CN103364037B - 磁感应式流量测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁感应式流量测量仪，具体而言，描述和示出了一种用于测量流动的介质(2)的流量的磁感应式流量测量仪(1)，带有测量管道(3)、磁场发生装置(4)以及用于拾取在流动的介质(2)中感应的测量电压的两个电极(6)。本发明的目的在于提供一种流量测量仪，对于该流量测量仪，以尽可能简单的方式实现测量管道的填充程度的测量且尤其尽可能同时与流量的测量一起进行。对于所述的流量测量仪如此解决该目的，即设置有附加磁场发生装置(7)以用于产生至少部分地贯穿测量管道(3)的附加磁场，其中，该附加磁场至少部分地平行于测量管道(3)的纵轴线(5)在测量管道(3)的两个电极(6)位于其中的区域中伸延。

Description

磁感应式流量测量仪

技术领域

本发明涉及一种用于测量流动的介质的流量的磁感应式流量测量仪，其带有：测量管道；磁场发生装置，以用于产生至少部分地基本上垂直于测量管道的纵轴线贯穿测量管道的磁场，尤其交变的磁场；尤其接触介质的至少两个电极，以用于拾取(Abgreifen)在流动的介质中感应的测量电压。

背景技术

用于测量流动的介质的流量的磁感应式流量测量仪的基本原理溯源于法拉第，他在1832年就已经提出应用电动感应的原理来测量流动的介质的流动速度。根据法拉第感应定律，在携带载流子和流过磁场的流动的介质中产生垂直于流动方向且垂直于磁场的电场强度。在磁感应式流量测量仪中如此利用法拉第感应定律，即借助于通常具有两个被通电(bestromt)的电磁线圈的磁场发生装置来产生磁场并且磁场的至少一部分被引导通过测量管道，其中，所产生的磁场具有至少一个垂直于流动方向伸延的分量。在磁场内，流动介质的运动通过磁场并且具有一定数量的载流子的每个体积元(Volumenelement)利用在该体积元内产生的场强对可经由电极拾取的测量电压作出贡献。

为了确定可传导电的介质的流量需要利用该介质来完全充满测量管道，或者当未提供完全填充时，至少已知充满的程度，从而可适当地修正测量值。例如在专利文献DE19637716C1中讨论了这样的修正值和确定该修正值。测量管道的充满的程度可根据专利文献DE19655107C2例如以电容方式来确定。在此，电极和作为电介质的介质形成电容器，测量该电容器的电容。根据实用新型文献DE202004009798U1，通过渡越时间法(Laufzeitvefahren)来确定测量导体中的液体的填充状态。同样对于部分填充的测量管道，根据公开文献DE102009045274A1来如此实现测量，即布置在测量管道之上的电极具有可传导电的突起部(Fortsatz)，该突起部位于测量管道内并且在测量运行中与介质相关联。公开文献DE2856240描述了流量和填充度的交替的测量，为此一会儿产生恒定的磁场，一会儿产生交变的磁场。

已知在现有技术中组合部分地不同的测量原理以便获得关于填充状态和流量的结果(Aussage)。有时也获得关于不同的时间点的流量和填充状态的值。因此，本发明的目的在于提出一种开头以其基本的结构来描述的磁感应式流量测量仪，在其中以尽可能简单的方式实现测量管道的填充的程度的测量且尤其尽可能与流量的测量一起同时进行。

发明内容

根据本发明构造的磁感应式流量测量仪的特征首先并且基本上在于设置有尤其布置在测量管道外部的至少一个附加磁场发生装置以用于产生至少部分地贯穿测量管道的尤其交变的附加磁场。该附加磁场至少部分地基本上平行于测量管道的纵轴线在测量管道的两个电极位于其中的区域中延伸。

在例如由纤维加强的聚合物或者没有磁性的金属制成的测量管道中产生对有电传导能力的介质起作用的两个磁场。这首先是这样的磁场，即其用于本来的流量测量且不但垂直于纵轴线且因此通常也垂直于介质的流动方向伸延，而且垂直于电极之间的假想的连接轴线延伸。因此该磁场负责可由两个电极拾取的感应电压。

