CN100424478C - 磁感应流量传感器 - Google Patents

Abstract

流量传感器(10)用于测量管道中流动的导电流体并且为此包括：可插入管道中且用于引导流体的测量管(11)，其中该测量管(11)至少在接触流体的内侧是不导电的；电极装置(14)，具有至少两个设置在测量管上的测量电极，用于检测在流体中感生的电压；和同样设置在测量管(11)上的磁场系统。根据本发明的流量传感器的磁场系统包括：至少两个鞍状励磁线圈(15，16)，用于产生在工作期间切割流体的磁场；两个励磁线圈各自的一个铁磁极靴(21，22)，用于向着流体引导磁场；以及至少一个在两个励磁线圈上游围绕测量管延伸的和至少一个在两个励磁线圈下游围绕测量管延伸的铁磁返回路径(23，24)，用于引导磁场围绕测量管。极靴各自利用铁磁耦合元件(17，18，19，20)与返回路径磁耦合。耦合元件优选地形状相同并且它们每一个都具有至少一个基本为槽状的盖罩片段(17a，18a，19a，20a)，其接收各自所属的励磁线圈的基本上位于测量管的第一外围上的第一绕组部分或者基本上位于测量管的第二外围上的第二绕组部分(15a，15b)。

Description

磁感应流量传感器

技术领域

本发明涉及一种磁感应流量传感器，其包括由待测的导电流体流经的测量管和用于产生切割流体的磁场的鞍状线圈。

背景技术

为了说明本发明，“流量传感器”是指磁感应流量计的基本为机械的部分，而没有线圈电流发生电路。已知这种磁感应流量传感器使用法拉第感应定律来产生测量电压。

在DE-A 20 40 682、US-A 46 41 537、US-A 47 74 844或WO-A91/11731中公开了磁感应流量传感器的不同实施方式，它用于测量管道中流动的导电流体。每一个所示的流量传感器都包括：

-测量管，安装在管道中，用于引导流体，测量管至少在接触流体的内表面是不导电的；

-电极装置，包括至少两个位于测量管上的测量电极，用于检测流体中感生的电压；和

-磁场系统，同样位于测量管上并且包括

--至少一个第一和第二鞍状励磁线圈，用于产生在工作期间特别是以直角与测量管的纵轴相交地切割流体的磁场；和

--第一励磁线圈的铁磁第一极靴以及第二励磁线圈的铁磁第二极靴，用于向着流体引导磁场。

尽管在WO-A 91/11731中公开的流量传感器的磁场系统具有两个用于控制磁场分布的铁磁返回路径，它们位于励磁线圈的两侧并且与极靴磁耦合且环形并彼此平行地围绕测量管延伸，但是DE-A 20 40682、US-A 46 41 537和US-A 47 74 844中的各个流量传感器具有与极靴磁耦合的两个中央设置的铁磁返回路径，这些中央延伸的返回路径被实施为相对较薄的片状金属带。

另外，至少在US-A 46 41 537中所示的流量传感器中，每一极靴与返回路径通过两个同样相对较薄的铁磁耦合元件相连，每一铁磁耦合元件具有线圈铁心及磁轭形成的盖罩片段。这些盖罩片段分别至少部分覆盖励磁线圈的第一和第二绕组部分，该第一和第二绕组部分彼此平行地延伸且与测量管的纵轴平行。

正如在US-A 46 41 537中可以看到的，这种使用鞍状励磁线圈结合控制测量管外部磁场分布的主要为薄壁的元件的磁场系统的优点在于，相对较低的材料支出以及高效率。于是，除了制造便宜，这种流量传感器还提供了高测量精度以及相对较高的可操作流量范围。另外，流量传感器可以至少在径向上非常紧凑地设计。

