CN1041350C - 电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种装置，其中由设置在导管外侧的激励线圈产生磁场，检测连接在导管上的电极所产生的电动势，由此测量在导管中流过的流体的流速，导管制得较短以便把导管轴向长度对导管内径的比值设定在0.2到1.0的范围内，存储按照与导管连接的连接管的导磁率和内表面导电率预先分析获得的校正数据，以便根据校正数据校正从电极来的检测信号，由此测量导管中流体的流速。

Description

电磁流量计

本发明涉及一种电磁流量计，尤其涉及对电磁流量计的检测部分和流速检测校正装置进行改进，使其变薄。

在JIS，Z8764“通过电磁流量计测量流速的方法”中，定义了电磁流量计的基本结构。电磁流量计的基本结构如图2所示，外电流即激励电流l流入设置在导管20外侧的激励线圈21，使从铁芯22的端部产生磁场B。那时，在导管20中流过的流体中所产生的电动势，由电极23加以检测，并且通过变换器25把所测得的电动势转换成流速信号。导管20、激励线圈21、电极23等设置在检测器24中。

通常，这种电磁流量计做成管路系统。在这种情况下，存在一个缺点，如果检测器24的表面间的长度L(见图2)较长，导管20的重量增加，以至导管20和管路系统相连的施工性能就降低，或者在导管20内表面加管衬就比较困难。

因此，人们进行了缩短表面间长度L的尝试，通过尝试认识到，表面间长度L应不短于导管20内径D的1.3倍。这是因为，如果缩短表面间长度L，电动势就变低，由于受连接管的影响，信噪比即S/N也随之降低，从经验认识到，表面间长度L与导管20内径D的比值必须至少是1.3，这一点已成为人们的常识。因此比值小于1.3的流量计从未付诸实际。

从定性方式已经知道，如果缩短电磁流量计的表面间长度，磁场中将产生干扰(扰动)即使电动势减小。然而，从未通过定量分析电磁场中干扰的产生或电动势的减小而获得实验数据，在缩短表面间的长度上，也没有提出过任何具体的建议。

因此，本发明的第一个目的在于提供一种电磁流量计，其中，能在缩短检测器表面间长度或者甚至不缩短表面间长度的情况下，保持或提高流速测量的精确度。

本发明的第二个目的在于提供一种表面间长度能缩短的电磁流量计。

本发明的第三个目的在于提供一种电磁流量计的具体结构，它有利于检测器表面间长度的缩短。

为了达到本发明的上述目的，首先，本发明的发明人进行了计算机分析。更具体地说，发明人对磁场、电场和流体进行了三维分析，弄清了检测器的电动势和那三个因素之间的关系。通过分析，发明人成功地以定量方法验证了此前只能通过经验方法认识的种种现象，并获得了如下所述的对策措施。