此外伴随有平行于纵轴线伸延的附加磁场。该附加磁场因此垂直于最初提到的磁场并且垂直于两个电极位于其中的平面，并且该附加磁场用于确定测量管道利用介质填充的程度。优选地，该附加磁场在此在两个电极之间的测量平面上是均匀的。由于该附加磁场而得到并且出现(anliegen)在两个电极处的电压在此取决于介质更确切地说取决于介质的量，介质由附加磁场贯穿。因此电压或可由两个电极拾取的电压信号的电压分量是用于介质的填充状态的度量。

在一种设计方案中，由电极来拾取尤其呈电压信号的形式的信号，其总体上由两个磁场的效果的叠加产生。因此得到这样的优点，即将同时测量流量和填充程度，从而也可适当地修正流量的测量值。为了更容易地从信号中提取出关于流量和填充状态(下面将填充状态一般理解成测量管道通过介质来填充的程度的量度)的两种信息，在一种有利的设计方案中尤其设置成磁场发生装置产生以第一频率交变的磁场而附加磁场发生装置产生以第二频率交变的附加磁场。在此，第一频率和第二频率是不同的。如果第一频率大多处于1Hz与100Hz之间，那么用于附加磁场的第二频率例如处于100Hz和10kHz之间。接着有利地以频率选择方式(frequenzselektiv)(例如通过整个信号的频率过滤)进行测量信号的评估。

在另一种设计方案中，相应设计为交变场的磁场或附加磁场的频率曲线(Frequenzverlauf)具有不同的形状。因此在一种设计方案中，附加磁场利用交变电流或者利用以线性的方式改变频率(例如带有锯齿形变化)的信号来产生。在此磁场可具有另外的或者一致的频率曲线。通过明显不同的频率可更好地分开信号。在另一种备选的设计方案中或者例如为了校准的目的还可通过相应地操控磁场发生装置或者附加磁场发生装置来彼此分开地执行两个测量。附加磁场发生装置与测量管道的如有可能金属的壁尤其电隔绝，且为此例如布置在测量管道外部或者在衬里中。

紧接着的设计方案涉及电极的有利的设计。在一种设计方案中设置成尤其设计成基本上相同的两个电极基本上为条状。为了尽可能良好地确定填充状态，包围测量管道的尽可能大的周缘可为有利的。因此提供以其纵轴线沿周缘取向的条状的电极。在此两个电极沿着测量管道的纵轴线基本上彼此相对而置地处在一个高度上。在一种设计方案中，至少一个条状电极围绕测量管道的内周缘的几乎一半延伸。条状电极的优点在于与点式电极相比其“更深地”穿入到介质中并且因此更少地受在测量管道内壁附近的局部干扰的影响。此外，对在介质表面上的泡沫形成的敏感性减小。并且最终降低了对介质的流量剖面(Flussprofil)中的干扰的依赖性。

上述的设计方案基本上涉及磁感应式流量测量仪的部分已知的设计方案。在此，两个电极可设计成不同的或者也可设计成相同的。通过改变电极的形状，结合附加磁场还可引起附加磁场在由电极限制的测量平面的区域中尽可能是均匀的。此外，电极可接触介质或者与介质无接触。在一种附加的设计方案中设置有两个以上的电极。后面的设计方案主要涉及还将利用测量组件来确定介质的填充状态。

有利地，对于下面的设计方案尤其设置有条状的电极。然而在此一般还可使用其他的电极形状或者不同的电极还可彼此组合。所关心的感应电压和由于电荷分离在介质内产生的电压原则上可由电极的任意的位置来拾取。

