CN102822640A - 磁感应流量测量设备的磁路装置 - Google Patents

Abstract

描述并示出了用于实现磁感应流量测量设备的磁路的一种磁路装置（1），具有产生磁场的至少一个线圈（2b）、具有至少两个相对的平面极元件（3a,3b），在所述平面极元件之间在已安装的状态下具有该磁感应流量测量设备的测量管，并具有至少一个磁导连接元件（4a,4b）以用于磁路的磁闭合。根据本发明，线圈（2）的线圈磁芯（2a）的横截面或/和一个或多个磁导连接元件（4a,4b）的横截面尽可能小。一个或多个磁导连接元件（4a,4b）优选地构造为弧形，如此使得最终产生的磁路装置（1）具有环形的外轮廓，并松散地包围至少一个平面极元件（3a,3b）。

Description

磁感应流量测量设备的磁路装置

技术领域

本发明涉及用于实现磁感应流量测量设备的磁路的一种磁路装置，具有产生磁场的、具有线圈磁芯的至少一个线圈，具有至少两个相对的平面极元件，在该磁路装置安装在该流量测量设备中的状态下在平面极元件之间具有该磁感应流量测量设备的测量管，以及具有至少一个磁导连接元件以对该磁路进行磁闭合。此外本发明还涉及一种磁感应流量测量设备，具有至少一个测量管，具有至少一个磁路装置以实现该磁路，并具有至少两个电极以检测测量电压，其中该磁路装置具有产生磁场的、具有线圈磁芯的至少一个线圈，至少两个相对的平面极元件，在平面极元件之间布置有测量管，以及具有至少一个磁导连接元件以对该磁路进行磁闭合。

背景技术

已知不存在“开路的磁场”，而是仅存在“闭合的磁路”。因此如果如前所述，设置至少一个磁导连接元件以把该磁路进行磁闭合，那么该磁导连接元件就是该磁路的组成部分，也即磁路的致使实际上是一个磁路、也即一个闭合磁路的组成部分。

在磁感应流量测量设备的测量管中产生磁场对实现如下的测量原理是必要的，该测量原理基于移动电荷在磁场中的分离。该测量技术基础形成由非磁材料制成的测量管，比如由非磁金属制成，该测量管在流动侧通过绝缘衬里而与测量液体电绝缘，并且该测量管被由该磁路装置的线圈所产生的、与流动方向相垂直的磁场穿过。如果该测量管被具有最小电导率的一种测量液体流过，那么在该导电的测量液体中所存在的载流子就通过磁场而被偏转。在垂直于磁场和流动方向所布置的测量电极上由于电荷分离而产生了电位差，也即电压，其利用测量设备被检测并作为测量电压被分析。该测量电压与随测量液体移动的载流子的流动速度成比例，如此使得由流动速度可以推断在测量管中的流量。

磁感应流量测量设备所具有的优点是，其实际上不干涉在该测量管内的流动，如此使得流动保持不受干扰，其中该测量原理容易地达到1%v.M.（v.M.=vom Messwert，测量值的）范围的精确度，部分甚至能够实现更好的精确度。

但是磁感应流量测量设备的构造是相对复杂的，就像对测量信号的分析那样，如此使得磁感应流量测量设备对于低成本领域-比如家用水表-的大规模应用来说目前没有可能。

另外还存在一个问题，即为了在相对的极元件之间产生对于测量足够强的磁场，必须持续地提供电功率，该电功率在运行磁感应流量测量设备所需的全部电功率中占有相当大的分量。因此难以实现无电网运行的大规模磁感应流量测量设备，如果应该实现几年的无维护运行时间，那么无论如何都是不能的。

发明内容

因此本发明的任务是，说明一种用于实现磁感应流量测量设备的磁路的磁路装置，其能够被便宜地制造并且特征是显著降低的功率消耗，如此使得磁感应流量测量设备也能够针对无电网的大规模应用来实现。

