CN103712657B - 磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提供用于检测过程流体流量的磁流量计。流量计包括配置为接收通过管流过的处理流体的管。多个电极设置为接触过程流体。至少一个电磁线圈靠近管设置。流量计电子元件配置为驱动电流通过至少一个电磁线圈并且检测跨越多个电极产生的信号。柔性电路模块设置为靠近管，柔性电路模块具有至少一个柔性电路，含有电连接到流量计电子元件的多个电迹线。至少一个电磁线圈包括被连接到电迹线的柔性电路模块中的第一线圈。

Description

磁流量计

技术领域

本发明涉及一种磁流量计，检测在工业过程工厂中的过程流体的流量。更具体地，本发明涉及使用磁流量计的流量测量。

背景技术

磁流量计在本领域中是已知的，并且通常利用电绝缘的流管，该流管承载通过电磁线圈和通过一对电极的过程流体的流动。电磁线圈施加电磁场到流动过程流体。由于法拉第电磁感应定律，电压或电动势(EMF)在流体中的一对电极之间产生。这个电压是所施加的磁场的强度的函数，并且与流体的流动速率成正比。

发明内容

提供用于检测过程流体流量的磁流量计。流量计包括配置为接收通过管流过的过程流体的管。多个电极设置为接触过程流体。至少一个电磁线圈靠近管设置。流量计电子元件配置为驱动电流通过至少一个电磁线圈并且检测在多个电极上产生的信号。柔性电路模块设置为靠近管，柔性电路模块具有至少一个柔性电路，所述至少一个柔性电路含有电连接到流量计电子元件的多个电迹线。至少一个电磁线圈包括被连接到电迹线的柔性电路模块中的第一线圈。

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的磁流量计的局部剖视图。

图3是示出磁流量计的电气元件的简化框图，。

图4A是根据本发明的实施例的磁流量计的柔性电路模块和流管的示意性透视图。

图4B是安装在根据本发明的实施例中的磁流量计的流管内的柔性电路模块的示意性的横截面透视图。

图4C是根据本发明的实施例的磁流量计的流管内的电极的放大透视图。

图5是安装在根据本发明的实施例的过程管道的凸缘之间的插入型磁流量计的示意性透视图。

图6是根据本发明的实施例的插入型磁流量计的示意透视图。。

具体实施方式

图1示出用于磁流量计102的典型环境100。磁流量计102显示为连接到过程管道104，过程管道104还连接到控制阀112。磁流量计102是可以配置为监视一个或多个的过程变量的一类过程变量变送器的示例，所述一个或多个的过程变量与在过程工厂中的流体相关联，所述过程工厂诸如是泥浆和化学液体、纸浆、石油、天然气、制药、食品和其它流体处理厂。

在磁流量计中，被监视的过程变量与通过过程管道和并且因此通过流管108的过程流体的速度有关。磁流量计102包括连接到流管108的电子元件外壳120。磁流量计102的输出配置为通过通信总线106长距离传输给控制器或指示器。在典型的处理工厂中，通信总线106可以是到诸如系统控制器/监视器110之类的控制器或其他合适的设备的4-20mA电流回路、FOUNDATION^TM现场总线连接、脉冲输出/频率输出、高速可寻址远程流管协议通信、例如基于IEC 62591的无线通信连接、以太网或光纤连接。系统控制器110被编程为过程监视器，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来控制过程。

图2是根据现有技术的磁流量计102的流管108的透视剖视图。流管108包括电磁线圈122，电磁线圈122用于感应流动通过流管108的流体中的磁场。流管108中的电极124用于检测由于流体流速和所施加的磁场在流体中产生的EMF(电动势)。

图3是实施例的系统框图，示出磁流量计的各种电气部件，用于测量通过流管组件108的导电性过程流体的流量。线圈122配置为响应于从线圈驱动器130施加的驱动电流在流体流中施加外部磁场。线圈驱动器电路130提供驱动电流到电磁线圈122。EMF流管(电极)124电连接到流体流，并且提供EMF信号输出134到放大器132，EMF信号与由于所施加的磁场在流体流中产生的EMF、和流体速度相关。模数转换器142提供数字化EMF信号到微处理器系统148。信号处理器150在流量计电子元件140的微处理器系统148中实施，流量计电子元件140连接到EMF输出134，以提供有关流体流速的输出152。存储器178可以用于存储如下面所讨论的过程指令或其它信息。

