CN101387530B - 流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁流量计设备，在该电磁流量计设备中，穿过流管道建立励磁场，且使用电极来感测穿过流管道所生成的、作为励磁场和沿流管道所流动的流体之间的互相作用的结果的电磁场。通过处理电路处理从电极获得的信号以及所存储的校准数据，来确定流测量，并提供了用于动态更新校准数据的装置。

Description

流量计

技术领域

本发明涉及一种流量计和其部件，尤其是涉及一种具有自校准功能的电磁流量计。

背景技术

先前，对流量计进行工厂预校准，即，在生产时，对包括励磁线圈、放大电路和控制电路的流量计系统的各部件进行单独的和装配到一起形成流量计系统后的校准。放大电路和控制电路的校准通常在室温下进行。然而，流量计的工作温度可能与室温有显著不同，因此，由于误校准，获得的流测量将呈现系统误差。部件的老化也将引入流测量的附加误差。

发明内容

因此，本发明的目的是通过提供具有自校准功能的流量计解决这种问题，所述自校准功能可以动态地重新计算所存储的校准数据。优选地，针对温度稳定型参考进行该重校准。

这显著减少了需要对放大和控制电路进行的工厂校准的量。这还使得放大和控制电路可以针对工作温度的改变进行自动补偿，而不需温度传感器和经验校正。

根据一个方面，本发明提供了一种流量计设备，其包括：一个或多个用于生成穿过流管道的励磁场的励磁线圈；励磁电路，其用于生成对该一个或多个励磁线圈施加的励磁信号；一个或多个电极，其用于感测作为励磁场和沿流管道流动的流体之间互感的结果，穿过流管道生成的电磁场；处理电路，用于处理从一个或多个电极获得的处理信号，以确定表示通过管道的流体流的流测量值；其中，处理电路包括用于存储校准数据的校准数据储存器，且处理电路可以操作来使用从所述一个或多个电极获得的所述信号以及所述校准数据确定所述一个或多个流测量值；且其中，处理电路还包括用于动态更新所述校准数据的装置。

在一个实施例中，处理电路将校准数据与从一个或多个电极获得的信号相结合，以进行处理电路的各部件的一个或多个特性(即，增益或DC偏移)的校正。

在一个实施例中，处理电路包括用于存储先前获得的校准数据的校准数据历史储存器，根据所述校准数据计算在确定流测量值中使用的当前的校准数据。

优选地，基于某种规则，例如在流测量之间，确定并更新处理电路的各个部件的校准数据。

在一个实施例中，处理电路可以操作来针对某个参考源校准处理电路的第一部件，并可以操作来使用校准了的第一部件校准处理电路的一个或多个随后的部件。参考源优选是温度稳定型电压参考源。优选地，要被校准的处理电路的第一部件是模数转换器(ADC，analogue-to-digitalconverter)，通过对该ADC的输入端施加来自电压参考源的第一和第二电压电平，并通过使用来自ADC的所获得的第一和第二数字化的计数，对该ADC进行校准。

在一个实施例中，处理电路通过该处理电路的不同增益路径注入AC参考信号，以确定那些增益路径的增益校准数据。增益路径可以包括：一个或多个前端放大器，其用于放大从一个或多个电极获得的信号；或者一个或多个可编程增益放大器，其用于放大从所述一个多个前端放大器获得的信号。

在一个实施例中，处理电路在测量模式和校准模式之间进行切换。其中，在测量模式期间，处理电路进行流测量；在校准模式期间，处理电路校准其一个或多个部件。优选地，处理电路在校准模式期间将所述一个或多个可编程增益放大器调整到较低增益，而在测量模式期间将其调整到较高增益，以解释通过两种模式中的增益级的不同的信号电平。

在校准模式期间，处理电路优选将一个或多个电极与处理电路电隔离，以使干扰最小。

根据另一个方面，本发明还提供在流量计中使用的处理电路，该处理电路包括：用于接收从流量计的电极获得的信号的装置；用于存储流量计用校准数据的校准数据储存器；以及用于使用从电极接收的信号和来自校准数据储存器的校准数据来确定表示通过流量计的流体流的流测量值；其中，所述处理电路还包括用于动态更新校准数据以考虑改变流量计的工作特性的装置。

本发明还提供一种操作流量计的方法，其包括：生成穿过流管道的励磁场；生成用于施加到一个或多个励磁线圈的励磁信号；感测作为励磁场和沿流管道流动的流体之间互感的结果穿过流管道生成的电磁场；处理从一个或多个电极获得的信号，以确定表示通过管道的流体流的一个或多个流测量值；其中，处理步骤使用从所述一个或多个电极获得的所述信号以及存储的校准数据确定所述一个或多个流测量值；且，其中，所述方法还包括动态更新所述校准数据。

