω0和ω1分量的電動勢E50和E51中提取電動勢差EdA5(A/t分量的矢量Va)。利用電動勢差EdA5，來對電極間電動勢E50(合成矢量Va+Vb)中的v×B分量的流速大小V進行標準化，由此消除了量程變化要素。因此，該實施例能夠自動執(zhí)行精確的量程校正，并能夠執(zhí)行精確的流量測量。
注意，該實施例舉例說明了對電極間電動勢的角頻率ω0分量E50進行標準化的情況。然而，本發(fā)明不限于此?？梢詫穷l率ω1分量E51進行標準化。
接下來將描述本發(fā)明第二實施例。除了向電磁流量計添加一個勵磁線圈以外，該實施例和第一實施例相同，并且該實施例把第一提取方法用作提取A/t分量的矢量Va的方法，并把第二校正方法用作量程校正方法。即，該實施例的電磁流量計包括兩個勵磁線圈和一對電極。如果把要新加的第二勵磁線圈放在和第一勵磁線圈相同的一側(cè)，則所得配置是第一實施例的冗余配置。因此，需要把第二勵磁線圈放在相對于包括電極的平面與第一勵磁線圈不同的一側(cè)。
圖6是用于該實施例的電磁流量計的原理的框圖。該電磁流量計包括測量管道1；電極2a和2b；第一勵磁線圈3a和第二勵磁線圈3b，在把垂直于測量管道軸PAX方向且包括電極2a和2b的平面PLN用作測量管道1的界面的情況下，第一和第二勵磁線圈3a和3b向待測流體施加在以該平面PLN為界的測量管道1前側(cè)和后側(cè)不對稱的時變磁場。第一勵磁線圈3a位于例如在下游側(cè)與平面PLN相距一偏移距離d1的位置。第二勵磁線圈3b位于例如在上游側(cè)與平面PLN相距一偏移距離d2的位置，以通過平面PLN與第一勵磁線圈3a相對。
假定由下式給出，由第一勵磁線圈3a所產(chǎn)生的磁場Bb在連接電極2a和2b的電極軸EAX上的、與電極軸EAX及測量管道軸PAX都垂直的磁場分量(磁通密度)B7，以及由第二勵磁線圈3b所產(chǎn)生的磁場Bc在電極軸EAX上的、與電極軸EAX及測量管道軸PAX都垂直的磁場分量(磁通密度)B8
B7＝b7·cos(ω1·t-θ7)…(48)B8＝b8·cos(ω2·t-θ8)…(49)在式(48)和(49)中，ω1和ω2是不同的角頻率，b7和b8是磁通密度B7和B8的振幅，θ7是磁通密度B7與ω1·t之間的相位差(相位滯后)，θ8是磁通密度B8與ω2·t之間的相位差。磁通密度B7和B8以下將分別被稱為磁場B7和B8。
如果待測流體的流速為0，則所產(chǎn)生的渦流只是由磁場變化而引起的分量。如圖7所示指出了由于磁場Bb變化而引起的渦流I1以及由于磁場Bc變化而引起的渦流I2。因此如圖7所示，指出了在包括電極軸EAX和測量管道軸PAX的平面內(nèi)，由磁場Bb變化所產(chǎn)生的與流速無關(guān)的電極間電動勢E1的方向和由磁場Bc變化所產(chǎn)生的與流速無關(guān)的電極間電動勢E2的方向彼此相反。
如果待測流體的流速為V(V≠0)，則在所產(chǎn)生的渦流中，除流速為0時的渦流I1和I2以外，還產(chǎn)生了由待測流體流速矢量v所引起的分量v×Bb和v×Bc。為此，如圖8所示指出了由流速矢量v和磁場Bb所引起的渦流Iv1以及由流速矢量v和磁場Bc所引起的渦流Iv2。因此，由流速矢量v和磁場Bb所產(chǎn)生的電極間電動勢Ev1與由流速矢量v和磁場Bc所產(chǎn)生的電極間電動勢Ev2具有相同的方向。
考慮參考圖7和8所描述的電極間電動勢方向，令E61為對由磁場瞬時變化而引起的電極間電動勢和由待測流體流速而引起的電極間電動勢進行組合所獲得的總電極間電動勢的角頻率ω1分量的電動勢。在這種情況下，用類似于式(20)的下式來表示電極間電動勢E61E61＝rk·ω1·b7·exp{j·(π/2+θ7+θ00)}+rkv·b7·exp{j·(θ7+θ01)} …(50)令E62為對由磁場瞬時變化而引起的電極間電動勢和由待測流體流速而引起的電極間電動勢進行組合所獲得的總電極間電動勢的角頻率ω2分量的電動勢。在這種情況下，用類似于式(20)的下式來表示電極間電動勢E62E62＝rk·ω2·b8·exp{j·(π/2+θ8+θ00)}+rkv·b8·exp{j·(θ8+θ01)} …(51)
假定ω1＝ω0-Δω，ω2＝ω0+Δω，θ8＝θ7+Δθ8代表磁場B7相對于ω1·t的相位滯后θ7與磁場B8相對于ω2·t的相位滯后θ8之間的關(guān)系，θ01＝θ00+Δθ01代表矢量Va相對于虛軸的角θ00與矢量Vb相對于實軸的角θ01之間的關(guān)系。在這種情況下，把θ01＝θ00+Δθ01、ω1＝ω0-Δω及式(18)代入式(50)時所獲得的電極間電動勢E61由下式給出E61＝rk·(ω0-Δω)·b7·exp{j·(π/2+θ7+θ00)}+γ·rk·V·b7·exp{j·(θ7+θ00+Δθ01)}＝rk·exp{j·(θ7+θ00)}·b7·{(ω0-Δω)·exp(j·π/2)+γ·V·exp(j·Δθ01)} …(52)把θ8＝θ7+Δθ8、θ01＝θ00+Δθ01、ω2＝ω0+Δω及式(18)代入式(51)所得到的電極間電動勢E62由下式給出E62＝rk·(ω0+Δω)·b8·exp{j·(-π/2+θ7+Δθ8+θ00)}+γ·rk·V·b8·exp{j·(θ7+Δθ8+θ00+Δθ01)}＝rk·exp{j·(θ7+θ00)}·b8·exp(j·Δθ8)·[(ω0+Δω)·exp{(j·(-π/2))+γ·V·exp(j·Δθ01)} …(53)根據(jù)式(52)和(53)，電極間電動勢E61和E62之和Es6及它們之差Ed6由下式給出Es6＝E61+E62＝rk·exp{j·(θ7+θ00)}·b7·{(ω0-Δω)·exp(j·π/2)+γ·V·exp(j·Δθ01)}+rk·exp{j·(θ7+θ00)}·b8·exp(j·Δθ8)·[(ω0+Δω)·exp{(j·(-π/2))+γ·V·exp(j·Δθ01)]＝rk·exp{j·(θ7+θ00)}·[ω0·exp(j·π/2)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}-Δω·exp(j·π/2)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)}]…(54)Ed6＝E61-E62＝rk·exp{j·(θ7+θ00)}·b7·{(ω0-Δω)·exp(j·π/2)+γ·V·exp(j·Δθ01)}-rk·exp{j·(θ7+θ00)}·b8·exp(j·Δθ8)
