专利名称：电磁流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量流经测量管道的待测流体的流速的电磁流量计，更具体地，涉及一种能够实现精确流速测量的励磁方法和信号处理方法。
背景技术：
电磁流量计通过使用电磁感应将流速转换为电信号来测量流经测量管道的导电性待测流体的流速。图25示出了传统电磁流量计的结构。此电磁流量计具有测量管道11、一对电极12a和12b、励磁线圈13、信号转换单元15和流速输出单元16。待测流体流经测量管道11。一对电极12a和12b在测量管道11中彼此相对，并垂直于施加于待测流体的磁场和测量管道11的轴PAX，并与待测流体接触。电极12a和12b检测由磁场和待测流体的流动所产生的电动势。励磁线圈13对待测流体施加垂直于测量管道轴PAX和连接电极12a和12b的电极轴EAX的磁场。信号转换单元15检测电极12a和12b之间的电动势。流速输出单元16根据由信号转换单元15检测到的电极间电动势，计算待测流体的流速。
在图25所示的电磁流量计中，将包括电极12a和12b并垂直于测量管道轴PAX的方向的平面PLN定义为测量管道11中的分界面。此时，在平面PLN，即测量管道11中的分界面的两侧，对待测流体施加对称磁场。可以通过能够进行高频励磁的正弦波励磁方法或通过不受电磁感应噪声影响的矩形波励磁方法来激励励磁线圈13。
使用正弦波作为励磁线圈的励磁电流的正弦波励磁方法易于受到商业频率噪声的影响。但是，此问题可以由使用具有较高频率的励磁电流的高频励磁方法来解决。高频励磁方法抵抗如电化学噪声或尖峰噪声等1/f噪声。此外，此方法可以提高响应(使流速信号快速跟随流速变化的特性)。
但是，传统的正弦波励磁方法易于受到同相分量噪声的影响。同相分量噪声的示例为对施加到待测流体上的磁场幅度的漂移。在传统的电磁流量计中，当由于电源电压的波动而使提供给励磁线圈的励磁电流的幅度发生变化(漂移)，而且施加于待测流体的磁场幅度漂移时，电极间电动势的幅度发生改变，导致了由于漂移影响所引起的流速测量误差。即使通过高频励磁方法也不能去除这种同相分量噪声。
相反，使用矩形波作为提供给励磁线圈的励磁电流的矩形波励磁方法抵抗同相分量噪声。但是，在矩形波励磁方法中，当电磁场的变化为零时，检测电极间电动势。当励磁电流具有较高频率时，检测器必须具有较高的性能。此外，在矩形波励磁方法中，当励磁电流具有较高频率时，则不能忽略励磁线圈的阻抗、励磁电流响应、磁场响应和励磁线圈铁心的过电流损耗的效应。很难保持矩形波励磁。结果，在矩形波励磁方法中，高频励磁是困难的，而且不能实现响应流速变化的增加也不能去除1/f噪声。

发明内容
做出本发明以解决上述问题，而且本发明的目的在于提供一种电磁流量计，能够去除同相分量噪声并修正任何流速测量误差，并且也能够实现高频励磁。
按照本发明的一种电磁流量计包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于流体的磁场和流体的流动所产生的电动势；不对称励磁单元，在用作所述测量管道中的分界面的平面两侧向流体施加不对称的磁场，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；信号转换单元，根据由所述电极检测到的电动势，获得依赖于流体的流速而不依赖于流速测量误差的不对称励磁特征参数；以及流速输出单元，计算流体的流速，对于所述流速，已经根据所述不对称励磁特征参数修正了流速测量误差。作为本发明的基本技术思想，将不对称磁场施加于测量管道中的分界面，即连接电极的电极轴的两侧的流体，以产生输入(励磁电流)和输出(电动势)之间的相位差。根据相位差的机制，修正由于电磁场状态的漂移所引起的流速测量误差。更具体地，在将不对称磁场(周期变化的磁场)施加于用作测量管道的分界面的平面两侧的流体时，在电极中，除了由流体的运动，即流速度引起的电动势以外，产生了并不是由流速度引起的、而是由磁场(磁通量)的变化引起的电动势。电动势之间的相位差具有预定的关系。因此，当考虑到励磁电流的相位与在电极中产生的电动势之间的相位差时，可以去除同相分量。因此，不必使用矩形波励磁方法，而可以使用正弦波励磁方法。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述不对称励磁单元包括励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；以及电源单元，向所述励磁线圈提供励磁电流。在将励磁线圈设置在从所述平面分开了偏移距离的位置处时，可以将不对称磁场施加于用作测量管道中的分界面的平面两侧的待测流体。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述信号转换单元获得提供给所述不对称励磁单元的励磁线圈的励磁电流与由所述电极所检测到的电动势之间的相位差，作为所述不对称励磁特征参数，而且所述流速输出单元根据所述信号转换单元所获得的相位差，计算流体的流速。当通过使用至少一个励磁线圈，将不对称磁场施加于用作测量管道的分界面的平面两侧的待测流体时，除非待测流体的流速发生变化，否则励磁电流与由电极检测到的电动势之间的相位差是恒定的。换句话说，当流体的流速改变时，励磁电流与电动势之间的相位差发生变化。因此，根据励磁电流与电动势之间的相位差可以计算待测流体的流速。
按照本发明的一种电磁流量计包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于流体的磁场和流体的流动所产生的电动势；励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，并在用作所述测量管道中的分界面的所述平面两侧向流体施加不对称的磁场，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；电源单元，向所述励磁线圈提供励磁电流；信号转换单元，获得所述励磁电流与由所述电极检测到的电动势之间的相位差；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的相位差，计算流体的流速。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离(offsetdistance)的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同相位的励磁电流，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的相位和不同的幅度。在将第一励磁线圈设置在从所述平面分开了偏移距离的位置处并将第二励磁线圈设置在与第一励磁线圈不同的位置处时，可以将不对称磁场施加在用作测量管道的分界面的平面两侧的待测流体上。为了产生不对称磁场，可以使用相对于所述平面不对称地设置第一励磁线圈和第二励磁线圈的方法或向第一励磁线圈和第二励磁线圈提供具有不同幅度的励磁电流的方法。
按照本发明的一种电磁流量计包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于流体的磁场和流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同相位的励磁电流；信号转换单元，获得所述励磁电流与由所述电极检测到的电动势之间的相位差；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的相位差，计算流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的相位和不同的幅度。当通过使用两个励磁线圈、将不对称磁场施加于用作测量管道的分界面的平面两侧的待测流体，并向第一励磁线圈和第二励磁线圈提供具有相同相位的励磁电流时，除非待测流体的流速发生变化，否则励磁电流与由电极检测到的电动势之间的相位差是恒定的。换句话说，当流体的流速改变时，励磁电流与电动势之间的相位差发生变化。因此，根据励磁电流与电动势之间的相位差可以计算待测流体的流速。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，根据由所述信号转换单元获得的相位差φ，所述流速输出单元通过下式计算流体的流速α1×tan(π/2-φ)(α1是系数)。在这种情况下，α1是预定的系数。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供励磁电流，同时改变提供给所述第一励磁线圈的励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的励磁电流之间的相位差，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度，而所述第一励磁线圈的磁场分量与所述第二励磁线圈的磁场分量之间的相位差发生变化。两个励磁线圈的磁场之间的相位差发生变化更具体地意味着相位差至少取两个不同的状态，即相位差至少取两个值。根据提供给第一和第二励磁线圈的励磁电流之间的相位差，可以获得磁场分量之间的相位差。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述信号转换单元针对在提供给所述不对称励磁单元的两个励磁线圈的励磁电流之间具有不同相位差的至少两个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得所述幅度之间的比值，作为所述不对称励磁特征参数，以及所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的比值，计算流体的流速。当通过使用两个励磁线圈、将不对称磁场施加于用作测量管道的分界面的平面两侧的待测流体，并且由第一励磁线圈产生的磁场分量和由第二励磁产生的磁场分量具有相同的幅度时，即使在磁场的幅度发生变化时，由电极检测到的电动势的幅度比值仍然不变。因此，根据电动势的幅度比值，可以计算待测流体的流速。