附图说明

根据参考所附附图说明的下面的示例性实施例，本发明的这些和其它方面将变得明显。在附图中：

图1是流量计的示意图；

图2是图1中所示流量计的放大电路以及计算和控制电路的示意电路图；

图3是形成图2中所示计算和控制电路一部分的控制单元的主要部件的框图；以及

图4示出图3中所示控制器的各部件根据流量计是在校准模式还是在测量模式的操作。

具体实施方式

概览

图1示出流量计1，其具有：管道2，要测量的流体可以沿管道2流动；一对励磁线圈4，位于垂直于流向的沿管道2的直径相对的点；以及一对电极6，其垂直于流向，且还垂直于励磁线圈4排列。励磁线圈4被连接到励磁电路8，且电极6被连接到放大电路10。还设置有电流传感器7，以感测施加到励磁线圈4的电流，且电流传感器7的输出也连接到放大电路10。励磁电路8和放大电路10都被连接到计算和控制电路12，计算和控制电路12控制励磁电路8的驱动，并处理从放大电路10获得的信号。

在操作中，计算和控制电路12设置驱动信号的参数(例如其振幅和波形)，然后将驱动信号输出到励磁电路8，使得励磁电路8对励磁线圈4施加励磁信号。励磁信号使得在励磁线圈4之间穿过管道2建立电磁场。沿管道2流动的流体与励磁电磁场互感以生成穿过管道2、垂直于励磁场和流体流动方向的电场。该电场使得在电极6之间建立电势差，该电势差随着沿管道2流动的流体的速率改变。来自电极6的信号被放大电路10放大，并传送到计算和控制电路12。放大电路10还放大从电流传感器7获得的信号，并将放大了的电流信号传送到计算和控制电路12。然后，计算和控制电路12处理从放大电路10接收到的信号(以已知方式)，以确定期望的流测量，例如流速、流率等。

在本实施例中，流量计具有两种工作模式：测量模式和校准模式。从一种模式改变到另一种模式由计算和控制电路12管理，且包括一个或多个切换的适当设置。在测量模式中，电极6和电流传感器7被连接到放大电路10，如上所述。然而，在校准模式中，电极6和电流传感器7被从放大电路隔离，且由计算和控制电路12确定流量计的校准数据。如将在下面详细说明的，这通过这样的操作完成：生成通过放大电路10内以及计算和控制电路12的各部分内的各种信号路径注入的校准过的参考信号，计算与每个信号路径的信号增益相关的数据，并存储该结果作为校准数据。然后，在对测量模式期间获得的信号进行处理时，以传统方式，使用所确定的校准数据，以确定期望的流测量。将在下面说明校准处理的更多细节。

电子电路

图2更详细地示出本实施例中使用的放大电路10以及计算和控制电路12的主要部件。如图所示，放大电路10包括：前端放大器20(具有增益A1，标称为11)，其接收并放大来自电极6的信号；电流感测放大器21(具有增益A2)，其接收并放大来自电流传感器7的信号；以及可编程增益放大器(PGA，programmable gain amplifier)，具有可选择增益A3到A6的PGA-L 22以及具有可选择增益A7到A10的PGA-R 23。选择PGA-L 22和PGA-R 23的增益，以放大各输入信号，使得它们充分利用随后电路的动态范围。在本实施例中，PGA-L 22和PGA-R 23具有为1、2.4、8和24的标称增益(nominal gain)A3到A6以及A7到A10。本领域的技术人员会了解，从电极6接收到的信号可能比从电流传感器7接收到的电流小很多，且将据此选择前端放大器20的增益A1、电流感测放大器21的增益A2，和/或PGA 22和PGA 23的增益A3到A10。通常，来自电极6的信号具有微伏(μV)的级别；且来自电流传感器7的信号具有毫伏(mV)的级别。

如图2中所示，计算和控制电路12包括：用于将接收到的信号转换为数字形式的模数转换器(ADC)ADC-L 26和ADC-R 27；用于将数字信号转换为模拟形式的数模转换器(DAC)34；用于校准的温度稳定型电压参考源(V_REF)30，其具有小温度系数t_c，使得该参考源的输出电压很大程度上独立于温度；以及控制器32，其对接收到的数字信号进行需要的处理，并生成施加到DAC 34的数字信号。控制器32还可操作来生成并输出用于在显示单元(未示出)上显示的信号。

如图2中所示，放大电路10以及计算和控制电路12都包括根据流量计在校准模式还是测量模式下为信号选择路由的若干多路复用器(MUX)24、25、28和29，以及开关S1和S2。多路复用器24和28、PGA 22和ADC 26、以及相对应的多路复用器25和29、PGA 23和ADC 27限定了两个分离的测量通道L和R，以允许同时测量两个信号，例如在测量模式下，来自电极6和电流传感器7的信号；且在校准模式下，被校准的部件或级别的输入和输出信号。如将在下面更详细说明的，控制器32控制各多路复用器和开关的操作，从而获得期望的流测量或校准测量。

