CN101194147B - 磁感应流量计和用于这种流量计的测量管 - Google Patents

Abstract

根据本发明，用于磁感应流量计的测量管(2)至少部分由导磁材料制造，其相对导磁率μ_r充分大于1。测量管至少成比例地由铁磁金属构成。

Description

磁感应流量计和用于这种流量计的测量管

技术领域

本发明涉及一种用于磁感应流量计的测量管以及具有这种测量管的磁感应流量计。

背景技术

为了测量导电流体，经常使用一种具有磁感应测量变送器的流量计。众所周知，利用磁感应流量计能够测量特别是导电流体特别是液体的体积流量，而且形成对应的测量值。如众所周知，磁感应流量计的测量原理是，由于载荷子分离而在被磁场切割的流动流体部分体积中感生的电压被利用至少两个测量电极检测到，并且在流量计的测量仪表电子装置中被进一步处理为相应的测量值，例如体积流的测量值。同样的，本领域技术人员熟知单独元件的结构和磁感应流量计的功能，例如在以下文献中有所记载：DE-A 43 26 991、EP-A 1 460 394、EP-A 1275 940、EP-A 12 73 892、EP-A 1 273 891、EP-A 814 324、EP-A 770 855、EP-A 521 169、US-B 6,763,729、US-B 6,658,720、US-B 6,634,238、US-B6,595,069、US-A 6,031,740、US-A 5,664,315、US-A 5,646,353、US-A5,540,103、US-A 5,487,310、US-A 5,210,496、US-A 4,704,908、US-A4,410,926、US-A 2002/0117009或WO-A 01/90702。

为传送待测流体，上述类型的测量变送器，如附图所示意，是一种插入到引导流体的管道中的测量管。为避免流体中感应的电压短路，测量管至少在其接触流体的内侧面上基本不导电地构成。为了将测量管插入到传送流体的管道中，测量管的端部提供了法兰或类似装置。上述用于工业的测量变送器经常有一个测量管，其利用金属支撑管和内部涂覆的电绝缘材料层(所谓的衬底)形成。使用这样安置的测量管，保证了测量变送器和整个流量计具有在机械上非常稳定和鲁棒的结构。诸如硬橡胶，聚氟乙烯树脂，聚亚安酯，或其它化学和/或机械上耐用的塑料都被用于制作衬底的材料；而为避免磁场衰减，特别是在同一个测量管内可能的短路，上述类型的支撑管通常由非铁磁材料，特别是顺磁的材料，如不锈钢或类似材料制成。因此，通过对支撑管的适当选择，可以实现测量管强度对各种应用场合存在的机械需求的的匹配；而利用衬底，也可以得到测量管与各种应用场合的化学的特别是卫生需求的的匹配。通常，这种情况下使用的材料具有的额定的也就是有效的或者平均的相对导磁率μ_r充分小于10而大于5。众所周知，这种情况下，相对导磁率μ_r给出了当材料置于同一磁场中时测量磁通密度(＝磁感应)相对于在空气或真空环境中的磁通密度增加，在空气或真空环境中的导磁率μ₀(＝感应常数)等于1.256·10^-6Vs·Am^-1，也就是对于所使用的材料的导磁率μ有关系μ＝μ_r·μ₀。

测量所需的磁场由相应的磁场系统产生，该磁场系统由线圈装置构成，通常包括两个励磁线圈，对应的用于励磁线圈的线圈铁心和/或极靴，以及可能时还包括与测量管外部的线圈铁心连接的导磁引导片。然而，也有磁场系统只使用单一励磁线圈。磁场系统通常实际上如图1中所示，直接设置在测量管上并由其支承。

为产生磁场，由相应测量仪表电子装置提供的励磁电流I流过线圈装置。对现代测量变送器，励磁电流通常是脉冲的双极矩形交流电流。US-B 6,763,729、US-A 6,031,740、US-A 4,410,926或EP-A 1 460 394列出了一些用于产生这种励磁电流的电路装置以及相应的切换和/或调节方法。这种电路装置通常包括驱动励磁电流的能源以及H-型或T-型桥电路，用于调制励磁电流。

根据法拉第感应定律在流体中感生的电压，在至少两个流电的(即，被液体弄湿)测量电极，或者至少两个容性的(即，例如设置在测量管管壁内部)测量电极被检测而作为测量电压。通常情况下，测量电极被安排到在直径上相对的两端，使得其共同的直径垂直于磁场方向，即垂直于励磁装置所在的直径，然而，同样的，测量电极可以被安排在测量管非直径的两端；对此特别是参见US-A 5,646,353。通过测量电极检测的测量电压被放大并且通过平均电路处理为测量信号，这种信号是可以被记录，显示或者进一步处理的。相应的测量电子装置同样地为本领域技术人员所知，例如在EP-A 814 324、EP-A 521169或WO-A 01/90702中有所记载。

正如已经说明的，在上述类型的测量变送器中，测量管内部和外部的磁场的引导是非常重要的。通常应用的影响磁场的措施包括使用非铁磁测量管，例如在US-B 6,595,069所述，除此之外，还包括为磁场线圈使用适当成型并尽可能靠近流体的极靴和/或使用导磁材料，特别是铁磁材料，用于反馈测量管外部的磁场。