·[(ω0+Δω)·exp{(j·(-π/2))+γ·V·exp(j·Δθ01)}＝rk·exp{j·(θ7+θ00)}·[ω0·exp(j·π/2)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)}-Δω·exp(j·π/2)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}]…(55)如果在初始狀態(tài)下(標定的時候)把由第一勵磁線圈3a所產(chǎn)生的磁場B7設(shè)為等于由第二勵磁線圈3b所產(chǎn)生的磁場B8，則后來磁場B7與B8之差將減小。因此，以下表達式成立|b7+b8·exp(j·Δθ8)|＞＞|b7-b8·exp(j·Δθ8)| …(56)在式(56)中，|b7+b8·exp(j·Δθ8)|代表復(fù)矢量b7+b8·exp(j·Δθ8)的振幅，且|b7-b8·exp(j·Δθ8)|代表復(fù)矢量b7-b8·exp(j·Δθ8)的振幅。
另外，因為ω0＞γ·V及ω0＞Δω一般成立，所以考慮到式(56)所代表的條件，在式(55)中以下條件一般成立。
|ω0·exp(j·π/2)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)|＞＞|-Δω·exp(j·π/2)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}|…(57)在式(57)中，|ω0·exp(j·π/2)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)|代表復(fù)矢量ω0·exp(j·π/2)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)的振幅，|-Δω·exp(j·π/2)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}|代表復(fù)矢量-Δω·exp(j·π/2)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}的振幅。
以下表達式代表利用表達式(57)的條件來表示近似于電動勢差Ed6的電極間電動勢EdA6。
EdA6≅Ed6···(58)]]>EdA6＝rk·exp{j·(θ7+θ00)}·[ω0·exp(j·π/2)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)}] …(59)電極間電動勢EdA6與流速大小V無關(guān)，因此只是由A/t所產(chǎn)生的分量。電極間電動勢EdA6用于對電動勢和Es6(合成矢量Va+Vb)中的v×B分量的流速大小V所乘的系數(shù)(量程)進行標準化。圖9是用復(fù)矢量形式來表示上述電極間電動勢E61、E62和EdA6及電動勢差Ed6的視圖。參考圖9，附圖標記E61v×B表示電極間電動勢E61的v×B分量rk·exp{j·(θ7+θ00)}·b7·γ·V·exp(j·Δθ01)；E62v×B表示電極間電動勢E62的v×B分量rk·exp{j·(θ7+θ00)}·γ·V·exp(j·Δθ01)·b8·exp(j·Δθ8)；E61A/t代表電極間電動勢E61的A/t分量rk·exp{j·(θ7+θ00)}·(ω0-Δω)·exp(j·π/2)·b7；E62A/t代表電極間電動勢E62的A/t分量rk·exp{j·(θ7+θ00)}·(ω0+Δω)·exp{(j·(-π/2))·b8·exp(j·Δθ8)。
令En6為為了通過用式(59)所給出的電極間電動勢EdA6對式(54)所給出的電動勢和Es6進行標準化、并使電動勢和乘以ω0所獲得的結(jié)果，該標準化電動勢En6由式(60)給出En6＝(Es6/EdA6)·ω0＝rk·exp{j·(θ7+θ00)}·[ω0·exp(j·π/2)·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}-Δω·exp(j·π/2)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)}]/[rk·exp{j·(θ7+θ00)}·ω0·exp(j·π/2)·{b7+b8·exp(j·Δθ8)}]·ω0＝ω0·{b7-b8·exp(j·Δθ8)}/{b7+b8·exp(j·Δθ8)}-Δω+[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]·V …(60)式(60)右邊第三項是通過利用由A/t所產(chǎn)生的分量對由v×B所產(chǎn)生的分量進行標準化所得到的項。圖10是以復(fù)矢量形式表示以上標準化處理的方式的視圖。參考圖10，附圖標記Es6v×B表示電動勢和Es6的v×B分量；n(v×B)分量代表標準化的v×B分量[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]·V。使通過用電極間電動勢EdA6對電動勢和Es6進行標準化所得到的結(jié)果乘以ω0的原因是，從與流速大小V關(guān)聯(lián)的右邊第三項中消除勵磁角頻率ω0。根據(jù)式(60)，流速大小V所乘的復(fù)系數(shù)的大小為γ，且相對于實軸的角度為-π/2+Δθ01。系數(shù)γ和角度Δθ01是可以預(yù)先通過標定等而獲得的常數(shù)，并且式(60)右邊第三項保持為常數(shù)，除非待測流體的流速變化。
利用A/t分量對v×B分量進行標準化使得有可能實現(xiàn)對由于磁場漂移或相位變化而引起的誤差進行自動校正的量程校正。假定從垂直于測量管道軸PAX且包括電極2a和2b的平面PLN到第一勵磁線圈3a的距離d1基本上等于平面PLN到第二勵磁線圈3b的距離d2。在這種情況下(b1≅b2),]]>如果b7≅b8]]>且Δθ8≅0,]]>則按照式(61)來如下表示流速大小VV＝|(En6+Δω)/[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]|＝|(En6+Δω)/γ| …(61)表2示出了上述基本原理中所使用的常數(shù)和變量與該實施例中的常數(shù)和變量之間的對應(yīng)關(guān)系。由表1顯然看出，該實施例是具體實現(xiàn)上述基本原理的一個例子。