控制软件

图3示出了本实施例中使用的控制器32的主要部件。如同所示出的，控制器32包括中央处理单元(CPU)40、具有用于定义CPU40在各种任务期间的操作的诸多软件模块的存储器42、以及用于接收用户数据输入和向用户输出信息的输入/输出(I/O)单元44。如图3所示，存储在存储器42中的软件模块包括：用于执行流测量任务的流测量模块46；用于执行校准任务的校准模块52；用于调度校准模块52与流测量模块46之间的控制的调度器58；以及用于产生校准模块52和流测量模块46需要的所需激励和校准参考信号的信号发生器。

校准模块

总体上参照图4，当调度器58使得流量计1进入校准模式时，对流量计的控制被转移给校准模块52，校准模块52将开关S1和S2(在图2中示出)置位，以分别将电极6和电流传感器7与放大电路10隔开。然后校准模块52校准流量计的一个或更多个部件。最初在起始时，执行对所述部件的全面校准。随后，校准模块52可以进一步执行对所述部件的全面校准(例如在收到来自用户的流量计复位指示时)，或者可以根据置位调度或响应于对所述部件可能伴随的问题的识别而选择用于校准的各个部件。

在校准流量计1的部件时，校准模块52确定与所述部件的增益(对于某些部件而言是零点偏移)相关的校准数据，校准模块52存储该校准数据以便在后续的流测量和诊断计算中使用。在该实施例中，这种针对每个部件的确定的校准数据的历史由校准模块52维持在校准数据历史储存器48中。校准模块52的历史过滤器50基于若干个(比如说二十个或三十个)连续校准来计算存储在校准数据历史储存器48中的校准数据值的连续平均值，并将这些平均值存储在用于流量计1的当前校准数据储存器51中。因此，当前校准数据储存器51将包括有针对其的校准数据已被获得的流量计1的每个部件的平均校准数据，所述平均校准数据的值由流测量模块46在其流量计算中使用。

在该实施例中，校准模块52识别针对部件的任何新的校准数据值是否与针对该部件的先前校准数据值不一致(例如，预定义的百分率高于或低于保存在当前校准数据储存器51中的对应的校准数据)，并在校准数据储存器48中标记之，以使得可以通过历史过滤器50在该历史过滤器的平均时排除之，以确定保存在当前校准数据储存器51中的当前校准数据。这样做是为了避免个体校准误差，比如来自由于电路中的电压尖脉冲而可能导致的伪读数。由于允许跟踪部件性能(其也可用于监视外部条件)和/或预测部件故障，因此这还可以提供诊断功能。这可以例如通过以下步骤来完成：跟踪针对部件而获得的不一致的校准读数的数目和/或频率、以及在该数组超过预定值时指示可能的故障。因此部件中的故障可以在发生时被检测到或者在确定了朝向故障的趋势时被预料到，并被跟踪至所述故障的根源，并且诸如替换所述部件之类的适当动作被采取。然后校准模块52重新计算针对具有所述替换的部件的流量计1的校准数据。这与现有技术的流量计不同，后者需要在每次部件发生故障并被替换时对整个流量计的厂内校准。

在执行对流量计1的全面校准时，校准模块52如下地校准所述部件：对ADC的校准

首先针对稳定电压参考源30来校准ADC 26和27。具体地，校准模块52将开关S3置位，以便从电压参考源30经由多路复用器28和29向ADC 26和27施加零伏并随后施加电压参考信号V_REF。当从电压参考源30经由多路复用器28和29向ADC 26和27施加零伏时，从每个ADC获得的计数N₀ ^ADC被传递给校准模块52；并且当施加V_REF电压时，从每个ADC获得的计数N_VREF ^ADC被传递给校准模块52。校准模块52将这两个计数N₀ ^ADC和N_VREF ^ADC作为针对ADC 26和27的校准数据而存储。

假设ADC 26和27具有线性转换特性，则针对每个ADC的这两个计数N₀ ^ADC和N_VREF ^ADC将唯一地确定该ADC的输入/输出关系，并因此可以用于校准从所述ADC获得的测量。具体地，输出计数N_X ^ADC与输入电压V_X ^ADC之间的关系可被表示如下：

$N_X^{\mathrm{ADC}}=\left(\frac{N_{\mathrm{VREF}}^{\mathrm{ADC}}-N_0^{\mathrm{ADC}}}{V_{\mathrm{REF}}}\right)V_X^{\mathrm{ADC}}+N_0^{\mathrm{ADC}}$

$=g^{\mathrm{ADC}}\·V_X^{\mathrm{ADC}}+N_0^{\mathrm{ADC}}$

本领域的技术人员应当理解，该表示ADC 26和27的模拟输入与数字输出之间的对应关系的转换公式的比例因子通常被称为所述ADC的“增益”(g^ADC)。

因此，针对每个ADC而获得的两个计数N₀ ^ADC和N_VREF ^ADC可用于校正直流偏移(由N₀ ^ADC表示)和ADC的增益，并因此被作为针对ADC的校准数据而存储。例如，为了校正零点偏移，可以将从ADC获得的后续计数减去计数N₀ ^ADC；以及为了校正所述增益，可以将被这样零点校正的计数除以ADC增益g^ADC。