这种具有金属支撑管的测量变送器的一大缺点是，一方面需要相当可观的技术技巧，以能够以所需的测量精度形成和引导磁场。另一方面，使用非铁磁材料的支撑管，(如使用顺磁的不锈钢)，非常昂贵，这将导致生产上述测量变送器的可观的成本因素。进一步，传统的磁场系统的一个缺点是，如图1所示，磁场在测量管内腔内不均匀地形成，因此，测量电压明显依赖于测量管内流体的流型。

发明内容

因此，本发明的目的在于，改进磁感应测量变送器，一方面，可以优化制造成本，另一方面，测量所需的磁场特性可以被简单地和低成本地优化，并且同时非常的有效。

为达到此目的，本发明在于一种磁感应流量计的测量管，用于传送导电流体，其中，测量管至少部分地特别是主要地由相对导磁率μ_r充分大于1特别是大于10的导磁材料构成。

另外，本发明在于一种用于在管道中流动的流体且包含这种测量管的磁感应流量计。

在本发明的测量管的第一个实施例中，测量管的金属元件和/或全部测量管主要由导磁材料制成。

在本发明的测量管的第二个实施例中，其导磁材料的相对导磁率μ_r充分大于10，特别是大于20。

在本发明的测量管的第三个实施例中，其导磁材料的相对导磁率μ_r小于1000，特别是小于400。

在本发明的测量管的第四个实施例中，其导磁材料的相对导磁率μ_r在20到400之间。

在本发明的测量管的第五个实施例中，至少一个测量管中央管段，特别是沿着测量管的自封闭的外围，由导磁材料构成。

在本发明的测量管的第六个实施例中，其导磁材料基本上在测量管的整个长度上和/或在测量管整个外围上特别是均匀地分布。

在本发明的测量管的第七个实施例中，测量管至少部分由铁磁金属制成。

在本发明的测量管的第八个实施例中，测量管至少部分由软磁金属制成。

在本发明的测量管的第九个实施例中，测量管至少部分由硬磁金属制成。

在本发明的测量管的第十个实施例中，导磁材料的层厚比测量管内径小很多。

在本发明的测量管的第十一个实施例中，测量管内径以及导磁材料层厚被测定为使得导磁材料层厚与测量管内径之比小于0.2，特别是小于0.1。

在本发明的测量管的第十二个实施例中，测量管至少在其接触流体的内侧面上被构成为基本不导电。

在本发明的测量管的第十三个实施例中，测量管以一个用作外部管壁和/或外部套的特别是金属的和/或导电的支撑管形成，其在内部内衬至少一个电绝缘材料层。在本发明的进一步实施例中，支撑管有一个比支撑管内径小很多的壁厚。特别的在这种情况下，内径和支撑管的壁厚被测定为使得支撑管壁厚与其内径之比小于0.5，特别是小于0.2。在本发明的另一个进一步实施例中，这种情况下，使用导磁材料，其支撑管壁厚与其内径之比与导磁材料相对导磁率μ_r的乘积小于5，特别是小于3，和/或大于1，特别是大于1.2。在本发明的进一步实施例中，支撑管至少部分地，特别是主要地或者全部地由导磁材料制成。

在流量计的第一实施例中，其进一步包括了测量及操作电路；由测量及操作电路供电的磁场系统，其通过至少一个设置在测量管上或其附近的励磁线圈产生特别是脉冲磁场，该磁场至少间歇地贯穿测量管的内腔；以及至少两个测量电极，用于检测在流过测量管并且被磁场贯穿的流体中感生的电势和/或电压。为了产生表征至少一个描述待测流体的参数的测量值，测量及操作电路还至少间歇地与至少一个测量电极相连接。在本发明实施例的进一步发展中，测量电极与至少一个励磁线圈相距地设置在测量管上和/或其管壁内部。特别的，在这种情况下，至少两个测量电极被设置在测量管上，使得虚拟连接这些电极的电极轴线基本垂直地切割至少间歇地贯穿测量管内腔的磁场。另外，导磁材料至少在测量管的中央管段的区域中特别是沿着测量管的自封闭外围分布，并且至少一个励磁线圈和测量电极设置在测量管上，使得在励磁线圈区域和测量电极区域中，在操作期间至少间歇地产生的磁场特别是以基本相同的方向和/或基本相同的磁通密度耦合入测量管内腔。进一步，这种情况下，导磁材料至少在测量管的中央管段的区域中分布，特别是沿着测量管的自封闭外围分布，并且至少一个励磁线圈以及测量电极被设置在测量管上，使得在测量管的内腔内部至少间歇地产生的磁场至少以这种方式在中央管段的区域形成，使得至少在管壁区域内，以及与虚拟电极轴线的垂直距离大于测量管内径四分之一长度的位置，其至少与虚拟电极轴线大致垂直定向。