基本原理與第一實施例的對應(yīng)關(guān)系

接下來將描述該實施例的電磁流量計的具體配置及其操作。圖11是示出根據(jù)該實施例的電磁流量計的配置的框圖。和圖21中一樣的附圖標記表示圖6中的相同部件。根據(jù)該實施例的電磁流量計包括測量管道1；電極2a和2b；第一和第二勵磁線圈3a和3b；電源單元4a，該電源單元4a向第一和第二勵磁線圈3a和3b提供勵磁電流；信號轉(zhuǎn)換單元5a，該信號轉(zhuǎn)換單元5a獲得由電極2a和2b所檢測到的合成電動勢的第一和第二頻率的兩個頻率分量的振幅和相位，并根據(jù)該合成電動勢的振幅和相位來提取這兩個頻率分量之間的電動勢差，作為A/t分量；以及流量輸出單元6a，該流量輸出單元6a去除由電極2a和2b所檢測到的合成電動勢的兩個頻率分量的電動勢和中的v×B分量所包含的量程變化因素，并從通過去除變化因素所獲得的結(jié)果來計算待測流體的流量。第一和第二勵磁線圈3a和3b及電源單元4a組成了勵磁單元，向待測流體施加關(guān)于平面PLN不對稱的時變磁場。
假定在該實施例中，如上所述，平面PLN到第一勵磁線圈3a的距離d1幾乎等于平面PLN到第二勵磁線圈3b的距離d2。
電源單元4a向勵磁線圈3a提供具有第一角頻率ω1＝ω0-Δω的第一正弦波勵磁電流，同時向第二勵磁線圈3b提供具有第二角頻率ω2＝ω0+Δω的第二正弦波勵磁電流。在這種情況下，第一和第二正弦波勵磁電流的振幅相同。
圖12是示出信號轉(zhuǎn)換單元5a和流量輸出單元6a的操作的流程圖。首先，信號轉(zhuǎn)換單元5a使相位檢測器(未示出)獲得電極間電動勢E61和E62之間的電動勢和Es6的振幅rs6，以及實軸與電動勢和Es6之間的相位差φs6。另外，信號轉(zhuǎn)換單元5a使相位檢測器(未示出)獲得電極間電動勢E61和E62之間的電動勢差Ed6的振幅rd6，以及實軸與電動勢差Ed6之間的相位差φs6(圖12中的步驟S201)。電極間電動勢E61和E62可以利用帶通濾波器和梳狀濾波器來分離頻率。
然后，信號轉(zhuǎn)換單元5a按照下式來計算電動勢和Es6的實軸分量Es6x和虛軸分量Es6y，以及電動勢差Ed6的實軸分量Ed6x和虛軸分量Ed6y(步驟S202)Es6x＝rs6·cos(φs6) …(62)Es6y＝rs6·sin(φs6) …(63)Ed6x＝rd6·cos(φd6) …(64)Ed6y＝rd6·sin(φd6) …(65)在計算式(62)至(65)之后，信號轉(zhuǎn)換單元5a獲得近似于電動勢差Ed6的電動勢EdA6的振幅和角度(步驟S203)。步驟S203的處理對應(yīng)于獲得A/t分量和v×B分量的處理，并等效于式(59)的計算。信號轉(zhuǎn)換單元5a按照下式來計算近似于電動勢差Ed6的電動勢EdA6的振幅|EdA6||EdA6|＝(Ed6x2+Ed6y2)1/2…(66)
然后，信號轉(zhuǎn)換單元5a按照下式來計算電極間電動勢EdA6關(guān)于實軸的角度∠EdA6∠EdA6＝tan-1{(Ed6y/Ed6x)} …(67)利用以上操作完成步驟S203的處理。
然后，流量輸出單元6a獲得通過用電極間電動勢EdA6對電動勢和Es6進行標準化所得到的標準化電動勢En6的振幅和角度(步驟S204)。步驟S204的處理等效于式(60)的計算。流量輸出單元6a按照下式來計算標準化電動勢En6的振幅|En6||En6|＝(rs6/|EdA6|)·ω0 …(68)流量輸出單元6a也按照下式來計算標準化電動勢En6關(guān)于實軸的角度∠En6∠En6＝φs6-∠EdA6 …(69)利用該操作完成步驟S204的處理。
然后，流量輸出單元6a計算待測流體的流速大小V(步驟S205)。步驟S205的處理對應(yīng)于式(61)的計算。流量輸出單元6a按照下式來計算(En6+Δω)的實軸分量En6x和虛軸分量En6yEn6x＝|En6|cos(∠En6)+Δω …(70)En6y＝|En6|sin(∠En6) …(71)然后，流量輸出單元6a按照下式來計算待測流體的流速大小V＝(En6x2+En6y2)1/2/γ …(72)利用該操作完成步驟S205的處理。信號轉(zhuǎn)換單元5a和流量輸出單元6a每預(yù)定周期執(zhí)行上述步驟S201至S205的處理，直到例如操作者指示測量結(jié)束為止(步驟S206‘是’)。
如上所述，該實施例注意到當從勵磁線圈3a和3b向待測流體施加具有相同大小和不同頻率的磁場時，電極2a和2b之間的電動勢的角頻率ω1分量的電動勢E61與角頻率ω2分量的電動勢E62之間的電動勢差Ed6可以被執(zhí)行為A/t分量。因此，該實施例被配置成，利用A/t分量對電動勢和Es6(合成矢量Va+Vb)中的v×B分量的流速大小V進行標準化，由此消除量程變化要素。因此，該實施例能夠自動執(zhí)行精確的量程校正，并能夠執(zhí)行精確的流量測量。
注意，該實施例舉例說明了提取電極間電動勢E61和E62之間電動勢差Ed6、并利用所提取的電動勢差Ed6來標準化電動勢和Es6的情況。然而，本發(fā)明不限于此。可以提取電動勢和Es6來近似作為A/t分量，并可以利用該At分量來對電動勢差Ed6標準化。
接下來將描述本發(fā)明第三實施例。除了向電磁流量計添加一對電極以外，該實施例和第一實施例相同，并且該實施例把第二提取方法用作提取A/t分量的矢量Va的方法，并把第二校正方法用作量程校正方法。即，該實施例的電磁流量計包括一個勵磁線圈和兩對電極。如果把要新加的第二電極放在和現(xiàn)有第一電極相同的一側(cè)，則所得配置是第一實施例的冗余配置。因此，需要把第二電極放在相對于勵磁線圈與第一電極不同的一側(cè)。
圖13是用于說明根據(jù)該實施例的電磁流量計的原理的框圖。該電磁流量計包括測量管道1；第一電極2a和2b以及第二電極2c和2d，它們被布置在測量管道中與施加于待測流體的磁場及測量管道軸PAX都垂直，且彼此相對以便和待測流體接觸，并且檢測由磁場和待測流體的流速所產(chǎn)生的電動勢；以及勵磁線圈3，在垂直于測量管道軸PAX且包括第一電極2a和2b的平面用作平面PLN1、且垂直于測量管道軸PAX且包括第二電極2c和2d的平面用作平面PLN2的情況下，該勵磁線圈3向待測流體施加在以平面PLN1為界的測量管道1前側(cè)和后側(cè)不對稱的時變磁場，并向待測流體施加在以平面PLN2為界的測量管道1前側(cè)和后側(cè)不對稱的時變磁場。
