在磁感应流量计中用于预知维护的方法和/或用于确定电导率的方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于预知维护磁感应流量计的方法和/或一种用于确定沿纵轴方向流经磁感应流量计测量管的介质的电导率的方法。磁感应流量计包括以下部件：
-磁铁系统，其产生基本垂直于测量管轴线贯穿测量管的磁场；
-至少两个与介质耦合的测量电极，它们具有限定的静止电位并且设置在测量管的基本垂直于磁场的区域中；和
-控制/分析单元，其基于在测量电极中感生的测量电压提供有关测量管中的介质的体积或质量流量的信息。
背景技术
相应的磁感应流量计可以从申请人处得到且具有多种实施方式，诸如以商标PROMAG销售的产品。
DE 103 56 007 B3中公开了一种磁感应流量计，其提供附加的优点。为了实现这个附加的优点，在测量电极和参考电极或物位监控电极之间施加电流。这里，测量电极之间存在的电压被测量，并且从测量电压与施加的电流之比确定第一电阻值。然后，将第一测量电极替换为第二测量电极并且重复上述方法步骤，从而获得第二电阻值。通过形成两个确定的电阻值之间的差或商，当形成的比例或形成的差位于预定的值域之外时，断定两个测量电极之一临界覆盖。这种流量计的缺点是，通过施加电流，每一测量电极都偏离静止电位，即，静止电位漂移。为了之后能够执行正确的流量测量，必须等待，直到再次达到平衡状态。由于可用的测量时间较少，所以流量计的测量精度降低。
EP 0 336 615 B1公开了一种磁感应流量计，其允许同时确定经过流量计测量管的介质的流量以及介质的电导率。该流量计包括在“技术领域”部分中提到的部件。除了已知的流量计之外，这一欧洲专利公开文献记载的技术方案包括用于从输出信号产生代表介质电导率的电导率信号的装置，其中所述输出信号是同样作为流量测量信号而从两个测量电极产生的。为此，除了用于磁铁系统的交变的矩形激励信号之外，还提供了一个装置用于产生通过相应的控制而在激励信号的每一半周期开始时施加于磁铁系统的电子脉冲。
US 6,804,613公开了一种电磁流量计，其除了能够确定有关流量的信息之外，还可以确定关于空管检测、粘附于测量电极的沉淀或者流经测量管的介质的电导率的信息。为此，在两个测量电极之一以及接地电极之间施加诊断信号。相应的诊断信号发生器或者是恒流源或者是恒压源，其中诊断信号发生器使用交变信号，该交变信号的频率是在磁铁系统的激励电路中使用的激励频率的整数倍。另外，提供诊断电路，其将磁铁系统的激励频率与诊断信号的频率同步。特别地，通过测量测量电极的电阻或者通过测量在测量电极和接地电极之间的电阻，确定介质的电导率或者在测量电极上地沉淀形成。
已知方法的缺点是，这里假设液体的测量电阻与介质的电导率具有唯一的关系。在较高电导率的范围中，电导率测量单元的测量范围由于从测量电极到液体的相变而受到限制。相变的阻抗仅仅在理想情况中才是纯电容性的；在实际情况中，相变的阻抗也具有欧姆部分。如果这个部分与介质的欧姆阻抗相比不再是可忽略的，那么介质的测量电导率包含误差。结果，电导率测量单元的测量范围具有上限。
为了消除这个弊端，EP 0 990 984 B1公开了一种改进的用于确定液体介质电导率的测量单元。特别地，液体介质是用于pH电极的标定溶液。这里，在交变电压的至少两个频率值确定延伸进入液体的测量单元的阻抗。从确定的阻抗值，基于等效电路确定与频率无关的参数以及电阻值，由此确定电导率。等效电路由电容器和欧姆电阻及电子元件的并联连接构成，其中电容器代表测量单元的电容，欧姆电阻代表测量单元内部的液体的期望电阻，电子元件与欧姆电阻串联连接且具有与频率无关的相位的电子元件。在这至少两个频率值中的每一个的情况中，确定测量单元的阻抗的实部和虚部。然后，从确定的值计算与频率无关的参数和期望电阻。于是，完成了电导率的计算。