根据如在法拉第电磁感应定律中提出的EMF输出的134和流速之间的关系，微处理器系统148计算通过流管108的速度，其中指出：

V＝E/kBD 等式1

其中E是的EMF输出134，V是流体的速度，D是流管108的直径和B是在流体中磁场的强度。k为比例常数。数模转换器158可以包括和连接到微处理器系统148，以产生模拟变送器输出160，如果需要的话，用于连接到通信总线106。数字通信电路162产生数字变送器输出164。模拟输出160和数字输出164可以被连接到所需的处理控制器或显示器。

目前制造的很多磁流量计的线圈一般都是绕线并且由手形成。线圈然后使用各种类型的机械夹具固定到管线轴。这一过程涉及大量手工劳动并且有时很难重复。此外，对于一些磁流量计，电极依靠流管壁用于支撑。在壁响应于在流管的压力等级的高端处的压力起鼓时，可能会出现问题。这可能导致沿临界密封表面的运动，并且可能会导致泄漏。

在根据本发明的实施例中，磁流量计的线圈和电极设置在插入流管内的柔性电路模块上。柔性电路模块220(在图4A中显示)包括线圈，并且在相对薄外形中优选还包括电极。一般来说，柔性电路根据基本上类似于印刷电路板处理的已知的技术制造。然而，在完成柔性电路时，其仍然是柔性的和可以结合到至少需要电路具有一定弯曲或其他变形的装置和结构中。此外，在制造过程中，还可以将导线直接地缠绕在柔性电路基板中或在柔性电路基板上。例如，用于线圈的导线可以缠绕，而不是使用传统电路图案形成技术或电镀形成，但是成品组件仍然会被认为是柔性电路模块。

根据这个实施例，如果需要的话，为了易于组装，柔性电路模块可以连接或固定到刚性垫板。刚性垫板可以由任何合适的刚性材料形成，包括金属箔或套筒。柔性电路模块放置在流管内，并且导线通过流管的壁连接到柔性电路。非导电衬里然后覆盖整个柔性电路模块，除了电极以外。完成的子组件表示在线圈和电极定位方面的显著改善，并且还减少潜在的泄漏路径，由于电极不直接通过衬里和流管(虽然通过衬里)。此外，本发明实施例与目前设计相比，减少部分到部分的变化，并且将可能会增加整个流量计系统的可靠性。此外，由于将不再需要线圈壳体，流管可以由碳素钢(其提供磁性返回)制造，其将导致显著成本削减。

图4A是根据本发明的实施例的磁流量计的柔性电路模块220和流管200的示意性透视图。流管200包括管部202和焊接到管部202的一对管凸缘204、206。柔性电路模块220图示紧挨着流管202，箭头208指示柔性电路模块220安装在流管200的管部202内。柔性电路模块220包括至少一个线圈，并且优选地包括多个线圈210、212，线圈配置为在电流通过线圈时在流管200内产生磁场。线圈210、212可以以任何合适的方式形成。例如，线圈210、212可以是使用X-Y绕线机缠绕的导线缠绕线圈。可以然后将导线缠绕线圈连接到在模块220中的一个或多个柔性电路迹线。此外或可替换地，线圈210、212也可以使用标准柔性电路加工技术形成，或者可以电镀在柔性电路基板上。在一些实施例中，柔性电路模块的线圈和/或电路迹线可以电镀，以提高其载流能力，并且潜在地实现更薄整体轮廓。在一些实施例中，模块220可以是自定义设计线圈，诸如可从许多柔性电路板供应商获得的那些。