第一電極2a和2b例如位于在上游側(cè)與平面PLN3相距一偏移距離d3的位置，該平面PLN3包括勵磁線圈3的軸、且垂直于測量管道軸PAX的方向。第二電極2c和2d例如位于在下游側(cè)與平面PLN3相距一偏移距離d4的位置，以便通過平面PLN3與第一電極2a和2b相對。
假定由下式給出，由勵磁線圈3所產(chǎn)生的磁場Bb在連接電極2a和2b的電極軸EAX1上的、與電極軸EAX1及測量管道軸PAX都垂直的磁場分量(磁通密度)B9，以及由勵磁線圈3所產(chǎn)生的磁場Bd在連接電極2c和2d的電極軸EAX2上的、與電極軸EAX2及測量管道軸PAX都垂直的磁場分量(磁通密度)B10B9＝b9·cos(ω0·t-θ9)…(73)B10＝b10·cos(ω0·t-θ10) …(74)然而，注意，因為磁場B9和B10是由同一勵磁線圈3所產(chǎn)生的，所以b9和b10以及θ9和θ10是相互關(guān)聯(lián)的，而不是獨立變量。在式(73)和(74)中，附圖標記b9和b10表示磁通密度B9和B10的振幅；ω0表示角頻率；θ9和θ10表示磁通密度B9和B10與ω0·t之間的相位差(相位延遲)。磁通密度B9和B10以下將分別被稱為磁場B9和B10。
如果待測流體的流速為0，則所產(chǎn)生的渦流只是由磁場變化所引起的分量。如圖14指出了由磁場Bd的變化所引起的渦流I的方向。因此，如圖14所示，在包括電極軸EAX1和測量管道軸PAX的平面內(nèi)，由磁場Bd變化在電極2a和2b之間產(chǎn)生的與流速無關(guān)的電動勢E1的方向和由磁場Bd變化在電極2c和2d之間產(chǎn)生的與流速無關(guān)的電動勢E2的方向彼此相反。
如果待測流體的流速為V(V≠0)，則在所產(chǎn)生的渦流中，除了流速為0時所產(chǎn)生的渦流I，還產(chǎn)生了由待測流體的流速矢量v所引起的分量v×Bd。為此，如圖15所示指出了由流速矢量v和磁場Bd所引起的渦流Iv的方向。因此，由流速矢量v和磁場Bd在電極2a和2b之間產(chǎn)生的電動勢Ev1的方向與由流速矢量v和磁場Bd在電極2c和2d之間產(chǎn)生的電動勢Ev2的方向相同。
考慮參考圖14和15所描述的電極間電動勢的方向，用類似于式(20)的下式來表示，通過對由磁場瞬時變化引起的電極間電動勢和由待測流體流速引起的電極間電動勢進行組合所得到的電極2a和2b間第一電動勢E71E71＝rk·ω0·b9·exp{j·(π/2+θ9+θ00)}+rkv·b9·exp{j·(θ9+θ01)} …(75)用類似于式(20)的下式來表示，通過對由磁場瞬時變化引起的電極間電動勢和由待測流體流速引起的電極間電動勢進行組合所得到的電極2c和2d間第二電動勢E72E72＝rk·ω0·b10·exp{j·(-π/2+θ10+θ00)}+rkv·b10·exp{j·(θ10+θ01)} …(76)按照式(75)和(76)，由下式給出第一電極間電動勢E71和第二電極間電動勢E72之和Es7及它們之差Ed7Es7＝E71+E72＝rk·ω0·b9·exp{j·(π/2+θ9+θ00)}+rkv·b9·exp{j·(θ9+θ01)}+rk·ω0·b10·exp{j·(-π/2+θ10+θ00)}+rkv·b10·exp{j·(θ10+θ01)} …(77)Ed7＝E71-E72＝rk·ω0·b9·exp{j·(π/2+θ9+θ00)}+rkv·b9·exp{j·(θ9+θ01)}-rk·ω0·b10·exp{j·(-π/2+θ10+θ00)}-rkv·b10·exp{j·(θ10+θ01)} …(78)假定θ10＝θ9+Δθ10代表磁場B9關(guān)于ω0·t的相位滯后θ9與磁場B10關(guān)于ω0·t的相位滯后θ10之間的關(guān)系，θ01＝θ00+Δθ01代表矢量Va相對于虛軸的角θ00與矢量Vb相對于實軸的角θ01之間的關(guān)系。在這種情況下，當把θ10＝θ9+Δθ10、θ01＝θ00+Δθ01及式(18)代入式(77)和(78)時，電動勢和Es7和電動勢差Ed7由下式給出Es7＝rk·ω0·b9·exp{j·(π/2+θ9+θ00)}+γ·rk·V·b9·exp{j·(θ9+θ00+Δθ01)}+rk·ω0·b10·exp{j·(-π/2+θ9+Δθ10+θ00)}+γ·rk·V·b10·exp{j·(θ9+Δθ10+θ00+Δθ01)}＝rk·exp{j·(θ9+θ00)}·[ω0·exp(j·π/2)·{b9-b10·exp(j·Δθ10)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b9+b10·exp(j·Δθ10)}]…(79)
Ed7＝rk·ω0·b9·exp{j·(π/2+θ9+θ00)}+γ·rk·V·b9·exp{j·(θ9+θ00+Δθ01)}-rk·ω0·b10·exp{j·(-π/2+θ9+Δθ10+θ00)}-γ·rk·V·b10·exp{j·(θ9+Δθ10+θ00+Δθ01)}＝rk·exp{j·(θ9+θ00)}·[ω0·exp(j·π/2)·{b9+b10·exp(j·Δθ10)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b9-b10·exp(j·Δθ10)}]…(80)如果從包括勵磁線圈3的軸的平面PLN3到連接電極2a和2b的電極軸EAX1的距離d3幾乎等于平面PLN3到連接電極2c和2d的電極軸EAX2的距離d4，并在初始狀態(tài)下(標定的時候)把磁場B9設(shè)為和磁場B10相等，則此后磁場B9和B10之差將減小。因此，以下表達式成立|b9+b10·exp(j·Δθ10)|＞＞|b9-b10·exp(j·Δθ10)| …(81)在表達式(81)中，|b9+b10·exp(j·Δθ10)|代表復(fù)矢量b9+b10·exp(j·Δθ10)的振幅，且|b9-b10·exp(j·Δθ10)|代表復(fù)矢量b9-b10·exp(j·Δθ10)的振幅。
另外，因為ω0＞γ·V一般成立，所以考慮到式(81)所代表的條件，在式(80)中以下條件一般成立。
