CN103140742B - 电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流量计，该流量计包括：磁体；基本非磁性的导管，该导管适于输送在所述导管中流动的导电流体，所述导管布置成紧邻所述磁体；和传感器，所述传感器用于感测当所述流体在所述导管中流动时由所述磁体产生的磁力线的变形。所述磁体和所述传感器两者都无需与运送导电流体的导管物理接触。

Description

电磁流量计

优先权申明

本申请要求2010年8月3日提交的标题为“Electromagnetic Flow Meter（电磁流量计）”的美国专利商标局临时专利申请序号61/370,407的权益，该申请通过引用全文并入。

技术领域

本发明涉及流量计，更具体地涉及一种能够测量在诸如管子或槽（trough）之类的导管中流动的高温、腐蚀性、导电流体的流量的电磁流量计。

背景技术

测量导管中的材料的流率是许多工业过程中的一项重要活动。本文公开的发明是金属铸造行业内的工作结果。在该行业中，各公司使用熔化的镁、铝、其它金属和金属合金来铸造零件。各公司很久以来就在寻求一种可靠的流量计，使得他们了解将多少材料和以何速率充填模具。众所周知，如果不能测量某物，则无法管理它。测量允许例如通过以不同充填速率进行实验并查看哪一种充填速率引起较好的铸造来闭合质量控制环。除非管理者可以测量系统中的材料流率，否则不可能进行这种管理。

在高腐蚀性或处于高温的熔融金属的情形中，还没有很好的流量计。以前，试图测量管道中的熔融金属的流量的技术人员会使用线状环形感应流量计或电磁流量计，其中电极需要与移动的材料接触。此类电极将需要与导管或管子绝缘，这提出了材料选择和可制造性的问题，同时需要电极自身能够经受和耐受与流动材料的长期接触。所需的是一种不要求测量装置与被测材料之间的物理接触的流量计。本发明解决了这些需求。

存在其它流量计。一些流量计使用叶轮并对叶轮的速度或转数进行计量，但这种系统在金属熔化或淤塞叶轮的情况下不起作用。还存在基于声纳的系统，但这种系统对于将腐蚀转换器的材料不会工作。存在多普勒流量计，但这种流量计仅在流中存在杂质的情况下才会工作。

一种电磁流量计基于法拉第定律操作。对于电磁流量计而言，需要导电流体和发射磁力的物体。磁力驱使流中的带电粒子分离成带正电荷的粒子和带负电荷的粒子。导管中的导电流体流经磁场将感生出电流。因此通过下式给出由于导电液体以速率v移动而在磁场B中产生的感应电压ε：

ε=Βlν，

其中l是电磁流量计中的电极之间的距离。

在一种典型的电磁流量计中，导管在测量管的任一侧装配有励磁线圈。两个电极与励磁线圈成直角装配在测量管中。非极性绝缘套常常装配在测量管中，以避免电荷传送到输送流体的金属管。励磁线圈施加垂直于流动方向横过测量管的磁力。在静止时，导电流体中带正电荷和带负电荷的粒子遍及流体均匀地分布。当流体开始移动通过测量管时，带正电荷和带负电荷的粒子被分离出来并靠近电极之一。形成了通过两个电极检测和测量的电压。该电压与速率成正比，并且连同已知的测量管直径一起，可以计算出流率。为了消除干扰电压，励磁线圈的极性以规则间隔交替。在一些情形中，以其它方式处理所收集的数据以消除信号噪声。传统电磁流量计存在许多问题，包括励磁线圈的成本、用于替代线圈的设备、有时采用的励磁机、用于从所收集的数据清除“噪声”的设备。还存在与某物将由于所采用的部件而破裂的概率增加相关的可靠性问题。技术人员可以在许多已发布的专利中发现该流量测量方法的方面。

发明人了解到流量计领域中的以下专利和公报：

1.专利号6505517、7343817、6505517、5544532、6611770、7503227、5578763、5551306、6865956、7421908、7509852、7654318、7124645，和