前面导出和展示的任务在开头所述的磁路装置中通过如下而得到解决，即线圈的线圈磁芯和/或磁导连接元件的横截面是尽可能小的。“尽可能小”表示致使正好不发生饱和的一种尺寸。“尽可能小”的教导可以应用于线圈的线圈磁芯的横截面、磁导连接元件的横截面、当然尤其是不仅应用于线圈的线圈磁芯的横截面、而且还应用于磁导连接元件的横截面。

根据本发明首先认识到，在已知的磁感应流量测量设备中，所消耗的电功率的显著部分未被使用地“丢失”在杂散磁场中。由于根据本发明线圈的线圈磁芯的横截面或/和磁导连接元件的横截面是尽可能小的，也就是优选线圈的线圈磁芯的横截面和磁导连接元件的横截面如此来选择，使得将永远不能完全避免的杂散场减小到在考虑所有重要的参数情况下可能的程度。

在根据本发明的磁路装置的一个优选实施方式中，一或多个磁导连接元件构造为弧形，如此使得最终产生的磁路装置具有环形的外轮廓，并松散地包围至少一个平面极元件。符合这个补充教导的认识是，在磁感应流量测量设备中的典型的磁路装置具有以下磁导连接元件，所述磁导连接元件尽可能紧密地与该磁感应流量测量设备的测量管相邻，如此使得已知的磁路装置的不同元件以小的间距相对布置，并从而考虑杂散磁场的构成。

检查得知，这种从现有技术已知的磁路装置的杂散场的分量可能超过所产生的全部磁场的80%，如此使得所消耗能量的仅仅非常微小的分量流入到对于测量重要的有用场中。由于磁导连接元件如此来引导，使得其形成该磁路装置的环形外轮廓并松散地包围至少一个平面极元件，所以能够在很大程度上来避免杂散场。如果该杂散场的分量降低到低于所产生磁场的35%，优选降低到低于所产生磁场的25%，那么就尤其达到了对至少一个平面极元件的松散包围。

因此尤其在现有技术中也没有考虑前述的磁路装置构造，因为在该测量管的常见标称直径情况下的相应实现不会被接受，这是由于松散地包围平面极元件显著增大了最终产生的磁感应流量测量设备的外壳尺寸；在此注意的是，磁感应流量测量设备针对直至DN 3000的标称尺寸来制造。但目前已认识到，对于在测量管的所述标称直径情况下的典型家庭应用来说只要几十毫米就足以，通过该磁路装置的环形外轮廓对平面极元件的松散包围也不是重要的限制。优选地该环形外轮廓-从外看-处处是凸的。

在根据本发明的磁路装置的另一优选实施方式中，为了实现通过该磁路装置的环形外轮廓对至少一个平面极元件的松散包围，规定该环形外轮廓的最小直径至少是相对的平面极元件间距的1.5倍。在其之间构成磁场的相对的平面极元件通常不必与测量管相间隔，甚至部分地位于该测量管上。由于该磁路装置的环形外轮廓具有至少为平面极元件间距的1.5倍的直径，保证了该磁路装置的元件相互间隔到使得仅能够以小规模构成杂散场的程度。如果环形外轮廓的最小直径具有相对的平面极元件间距的约两倍，那么就获得了尤其好的结果。这体现为在该磁感应流量测量设备的杂散场抑制与可接受外壳尺寸之间的一种良好折衷。

如果说该磁路装置具有环形的外轮廓，那么由此并不缩小范围地表示圆环。更确切地说是基本形成环的外轮廓，该外轮廓当然可以是不对称的并可以是按片段平整的。如果该外轮廓是不对称的，或者不是严格圆环形的，那么环形外轮廓的直径就可以理解为这样的一种间隔线，其穿过平面中点或平面重心延伸。

根据本发明的磁路装置的实现可以进一步通过如下来进行改善，即该磁路装置的轮廓在由环形外轮廓所形成的平面中进行了至少90°角的方向变化，由此引起在磁路中不能构成锐角，并且磁路元件-不考虑极元件-没有直接相对；由此同样能够使杂散场损失最小化。方向变化尤其表示突然的方向变化，因为在连接元件的所要求的弧形构造中反正保证了逐渐地并在避免类似磁场引导部件的情况下来进行方向变化。