|ω0·exp(j·π/2)·{b9+b10·exp(j·Δθ10)|＞＞|γ·V·exp(j·Δθ01)·{b9-b10·exp(j·Δθ10)}| …(82)在表達式(82)中，|ω0·exp(j·π/2)·{b9+b10·exp(j·Δθ10)|代表復(fù)矢量ω0·exp(j·π/2)·{b9+b10·exp(j·Δθ10)的振幅，且|γ·V·exp(j·Δθ01)·{b9-b10·exp(j·Δθ10)}|代表復(fù)矢量γ·V·exp(j·Δθ01)·{b9-b10·exp(j·Δθ10)}的振幅。
以下表達式代表利用表達式(82)的條件表示近似于電動勢差Ed7的電極間電動勢EdA6。
EdA7≅Ed7···(83)]]>EdA7＝rk·exp{j·(θ9+θ00)}·ω0·exp(j·π/2)·{b9+b10·exp(j·Δθ10)} …(84)
按照式(84)，可以在不利用二元勵磁頻率的情況下提取由A/t所產(chǎn)生的分量。電極間電動勢EdA7與流速大小V無關(guān)，因此只是由A/t所產(chǎn)生的分量。電極間電動勢EdA7用于對電動勢和Es7(合成矢量Va+Vb)中的v×B分量的流速大小V所乘的系數(shù)(量程)進行標準化。圖16是用復(fù)矢量形式來表示上述電極間電動勢E71、E72和EdA7及電動勢和Es7和電動勢差Ed7的視圖。參考圖16，附圖標記E71v×B表示電極間電動勢E71的v×B分量rk·exp{j·(θ9+θ00)}·b9·γ·V·exp(j·Δθ01)；E72v×B表示電極間電動勢E72的v×B分量rk·exp{j·(θ9+θ00)}·γ·V·exp(j·Δθ01)·b10·exp(j·Δθ10)；E71A/t表示電極間電動勢E71的A/t分量rk·exp{j·(θ9+θ00)}·ω0·exp(j·π/2)·b9；E72A/t表示電極間電動勢E72的A/t分量rk·exp{j·(θ9+θ00)}·ω0·exp{j·(-π/2)}·b10·exp(j·Δθ10)。
令En7為為了通過用式(84)所給出的電極間電動勢EdA7對式(79)所給出的電動勢和Es7進行標準化、并使該標準化結(jié)果乘以ω0所獲得的結(jié)果，該標準化電動勢En7由式(85)給出En7＝(Es7/EdA7)·ω0＝rk·exp{j·(θ9+θ00)}·[ω0·exp(j·π/2)·{b9-b10·exp(j·Δθ10)}+γ·V·exp(j·Δθ01)·{b9+b10·exp(j·Δθ10)}]/[rk·exp{j·(θ9+θ00)}·ω0·exp(j·π/2)·{b9+b10·exp(j·Δθ10)}]·ω0＝ω0·{b9-b10·exp(j·Δθ10)}/{b9+b10·exp(j·Δθ10)}+[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]·V …(85)式(85)右邊第二項是通過利用由A/t所產(chǎn)生的分量對由v×B所產(chǎn)生的分量進行標準化所得到的項。圖17是以復(fù)矢量形式表示以上標準化處理的方式的視圖。參考圖17，附圖標記Es7v×B表示電動勢和Es7的v×B分量；n(v×B)分量表示標準化的v×B分量[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]·V。使通過用電極間電動勢EdA7對電動勢和Es7進行標準化所得到的結(jié)果乘以ω0的原因是，從與流速大小V關(guān)聯(lián)的右邊第二項中消除勵磁角頻率ω0。根據(jù)式(85)，流速大小V所乘的復(fù)系數(shù)的大小為γ，且相對于實軸的角度為-π/2+Δθ01。系數(shù)γ和角度Δθ01是可以預(yù)先通過標定等而獲得的常數(shù)，并且式(85)右邊第二項保持為常數(shù)，除非待測流體的流速變化。
因此，利用A/t分量對v×B分量進行標準化使得有可能實現(xiàn)對由于磁場漂移或相位變化而引起的誤差進行自動校正的量程校正。假定從包括勵磁線圈3的軸的平面PLN3到連接電極2a和2b的電極軸EAX1的距離d3幾乎等于平面PLN3到連接電極2c和2d的電極軸EAX2的距離d4。在這種情況下，如果b9≅b10]]>且Δθ10≅0,]]>則按照式(86)來如下表示流速大小VV＝|En7/[γ·exp{j·(-π/2+Δθ01)}]|＝|En6|/γ …(86)表3示出了上述基本原理中所使用的常數(shù)和變量與該實施例中的常數(shù)和變量之間的對應(yīng)關(guān)系。由表3顯然看出，該實施例是具體實現(xiàn)上述基本原理的一個例子。
表3基本原理和第三實施例之間的對應(yīng)關(guān)系

接下來將描述該實施例的電磁流量計的具體配置及其操作。圖18是示出根據(jù)該實施例的電磁流量計的配置的框圖。和圖13中一樣的附圖標記表示圖18中的相同部件。根據(jù)該實施例的電磁流量計包括測量管道1；第一電極2a和2b及第二電極2c和2d；勵磁線圈3；電源單元4b，該電源單元4b向勵磁線圈3提供勵磁電流；信號轉(zhuǎn)換單元5b，該信號轉(zhuǎn)換單元5b獲得分別由第一電極2a和2b所檢測到的第一合成電動勢以及由第二電極2c和2d所檢測到的第二合成電動勢的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取第一和第二合成電動勢之間的電動勢差作為A/t分量；以及流量輸出單元6b，該流量輸出單元6b根據(jù)所提取的A/t分量來去除第一合成電動勢和第二合成電動勢的電動勢和中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過去除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算待測流體的流量。
在該實施例中，如上所述，從包括勵磁線圈3的軸的平面PLN3到連接電極2a和2b的電極軸EAX1的距離d3幾乎等于平面PLN3到連接電極2c和2d的電極軸EAX2的距離d4。
電源單元4b向勵磁線圈3提供一具有角頻率ω0的正弦波勵磁電流。