2.专利公报2002/0189337、2008/0296208、2005/0109120、2002/0190444。

发明内容

本发明的核心在于发现：由于可以通过监测导电流体感生的电流所产生的磁力线的变形来推导该导电流体的流率，因此不需要测量感应电流。由于发明人不是测量感应电流而是测量该电流的作用，因此发明人不需要电极与导电流体直接接触。本发明通过测量导体在磁场内的移动所产生的该磁场中的变形量而工作。其作用与某些电动机和发电机中所谓的“电枢反应”相似。相反，发明人需要具备磁力线的发射器和能够测量这些磁力线的变形的传感器。然后，发明人将传感器夹置在适于运送导电流体的导管与磁力线的发射器之间。在导电流体正在导管中流动的情况下，该流动感生出电流，该电流使磁力线变形并且传感器读取该变形。读取精度取决于保持传感器尽可能接近导电流体并提供充分的磁力以使得传感器可以从操作环境中的其它磁力源识别出磁体的磁力。流量计位于管子的外侧。经过管子的材料可以具有任何腐蚀水平，并且它不会影响流量计。

在优选实施例中，发明人使用直径为六英寸以下的导管（例如管子）、两个稀土磁体（导管的每侧各一个）、和装配有两个霍尔效应传感器的电路板。带有传感器的电路板安装成接近导管使得传感器不会被热毁损。电路板安装有平行于导管轴线的传感器。通过安装散热片和/或冷却风扇的组合，并且将传感器包装在微多孔绝缘体中，可以将传感器温度保持在操作容限内。导管典型地是一种管子。该管子典型地由适合于将导电流体置于管子中的基本非磁性的材料制成。除非导电流体的温度成问题，否则将使用300系列不锈钢管。在导电流体为熔融铝的情况下，管子需要由陶瓷构成以经受熔融铝的温度和腐蚀性质。在要在高压力（例如700p.s.i）下泵送流体的情况下，管子应该由钽构成。在优选实施例中，导管的直径为六英寸以下，这是因为发明人发现，如果超过该直径，则导管远侧的磁体对通过霍尔效应传感器所监测到的变形的质量贡献很小。发明人使用线性霍尔效应传感器。发明人选择设置两个霍尔效应传感器以提高监测的精度。在优选实施例中，来自电路板上的前后霍尔效应传感器的数据允许发明人更好地计算任何感应电流所引起的变形。当安置就位时，相对于霍尔效应传感器和导管沿导管的轴线调节条形磁体，使得当导电流体静止时通过前、后传感器监测到的变形的差别为零。换言之，发明人试图将磁体定位成使得（通过霍尔传感器α监测到的变形）-（通过霍尔传感器β监测到的变形）=0。发明人典型地需要使磁体向前或向后移动小于1/8英寸以实现零位置。在此为范例：

其中“n”是条形磁体的北极且“s”是条形磁体的南极。磁体可以完全等效地安置成北极在下且南极在上。如果使用一个磁体在导管上方且一个磁体在导管下方的双磁体系统，则极点需要对准，使得如果一个磁体的北极朝向导管，则另一个磁体的南极朝向磁体，或反之亦然。在此为范例：

霍尔效应传感器在+/-600高斯的范围内是准确的。在优选实施例中，发明人将使用两个500高斯条形磁体。在优选实施例中，导管是直的且直径减小以使得存在传感器被安置成进一步减小两个条形磁体之间的距离的平坦区域。在导管中的流体处于高压下的情况下，导管在测量点未被平整化，这是因为流体的压力导致导管向外弯曲而破坏平整计划。在熔融铝的情况下，导管将是陶瓷的且导管由于难以模制平整导管而不会被平整化。在优选实施例中，流量计的结构，除导管将必须基于要处于导管中的导电流体来选择外，将由低碳钢制成。当流体的流动方向逆转时，流量计以相反的极性运行。

在一替代实施例中，磁场的变换也可借助磁体结构上的力或位移转换器来测量，其结果相似。

磁场的变形通过以下因素实现：（1）导管中的导电流体的组分，（2）导管的直径，（3）在导管中流动的导电流体的温度，（4）导电流体的流率，（5）导电流体的导电率，和（6）磁场的强度。

本发明中的电磁流量计典型地通过使用另一类型的流量计如Vortex-Shedding流量计并对导电流体的类型、导电流体的温度和所感测到的磁力线的变形进行监测来标定。流量计于是装配有将所监测的变形与通过其它流量计测定的流率相关联的显示和计量装置。在标定所公开的用于供铝或镁使用的流量计时，必须改变方法，这是因为不存在很多能耐受这种高温应用的其它流量计。适当的标定应该通过使高温导电流体以固定速率流动固定时间、称量所输送的金属以及除以每秒达到该流量的时间量并且将该结果与本发明的达到流量系数的输出相关联以便产生与合适的工程单位例如升/分相关联和成比例（scale）的输出信号来实现。