按照本发明的一种电磁流量计包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于流体的磁场和流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供励磁电流，同时改变提供给所述第一励磁线圈的励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的励磁电流之间的相位差；信号转换单元，针对具有不同相位差的至少两个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得所述幅度之间的比值；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的比值，计算流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度，而所述第一励磁线圈的磁场分量与所述第二励磁线圈的磁场分量之间的相位差至少取两个值。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，当提供给所述第一励磁线圈的励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的励磁电流之间的相位差取两个值2χ和2ψ(χ和ψ为不同的实数)时，所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的比值R，通过下式计算所述流体的所述流速α2×{(Rsinψ-sinχ)/(Rcosψ-cosχ)}(α2是系数)。在这种情况下，α2是预定的系数。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供励磁电流，同时连续切换提供给所述第一励磁线圈的励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的励磁电流之间的相位差，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度，而所述第一励磁线圈的磁场分量与所述第二励磁线圈的磁场分量之间的相位差连续切换。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述信号转换单元针对在提供给所述不对称励磁单元的两个励磁线圈的励磁电流之间具有不同相位差的多个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得对于其所述幅度具有预定值的相位差，作为所述不对称励磁特征参数，以及所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的相位差，计算流体的流速。当通过使用两个励磁线圈、将不对称磁场施加于用作测量管道的分界面的平面两侧的待测流体，并且由第一励磁线圈产生的磁场分量和由第二励磁产生的磁场分量具有相同的幅度时，对于其由电极检测到的电动势的幅度具有预定值的励磁电流之间的相位差并不依赖于磁场的幅度。因此，根据对于其电动势的幅度具有预定值的励磁电流之间的相位差，可以计算待测流体的流速。
按照本发明的一种电磁流量计包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于流体的磁场和流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供励磁电流，同时连续切换提供给所述第一励磁线圈的励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的励磁电流之间的相位差；信号转换单元，针对具有不同相位差的多个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得对于其所述幅度具有预定值的相位差；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的相位差，计算流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度，而所述第一励磁线圈的磁场分量与所述第二励磁线圈的磁场分量之间的相位差连续切换。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，根据由所述信号转换单元获得的所述相位差θ2，所述流速输出单元通过下式计算流体的流速α3×tan(θ2/2)(α3是系数)。在这种情况下，α3是预定的系数。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同频率和预定相位差的励磁电流，同时改变频率，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度、相同的频率和预定的相位差，而且所述磁场分量的频率至少在两个值之间切换。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述信号转换单元针对其中切换提供给所述不对称励磁单元的两个励磁线圈的励磁电流的频率的至少两个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得所述幅度的比值，作为所述不对称励磁特征参数，以及所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的比值，计算流体的流速。
按照本发明的一种电磁流量计包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于流体的磁场和流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同频率和预定相位差的励磁电流，同时改变频率；信号转换单元，针对具有不同频率的至少两个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得所述幅度的比值；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的比值，计算流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度、相同的频率和预定的相位差，而且所述磁场分量的频率至少在两个值之间切换，即至少取两个不同的频率。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，当提供给所述第一和第二励磁线圈的励磁电流的频率在两个值ω1和ω2之间切换时，所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的比值Ror，通过下式计算流体的流速α4×{(Rorω2-ω1)sin(θ2/2)}/{(1-Ror)cos(θ2/2)(α4是系数)。在这种情况下，α4是预定的系数。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，当提供给所述第一和第二励磁线圈的励磁电流的频率在两个值ω1和ω2之间切换时，所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的实轴分量的比值Rvx，通过下式计算流体的流速α4×{(Rvxω2-ω1)sin(θ2)}/[(1-Rvx){1+cos(θ2)}](α4是系数)。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，当提供给所述第一和第二励磁线圈的励磁电流的频率在两个值ω1和ω2之间切换时，所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的虚轴分量的比值Rvy，通过下式计算流体的流速α4×[(Rvyω2-ω1){1-cos(θ2)}]/{(1-Rvy)sin(θ2)}(α4是系数)。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同频率和预定相位差的励磁电流，同时连续切换频率，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度、相同的频率和预定的相位差，而且所述磁场分量的频率连续切换。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述信号转换单元针对其中切换提供给所述不对称励磁单元的两个励磁线圈的励磁电流的频率的多个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得对于其所述幅度具有预定值的频率，作为所述不对称励磁特征参数，以及所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的频率，计算流体的流速。
按照本发明的一种电磁流量计包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于流体的磁场和流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同频率和预定相位差的励磁电流，同时连续切换频率；信号转换单元，针对具有不同频率的多个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得对于其所述幅度具有预定值的频率；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的频率，计算流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度、相同的频率和预定的相位差，而且所述磁场分量的频率连续切换。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，根据提供给所述第一励磁线圈的励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的励磁电流之间的相位差θ2和由所述信号转换单元获得的频率ω0，所述流速输出单元通过下式计算流体的流速α5×ω0tan(θ2/2)(α5是系数)。
按照本发明的所述电磁流量计的结构使用正弦波励磁方法。
在按照本发明的所述电磁流量计的结构中，所述电极的数目为一个。


图1是用于解释按照本发明的电磁流量计的基本原理的方框图；图2是示出了当待测流体的流速为0时的涡电流和电极间电动势的视图；
