CN103674133A - 一体模制的磁流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于测量过程流体的流量的磁流量计，包括被布置成施加磁场到过程流体的磁性线圈。一对电极电连接到过程流体并且被布置为检测在过程流体中感应的电压，该电压与所施加的磁场和过程流体的流量相关。非导电材料制成的模制流管被布置成接收过程流体的流动。流管被模制成围绕磁性线圈和该对电极成型，并且被配置为支撑磁性线圈和该对电极。流量计电路被配置为施加电流到磁性线圈和接收由该对电极检测的所述电压。

Description

一体模制的磁流量计
共同未决专利申请的交叉引用
在一种具体配置中，采用四个线圈，如在史蒂文B.罗杰斯在2012年9月26日提交并且与本申请共同转让的、名称为MAGNETIC FLOWMETERWITH MULTIPLE COILS(具有多个线圈磁流量计)的共同未决申请13/627,404中所示的那些。
技术领域
本发明涉及用于检测和测量工业过程工厂中的过程流体的流量的类型的流量计。更具体地，本发明涉及使用磁流量计对流量的测量。
背景技术
磁流量计通常用于测量通过电绝缘流管的导电性过程流体的流量。按照法拉第电磁感应定律，在导电性过程流体在垂直方向上运动通过磁场时，在流体中感应与过程流体的速度和所施加的磁场强度成比例的电压。可以通过将电流施加到线圈来形成磁场，该线圈由已被弯曲成多个紧密间隔回路的导线制成。然后，一对电极用于测量由过程流体的运动感应的电压。
许多流量计需要刚性流管(如金属)以提供在高压应用中所需要的强度。在许多情况下，电极和磁性线圈的放置和布置在制造过程中是困难和费时的。诸如金属流管之类的其它金属部件可能会在磁性线圈和过程流体之间导致磁涡流损耗。另外，线圈和电极的定位和位置可能需要包括焊接的多种结合步骤。
发明内容
一种用于测量过程流体的流量的磁流量计，包括被布置成施加磁场到过程流体的磁性线圈。一对电极电连接到过程流体并且被布置为检测在过程流体中感应的电压，该电压与所施加的磁场和过程流体的流量相关。非导电材料制成的模制流管被布置成接收过程流体的流动。流管被模制成围绕磁性线圈和该对电极成型，并且被配置为支撑磁性线圈和该对电极。流量计电路被配置为施加电流到磁性线圈和接收由该对电极检测的所述电压。
附图说明
图1是示出包括磁流量计的过程控制系统的示意图。
图2是图1的磁流量计的侧面局部剖开透视图。
图3是图1的磁流量计的平面局部剖视图。
图4A是用于制造图1的磁流量计的流管的模具的分解透视图，和图4B是用于制造图1的磁流量计的流管的模具的透视图。
图5是图1的磁流量计的简化示意图。
具体实施方式
本发明提供一种磁流量计，用于测量在工业过程中的导电性的过程流体的流动。在一个方面，本发明允许流量计中的线圈和电极根据需要布置，并且提供使用模制流管(flow tube)配置的压力容器。在具体的实施例中，这被设置在称为“晶片”类型流管中，其中流管在两个过程管道的相对的端部处固定在两个法兰之间。
在一个示例中，线圈、电极、及其相关的布线都被模制或铸造成以“环形”形状布置的固体聚合物模制管或“环”，其然后可以安装在管道的两个过程法兰之间。根据过程流体的压力、孔的大小、模制的简易性等，可以根据需要选择特定的聚合物。在某些配置中，可以使用额外的材料以提供结构增强。例如，金属或其他材料的“备份环”可以围绕聚合物管的外圆周延伸。这可以有助于压力封闭并且给聚合物管提供额外的稳定性。可以使用的示例金属包括不锈钢或碳钢。碳钢以及其他材料具有提供用于磁场的磁通量回路(magnetic return path)的优点。聚合物环自身可以包括，例如，聚氨酯、PFA、非导电性聚苯硫醚和潜在地可以包括导电性聚苯硫醚电极。在商业上，商品名为
Figure BDA00002572280000021
和
Figure BDA00002572280000022