为了实现上述的第一个目的，在按照本发明的电磁流量计中，根据连到电磁流量计上的连接管的情况，提供校正检测输出的装置。

为了实现上述的第二个目的，在按照本发明的电磁流量计中，表面间长度与内径的比值选择在0.1到1.0的范围内。

对于上述第三个目的，本发明提供了表面间长度和线圈长度之间的关系、线圈和铁芯之间的连接结构、铁芯和连接管之间的连接结构等等，这些将在后面有关的实施例中详细描述。

图1是电磁流量计的校正操作部分的一个实施例的框图；

图2是一个传统电磁流量计的总体结构的一个例子的简单透视图；

图3和图4是表面间长度和相对电动势之间的关系的三维分析结果的曲线图，这成为本发明的基础；

图5示出了不同导管条件的影响值，影响值是通过计算机分析获得的；

图6是按照本发明校正操作部分的校正操作流程图；

图7是设定参数和校正数据的详细设定图；

图8示出了按照本发明的电磁流量计的一个实施例的结构；

图9和图10分别示出了按照本发明的电磁流量计的其它实施例的结构；

图11是解释性视图，示出了在图8中描述的电磁流量计中磁力线的状态；

图12是解释性视图，示出了在图10中描述的电磁流量计中磁力线的状态；

图13是实施例结构的框图，其中外国电路已接入上述电磁流量计；

图14是按照本发明的电磁流量计的又一个实施例的结构视图；

图15是图14导管部分周围的结构视图；和

图16是连接管的凸缘固定在图15的流量计上后沿图15A-A′线的截面图。

图3示出了上面提到的对磁场、电场和流体的三维分析结果的一个例于。图3示出了相对于表面间长度对内径比的相对电动势。其中以线圈长度对表面间长度的比为参数。曲线a、b和c分别示出了线圈长度对表面间长度的比为1.1、0.6和0.1的几种情况。从这些曲线可以发现，即使取表面间长度为内径的一半，电动势仅降低约25％，当线圈长度做成表面间长度的0.6倍或更大时，电动势受到的影响很小，并且即使线圈长度取表面间长度的0.1倍，电动势仅降低约一半。

图4示出了与图3相同但更为详细的分析结果。在图4中，曲线d、e和f分别示出了线圈长度对表面间长度的比为0.8、0.4和0.1的几种情况。从这些曲线可以看出，如果把线圈长度对表面间长度的比选择为0.8(曲线d)，尽管表面间长度对内径之比从1.3降至0.7(这被看作到了极限)，电动势仅降低了约一半。更进一步，通过后面将描述的校正可以把表面间长度对内径的比减小到约0.2。

另外，对于装置的种种情况，例如连接管的材料和形状的影响以及管道弯曲部分和阀门的影响(它们是对流速分布的影响)，即使灵敏度的降低作了校正，仅通过不加区别的校正来保证精确度是不可能的。

当表面间长度减小时，连接管的影响有如下的两个原因：

①测量部分的磁通量密度视连接管是由磁性材料还是由非磁性材料制成而有所不同，产生跨距(span)影响；和

②测量部分的电动势的短路效应视连接管内表面是由磁性材料还是由非磁性材料制成而有所不同，产生跨距影响。

图5示出了通过前述的计算机分析获得的有关影响值。在图5中，示出了以连接管的材料为参数的表面间长度对内径比值和相对于标准情况的影响值之间的关系。即，曲线g和h分别示出了连接管由磁性材料和金属材料制成的情况下的影响值。标准情况是指连接管由非磁性和非金属材料制成。

因此，为了校正上述影响，通过输入连接管凸缘的规格、导磁率、内表面导电率等作为设定参数，使用预先分析获得的跨距校正数据来校正电磁流量计的灵敏度的下降和上述影响值。

上述同样适用于由于管子的情况所造成的对流体流动的影响。即通过输入参数，如直管道的长度，流体流入角，扩大/缩小的锥度，阀门开口和偏心度，上述电磁流量计的影响值能通过预先分析获得的跨距校正数据来校正。

因此，即使在缩短表面间长度时存在连接管的影响，也有可能消除影响而高精度地测量流速。当表面间长度对内径的比在0.2到1.0范围内选择时，也可能获得实际应用所需的精度。

下面将参照附图描述本发明的电磁流量计的一个实施例。

图1示出了本发明的电磁流量计校正操作部分1。如图所示，校正操作部分1有一个参数设定部分4，用于设定对导管20内的流体流速进行校正操作所需的参数，一个参数显示部分5，用于指示参数设定部分4中的参数设定值；一个存储部分6，用于把预先分析获得的校正数据存储在跨距校正表7中；和一个操作部分3，当在参数设定在参数设定部分4内时，从存储在跨距校正表7中的数据选出相应于设定参数的跨距校正数据，以便在所选择的跨距校正数据基础上完成跨距校正的同时计算出流体的流速。

从电磁流量计的检测器24来的输入信号2通过在校正操作器1内的操作部分3被转换成流速信号8，且流速信号8在输出端被输出。另一方面，为了校正由于编短表面间长度L所引起的灵敏度的下降和影响，在参数显示部分5内确认参数的内容后，把各种在参数设定部分4内的参数提供给存储部分6。通过预先分析获得的与设定参数有关的校正数据被存储在跨距校正表7内，然后选择在参数条件下的校正数据以便根据选出的校正数据，在操作部分3内完成跨距校正操作。