然而，对于这种流量传感器的研究已经显示，上述优点主要存在于具有较小额定直径的测量管的流量传感器。在具有较大额定直径的管道的情况中，也就是在测量管的直径相应较大的情况中，正如在US-A5540103中讨论的，只有通过增加材料花费，特别是通过增加励磁线圈所需的铜的量，现有的使用鞍状励磁线圈的流量传感器才能够获得需要的测量精度或期望的敏感度。此外，还发现，在较大额定直径的情况中，即，额定直径与测量管长度之比通常大于对于较小额定直径的情况中的比，磁场在轴向上的传播不再是可以忽略的。

在较大的额定直径经常发生磁场到所连接的管道的传播，这与测量敏感度的变化相关联，为了减少在测量敏感度中的变化，许多制造者例如推荐用户在安装流量传感器时可以采取接地措施。例如，在流量传感器和连接管之间通常使用接地垫圈。另一种减少测量敏感度对于安装条件的这种依赖的可能性是令测量管(至少其不导电部分)在轴向上足够长并且/或者正如在US-A 55 40 103中所示的，使用圆柱形励磁线圈，从而令励磁线圈和极靴在轴向上相对较短，虽然牺牲了可操作流量范围。

发明内容

因此，本发明的目的是改进具有有利于测量动态性能的鞍状励磁线圈的磁感应流量传感器，其中额定直径与测量管长度之比相对较大，特别是在大于0.6的范围内，并且在大于100mm的额定直径范围中，特别是大于500mm，可以获得较高且基本稳定的测量敏感度而保持较高的测量动态性能。另外，流量传感器在径向和轴向中都尽可能紧凑。

为了达到这个目的，本发明提供了一种磁感应流量传感器用于测量管道中流动的导电流体，其包括：可插入管道中且用于引导流体的测量管，其中该测量管至少在接触流体的内侧是不导电的；电极装置，具有至少两个设置在测量管上的测量电极，用于检测在流体中感生的电压；和同样设置在测量管上的磁场系统。在根据本发明的流量传感器的磁场系统中，为了产生在工作期间切割流体的磁场而提供至少一个鞍状励磁线圈和一个鞍状第二励磁线圈，为了向着流体引导磁场而提供对于第一励磁线圈的铁磁第一极靴和对于第二励磁线圈的铁磁第二极靴，以及为了围绕测量管引导磁场而提供至少一个在两个励磁线圈上游围绕测量管延伸的铁磁第一返回路径和和至少一个在两个励磁线圈下游围绕测量管延伸的铁磁第二返回路径。第一极靴利用至少一个铁磁第一耦合元件与第一返回路径磁耦合并且利用至少一个铁磁第二耦合元件与第二返回路径磁耦合，而第二极靴利用至少一个铁磁第三耦合元件与第一返回路径磁耦合并且利用至少一个铁磁第四耦合元件与第二返回路径磁耦合。每一个优选地形状相同的耦合元件都具有至少一个基本为槽状的盖罩片段，其接收各自所属的励磁线圈的基本上位于测量管第一外围上的第一绕组部分或者基本上位于测量管第二外围上的第二绕组部分。

在本发明的第一实施例中，至少一个耦合元件具有至少一个第一连接区域，其用于实现与所属极靴的磁耦合并且至少部分平面地接触这个极靴。

在本发明的第二实施例中，至少一个耦合元件具有至少一个第二连接区域，其用于实现与所属返回路径的磁耦合并且至少部分平面地接触这个返回路径。

在本发明的第三实施例中，两个特别是在直径上相对的励磁线圈中的每一个都具有基本为矩形的横截面。

在本发明的第四实施例中，由第一耦合元件的槽状盖罩片段接收的绕组部分形成第一励磁线圈的横截面的第一侧面，并且由第二耦合元件的槽状盖罩片段接收的绕组部分形成第一励磁线圈的横截面的第二侧面。