在针对电压参考源30而成功地校准了ADC 26和27时，由于对剩余部件的校准不需要电压参考源30，因此开关S3被置位到开路位置。对PGA的校准

为了校准PGA 22和23，校准模块52将多路复用器24和25置位，以将DAC 34的输出路由至PGA 22和23。然后校准模块52控制信号发生器模块56以向DAC 34提供将会导致DAC 34输出具有振幅V_VAR的正弦波信号的时变计数C_VAR(t)，其中该振幅V_VAR具有例如近似为1的电压峰值振幅。

使用用于允许对PGA的输入信号和输出信号的同时测量被校准的L和R测量通道来依次校准PGA 22和23。

在对PGA 22的校准期间，来自DAC 34的所产生的正弦波信号被经由多路复用器24而路由至PGA 22，还被经由多路复用器29而路由至ADC 27。PGA 22根据由校准模块52所设置的、接收的正弦波信号的目前增益设置(Ai)来放大接收的正弦波信号，并且经过放大的正弦波信号被经由多路复用器28而传递至ADC 26，在ADC 26处经过放大的正弦波信号被数字化并被传递给校准模块52。类似地，来自DAC 34的正弦波信号被ADC 27数字化，该第二数字化的信号被传递至校准模块52。

然后校准模块52使用ADC校准数据来将校准校正应用于第一信号和第二信号的每个，即，针对每个信号，适当的ADC偏移N₀ ^ADC被减去，并且结果被除以适当的ADC增益g^ADC。

然后校准模块52执行对这些第一和第二数字化的信号的相关性分析，以确定对PGA 22的增益g^PGA_Ai的精确测量。然后针对PGA 22的其它增益设置而依次重复该过程，  以使得一系列增益{g^PGA_A3，g^PGA_A4，g^PGA_A5，g^PGA_A6}被确定用于PGA 22，并被校准模块52作为校准数据而存储。

本领域的技术人员应当认识到，由于这些增益是通过将放大的DAC信号与该DAC信号自身相关联而确定的，因此不必准确地获知该DAC信号具有的振幅。因此，在该实施例中，对DAC 34进行校准也不是必要的。

然后针对PGA 23的校准而执行类似的过程，其中来自DAC 34的所产生的正弦波信号被经由多路复用器25而路由至PGA 23，还被经由多路复用器28而路由至ADC 26，并且对应的系列校准增益{g^PGA_A7，g^PGA_A8，g^PGA_A9，g^PGA_A10}被获得用于PGA 23，并被校准模块52作为校准数据而存储。

对前端放大器的校准

以与PGA相类似的方式，即，使用用于允许对前端放大器20的输入正弦波信号和输出正弦波信号的同时测量被按原样校准的L和R测量通道，来校准前端放大器20。

在对前端放大器20的校准期间，来自DAC 34的所产生的正弦波信号被经由开关S1而路由至前端放大器20，并且还被经由多路复用器29而路由至ADC 27。前端放大器20对该信号进行放大，然后该信号被经由多路复用器24而传递至PGA 22。由于在校准中使用的正弦波信号具有1伏的级别，因此所述正弦波信号与在正常流测量期间将会从电极6接收的具有微伏的级别的信号相比要大得多，PGA 22由此被设置为其最低增益设置(1)。

随后从PGA 22输出的经过放大的信号被经由多路复用器28而传递至ADC 26，在ADC 26处所述经过放大的信号被数字化并被传递给校准模块52。类似地，ADC 27对DAC 34输出的正弦波参考信号进行数字化，并且校准模块52如前述地执行相关性分析，以确定前端放大器20的增益(g^FEA_A1)。

对电流感应放大器21的校准

然后以类似的方式来校准电流感应放大器21，将DAC 34输出的正弦波信号路由至电流感应放大器21和ADC 26。在该校准期间，由于与针对前端放大器20的校准相类似的原因，PGA 23也被设置为其最低增益设置。所确定的针对电流传感器21的增益(g^CSA_A2)随后被校准模块52作为校准数据而存储。

上述步骤描述了对流量计的全面校准。本领域的技术人员应当认识到，在已经执行了全面校准时，由此使用当前校准数据充分地填充了校准数据历史储存器48以及依次的当前校准数据储存器，可以以任何顺序来执行后续校准。

测量模块

总体上参照图4，当调度器58使得流量计进入测量模式时，对流量计的控制转移给流测量模块46。

参照图2，流测量模块46将开关S1置位以将电极6连接到前端放大器20，并将开关S2置位以将电流传感器7连接到放大电路10的电流感应放大器21。流测量模块46还设置PGA 22和23的增益并将多路复用器28和29(也在图2中示出)置位，以将PGA 22和23的输出连接到ADC26和27。