在本发明流量计的第二个实施例中，其进一步包括至少一个在测量管外部分布的磁反馈，以引导测量管外部的磁场。在本发明的进一步发展中，这种情况下，特别是在测量电极区域测量的磁反馈和测量管之间的平均距离被这样选择，使得平均距离与支撑管外径的距离-直径比小于1，特别是小于0.5。在本发明的这个实施例中，还具有以下优点：平均距离与支撑管外径之比与导磁材料相对导磁率μ_r的乘积小于100，特别是小于60。

本发明的一个基本想法是，替代通常使用的非导磁材料测量管或者导磁水平低的测量管(μ_r≈1)，磁感应测量变送器使用由高导磁材料制成的测量管(μ_r＞＞1)，从而改进磁场系统效率。

本发明在于令人惊讶的发现，通过将高导磁材料用于测量管，在测量管内腔内部，至少在测量电极附近区域，不仅可以实现显著的放大而且可以实现显著的比较性以及磁场的均匀性。

本发明优点在于，可以通过上述类型的测量管达到磁场系统的改进，其与传统的测量变送器相比，更加制造成本划算。

附图说明

现在将基于附图中描述的磁感应流量计实施例以及基于对于本发明的测量变送器的不同配置而实验确定的磁场数据，详细描述本发明的零件以及具有优点的实施例。附图中：

图1显示了在传统磁感应测量变送器的磁力线。

图2示意性地部分以截面图以及部分以结构图显示了具有测量管的磁感应流量计。

图3显示了在根据本发明的磁感应测量变送器的由电极轴线和励磁线圈轴线张成的截面内的磁力线。

图4a、b、c显示了在图3的截面内部，对于不同磁感应测量变送器所确定的磁通密度B的L2规则化，以及由其在电极轴线方向或励磁线圈轴线方向上作用的分量，其各自依赖于测量管材料的相对导磁率。

图5显示了在图3的截面内部，对于不同磁感应测量变送器所确定的沿着各电极轴线总磁通密度B的分布，其依赖于与电极轴线中点的距离而变化。

图7显示了在图3截面中，对于不同磁感应测量变送器确定的，总磁通密度与那里测量的磁通密度B平均值的全部偏差，其依测量管材料的相对导磁率而变化。

图8，9显示了对于不同的磁感应测量变送器，根据图2或3确定的测量管材料最佳相对导磁率与测量变送器不同几何维度参数的依赖关系。

图10，11，12a、b、c 13a、b、c显示了对于不同的磁感应测量变送器，根据图2或3确定的基于表征磁场自身的磁场变量而在图3截面中的磁场与测量管材料相对导磁率和测量变送器不同几何维度参数的依赖关系。

具体实施方式

图2和图3示意举例说明了流量计。通过该流量计确定导电且流动的流体11的至少一个物理测量变量，如体积流量。流量计包括磁感应测量变送器1和与其连接的测量及操作电路8，该电路用于启动该测量变送器并产生表征至少一个描述流体参数的测量值，特别是数字测量值。为了进一步计算测量值，例如通过使用微计算机10实现测量及操作电路8还可以通过对应的数据传送系统16与上位过程控制计算机9通讯。

属于测量变送器1的是测量管2，其被插入到传送液体11的管道(未显示)中。测量管2包括一个由管壁包围的测量管内腔。至少间歇地，被测流体11流过测量管内腔。为将管道与测量管2连接，适当的连接元件如法兰，在测量管2端部被提供。

另外，在流量计操作期间，磁场至少间歇地贯穿至少部分测量管内腔。磁场基本保持恒定，至少间歇地，特别是有节奏地重复，它至少逐段地与流体11流动方向相符的测量管纵轴z相垂直的分布，从而在流体中感生测量电压U，其对应于至少一个流体测量变量，例如流速和/或体积流量。在其接触流体的内侧面上，测量管基本不导电，从而避免利用磁场感生的测量电压U在测量管2上的短路。

为产生测量至少一个参数所需的具有足够高磁通密度B的磁场，测量变送器1还有一个由测量及操作电路10供电的磁场系统。磁场系统通过至少一个安装在测量管2或者其周边的励磁线圈，产生至少间歇地贯穿测量管2内腔的特别是脉冲的磁场。在所示的本实施例中，磁场系统包括第一励磁线圈6和第二励磁线圈7，特别是第二励磁线圈7与第一励磁线圈6串行或并行电连接。励磁线圈6，7被安装在测量管2相对的位置，实际上，在本发明的一个有优点的实施例中，虚拟连接两个励磁线圈的线圈轴线y与测量管2的直径相符，基本上与测量管2纵轴z相垂直。当合适的励磁电流，例如脉冲直流或交流电流，在励磁线圈6，7中流过时，管壁和测量管内腔出现贯穿其中存在的流体的磁场。如这种磁场系统常见的，每个励磁线圈6，7都会在导磁磁芯中被弯曲，反过来，可以与对应的极靴共同作用，参见US-A5,540,103。然而，如图1所示意，励磁线圈也可以是无芯的空气线圈。为改进磁场系统的磁场性能，可以在测量管2外附加安装磁反馈17，其用于在尽可能小的体积内部引导测量管外部的磁场。例如，如这样的测量变送器通常的，励磁线圈6，7可以通过这样的安装在测量管外的磁反馈17相互磁耦合。磁场系统还有具有优点的方式实现，使得特别是两个励磁线圈6，7被这样定尺寸及彼此定向，使得由此产生的磁场在测量管2内部至少关于线圈轴线y大致对称，特别是c₂-旋转对称(c₂-对称＝180°-旋转对称)。