在本发明的第五实施例中，每一盖罩片段具有至少一个基本圆弧状的边缘。

在本发明的第六实施例中，耦合元件也基本为鞍状。

本发明的一个基本思想是，通过鞍状励磁线圈和磁返回路径的合适的设置结合优选平坦构成的耦合元件，利用与现有流量传感器相近的屏蔽花费，获得基本独立于实际安装条件并且因而非常好标定的磁场引导。于是，特别是相比额定直径与测量管长度之比大于0.6且额定直径大于500mm的现有流量传感器，根据本发明的流量传感器以具有优点的方式获得较低的漏电感。本发明的另一优点在于，尽管磁场的广泛屏蔽，也可以获得较短的磁场建立时间以及较高的测量动态性能。

由于磁场在轴向上的传播有效地得到限制，根据本发明的流量传感器即使在额定直径较大的情况也可以装配相对较短的测量管，从而它也可以在轴向上非常紧凑。

附图说明

结合附图，从以下实施例说明中可以更清楚地理解本发明及其优点。在不同附图中对于类似的部件使用类似的附图标记。已经介绍的附图标记在后续的图中被省略，以避免冗余。附图中：

图1是插入管道中用于测量管道中流动的流体的磁感应流量传感器的透视图；

图2是图1的流量传感器的部分侧视图；

图3、4是适用于图1的流量传感器的测量管的外表面上的极板的设置的示意截面图；

图5、6是适用于图1的流量传感器的测量管的壁中装配的极区的设置的示意截面图；和

图7、8是适用于图1的流量传感器的测量管的内表面上的极板的设置的示意截面图。

具体实施方式

尽管本发明可以有多种修改和替代形式，但是利用附图中的例子显示其示意性实施例并且这里对其进行详细说明。然而，应当理解，并无意将本发明限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明涵盖落在所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内的所有修改、等同物和替代。

图1和2示意性显示的磁感应流量传感器10特别适用于测量在额定直径大约200～700mm范围内特别是在350～600mm范围内的管道(未显示)中流动的导电流体。为了引导流体，流量传感器具有可插入管道的测量管11。测量管11可以由非铁磁材料例如不锈钢制成，也可以由合适的陶瓷例如氧化铝陶瓷制成，或者由合适的塑料例如硬橡胶制成。

如果测量管11是金属管，其内衬不导电的绝缘体9，例如聚氟乙烯、特别是聚四氟乙烯、软橡胶或者硬橡胶制成的绝缘体，从而由磁场感应的信号将不会由于测量管11的金属外壳而短路，参见图2、3、5或7。

在所示的实施例中，测量管11具有法兰12、13，流量传感器10可以通过它们液密地安装在管道中。代替法兰，螺旋管件或软管连接通常可以用于食品卫生工业。也可以有通过管道和测量管之间的轴向压缩的无法兰连接，特别是如果使用陶瓷或塑料测量管时。

优选地两个测量电极安装在测量管11的壁上或内，它们例如位于直径上相对的位置并且在图1中只有一个测量电极14可见。如果测量电极接触流体，即，如果它们是流电测量电极，那么它们中的每一个将安装在测量管的壁中的孔内；如果测量管11是金属管，则它们必须与其隔离。在电容测量电极的情况中，与流体没有接触，从而测量电极必须与流体隔离。可以提供另外的测量电极以及接地电极和监控电极，诸如用于监控填充状态。

测量电极可以连接至现有的电子分析装置(未显示)，该电子分析装置将由测量电极检测的信号转换为代表体积流量的信号。在很多文献中都记载了多种适用于此的现有电路。

磁场系统安装在测量管11上或至少部分在其壁内，该磁场系统用于产生并引导优选地在垂直于连接电极的直径并且垂直于测量管11的纵轴的方向上切割测量管11的磁场。

为了产生磁场，磁场系统包括鞍状第一励磁线圈15和相对的鞍状第二励磁线圈16。励磁线圈15、16优选地是长形平坦的并且具有基本为矩形的横截面。然而，如果需要，它们也可以具有其它截面形状，诸如圆形或椭圆形。例如在EP-A 768 685中记载了适用于制造鞍状励磁线圈的方法。