該實施例的信號轉(zhuǎn)換單元5b和流量輸出單元6b的處理和第二實施例一樣，因此將利用圖12中的附圖標記來描述信號轉(zhuǎn)換單元5b和流量輸出單元6b的操作。首先，信號轉(zhuǎn)換單元5b使相位檢測器(未示出)獲得第一電極間電動勢E71和第二電極間電動勢E72的電動勢和Es7的振幅rs7，并獲得實軸與該電動勢和Es7之間的相位差φs7。另外，信號轉(zhuǎn)換單元5b使相位檢測器(未示出)獲得第一電極間電動勢E71和第二電極間電動勢E72的電動勢差Ed7的振幅rd7，并獲得實軸與該電動勢差Ed7之間的相位差φd7(圖12中的步驟S201)。電極間電動勢E71和E72可以利用帶通濾波器和梳狀濾波器來分離頻率。
然后，信號轉(zhuǎn)換單元5b按照下式來計算電動勢和Es7的實軸分量Es7x和虛軸分量Es7y，以及電動勢差Ed7的實軸分量Ed7x和虛軸分量Ed7y(步驟S202)Es7x＝rs7·cos(φs7) …(87)Es7y＝rs7·sin(φs7) …(88)Ed7x＝rd7·cos(φd7) …(89)Ed7y＝rd7·sin(φd7) …(90)在計算式(87)至(90)之后，信號轉(zhuǎn)換單元5b獲得近似于電動勢差Ed7的電動勢EdA7的振幅和角度(步驟S203)。步驟S203的處理對應(yīng)于獲得A/t分量和v×B分量的處理，并等效于式(84)的計算。信號轉(zhuǎn)換單元5b按照下式來計算近似于電動勢差Ed7的電動勢EdA7的振幅|EdA7||EdA7|＝(Ed7x2+Ed7y2)1/2…(91)然后，信號轉(zhuǎn)換單元5b按照下式來計算差EdA7關(guān)于實軸的角度∠EdA7∠EdA7＝tan-1{(Ed7y/Ed7x)} …(92)利用以上操作完成步驟S203的處理。
然后，流量輸出單元6b獲得通過用電極間電動勢EdA7對電動勢和Es7進行標準化所得到的標準化電動勢En7的振幅和角度(步驟S204)。步驟S204的處理等效于式(85)的計算。流量輸出單元6b按照下式來計算標準化電動勢En7的振幅|En7||En7|＝(rs7/|EdA7|)·ω0 …(93)流量輸出單元6b也按照下式來計算標準化電動勢En7關(guān)于實軸的角度∠En7∠En7＝φs7-∠EdA7 …(94)利用該操作完成步驟S204的處理。
然后，流量輸出單元6b按照式(86)來計算待測流體的流速大小V(步驟S205)。注意，在獲得流速(流量)的步驟S205中不直接使用∠En7。然而，該角度用于通過對該角度和標定時時所獲得的角度進行比較，來以更高精度執(zhí)行測量，并且與量程校正本質(zhì)操作不直接關(guān)聯(lián)，因此將省略對它的描述。
信號轉(zhuǎn)換單元5b和流量輸出單元6b循環(huán)執(zhí)行上述步驟S201至S205的處理，直到例如操作者指示測量結(jié)束為止(步驟S206‘是’)。
如上所述，該實施例注意到第一電極2a和2b被配置成通過包括勵磁線圈3的軸的平面PLN3與第二電極2c和2d相對，并且在連接電極2a和2b的電極軸EAX1上的磁場B9的大小和連接電極2c和2d的電極軸EAX2上的磁場B10的大小相同。在這種情況下，可以提取第一和第二電極間電動勢E71和E72的電動勢差Ed7，來近似作為A/t分量。利用該A/t分量對電動勢和Es7(合成矢量Va+Vb)中的v×B分量的流速大小V進行標準化，由此消除量程變化要素。因此，該實施例能夠自動執(zhí)行精確的量程校正，并能夠執(zhí)行精確的流量測量。在該實施例中，可以只把ω0用作勵磁角頻率，而不需要如第一至第三實施例中一樣使用兩個勵磁頻率。
注意，該實施例舉例說明了提取第一和第二電極間電動勢E71和E72之間電動勢差Ed7、并利用所提取的電動勢差Ed7來標準化電動勢和Es7的情況。然而，本發(fā)明不限于此。可以提取電動勢和Es7來近似作為A/t分量，并可以利用該At分量來對電動勢差Ed7標準化。
在第一至第三實施例中，因為可以消除同相分量中的噪聲，所以不需要使用矩形波形勵磁方案，并可以使用把正弦波用于勵磁電流的正弦波勵磁方案。這使執(zhí)行高頻勵磁成為可能。利用高頻勵磁使消除1/f噪聲及提高對流量變化的響應(yīng)度成為可能。
作為第一至第三實施例中所使用的電極2a、2b、2c和2d，可以使用如圖19所示的、被形成為從測量管道1的內(nèi)壁暴露并與待測流體接觸的電極，或如圖20所示的不和待測流體接觸的電容耦合型電極。當電極2a、2b、2c和2d為電容耦合型電極時，為它們涂上由測量管道1內(nèi)壁上所形成的陶瓷、特氟隆(注冊商標)等構(gòu)成的內(nèi)襯10。
第一至第三實施例使用一對電極2a和2b作為第一電極及一對電極2c和2d作為第二電極。然而，本發(fā)明不限于此。這些實施例可以使用第一和第二電極的每對電極中的一個電極。如果只使用一個電極，則在測量管道1上設(shè)置用于將待測流體的電勢接地的接地環(huán)或接地電極，并且可以通過信號轉(zhuǎn)換單元5、5a和5b來檢測在這個電極上所產(chǎn)生的電動勢(與地電勢的電勢差)。當使用一對電極時，電極軸是連接這對電極的一條直線。當只使用一個電極時，電極軸是連接實電極和虛電極的一條直線，假定虛電極位于關(guān)于包括這個實電極的平面PLN上的測量管道軸PAX與該實電極相對的位置。
此外，在第一至第三實施例中，在信號轉(zhuǎn)換單元5、5a、5b和流量輸出單元6、6a和6b中，可以用包括中央處理器(CPU)、存儲器和接口的計算機、以及控制這些硬件資源的程序，來實現(xiàn)除用于檢測電動勢的那些部分以外的部件。
工業(yè)實用性本發(fā)明可應(yīng)用于對流入測量管道的待測流體進行流量測量。
權(quán)利要求