为了检测在流过测量管2且被磁场贯穿的流体中感生的电势和/或电压，测量变送器进一步包括了至少两个测量电极，它们在流量计操作期间至少间歇地连接测量及操作电路8，其中安装在测量管2管壁内侧面的第一测量电极4用于检测依赖于至少一个测量变量的第一电势，同样安装于测量管的第二测量电极5用于检测依赖于至少一个测量变量的第二电势。测量电极4，5在这种情况下与至少一个励磁线圈相距设置和/或安装在其管壁内部，并且实际上，在本发明一个有优点的实施例中，虚拟连接两个测量电极4，5的电极轴线x与线圈轴线y和/或测量管纵轴z基本垂直。受到磁场B的影响，在流动的流体中存在的自由载荷子依赖于极性而在一个或另一个测量电极4，5的方向上漂移。在这种情况下，在测量电极4，5间形成的测量电压U与在图1所示的测量管2截面A上平均的流体流速基本成比例，并且因此也是其体积流量的量度。

在所示的实施例的一个例子中，测量电极4，5基本在测量管2的第二直径上，该直径不仅基本上与测量管纵轴z相垂直，还基本与线圈轴线y相垂直。如图1所示意，举例来讲，测量电极4，5作为流电电极构成，即，接触流体。然而，作为备选或作为补充，安装在测量管2管壁内部的电容性电极也可以当作测量电极4，5使用。进一步，当构成磁场系统使得磁场关于电极轴线x至少c₂对称时，是具有优点的。在本发明的实施例中，磁场还被这样构成，使得它在测量管内腔内部至少间歇地相关于前述的虚拟参考轴x、y、z基本对称，并且，实际上，其基本至少c₂对称(＝180°-旋转对称)

测量电极4、5以及至少一个励磁线圈6或励磁线圈6、7最终都通过对应的连接线4、5、6、7与控制流量变送器操作的测量及操作电路8电连接。

根据本发明，进一步提出，测量管至少部分的，特别是主要的，由相对导磁率为μ_r充分大于1的导磁材料构成。在本发明的实施例中，这种情况下，支持测量电极的测量管区域由导磁材料构成。

研究令人惊奇地显示，通过将导磁材料特别是高导磁材料使用于测量管2，至少在虚拟励磁线圈轴线y和虚拟电极轴线x所相交的测量管2中央管段，可以明显改善在测量管内腔获得的静态(即，为了测量至少一个参数而保持足够恒定)磁场，特别是其磁通密度B和/或其在测量管内腔的分布及方向。因此，举例来讲，对于由励磁线圈轴线y和电极轴线x所定义的对应于图2所示截面A的测量管2截面，能够确定，至少是静态磁场的磁通密度B在相对导磁率μ_r大于10时以令人惊奇的方式为超过比例的高值。这可以证明，对于实际的测量管和磁场系统，基于所谓的磁通密度B的L²规则化。磁通密度B的L²规则化||B||_L2给出了在测量管截面A中的磁场大小或者磁场的磁能量，它可以通过公式计算出来：

${\left|\right|B\left|\right|}_{L2}=\sqrt{\underset{A}{\∫}{\left|B\right|}^2\mathrm{dxdy}}=\sqrt{\underset{A}{\∫}{\left|B_x\right|}^2+{\left|B_y\right|}^2\mathrm{dxdy}}---\left(1\right)$

图4a示例性显示了磁通密度B的L²规则化||B||_L2随所选相对导磁率μ_r变化的可能分布。伴随着基于使用高导磁材料的整个测量管内腔的磁场改善，在前述的管段区域，特别是在前述的测量管的截面A内部，如图5所示，至少沿着电极轴线X及其临近周边区域，磁通密度B的大小|B|也有了明显的增加。作为磁通密度B提升的结果，可以发现，对比具有类似结构的传统磁感应流量计，测量电压U有了明显的提升。

进一步，还可以发现，可以发现测量管的最优相对导磁率μ_r依赖于测量管和磁场系统(包括可能的反馈)的实际尺寸，其中在最优相对导磁率下，在静态磁场中磁通密度B及其L²规则化||B||_L2达到最大，参见图4a。在对应方式中，测量变送器有最大敏感度其中由磁场贯穿的流动流体在两个测量电极间形成最大测量电压U。对其进一步研究发现，依赖于测量变送器的尺寸，最优相对导磁率μ_r大约在10～1000的范围，特别是在20～400的范围内。