图3是示出了当待测流体的流速不为0时的涡电流和电极间电动势的视图；图4是示出了在图1所示的电磁流量计中表示电极间电动势的四个复矢量之间的几何关系的图解；图5A和5B是用于解释传统电磁流量计中的问题的示意图；图6是示出了按照本发明第一实施例的电磁流量计的结构的方框图；图7A和7B是示出了在按照本发明第一实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图8是示出了按照本发明第二实施例的电磁流量计的结构的方框图；图9A和9B是示出了在按照本发明第二实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图10是示出了按照本发明第三实施例的电磁流量计的结构的方框图；图11是示出了按照本发明第四实施例的电磁流量计的结构的方框图；图12是示出了按照本发明第五实施例的电磁流量计的结构的方框图；图13是示出了在按照本发明第五实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图14是示出了在按照本发明第五实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图15是示出了在按照本发明第五实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图16是示出了在按照本发明第五实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图17是示出了在按照本发明第五实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图18A和18B是示出了在按照本发明第五实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图19是示出了在按照本发明第六实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图20A和20B是示出了在按照本发明第六实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图21A和21B是示出了在按照本发明第七实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图22A和22B是示出了在按照本发明第十实施例的电磁流量计中利用漂移修正进行流速测量的原理的图解；图23是示出了用在按照本发明的电磁流量计中的电极的示例的截面图；图24是示出了用在按照本发明的电磁流量计中的电极的另一示例的截面图；以及图25是示出了传统电磁流量计的结构的方框图。
具体实施例方式
在描述本发明的基本原理之前，将对公知的基本数学知识进行描述。将具有相同频率和不同幅度的余弦波Acos(ωt)和正弦波Bsin(ωt)合成为以下的余弦波。A和B是幅度，而ω是角频率。
Acos(ωt)+Bsin(ωt)＝(A2+B2)1/2cos(ωt-ε)其中ε＝tan-1(B/A) …(1)为了分析等式(1)的合成，方便的是将余弦波Acos(ωt)和正弦波Bsin(ωt)映射到复坐标平面上，沿实轴绘出余弦波Acos(ωt)的幅度A，而沿虚轴绘出正弦波Bsin(ωt)的幅度B。更具体地，在复坐标平面上，到原点的距离(A2+B2)1/2给出了合成波的幅度，相对于实轴的角度ε＝tan-1(B/A)给出了合成波与ωt之间的相位差。
此外，在复坐标平面上，以下关系式成立Cexp(jε)＝Ccos(ε)+jCsin(ε) …(2)等式(2)是复矢量的表达式。在等式(2)中，j是虚数单位，C是复矢量的长度，而ε是复矢量的方向。因此，为了分析复坐标平面上的几何关系，方便的是使用对复矢量的变换。
在以下的描述中，为了解释电极间电动势所表现出来的行为以及本发明应用该行为的方式，采用了到复坐标平面的映射和使用复矢量的几何分析。
首先，将描述与每单位时间待测流体的流速(流速度)无关的电极间电动势。图1是用于解释按照本发明的电磁流量计的基本原理的方框图。此电磁流量计包括测量管道1、一对电极2a和2b以及第一励磁线圈3a和第二励磁线圈3b。待测流体流经测量管道1。一对电极2a和2b在测量管道1中彼此相对，以垂直于施加于待测流体的磁场和测量管道1的轴PAX，并与待测流体接触。电极2a和2b检测由磁场和待测流体的流动所产生的电动势。将包括电极2a和2b并垂直于测量管道轴PAX的方向的平面PLN定义为测量管道1中的分界面。在这种情况下，第一励磁线圈3a和第二励磁线圈3b在平面PLN，即测量管道1中的分界面两侧向待测流体施加不对称磁场。在本示例中，将第一励磁线圈3a和第二励磁线圈3b设置在平面PLN的相对侧。
通过下式给出由第一励磁线圈3a产生的磁场在连接电极2a和2b的电极轴EAX上与电极轴EAX和测量管道轴PAX相垂直的磁场分量(磁通量密度)B1以及由第二励磁线圈3b产生的磁场在电极轴EAX上与电极轴EAX和测量管道轴PAX相垂直的磁场分量(磁通量密度)B2B1＝b1cos(ω0t-θ1) …(3)B2＝b2cos(ω0t-θ2) …(4)在等式(3)和(4)中，b1和b2是幅度，ω0是角频率，θ1和θ2是与ω0t的相位差(相位延迟)。将磁通量密度B1称为磁场B1，而将磁通路密度B2称为磁场B2。
通过磁场的时间微分dB/dt获得由磁场的变化而引起的电动势。对由第一励磁线圈3a和第二励磁线圈3b产生的磁场B1和B2微分如下。
dB1/dt＝-b1ω0sin(ω0t-θ1) …(5)dB2/dt＝-b2ω0sin(ω0t-θ2) …(6)当待测流体的流速为0时，由磁场B1和B2产生的涡电流只包含由磁场的变化所产生的分量。由磁场B1产生的涡电流Ia和由磁场B2产生的涡电流Ib具有如图2所示的方向。因此，在包含电极轴EAX和测量管道轴PAX的平面中，由磁场B1的变化产生并与流速(流速度)无关的电极间电动势Ea和由磁场B2的变化产生并与流速(流速度)无关的电极间电动势Eb具有相反的方向，如图2所示。
此时，通过将电极间电动势Ea和Eb相加而得到的总电极间电动势E对应于通过计算磁场的时间微分dB1/dt和dB2/dt之间的差值并将此差值与系数k(与待测流体的电导率和介电常数以及测量管道1的结构有关的复数)相乘而得到的数值。
E＝k{-b2ω0sin(ω0t-θ2)+b1ω0sin(ω0t-θ1)} …(7)可将等式(7)写为E＝-kb2ω0sin(ω0t)cos(-θ2)-kb2ω0cos(ω0t)sin(-θ2)+kb1ω0sin(ω0t)cos(-θ1)+kb1ω0cos(ω0t)sin(-θ1)＝{-b2sin(-θ2)+b1sin(-θ1)}ω0kcos(ω0t)+{-b2cos(-θ2)+b1cos(-θ1)}ω0ksin(ω0t)…(8)在将等式(8)映射到基于ω0t的复坐标平面上时，由下式给出实轴分量Ex和虚轴分量EyEx＝{-b2sin(-θ2)+b1sin(-θ1)}ω0k…(9)Ey＝{-b2cos(-θ2)+b1cos(-θ1)}ω0k…(10)将等式(9)和等式(10)中的Ex和Ey改写为Ex＝{-b2sin(-θ2)+b1sin(-θ1)}ω0k＝{-b2cos(π/2+θ2)+b1cos(π/2+θ1)}ω0k＝{b2cos(-π/2+θ2)+b1cos(π/2+θ1)}ω0k…(11)
Ey＝{-b2cos(-θ2)+b1cos(-θ1)}ω0k＝{-b2sin(π/2+θ2)+b1sin(π/2+θ1)}ω0k＝{b2sin(-π/2+θ2)+b1sin(π/2+θ1)}ω0k…(12)以获得由下式给出的复矢量Ec＝Ex+jEy＝{b2cos(-π/2+θ2)+b1cos(π/2+θ1)}ω0k+j{b2sin(-π/2+θ2)+b1sin(π/2+θ1)}ω0k＝{b1cos(π/2+θ1)+jb1sin(π/2+θ1)}ω0k+{b2cos(-π/2+θ2)+jb2sin(-π/2+θ2)}ω0k＝b1ω0kexp{j(π/2+θ1)}+b2ω0kexp{j(-π/2+θ2)}…(13)可以将上述系数k变换为由下式给出的复矢量k＝rkcos(θ00)+jrksin(θ00)＝rkexp(jθ00)…(14)在等式(14)中，rk是比例系数，而θ00是矢量k相对于实轴的角度。
在将等式(14)代入等式(13)时，通过下式给出了变换为复矢量的电极间电动势Ec(只由磁场的时间额定变化引起而与流速度无关的电极间电动势)Ec＝b1ω0kexp{(j(π/2+θ1)}+b2ω0kexp{j(-π/2+θ2)}＝b1ω0rkexp{j(π/2+θ1+θ00)}+b2ω0rkexp{j(-π/2+θ2+θ00)}…(15)在等式(15)中，b1ω0rkexp{j(π/2+θ1+θ00)}是其长度为b1ω0rk而与实轴的角度为π/2+θ1+θ00的复矢量，而b2ω0rkexp{j(-π/2+θ2+θ00)}是其长度为b2ω0rk而与实轴的角度为-π/2+θ2+θ00的复矢量。
接下来，将对由待测流体的流速(流速度)所引起的电极间电动势进行描述。当待测流体的流速度为V(V≠0)时，由磁场B1和B2引起的涡电流除了包含流速度为0时的涡电流分量Ia和Ib之外，还分别包含由流速度引起的分量V×B1和V×B2。因此，由磁场B1引起的涡电流Ia’和由磁场B2引起的涡电流Ib’具有如图3所示的方向。因此，由待测流体的流速度V和磁场B1产生的电极间电动势Ea’和由流速度V和磁场B2产生的电极间电动势Eb’具有相同的方向。
此时，通过将由流速度产生的电极间电动势Ea’和Eb’相加而得到的总电极间电动势Ev对应于将磁场B1与系数kv(与流速度V、待测流体的电导率和介电常数以及测量管道1的结构有关的复数)相乘所得到的数值与将磁场B2与系数kv相乘所得到的数值的和。
Ev＝kv{b1cos(ω0t-θ1)+b2cos(ω0t-θ2)} …(16)当展开等式(16)的正弦项和余弦项时，得到Ev＝kvb1cos(ω0t)cos(-θ1)-kvb1ω0sin(ω0t)sin(-θ1)+kvb2cos(ω0t)cos(-θ2)-kvb2sin(ω0t)sin(-θ2)＝{b1cos(-θ1)+b2cos(-θ2)}kvcos(ω0t)+{-b1sin(-θ1)-b2sin(-θ2)}kvsin(ω0t)…(17)在将等式(17)映射到基于ω0t的复坐标平面上时，由下式给出实轴分量Evx和虚轴分量EvyEvx＝{b1cos(-θ1)+b2cos(-θ2)}kv …(18)Evy＝{-b1sin(-θ1)-b2sin(-θ2)}kv …(19)将等式(18)和等式(19)变换为复矢量EvcEvx＝{b1cos(-θ1)+b2cos(-θ2)}kv …(20)＝{b1cos(θ1)+b2cos(θ2)}kvEvy＝{-b1sin(-θ1)-b2sin(-θ2)}kv …(21)＝{b1sin(θ1)+b2sin(θ2)}kvEvc＝Evx+jEvy＝{b1cos(θ1)+b2cos(θ2)}kv+j{b1sin(θ1)+b2sin(θ2)}kv＝{b1cos(θ1)+jb1sin(θ1)}kv+{b2cos(θ2)+jb2sin(θ2)}kv＝b1kvexp(jθ1)+b2kvexp(jθ2)…(22)可以将上述系数kv变换为复矢量。