然后流测量模块46控制信号发生器模块56以向DAC 34输出将会导致DAC 34输出整形的脉冲激励信号V_EX(t)的时变标称计数。该产生的激励信号被传递给激励电路8，在激励电路8处该激励信号被放大以产生用于驱动激励线圈4的脉冲直流驱动信号。作为该激励的结果，将会从电极6和电流传感器7获得传感器信号，并且这些传感器信号被放大电路10和ADC 26和27放大和数字化。

然后流测量模块46对来自ADC 26和27的数字化的信号进行处理，并根据所述数字化的信号并使用存储在当前校准数据储存器51中的当前校准数据来计算期望的流测量。本领域的技术人员应当认识到，存储在当前校准数据储存器51中的当前校准数据用于在流测量计算之前或期间校准来自每个通道的信号。

典型地，流测量计算涉及每个传感器信号与DAC 34输出的交流激励信号或信号发生器模块56产生的该交流激励信号的数值等价值之间的相关性，以确定所感测的信号的振幅，所述感生的信号随后被组合以确定流测量。由于流测量计算基于对直流信号的相关性分析，因此ADC的直流偏移由于不影响所述计算而可以被忽略。

因此，通过将适当的增益应用于电极6和电流传感器7的每一个，来校准来自电极6和电流传感器7的信号。具体地，对于电极信号，来自ADC 26的数字化的计数被除以所存储的ADC增益(g^ADC)、PGA增益(g^PGA_Ai)和前端放大器增益(g^FEA_A1)，以提供对前端放大器20的输入处的电压的测量；以及对于电流传感器信号，来自ADC 27的数字化的计数被除以所存储的ADC增益(g^ADC)、PGA增益(g^PGA_Ai)和电流感应放大器增益(g^CSA_A2)，以提供对电流感应放大器21的输出处的电压的测量。电流感应信号还被除以对实际电流传感器电阻的校准的测量，以提供对施加于激励线圈4的实际电流的测量。在该实施例中，电流传感器7的电阻不是在自校准进程中被校准的，而是在制造期间被确定的，并且优选地被选择成具有较低的温度系数t_c，以使得其电阻在很大程度上独立于温度。

流测量结果可被记录和/或通过I/O单元60发送到标准显示单元(未示出)或远程监控站。

诊断

如本技术领域人员可预期的那样，在校准期间对于ADC计算DC偏移校准数据，但是由于所使用的相关分析，在流测量期间不使用DC偏移校准数据。然而，在该实施例中，当计算各种诊断测量值，如在电极6处的绝对电压的测量值时使用该偏移数据。通过从数字化计数减去ADC26的DC偏移，且然后除以ADC 26、PGA22和前端放大器20的增益，来得到该测量值。流量计保持该诊断测量值的记录，并从该记录可检测并在适当的时候报告故障。

调度器

如上所述，调度器58根据所存储的调度，或响应于通过I/O单元60接收的用户输入，或响应于校准模块52的特定请求，在校准模块52和流测量模块46之间转移对流量计1的控制。调度器58可以例如被配置成交替测量和校准步骤，使得在相继的流测量之间校准一个或多个部件，或可在校准模块52识别出可能出现故障的部件的情况下提供对校准模块52的控制。

所存储的调度包括大小根据传感器的大小和速度而定的一系列时帧或时隙。典型的时帧尺寸是170ms、260ms、360ms或更长。在该实施例中，流测量使用整个时帧；校准和诊断可仅使用时帧的一部分。典型的工作循环包括每五个测量时帧的一个校准或诊断时帧。在诊断时帧期间，跟随大部分预先确定的操作序列，自校准和诊断函数的频率根据其重要性和可能的变化率被加权。因而，可每三十秒钟进行一次特定校准，而特定的诊断函数可每两秒进行一次，特定的诊断函数例如确定电极间阻抗，该电极间阻抗的突然上升可指示流管道中不存在流体，这可能需要触发警报。

优势

尽管主要通过低成本部件构造，使用本发明的校准方法的流量计将高度准确。典型的校准准确度大约为百万分之(parts-per-million，ppm)十，即约为0.001％。通过比较，所使用的信号处理部件的准确度一般为0.1％-0.3％。

另一个优点是使用该校准方法的流量计可原地重校准。这在以下情况尤为有利：在不可到达或危险的位置必须安装流量计，且移除流量计以进行重校准是不现实的。

在以上实施例中使用的校准方法的特定优点是该方法仅需要使用一个高质量、温度稳定型参考源(VREF)以进行校准，其它校准与第一校准相关地进行。这允许使用廉价的信号处理部件。特别地，使用该校准方法的流量计可使用如主要针对消费者音频产品设计的廉价的数字信号处理器(DSP)或编解码器。这与之前的流量计不同，之前的流量计趋向于使用没有自校准的更昂贵、更高性能的部件。

为了确保可靠的测量，需要有规律地进行流量计的校准。这在现有技术的流量计中，当需要流量计连续运行，如以监控角色工作时是麻烦的。完整的校准可能需要相当多的时间来完成(且会干涉测量处理)，该延长的监控中断可能是不可接受的，结果是仅很少地进行完整的校准，或者需要调度的系统停工时间段。因此增加了流量计的校准质量劣化的可能性。因此本发明的方法提供了与测量步骤无缝结合的校准步骤。在测量过程中断续地进行校准步骤(或其一部分)，从而允许测量过程进行下去，而不会有较大的中断，并允许系统基本上连续地保持准确地校准。

