CN104428633A - 磁感应流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明展现和描述了一种磁感应流量计，所述磁感应流量计使用用于空管检测的电容测量装置(8)来测量流动的导电介质的速率。为了改进空管检测，特别的，与导电介质的电容耦合，本发明提供用于空管检测的测量装置(8)，其包括电极(10)和对电极(11)，所述电极(10)和所述对电极(11)中的每个为片状设计，所述电极(10)和所述对电极(11)形成测量电容CMess，所述测量电容CMess取决于所述测量介质(2)和所述测量管(3)的填充级别；为了最大化测量电容CMess，至少在所述电极(10)和所述对电极(11)的区间内，所述测量管(3)具有减少的壁厚度；所述测量管(3)被金属制成的支撑外壳(17)包裹；其中，为了维持的所述测量管(3)的抗压强度，在每种情况中，位于所述电极(10)和所述支撑外壳(17)的内壁之间，以及位于所述对电极(11)和所述支撑外壳(17)的内壁之间的减少的壁厚区间设有用于最小化寄生电容对测量电容CMess的影响的具有中空壁设计的支撑元件(18)，其中，在每种情况中，通过支撑元件将所述测量管(3)紧靠所述支撑壳(17)。

Description

磁感应流量计
本发明涉及权利要求1的前序部分所述的用于测量流动导电介质的磁感应流量计。
磁感应流量计，其工作方式基于电磁感应原理(＝法拉第感应定律)，已经发现多年，并且在工业测量工程中深入地使用。根据电磁感应定律，在流动介质中产生垂直于流动方向以及垂直于磁场的电场，电场会承载电荷，并且流过磁场。在磁感应流量计中，通过下面的方式利用感应定律，通过磁场产生装置产生磁场，磁场产生装置通常具有两个通电线圈，磁场至少部分穿过测量管，其中，产生的磁场具有至少一个垂直于流动方向的分量。在磁场中，每个流动体积元会穿过磁场，并且具有一定量的电荷载体在体积元内产生的电场内移动，从而使得电极能够利用的电压增加。
因为电极利用的感应电压与介质流过测量管的横截面的平均速率成正比，如果测量管的直径是已知的，则可以从测量的电压直接确定体积流量。使用磁感应流量计的唯一前提条件是导电介质的导电率应当最小。另外，应当保证测量管充满导电介质，因此，导电介质的高度应当至少高于测量电极的高度。然而，如果测量管没有被完全填满，取决于填充级别，则实质性的错误可能发生，磁感应流量计就主要适用于测量管填满的情形。因为这个原因，实际上，在多数情况中，磁感应流量计具有用于检测空管的测量装置。当填充的高度下降了很多，以至于测量值没有需要的精度时，测量装置将此情况指示给用户。这可能是，例如，在一些情况中，测量管只有2/3填满时，因此，当测量管实际是“空”时，实际中使用的用于“空管检测”的测量装置将不仅仅只是产生一个信号。
当测量管没有被完全填满时，如果磁感应流量计显示了测量值，则磁感应流量计必须知道测量管填充的程度，从而，可以对测量值进行修正。例如，在专利DE19637716C1中，对修正值及其确定进行了讨论。为此，将测量信号电压施加到一对相对设置的电极上，由此，测量在第二对相对设置的电极上产生的反应电压，其中，两对电极与导电介质相耦合。根据反应电压和测试信号电压之间的确定的关系，可以确定修正值，其中，首先根据经验确定相应的修正值，然后将其存储到存储器中。
测量管的填充程度可根据专利DE19655107C2以电容方式确定。这样的话，用于测量导电介质流动的两个电极与导电介质电容耦合，其中，电极与作为电解质的介质形成电容。这样的话，一方面，通过两个电极利用介质中产生的电压来测量介质的流速，另一方面，将交变电压施加到电极上，通过控制和评估电路来确定电极之间的电容，从而测量测量管中的导电介质的比例。
本发明的目的在于提供一种磁感应流量计，该磁感应流量计对空管检测进行了改进，特别是对介质的电容耦合进行了改进。
通过权利要求1的特征来实现本发明的任务。附属的权利要求定义了有利的实施例。