进一步确定，通过在测量管使用导磁材料，静态磁场不仅针对其磁通密度B被改善，而且对比传统的同样结构的测量变送器，在励磁线圈轴线y的方向上，至少在前述的截面A内，其获得更加统一和更直的方向，这通过在图3中在测量管内腔内部近似平行分布的磁力线表示。这表明，磁场在至少在提及的截面A中不仅在励磁线圈区域还有测量电极区域耦合进测量管内腔，特别是方向基本相同和/或磁通密度B基本相同。换句话讲，可以避免在与测量相关的流动区域的磁场分流，或者，至少将其非常有效地最小化。

特别的，这种情况下，通过适合的选择和分布高导磁材料，匹配为测量管实际选择的额定口径和/或管壁，至少在测量管的中央管段区域，特别是在前述的截面A，能够至少提高在线圈轴线y的方向上作用的磁场分量B_y，而同时，在电极轴线x方向作用的磁场分量B_x是可以实现的。

反过来，上述效果可以分别基于磁通密度B的独立分量B_x和B_y各自的L²规则化||B_x||_L2和||B_y||_L2而非常清楚地得到证实，可以数学表达为：

${\left|\right|B_x\left|\right|}_{L2}=\sqrt{\underset{A}{\∫}{\left|B_x\right|}^2\mathrm{dxdy}}---\left(2\right)$

${\left|\right|B_y\left|\right|}_{L2}=\sqrt{\underset{A}{\∫}{\left|B_y\right|}^2\mathrm{dxdy}}.---\left(3\right)$

为测量至少体积流量实际所需的磁场分量B_y的L²规则化||B_y||_L2以及例如为测量体积流量并不需要的磁场分量B_x的L²规则化||B_x||_L2的可能的分布被分别依赖于所选的相对导磁率μ_r而示例性显示在图4b和图4c中。清晰可识别的是，在线圈轴线向方向起作用的磁场分量B_y初始具有正的非常陡峭且随后达到最大值的过程；同时在电极轴线向方向起作用的磁场分量B_x非常陡峭的下降过程。

进一步，磁场可以通过在测量管使用高导磁材料而在其均匀性上有显著的改进。这是非常明显的，例如实际上，导磁材料和测量管本身所选择的相对导磁率μ_r越大，在测量管内腔内部至少在截面A内部的磁通密度B的大小|B|与那里测得的磁通密度B平均值

的偏差，即，磁通密度B的大小|B|的变化，就越小。对于截面A可以例如基于以下数学关系容易地确定磁通密度B的平均值

以及对应的总偏差s：

$s=\sqrt{\underset{A}{\∫}{\left(\right|B|-\stackrel{\‾}{B})}^2\mathrm{dxdy}}---\left(4\right)$

$\stackrel{\‾}{B}=\frac{1}{A}\underset{A}{\∫}\left|B\right|\mathrm{dxdy}---\left(5\right)$

其中，总偏差s可以至少量化图6中以例子显示的对于相对导磁率μ_r的依赖关系。

很明显，磁场的这种平衡和均衡性可以通过截面A中的磁通密度B与其在那里的平均值

的相对偏差

指示，相对偏差

可以按如下数学关系式计算出来：

$\tilde{s}=\sqrt{\underset{A}{\∫}{(\frac{\left|B\right|}{\stackrel{\‾}{B}}-1)}^2\mathrm{dxdy}}---\left(6\right)$

特别的，通过导磁材料在测量管上的适合分布，可以实现构成静态磁场，使得在截面A上确定的磁通密度B与同一截面A的磁通密度B的瞬时平均值

的瞬时总偏差s或其变化小于0.005和/或磁通密度B与平均值

的相对偏差

小于1％，特别是小于20‰，另外，通过测量管使用高导磁材料，可以这样构成磁场，使得其垂直切割平行于电极轴线x分布的截面A的割线，该割线与虚拟的电极轴线x相距测量管内径D的四分之一长度。

其结果是，上述的磁场平衡和/或磁通密度B的大小|B|的平衡以及磁场均衡将导致，与具有类似结构的传统磁感应测量变送器相比，测量电压U对可能的流体流动扰动的敏感度降低并因而非常鲁棒，上述扰动例如由外来材料，外来气体和/或流型变化而引起。同样的，按这种方法，能够改进为测量至少一个物理测量变量所相关的磁场性质，特别是在电极4、5和电极轴线x区域以及在中央管段内部的磁通密度B的增长。其结果是，磁场系统展现了更高的效率，并且能够更准确地确定对应于测量电压U的测量值，例如流速和/或体积流量。

在本发明的一个实施例中，导磁材料至少在测量管2的中央管段的区域上分布，那里还安装着电极和至少一个励磁线圈。作为备选或补充，在本发明的进一步实施例中，导磁材料至少沿着测量管2的自封闭外围和/或在整个测量管2的整个长度上分布，特别是均匀分布。然而另外，导磁材料还在整个测量管2上主要均匀地分布或者基本上不均匀分布。

在本发明的进一步实施例中，导磁材料作为基本上附着的层施加在测量管中。具有优点地，导磁材料的层厚d比测量管的内径D小很多。作为备选或补充，测量管2的内径D以及导磁材料的层厚d被测定为使得导磁材料层厚与测量管内径D的比小于0.2，特别是小于0.1。