变形和替换

上述流量计仅是例子，可采用基于任何适当的已知布置的设计。上述校准步骤可用在任何流量计中。

在校准步骤的步骤1，仅针对电压参考源30的两个点，即零伏和VREF伏来校准ADC 26和27。这假定ADC 26和27在0-VREF的范围上具有线性信号响应特性。在替换例中，没有作出该假定，且针对电压参考源30的一系列输出校准ADC 26和27，例如集{零，V1，V2，V3...VREF}。这些校准值可跨越电压参考源30的输出范围以相等间隔分开，或集中在特定的感兴趣子范围处-比如已知的非线性区域或需要高精度测量的区域。

在上述实施例的校准步骤3和4中，使用DAC 34以提供正弦波参考信号，该正弦波参考信号又通过放大电路10的特定增益路径发送，并用来确定PGA 22和23以及前端放大器20和21的增益。在可替代实施例中，可使用如三角波形的其它波形形状。然而，使用正弦波形的优点是其包括单个频率，因此避免了具有频率相关增益的部件所导致的复杂性。

在上述实施例中，提供电流传感器7以感测施加到励磁线圈4的电流。在可替代实施例中，使用励磁信号的数字表示来进行流测量计算，从而仅使用一个测量通道，且不需要电流传感器7。然而，由于流过励磁线圈4的电流将受到其电阻的变化的影响，因此使用电流传感器是优选的。例如，在上述实施例中使用的铜励磁线圈呈现约0.2％/°K的电阻变化。

在上述实施例中，使用两个励磁线圈4。可替代实施例可使用多于两个的线圈或仅一个线圈。

类似地，在上述实施例中使用两个电极6；可替代实施例可使用多于两个电极或仅一个电极，测量其相对于系统地的电势。

在上述实施例中，没有单独校准DAC 34。尽管DAC 34的校准对于流量计的校准准确度没有影响，在一些实施例中可能认为DAC 34的校准是合乎期望的。例如，可能期望准确地知道通过放大电路10内的各种信号路径以及计算和控制电路12的部件注入的参考信号的幅度，且这可在校准DAC 34的情况下确定。为了校准DAC 34，可使用ADC 26或27，或可替代地可使用二者并取平均值。然后可如下进行校准。校准模块52设置多路复用器28和29中的一个或两个来将DAC 34的输出发送到ADC26和27中的一个或两个。一旦设置了多路复用器28或29，校准模块52控制信号发生器模块56对DAC 34输出零计数。响应于接收到该零计数，DAC 34将输出对应于其DC偏移V₀ ^DAC的模拟信号，通过多路复用器28和29将该模拟信号发送到ADC 26和/或27。响应于接收到该模拟信号，ADC生成计数N₀ ^DAC，该计数被传递到校准模块52。校准模块52然后控制信号发生器模块56输出额定计数C_NOM到DAC 34。响应于接收到该额定计数C_NOM，DAC 34生成具有例如1伏的额定幅度V_NOM的DC信号。如前，通过多路复用器28和29将来自DAC 34的所生成的模拟信号发送到ADC26和/或27。响应于接收到该模拟信号，ADC 26和27生成计数N_NOM ^DAC，该计数被传递到校准模块52。本领域技术人员应理解，在该步骤所获得的计数是包括DAC 34和相对应的ADC 26或27二者的组合零偏移和组合增益的合成值，且因此DAC 34的零偏移V₀ ^DAC可从下式得出：

$V_0^{\mathrm{DAC}}=\frac{(N_0^{\mathrm{DAC}}-N_0^{\mathrm{ADC}})}{g^{\mathrm{ADC}}}$

且DAC 34的增益g^DAC可从下式得出：

$g^{\mathrm{DAC}}=\left(\frac{N_{\mathrm{NOM}}^{\mathrm{DAC}}-N_0^{\mathrm{DAC}}}{g^{\mathrm{ADC}}{C}_{\mathrm{NOM}}}\right)$

校准模块52将这些计算的值V₀ ^DAC和g^DAC存储为DAC 34的校准数据，这些校准数据然后可用来确定适当的DAC输入计数，以生成所期望的输出信号水平。

在以上实施例中，在校准模式期间，通过使每个部件的输入和输出信号相关来确定特定部件的增益。在可替代实施例中，增益可通过使用相对应的输入信号除以输出信号来简单地确定。

Claims (51)