在优选实施例中，磁力线由稀土磁体或电磁体提供，不过优选稀土磁体，这是因为它们在更紧凑的情况下产生所需的磁力线。通常使用的两种稀土金属为钕铁硼（Nd₂Fe₁₄B）磁体和钐-钴（SmCo₅或SmCo₁₇）磁体。钕铁硼磁体的有效温度高达200摄氏度。钐-钴磁体的有效温度高达350摄氏度。该磁体应该被选择成使得磁体的温度被保持在有效极限以下。如果稀土磁体变得过热，则其永久失去其磁性。特定类型的稀土磁体失去其磁性的该温度称为“居里温度”。在优选实施例中，条形磁体可以是立方体或平面直角的。在优选实施例中，磁体被设定为平行于导管，不过甚至可使用圆形磁体。可使用线圈来产生所需的磁场。

除了流动的导电流体与霍尔效应传感器之间可能需要更多空间以便保持传感器足够冷之外，当铝为导电流体时流量计的设置与任何其它媒介并无不同。铝的温度可以是800摄氏度。霍尔效应传感器的温度不应该超过150摄氏度。通过在运送高温导电流体的导管与霍尔效应传感器和磁体之间使用非常好的隔热材料，可以保持霍尔效应传感器和磁体的温度完全在它们的安全操作温度范围内。比霍尔效应传感器更加远离导电流体的磁体暴露于比霍尔效应传感器低的温度。

流动管无需是直的，其可以是弯曲的，但这种弯曲将降低流量计的灵敏度，不过其可以证实在某些应用中有用。流动管无需具有均匀的尺寸。大部分流量计要求管子的直段在上游等于10倍管子直径且在下游等于4倍管子直径，以便使测量点处的流中的紊流最小化。这种经验法则应用于本发明至今是未知的，但容易引起怀疑，这是因为本发明不必将传感器置于流动管、导管或测量管中的流动材料的路径中。

磁力线趋于在磁体的端部处集中，并且这些磁力线垂直于磁体的表面离开该表面。从磁体的给定极点发射的磁力线趋于彼此排斥，这是因为它们具有相同的极性，这使它们的表现与拉伸的橡胶带有些相似。在不存在其它力的情况下，来自磁体的磁力线从条形磁体的每一端对称地在它们的弯曲几何形状中发射。

在优选实施例中，导电流体导管大致垂直于磁力线。当导电流体流动时，在流体中感生出电流，并且该感应磁场产生其自身的磁场，该磁场使由磁体（磁场产生装置）产生的磁场变形。霍尔效应传感器安装成邻近条形磁体的端部，这是因为发明人发现，磁力线围绕磁体端部的自然弯曲引起对这些磁力线的变形的改善的读取。

在优选实施例中，伴热器（trace heater）被缠绕在导管周围，使得导管可在导电流体被导入流量计之前被预热。使用热电偶控制该伴热器。用于热电偶的连接部位于流量计的背面上。在优选实施例中，安装有霍尔效应传感器的电路板还装配有电压调节器，该电压调节器用于从任何控制系统接收24伏电压并降压，并且向霍尔效应传感器供应恒定5伏电压。