1.一種電磁流量計，其特征在于，包括測量管道，待測流體流過所述測量管道；電極，該電極位于所述測量管道中，并檢測由施加于流體的磁場和流體流動所產(chǎn)生的電動勢；勵磁單元，該勵磁單元向流體施加關(guān)于第一平面不對稱的時變磁場，所述第一平面包括所述電極且垂直于所述測量管道的軸方向；信號轉(zhuǎn)換單元，該信號轉(zhuǎn)換單元從基于A/t分量的電動勢和基于由流體流速引起的v×B分量的電動勢的合成電動勢中，提取與流體流速無關(guān)的A/t分量；以及流量輸出單元，該流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量，來消除作為合成電動勢中v×B分量的流速大小V所乘的系數(shù)的量程變化因素，并從通過消除該變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元以多個勵磁頻率向流體施加磁場，以及所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由電極所檢測到的合成電動勢的至少兩個不同頻率分量的每一個的振幅和相位，以提取A/t分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括勵磁線圈，該勵磁線圈位于與第一平面相距一偏移量的位置，所述第一平面包括所述電極且垂直于所述測量管道的軸方向；以及電源單元，該電源單元向該勵磁線圈施加一包含第一頻率和第二頻率這兩個不同頻率分量的勵磁電流，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由電極所檢測到的合成電動勢的第一頻率和第二頻率這兩個頻率分量的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取這兩個頻率分量之間的電動勢差作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除由電極所檢測到的合成電動勢的第一頻率分量中的v×B分量或第二頻率分量中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括勵磁線圈，該勵磁線圈位于與第一平面相距一偏移量的位置，所述第一平面包括所述電極且垂直于所述測量管道的軸方向；以及電源單元，該電源單元向該勵磁線圈施加一包含第一頻率和第二頻率這兩個不同頻率分量的勵磁電流，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由電極所檢測到的合成電動勢的第一頻率和第二頻率這兩個頻率分量的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取這兩個頻率分量之間的電動勢差作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除由電極所檢測到的合成電動勢的第一頻率分量中的v×B分量或第二頻率分量中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元以多個勵磁頻率從多個勵磁線圈向流體施加具有不同勵磁頻率的磁場，以及所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由電極所檢測到的合成電動勢的至少兩個不同頻率分量的每一個的振幅和相位，以提取A/t分量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括第一勵磁線圈，該第一勵磁線圈位于與第一平面相距第一偏移量的位置，該第一平面包括所述第一電極并垂直于所述測量管道的軸方向；第二勵磁線圈，該第二勵磁線圈位于與第一平面相距第二偏移量的位置，以便關(guān)于第一平面與第一勵磁線圈相對；以及電源單元，該電源單元在向第一勵磁線圈提供具有第一頻率的勵磁電流的同時，向第二勵磁線圈提供具有與第一頻率不同的第二頻率的勵磁電流，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由電極所檢測到的合成電動勢的第一頻率和第二頻率這兩個頻率分量的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取這兩個頻率分量之間的電動勢差作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除由電極所檢測到的合成電動勢的兩個頻率分量的電動勢和中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括第一勵磁線圈，該第一勵磁線圈位于與第一平面相距第一偏移量的位置，該第一平面包括所述第一電極并垂直于所述測量管道的軸方向；第二勵磁線圈，該第二勵磁線圈位于與第一平面相距第二偏移量的位置，以便關(guān)于第一平面與第一勵磁線圈相對；以及電源單元，該電源單元在向第一勵磁線圈提供具有第一頻率的勵磁電流的同時，向第二勵磁線圈提供具有與第一頻率不同的第二頻率的勵磁電流，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由電極所檢測到的合成電動勢的第一頻率和第二頻率這兩個頻率分量的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取這兩個頻率分量之間的電動勢差作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除由電極所檢測到的合成電動勢的兩個頻率分量的電動勢和中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括第一勵磁線圈，該第一勵磁線圈位于與第一平面相距第一偏移量的位置，該第一平面包括所述第一電極并垂直于所述測量管道的軸方向；第二勵磁線圈，該第二勵磁線圈位于與第一平面相距第二偏移量的位置，以便關(guān)于第一平面與第一勵磁線圈相對；以及電源單元，該電源單元在向第一勵磁線圈提供具有第一頻率的勵磁電流的同時，向第二勵磁線圈提供具有與第一頻率不同的第二頻率的勵磁電流，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由電極所檢測到的合成電動勢的第一頻率和第二頻率這兩個頻率分量的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取這兩個頻率分量的電動勢和作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除由電極所檢測到的合成電動勢的兩個頻率分量之間的電動勢差中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括第一勵磁線圈，該第一勵磁線圈位于與第一平面相距第一偏移量的位置，該第一平面包括所述第一電極并垂直于所述測量管道的軸方向；第二勵磁線圈，該第二勵磁線圈位于與第一平面相距第二偏移量的位置，以便關(guān)于第一平面與第一勵磁線圈相對；以及電源單元，該電源單元在向第一勵磁線圈提供具有第一頻率的