为避免测量管2内增长的涡流和/或磁滞损失，测量管可以逐层地由多个这样的彼此交替地特别是同轴地叠加的层构成，所述层由导磁材料和不导电导磁的材料制成。因此在本发明的进一步实施例中，提供至少一个层，特别是多个在径向上彼此相距的层，其导磁材料内嵌于基本上不导电的材料中；并且/或者提供至少一个层，特别是在井上上彼此相距的层，基本上不导电的材料内嵌于导磁材料中。然而，进一步，本发明的测量变送器中，如果需要的话，可以使用进一步的措施来最小化涡流，例如，在EP-A 1 460 394和/或US-A 6,031，740中揭露的用于调节驱动磁场系统的励磁电流的方法。

这里所示的本实施例的一个例子中，如在上述的测量变送器常见的情况下，测量管2通过特别是金属和/或导磁的支撑管21形成，该支撑管用作外部管壁和/或外部套管。支撑管21内部内衬至少一层电绝缘材料层22形成所谓的内衬，电绝缘材料诸如陶瓷、硬橡胶、聚氟乙烯树脂，聚亚安酯或近似材料；由此相对，在由类似的非传导塑料或陶瓷特别是氧化铝陶瓷这样的陶瓷制成的测量管情况下，这样一个附加非导电层不是绝对必要的。在本发明的一个实施例中，支撑管至少部分由导磁材料，特别是导磁金属制成。

如图2和图3所示意，支撑管21的壁厚d_T至少与支撑管内径D_T相比要小很多。在本发明的进一步的实施例中，支撑管的内径D_T和壁厚d被测定为使得支撑管的壁厚d与其内径D_T的直径-壁厚比w＝d_T/D_T小于0.5，特别是小于0.2。在本发明的进一步实施例中，使用这种用于支撑管21的导磁材料以及其壁厚d_T和内径D_T被测定为，使得前述的直径-壁厚比w乘以导磁材料的相对导磁率μ_r得到值d_T/D_T·μ_r，其小于5，特别是小于3。作为备选或补充，使用这种用于支撑管的导磁材料以及其壁厚d_T和内径D_T被测定为，使得利用直径-壁厚比w和导磁材料相对导磁率μ_r形成的对于支撑管以及整个测量管的壁厚成形因数d_T/D_T·μ_r为大于1，特别是大于1.2的值。

进一步研究还表明，除了导磁支撑管的壁厚d_T和内径D_T外，用于引导测量管外部磁场的磁反馈17的几何和/或空间设置也可显著影响测量管内腔内部的磁场分布，特别是在截面A和/或测量管内腔内部的磁通密度B的空间分布和/或其大小。特别的，对于例如预定的壁厚为d_T、内径为D_T和相对导磁率为μ_r的支撑管，在截面A上尽可能均匀分布的磁通密度B至少在测量电极的区域中可以确定在磁反馈17和支撑管间之间的最优平均距离h_r。相反地，对于预定或限定测量变送器壁厚d_T、内径D_T，和侧向安装措施的情况，确定对于大小尽可能均匀的磁场的最优相对导磁率μ_r。在另一个实施例中，支撑管和反馈被这样构成和定尺寸，使得平均距离h_r与支撑管外径(d_T+D_T)的距离-直径比w_r＝h_r/(d_T+D_T)小于1，特别是小于0.5。在本发明进一步的实施例中，使用这种导磁材料用于支撑管并这样测定其壁厚d_T和内径D_T，使得上述的距离-直径比w_r乘以导磁材料相对导磁率μ_r得到值μ_r·h_r/(d_T+D_T)，其小于100，特别是小于60。作为备选或补充，使用这种导磁材料用于支撑管并这样测定其壁厚d_T和内径D_T，使得利用距离-直径比w_r和导磁材料相对导磁率μ_r形成的对于支撑管以及整个测量管的反馈成形因子μ_r·h_r/(d_T+D_T)为大于1的值。

对于实际的相关直径-壁厚比w和/或实际的相关距离-直径比w_r，可以从图7和8显示的经验确定的特征曲线中直接读出对于测量管和磁场系统的具体配置而在最大测量电压U的情况下用于测量管的导磁材料的最优相对导磁率μ_r。

虽然正如前面在反馈成形因子μ_r·h_r/(d_T+D_T)的例子中指出的，反馈装置的尺寸也可以可以影响磁场的分布，特别是在截面A内的磁通密度B的分布，令人惊奇的是，支撑管的内径和壁厚或者测量管的内径D和分布，特别是测量管内导磁材料的层厚，这些量对测量管内腔内的磁场分布以及对测量电压U的发展和鲁棒性有着非常大的影响。因此，在图9显示了上述平均值

的总偏差s的曲线，图10显示了平均值

的相对偏差

的曲线。这些曲线是在截面A区域内对于不同直径-壁厚比w和不同距离-直径比w_r经验确定的。图9和图10中，对于每一这里所选的直径-壁厚比w(0.0005...0.1876)，各自研究了4个不同的距离-直径比w_r(0.25；0.5；0.75；1)，并且以对于各个直径-壁厚比w确定的且各自不同选择的线型(w＝0,0175-；w＝0,0629：--；w＝0,1253：--；w＝0,1876：-·-；w＝0,25：-·-)绘制在一起。清晰可识别的是，对于实践上大于0.01的相关直径-壁厚比w，一方面，大于等于10的足够大地选择的相对导磁率几乎不能确定反馈对于相对偏差

