CN101107498A - 流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种按照磁感应方法测量在一个管道管道(1、1a、40)中流动的流体的流量的流量测量装置，其中，该测量测量装置包括管道(1、1a、40)本身，以及一个集成到管道(1、1a、40)中的电极装置(32、36、38a)和一个集成到管道(1、1a、40)中的且用于产生测量磁场的磁系统(14、14a)。

Description

流量测量装置

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的按照磁感应方法测量在管道中流动的流体的流量的流量测量装置。

在现有技术中，当含已公开的磁感应的流量测量装置包括专门的磁感应测量仪。这些测量仪在使用时安装到应测量在其中流动的流体物质的流量的管道中。在这种情况中磁感应测量仪的安装是通过法兰连接，或者也通过无法兰安装(所谓的平板安装-Wafer安装)完成。

磁感应测量仪的基本结构和作用原理例如在测量和自动化技术词典中有描述(此词典由杜塞尔多夫VD1出版社Elmar Schüfer出版，1992，262-263页)。根据其作用原理磁感应测量仪只能用于测量能导电的流体物质的流量。在此流体物质主要应理解为液体，但是它也可以是气体。当今也公开了一些测量仪，在这些测量仪中除了测量流量外还要识别该测量管是完全装满、部分装满还是未装。

电磁-感应测量装置特别在一系列工业过程装置中得到应用，特别是在水计划管理领域(饮用水处理和污水处理的流量测量)、化学和石油化学工业领域(水、酸、碱等的流量测量)、医药工业领域和食品工业领域(水、果汁、啤酒、牛奶制品等的流量测量)。

在已公开的磁感应流量测量装置中所需要的法兰是一个很重要的成本因素。另一成本因素是必须将磁感应流量测量装置安装在应测量的过程管道中的一定的安装部位。因此过程管道必须拆开，其长度和磁感应测量仪的长度相当的管道段从过程管道中取出，并且在这个部位将磁感应测量仪插入到过程管道中，并且重新和这个过程管道流体密封连接。总之磁感应流量测量装置的安装过程是很费钱的。

因此本发明的任务是提供一种磁感应流量测量装置。它的安装和构造可更加简单和成本更加有利地实现。

这个任务通过具有权利要求1特征部分特征的前序部分所述的流量测量装置得以完成。也就是说根据本发明流量测量装置包括管道本身，以及一个集成到管道中的电极装置和一个集成到管道中的用于产生测量磁场的磁系统。

根据本发明的流量测量装置的优点在于不必再事后地将一个分开的磁感应流量测量仪安装到管道中，而是将过程管道本身类似地用作测量仪。在这种情况中，该过程管道在某些部位通过将电极装置和磁系统集成到管道中而设置流量测量功能。在根据本发明的流量测量装置中不必为提供测量部位而将管道分开。因为通过将电极装置和磁系统集成到管道本身中就已经在管道件中提供了测量部位。因此，随着管道系统在过程设备中的安装也就自动地实现了流量测量装置。

在本发明的一个有利的方案中流量测量装置还附加地包括一个集成到管壁中的电子集号变换器组件或者一个信号传输组件。所述信号变换器组件或者信号传输组件可以包括例如一个阻抗变换器和一个信号预放大器或者一个滤波器组件，就象用于将已测得的信号传输到一个过程控制中心的组件那样。在这种情况中信号的传输例如采用双线或者四线技术，但是也是通过现场总线系统进行。通过本发明的流量测量装置在过程管道系统中建立的流量测量部位因此可以在原理上已公开的形式和方式和过程控制台或者过程调节层连接或者连网。当然，也可以将用于无线信号传输的信号传输组件集成到管壁中。