在所示的实施例中，两个励磁线圈15、16在测量管11上位于在直径上相对的位置，即，尽可能接近测量管11的外表面。另外，两个励磁线圈15、16这样放置在测量管11上，使得每个励磁线圈15、16的主轴基本与测量管11的纵轴垂直，即，在测量管11横截面的半径方向延伸。如果需要，特别是如果使用多于两个励磁线圈，则后者还可以以另一种合适的方式位于测量管11上。

磁场是利用激励电流产生的，该激励电流由现有的线圈电流发生器电路生成并被馈送入励磁线圈。这可以使用文献中记载的多种现有电路完成。

为了朝向流体引导磁场，磁场系统还包括用于励磁线圈15的铁磁第一极靴21和用于励磁线圈16的铁磁第二极靴22。在图1、2、3或4所示的实施例中，两个极靴21、22中的每一个都实施为同样的鞍状极板的形式，其外表面与所属的励磁线圈15、16的各接触表面的鞍状相适合。两个极板以本领域技术人员熟知的方式位于测量管11的外表面上，于是，正如在圆周方向上看到的，它们在各个线圈15、16的两侧上延伸，并且极板末端之间保持足够的距离D。极板还可以例如这样位于测量管11的外表面上，基本上仅仅在所属的励磁线圈15、16的净横截面内部，从而在轴向和圆周方向上都不延伸超出所属的励磁线圈15、16。在图1中，仅能看到极板21、22的各个前部；隐藏了它们后面相等大小的部分。软磁材料，诸如变压器用钢片等优选地用于极板。

为了在待测流体外部引导磁场并且引导磁场围绕测量管，磁场系统包括至少一个铁磁第一返回路径23。另外，提供第二铁磁返回路径24同样用于引导磁场围绕测量管。如图1所示，返回路径23位于两个励磁线圈15、16和极靴21、22的上游，返回路径24位于两个励磁线圈和极靴的下游。在所示实施例中，两个返回路径23、24中的每一个都具有优点地实施为软磁返回路径板，基本上直接位于测量管11的外表面上并且特别地平行于另一返回路径板延伸。换言之，两条返回路径23、24在这里构成为在外部位于测量管11上并且围绕测量管11的封闭环或槽。返回路径板23、24之间特别是基本不变的距离L优选的是测量管11的额定直径的0.3～0.7倍，特别是0.4～0.6倍。返回路径23、24的厚度在径向上优选地在大约1～5mm之间。

正如上面简要提到的，图1显示了在测量管1外表面上的极板21、22的设置，图5、6、7和8显示了实施极靴的另一种可能，即以极区31的形式。在图5中，金属测量管11在其壁内装配(例如焊接或软焊)有极区31。在图6中，在陶瓷测量管11的情况中，极区31是导磁的陶瓷区域。这些极区中的每一个都可以通过在制造测量管11期间混和合适的金属粉末而形成。图7显示了在金属测量管11内表面上的极板31的设置，其中极板与测量管11同样由绝缘体9与流体隔离。图8显示了由塑料构成的测量管11的相应情况，其中极板实施在塑料中。

图3～8所示的极板的设置及实施的不同变型可以类似地应用于返回路径板。由于本领域技术人员可以很容易地实现它们的设置，没有显示。

正如在图1和2中所示的，极靴21通过至少一个铁磁第一耦合元件17与返回路径23磁耦合，通过至少一个铁磁第二耦合元件18与返回路径24磁耦合。

为了优化场引导，特别是最小化磁场在测量管11纵轴方向上的传播，耦合元件17具有至少一个基本为槽状的盖罩片段17a，其沿励磁线圈15的基本上位于测量管11外围的第一绕组部分15a延伸，并且接收且覆盖第一励磁线圈15的至少这个绕组部分15a或相应的第一线圈部分。为此，耦合元件17的盖罩片段17a包括极靴侧第一壁171和返回路径侧第二壁172，它们通过位于励磁线圈15之上的遮盖的第三壁173彼此相连，使得两个壁171和172相距足够的距离。这个距离优选地大于30mm。