以及在截面A内的磁场形状的影响。另一方面，对于大于0.01的所述壁厚比w，在大于等于10的充分大地选择的相对导磁率μ_r的情况下，关于在截面A内的磁通密度B的均匀性，只有磁场的边缘有所改善。

进一步，基于图11a、b、c和12a、b、c所示的平均值以及L²-规则化(它们是分别依赖于前述比值w，并且对于磁通密度还依赖于其单独的分量B_x和B_y，而数值确定的)的曲线，通过测量管使用高导磁材料，至少对于在10到50范围的相对导磁率μ_r，还能够减小在电极轴线x方向上作用的磁场分量，并提高至少在截面A内的磁场能量，以及提高磁场系统的效率。

这里需要说明的是，作为用于实现本发明的导磁材料，可以使用结构钢，铸铁，或者也可以是例如由分散物与掺杂的导磁微粒形成的合成材料和/或塑料；然而，当然，本发明也可以使用其它导磁材料作为测量管的材料，例如已经或正在传统线圈铁心和/或磁反馈中使用的材料。在本发明的一个实施例中，测量管，特别是上述的支撑管，至少部分地由铁磁金属制成。这种情况下，测量管特别是上述的支撑管，至少部分由软磁金属和/或至少部分由硬磁金属制成。

从上述解释不难理解，本发明的测量变送器的特征在于大量自由度，本领域技术人员特别是依据外部和/或内部安装量(公称直径，安装尺寸，侧向距离等)的规格，通过选择相应的适用的测量管材料，达到磁场优化，并且因而例如改善测量电压U对于流体待测参数的敏感度机器相对于流体中可能的干扰的鲁棒性。根据本发明的知识和基于上述参考的背景技术，对于本领域技术人员来讲，不难确定适于各种应用的测量管材料。

Claims (45)

1.磁感应流量计的用于引导导电流体的测量管(2)，其中，测量管(2)至少部分由导磁材料构成，其相对导磁率μ_r充分大于1，并且至少一个励磁线圈在外部设置在测量管上或其附近；其中测量管利用一个用作外部管壁和/或外部套的支撑管形成，其在内部内衬至少一个电绝缘材料层；其中支撑管至少部分由导磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的测量管，其中测量管(2)主要由导磁材料构成。

3.根据权利要求1所述的测量管，其中所述导磁材料的相对导磁率μ_r大于10。

4.根据权利要求1所述的测量管，其中导磁材料的相对导磁率μ_r大于20。

5.根据权利要求1所述的测量管，其中导磁材料的相对导磁率μ_r小于1000。

6.根据权利要求1所述的测量管，其中导磁材料的相对导磁率μ_r小于400。

7.根据权利要求1所述的测量管，其中导磁材料的相对导磁率μ_r在20到400的范围内。

8.根据权利要求1所述的测量管，其中测量管的至少一个中央管段由导磁材料构成。

9.根据权利要求1所述的测量管，其中测量管的至少一个中央管段沿着测量管的自封闭的外围由导磁材料构成。

10.根据权利要求1所述的测量管，其中导磁材料在测量管的整个长度上和/或在测量管整个外围上分布。

11.根据权利要求1所述的测量管，其中导磁材料在测量管的整个长度上和/或在测量管整个外围上均匀地分布。

12.根据权利要求1所述的测量管，其中测量管至少部分由铁磁金属制成。

13.根据权利要求12所述的测量管，其中测量管至少部分由软磁金属制成。

14.根据权利要求12或13所述的测量管，其中测量管至少部分由硬磁金属制成。

15.根据权利要求1所述的测量管，其中导磁材料的层厚(d)比测量管内径(D)小。

16.根据权利要求15所述的测量管，其中测量管的内径(D)以及导磁材料的层厚(d)被测定为使得导磁材料层厚与测量管内径之比小于0.2。

17.根据权利要求15所述的测量管，其中测量管的内径(D)以及导磁材料的层厚(d)被测定为使得导磁材料层厚与测量管内径之比小于0.1。

18.根据权利要求1所述的测量管，其中测量管(2)至少在其接触流体的内侧面上被构成为不导电。

19.根据权利要求1所述的测量管，其中所述支撑管是金属的和/或导电的。

20.根据权利要求1所述的测量管，其中支撑管主要由导磁材料制成。

21.根据权利要求1所述的测量管，其中其中支撑管至少部分由金属制成。

22.根据权利要求21所述的测量管，其中其中支撑管全部由金属制成。

23.根据权利要求1所述的测量管，其中支撑管的壁厚(d_T)比支撑管的内径(D_T)小。

24.根据权利要求23所述的测量管，其中支撑管的内径(D_T)和壁厚(d_T)被测定为使得支撑管的壁厚(d_T)与其内径(D_T)之比(d_T/D_T)小于0.5。