在一种设计方案中，尤其条状的两个电极各具有两个端侧，其中，在例如沿着测量管道的周缘线布置电极时一个电极的端侧相应与另一个电极的端侧相邻，即总共有两对电极的相邻的端侧。如果将条状电极安装在测量管道的侧边上，那么在基本上水平地支承测量管道时一对端侧相对于流动的介质位于下面而另一对位于上面或者在重力的作用方向上彼此错开。已经令人惊人地证实，在电极的相邻的端侧附近拾取两个电极的电势可是有利的。尤其还可由任一对相邻的电极端侧来拾取电压测量信号，其中，根据设计方案单独或者组合地来评估测量信号。在一种设计方案中将两个信号相加而在另一种设计方案中形成平均值。通过不同的信号拾取例如可避免在不同的填充状态下的校准或者通过分别拾取电压信号可提高测量的精度。在一种备选的设计方案中，在电极除了端侧以外的另外的区域中进行信号拾取。在一种附加的设计方案中，尤其为了测量填充状态而在测量管道外部将两个电极在端侧处彼此进行短路连接。

在一种与上述的设计方案相结合的设计方案中设置有至少一个评估装置，其以频率选择的方式来评估由两个电极拾取的至少一个测量信号。如上面在一种设计方案中所描述的那样，磁场和附加磁场的频率彼此不同。因此该频率差别在评估中用于使通过相应的场产生的感应电压彼此分开。因此在该设计方案中评估装置以频率选择的方式评估由电极拾取的至少一个测量信号。在一种设计方案中，相应设计的评估装置至少从至少一个测量信号中借助于修正因子和/或借助于校准数据来确定介质的填充状态。修正因子在此尤其取决于流量测量仪在两个电极的区域中的几何结构。对于几何结构来说重要的变量例如为在由电极展开的测量平面的区域中的测量管道的侧壁的形状、电极的形状和布置或者两个电极之间的附加磁场的性质。此外，修正因子还可取决于介质的特性。在一种专门的设计方案中，评估装置如此设计，即该评估装置至少从至少一个测量信号中确定有效的填充状态值，并且由此通过与数值2相乘来确定介质的填充状态。在该设计方案中，评估装置从测量信号的评估中来确定填充状态值，其相应于实际的填充状态的一半。在一种变型方案中尤其与最后提到的设计方案如此相结合，即测量管道在两个电极的区域中具有圆形的横截面，电极设计成条状并且在侧面彼此对称地安装在测量管道上-例如在内侧上。

一种变型方案涉及尤其在上述的设计方案的范围中两个电极的设计和布置，其设置成相邻的端侧相对于测量管道的周缘彼此隔开，其中，在相邻的端侧之间的间隔最大等于45°角-从测量管道的中点测量。

在一种变型方案中，附加磁场发生装置具有至少两个线圈。在此，沿着测量管道的纵轴线一个线圈布置在两个电极之前而另一个线圈布置在两个电极之后。在一种设计方案中，两个线圈基本上设计成相同的，且在另一种改型方案中由相等的电流流过。在此在一种设计方案中两个线圈之间的间隔小于测量管道的直径的四分之一，其中，该设计方案不一定针对呈圆形的横截面的测量管道，从而直径应理解为在测量管道的彼此相对而置的区段之间的平均的间隔。

附图说明

具体而言存在设计和改进根据本发明的流量测量仪的多种可能性。对此，一方面参照从属于权利要求1的从属权利要求，另一方面参照以下结合附图对实施例进行的描述。在图纸中：

图1显示了流量测量仪的示意性的、基本上说明功能性的作用关系的立体示图，

图2显示了通过在图1中示出的测量仪的测量管道的截面，以及

图3显示了图2的一部分以用于对有关的几何结构加以说明。

具体实施方式

在图1和图2以及图3中分别示意地示出了根据本发明的测量仪1的一种变型方案。

图1显示了用于测量在测量管道3内部的可流动且可传导电的介质2的流量和填充状态的磁感应式流量测量仪1。在此填充状态通常应理解为介质2填充测量管道的程度。该值对于确定流量来说为重要的并且在根据本发明的流量测量仪1的情况下确定该值。此处仅示意地表示成磁场发生装置4位于测量管道3的上部和下部以用于产生磁场，该磁场垂直于测量管道3的纵轴线5并且由此尤其垂直于介质2(此处介质2例如为流动的液体(通过箭头表示))的流动方向伸延。磁场发生装置4在此仅完全示意地表示为两个相对而置的极靴(Polschuhe)。就此而言没有详尽示出产生磁场的一个或多个线圈，因为从现有技术中已经众所周知。