的聚苯硫醚是已知的。在一般情况下，包括导电性聚合物电极的电极以及非导电性聚合物的任意组合可以用来实现本发明。
这些配置提供各种优点，包括部分或完全消除用于压力容器的不锈钢管，潜在消除线圈之外的焊接或其他方式加工的壳体，减少线圈和过程流体之间的磁涡流损耗，并且一般地简化制造过程，其中电极、线圈和相关布线被简单地组装到模具中并且然后聚合物被注入或倒入模具中。在一个具体的配置中，采用四个线圈，如在史蒂文B.罗杰斯在2012年9月26日提交并且与本申请共同转让的、名称为MAGNETIC FLOWMETER WITHMULTIPLE COILS(具有多个线圈磁流量计)的共同未决申请13/627,404中说明的那些。
根据一个实施例，磁流量计包括布置成接收过程流体流的流管。另外，流量计优选地包括邻近流管布置的多个线圈。控制器被配置成使用所述多个线圈施加磁场到过程流体。第一和第二电极被布置成检测过程流体的与所施加的磁场和过程流体的流量相关的电势。传感器被配置成检测第一和第二电极之间的电压。控制器被配置为根据第一和第二电极之间的由传感器检测的电压计算过程流体的流量。
在图1中，用于磁流量计102的典型的环境在100处示出。更具体地说，图1显示连接到过程管道104的磁流量计102，过程管道104还连接到控制阀112。如在图1中显示，流量计108的流管108是“晶片”类型流管，其中流管固定在法兰120和过程管道104的相对法兰130之间，但是自身不包括法兰。法兰120和130包括相应的螺栓孔122和132。螺栓140被布置为由孔122和132接收，因而将流管108固定在其间。流管还可以包括套管141，套管141用于接收螺栓，螺栓穿过套管141因而进入法兰120和130之间的流管108。
在磁流量计中，被监测的过程变量涉及过程流体流过流管108的速度。磁流量计102可以被配置为提供输出，该输出用于经由通信总线106在长距离上传输到控制器或指示器。在典型的加工厂中，通信总线106可以是4-20mA电流回路、现场总线连接、脉冲输出/频率输出、
Figure BDA00002572280000031
协议通信、无线通信连接(如根据IEC 62591标准的
Figure BDA00002572280000032
通信协议)，以太网或光纤连接/或到诸如系统控制器/监测器110或其他设备之类的控制器的其他通信信道。系统控制器110可以被编程为过程监测器，以为人类操作员显示流量信息，或作为过程控制器以在通信总线106上使用控制阀112控制过程。
图2是磁流量计102的局部剖开透视图，和图3是磁流量计102的局部剖正视图。如图2和3所示，磁流量计102包括连接到电子元件壳体240的流管108。流管108由其中支撑磁性线圈222A和222B的环或管200形成。线圈222A和222B布置为引导磁场进入管200的内部，从而磁场加在过程流体上。电极224A和224B布置在管200中。电极224A和224B的端部至少延伸到管200的边缘，从而电极224A和224B与过程流体电接触。图2还示出了邻近包括螺栓孔122的法兰120定位的磁流管108。如结合图1讨论，法兰120和法兰130用来将磁流管108固定在管道104的部分之间。图2和3图示线圈222A和222B为具有鞍形或“C”形。然而，本发明并不限于该结构。另外，本发明并不限于具有两个线圈和两个电极的结构，并且可以根据需要采用任何数量的线圈和电极。此外，如上所述，可以使用任选的外部支承环202以提供额外的强度。在一个实施例中，这个支撑环202包括金属。然而，支撑环202可以由其他材料形成，并且可以部分地或完全地围绕环200延伸。
图4A和图4B示出了模制过程，在该过程中使用模具204形成管200。模具204被布置为允许液态聚合物流动进入形成在模具204和环202内的空间。在使用聚合物填充空间之前，线圈222A、222B、电极224A、224B和其相关的布线可以根据需要放置在模具204的空间208内。也可以提供用于形成由导电性聚合物体形成的模制电极的模制。一旦模制材料凝固，则形成最终管200，并且根据需要将模具204从模制产品上取下。附加处理可能是需要的，例如，在模制过程之间进行环200的额外的机械加工或砂磨。注意，在图4A和4B中，元件240表示用于电连接到变送器的接头壳体。