在根据本发明的磁路装置的另一有利的实施中，线圈构造为圆柱线圈，尤其具有大于4、优选大于5的长度/直径比。从而可以无损失地产生非常均匀的磁场，如果该线圈缠绕为正交圆状的，那么就尤其这样。优选地该线圈的绕组直接缠绕在线圈磁芯上，如此使得所需的磁通能够利用以下线圈来产生，该线圈与通常大容积构造的线圈相比具有明显更小的自感并具有明显更小的欧姆电阻，这进一步降低用于产生期望的有用磁场所需的功率消耗。

优选地，形成该磁路装置的结构元件被布置在一个平面中，其中该磁路装置实际没有垂直于该平面来延伸，不考虑当然也垂直于连接元件在其中构造而成的延伸平面来伸展的极元件，从而确实能够产生足够的空间延伸的磁场，以能够在电荷移动的情况下引起在测量技术上可分析的偏转效应。优选地规定，该线圈径向伸入到该磁路装置的环形外轮廓的内部区域中，因此该线圈也位于该磁路装置的主要延伸平面中。通过这种方式可以尤其简单地实现在从线圈到磁路装置的环形外轮廓的过渡区域中存在至少一个90°角，其中该外轮廓通过磁导连接元件形成，这对降低杂散场的构成具有有利的效果。

在根据本发明的磁路装置的一个尤其优选的实施方式中，规定第一磁导连接元件与第一极元件的窄侧相连接，第二磁导连接元件与第一极元件的相对的窄侧相连接，并且该第一连接元件、该第二连接元件以及与这两个连接元件相连接的第一极元件共同形成了环形磁路元件，该环形磁路元件于是限定了该磁路装置的环形外轮廓。该环形磁路元件可以尤其有利地一体地来制造。

如果第一连接元件和第二连接元件的、未与第一极元件相连接的自由端在第一极元件的平面侧之上并远离它地在环形磁路装置中构成环间隙的情况下靠近，那么就获得了一个尤其有利的解决方案。这首先对于该磁路装置安装在为此而设置的磁感应流量测量设备中是有利的，因为这样的话按照第一极元件和两个连接元件的材料强度，连接元件在该环间隙有开口的情况下能够被弯曲并围绕该测量管来放置，如此使得该磁路装置能够实际在该磁感应流量测量设备的任何安装状态下来安装，只要该流量测量设备不是完全由外壳来封闭。如果考虑到磁感应流量测量设备的测量管在极元件的区域中在横截面和周长方面可能与在该测量管的末端和连接件区域中不相同，如此使得通常不能简单地把测量管插入到磁路装置的极元件之间，那么这是尤其有利的。

结合前面所解释的，此外如果线圈、布置在线圈一端的极元件和布置在线圈另一端的耦合元件形成径向磁路元件，并且该耦合元件如此来构造，使得它可以与连接元件的自由端相连接，也即尤其与前述环形磁路元件的连接元件的自由端相连接，那么它被证实是有利的。以这种方式和方法，可容易预装的环形磁路元件和径向磁路元件在安装磁感应流量测量设备时可以通过组合而简单地完成一个完整的磁路装置。通过这种简单的制造方式，可以显著降低使用本发明磁路装置的磁感应流量测量设备的制造成本，如此使得这种磁感应流量测量设备也可以被大众市场感兴趣。

本发明所基于的任务在开头所述的磁感应流量测量设备中通过如下而得到解决，即作为用于实现磁路的磁路装置设置如前所述的磁路装置。根据本发明的磁路装置不仅本身是有利的，而且尤其与磁感应流量测量设备相结合地是有利的，这单单基于如下事实而得出，即这种磁感应流量测量设备由此还能够容易地以小的运行电压并以小的电功率来运行，并因此-比如作为家用水表-还适合作为在单个家庭领域中的大众产品。