在旁边设置有此处设计成条状的两个电极6，它们的连接线垂直于纵轴线5且垂直于上述的磁场。这些电极6能够拾取在介质2中通过由磁场发生装置4产生的感应的电压，该电压为用于介质2的流量的度量。两个彼此相对而置的电极6尤其在测量管道3中展开一测量平面，其布置成基本上垂直于测量管道3的纵轴线5。

为了测量介质2的填充状态设置有附加磁场发生装置7，其在此处由沿轴向沿着纵轴线5位于电极6之前和之后的两个线圈形成。通过该附加磁场发生装置7产生(附加)磁场，该(附加)磁场在纵轴线5的方向上定向，即垂直于由磁场发生装置4产生的磁场。由附加磁场发生装置7产生的磁场在此尤其贯穿测量管道3的由两个电极6包围的空间。条状的电极6各具有两个端侧8，它们形成两对相邻的端侧8。端侧8在此在空间上彼此隔开并且彼此电绝缘。通过流动的介质2和由附加磁场发生装置7产生的尤其交变的附加磁场在电极6中产生电压信号，该电压信号允许确定用于确定介质2的流量的至少一个修正值或者填充状态。由评估装置9计算或评估由两个电极6拾取的电压信号，评估装置9在此与两个电极6直接相连接。在此处未示出的其它的变型方案中，电极6和评估装置9之间的连接间接地通过另外的部件来实行。在所示出的变型方案中，分别由上端侧8对或者下端侧8对来拾取测量信号并且将测量信号供应给评估单元9。在此继续注意电极6彼此的电绝缘。评估装置9尤其允许测量信号的以频率选择的方式进行的评估。

图2和图3的图示显示了在电极6的高度上通过图1的流量测量仪1的截面。可识别出电极6条状地围绕此处为圆形的测量管道3的内周缘延伸。测量管道3的形状在此可以是任意的，还可存在敞开的或者封闭的沟槽。电极6设计成相同的并且基本上处于彼此对称。由附加磁场发生装置7产生的附加磁场垂直于图面伸延，而由磁场发生装置4产生的磁场平行于图面伸延。由电极6的上端侧8对和下端侧8对分别拾取与感应电压有关的测量信号，该感应电压由于附加磁场经过由两个电极6在侧面围起来的测量平面而产生。在图3中在此除测量管道3和电极6之外为了清楚起见省略了其它的部件。

从测量信号中能够确定有效的填充状态，其在所示出的结构中基本上相应于介质2的实际的填充状态的一半(参见图3)。有效的填充状态在此涉及在测量管道的底部之上的有效的引导路径(其包围测量平面的对测量起作用的面积A)的高度。针对计算适用的是由于磁通在时间上的变化而引起感应的电压。在此，通量继而通过关于附加磁场(B)在面积A方面的面积积分来确定。通过介质2的填充状态的在时间上的变化(即dA/dt)得出另一种相关性。因此如果尤其产生附加的磁性的(附加)交变场(dB/dt)，那么能够拾取电压(U)，其是用于已填充的面积(A)的度量。在此由两个电极6尤其仅拾取感应的电压。

假定A是两个电极6之间的有效的作用面积而B是附加磁场，那么对于测量的电压基本上得出为U＝B*dA/dt+A*dB/dt。在图3中通过阴影部分来表示在电极6之间的整个内部区域上延伸直到有效的填充高度的面积A。依赖于填充状态的交变电流信号U在此例如可通过前置放大器和积分电路(Integratorschaltung)来确定。A*dB/dt的值可取决于测量管道3在最小的直径到最大的直径之间的直径变化10到100倍。这是因为A与直径的平方成正比，而B与直径成反比。为了优化测量，在交变的附加磁场B的频率方面存在调节变量，其中，处于一级近似的(in erster Naeherung)A*dB/dt的值与磁场B的频率成正比。此外，可适当地选择用于产生附加磁场的线圈的匝数。在此，附加磁场B的大小且由此与处于一级近似的在时间上的变化A*dB/dt成正比的值与引起附加磁场的线圈的匝数成正比。此外，处于一级近似的磁场的强度B与线圈之间的间隔成反比，从而也可通过改变该间隔来影响因子dB/dt。因为测量管道3的横截面根据设计方案通常处于1cm与1m之间，所以上述的变量允许如此调整信号幅度，即基本上将评估装置用于测量管道的任何直径。在所显示设计方案中通过所确定的有效的填充状态与因子2相乘来得出实际的填充状态。在另外的几何结构中实际的填充状态通过相应待确定的修正值来得出。备选地或者附加地，确定用于不同的填充状态的校准数据并且在评估测量信号时使用该校准数据并。