25.根据权利要求24所述的测量管，其中支撑管的内径(D_T)和壁厚(d_T)被测定为使得支撑管的壁厚(d_T)与其内径(D_T)之比(d_T/D_T)小于0.2。

26.根据权利要求24所述的测量管，其中使用导磁材料，其支撑管的壁厚(d_T)与其内径(D_T)之比(d_T/D_T)与导磁材料相对导磁率(μ_r)的乘积的值(μ_r·d_T/D_T)小于5。

27.根据权利要求24所述的测量管，其中使用导磁材料，其支撑管的壁厚(d_T)与其内径(D_T)之比(d_T/D_T)与导磁材料相对导磁率(μ_r)的乘积的值(μ_r·d_T/D_T)小于3。

28.根据权利要求24或26所述的测量管，其中使用导磁材料，其支撑管的壁厚(d_T)与其内径(D_T)之比(d_T/D_T)与导磁材料相对导磁率(μ_r)的乘积的值(μ_r·d_T/D_T)大于1。

29.根据权利要求24或26所述的测量管，其中使用导磁材料，其支撑管的壁厚(d_T)与其内径(D_T)之比(d_T/D_T)与导磁材料相对导磁率(μ_r)的乘积的值(μ_r·d_T/D_T)大于1.2。

30.根据权利要求1所述的测量管，其中其由金属制成的部件主要由导磁材料构成。

31.用于管道中流动的流体的磁感应流量计，其包括根据前述任一权利要求所述的测量管。

32.根据权利要求31所述的磁感应流量计，进一步包括：

- 测量及操作电路；

- 由测量及操作电路供电的磁场系统，其利用至少一个在测量管上或其附近设置的励磁线圈产生磁场，该磁场至少间歇地贯穿测量管的内腔；以及

- 至少两个测量电极，用于检测在流过测量管并且被磁场贯穿的流体中感生的电势和/或电压；

- 其中为了产生表征至少一个描述流体的参数的测量值，测量及操作电路至少间歇地与至少一个测量电极连接。

33.根据权利要求32所述的磁感应流量计，其中所述励磁线圈产生的磁场是脉冲的磁场。

34.根据权利要求32所述的磁感应流量计，其中测量电极与至少一个励磁线圈相距地设置在测量管上和/或其管壁内部。

35.根据权利要求34所述的磁感应流量计，其中导磁材料至少在测量管的中央管段的区域中分布，并且至少一个励磁线圈以及测量电极设置在测量管上，使得在励磁线圈的区域和测量电极的区域中，在操作期间至少间歇地产生的磁场耦合入测量管的内腔。

36.根据权利要求35所述的磁感应流量计，其中导磁材料至少在测量管的中央管段的区域中沿着测量管的自封闭外围分布。

37.根据权利要求35所述的磁感应流量计，其中所述在操作期间至少间歇地产生的磁场以相同的方向和/或相同的磁通密度耦合入测量管的内腔。

38.根据权利要求35所述的磁感应流量计，其中至少两个测量电极被设置在测量管上，使得虚拟连接这些电极的电极轴线垂直地切割至少间歇地贯穿测量管内腔的磁场。

39.根据权利要求38所述的磁感应流量计，其中导磁材料至少在测量管的中央管段的区域中分布，并且至少一个励磁线圈以及测量电极被设置在测量管上，使得在测量管的内腔内部至少间歇地产生的磁场至少在中央管段的区域中形成，使得至少在管壁的区域内以及与虚拟电极轴线的垂直距离大于测量管内径(D)四分之一长度的位置，其至少与虚拟电极轴线垂直定向。

40.根据权利要求39所述的磁感应流量计，其中导磁材料至少在测量管的中央管段的区域中沿着测量管的自封闭外围分布。

41.根据权利要求31～40之一所述的磁感应流量计，进一步包括至少一个在测量管外部分布的磁反馈，以引导测量管外部的磁场。

42.根据权利要求41所述的磁感应流量计，其中在测量电极区域测量的磁反馈和测量管之间的平均距离(h_r)被选择为使得平均距离(h_r)与支撑管外径(d_T+D_T)的距离-直径比(h_r/(d_T+D_T))小于1。

43.根据权利要求41所述的磁感应流量计，其中在测量电极区域测量的磁反馈和测量管之间的平均距离(h_r)被选择为使得平均距离(h_r)与支撑管外径(d_T+D_T)的距离-直径比(h_r/(d_T+D_T))小于0.5。

44.根据权利要求42所述的磁感应流量计，其中使用一种导磁材料使得平均距离(h_r)与支撑管外径(d_T+D_T)之比(h_r/(d_T+D_T))与导磁材料相对导磁率(μ_r)的乘积的值(μ_r·h_r/(d_T+D_T))小于100。

45.根据权利要求42所述的磁感应流量计，其中使用一种导磁材料使得平均距离(h_r)与支撑管外径(d_T+D_T)之比(h_r/(d_T+D_T))与导磁材料相对导磁率(μ_r)的乘积的值(μ_r·h_r/(d_T+D_T))小于60。

Images