如果利用根据本发明的磁路装置来实现磁感应流量测量设备以连接到具有几十毫米标称宽度的导线上，那么比如小于三伏特的运行电压就足够了，如此使得该运行电压可以从市场上常见的电池来获得。因此不需要以相对低的电池电压来产生较高的运行电压，而在已知的磁感应流量测量设备中通常是这种情况，其中采用了几十伏特的运行电压，比如五十伏特。低的运行电压另外还具有的优点是，也可以在线圈上不进行否则所需的绝缘措施-关键词是防爆，因为反正仅需要低的功率并由此需要关联的能量。对此尤其有意义的是，在线圈和电极之间不需要屏蔽。

对于根据本发明的磁路装置或者对于根据本发明的磁感应流量测量设备，另外的优点是线圈的可能小的电阻以及可能小的电感。由此带来以下的可能性，即在运行电压小于三伏特时起振时间也变为小于一毫秒，这再次对于能量消耗是有利的。

附图说明

现在详细阐述对本发明的磁路装置进行构造并改进的多种可能性。为此参见权利要求1的从属权利要求以及结合附图对优选实施例的描述。在附图中：

图1以透视图示出了根据本发明的磁路装置的一个实施例，

图2-4以前视图、俯视图和侧视图示出了图1的实施例，

图5以环形磁路元件形式示出了根据之前附图的磁路装置的一部分，

图6、7以径向磁路元件形式以透视图、侧视图以及俯视图示出了根据图1至4的的磁路装置的另一部分，以及

图8示出了根据本发明的磁路装置的另一实施例。

具体实施方式

在图1中首先以透视图示出了根据本发明的磁路装置1，其考虑用于磁感应流量测量设备并用于实现磁路。该磁场通过具有线圈磁芯2a的线圈2b来产生，其中该磁场还在两个相对的平面极元件3a、3b之间传播，如此使得在相对的平面极元件3a、3b之间所设置的测量管基本垂直于流动方向地被磁场切割，如此使得载流子以测量所需的方式和方法被偏转。另外还设置有磁导连接元件4a、4b，利用所述磁导连接元件来闭合磁路。

未示出的是，线圈2b的线圈磁芯2a的横截面以及磁导连接元件4a、4b的横截面是尽可能小的。由此其意义以及由此其所实现的在上文中已经进行了解释。

为了产生尽可能小的杂散磁场，磁导连接元件4a、4b构造为弧形的，如此使得最终产生的磁路装置1具有环形的外轮廓，并松散地包围平面极元件3a、3b之一-在该情况中为极元件3a。所示的“松散地包围”至少一个极元件3a、3b致使磁路装置1的尽可能少的元件直接相邻地相对，如此使得实际不可避免的杂散场的强度与现有技术中所公开的磁路装置相比而显著降低。因为杂散场的分量是小的，所以用来产生全部磁场的能量的大部分可用于在极元件3a、3b之间的有用磁场。

通过磁导连接元件4a、4b对极元件3a的松散包围可以尤其好地在图2的前视图中来看出。由该前视图同样可以看出，磁路装置1的环形外轮廓的最小直径大致等于极元件3a、3b的相对的平面间距的两倍。这种尺寸连同磁导连接元件4a、4b的弧形构造一起保证了磁路装置1的元件相互之间足够的距离。由图2的前视图还可以看出，磁路装置1的轮廓在由环形外轮廓形成的平面中进行了约90°角度的突然变化，其中该磁路的轮廓还通过径向伸入到该环形外轮廓的内部区域中的线圈2b形成。该线圈2b直接与极元件3a相邻布置，并与该极元件的极平面垂直，如此使得在此同样实现了在该轮廓中以至少90°角度的方向变化。

在附图中所示的磁路装置全部具有线圈2b，所述线圈具有刚刚超过4、但也可以超过5的长度/直径比，并且线圈的绕组为正交圆状缠绕的，如此使得利用相对少的绕组在小电流下就已经能够实现足够的场强。

为了能够超出一定的测量段地产生有效的磁场，平面极元件3a、3b在磁路装置1的环形外轮廓的平面中具有约为该环形外轮廓最大直径一半的纵向延伸。在所示的实施例中，极元件3a、3b扁平地实施，因为所示的磁路装置1考虑应用在测量管中，该测量管的流体管道在磁场切割的范围中扁平地构造，也即位于扁平的极元件3a、3b的区域中。