壁171、172和173优选地这样成形且相对于彼此设置，使得盖罩片段17a具有基本为U形或V形的横截面，或者如图2所示，具有梯形横截面。

耦合元件17可以具有优点地例如通过冷加工而由较薄的片制成。

根据本发明的具有优点的实施例，盖罩片段17a的基本圆弧状的第一边缘17b由两个壁171、173形成。盖罩片段17a的同样圆弧状的第二边缘17c由两个壁172、173形成。这个第二边缘17c基本上平行于第一边缘17b延伸，优选地，壁173基本与测量管11同轴。耦合元件17优选地也基本为鞍状。

如图1和2所示，以具有优点的方式，极靴侧的壁171和返回路径侧的壁172都各自具有接触平面171a和172a。两个接触平面171a和172a这样构成，使得当分别放置在极靴21或返回路径23上时，它们尽可能精确地分别配合所属的极靴21相对接触平面和所属的极靴23相对接触平面。

如图1所示，耦合元件18优选地包括盖罩片段18a，其类似于盖罩片段17a。盖罩片段18a沿基本位于测量管11的外围上的励磁线圈15第二绕组部分15b延伸，并且接收且覆盖励磁线圈15的至少这个第二绕组部分15b或相应的第二线圈部分。可以容易地看出，盖罩片段17a的极靴侧的壁171和盖罩片段18a的相应的极靴侧的壁181形成磁场系统的区域，其与现有的线圈铁心或线圈座类似。以与极靴21类似的方式，第二极靴22与流量传感器10上的返回路径23、24磁耦合。相应地，磁场系统还包括至少一个铁磁第三耦合元件19用于极靴22和返回路径23，其特别地形状与第一耦合元件17相同，其同样具有至少一个槽状盖罩片段19a用于第二励磁线圈16的第一绕组部分。还提供第四耦合元件20，其具有用于第二励磁线圈16的第二绕组部分的槽状盖罩片段20a，该耦合元件将极靴22与返回路径24彼此磁耦合。

正如图1和2所示，线圈铁心形成的壁171、181、191、201在径向上各自的宽度略大于励磁线圈15、16的高度。另外，线圈铁心形成的壁171、181或191、201保持彼此之间的距离位于相应的励磁线圈15或16中。

在本发明的另一实施例中，两个盖罩片段中的每一个的长度都对应于励磁线圈15或16的侧面长度的至少四分之一。优选地，选择两个盖罩片段的长度尽可能大。

在本发明的另一实施例中，第一和第二耦合元件17、18的每一个都一体地形成。

在本发明的另一实施例中，两个耦合元件17、18由共同的板形成，从而这样形成并用于将两条返回路径23、24与极靴21磁耦合的磁轭基本为一件式结构。

根据本发明的这个实施例的发展，极靴21集成在磁轭中，即，它与两个耦合元件17、18整体地形成。

在本发明的另一实施例中，两个耦合元件17、18至少彼此镜像对称，然而，它们还可以具有优点地形状相同。

在本发明的另一实施例中，磁场系统的耦合元件17、18、19、20基本上形状相同。另外，耦合元件17、18、19、20优选地由相同材料，例如变压器用钢片等形成。

极板21、22和/或返回路径板23、24以及耦合元件17、18、19、20可以不仅以单板形式而且以薄板叠实现，正如在变压器或电动机中常用的。这些薄板叠由两个或多个彼此重叠的软磁材料单板构成，其宽度可获得诸如表面具有薄电绝缘层的所谓晶体板所需的最低磁阻。于是，各个薄板叠的单个板彼此电绝缘，从而显著减少涡流损耗。