根据本发明，一方面，用于空管检测的测量装置分别包括电极和对电极，每个电极为片状设计，电极和对电极形成测量电容CMess，电容CMess为介质和测量管填充级别的函数。因为电极和对电极具有片状设计，一方面，两个电极之间的电容将增加，另一方面，高传输功率可以耦合到介质中，这将导致将要评估的更大的测量信号。
此外，根据本发明，为了最大化测量电容CMess，至少在在电极和对电极区间，测量管具有减少的壁厚度。根据有利的实施例，该区间的壁厚度将小于5mm；优选的，近似为2mm。由于减小的壁厚度，电极的电场可以更好的耦合到测量管介质的内部。因为该效应只是与电极的电场相关，如果测量管只是在电极和对电极区间具有薄壁设计，电极的电场便可以更好的耦合到测量管介质的内部。
另外，根据本发明的磁感应流量计，测量管被铁制的支撑外壳包裹。
最后，根据本发明，为了将寄生电容对测量电容CMess的影响最小化，减少的壁厚区域位于电极和支撑外壳的内壁之间，并且位于对电极和支撑外壳的内壁之间，在每种情况中，在减少的壁厚区域设置有具有中空壁设计的支撑元件。寄生电容指的是电极产生的电场中没有直接进入测量管内的比例，因此，并不直接对测量管的填充级别起贡献，而是实质上在支撑外壳的方向上指向外部的电场。
因此，在每种情况中，通过在电极区间的支撑元件来将测量管紧靠支撑外壳。由于位于测量管的薄壁区间和支撑外壳之间的支撑元件的设置，测量管的抗压强度将增加，或分别地，保持，因此，即使测量壁的部分厚度很薄，磁感应流量计能在非常高的压强中使用。常见的公称压力是16bar，其中，压力峰值达到64bar，因此，测量装置或分别的测量管应当能够承受4倍的公称压力。
支撑元件的中空壁设计，使其能够达到与电极的进入测量管内的电场最可能的耦合，以及最大可能的与外部环境隔离。
本发明有利的实施例提供一种测量管，其材料为的热塑性塑料，优选为聚醚醚酮(PEEK)，全氟烷氧基烷烃，或分别，全氟烷氧基烷烃聚合物(PFA)，聚偏二氟乙烯(PVDF)，或聚苯硫醚(PPS)，或玻璃纤维增强塑料。支撑元件的材料与测量管的材料相同或者近似。为了保证需要的抗压强度，测量管的材料具有高度的稳定性。同时，在单独的应用领域，例如在食品和制药工业中，具有卫生要求，基本上限制了可以使用的材料的选择。选择的材料应为稳定性和介电常数最优的，并且满足卫生要求。
根据本发明进一步有利的实施例，为了保证在最大压力时的稳定性，在支撑元件内部设有支杆，如上面解释的，通过支撑元件的中空壁设计来实现支撑元件内部空间与外部环境的最大隔离。由于支撑元件内部填充空气，因此，其具有εr为1或者接近1。该内部空间设有支杆，因此内部空间部分被εr>1的材料填充。因此，支杆的设计必须在强度或，分别，稳定性和εr值的改变上达到最优的平衡。
根据本发明的磁感应流量计的又一特别的实施例，用于空管检测的电极和对电极与磁感应流量计和测量电极相间隔，以测量介质的流体的流动。因此，两个测量系统之间的相互影响能够最小化。同时，位于一侧的用于空管检测的电极和对电极以及位于另一侧的磁场产生装置优选地在测量管的纵向方向上连续设置。
为了避免薄的片状电极受到损坏，在一个有利的实施例中，弹性材料、优选为橡胶制成的护垫被设置在每个电极和支撑元件之间。
如已经解释的，支撑元件具有中空壁设计，并且填充有空气。当整个测量装置被封装在浇铸的树脂中时，为了保护测量装置不受震动和冲击的影响，应当保证封装材料没有流进支撑元件的中空腔室中。为此，在两个前表面中的每一个提供一个盖，该盖优选的通过超声焊接固定。
下面通过示例性的实施例并结合附图来对本发明进行详细的描述。
其中：
图1本发明优选实施例的磁感应流量计的侧视图；
图2图1所示的磁感应流量计的纵向剖视图；
图3图1所示的磁感应流量计的爆炸图；
图4支撑元件和相关盖的立体图。
在下面的附图中，除非另有说明，相同的参考标号指代相同的部件。
图1至图3示出了本发明优选地实施例中的用于测量测量管3中的流动的导电介质2的磁感应流量计1。为了测量导电介质2的流动，提供磁场产生装置。该磁场产生装置具有两个线圈4，线圈4外部安装于测量管3相对的两侧上，并通过电流发生器(图未示)来供应电力。磁场产生装置或者线圈4，分别地，产生磁场，该磁场基本上垂直于测量管3的纵向轴5并且穿过测量管3。另外，还提供两个测量电极6，7，该电极与导电介质2电耦合，并且测量电极6，7能够使用流动的导电介质2中感应产生的电压进行测量。此外，在这种情况中，测量电极6，7与介质2的电耦合也可能是电容耦合。