kv＝rkvcos(θ01)+jrkvsin(θ01) …(23)＝rkvexp(jθ01)在等式(23)中，rkv是比例系数，而θ01是矢量kv相对于实轴的角度。在这种情况下，rkv对应于将比例系数rk(等式(14)与流速度V和比例系数γ相乘所得到的数值。即rkv＝rkVγ …(24)在将等式(23)代入等式(22)时，如下得到变换为复坐标的电极间电动势EvcEvc＝b1kvexp(jθ1)+b2kvexp(jθ2) …(25)＝b1rkvexp{j(θ1+θ01)}+b2rkvexp{j(θ2+θ01)}在等式(25)中，b1rkvexp{j(θ1+θ01)}是其长度为b1rkv而与实轴的角度为θ1+θ01的复矢量，而b2rkvexp{j(θ2+θ01)}是其长度为b2rkv而与实轴的角度为θ2+θ01的复矢量。
根据等式(15)和(25)，给出了通过将由磁场的时间额定变化所产生的电极间电动势Ec与由流体的流速度所产生的电极间电动势Evc相加而得到的总电极间电动势EacEac＝Ec+Evc＝b1ω0rkexp{j(π/2+θ1+θ00)}+b2ω0rkexp{j(-π/2+θ2+θ00)}+b1rkvexp{j(θ1+θ01)}+b2rkvexp{j(θ2+θ01)}…(26)如从等式(26)所清楚看到的那样，由四个复矢量b1ω0rkexp{j(π/2+θ1+θ00)}、b2ω0rkexp{j(-π/2+θ2+θ00)}、b1rkvexp{j(θ1+θ01)}和b2rkvexp{j(θ2+θ01)}来描述电极间电动势Eac。通过合成四个复矢量而获得的合成矢量的长度表示输出(电极间电动势Eac)的幅度，而合成矢量的角度φ表示电极间电动势Eac与输入(励磁电流)的相位ω0t之间的相位差(相位延迟)。
下面将对本发明进行描述。为了易于理解，假设θ1＝θ00＝θ01＝0，因此，可以将等式(26)改写为
Eac＝b1ω0rkexp{j(π/2)}+b2ω0rkexp{j(-π/2+θ2)}+b1rkvexp{j(0)}+b2rkvexp{j(θ2)}＝jb1ω0rk+b2ω0rkexp{j(-π/2+θ2)}+b1rkv+b2rkvexp{j(θ2)}…(27)此时，表示电极间电动势Eac的四个矢量具有如图4所示的几何关系。如上所述，θ1＝0。因此，由第一励磁线圈3a产生的磁场B1为B1＝b1cos(ω0t)，而由第二励磁线圈3b产生的磁场B2为B2＝b2cos(ω0t-θ2)。磁场B1与磁场B2之间的相位差为θ2。当改变磁场B1与B2之间的相位差θ2时，电极间电动势Eac的轨迹在图4所示的复平面上位于以坐标点(b1rkv，b1ω0rk)为圆心、以{(b2ω0rk)2+(b2rkv)2}1/2为半径的圆的圆周上。
在上述基本原理中，参照图25进行描述的传统电磁流量计对应于其中b1＝b2，而且θ2＝0的结构。此电磁流量计根据电极间电动势的大小(合成矢量的长度)来测量流速。
当在等式(27)中b1＝b2＝0.5β(β是预定的物理量)，且θ2＝0时，由下式给出电极间电动势EacEac＝jb1ω0rk+b2ω0rkexp{j(-π/2+θ2)}+b1rkv+b2rkvexp{j(θ2)}＝j0.5βω0rk-j0.5βω0rk+0.5βrkv+0.5βrkv＝βrkv…(28)当由于电源单元的电源电压的波动，励磁线圈13的励磁电流的幅度漂移时，在等式(28)中，对应于磁场幅度的β漂移到β′。在这种情况下，如图5A和5B所示，即使在待测流体的流速不变时，合成矢量的长度(电极间电动势Eac的幅度)也会发生改变。因此，出现了由于磁场幅度的漂移波动所引起的流速测量误差。
下面，将详细描述本发明的实施例。图6是示出了按照本发明第一实施例的电磁流量计的结构的方框图。与图1中相同的参考数字表示图6中相同的组件。按照本实施例的电磁流量计具有测量管道1、一对电极2a和2b、励磁线圈3、电源单元4、信号转换单元5和流速输出单元6。待测流体流经测量管道1。一对电极2a和2b在测量管道1中彼此相对，以垂直于施加于待测流体的磁场和轴PAX，并与待测流体接触。电极2a和2b检测由磁场和待测流体的流动所产生的电动势。将包括电极2a和2b并垂直于测量管道轴PAX的方向的平面PLN定义为测量管道1中的分界面。在这种情况下，励磁线圈3在平面PLN，即测量管道1中的分界面两侧向待测流体施加不对称磁场。电源单元4向励磁线圈3提供励磁电流以产生磁场。信号转换单元5获得励磁电流与由电极2a和2b所检测到的电动势之间的相位差。流速输出单元6根据由信号转换单元5获得的相位差，计算流体的流速。
在本实施例中，只使用了一个励磁线圈3。这对应于在上述等式(27)中b2＝θ2＝0的结构。将励磁线圈3设置在从平面PLN分开了一偏移距离d(d＞0)的位置处。由于在等式(3)中θ1＝0，通过下式给出当从电源单元4提供励磁电流时由励磁线圈3产生的磁场在连接电极2a和2b的电极轴EAX上与电极轴EAX和测量管道轴PAX相垂直的磁场分量B1B1＝b1cos(ω0t) …(29)当在等式(27)中b2＝θ2＝0时，得到Eac＝jb1ω0rk+b1rkv …(30)图7A和7B示出了在本实施例中修正了磁场的幅度漂移而进行流速测量的原理。表示由等式(30)所给出的电极间电动势Eac的两个矢量具有如图7A所示的几何关系。根据图7A和等式(30)，得到tan(π/2-φ)＝(b1rkv)/(b1ω0rk) …(31)＝rkv/(ω0rk)假定磁场B1的幅度b1漂移到b1’。表示电极间电动势Eac的两个矢量之间的几何关系从图7A变化为图7B。将等式(31)改写为tan(π/2-φ′)＝(b1′rkv)/(b1′ω0rk) …(32)＝rkv/(ω0rk)由于等式(31)的右侧等于等式(32)的右侧，φ＝φ′成立。更具体地，当磁场B1的幅度b1漂移到b1’时，电极间电动势Eac的幅度(合成矢量的长度)变化为图7B。但是，除非待测流体的流速发生变化，否则励磁电流(磁场B1)的相位ω0t与电极间电动势Eac之间的相位差φ保持不变。因此，当根据相位差φ检测流速时，可以自动抵消由于漂移的影响所产生的流速测量误差。
为了获得待测流体的流速，将等式(31)改写为rkv＝ω0rktan(π/2-φ)…(33)根据等式(24)，可以将等式(33)改写为V＝α1×tan(π/2-φ)其中α1＝ω0/γ …(34)其中α1(或γ)是通过定标等预先确定的系数。信号转换单元5检测电极2a和2b之间的电动势Eac，并获得励磁电流的相位ω0t与电极间电动势Eac之间的相位差φ。流速输出单元6根据由信号转换单元5获得的相位差φ，通过使用等式(34)，计算待测流体的流速度V，即每单位时间的流速。
如上所述，作为本发明的基本技术思想，在测量管道1中的平面PLN两侧向待测流体施加不对称磁场，以产生输入(励磁电流)与输出(电动势)之间的相位差。基于相位差的机制，修正或去除了由于磁场状态的漂移所引起的流速测量误差。在本实施例中，通过使用依赖于待测流体的流速而不依赖于磁场B1的幅度漂移的不对称励磁特征参数(励磁电流与电极间电动势Eac之间的相位差φ)来计算流速。因此，可以在自动抵消由于同相分量噪声的影响(磁场幅度的漂移)而引起的流速测量误差的同时，对流速进行计算。因此，可以进行精确的流速测量。
图8是示出了按照本发明第二实施例的电磁流量计的结构的方框图。与图1和图6中相同的参考数字表示图8中相同的组件。按照本实施例的电磁流量计具有测量管道1、电极2a和2b、第一和第二励磁线圈3a和3b、电源单元4a、信号转换单元5和流速输出单元6a。将包括电极2a和2b并垂直于测量管道轴PAX的方向的平面PLN定义为测量管道1中的分界面。在这种情况下，第一和第二励磁线圈3a和3b在平面PLN，即测量管道1中的分界面两侧向待测流体施加不对称磁场。电源单元4a向第一和第二励磁线圈3a和3b提供具有相同频率和相同相位的励磁电流以产生磁场。信号转换单元5获得励磁电流与由电极2a和2b所检测到的电动势之间的相位差。流速输出单元6a根据由信号转换单元5获得的相位差，计算流体的流速。
本实施例对应于在上述等式(27)中b1≠b2而θ2＝0的结构。例如，将第一励磁线圈3a设置在平面PLN的下游、从平面PLN分开了偏移距离d1的位置处。例如，将第二励磁线圈3b设置在平面PLN的上游、从平面PLN分开了一偏移距离d2的位置处，即第一励磁线圈3a关于平面PLN的相对侧。由电源单元4a提供具有相同频率、相同相位和不同幅度的励磁电流。因此，在测量管道1中的平面PLN两侧施加了不对称电场。
因为在等式(3)中θ1＝0，通过等式(35)给出了当从电源单元4a提供励磁电流时由第一励磁线圈3a产生的磁场在连接电极2a和2b的电极轴EAX上与电极轴EAX和测量管道轴PAX相垂直的磁场分量B1。因为在等式(4)中θ2＝0，通过等式(36)给出了由第二励磁线圈3b产生的磁场在电极轴EAX上与电极轴EAX和测量管道轴PAX相垂直的磁场分量B2B1＝b1cos(ω0t) …(35)B2＝b2cos(ω0t) …(36)当在等式(27)中θ2＝0时，得到Eac＝jb1ω0rk-jb2ω0rk+b1rkv+b2rkv …(37)图9A和9B示出了本实施例中的流速测量原理。表示由等式(37)所给出的电极间电动势Eac的四个矢量具有如图9A所示的几何关系。根据图9A和等式(37)，得到tan(π/2-φ)＝{(b1+b2)rkv}/{(b1-b2)ω0rk}…(38)假定磁场B1的幅度b1漂移到b1’，而磁场B2的幅度b2漂移到b2’。表示电极间电动势Eac的四个矢量之间的几何关系从图9A变化为图9B。将等式(38)改写为
tan(π/2-φ′)＝{(b1′+b2′)rkv}/{(b1′-b2′)ω0rk} …(39)提供励磁电流的电源单元4a被第一励磁线圈3a和第二励磁线圈3b公用。因此，即使当幅度b1漂移到b1’且幅度b2漂移到b2’时，以下关系仍然成立b1′/b1＝b2′/b2＝ρ …(40)根据等式(40)，将等式(39)改写为tan(π/2-φ′)＝{ρ(b1+b2)rkv}/{ρ(b1-b2)ω0rk} …(41)＝{(b1+b2)rkv}/{(b1-b2)ω0rk}由于等式(38)的右侧等于等式(41)的右侧，φ＝φ′成立。更具体地，当磁场B1的幅度b1漂移到b1’且磁场B2的幅度b2漂移到b2’时，电极间电动势Eac的幅度(合成矢量的长度)变化为图9B。但是，除非待测流体的流速发生变化，否则励磁电流(磁场B1和B2)的相位ω0t与电极间电动势Eac之间的相位差φ保持不变。因此，当根据相位差φ检测流速时，可以自动抵消由于漂移的影响所产生的流速测量误差。
为了获得待测流体的流速，将等式(38)改写为rkv＝{(b1-b2)/(b1+b2)}ω0rktan(π/2-φ) …(42)根据等式(24)，可以将等式(42)改写为V＝α1×tan(π/2-φ)其中α1＝{(b1-b2)/(b1+b2)}ω0/γ …(43)其中α1(或γ)是通过定标预先确定的系数。与第一实施例中相同，信号转换单元5检测电极2a和2b之间的电动势Eac，并获得励磁电流(磁场B1和B2)的相位ω0t与电极间电动势Eac之间的相位差φ。流速输出单元6a根据由信号转换单元5获得的相位差φ，通过等式(43)，计算待测流体的流速度V。利用上述结构，可以获得与第一实施例中相同的效果。