所有实施例的一个目标是形成从极板或区域经过线圈铁心到达返回路径板或区域的闭合磁路，其具有尽可能低的磁阻。

最后，向磁感应流量传感器提供外壳(未显示)，诸如起到磁屏蔽作用的金属壳，其从外面围绕测量管11、磁场系统和测量电极。如果需要，外壳可以填充有填充材料，例如泡沫材料。

尽管已经在附图和说明书中详细说明了本发明，但是这种描绘和说明应当被看作是示例性的而非限制性的，应当理解，仅显示和说明了示例性实施例，并且所有落在这里说明的发明的精神和范围之内的改动和修改都要得到保护。

Claims (8)

1. 一种磁感应流量传感器(10)，用于测量管道中流动的导电流体，该流量传感器(10)包括：

-可插入管道中且用于引导流体的测量管(11)，其中该测量管(11)至少在接触流体的内侧是不导电的；

-电极装置(14)，具有至少两个设置在测量管上的测量电极，用于检测在流体中感生的电压；和

-同样设置在测量管(11)上的磁场系统，其具有

--至少一个鞍状第一励磁线圈(15)和一个鞍状第二励磁线圈(16)，用于产生在工作期间切割流体的磁场，

--对于第一励磁线圈(15)的铁磁第一极靴(21)和对于第二励磁线圈(16)的铁磁第二极靴(22)，用于向着流体引导磁场，以及

--至少一个在两个励磁线圈(15，16)上游围绕测量管(11)延伸的铁磁第一返回路径(23)和至少一个在两个励磁线圈(15，16)下游围绕测量管(11)延伸的铁磁第二返回路径(24)，用于围绕测量管(11)引导磁场；

-其中第一极靴(21)利用至少一个铁磁第一耦合元件(17)与第一返回路径(23)磁耦合并且利用至少一个铁磁第二耦合元件(18)与第二返回路径(24)磁耦合，而第二极靴(22)利用至少一个铁磁第三耦合元件(19)与第一返回路径(23)磁耦合并且利用至少一个铁磁第四耦合元件(20)与第二返回路径(24)磁耦合；并且

-其中每一个耦合元件(17，18，19，20)都具有至少一个基本为槽状的盖罩片段(17a，18a，19a，20a)，该盖罩片段接收各自所属的励磁线圈(15或16)的基本上位于测量管(11)第一外围上的第一绕组部分(15a)或者基本上位于测量管(11)第二外围上的第二绕组部分(15b)。

2. 根据权利要求1的磁感应流量传感器，其中至少一个耦合元件(17)具有至少一个用于与所属极靴(21)磁耦合的连接区域(171a)，该连接区域至少部分平面地接触这个极靴(21)。

3. 根据前述任一权利要求的磁感应流量传感器，其中至少一个耦合元件(17)具有至少一个用于与所属返回路径(23)磁耦合的第二连接区域(172a)，该连接区域至少部分平面地接触这个返回路径(23)。

4. 根据权利要求1或2的磁感应流量传感器，其中两个励磁线圈(15，16)中的每一个都具有基本为矩形的横截面。

5. 根据权利要求4的磁感应流量传感器，其中两个励磁线圈(15，16)是在直径上相对的。

6. 根据权利要求4的磁感应流量传感器，其中由第一耦合元件(17)的槽状盖罩片段(17a)接收的绕组部分(15a)形成第一励磁线圈(15)的横截面的第一侧面，并且由第二耦合元件(18)的槽状盖罩片段(18a)接收的绕组部分(15b)形成第一励磁线圈(15)的横截面的第二侧面。

7. 根据权利要求1或2的磁感应流量传感器，其中盖罩片段(17)各自具有至少一个基本圆弧状的边缘(17b，17c)。

8. 根据权利要求1或2的磁感应流量传感器，其中耦合元件(17，18，19，20)同样基本为鞍状。

Images