【发明内容】
本发明的目的是实现一种流量计，它除了提供流量测量值之外，还提供有关介质电导率或者测量电极处的物理变化的信息。
这个目的通过以下特征实现：一个具有第一频率的第一激励信号以及至少一个具有第二频率的第二激励信号，或者一个包含至少两个频率的激励信号被施加于测量电极，使得激励信号的平均值至少大致与测量电极的电极电位的平均值一致；并且基于至少一个在测量电极和参考电位(接地电极、接地环等)之间测量的阻抗值，识别介质的电导率和/或在测量电极上的变化。测量电极上的变化可能或者由于形成沉淀或者由于腐蚀而引起。
优选地，具有第一频率的第一脉冲序列以及具有第二频率的第二脉冲序列被用作激励信号。两个脉冲序列优选地在两个顺序的测量周期中被施加于测量电极，这里优选地是，与磁场的切换同步或异步。当然，其中施加脉冲序列的两个测量周期既不必彼此紧随也不必如已经介绍的那样与磁场的切换同步。而是，脉冲序列既可以与磁场的切换同步地施加于测量电极，也可以与磁场的切换异步地施加于测量电极。脉冲序列例如是由矩形脉冲构成的序列。然而，本发明也可以使用其他类型的脉冲序列，例如正弦波脉冲。
在该方法的另一实施例中，使用具有大量频率的伪噪声即频谱作为激励信号。相应的激励信号也被称为数字白噪声。反过来，单个的脉冲优选地具有矩形形状。其他的测试或激励信号是多频信号，其可以最优地匹配特定的测量问题。
为了提高测量精度，具有优点的是作为激励信号使用这样的一种信号，其中在从时域转变到频域之后边频带强烈衰减。
根据本发明的方法的一个具有优点的实施例，采取以下步骤：
-以预定的时间间隔，中断流量测量并且保存或冻结最后测量的流量测量值；
-在流量测量的第一次中断时，将具有第一频率的第一激励信号施加于测量电极，并且在流量测量的第二次中断时，将具有第二频率的第二激励信号施加于测量电极；
-基于至少一个确定的阻抗值，确定电导率，或者识别在测量电极上是否发生了变化。
特别地，依赖于介质确定在确定阻抗值时的脉冲序列或者至少两个具有不同频率的脉冲序列的最优频率和/或最优幅度值。优选地，施加于测量电极的信号的频率在10Hz至10kHz之间。在一个实施例中，例如选择四个频率：60Hz、110Hz、440Hz和1.1kHz。在选择频率时，特别应当注意它们不与磁场的工频或者切换频率一致。为了确定电导率而选择的频率越多，阻抗的绝对值谱和相位谱越精确，并且因而可以确定电导率。
在最简单的情况中，为了确定电导率仅仅利用阻抗值的实部也就是绝对值。为此，连续地将至少两个具有不同频率的脉冲序列施加于测量电极。如果阻抗值的绝对值在公差限度内相等，那么认为在阻抗值的绝对值大致恒定且因而与电导率存在函数关系的范围中实现了测量。于是，可以作出关于介质电导率的可靠论断。
作为替代，脉冲序列的频率连续改变。除了绝对值之外，还可以确定阻抗值的相位值。在阻抗的相移最小时的频率处，利用阻抗的相应绝对值来确定电导率。当然，另一种选择是确定在整个频谱上的阻抗值以及由此高度精确地确定电导率以及测量电极上的变化。
于是，在本发明的方法的一个具有优点的实施例中，在至少两个频率处，确定幅度值或幅度谱或者说阻抗值的实部以及相位值或相位谱或者说相应阻抗值的虚部，并且基于实部和虚部确定独立于频率的参数，特别是介质的n、Q和电阻或电导率。原理上，正如EP 0 990 894中所公开的，为此在不同的频率进行两次测量就足够。执行的测量越多，确定电导率时的测量误差越小。