在一个特别有利的实施形式中根据本发明的流量测量装置包括由塑料制成的管道。这种管道特别是也可用纤维复合材料制成，并且用缠绕技术制造。

在外，特别是在一个实施形式中有根据本发明的流量测量装置的优点，在该实施形式中电极装置包括材料侧的管道边界面的导电区域。通常这个材料侧的管道边界面是管道内壁。在有些情况中也可以在管道的内部设置一个所谓的衬垫层，其中，这个衬垫用于达到高的抗腐蚀性。为了适应对抗腐蚀性的最高要求这样一些衬垫例如由PTFE塑料制成，或者用一种类似的合适的材料制成。技术人员清楚使这样塑料管道，特别是纤维复合材料管道成区域地能导电的办法。这些如此方式集成到管道中的电极装置和信号变换器组件或者信号传输组件的连接例如是通过也是埋入到该管道中的电连接导线实现的。

特别有利的是，磁系统和/或者电极装置早在制造管道时就已一起缠绕到管壁中或者以另一种方式集成。如此一来就出现了一种具有集成的流量测量部位的所谓的“智能”管道。

然而，根据本发明的流量测量装置也可以事后地设置到已存在的管道中。当这个管道由一种纤维复合材料用缠绕技术制成，就可以在不拆开该管道的情况下在每个为此所选择的部位事后地设将磁系统和电极装置设置在该管道上，并且紧接着用由纤维复合材料制成的层缠绕。在由这种方式所产生的测量部位上管道壁的厚度仅增加一个小的数量。然后可从管道壁中引出电子信号变换器和/或信号传输组件的连接线，从而就可从外面触及这些连接线了。

可从所说明的实施例中得到本发明的其它有利的方案。

附图示出本发明的三个实施例。借助这些附图对本发明以及本发明的其它有利的方案进行更加详细的讨论和说明。

这些附图是：

图1：根据本发明的磁感应的流量测量系统的一个第一实施形式的纵向截面示意图，它具有导电信号分接并且具有在由纤维复合材料制造管道时一起缠绕到该管道中的磁系统。

图2：根据本发明的磁感应的流量测量系统的一个第二实施形式的横截面示意图，它具有容式信号分接并且具有在由纤维复合材料制造管道时一起缠绕到该管道中的磁系统。

图3：具有一个管道系统的工艺设备的示范示意图，在该管道系统中在四个管道件上在管壁中集成有电极装置和设置有磁系统。

图1示出过程管道1的一截段。它的管壁由纤维复合材料以缠绕技术制成。由纤维半成品10制成的单个的层和人造树脂12组成材料复合。图1示出该管道件的一个纵向截面图。层通过平行的线条表示。任何以合成技术公开的方法均可以合适的方式用于制造纤维复合材料管道。单个纤维复合材料层的典型厚度为0.12毫米至3毫米的量级。

在管道件1的选作测量部位的区域2中将一个磁系统14集成到管壁中，其办法是在制造管道时已将该磁系统一起卷入由纤维复合材料构成的层中。所述磁系统14由两个圆形的励磁线圈16、18和用于磁回导的铁磁芯20组成。圆形的励磁线圈16、18的绕组面彼此平行并且和管的中心轴线4平行延伸。由于此图为纵向截面图所以只能看到圆形线圈16、18的截面。

铁磁芯20由一种可弯曲的铁磁板构成。它在两个线圈16、18之间跟随管道件1的圆柱内壳表面，并且因此保证磁的回流，并且埋入到由纤维复合材料构成的层中。在此励磁线圈为平面结构方式的常规缠绕线圈。它们和它们的(在此未示出的)引线一起固定地埋入管道壁的复合材料中。

在线圈16、18的附近一个电子信号预处理和信号传输组件22一起埋入到这些层中。在此也设置从信号预处理组件22到电极系统的测量信号引线(未示出)。信号导线24从信号预处理组件22向外引出。一个发送组件26和这些信号导线连接。通过该发送组件实现测量部件2通过现场总线系统30到一个中央过程控制器以及管理单元28的连接。在这种情况中过程控制单元28包括至少一个过程计算机。