在图5中，方框图显示磁流量计102的用于测量通过流管108的导电性过程流体184的流量的一个实施例。线圈222A、222B被配置为响应于来自线圈驱动器230的施加的驱动电流在流体流中施加外部磁场。线圈222可以由交流(AC)或直流(DC)供电。电极(EMF传感器)224A、224B电连接至流体流并且提供EMF信号输出234到放大器232，EMF信号输出234与由所施加的磁场和流体速度在流体流产生中的EMF相关。模数转换器242提供数字化EMF信号到控制器系统248，控制器系统248可以是微处理器等。信号处理器250被实现在流量计电子元件240的微处理器系统248中，信号处理器250连接到EMF输出234，以提供与流体流速相关的输出252。存储器278可以用于存储程序指令或其他信息。
如在法拉第定律中提出，微处理器系统248按照EMF输出234和流速之间的关系计算通过流管108的速度，法拉第定律规定：
V＝E/(kBD)                等式1
其中E是EMF输出234，V是流体的速度，D是流管108的直径，B是在流体中的磁场强度，并且k是比例常数。微处理器系统248按照已知技术计算过程流体的流量。连接到微处理器系统248的数模转换器258产生模拟变送器输出260，用于连接到通信总线106。数字通信电路262产生数字变送器输出264。数模转换器258产生模拟输出，而数字通信电路262产生数字输出。
在一个配置中，本发明的磁流量计配置为调整它被固定在其间的法兰120和130(参见图1)的特性。作为本发明的流管108不完全包含磁场，相邻的法兰可以基于法兰的磁导率改变磁场。这可能影响流量计的校准。例如，如果法兰是碳钢，则将需要以与法兰是不锈钢时不同方式校准流量计。
在一个方面，微处理器248被配置为检测相邻法兰是碳钢还是不锈钢。更具体地，使用线圈222A和222B制成的磁路的感应系数将改变。在使用碳钢法兰时这个感应系数将比使用不锈钢法兰时大。通过在电流极性反转时监测线圈电流的变化率，可以检测出增加的感应系数。较高的感应系数值将与较慢的变化率相关。可以在制造过程中测量磁路的感应系数，并且不同的校准值存储在微处理器248的存储器中。在流管处于操作中时，在流管的启动过程中，被实现在微处理器248中的软件可以用于测量磁路的感应系数，并且选择合适的校准值。可以在启动期间自动进行这种调整，或根据其他技术，例如定期测试或根据在数据总线106上接收的命令测试进行这种调整。
在用于检测法兰的成分的一种替代方法中，在磁场反转期间，磁路的磁滞(hysteresis)可以被测量。如果法兰是由碳素钢而不是由不锈钢制成的，则磁滞变化，并且微处理器248可以分析不同的磁滞信号，并且选择适当的补偿值。在一个示例中，使用特殊的信号驱动线圈222A和222B，用于更容易检测磁滞。例如，在装置的启动期间，为了使磁滞的变化更容易检测，可以应用较高的频率信号。
虽然已经参照优选实施例描述本发明，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节做出修改。更具体地，尽管本发明的实施例已被描述为包括两个线圈和两个电极，可用于本发明的线圈和电极的数目并不限于这些。流量计的线圈可以按需要配置。线圈可以是圆锥形就座式、倒锥形座、曲径配置等等。虽然上面的描述介绍了用于选择适当的校准值的两种技术，但可以采用其他技术，包括手动选择。在另一个例子中，根据相邻的法兰的磁性计算校准值。例如，流量计的校准值可能与基于诸如多项式特征方程之类的方程所检测到的磁特性相关。同样地，如果使用金属环以加强模制的流管，可以调整补偿。如在此所使用的，晶片式流量计涉及具有流管的流量计，该流管在其端部处不具有法兰。