图10是示出了按照本发明第三实施例的电磁流量计的结构的方框图。与图1、图6和图8中相同的参考数字表示图10中相同的组件。在第二实施例中，从平面PLN到第一励磁线圈3a的偏移距离d1等于从平面PLN到第二励磁线圈3b的偏移距离d2，从而对称设置所述励磁线圈。代替地，如图10所示，可以依照不同的偏移距离d1和d2设置第一和第二励磁线圈3a和3b。
在本实施例中，由于通过不对称地设置第一和第二励磁线圈3a和2b，可以在测量管道1中的平面PLN两侧形成不对称磁场。因此，对于电源单元4a，可以向第一和第二励磁线圈3a和3b提供相同的励磁电流。其余的组件与第二实施例中相同。
图11是示出了按照本发明第四实施例的电磁流量计的结构的方框图。与图1、图6和图8中相同的参考数字表示图11中相同的组件。在第二实施例中，电极轴EAX与第一励磁线圈3a的轴线之间所成的角度等于电极轴EAX与第二励磁线圈3b的轴线之间所成的角度(两个角均为90)。代替地，如图11所示，可以设置第一和第二励磁线圈3a和3b，从而使电极轴EAX与第一励磁线圈3a的轴线之间所成的角度不同于电极轴EAX与第二励磁线圈3b的轴线之间所成的角度。
因此，磁场B1和B2可以具有不同的幅度b1和b2。因此，对于电源单元4a，可以向第一和第二励磁线圈3a和3b提供相同的励磁电流。其余的组件与第二实施例中相同。
图12是示出了按照本发明第二实施例的电磁流量计的结构的方框图。与图1、图6和图8中相同的参考数字表示图12中相同的组件。按照本实施例的电磁流量计具有测量管道1、电极2a和2b、第一和第二励磁线圈3a和3b、电源单元4b、信号转换单元5b和流速输出单元6b。提供给第一和第二励磁线圈3a和3b的励磁电流具有相同的频率。电源单元4b向第一和第二励磁线圈3a和3b提供励磁电流，同时改变励磁电流之间的相位差，以产生磁场。信号转换单元5b在其中励磁电流具有不同相位差的至少两个状态的每个状态下，获得由电极2a和2b所检测到的电极间电动势的幅度，并获得幅度的比值。流速输出单元6b根据由信号转换单元5b获得的幅度比值，计算流体的流速。
本实施例对应于在上述等式(27)中b1＝b2的结构。为了描述方便，磁场B1和B2的幅度b1和b2满足以下关系b1＝b2＝b。只要b1＝b2能够成立，第一和第二励磁线圈3a和3b可以具有任何结构。可以如第二实施例中那样，对称地设置励磁线圈，或者如第三实施例中那样，不对称地设置励磁线圈。提供给第一和第二励磁线圈3a和3b的励磁电流可以具有相同的幅度或不同的幅度。
由于在等式(3)中b1＝b且θ1＝0，通过等式(44)给出了由第一励磁线圈3a产生的磁场B1。由于在等式(4)中b2＝b，通过等式(45)给出了由第二励磁线圈3b产生的磁场B2B1＝bcos(ω0t) …(44)B2＝bcos(ω0t-θ2) …(45)当在等式(27)中b1＝b2＝b时，得到Eac＝jbω0rk+bω0rkexp{j(-π/2+θ2)}+brkv+brkvexp(jθ2) …(46)图13到18示出了本实施例中的流速测量原理。表示由等式(46)所给出的电极间电动势Eac的四个矢量具有如图13所示的几何关系。参照图13，以实线表示在流速为0时与等式(46)中的各个项相对应的矢量。合成矢量的轨迹在复平面上形成了圆心为(brkv，bω0rk)的圆。当流速为0时，等式(46)的第三和第四项为0。因此，合成矢量的轨迹在复平面上形成了圆心为(0，bω0rk)的圆。
如图14到图16所示，通过合成等式(46)中的四个矢量而获得的合成矢量的角度φ(相位ω0t与电极间电动势Eac的相位差)是提供给第一励磁线圈3a的励磁电流与提供给第二励磁线圈3b的励磁电流(磁场B1和B2)之间的相位差θ2的1/2。以下，将对此关系进行描述。
图14示出了当θ2＜π(180)时等式(46)中的四个矢量之间的几何关系。当待测流体的流速为0时，可以将等式(46)改写为Eac＝jbω0rk+bω0rkexp{j(-π/2+θ2)} …(47)当流速为0时，由两个复矢量jbω0rk和bω0rkexp{j(-π/2+θ2)}及其合成矢量形成的△ABC是等腰三角形。由边AB和BC所成的角∠ABC的大小为(π-θ2)/2。此时，合成矢量的角度(相位)为φ1＝θ2/2。
另一方面，由流速不为0时所产生的两个矢量brkv和brkvexp(jθ2)所形成的△CDE是等腰三角形。由边EC和CD所成的角∠ECD的大小为θ2/2。即，当待测流体的流速增加时，合成矢量的角度为φ2＝θ2/2。
图15示出了当θ2＞π(180)时等式(46)中的四个矢量之间的几何关系。当待测流体的流速为0时，由两个复矢量jbω0rk和bω0rkexp{j(-π/2+θ2)}及其合成矢量形成的△ABC是等腰三角形。角∠ABC的大小为(θ2-π)/2。此时，合成矢量的角度(相位)φ1′+π/2为θ2/2。
另一方面，由流速不为0时所产生的两个矢量brkv和brkvexp(jθ2)所形成的△CDE是等腰三角形。角∠ECD的大小为{π-(θ2-π)}/2＝π-θ2/2。即，当待测流体的流速增加时，合成矢量变化的方向(相位)为图15中从C到D的φ2′+π/2＝(π/2-∠ECD)+π/2＝θ2/2。
图16示出了当θ2＝π(180)时等式(46)中的四个矢量之间的几何关系。当待测流体的流速为0时，合成矢量位于复矢量的虚轴Y上。流速不为0时所产生的两个矢量brkv和brkvexp(jθ2)具有相同的大小、相反的方向。因此，合成矢量的端点并不改变。更具体地，当θ2＝π时，合成矢量的角度总是θ2/2＝π/2。电极间电动势Eac保持恒定，而与流速无关。
如上所述，合成矢量的相位φ是提供给给第一励磁线圈3a的励磁电流与提供给第二励磁线圈3b的励磁电流之间的相位差θ2的1/2，并且不受待测流体的流速的影响。即，当流速改变时，在保持相位差θ2的同时，合成矢量的端点如图17所示进行运动。现有技术的特征对应于在实轴上的运动。
当在等式(46)中θ2＝0时，得到Eac＝brkv+brkv …(48)当在等式(46)中θ2＝π时，得到Eac＝jbω0rk+jbω0rk …(49)图18A和18B示出了在本实施例中利用漂移修正来进行流速测量的原理。图18A示出了表示θ2＝0时的电极间电动势Eac的两个矢量之间的几何关系，以及表示θ2＝π时的电极间电动势Eac的两个矢量之间的几何关系。
根据图18A和等式(48)和(49)，由下式给出了在相位差θ2＝0时的电极间电动势的幅度(合成矢量的长度)Aθ2＝0与在相位差θ2＝π时的电极间电动势的幅度Aθ2＝π的比值RR＝Aθ2＝0/Aθ2＝π＝(brkv+brkv)/(bω0rk+bω0rk)…(50)＝rkv/(ω0rk)假定磁场B1和B2的幅度b漂移到b’。表示电极间电动势Eac的矢量之间的几何关系从图18A变化为图18B。将等式(50)改写为R′＝A′θ2＝0/A′θ2＝π＝(b′rkv+b′rkv)/(b′ω0rk+b′ω0rk)…(51)＝rkv/(ω0rk)由于等式(50)的右侧等于等式(51)的右侧，R＝R′成立。更具体地，即使当磁场B1和B2的幅度b漂移到b’时，电极间电动势Eac的幅度比R仍然保持不变。在由电源单元4b进行切换从而使提供给第一励磁线圈3a的励磁电流与提供给第二励磁线圈3b的励磁电流之间的相位差θ2取两个值时，依照每个值，获得幅度。当根据幅度比R来检测流速时，可以自动抵消由于漂移的影响而引起的流速测量误差。
为了获得待测流体的流速，将等式(50)改写为rkv＝ω0rk(Aθ2＝0/Aθ2＝π)＝ω0rkR …(52)根据等式(24)，可以将等式(52)改写为V＝α2×R，其中α2＝ω0/γ …(53)等式(53)是将具有相位差θ2＝0的励磁电流和具有相位差θ2＝π的励磁电流提供给第一和第二励磁线圈3a和3b时的流速公式。接下来，将推导从等式(53)推广的公式。参照图14，由下式给出了通过合成等式(46)的四个矢量而得到的合成矢量的大小|BE||BE|＝2La+2Lb其中Lα＝bω0rksin(θ2/2)Lb＝brkvcos(θ2/2) …(54)
其中La是通过将图14中的线段BC分为两个相等的部分而得到的长度，而Lb是通过将图14中的线段CE分为两个相等的部分而得到的长度。根据等式(54)，得到|BE|＝2bω0rksin(θ2/2)+2brkvcos(θ2/2) …(55)接下来，取满足相位差θ2＝2χ的任意值χ(χ是实数)。此时，根据等式(55)，通过下式给出了合成矢量BE的大小|BE|θ2＝2χ|BE|θ2＝2χ＝2bω0rksinχ+2brkvcosχ …(56)取满足相位差θ2＝2ψ的任意值ψ(ψ是实数)。此时，根据等式(55)，通过下式给出了合成矢量BE的大小|BE|θ2＝2ψ|BE|θ2＝2ψ＝2bω0rksinψ+2brkvcosψ …(57)|BE|2θ＝2χ是在相位差θ2＝2χ时电极间电动势Eac的幅度Aθ2＝2χ。|BE|θ2＝2ψ是在相位差θ2＝2ψ时电极间电动势Eac的幅度Aθ2＝2ψ。根据等式(56)和(57)，通过下式给出了在相位差θ2＝2χ时电极间电动势Eac的幅度Aθ2＝2χ与在相位差2χ2＝2ψ时电极间电动势Eac的幅度Aθ2＝2ψ的比值RR＝Aθ2＝2χ/Aθ2＝2ψ＝(2bω0rksinχ+2brkvcosχ)/(2bω0rksinψ+2brkvcosψ)＝(ω0rksinχ+rkvcosχ)/(ω0rksinψ+rkvcosψ)…(58)表示了电极间电动势Eac的幅度的比值R的等式(58)不具有磁场B1和B2的幅度b的任何项。因此，即使当磁场B1和B2的幅度漂移时，比值R仍然不变。因此，在由电源单元4b进行切换从而使提供给第一励磁线圈3a的励磁电流与提供给第二励磁线圈3b的励磁电流之间的相位差θ2取两个值2χ和2ψ时，依照每个值，获得幅度。当根据幅度比R来检测流速时，可以自动抵消由于漂移的影响而引起的流速测量误差。
当P＝ω0rk且Q＝rkv时，可以将等式(58)改写为R＝(Psinχ+Qcosχ)/(Psinψ+Qcosψ)＝{(P2+Q2)1/2sin(χ+τ)/(P2+Q2)1/2sin(ψ+τ)}其中，τ＝tan-1(Q/P)…(59)