图6是在操作部分3内实现上面提及的校正操作程序的流程图。图中步骤S3和S4的内容将在图7中进一步描述。

图7是更详细地解释设定参数和校正数据内容的视图。校正操作粗分成对电磁场影响的校正和对流量影响的校正。为了校正电磁场的影响，选择凸缘标准中的JIS10K-ANSI150管形，以便确定连接管的形状，选择确定对应于所选管子形状的导磁率和导电率校正系数K1和K2。至于导磁率，如果预先计算出有关几种管子材料质量的各种导磁率值，例如铁磁性材料铁、非磁性材料氯乙烯和两者之间的不锈钢，在实际应用中，不会产生什么问题。至于导电率，如果预先计算出有关铁、氯乙烯和镀锌铁的各种导电率，在实际应用中也不会产生什么问题。

接着，为了校正对流量的影响，首先选择管子的形状(90°弯管、T形管等)，并对应于所选的形状以流体流入角为基础确定校正量。至于扩大和缩小的管子，由于对流量的影响与流体的流入角无关，所以可根据锥度值来确定校正量。另外，至于平板阀门(闸阀)和蝶形阀门，由于对流量的影响与阀门开口有关，因此需要根据阀门开口确定校正量。最后根据上述结果确定与直管长度有关的校正量。假设以K3表示与流体流入角、锥度和阀门开口有关的校正量，以K4表示与直管长度有关的校正量。即K3和K4是对流量影响的校正系数。那么，对电磁场和流量的总的影响的校正系数K可表达成下式：

K＝K1·K2·K3·K4……(1)

如上所描述，在实施例中，由于缩短表面间长度引起的连接管的影响可预先经分析获得，获得的结果也预先输入跨距校正表，在应用中，只要输入决定管子情况的参数。因此，校正连接管的影响成为可能，并可能把具有高精度和具有表面间长度短于内径的电磁流量计付诸实用，这一点原来一直被人们认为是难以实现的，因为人们认为不可能校正由于连接管的情况所引起的复杂的影响值。

参见图8，下面将描述本发明的电磁流量计的具体实施例，尤其是它的检测部分。在图8中，图8(a)是垂直于轴向的平面截面图，图8(b)是沿轴向的平面截面图。在图8(a)和(b)中，有一个由非金属材料制成的圆柱形导管31，导管31的内壁面和与内壁面连续的端面用绝缘材料镀复以形成内衬32。

磁性材料制成的片状铁芯34设置在与导管31的轴垂直的平面内。导管31在铁芯34的大体上正中心的位置。

每个铁芯34的厚度选择在导管31内径的0.1到0.8倍。如图8(a)中所示，把两个各自在其一部分具有凹槽的C字形铁芯34合在一起，使它们的凹槽侧边相抵，导管31放置在凹槽部分之内。磁芯34的凹槽部分向导管31的径向相对两侧扩大，一对激励线圈35绕在各个铁芯34的凹槽部分附近的相对扩大部分上。因此，通过绕在铁芯34各个扩大部分上的激励线圈35，从绕有一个激励线圈35的一个铁芯34到绕有另一个激励线圈35的另一个铁芯35形成磁场，产生的磁场与导管31的轴向垂直。

在上面提及的平面内的导管31上形成一对电极33使电极33垂直于磁场方向。各个电极33暴露在内衬32的表面上。即流体流动的空间部分，电极33与导管31绝缘。

另外，在导管31的外围部分有一非磁性外壳36，在外壳36上设置铁芯34和激励线圈35，外壳36遮盖了铁芯34和激励线圈35，外壳36与导管31连接。至于外壳36的材料，以不锈钢或铝较好。

在这样设置的电磁流量计(检测部分)中，在导管31的内壁和端面上形成的内衬32的两端面之间的表面间长度选择得小于内衬32的内径。具体地说，表面间长度选择得在内径的0.2到1.0倍的范围之内。