按照图1的流量测量系统包括一个导电的信号分接。为此一对电极集成到管道内壁中，其中在图1中仅示出一个电极32。如在磁感应测量系统中所公开的，测量电极32是如此设置的，即它们的连接线垂直于通过励磁线圈16、18所产生的磁场B的方向。所有在磁感应测量仪中已公开的和通常存在的其它附加装置，例如用于和流体接触的接地电极或者屏蔽电极在图1的流量测量装置都有设置，但是在此没有示出。这也涉及从测量电极32到信号预处理组件22的信号导线。

关于图1的根据本发明的流量测量装置的制造借用了本身已公开的纤维增强塑料结构部件的制造技术的方法。在此特别是采用的缠绕方法。典型地下面所述过程步骤如下进行。

作为第一步骤将一个第一内层缠绕到例如由铝制成的一个圆柱形的芯上。这个内层或者可由树脂浸渍的纤维以一种所谓的粗纱形式或者由纤维半成品例如以具有合适的单个纤维层的切裁的织物的形式构成。也可以首先涂覆一个例如由聚四氟乙烯构成的衬垫层，然后在这层上再施加一层由树脂浸渍的纤维的第一层。

在这一阶段已安装好测量电极。在这个第一层上在覆盖该测量电极的情况下缠绕另外的几层，其中，固定通往测量电极的引线。在缠入屏蔽电极后通过另外几层覆盖住该壁。

作为下一步是将磁系统的部件，也就是铁磁芯和励磁线圈加以固定和然后缠绕上，并且最终予以固定。设置励磁线圈16、18，使管道内腔中的磁场垂直于管的中心轴线4，并且垂直于测量电极32之间的连接线，例如图1中箭头B所示的。

假若要达到很高的测量精度，在磁系统中重要的是很高的定位精度特别是小的扭转。在相当细心的缠绕中可达到的几何精度很高，这样，人们可将线圈和芯的扭转限制到少于一度。

在另外几层之后将信号预处理组件22固定，并且被另外几层缠绕。在这种情况中磁系统14和信号预处理组件22的缠绕局部地限制在管道件1的构成测量部位的段上。在该段上管道的壁要比管道件的其它部分要厚。

再向外还可以缠绕上一层由导电材料，例如由以导电的材料如以导电的碳纤维构成的纤维半成品制成的屏蔽层34，并且这个屏蔽层又由几个最后的保护层缠绕。同样，在制造过程开始时测量电极32也可以由能导电的碳纤维件构成。

发送组件26可以包含用于信号处理、进一步滤波、中间存储和传输的各种各样的功能分组件(或者是通过总线电缆，该发送器组件包括用于实现各个所要求的总线传输协议的相应的组件，或者也用于借助无线电发射机进行无线传输)。

最后作为最后一步是将芯重新取出，其办法是从已完全硬化的管道件中取出芯。在这种情况中作为辅助办法可以采用已公开的技术，例如对芯加热。

制造方法的一种变型方案是将由衬垫层材料例如由聚四氟乙烯或者热塑性塑料制成的圆筒软管用作芯。例如通过提供压缩气体使软管形成所要求的圆筒形。在将带有所有已埋入的部件和分系统的纤维复合材料施加到衬垫层之后然后通过抽出的办法又将衬垫芯重新取出来。

在另一实施形式中-在此未示出-在施加纤维复合材料层之后将该衬垫仍然保留在管道件1的内部。

在图2中示出了根据本发明的磁感应流量测量系统的一个第二实施形式，其中，相同或者功能相同的部件或者组件用和图1中的相同的附图标记表示，但分别增加了a。

图2示出根据本发明的流量测量系统的一个横截面图。和在图1中所示的实施例的不同之处在于，在图2的实施形式中信号的分接是按照电容式途径进行的。为此在制造管道件1a时以距管道内表面小距离地缠入电容电极36，和向外地缠入相应的屏蔽电极38。此外，与磁感应流量测量系统有关地有关屏蔽电极的应用以及电容式信号接收系统的基本结构已基本公开。