附图说明

图1是电磁流量计的俯视图，显示了金属入口部、壳体和金属排出部；

图2是带盖的电磁流量计的正视图；

图3是带盖的电磁流量计的右侧视图；

图4是带盖的电磁流量计的透视图；

图5是不带盖的电磁流量计的透视图；

图6是带盖的电磁流量计的底视图；

图7是不带盖的电磁流量计的俯视图；

图8是不带盖的电磁流量计的正视图；

图9是不带盖的电磁流量计的透视图；

图10是不带盖的电磁流量计的右侧视图；

图11是不带盖的从后透视图示出的电磁流量计的示意图；

图12是不带盖的从前透视图示出的电磁流量计的示意图；

图12a从透视图显示了上、下磁体组件的示意图；

图13是材料在电磁流量计中移动通过的管子或导管的正视图；

图14是材料在电磁流量计中移动通过的管子或导管的俯视图；

图15是材料在电磁流量计中移动通过的管子或导管的透视图；

图16是材料在电磁流量计中移动通过的管子或导管的端视图；

图17是霍尔效应传感器电路板的端视图；

图18是霍尔效应传感器电路板的顶视图；

图19是霍尔效应传感器电路板的侧视图；

图20是霍尔效应传感器电路板的底视图；

图21是导管、磁体和霍尔效应传感器电路板的等轴测图；

图22是管子的俯视图，显示了管子的平整部分，在管子的该平整部分上带有磁体；

图23是带有平整段和设置在平整段上方和下方的磁体并在下部磁体与管子的平整段和可选的上部磁体之间带有霍尔效应传感器的管子的正视图；

图24是管子、磁体和霍尔效应传感器的透视图；

图25是显示了管子、管子的平整段、管子上方和下方的磁体以及安装在下部磁体与管子的平整段之间的霍尔效应传感器的剖视图；

图26是管子和管子的平整段的俯视图；

图27是管子和管子的平整段的正视图；

图27a是图27中的管子的端视图，显示了平整段50的向外张开；

图28是管子和管子的平整段的透视图；

图29是用于非接触式磁流量计的安装框架（壳体）的俯视图；

图30是用于非接触式磁流量计的安装框架（壳体）的正视图；

图31是用于非接触式磁流量计的安装框架（壳体）的透视图；

图32是用于非接触式磁流量计的安装框架（壳体）的右侧视图。

具体实施方式

从外部壳体细节到显示了零件细节的分解示意图，附图详细示出了电磁流量计的完整组件。

图1至4显示了电磁流量计的外部。外罩39覆盖除进入流量计和离开流量计的管子或导管1a、1b外的电磁流量计。导电流体将经管子或导管1a进入电磁流量计。导电流体将经同一管子或导管1b离开电磁流量计。在图5至10中，外罩39被移除，从而揭露电磁流量计的内部。

图11、12和12A是电磁流量计的分解示意图，精确地显示了如何装配优选实施例。图29至32示出了电磁流量计的安装框架120和安装框架支承结构240的优选实施例的未分解视图。第一磁体安装基板13a使用螺栓5栓接到安装基板10上。第一磁体2b被置于第一磁体安装基板13a上。第一磁体盖7b使用螺栓8被固定在第一磁体2b上。调节垫片34被固定在第一磁体盖7b上。下部传感器盖被固定在调节垫片34上。传感器电路板组件18装配有第一霍尔效应传感器70、第二霍尔效应传感器80和电压调节器90。传感器电路板组件布置在被传感器上盖14覆盖的传感器下盖11中。传感器下盖11和传感器上盖14被保持在一起并使用紧固件40栓接在调节垫片34上，使得用于霍尔效应传感器和电压调节器的控制电缆可以穿过设置在传感器下盖11中的通道延伸。横跨件（crossover）9附接在传感器下盖11上。右和左管子支承焊件3a、3b被栓接在横跨件9上。管子或导管1由右和左下部管夹4a、4b利用螺栓6夹紧在右和左管子支承焊件3a、3b中。管子1具有平整段50。管子1通过右和左下部管夹4a、4b座置在右和左管子支承焊件3a、3b中，使得管子1的平整段50取向成位于第一磁体2b上方并与其平行。第二磁体盖7a装配有第二磁体2a并使用紧固件8栓接在第二磁体安装基板13b上。第二磁体安装基板13b利用螺栓16紧固在横跨件9上。在正确装配的情况下，第一磁体2a和第二磁体2b安装成具有相同的极性（北极或南极），使得两磁体以北极在上或北极在下的方式座置且霍尔效应传感器70、80与管子1的轴线对齐地座置，其中霍尔效应传感器70位于第一磁体2b的前缘上方且霍尔效应传感器80位于第一磁体2b的后缘上方，两传感器都位于管子1的平整段50下方。

图13至16提供了具有平整区域50的管子1的另外的视图。

图17至20提供了带有霍尔效应传感器70和80的电路板组件18的特写图。还示出了利用螺钉96和螺母95紧固在电路板组件18上的电压调节器90。

图21至27a显示了管子1的视图，示出了第一磁体2b、电路板组件18、紧邻管子1的平整段50的霍尔效应传感器70和80、以及位于管子1的平整段50上方的第二磁体2a的优选实施例中的构型。

此公开文本中所记载的实施例仅为示范性的。在不脱离本发明的前提下，可对本说明书中公开的具体实施例做出许多变更。因此，本发明的范围应通过以下权利要求确定，而不受限于具体描述的实施例。

Claims (20)

1.一种流量计，包括：

磁体，

基本非磁性的导管，所述导管适于输送在所述导管中流动的导电流体，所述导管布置成紧邻所述磁体，

传感器，所述传感器用于感测当所述流体在所述导管中流动时由所述磁体产生的磁力线的变形，和

显示和计量装置，所述显示和计量装置根据在标定过程中确定的所述变形与所述流体的流率之间的关联性来显示与所感测到的变形相对应的流率。

2.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述导管未与所述磁体物理接触。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的流量计，其中，所述磁体是稀土磁体。