根据等式(59)，得到R＝sin(χ+τ)/sin(ψ+τ)＝(sinχcosτ+cosχsinτ)/(sinψcosτ+cosψsinτ)＝(sinχ+cosχtanτ)/(sinψ+cosψtanτ)…(60)根据等式(60)，得到Rsinψ+Rcosψtanτ＝sinχ+cosχtanτ …(61)根据等式(61)，得到tanτ(Rcosψ-cosχ)＝sinχ-Rsinψ …(62)根据等式(62)，得到tanτ＝(-Rsinψ+sinχ)/(Rcosψ-cosχ) …(63)根据τ＝tan-1(Q/P)，得到tanτ＝Q/P＝rkv/(ω0rk) …(64)根据等式(64)和(24)，可以将等式(63)改写为V＝(ω0/γ)×{(-Rsinψ+sinχ)/(Rcosψ-cosχ)}＝(-ω0/γ)×{(Rsinψ-sinχ)/(Rcosψ-cosχ)}＝α2×{(Rsinψ-sinχ)/(Rcosψ-cosχ)}其中α2＝-ω0/γ …(65)其中α2(或γ)是通过定标等预先确定的系数。利用上述处理，可以得到在将具有相位差θ2＝2χ的励磁电流和具有相位差θ2＝2ψ的励磁电流提供给第一和第二励磁线圈3a和3b时的流速度V的公式。通过推广等式(53)，得到了等式(65)。当在等式(65)中θ2＝2χ＝0且θ2＝2ψ＝π时，可以得到等式(53)。
电源单元4b向第一和第二励磁线圈3a和3b提供具有相位差θ2＝2χ的励磁电流和具有相位差θ2＝2ψ的励磁电流。信号转换单元5b在具有不同相位差θ2的两个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势Eac的幅度，并获得幅度的比值R。流速输出单元6b根据由信号转换单元5b获得的幅度比R，通过使用等式(65)，计算待测流体的流速度V。利用上述结构，可以获得与第一实施例相同的效果。作为本实施例的特征，将多个预定离散值应用于相位差θ2。相位差θ2并不局限于两个值。
接下来，将对本发明的第六实施例进行描述。按照本实施例的电磁流量计具有与第五实施例相同的结构，并将参照图12对其进行描述。本实施例的电源单元4b向第一和第二励磁线圈3a和3b提供具有相同频率的励磁电流，并连续切换励磁电流之间的相位差。信号转换单元5b在励磁电流之间具有不同相位差的多个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势的幅度，并获得与具有预定值的幅度相对应的励磁电流间的相位差。根据由信号转换单元5b获得的相位差，流速输出单元6b计算待测流体的流速。
本实施例对应于在上述等式(27)中b1＝b2的结构。为了描述方便，b1＝b2＝b。只要b1＝b2能够成立，第一和第二励磁线圈3a和3b可以具有任何结构。可以如第二实施例中那样，对称地设置励磁线圈，或者如第三实施例中那样，不对称地设置励磁线圈。由电源单元4b提供给第一和第二励磁线圈3a和3b的励磁电流可以具有相同的幅度或不同的幅度。
通过等式(44)给出了由电源单元4b提供励磁电流时由第一励磁线圈3a产生的磁场B1。通过等式(45)给出了由第二励磁线圈3b产生的磁场B2。
当在等式(27)中b1＝b2＝b时，通过等式(46)给出了电极间电动势Eac。表示电动势Eac的四个矢量具有如第五实施例中所述的图13所示的几何关系。参照图14到图17进行了描述的第五实施例的原理在本实施例中也成立。
图19和图20示出了本实施例中的流速测量原理。当连续改变提供给第一励磁线圈3a的励磁电流与提供给第二励磁线圈3b的励磁电流之间的相位差θ2时，总会出现对于其等式(46)中的四个矢量的合成矢量的长度为0(合成矢量的起点和端点相同)的相位差。图19示出了其中合成矢量的长度为0的状态。
此时，通过下式给出相位差θ2A＝0
θ2A＝0＝2π-2tan-1{rkv/ω0rk}…(66)即，相位差θ2A＝0依照待测流体的流速(rkv)发生变化。但是，相位差θ2A＝0并不依赖于磁场B1和B2的幅度b。如图20A和20B所示，即使当磁场B1和B2的幅度b漂移到b’时，相位差θ2A＝0仍然不变。在连续改变相位差θ2的同时，获得合成矢量的长度(电极间电动势Eac的幅度)。当根据对于其所述长度为0的相位差θ2A＝0来检测流速时，可以自动抵消由于漂移的影响而引起的流速测量误差。
为了获得待测流体的流速，将等式(66)改写为rkv＝ω0rktan{(2π-θ2A＝0)/2}…(67)＝-ω0rktan(θ2A＝0/2)根据等式(24)，可以将等式(67)改写为V＝α3×tan(θ2A＝0/2)其中α3＝-ω0/γ …(68)其中α3是通过定标等预先确定的系数。电源单元4b连续切换提供给第一励磁线圈3a的励磁电流和提供给第二励磁线圈3b的励磁电流之间的相位差θ2。信号转换单元5b在具有不同相位差θ2的多个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势Eac的幅度，并获得对于其幅度Eac具有预定值0的相位差θ2A＝0。流速输出单元6b根据由信号转换单元5b获得的相位差θ2A＝0，通过使用等式(68)，计算待测流体的流速度V。利用上述结构，可以获得与第一实施例相同的效果。
接下来，将对本发明的第七实施例进行描述。按照本实施例的电磁流量计具有与第五实施例相同的结构，并将参照图12对其进行描述。本实施例的电源单元4b向第一和第二励磁线圈3a和3b提供具有相同频率ω0和预定相位差θ2的励磁电流。电源单元4b在向第一和第二励磁线圈3a和3b提供励磁电流的同时，改变频率ω0。信号转换单元5b在励磁电流具有不同频率ω0的至少两个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势的幅度，并获得幅度的比值。根据由信号转换单元5b获得的幅度比值，流速输出单元6b计算待测流体的流速。
本实施例对应于在上述等式(27)中b1＝b2的结构。为了描述方便，b1＝b2＝b。只要b1＝b2能够成立，第一和第二励磁线圈3a和3b可以具有任何结构。可以如第二实施例中那样，对称地设置励磁线圈，或者如第三实施例中那样，不对称地设置励磁线圈。由电源单元4b提供给第一和第二励磁线圈3a和3b的励磁电流可以具有相同的幅度或不同的幅度。
通过等式(44)给出了由电源单元4b提供励磁电流时由第一励磁线圈3a产生的磁场B1。通过等式(45)给出了由第二励磁线圈3b产生的磁场B2。
当在等式(27)中b1＝b2＝b时，通过等式(46)给出了电极间电动势Eac。表示电动势Eac的四个矢量具有如第五实施例中所述的图13所示的几何关系。参照图14到图17进行了描述的第五实施例的原理在本实施例中也成立。
图21A和21B示出了本实施例中的流速测量原理。当励磁电流的频率ω0为ω1时，表示电极间电动势Eac的四个矢量具有如图21A所示的几何关系。当频率ω0为ω2时，表示电极间电动势Eac的四个矢量具有如图21B所示的几何关系。
参照图14，由等式(54)给出了通过合成等式(46)中的四个矢量而获得的合成矢量BE的大小|BE|。根据等式(54)，通过下式给出了频率ω0＝ω1时的电极间电动势Eac的幅度Aω0＝ω1与频率ω0＝ω2时的电极间电动势Eac的幅度Aω0＝ω2的比值RorRor＝Aω0＝ω1/Aω0＝ω2＝{2bω1rksin(θ2/2)+2brkvcos(θ2/2)}/{2bω2rksin(θ2/2)+2brkvcos(θ2/2)}＝{ω1rksin(θ2/2)+rkvcos(θ2/2)}/{ω2rksin(θ2/2)+rkvcos(θ2/2)}…(69)表示了比值Ror的等式(69)不具有磁场B1和B2的幅度b的任何项。因此，即使当磁场B1和B2的幅度b漂移时，比值Ror仍然不变。因此，在由电源单元4b进行切换从而使提供给第一和第二励磁线圈3a和3b的励磁电流的频率ω0取两个值ω1和ω2时，依照两个值中的每一个，获得电极间电动势Eac的幅度。当根据幅度比Ror来检测流速时，可以自动抵消由于漂移的影响而引起的流速测量误差。
可以将等式(69)改写为rkv＝rk{(Rorω2-ω1)sin(θ2/2)}/{(1-Ror)cos(θ2/2)}…(70)根据等式(24)，可以将等式(70)改写为V＝α4×{(Rorω2-ω1)sin(θ2/2)}/{(1-Ror)cos(θ2/2)}其中α4＝1/γ …(71)其中α4(或γ)是通过定标等预先确定的系数。利用上述处理，可以得到在将具有频率ω0＝ω1的励磁电流和具有频率ω0＝ω2的励磁电流提供给第一和第二励磁线圈3a和3b时的流速度V的公式。电源单元4b向第一和第二励磁线圈3a和3b提供具有频率ω0＝ω1的励磁电流和具有频率ω0＝ω2的励磁电流。信号转换单元5b在励磁电流具有不同频率ω0的两个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势Eac的幅度，并获得幅度的比值Ror。流速输出单元6b根据由信号转换单元5b获得的幅度比值Ror，通过使用等式(71)，计算待测流体的流速度V。利用上述结构，可以获得与第一实施例相同的效果。
接下来，将对本发明的第八实施例进行描述。按照本实施例的电磁流量计具有与第七实施例相同的结构，并将参照图12对其进行描述。在第七实施例中，通过使用电极间电动势Eac的幅度的比值Ror来计算待测流体的流速度V。可以使用幅度的实轴分量的比值Rvx来计算待测流体的流速度V。
通过下式给出了电极间电动势的幅度的实轴分量的大小xx＝bω0rksin(θ2)+brkv+brkvcos(θ2)…(72)根据等式(72)，由下式给出了励磁电流的频率ω0为ω1时的电极间电动势Eac的幅度的实轴分量的大小x1与频率ω0＝ω2时的电极间电动势Eac的幅度的实轴分量的大小x2的比值RvxRvx＝x1/x2＝{ω1rksin(θ2)+rkv+rkvcos(θ2)}/{ω2rksin(θ2)+rkv+rkvcos(θ2)}…(73)表示了比值Rvx的等式(73)不具有磁场B1和B2的幅度b的任何项。因此，即使当磁场B1和B2的幅度b漂移时，比值Rvx仍然不变。可以将等式(73)改写为rkv＝rk{(Rvxω2-ω1)sin(θ2)}/[(1-Rvx){1+cos(θ2)}]…(74)根据等式(24)，可以将等式(74)改写为V＝α4 ×{(Rvxω2-ω1)sin(θ2)}/[1-Rvx){1+cos(θ2)}]其中α4＝1/γ …(75)电源单元4b向第一和第二励磁线圈3a和3b提供具有频率ω0＝ω1的励磁电流和具有频率ω0＝ω2的励磁电流。信号转换单元5b在励磁电流具有不同频率ω0的两个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势Eac的实轴分量的幅度，并获得实轴分量的比值Rvx。流速输出单元6b根据由信号转换单元5b获得的幅度比值Rvx，通过使用等式(75)，计算待测流体的流速度V。利用上述结构，可以获得与第一实施例相同的效果。
接下来，将对本发明的第九实施例进行描述。按照本实施例的电磁流量计具有与第七实施例相同的结构，并将参照图12对其进行描述。在第七实施例中，通过使用电极间电动势Eac的幅度的比值Ror来计算待测流体的流速度V。可以使用幅度的虚轴分量的比值Rvy来计算待测流体的流速度V。
通过下式给出了电极间电动势的幅度的虚轴分量的大小yy＝bω0rk-bω0rkcos(θ2)+brkvsin(θ2) …(76)根据等式(76)，由下式给出了励磁电流的频率ω0为ω1时的电极间电动势Eac的幅度的虚轴分量的大小y1与频率ω0＝ω2时的电极间电动势Eac的幅度的虚轴分量的大小y2的比值Rvy