图4B是安装在根据本发明的实施例的磁流量计的流管200内的柔性电路模块220的示意性的横截面透视图。图4B显示安装在管202内的凸缘204、206之间的大致中间的柔性电路模块220。衬里214从凸缘204延伸到凸缘206，覆盖除了标号216处显示的电极以外的模块220的全部。图4C是在流管200内的电极216的放大透视图。在电极形成为突起尖端的实施例中，金属尖端优选钎焊在柔性电路上。然而，根据本发明的实施例，也可以采用其它合适的电互连技术。虽然电极可以是具有突起尖端的柔性电路的部分使得衬里214不覆盖电极，电极也可以简单地是导电面或在衬里214中的孔暴露留下的区域，只要衬里合适地密封到电极。在任何一种情况下，电极被连接到导线或其他适合的导体，通过诸如优选地位于流管200的顶部的玻璃头之类的合适的互连件218退出流管200。相对于图4A-4C所描述的实施例的另一个特征是电极位置完全独立于互连件218的位置。这提供较大设计灵活性，并且还确保支撑在电极上的过程流体不会通过在电极的位置处的流管泄漏或渗入。此外，由于单个互连件218可以连接穿过其中的多个电气连接，相比于其中每个电极表示通过流管的孔的设计，多个潜在的泄漏点也被减少。

利用柔性电路模块220还可以实现新形式的磁流量计。在根据本发明的一些实施例中，该柔性电路模块被安装到插入过程管道的套筒或外壳。这可以提供一些额外的好处。

为了坚固地容纳电极和线圈，诸如流管108或流管200之类的流管通常由金属管或管道形成，管道被选择并且定尺寸以能够容忍流量计将被暴露到的最大过程流体压力。通常情况下，凸缘被焊接到管道的每一侧。事实上，流管108在被焊接到一对凸缘时被称为“焊件”。磁流量计的焊件可以被认为是流量计的底架，并且可以很容易地是流量计的最昂贵部件。例如，具有3″(英寸)管道尺寸的焊件占到磁流量计的整个成本的45％左右。在管道尺寸增加时，焊件消耗总的磁流量计成本的越来越大的比例。例如，用于24″(英寸)管道尺寸磁流量计的焊件占到磁流量计的总成本的69％。提供其成本不受焊件的成本这样程度的驱使的一种磁流量计，将代表现有设计的重大的进步和改进。

根据本发明的实施例，提供新型的磁流量计。这个新型的磁流量计被称为同轴插入型的磁流量计，因为至少部分磁流量计实际上插入过程管道104，并且流量计的插入部分与过程管道是同轴的。这与现有设计相反，在现有设计中，磁流量计包括一对凸缘，每个凸缘被连接到处理管道104，并且流管、线圈和电极设置在该对凸缘之间。相反地，磁流量计的包括线圈和电极的部分被设置在过程管道内，优选地在管道凸缘的下游。这消除了对焊件的要求。在本发明的实施例也不同于先前的“插入”型磁性流量计，其中如在Marsh的美国专利No.4,459,858所示的流量计通过过程管道的侧壁插入。为了突出这种区别，本发明的实施例中被称为“同轴”插入类型的磁流量计。

图5是根据本发明的实施例的同轴插入型的磁流量计的示意图。流量计300具有用垫片装配的前缘302，前缘302密封过程管道104的凸缘306、308。具体而言，前缘302的表面310密封凸缘306的表面312，而前缘302的表面314密封凸缘308的表面316。前缘302和壳体318优选地由金属形成，以提供刚性以及坚固设计。然而，在某些轻型应用中，前缘302和壳体318可以由塑料或其它合适的材料形成。前缘302优选地包括弯曲或锥形上游面330，上游面330配置成平滑地调节过程流体在流管衬里322内流动。另外，前缘302优选地在台阶328处遇到壳体318，台阶328的尺寸形成为使得流管衬里322与弯曲表面330的端部齐平，或从弯曲表面330的端部凹进。

柔性电路模块220靠近壳体318设置，并且在相同方向(例如下游或上游)上从表面310、314中的每一个隔开。这与现有设计相反，在现有设计中，线圈和电极设置在一对凸缘之间，并且因而在相反的方向上与这些凸缘隔开。柔性电路模块220基本上使用合适的衬里322封装，衬里322可以由任何合适的刚性衬材料形成，没有限制地包括聚氨酯、弹性片(adiprene)、乙烯丙烯Dimonomer(EPDM)。另外，可以使用能够模制在柔性电路模块22之上的任何材料。对于较软的衬里材料，诸如全氟烷氧基(PFA)或聚四氟乙烯(PTFE)，金属唇缘可以设置在背面侧(后缘)以更好地将衬里材料保持在合适位置上。