虽然导管31由金属材料制成，以便使其具有较大的机械强度，但导管31也可由绝缘材料制成。在这种情况下，就不需要内衬32。在导管31由绝缘材料制成的情况下，表面间长度被定义成圆柱形导管31两端面之间的距离。

图9示出了本发明的电流检测部分的另一个实施例。图9对应于图8(b)，图9与图8(b)不同之处在于在外壳36的内壁面上设置有磁屏蔽板37。

图10示出了本发明的又一个实施例。图10与图8(b)不同之处在于在导管31附近和在导管31轴向内的互相相对的铁芯34的两边上设置有消磁线圈38。

在图9和图10所示的任一实施例中，图11所示的磁通泄漏都可以防止，如图12所示。图12中用图10的实施例作举例说明之用。磁通能被缩小到包含铁芯的平面内。

参见图13，下面将描述包括上面提及的检测器和与检测器相连的电路的电磁流量计的一个实施例。

激励电路40的输出分别提供给检测器的各个激励线圈35，而把电极33的输出提供给信号处理电路41。从信号处理电路41取出的输出作为一个输出信号输送至信号放大处理部分42。虽然信号处理电路41的输出对应于流量，但信号放大处理电路42仍增大信号处理41的衰减输出。引起衰减的原因是图8至图10中所示的实施例中表面间长度做得比内径小。

激励电路40，信号处理电路41和信号放大处理部分42由电源电路43供电。

在前述的实施例中，已经对电磁流量计(即检测器)本身作了描述，然而，在检测器插入管路系统的情况下，有时将一环形的平面环或类似物插在管路系统和检测器之间。当该环是绝缘物时，表面间长度被定义为包括绝缘物原度在内的端面之间的距离。

图13中，信号处理电路41和信号放大处理电路42可以代替图1所示的校正操作器1。在这种情况下，在输出端能获得高精度的流速信号。

图14显示了本发明的又一个实施例。

这个实施例的结构是在前述结构基础上进一步发展而得的，铁芯被制成薄板状，线圈直线绕在铁芯上。另外，省去了与连接管连接的凸缘，并具有直接地机械地与铁芯相连的连接管子的金属配接件，以使电磁流量计能与连接管机械连接，使整个机械强度得到保证。另外，也省去了构成导管的管子，并且用树脂模制成的导管代替内衬层。

图14中，线圈54、片状铁芯51和固定在片状铁芯51上的电极53是电磁流量计的基本结构单元。铁芯51是由例如硅钢片的磁性材料制成，许多硅片叠成所需原度而形成铁芯51。用于与连接管相连的连接凸缘的金属配接件55机械地固定在铁芯51上，使紧固管子所产生的应力全部由连接凸缘的金属配件55承担。

如图中虚线所示，整个电磁流量计的检测部分埋入树制脂模制件52中，用树脂模制件52在铁芯51的中心部分形成导管56。电极53的末端从树脂中伸出以检测在导管56中流动的流体的电动势。在加工树脂模制件时，如果使用的是低压模制方法，就能把校正操作装置62制入，以便直接获得指示流速的输出信号。

这种情况下，如果在输出信号线上接有通信装置，使得设定或改变可以通过通信完成，以便在需要设定和改变时，可以通过通信来操作，这样，校正操作装置62就可以完全埋入。校正操作装置62可以具有与图1所示的校正操作器1相同的结构。或者，电极53的输出能通过一个简单的放大装置校正。

图15更详细地图解了图14中的导管56及其附近部分。电极53通过电绝缘垫圈57分别固定在铁芯上，所以电极53与铁芯51电绝缘。连接凸缘的金属配接件55固定在铁芯51上。其尺寸大小视连接管的凸缘标准而定。

图16示出了连接管的凸缘58固定在图15的A-A′截面上的状态。图16中，凸缘58固定在连接凸缘金属配接件55的阶梯部分，并且通过弹簧垫片60由螺母59夹紧。在凸缘58和树脂件52之间提供有密封垫圈61，目的是密封导管56中的流体。