图3示出一个具有管道系统40的工艺装置的一个示范性示意图。在该管道系统中在四个管道件42、44、46、48上通过根据本发明的流量测量装置分别建立了流量测量部位。因此在下面也用附图标记42、44、46、48表示流量测量部位。

示范示意图示出的工艺装置包括一个存储容器50。在该存储容器中存储着一种流体物质。通过管道系统40将流体物质从存储容器50输送到两个反应器52、54中。在每个反应器中该物质加工成不同的最终产品，并且紧接着存储和保存在中间存储容器56、58中。

该管道系统40除了已提到的带有测量部位的管道件42、44、46、48还包括弯管60、T形件62以及直管件64。管道系统40的所有使用的部件均由纤维复合材料制成，因为在设备中待加工的物质具有特别的腐蚀性和化学侵蚀性。

构成测量部位的管道件42、44、48其结构分别与图1和图2中所述的相同。所有构成管道系统40的管道件在用虚线表示的连接部位66彼此间通过已公开的纤维复合材料技术彼此连接。

管道件42、44、46、48的信号线路24、24’、24”、24和一个现场总线系统30连接。具有集成有过程计算机的过程控制器和管理单元28a和该现场总线系统连接。在过程控制单元28a中分析和继续处理从过程管道系统40借助根据本发明的流量测量装置所提供的流量数据，例如用于平衡、质量监督等。

从图3可明显看出，随着过程管道系统40的建立也立即建立和安装好流量测量装置，而无需对管道系统进行重新的机械上的作用。当然，在图3中示意和示范性示出的工艺设备只是可用于几乎所有可想象的工艺设备中的根据本发明的流量测量装置的一个实例。

附图标记列表

1、1a                  管道件

2、2a                  测量部位

4、4a                  管道中轴线

10、10a                纤维半成品层

12、12a                人造树脂

14、14a                磁系统

16、18、16a、18a       励磁线圈

20、20a                铁磁芯

22、22a                信号预处理单元

24、24’、24”、24   信号线路

26、26a                发射器组件

28、28a                过程控制和管理单元

30、30a                现场总线系统

32                     测量电极，导电式的

34                     屏蔽层

36a                    测量电极，电容式的

38a                    屏蔽电极

40                     过程管道系统

42、44、46、48         测量部位

50                     储存容器

52、54                 反应器

56、58                 中间存储容器

60                     弯管件

62                     T形件

64                     直管件

66                     连接部位

Claims (8)

1.一种按照磁感应方法测量在管道(1、1a、40)中流动的流体的流量的流量测量装置，其中，该流量测量装置包括管道(1、1a、40)本身以及集成到管道(1、1a、40)中的电极装置(32、36a、38a)和集成到管道(1、1a、40)中的用于产生测量磁场的磁系统(14、14a)。

2.按照权利要求1所述的流量测量装置，具有集成到管壁中的电子信号变换器组件和/或信号传输组件(22、22a)。

3.按照权利要求1和/或2所述的流量测量装置，其特征在于，管道(1、1a、40)由塑料制成。

4.按照权利要求3所述的流量测量装置，其特征在于，管道(1、1a、40)由纤维复合材料构成，并且用缠绕技术制造。

5.按照权利要求4所述的流量测量装置，其特征在于，电极装置(32、36a、38a)包括材料侧管道边界面的导电区域。

6.按照权利要求4或5所述的流量测量装置，具有在制造管道(1、1a、40)时缠绕到管壁中的磁系统(14、14a)。

7.按照权利要求6所述的流量测量系统，具有在制造管道(1、1a、40)时缠绕到管壁中的磁系统(14、14a)和在制造管道(1、1a、40)时缠绕到管壁中的电极装置(32、36a、38a)。

8.按照权利要求4或5所述的流量测量装置，其中，磁系统(14、14a)被缠绕到事后施加到已存在的管道上的、由纤维复合材料制成的层中。

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