勵磁電流的同時，向第二勵磁線圈提供具有與第一頻率不同的第二頻率的勵磁電流，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由電極所檢測到的合成電動勢的第一頻率和第二頻率這兩個頻率分量的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取這兩個頻率分量的電動勢和作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除由電極所檢測到的合成電動勢的兩個頻率分量之間的電動勢差中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流量計，其特征在于電極包括位于沿測量管道軸方向的不同位置的多個電極，以及所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由這多個電極所檢測到的合成電動勢中的、由至少兩個電極所檢測到的合成電動勢的振幅和相位，以提取A/t分量。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括向流體施加磁場的勵磁線圈以及向該勵磁線圈提供勵磁電流的電源單元，所述電極包括第一電極，該第一電極位于與第二平面相距第一偏移量的位置，該第二平面包括勵磁線圈的軸且垂直于所述測量管道的軸方向；以及第二電極，該第二電極位于與第二平面相距第二偏移量的位置，以便關(guān)于該第二平面與第一電極相對，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由第一電極所檢測到的第一合成電動勢和由第二電極所檢測到的第二合成電動勢的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取第一合成電動勢和第二合成電動勢之間的電動勢差作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除第一合成電動勢和第二合成電動勢的電動勢和中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括向流體施加磁場的勵磁線圈以及向該勵磁線圈提供勵磁電流的電源單元，所述電極包括第一電極，該第一電極位于與第二平面相距第一偏移量的位置，該第二平面包括勵磁線圈的軸且垂直于所述測量管道的軸方向；以及第二電極，該第二電極位于與第二平面相距第二偏移量的位置，以便關(guān)于該第二平面與第一電極相對，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由第一電極所檢測到的第一合成電動勢和由第二電極所檢測到的第二合成電動勢的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取第一合成電動勢和第二合成電動勢之間的電動勢差作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除第一合成電動勢和第二合成電動勢的電動勢和中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括向流體施加磁場的勵磁線圈以及向該勵磁線圈提供勵磁電流的電源單元，所述電極包括第一電極，該第一電極位于與第二平面相距第一偏移量的位置，該第二平面包括勵磁線圈的軸且垂直于所述測量管道的軸方向；以及第二電極，該第二電極位于與第二平面相距第二偏移量的位置，以便關(guān)于該第二平面與第一電極相對，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由第一電極所檢測到的第一合成電動勢和由第二電極所檢測到的第二合成電動勢的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取第一合成電動勢和第二合成電動勢的電動勢和作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除第一合成電動勢和第二合成電動勢之間的電動勢差中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電磁流量計，其特征在于所述勵磁單元包括向流體施加磁場的勵磁線圈以及向該勵磁線圈提供勵磁電流的電源單元，所述電極包括第一電極，該第一電極位于與第二平面相距第一偏移量的位置，該第二平面包括勵磁線圈的軸且垂直于所述測量管道的軸方向；以及第二電極，該第二電極位于與第二平面相距第二偏移量的位置，以便關(guān)于該第二平面與第一電極相對，所述信號轉(zhuǎn)換單元獲得由第一電極所檢測到的第一合成電動勢和由第二電極所檢測到的第二合成電動勢的振幅和相位，并根據(jù)這些振幅和相位來提取第一合成電動勢和第二合成電動勢的電動勢和作為A/t分量，以及所述流量輸出單元根據(jù)所提取的A/t分量來消除第一合成電動勢和第二合成電動勢之間的電動勢差中的v×B分量中所包含的量程變化因素，并從通過消除量程變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。
全文摘要
一種電磁流量計，包括測量管道(1)，流體流過該測量管道(1)；電極(2a、2b)，該電極(2a、2b)檢測由施加于流體的磁場和流體流動所產(chǎn)生的電動勢；勵磁線圈(3)，該勵磁線圈(3)向流體施加關(guān)于一平面(PLN)不對稱的磁場，該平面(PLN)包括電極(2a、2b)、并垂直于測量管道的軸方向；信號轉(zhuǎn)換單元(5)，該信號轉(zhuǎn)換單元(5)從由電極(2a、2b)所檢測到的、基于與流體流速無關(guān)的A/t分量的電動勢和基于由流體流速引起的v×B分量的電動勢的合成電動勢中，提?、夾/t分量；以及流量輸出單元(6)，該流量輸出單元(6)根據(jù)該A/t分量來消除作為施加于合成電動勢中v×B分量的流速大小V的系數(shù)的量程變化因素，并從通過消除該變化因素所獲得的結(jié)果來計算流體的流量。勵磁線圈向流體施加包括多個頻率的磁場。
文檔編號G01F1/60GK1946988SQ200580012238
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者山本友繁 申請人:株式會社山武