这里优选的是：将等效电路图应用于每一确定的阻抗值，其中等效电路图是由电容器与欧姆电阻以及与欧姆电阻串联连接的电子元件Z的并联连接形成的，其中电容器代表测量电极的电容，欧姆电阻代表在测量电极的电位和参考电位之间介质的期望电阻，电子元件Z具有独立于频率的相位的，其中元件Z由以下阻抗表达：
ZCPE=1Q·(2πf·i)n]]>
其中n和Q是两个独立于频率的参数。
另外，在本发明的方法的一个具有优点的实施例中，以预定的时间间隔，将独立于频率的参数Q的实际值与在流量计的预定起始点确定的Q的期望值比较，并且当Q的实际值与期望值之间的偏差超过预定的容差范围时，以信号表示测量电极的表面发生变化。变化或者可能由于测量电极上形成了沉淀，或者可能由于测量电极上的腐蚀。
正如已经叙述的，进一步，脉冲序列的频率连续改变，直至确定的阻抗值的相位值(虚部)达到最小值；以及在相位值最小时的脉冲序列的频率处，利用阻抗值的相关联的幅度值(实部)来确定介质的电阻或电导率。优选地，与流量测量值同时地提供用于过程监控的介质电导率值。特别地，在每一测量周期提供流量测量值，而以较大的约为1ms的间隔提供电导率值。可以以更大的间隔进行传感器诊断，特别是监控测量电极上的变化。这里，有意义的是测量完整的频谱，这样的步骤相应地相当耗时。由于测量电极上的变化在较长的时间期间发生，所以可以为此应用时间密集的幅度和/或相位谱分析。通过比较历史数据，可以检测到在测量电极上的沉淀形成或腐蚀。
【附图说明】
现在根据附图详细解释本发明，附图中：
图1是磁感应流量计的示意图，其中实施了本发明的方法；
图2是具有两个平行的测量电极的测量布置的示意图；
图3显示了在测量电解质溶液的电导率时直流电流i与端电压ET的函数关系；
图4示意性显示了电气双层；
图5示意性显示了在利用磁感应流量计进行测量的情况中，在测量电极和接地电极之间的电力线；
图6是根据本发明的方法用于确定电导率以及测量电极上的物理变化的等效电路图；
图7a是对于不同的介质电导率，阻抗的绝对值与频率的图表关系；
图7b是对于不同的介质电导率，阻抗的相位与频率的图表关系；
图8显示了用于执行本发明的方法的优选电路；
图9显示了叠加于磁场的切换频率之上且具有频率f1的激励信号；
图10显示了施加于测量电极的激励信号；和
图11是分压器的电路图。
【具体实施方式】
图1显示了本发明的装置1的一个实施例的示意图。介质11沿测量管轴线3的方向流经测量管2。介质11至少略微导电。
测量管2在其内表面上内衬有衬里18；衬里18由绝缘材料制成，该绝缘材料可以是高度化学稳定和/或机械稳定的。
垂直于介质11流动方向的磁场B由磁铁系统产生，该磁铁系统例如是两个在直径上相对设置的线圈布置6、7或者是两个电磁铁。在磁场B的影响下，位于介质11中的载流子依赖于极性而迁移至两个极性相对的测量电极4、5。在测量电极4、5上产生的测量电压与在测量管2的截面上平均的介质11流速成正比，即，是测量管2中的介质11的体积流量的量度。另外，测量管2经由连接件(例如，图3中所见的法兰)与未显示的管道系统相连，介质11流经该管道系统。
在所示的情况中，两个测量电极4、5是直接接触介质11的按钮状测量电极。当然，本发明也可以使用棒状电极或所有其他已知类型的测量电极。
测量电极4、5经由连接线12、13与控制/分析单元8相连。通过连接线14、15实现线圈布置6、7和控制/分析单元8之间的连接。控制/分析单元8经由连接线16与输入/输出单元9相连。为控制/分析单元8分配存储单元10。
根据本发明，利用已知的磁感应流量计确定电导率χ。基本上，为了提供在测量电导G和均匀介质的电导率χ之间的关系，必须知道相关的测量系统的几何结构。测量系统的几何结构通常可以通过恒定的数字值而描绘，该数字值被称为单元常数k。