在需要用一个接地环的情况下，一个板状接地环可在插在密封垫圈61和树脂52之间。

在这个实施例中，如上所述，片状铁芯51本身构成一磁回路，还具有足够的刚度以支撑整个检测器。另外，连接到连接管上的连接凸缘的金属配件件55机械地固定在片状铁芯51上，并具有足够的强度以克服当检测器连接和固定到连接管的凸缘时所产生的应力。另外，通过整体模制形成树脂模制件时，包括铁芯51、线圈54和电极53在内的全部部件均埋在树脂模制件中。因此，不需另外制备导管。

在这种结构中，应根据铁芯的厚度、线圈的厚度、覆盖铁芯和线圈的树脂模制件的厚度来确定表面间长度，因此，如果加长线圈长度而使线圈厚度减小，可以实现具有极小表面间长度的电磁流量外。此外，尽管整体被埋入树脂模制件内，因为与外部的整个连接部分是由具有足够机械强度的金属构成的，因此能与传统的流量计一样，实现高可靠性的运用。

如上所述，按照本发明，即使表面间长度被做成等于或小于检测器的内径，也可能实现不受连接管的材料和形状及流量分布的影响的电磁流量计。

另外，由于能减小表面间长度，检测器的重量也减小，所以很容易把检测器连到连接管上，从而费用可以降低。尤其是，由于尺寸以及重量的减小，效率将提高，因为减少了通常由两个工人做的工作和加固工作。另外，由于连接方面的限制减少，因此应用该电磁流量计的范围可以扩大。

Claims (8)

1、一种电磁流量计，具有待测量的流体在其内流动的导管、垂直于导管的轴向施加磁场的磁回路和一对设置成彼此相对并垂直于磁场方向的电极，其特征在于，通过测量在所述导管内流动的流体的流速来检测，其特征在于，所述导管的轴向长度选成小于所述导管的内径，所述电磁流量计的还包括：

一个参数设定部分，设定包括与导管连接的连接管管子条件的参数；

一个跨距校正数据存储部分，存储预先设定的与所述参数相应的跨距校正数据；和

一个校正操作部分，根据所述的校正数据校正从所述电极来的检测信号。

2、如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，配置所述参数设定部分以至少设定所述连接管的导磁率和内表面导电率，配置所述跨距校正数据存储部分以存储预先对应于所述各个参数进行分析取得的校正数据。

3、如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，配置参数设定部分以设定所述连接管的形状和特性以及配置所述跨距校正数据存储部分以存储预先对应于所述形状和特性进行分析取得的存储校正数据。

4、如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，进一步包括一个显示设定在所述参数设定部分内的参数的参数显示部分。

5、如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述磁回路包含：

一个由一层或多层磁性材料叠制成的、与所述导管部分的轴向垂直设置的铁芯；

在导管两侧面的所述铁芯上形成的显磁极部分；和

分别绕在显磁极部分上的激励线圈。

6、如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，所述磁回路包含由一层或多层磁性材料叠制成的、与所述导管部分的轴向垂直设置的铁芯，在所述铁芯上设置连接凸缘的金属配接件，所述连接凸缘的金属配接件用于将所述连接管的凸缘连接到述导管上。

7、如权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，电磁流量计还包含一个由一层或多层磁性材料叠制而成的、作为所述磁回路的铁芯以及一个机械支撑，连接凸缘的金属配接件机械地固定在所述铁芯上，所述电极通过绝缘体机械地固定到所述铁芯上，线圈装置固定在所述铁芯的磁极部分。

8、如权利要求7所述的电磁流量计，其特征在于，所述铁芯、所述电极、所述连接凸缘的金属配接件和所述线圈装置整体地埋在树脂模制件中，并且在所述树脂模制件的接触表面和与所述导管部分连接的连接管之间垫入一垫片，在所述接触表面和所述垫片之间设置一板状接地环。

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