1.一种电磁流量计设备，包括：

一个或多个励磁线圈，用于生成穿过流管道的励磁场；

励磁电路，用于生成励磁信号以施加到所述一个或多个励磁线圈；

一个或多个电极，用于感测作为所述励磁场和沿所述流管道流动的流体之间的相互作用的结果的、穿过所述流管道生成的电磁场；

处理电路，用于处理从一个或多个电极获得的信号，以确定表示通过管道的流体流的一个或多个流测量值；

其中所述处理电路包括用于存储与所述处理电路的电路部件的增益有关的增益校准数据的校准数据储存器，所述处理电路可操作以使用从所述一个或多个电极获得的所述信号以及所述增益校准数据来确定所述一个或多个流测量值；

其中所述处理电路可操作以针对参考源校准所述处理电路的第一部件以获得用于所述第一部件的增益校准数据，并且可操作以使用校准的第一部件来校准所述处理电路的一个或多个其它部件，以及

其中所述处理电路进一步包括用于动态更新所述增益校准数据的装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理电路可操作以组合所述校准数据和从所述一个或多个电极获得的所述信号，以校正所述处理电路的部件的增益特性。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述校准数据包括与所述处理电路的电路部件的零偏移有关的零偏移数据。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理电路包括用于存储之前获得的校准数据的校准数据历史储存器。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述处理电路可操作以处理所述之前获得的校准数据，以计算当前的校准数据，所述处理电路使用该当前的校准数据以确定所述流测量值。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述处理电路可操作以处理所述之前获得的校准数据，以使用连续平均计算来计算所述当前的校准数据。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述用于动态更新所述增益校准数据的装置可操作以对处理电路的各个部件确定并更新校准数据。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述用于动态更新所述增益校准数据的装置可操作以在流测量之间更新校准数据。

9.根据权利要求4-6中任一项所述的设备，其中所述处理电路可操作以处理所述之前获得的校准数据，以识别潜在有故障的部件。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述处理电路可操作以通过对针对部件获得的不连续校准读数的总的数目进行计数，并检测何时所述数目超过预定值来识别所述潜在有故障的部件。

11.根据权利要求9所述的设备，其中所述处理电路可操作以通过对在给定时间针对部件获得的不连续校准读数的数目进行计数，并检测何时该数目超过预定值来识别所述潜在有故障的部件。

12.根据权利要求1-8中任一项所述的设备，其中所述参考源是温度稳定型参考源。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述参考源是温度稳定型电压参考源。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述处理电路的所述第一部件是模数转换器ADC，且其中所述处理电路可操作以通过将来自所述温度稳定型电压参考源的第一和第二电压水平施加到ADC的输入并通过使用来自ADC的作为结果的第一和第二数字化计数来校准ADC。

15.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理电路可操作以通过所述处理电路的不同的增益路径来注入AC参考信号，以确定用于这些增益路径的增益校准数据。

16.根据权利要求15所述的设备，其中对于注入AC参考信号的增益路径，所述处理电路可操作以比较进入增益路径的输入信号和来自增益路径的输出信号以确定用于增益路径的校准数据。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述处理电路可操作以通过所述输出信号和所述输入信号的相关分析来进行所述比较。

18.根据权利要求16所述的设备，其中所述处理电路可操作以通过用所述输入信号除所述输出信号来进行所述比较。

19.根据权利要求15-18中任一项所述的设备，其中所述AC参考信号具有正弦曲线波形。

20.根据权利要求15-18中任一项所述的设备，进一步包括用于生成所述AC参考信号的装置。

21.根据权利要求20所述的设备，其中所述用于生成所述AC参考信号的装置包括数字信号发生器和数模转换器。

22.根据权利要求15-18中任一项所述的设备，其中所述增益路径中的一个包括用于放大从所述一个或多个电极获得的信号的前端放大器。

23.根据权利要求15-18中任一项所述的设备，其中所述增益路径中的一个包括用于放大从所述一个或多个励磁线圈获得的信号的电流感测放大器。

24.根据权利要求22所述的设备，其中所述增益路径中的一个包括用于放大从所述一个或多个前端放大器获得的信号的一个或多个可编程增益放大器。

25.根据权利要求24所述的设备，其中所述处理电路可操作以在测量模式和校准模式之间切换，在测量模式中所述处理电路进行流测量，在校准模式中所述处理电路校准其部件中的一个或多个，并且其中所述处理电路可操作以在所述校准模式期间将所述一个或多个可编程增益放大器的增益调整成更低的增益，并在流量计的所述测量模式期间将其调整成更高的增益。