对于两个平板电极的块状布置(如图2所示)，可以如下确定电导率χ：
χ=lA·G=k·G=kR]]>
其中，
χ：电导率，单位为S/cm；
G、R：测量电导，单位为S；电阻，单位为ohm；
k：单元常数，单位为1/cm；
A：电极的面积，单位为cm2；
L：两个电极的距离。
在其他几何结构的情况中，特别是在磁感应流量计中存在的几何结构的情况中，或者通过仿真电力线，或者通过利用具有已知电导率的标定溶液进行测量，来确定单元常数k。图5示意性显示了在利用磁感应流量计1进行测量的情况中，位于测量电极4、5和接地电极19之间的电力线。
这种情况中的问题是，电解质溶液的电导率χ测量不能利用直流电压进行，因为相关的直流电流将导致测量电极上的离子放电，这会引起化学反应。要发生这个反应，需要特定的最小电压Ez，关于这一点，参见图3。这个最小电压Ez依赖于不同的变量，例如介质和温度。由于这个非线性特性，不可能利用直流电压执行测量。
可以基于在介质和电解质之间形成且具有电容特性的电气双层而解释这个效果。这在图4中示意性示出。如果不使用直流电压，而是使用具有合适频率和幅度(＜＝100mV)的交变电压，那么可以保持双层电容的阻抗与介质11的欧姆电阻相比较小。
电气双层并不具有理想电容的电气特性，而是可以大致以在电化学中称为恒定相位元件CPE的电路元件来描述。
CPE的复阻抗Z可以表示为：
ZCPE=1Q·(2πf·i)n]]>
其中独立于频率的参数n小于1。在理想电容的情况中，n等于1。第二个独立于频率的参数Q具有物理单位farad(法拉)。对于不等于1的n，没有物理单位配属于参数Q。CPE用作对于实验检测的幅频特性的纯描述性元件。
图6显示了用于利用磁感应流量计测量电导率的等效电路图。假定CPE为双层电容CD。
利用等效电路图，确定电导率以及根据需要还可能确定其他变量。这个其他变量例如是接触介质11的测量电极4、5上的变化。这个变化可能由形成沉淀而引起，或者由在测量电极4、5的表面上的腐蚀而引起。
等效电路图由具有两条支路的并联连接构成，其中一条支路由具有寄生电容CS的电容器形成。另一支路由电阻RM和依赖于频率的部件CPE的串联连接构成。电阻RM代表介质11的欧姆电阻。部件CPE代表或仿真在测量电极4、5和介质11之间的相变处发生的过程。
于是，模型的计算公式为：
Z=1CS·2πf·j·(1Q·(2πf·i)n+RM)1CS·2πf·j+1Q·(2πf·i)n+RM]]>
图7a和7b中绘出了对于不同电导率，绝对值和相位随频率的变化。对于参数提供以下对于磁感应流量计典型的值：
CS＝200pF；Q＝8E-6；n＝0.8；k＝1/cm
图7a中示出的绝对值与频率的关系显示了显著的平稳段，其基本上是通过介质电阻RM而确定的。这个平稳段与最小相移相关。
为了确定电导率，可用不同方法：
-于是相位最小值可以用作对于激励信号的合适频率f的唯一准则。
-如果不可得到相位信息，那么可以应用搜索方法找到并选择一个频率fn，在该频率附近阻抗的绝对值几乎不改变。
-为了高度精确地确定电导率，需要完全识别图6的模型。为此，需要在不同频率f1、f2的至少两次复阻抗测量(每一测量提供两个独立的变量)，因为总共必须确定四个独立的参数：Q、n、CS、RM。可以为了诊断而分析参数Q、n和CS，因为它们反映了测量电极到电解质的过渡系统的状态、测量电极的连接电缆等。计算导致非线性方程组，它可以利用已知的数值方法求解。