图5的前视图示出，第一磁导连接元件4a与第一极元件3b的窄侧5a相连接，以及第二磁导连接元件4b与第一极元件3b的相对的窄侧5b相连接。当前该第一连接元件4a、该第二连接元件4b和该第一极元件3b形成了环形磁路元件6，该环形磁路元件限定了磁路装置1的环形外轮廓，其中在此该环形磁路元件6一体地构造。在所示的实施例中，该环形磁路元件6通过金属粉末注塑成型（metal injection molding）来获得。作为材料在此基于的是铁镍合金FeNi 50。

图5同样示出，第一连接元件4a的未与第一极元件3b相连接的自由端7a和第二连接元件4b的未与第一极元件3b相连接的自由端7b在第一极元件3b的平面侧之上并远离它地在形成环间隙8的情况下相靠近。在把该环形磁路元件6实施为足够弹性的情况下，可以在安装时弯曲该磁路元件6，并围绕所产生的磁感应流量测量设备的测量管来引导，于是该磁路元件可以安放在适当的位置上。该环形磁路元件6尤其可以与在图6和7中所示的径向磁路元件9一起来尤其好地被采用。

图6和7中所示的“径向”磁路元件9由线圈2b、在该线圈2b的一端所布置的极元件3a以及在该线圈2b的另一端所布置的耦合元件10来形成。该耦合元件如此来构造，使得它可以与连接元件4a、4b的自由端7a、7b（见图5）相连接。这通过该耦合元件10具有至少一个凹陷11来实现，连接元件4a、4b可以插入所述凹陷中。如果磁路装置1由环形磁路元件6和径向磁路元件9的预制模块来组合而成，那么就可以以尤其简单并且因此还以节省成本的方式和方法来进行最终安装。

对于按照图1至7的实施例，作为特点同样应强调的是，相对于以其它方式已知的磁路的实现仅仅使用了唯一的线圈2b，其中在已知的实现中通常采用两个线圈，每个极元件一个线圈。这表明，利用仅通过一个线圈以所说明的方式产生的磁场也能够获得非常良好的测量结果，这显著有利于在制造时的成本降低以及在运行中功率消耗的降低。

最后在图8中示出了另一实施例，其与按照图1至7的实施例的不同之处在于，在此不是仅使用唯一的线圈2b，而是更确切地说采用了两个线圈2ba和2bb，如此使得磁路装置1基本对称地包围磁感应流量测量设备的未示出的测量管。但该变化方案所不具有的优点是仅采用唯一的线圈2b，因此它不能如在图1至7中所示的磁路装置1的变化方案那样成本有利地来制造。

图1至7中所示的磁路装置尤其考虑与磁感应流量测量设备一起使用，以连接到具有几十毫米的标称直径的导线上，正如比如在家用安装的情况中那样。平面极元件3a、3b相互间隔约十二毫米，并且连接元件4a、4b构造为杆状并具有约1.7毫米的直径，因此在常规情况下它们是非常有弹性的，如此使得连接元件4a、4b能够没有问题地被弯曲，只要在自由端上设置有间隙8。磁路装置1的环形外轮廓的最小直径在此测量约为二十毫米，并且极元件3a、3b的相对的平面具有约170mm²的大小，其中所述平面的基本形状为方形。线圈2b具有约十毫米的长度，长度/直径比约大于4，也可能约大于5，其中线圈绕组具有约5Ω的欧姆电阻。以这些边界条件利用小于100mV的线圈电压就已经可以产生为流量测量产生足够的磁场的电流。

常规的具有显著更高杂散损失的磁感应流量测量设备必须利用明显更高的电压来工作，以能够产生足够的电流强度。所述的磁路元件1致使能够实现如下的磁感应流量测量计，其比如能够用于家用领域中的流量测量，由电池运行，并且在约每秒一次的测量频率下具有直至20年的使用寿命。 

Claims (13)

1.一种用于实现磁感应流量测量设备的磁路的磁路装置，具有产生磁场的至少一个线圈（2b）、具有至少两个相对的平面极元件（3a,3b），在所述平面极元件之间在已安装的状态下具有该磁感应流量测量设备的测量管，并具有至少一个磁导连接元件（4a,4b）以用于磁路的磁闭合，