26.根据权利要求25所述的设备，其中所述处理电路可操作以在所述校准模式期间将所述一个或多个电极与所述处理电路电隔离。

27.一种用在电磁流量计中的处理电路，所述处理电路包括：

用于接收从流量计的电极获得的信号的装置；

用于存储与所述处理电路的电路部件的增益有关的增益校准数据的校准数据储存器；

用于使用从所述电极接收的信号以及来自所述校准数据储存器的校准数据来确定表示通过流量计的流体流的流测量值的装置；

用于针对参考源校准所述处理电路的第一部件以获得用于所述第一部件的增益校准数据的装置；以及

用于使用校准的第一部件来校准所述处理电路的一个或多个其它部件的装置，

其中所述处理电路进一步包括用于动态更新所述增益校准数据以考虑所述处理电路的变化的操作特性的装置。

28.根据权利要求27所述的处理电路，进一步包括用于将所述校准数据与从所述电极获得的所述信号进行组合以校正所述处理电路的部件的增益特性的装置。

29.根据权利要求28所述的处理电路，其中所述校准数据包括与所述处理电路的电路部件的零偏移有关的零偏移数据。

30.根据权利要求27-29中任一项所述的处理电路，进一步包括用于存储之前获得的校准数据的校准数据历史储存器。

31.根据权利要求30所述的处理电路，进一步包括用于从所述之前获得的校准数据计算当前的校准数据的装置，所述处理电路使用当前的校准数据来确定所述流测量值。

32.根据权利要求31所述的处理电路，进一步包括用于使用连续平均计算来从所述之前获得的校准数据计算当前的校准数据的装置。

33.根据权利要求27-29中任一项所述的处理电路，进一步包括用于确定并更新用于所述处理电路的各个部件的校准数据的装置。

34.根据权利要求27-29中任一项所述的处理电路，进一步包括用于在流测量之间更新校准数据的装置。

35.根据权利要求30所述的处理电路，进一步包括用于处理所述之前获得的校准数据以识别潜在有故障的部件的装置。

36.根据权利要求35所述的处理电路，进一步包括用于通过对针对部件获得的不连续校准读数的总的数目进行计数并检测何时所述数目超过预定值来识别所述潜在有故障的部件的装置。

37.根据权利要求35所述的处理电路，进一步包括用于通过对在给定时间针对部件获得的不连续校准读数的数目进行计数并检测何时所述数目超过预定值来识别所述潜在有故障的部件的装置。

38.根据权利要求27-29中任一项所述的处理电路，其中所述参考源是温度稳定型参考源。

39.根据权利要求38所述的处理电路，其中所述参考源是温度稳定型电压参考源。

40.根据权利要求39所述的处理电路，其中所述处理电路的所述第一部件是模数转换器ADC，且进一步包括用于通过将来自所述电压参考源的第一和第二电压水平施加到ADC的输入并通过使用来自ADC的作为结果的第一和第二数字化计数来校准ADC的装置。

41.根据权利要求27-29中任一项所述的处理电路，进一步包括用于通过所述处理电路的不同的增益路径注入AC参考信号来确定用于这些增益路径的增益校准数据的装置。

42.根据权利要求41所述的处理电路，进一步包括用于对注入AC参考信号的增益路径比较进入所述增益路径的输入信号和来自所述增益路径的输出信号以确定用于所述增益路径的校准数据的装置。

43.根据权利要求42所述的处理电路，进一步包括用于通过所述输出信号和所述输入信号的相关分析来进行所述比较的装置。

44.根据权利要求42所述的处理电路，进一步包括用于通过用所述输入信号除所述输出信号来进行所述比较的装置。

45.根据权利要求41所述的处理电路，其中所述AC参考信号具有正弦曲线波形。

46.根据权利要求41所述的处理电路，进一步包括用于生成所述AC参考信号的装置。

47.根据权利要求46所述的处理电路，其中用于生成所述处理电路的所述AC参考信号的所述装置包括数字信号发生器和数模转换器。

48.根据权利要求27-29中任一项所述的处理电路，进一步包括用于在测量模式和校准模式之间切换的装置，其中在所述测量模式期间所述处理电路进行流测量，且在所述校准模式期间所述处理电路校准其部件中的一个或多个。

49.根据权利要求48所述的处理电路，进一步包括在校准模式期间用于将所述电极与所述处理电路电隔离的装置。

50.一种操作流量计的方法，该方法包括：

生成励磁信号，以施加到一个或多个励磁线圈，从而生成穿过流管道的励磁场；

感测作为励磁场和沿所述流管道流动的流体之间的互相作用的结果的、穿过所述流管道生成的电磁场，以生成传感器信号；

使用处理电路处理所述传感器信号，以确定表示通过所述管道的流体流的一个或多个流测量值；

针对参考源确定用于所述处理电路的第一部件的增益校准数据；

使用校准的第一部件来校准所述处理电路的一个或多个其它部件；

其中处理所述传感器信号的步骤包括使用所述传感器信号和存储的针对所述处理电路的所述第一部件和所述一个或更多个其它部件确定的增益校准数据确定一个或多个流测量值；以及

动态更新所述增益校准数据。

51.一种用于处理从电磁流量计获得的信号的方法，该方法包括：

接收从所述流量计的电极获得的信号；以及

使用处理电路和从所述电极接收的信号以及存储的增益校准数据来确定表示通过所述流量计的流体流的流测量值；

其中所述方法进一步包括通过以下方式动态更新所述增益校准数据，以考虑所述流量计的变化的操作特性：

针对参考源确定用于所述处理电路的第一部件的增益校准数据；以及

使用校准的第一部件来校准所述处理电路的一个或多个其它部件。

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