图7a、7b显示，为了确定较高的电导率，需要较高的频率。在已知的电导率测量仪表的情况中，单元常数k简单地匹配相关测量范围。在磁感应流量计的情况中，这是不可能的，因为单元常数k是利用流量计1固定地预定的。然而，正如已经提到的，电导率的确定可以通过识别模型而实现。关于这一点，也无需将激励信号的测试频率偏移到相位最小值的范围中。
另外，可以在图7a和7b的图表中看出，在较高电导率的范围中，测量不再受到寄生电容CS影响。于是，模型可以简化为由RM和CPE构成的串联连接。于是，阻抗的公式变为：
Z=1Q·(2πf·i)n+RM]]>
另外，值0.8可以用作对于参数n的良好近似，因为这个值很好地反映了基于实验确定的值。然而，这里必须注意，只有当测量电极4、5处于无沉淀的状态时，这个值0.8才很好地适合。
如果随后在频率f测量复阻抗，那么可以通过求解线性方程组而确定参数Q和RM。
根据本发明，在磁感应流量计1的情况中，例如在可从本申请人处得到的Promag 55仪表的情况中，电导率测量是与流量测量交替执行的。这里，电导率测量应当使用尽可能短的时间长度，以使得流量测量尽可能少地受到干扰。用作测试或激励信号的是具有合适频率和幅度的短脉冲序列。
图8显示了本发明的方法的一个具有优点的实施例。这里，阻抗Z是要被确定的变量。这个实施例中，Rx是技术上必需的电阻，用于满足磁感应流量计1能够用于有爆炸危险的区域中的需求。这个电阻与实际测量对象Z串联。
为了执行电导率测量，通过脉冲发生器23生产矩形脉冲，并且矩形脉冲无偏移地叠加至电极电位。用于确定流量的实际测量电极信号在测量期间被利用A/D转换器21而连续检测。
图9示意性显示了图8的时序图。激励或测试信号仅仅在较短的片段2期间施加于测量电极4、5。
优选地，测量被分为三个片段：
1.在片段1，测量电极电位并且形成电极电位的当前平均值。
2.在片段2，开关22闭合并且脉冲发生器23产生具有预定频率f的矩形脉冲序列。脉冲的发生可以与磁场B的切换同步或异步地进行。在所示情况中是同步的。激励信号的偏置电压被设置为等于在片段1中计算的平均值。以这种方式，电极电位几乎不由于叠加的激励信号而离开平衡位置。
3.在片段3，开关22打开并且分析利用A/D转换器21检测的数据。
根据以下方法分析在片段2中A/D转换器21的数据：
1.数据块被乘以经正弦及余弦调制的FIR滤波函数。在最简单的情况中，FIR滤波函数可以是矩形窗口，其对应于一个全1矢量。通过FIR滤波函数，可以控制经分析的信号的带宽。在Promag 55的情况中，由于电路技术上的约束，脉冲发生器和A/D转换器不被利用同一时钟而同步触发。于是，实际的发送频率和实际的测量频率彼此略有偏移。当分析方法在频率范围中太挑剔时，分析中产生误差。
以这种方式，获得以下对于阻抗的实部和虚部的等式：
Re(H1)=Σk=0N-1sig(k)·sin(2πfPfTk)·FIR(K)]]>
Im(H1)=Σk=0N-1sig(k)·cos(2πfPfTk)·FIR(K)]]>
其中fP：脉冲频率；
fT：A/D转换器的采样频率；
Re(H1)：复变量H的实部；
Im(H1)：复变量H的虚部；
sig(k)：片段2中的测量信号；
sig(k)N：以采样点的数目表示的块长；
和
FIR(k)＝0.54-0.46·cos(π·(2·(k-1)+1)/N)是所谓的Hamming滤波器。
2.将复变量H1除以脉冲幅度AP和另一个依赖于频率且描述测量电极的传递特性的复变量HE。
H2=H1AP·HE(fP)]]>
3.阻抗Z、Rx和Rv形成分压器，如图11所示。
v=Z+RxZ+Rx+Rv]]>
求解Z，于是得到：
Z=Rv·v1-v-Rx]]>
其中v＝H2。
4.在测量精度的限度之内，可以根据以下公式从复阻抗的绝对值计算介质11的电导率κ。
5.