流量计300的电极物理地接触过程管道104内的媒体流。电极可以是柔性电路模块220的部分，具有突出尖端，以使衬里不覆盖突出尖端。代替地，电极可以简单地是通过密封部分或互连件324退出的导电区域或导电片(patches)，密封部分或互连件324在一些实施例中形成为玻璃头。然而，还设想，电源和信号导体可以形成为柔性电路的部分，或作为连接到柔性电路模块220的单独的柔性电路。

密封部分324允许连接到线圈和电极的信号和电源导体326从其穿过，该导体然后连接到合适的磁性流量计电路，如设置在壳体120内的电路140(在图3中显示)。在一些实施例中，外壳120可以被安装，或以其他方式固定，到有衬里装配的前缘302，以形成整体的、同轴的、插入型的磁流量计。

图6是在根据本发明的实施例中的同轴插入型的磁流量计的示意透视图。图6图示设置在壳体318内的柔性电路模块220。

由于内部设置的线圈的低轮廓，以及线圈接近过程流体，认为本发明的实施例可能能够使用比先前设计较低的功率水平操作。

虽然已经参照优选实施例描述本发明，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，可以在形式和细节作出更改。

Claims (18)

1.一种用于检测过程流体流量的磁流量计，所述磁流量计包括：

管，配置为接收通过管流过的过程流体；

多个电极，设置为接触过程流体；

至少一个电磁线圈，靠近管设置；

流量计电子元件，配置为驱动电流通过所述至少一个电磁线圈并且检测在多个电极上产生的信号；

柔性电路模块，设置为靠近管，柔性电路模块具有至少一个柔性电路，所述至少一个柔性电路含有电连接到流量计电子元件的多个电迹线；

其中，所述至少一个电磁线圈包括被连接到电迹线的柔性电路模块中的第一线圈，

并且其中，磁流量计是同轴的、插入型的磁流量计。

2.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述至少一个电磁线圈包括在连接到所述多个迹线的柔性电路模块中的第二线圈。

3.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，第一线圈形成为蚀刻电路迹线。

4.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，第一线圈电镀在柔性电路模块的基板上。

5.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，所述第一线圈是导线缠绕线圈。

6.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，柔性电路模块还包括所述多个电极中的至少一个电极，并且其中，所述至少一个电极连接到与连接到电磁线圈的电迹线分开的电迹线。

7.根据权利要求6所述的磁流量计，其中，柔性电路模块包括所述多个电极，并且其中所述多个电极中的每一个被连接到与连接到电磁线圈的电迹线分开的电迹线。

8.根据权利要求6所述的磁流量计，其中，所述至少一个电极包括从柔性电路模块向内延伸以接触过程流体的突起尖端。

9.根据权利要求1所述的磁流量计，进一步包括基本上非导电的衬里，所述非导电的衬里设置在除了靠近电极的区域的柔性电路模块和过程流体之间。

10.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，管由碳钢构成。

11.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，管包括互连件，所述互连件允许多个导体从所述至少一个电磁线圈和所述多个电极到流量计电子元件的密封通过。

12.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，所述多个导体是连接到柔性电路模块的导线。

13.根据权利要求11所述的磁流量计，其中，所述互连件形成为玻璃头。

14.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，管被构造成至少部分地安装在过程管道内。

15.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，管的前缘具有流体调节表面以调节通过该管的过程流体。

16.根据权利要求15所述的磁流量计，其中，流体调节表面是弯曲表面。

17.根据权利要求1所述的磁流量计，其中，管被连接到边缘，所述边缘被构造成安装在一对管道凸缘之间，所述边缘具有用于接触第一管道凸缘的第一表面，和用于接触第二凸缘的第二表面，并且其中，管从第一和第二管道凸缘向下游移动。

18.根据权利要求17所述的磁流量计，其中，所述边缘是有衬里装配的前缘。