其特征在于，

线圈（2b）的线圈磁芯（2a）的横截面或/和一个或多个磁导连接元件（4a,4b）的横截面尽可能小。

2.根据权利要求1所述的磁路装置，其特征在于，磁导连接元件（4a,4b）构造为弧形的，如此使得最终产生的磁路装置（1）具有环形的外轮廓并松散地包围至少一个平面极元件（3a,3b）。

3.根据权利要求1或2所述的磁路装置，其特征在于，该磁路装置（1）的环形外轮廓的最小直径具有相对的平面极元件（3a,3b）间距的至少1.5倍，优选为所述间距的至少两倍。

4.根据权利要求1至3之一所述的磁路装置，其特征在于，该磁路装置（1）的轮廓在由环形外轮廓所形成的平面中进行了至少90°角度的方向变化。

5.根据权利要求1至4之一所述的磁路装置，其特征在于，线圈（2b）作为圆柱线圈来构造，尤其具有大于4、优选大于5的长度/直径比。

6.根据权利要求1至5之一所述的磁路装置，其特征在于，线圈（2b）直接与极元件之一（3a）相邻地来布置，并垂直于该极元件的极平面。

7.根据权利要求1至6之一所述的磁路装置，其特征在于，线圈（2b）径向伸入到该磁路装置（1）的环形外轮廓的内部区域中。

8.根据权利要求1至7之一所述的磁路装置，其特征在于，平面极元件（3a,3b）在该磁路装置（1）的环形外轮廓的平面中具有该环形外轮廓最大直径的40%至60%的纵向延伸，优选为50%。

9.根据权利要求1至8之一所述的磁路装置，其特征在于，极元件（3a,3b）的相对的表面构造为平面的，并尤其相互平行地延伸。

10.根据权利要求1至9之一所述的磁路装置，其特征在于，第一磁导连接元件（4a）与第一极元件（3b）的窄侧（5a）相连接，第二磁导连接元件（4b）与第一极元件（3b）的相对的窄侧（5b）相连接，并且该第一连接元件（4a）、该第二连接元件（4b）和该第一极元件（3b）形成限定该磁路装置（1）的环形外轮廓的环形磁路元件（6）。

11.根据权利要求1至10之一、尤其权利要求10所述的磁路装置，其特征在于，线圈（2）、在该线圈（2）的一端布置的极元件（3a）和在该线圈（2）的另一端布置的耦合元件（10）形成径向磁路元件（9），并且该耦合元件（10）如此来构造，使得该耦合元件（10）能与连接元件（4a,4b）的自由端（7a,7b）相连接，尤其与所述环形磁路元件（6）的连接元件（4a,4b）的自由端（7a,7b）相连接。

12.根据权利要求1至11之一所述的磁路装置，其特征在于，平面极元件（3a,3b）相互间隔10mm至14mm，尤其相互间隔11mm至13mm，和/或连接元件（4a,4b）构造为杆状，具有1.5mm至2.5mm的直径，和/或该磁路装置（1）的环形外轮廓的最小直径测量在15mm和25mm之间，尤其是20mm，和/或极元件（3a,3b）的相对的平面具有在100mm²和300mm²之间的大小，尤其约为170mm²的大小，和/或线圈（2）具有8mm至12mm的长度，尤其是10mm的长度，和/或该线圈（2）的线圈绕组具有不大于12Ω的欧姆电阻，优选约5Ω的欧姆电阻。

13.一种磁感应流量测量设备，具有至少一个测量管，具有用于实现磁路的至少一个磁路装置（1），并具有用于检测测量电压的至少两个电极，其中该磁路装置（1）具有产生磁场的至少一个线圈（2）、至少两个相对的平面极元件（3a,3b）以及用于磁路的磁闭合的至少一个磁导连接元件（4a,4b），所述测量管设置在所述平面极元件之间，

其特征在于，

磁路装置（1）根据权利要求1至12之一的特征部分构造。

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