χ=k|Z|]]>
6.从计算的结果，计算出对于矩形脉冲群的参数，用于下一测量。
为此，利用以下步骤。
1.方法自身限于较小数目的测试频率(例如，5个频率，f1，……，f5)。方法以平均频率和平均幅度开始。
2.在这个频率，得到对于介质电阻RM的第一值。
3.基于由频率fi和对于RM的间隔边界构成的表，获得新的测试频率fn。
这里，对于假设的模型，表粗略地映射了绝对值与频率的关系。
利用良好选择的间隔边界，方法总是收敛到激励信号的合适频率。
4.通过分压器公式计算在阻抗Z上期望的脉冲幅度，并且调整激励信号的幅度，使得在阻抗Z上有最大值100mV。
优选地，根据本发明，为了确定介质11的电导率κ，或者仅利用幅度谱，或者利用幅度谱和相位谱。如果已知幅度谱和/或相位谱的分布，那么由于函数关系所以可以唯一地确定介质11的电导率κ。介质11的不同电导率κ基本上显示出在图3的绝对值谱沿y轴方向的平行移位。如果已知在哪一频率范围内绝对值谱是恒定的，那么可以高度精确地确定电导率κ。
当附加地还利用了相位谱时，电导率κ的确定更为精确。这种情况中，在相位值最小时的幅度值来确定电导率κ。
电导率κ的确定基本上与经过测量管2的介质11的流量的确定同时进行。
除了确定电导率κ之外，本发明的方法还可以用于检测在测量电极4、5上的物理变化。为此，以预定的时间间隔，将独立于频率的参数Q的实际值与在流量计1的预定起始时刻确定的Q的期望值相比较。为了尽可能精确地模拟图7a和7b所示的曲线并从而精确确定Q，在不同频率确定尽可能多的阻抗值。由于在测量电极4、5上的腐蚀或沉淀形成通常不是突然发生，而是缓慢发生，所以足以以相对较长的时间间隔提供关于“预知维护”的信息。
如果在确定实际Q值中发生了偏离期望值并且这个偏离在预定的公差之外，那么这可以被解读为在测量电极4、5的表面上发生不可容许的变化。正如已经介绍的，变化可能是由在测量电极4、5上的沉淀形成而引起的；然而，它也可能涉及在测量电极4、5的表面上由于腐蚀而引起的变化。检测到的变化被以信号通知给操作人员。如果超过了预定的公差范围，那么触发警报，因为不再能够保证流量计1的可用性。以这种方式，本发明的方法除了提供流经流量计1的介质的电导率的附加信息之外，还提供属于预知维护范畴中的信息。
附图标记列表
1 磁感应流量计
2 测量管
3 测量管轴线
4 第一测量电极
5 第二测量电极
6 线圈系统/电磁铁
7 线圈系统/电磁铁
8 控制/分析单元
9 输入/输出单元
10 存储单元
11 介质
12 连接线
13 连接线
14 连接线
15 连接线
16 连接线
17 底漆，或增粘剂
18 衬里
19 接地电极
20 放大器
21 A/D转换器
22 开关
23 脉冲发生器