Claims (25)

1.一种用于测量过程流体的流量的磁流量计，包括：
磁性线圈，该磁性线圈被布置成施加磁场到过程流体；
一对电极，该对电极电连接到过程流体并且被布置为检测在过程流体中感应的电压，该电压与所施加的磁场和过程流体的流量相关；
非导电材料制成的模制流管，该模制流管被布置成接收穿过其中的过程流体流，该模制流管被模制成围绕磁性线圈和该对电极，并且被配置为支撑磁性线圈和该对电极；和
流量计电路，该流量计电路被配置为施加电流到磁性线圈和接收由该对电极检测的所述电压。
2.根据权利要求1所述的磁流量计，包括围绕模制流管延伸的加强结构。
3.根据权利要求2所述的磁流量计，其中，加强结构包括环。
4.根据权利要求2所述的磁流量计，其中加强结构包括金属。
5.根据权利要求4所述的磁流量计，其中，所述金属包括碳钢。
6.根据权利要求4所述的磁流量计，其中，所述金属包括不锈钢。
7.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，磁性线圈包括包含在模制流管内并邻近过程流体定位的两个磁性线圈。
8.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，模制流管包括聚合物。
9.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，该对电极包括导电性聚合物电极。
10.根据权利要求1的磁流量计，其中，模制流管以被构造为安装在位于相邻管道的端部处的两个法兰之间的“晶片”类型布置。
11.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，流量计电路进一步被配置为检测接近模制流管的磁性材料的存在。
12.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，流量计电路基于磁感应系数检测磁性材料。
13.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，流量计电路基于检测到的磁滞检测磁性材料。
14.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，流量计电路基于所述磁性材料选择校准值。
15.根据权利要求13所述的磁流量计，其中，流量计电路基于检测到的磁滞选择校准值。
16.根据权利要求13所述的磁流量计，其中，使用高频信号测量所述磁滞。
17.根据权利要求16所述的磁流量计，其中，在启动阶段期间施加高频信号。
18.一种制造用于测量工业过程中的过程流体的流量的磁流量计的方法，包括下述步骤：
将磁性线圈布置在具有中心开口的模具中，磁性线圈被配置为施加磁场到过程流体；
将一对电极布置在模具中，该对电极被配置成检测在过程流体中感应的电压，该电压与所施加的磁场和过程流体的流量相关；
将非导电性液体浇注到模具中，并且允许该液体凝固，从而形成模制流管；以及
将流量计电路连接到磁性线圈和该对电极，用于根据由该对电极检测的电压测量过程流体的流量。
19.根据权利要求18所述的方法，包括提供围绕模制流管延伸的加强结构的步骤。
20.根据权利要求18所述的方法，其中磁性线圈是邻近过程流体定位的两个磁性线圈中的一个。
21.根据权利要求18所述的方法，其中非导电液体包括聚合物。
22.根据权利要求18所述的方法，其中该对电极包括导电性聚合物电极。
23.根据权利要求18所述的方法，其中模制流管以被构造为安装在位于相邻管道的端部处的两个法兰之间的“晶片”类型布置。
24.根据权利要求18所述的方法，包括使用流量计电路检测邻近模制流管的磁性材料的存在。
25.根据权利要求24所述的方法，包括根据所述磁性材料选择流量校准值。
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