Rvy＝y1/y2＝{ω1rk-ω1rkcos(θ2)+rkvsin(θ2)}/{ω2rk-ω2rkcos(θ2)+rkvsin(θ2)}…(77)表示了比值Rvy的等式(77)不具有磁场B1和B2的幅度b的任何项。因此，即使当磁场B1和B2的幅度b漂移时，比值Rvy仍然不变。可以将等式(77)改写为rkv＝rk[(Rvyω2-ω1){1-cos(θ2)}]/{(1-Rvy)sin(θ2)}…(78)根据等式(24)，可以将等式(78)改写为V＝α4×[(Rvyω2-ω1){1-cos(θ2)}]/{(1-Rvy)sin(θ2)}其中α4＝1/γ …(79)电源单元4b向第一和第二励磁线圈3a和3b提供具有频率ω0＝ω1的励磁电流和具有频率ω0＝ω2的励磁电流。信号转换单元5b在励磁电流具有不同频率ω0的两个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势Eac的虚轴分量的幅度，并获得虚轴分量的比值Rvy。流速输出单元6b根据由信号转换单元5b获得的幅度比值Rvy，通过使用等式(79)，计算待测流体的流速度V。利用上述结构，可以获得与第一实施例相同的效果。
作为第七到第九实施例的特征，将多个预定离散值应用于励磁电流的频率ω。频率ω0并不局限于两个值。
接下来，将对本发明的第十实施例进行描述。按照本实施例的电磁流量计具有与第五实施例相同的结构，并将参照图12对其进行描述。本实施例的电源单元4b向第一和第二励磁线圈3a和3b提供具有相同频率ω0和预定相位差θ2的励磁电流。电源单元4b在向第一和第二励磁线圈3a和3b提供励磁电流的同时，连续切换频率ω0。信号转换单元5b在励磁电流具有不同频率ω0的多个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势的幅度，并获得对于其幅度具有预定值的频率ω0。根据由信号转换单元5b获得的频率ω0，流速输出单元6b计算待测流体的流速。
本实施例对应于在上述等式(27)中b1＝b2的结构。为了描述方便，b1＝b2＝b。只要b1＝b2能够成立，第一和第二励磁线圈3a和3b可以具有任何结构。可以如第二实施例中那样，对称地设置励磁线圈，或者如第三实施例中那样，不对称地设置励磁线圈。由电源单元4b提供给第一和第二励磁线圈3a和3b的励磁电流可以具有相同的幅度或不同的幅度。
通过等式(44)给出了由电源单元4b提供励磁电流时由第一励磁线圈3a产生的磁场B1。通过等式(45)给出了由第二励磁线圈3b产生的磁场B2。
当在等式(27)中b1＝b2＝b时，通过等式(46)给出了电极间电动势Eac。表示电动势Eac的四个矢量具有如第五实施例中所述的图13所示的几何关系。参照图14到图17进行了描述的第五实施例的原理在本实施例中也成立。
图22A和22B示出了本实施例中的流速测量原理。当相位差θ2恒定且联续改变频率ω0时，总会出现对于其等式(46)中的四个矢量的合成矢量的长度为0的相位差θ2。将此时的频率定义为ω0A＝0。通过下式给出频率ω0A＝0ω0A＝0＝-rkv/{rktan(θ2/2)}…(80)表示了频率ω0A＝0的等式(80)不具有磁场B1和B2的幅度b的任何项。因此，即使当磁场B1和B2的幅度b漂移到b’时，频率ω0A＝0仍然不变。如图22A和22B所示，合成矢量的长度保持为0。因此，在连续改变频率ω0时，获得了电极间电动势Eac的幅度。当根据对于其幅度具有预定值的频率ω0A＝0来检测流速时，可以自动抵消由于漂移的影响所引起的流速测量误差。
为了获得待测流体的流速，将等式(80)改写为rkv＝-ω0A＝0rktan(θ2/2) …(81)根据等式(24)，可以将等式(81)改写为V＝α5×ω0A＝0tan(θ2/2)其中α5＝1/γ …(82)其中α5是通过定标等预先确定的系数。电源单元4b连续切换提供给第一和第二励磁线圈3a和3b的励磁电流的频率ω0。信号转换单元5b在具有不同频率ω0的多个状态中的每个状态下，获得由电极2a和2b检测到的电极间电动势Eac的幅度，并获得对于其幅度Eac具有预定值的频率ω0A＝0。流速输出单元6b根据由信号转换单元5b获得的频率ω0A＝0通过使用等式(82)，计算待测流体的流速度V。利用上述结构，可以获得与第一实施例相同的效果。
在第六和第十实施例中，将预定值设置为0，作为最简单的详细示例。但是，本发明并不局限于此。也可以将第六和第十实施例的基本原理应用于除0以外的其他幅度。
在第一到第十实施例中，可以去除同相分量噪声。因此，不必使用矩形波励磁方法。由于可以使用将正弦波应用于励磁电流的正弦波励磁方法，可以进行高频励磁。在使用高频励磁时，可以去除1/f噪声，并且可以提高对流速变化的响应。
作为用在第一到第十实施例中的电极2a和2b，可以使用从测量管道1的内壁暴露并与待测流体接触的电极。可选地，如图24所示，可以使用并不与待测流体接触的容性耦合电极。当使用容性耦合电极时，以由陶瓷或特富龙制成的衬套10覆盖电极2a和2b，并将其形成在测量管道1的内壁上。
在第一到第十实施例中，使用了两个电极2a和2b。但是，本发明并不局限于此。本发明也可以应用于只具有一个电极的电磁流量计。当只使用一个电极时，在测量管道1中设置接地环，将待测流体的电位设置为地电位。由信号转换单元5或5b检测在单一的电极中所产生的电动势(与地电位的电位差)。在使用两个电极2a和2b时，电极轴EAX形成了连接电极2a和2b的直线。当只使用一个电极时，假设在包括单一电极的平面PLN上与真实电极关于测量管道轴PAX相对的位置处设置了虚拟电极。此时连接真实电极和虚拟电极的直线对应于电极轴EAX。
可以通过例如计算机来实现第一实施例中的信号转换单元5中用于获得相位差φ的装置和流速输出单元6、第二到第四实施例中的信号转换单元5中用于获得相位差φ的装置和流速输出单元6a、第五实施例中的信号转换单元5b中用于获得比值R的装置和流速输出单元6b、第六实施例中的信号转换单元5b中用于获得相位差θ2A＝0的装置和流速输出单元6b、第七到第九实施例中的信号转换单元5b中用于获得比值Ror、Rvx或Rvy的装置和流速输出单元6b、以及第十实施例中的信号转换单元5b中用于获得频率ω0A＝0的装置和流速输出单元6b。
工业应用如上所述，本发明适用于使用易于受到同相分量噪声影响的正弦波励磁方法的电磁流量计。
权利要求
1.一种电磁流量计，其特征在于包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于流体的磁场和流体的流动所产生的电动势；不对称励磁单元，在用作所述测量管道中的分界面的平面两侧向流体施加不对称的磁场，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；信号转换单元，根据由所述电极检测到的电动势，获得依赖于流体的流速而不依赖于流速测量误差的不对称励磁特征参数；以及流速输出单元，计算所述流体的流速，对于所述流速，已经根据所述不对称励磁特征参数修正了流速测量误差。
2.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述不对称励磁单元包括励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；以及电源单元，向所述励磁线圈提供励磁电流。
3.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述信号转换单元获得提供给所述不对称励磁单元的励磁线圈的励磁电流与由所述电极所检测到的电动势之间的相位差，作为所述不对称励磁特征参数，而且所述流速输出单元根据所述信号转换单元所获得的所述相位差，计算所述流体的流速。
4.一种电磁流量计，其特征在于包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于所述流体的磁场和所述流体的流动所产生的电动势；励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，并在用作所述测量管道中的分界面的平面两侧向所述流体施加不对称的磁场，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；电源单元，向所述励磁线圈提供励磁电流；信号转换单元，获得所述励磁电流与由所述电极检测到的电动势之间的相位差；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的所述相位差，计算所述流体的流速。
5.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同相位的励磁电流，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的相位和不同的幅度。
6.一种电磁流量计，其特征在于包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于所述流体的磁场和所述流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同相位的励磁电流；信号转换单元，获得所述励磁电流与由所述电极检测到的电动势之间的相位差；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的所述相位差，计算所述流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的相位和不同的幅度。
7.按照权利要求3、4、6之一所述的电磁流量计，其特征在于根据由所述信号转换单元获得的所述相位差φ，所述流速输出单元通过下式计算所述流体的流速α1×tan(π/2-φ)(α1是系数)。
8.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供励磁电流，同时改变提供给所述第一励磁线圈的所述励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的所述励磁电流之间的相位差，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度，而所述第一励磁线圈的磁场分量与所述第二励磁线圈的磁场分量之间的相位差至少取两个值。
9.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述信号转换单元针对在提供给所述不对称励磁单元的所述两个励磁线圈的所述励磁电流之间具有不同相位差的至少两个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的所述电动势的幅度，并获得所述幅度之间的比值，作为所述不对称励磁特征参数，以及所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的所述比值，计算所述流体的流速。