此外，测量仪1允许以比现有技术更简单的方法来测量电极6的阻抗并且由此也获得介质2的传导能力的值。因为附加磁场在电极6内产生电压，所以对此与地面(Masse)并联地接入或者切断已知的电阻便已足够。

围绕测量管道3还设置有基准管道(Referenzleitung)10。在另一种备选的设计方案中，基准管道10也可引入到给测量管道3加衬套的衬里中。在此基准管道10位于由电极6作为测量平面展开的平面中并且用于测量或者监控涡流。这种涡流可依赖于测量管道3的材料、介质2的传导能力、在测量管道3的内侧上的有传导能力的或者磁性的沉积物或者介质2中的有电传导能力的或者磁性的粒子。基准管道10尤其不与介质2相接触。

Claims (10)

1.一种用于测量流动的介质(2)的流量的磁感应式流量测量仪(1)，带有：测量管道(3)；磁场发生装置(4)，以用于产生至少部分地基本上垂直于所述测量管道(3)的纵轴线(5)贯穿所述测量管道(3)的尤其交变的磁场；尤其接触所述介质(2)的至少两个电极(6)，以用于拾取在流动的所述介质(2)中感应的测量电压，其特征在于，

设置有尤其布置在所述测量管道(3)外部的至少一个附加磁场发生装置(7)以用于产生至少部分地贯穿所述测量管道(3)的尤其交变的附加磁场，

其中，所述附加磁场至少部分地基本上平行于所述测量管道(3)的纵轴线(5)在所述测量管道(3)的这样的区域中伸延，即所述至少两个电极(6)位于该区域中。

2.根据权利要求1所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，所述磁场发生装置(4)产生以第一频率交变的磁场，所述附加磁场发生装置(7)产生以第二频率交变的附加磁场，并且所述第一频率和所述第二频率不同。

3.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，尤其设计成基本上相同的所述至少两个电极(6)基本上设计成条状。

4.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，所述至少两个电极(6)沿着所述测量管道(3)的纵轴线(5)基本上在一个高度上彼此相对而置。

5.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，尤其条状的所述至少两个电极(6)中的每一个具有两个端侧(8)，并且感应的测量电压的测量信号相应可由相邻的端侧(8)形成的对通过以下方法来拾取，即尤其通过将电测量拾取装置布置在该区域内。

6.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，设置有至少一个评估装置(9)，该评估装置以频率选择的方式来评估由所述至少两个电极(6)拾取的至少一个测量信号。

7.根据权利要求6所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，所述评估装置(9)至少从所述至少一个测量信号中借助于尤其依赖于流量测量仪(1)在所述至少两个电极(6)的区域中的几何结构的修正因子和/或借助于校准数据来确定所述介质(2)的填充状态。

8.根据权利要求7所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，所述评估装置(9)至少从所述至少一个测量信号中确定有效的填充状态值，并且由此通过与数值2相乘来确定所述介质(2)的填充状态。

9.根据权利要求5所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，相邻的所述端侧(8)相对于所述测量管道(3)的周缘彼此隔开，其中相邻的所述端侧(8)之间的间隔最大等于45°角。

10.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量仪(1)，其特征在于，所述附加磁场发生装置(7)具有至少两个线圈，其中，沿着所述测量管道(3)的纵轴线(5)一个或多个线圈布置在所述至少两个电极(6)之前而其他线圈布置在所述至少两个电极(6)之后。