4.根据权利要求3所述的流量计，其中，所述稀土磁体选自以下类型的稀土磁体中的任何磁体：钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)磁体，钐-钴(SmCo₅)磁体，或钐-钴(SmCo₁₇)磁体。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的流量计，其中，所述导管是选自以下材料中的任何材料的管子：300系列不锈钢，陶瓷，或钽。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的流量计，其中，所述传感器是线性霍尔效应传感器。

7.根据权利要求6所述的流量计，其中：

所述霍尔效应传感器被固定在所述导管与所述磁体之间，

所述磁体在被使用固定装置紧邻所述导管固定时具有前缘和后缘，

所述霍尔效应传感器被使用保持装置固定，使得所述霍尔效应传感器被夹置在所述磁体的所述前缘与所述导管之间或者所述磁体的所述后缘与所述导管之间。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的流量计，其中：

所述磁体是使用第一附接装置紧邻所述导管固定的第一磁体，所述第一磁体具有朝向或离开所述导管取向的北极，

所述流量计还包括在所述导管的与所述第一磁体相反的一侧使用第二附接装置紧邻所述导管固定的第二磁体，所述第二磁体的北极沿与所述第一磁体相同的方向取向。

9.根据权利要求8所述的流量计，其中，所述传感器包括两个线性霍尔效应传感器，所述流量计还包括：

电路板，所述两个线性霍尔效应传感器附接到所述电路板上；和

电压调节器，所述电压调节器使用固定装置附接到所述电路板上并连线成向所述线性霍尔效应传感器提供5伏电压，

所述电路板使用保持装置紧邻所述导管被保持在所述第一磁体与所述导管之间。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的流量计，其中，所述传感器是第一线性霍尔效应传感器，所述流量计还包括第二线性霍尔效应传感器。

11.根据权利要求10所述的流量计，其中：

所述第一和第二线性霍尔效应传感器安装在电路板上。

12.根据权利要求11所述的流量计，其中：

所述第一和第二线性霍尔效应传感器安装在所述电路板的相对端部上。

13.根据权利要求6所述的流量计，其中：

所述线性霍尔效应传感器使用控制电缆与电压调节器连线成向所述线性霍尔效应传感器提供恒定5伏电压。

14.根据权利要求5所述的流量计，其中：

所述管子具有平整区域，所述磁体和所述传感器紧邻所述平整区域被固定，使得所述传感器能检测所述磁体和由所述磁体发射的磁力线。

15.根据权利要求6所述的流量计，所述流量计还包括：

散热片，

其中，所述线性霍尔效应传感器使用附接装置附接到所述散热片上。

16.根据权利要求6所述的流量计，所述流量计还包括：

微多孔绝缘体包装件，

其中，所述线性霍尔效应传感器被包装在所述微多孔绝缘体包装件的内部。

17.根据权利要求6所述的流量计，所述流量计还包括：

冷却风扇，

其中，所述线性霍尔效应传感器使用附接装置与所述冷却风扇附接。

18.根据权利要求3所述的流量计，所述流量计还包括：

微多孔绝缘体包装件，

其中，所述稀土磁体被包装在所述微多孔绝缘体包装件中，以阻止所述稀土磁体升温至其居里温度。

19.一种用于测量在导管中流动的导电流体的流率的方法，所述方法包括：

将发射磁场的磁体布置成以紧邻所述导电流体但不与所述导电流体接触的方式与所述导管邻近；

提供传感器，所述传感器用于感测当所述流体在所述导管中流动时由所述磁体产生的磁力线的变形；

使所述传感器感测磁力线的所述变形；以及

根据在标定过程中确定的所述变形与所述流体的流率之间的关联性来显示与所感测到的变形相对应的流率。

20.一种流量计，所述流量计具有：基本非磁性的导管，所述导管适于输送在所述导管中流动的导电流体，当所述流体在所述导管中流动时在所述导管中感生出电流；磁体，所述磁体用于发射基本垂直于所述流体的流的磁力线；和传感器，所述传感器适于感测由所述电流产生的所述磁力线的变形，改进之处包括将所述传感器夹置在所述流体与所述磁体之间，所述磁体相对于所述传感器定位成使得所述传感器能感测所述磁力线的所述变形，所述传感器和所述磁体位于紧邻所述流体的位置，但所述传感器和所述磁体二者都不必与所述流体物理接触，所述流量计还包括显示和计量装置，所述显示和计量装置根据在标定过程中确定的所述变形与所述流体的流率之间的关联性来显示与所感测到的变形相对应的流率。