10.一种电磁流量计，其特征在于包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于所述流体的磁场和所述流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供励磁电流，同时改变提供给所述第一励磁线圈的所述励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的所述励磁电流之间的相位差；信号转换单元，针对具有不同相位差的至少两个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的所述电动势的幅度，并获得所述幅度之间的比值；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的所述比值，计算所述流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度，而所述第一励磁线圈的磁场分量与所述第二励磁线圈的磁场分量之间的相位差至少取两个值。
11.按照权利要求9或10所述的电磁流量计，其特征在于当提供给所述第一励磁线圈的所述励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的所述励磁电流之间的所述相位差取两个值2χ和2ψ(χ和ψ为不同的实数)时，所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的比值R，通过下式计算所述流体的流速α2×{(Rsinψ-sinχ)/(Rcosψ-cosχ)}(α2是系数)。
12.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供励磁电流，同时连续切换提供给所述第一励磁线圈的所述励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的所述励磁电流之间的相位差，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度，而所述第一励磁线圈的磁场分量与所述第二励磁线圈的磁场分量之间的相位差连续切换。
13.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述信号转换单元针对在提供给所述不对称励磁单元的所述两个励磁线圈的所述励磁电流之间具有不同相位差的多个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的所述电动势的幅度，并获得对于其所述幅度具有预定值的所述相位差，作为所述不对称励磁特征参数，以及所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的相位差，计算所述流体的流速。
14.一种电磁流量计，其特征在于包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于所述流体的磁场和所述流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供励磁电流，同时连续切换提供给所述第一励磁线圈的所述励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的所述励磁电流之间的相位差；信号转换单元，针对具有不同相位差的多个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的所述电动势的幅度，并获得对于其所述幅度具有预定值的相位差；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的所述相位差，计算所述流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度，而所述第一励磁线圈的磁场分量与所述第二励磁线圈的磁场分量之间的相位差连续切换。
15.按照权利要求13或14所述的电磁流量计，其特征在于根据由所述信号转换单元获得的所述相位差θ2，所述流速输出单元通过下式计算所述流体的流速α3×tan(θ2/2)(α3是系数)。
16.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同频率和预定相位差的励磁电流，同时改变频率，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度、相同的频率和预定的相位差，而且所述磁场分量的频率至少在两个值之间切换。
17.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述信号转换单元针对其中切换提供给所述不对称励磁单元的所述两个励磁线圈的所述励磁电流的频率的至少两个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的电动势的幅度，并获得所述幅度的比值，作为所述不对称励磁特征参数，以及所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的所述比值，计算所述流体的流速。
18.一种电磁流量计，其特征在于包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于所述流体的磁场和所述流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从一平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同频率和预定相位差的励磁电流，同时改变频率；信号转换单元，针对具有不同频率的至少两个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的所述电动势的幅度，并获得所述幅度的比值；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的所述比值，计算所述流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度、相同的频率和预定的相位差，而且所述磁场分量的频率至少在两个值之间切换。
19.按照权利要求17或18所述的电磁流量计，其特征在于当提供给所述第一和第二励磁线圈的所述励磁电流的频率在两个值ω1和ω2之间切换时，所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述幅度的比值Ror，通过下式计算所述流体的流速α4×{(Rorω2-ω1)sin(θ2/2)}/{(1-Ror)cos(θ2/2)(α4是系数)。
20.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述不对称励磁单元包括第一励磁线圈，设置在从所述平面分开了一偏移距离的位置处；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；以及电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同频率和预定相位差的励磁电流，同时连续切换频率，以及在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度、相同的频率和预定的相位差，而且所述磁场分量的频率连续切换。
21.按照权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于所述信号转换单元针对其中切换提供给所述不对称励磁单元的所述两个励磁线圈的所述励磁电流的所述频率的多个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的所述电动势的幅度，并获得对于其所述幅度具有预定值的频率，作为所述不对称励磁特征参数，以及所述流速输出单元根据由所述信号转换单元获得的所述频率，计算所述流体的流速。
22.一种电磁流量计，其特征在于包括测量管道，待测流体流经所述测量管道；电极，设置在所述测量管道中，并检测由施加于所述流体的磁场和所述流体的流动所产生的电动势；第一励磁线圈，设置在从平面分开了一偏移距离的位置处，所述平面包括所述电极，垂直于所述测量管道的轴向，并被定义为所述测量管道中的分界面；第二励磁线圈，设置在与所述第一励磁线圈不同的位置处；电源单元，向所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈提供具有相同频率和预定相位差的励磁电流，同时连续切换频率；信号转换单元，针对具有不同频率的多个状态中的每一个，获得由所述电极检测到的所述电动势的幅度，并获得对于其所述幅度具有预定值的频率；以及流速输出单元，根据由所述信号转换单元获得的所述频率，计算所述流体的流速，其中在由所述第一励磁线圈产生的磁场和由所述第二励磁线圈产生的磁场中，垂直于所述电极的轴向和所述测量管道的所述轴向的磁场分量沿所述电极的轴具有相同的幅度、相同的频率和预定的相位差，而且所述磁场分量的频率连续切换。
23.按照权利要求21或22所述的电磁流量计，其特征在于根据由所述信号转换单元获得的提供给所述第一励磁线圈的所述励磁电流与提供给所述第二励磁线圈的所述励磁电流之间的相位差θ2和频率ω0，所述流速输出单元通过下式计算所述流体的流速α5×ω0tan(θ2/2)(α5是系数)。
24.按照权利要求1、4、6、10、14、18、22之一所述的电磁流量计，其特征在于所述电磁流量计使用正弦波励磁方法。
25.按照权利要求1、4、6、10、14、18、22之一所述的电磁流量计，其特征在于所述电极的数目为一个。
全文摘要
一种电磁流量计，在将包括电极(2a、2b)且垂直于测量管道(1)的轴(PAX)的方向的平面(PLN)定义为测量管道(1)中的分界面时，励磁线圈(3)在用作测量管道(1)的分界面的平面(PLN)两侧向流经测量管道(1)的待测流体施加不对称磁场。信号转换单元(5)获得提供给励磁线圈(3)的励磁电流与由电极(2a、2b)所检测到的电极间电动势之间的相位差。流速输出单元(6)根据由信号转换单元(5)获得的相位差，计算流体的流速。
文档编号G01F1/58GK1555482SQ0281824
公开日2004年12月15日 申请日期2002年9月20日 优先权日2001年9月20日
发明者山本友繁 申请人:株式会社山武