除了上述已知的用于测量流动导电介质2流动的测量装置，磁感应流量计1还具有用于空管检测的测量装置8。测量装置8优选地设计为导纳测量装置(admittance measuring device)，并且具有电极10、对电极11、第一交变信号源(图未示)和评估单元(图未示)。
特别地，如图2和图3所示，电极10和对电极11具有片状设计，并且在测量管3的外表面上彼此相对设置，其中，电极10设置在测量管3的纵向轴5之上，对电极11设置在测量管3的纵向轴5之下。
在本发明优选地实施例中，在图1至图3所示的磁感应流量计1中，不仅电极10连接于第一交变信号源，而且对电极11还连接于第二交变信号源。因此，电极10和对电极11可被作为主动电极来工作，它们被各自的交变信号源所控制。两个交变信号源连接于共同的参考电势，该参考电势通过电容连接于磁感应流量计1的金属支撑外壳的外部。
如果电极10、11都连接于AC交流信号源，这将赋予磁感应流量计1一个优点，而不管(主动)电极10位于测量管3的纵向轴5的之上还是之下。
如果只有一个电极连接于交变信号源，为了获得良好的信号处理，电极10必须设置在测量管3的纵向轴5之上。如果主动电极10位于纵向轴5之上，信号波形基本上更差，因此，信号的评估也更加的困难。
因为热塑塑料，特别是聚醚醚酮(PEEK)制成的测量管3具有很小的壁厚度，测量值为几毫米，优选地为2至3mm，在每种情况中，为了保证测量管3内的充足的抗压强度，在电极10、11的区间内，中空壁支撑元件18设置在电极10、11与支撑外壳17的内壁之间。为了保护薄的片状电极10、11不受损坏，在每个电极10、11和支撑元件18之间还设置有由弹性材料，例如，橡胶制成的护垫19。通过设置支撑元件18，支撑元件18优选地与测量管3由相同的或者相近的材料构成，不仅测量管3的机械稳定性会增加，而且电极10、11发射的电场与导电介质2之间的耦合也会增加。为此，中空壁支撑元件18可具有例如蜂窝结构的设计。
另外，从图2和图3中很明显的看出，电极10和相对侧的对电极11与磁场产生装置的两个线圈4以及测量电极6、7在空间上分开，按这种方式，一侧的电极10、11，另一侧的线圈4和测量电极6、7在测量管3的纵向连续的设置。
图4示出了支撑元件18，其具有中空壁设计，用于封闭内部的盖18b也具有中空壁设计。为了增加稳定性，支杆18a设置在支撑元件内部。作为一个规则，为了保证稳定性或者抗压强度，需要提供尽可能多的支杆，且应当提供尽可能少的支杆。同时，为了保证支撑元件内的空气尽可能的多，εr的值应当尽可能地接近1。
磁感应流量计1提供盖18b，因此，当封装磁感应流量计1时，例如，为了保护测量装置1不受振动和冲击的影响，应当保证封装材料没有流进支撑元件18空的腔室内。由此，盖18优选地通过超声焊接的方式连接于支撑元件18。

Claims (7)

1.一种磁感应流量计，用于测量由非导电材料制成的测量管(3)内的流动的导电介质(2)的流动，所述磁感应流量计具有：
用于产生磁场的磁场产生装置(4)，所述磁场特别为交变磁场，所述交变磁场以基本上垂直于所述测量管(3)的纵向轴(5)的方向穿过所述测量管(3)；
两个测量电极(6，7)，为了利用流动的导电介质(2)中感应的测量电压，特别地，两个测量电极与所述导电介质(2)电耦合；及
用于空管检测的电容测量装置(8)；
其中，所述测量电极(6，7)沿垂直于所述测量管(3)的所述纵向轴(5)以及垂直于磁场方向的连接线设置，其中，所述测量管(3)的抗压强度通过壁的厚度，或者分别地通过，壁的材料来确定，
其特征在于，
所述用于空管检测的测量装置(8)包括电极(10)和对电极(11)，所述电极(10)和所述对电极(11)中的每一个为片状设计，所述电极(10)和所述对电极(11)形成测量电容CMess，所述测量电容CMess为所述测量介质(2)和所述测量管(3)的填充级别的函数；
所述测量管(3)至少在所述电极(10)和所述对电极(11)的区间内具有减少的壁厚度，以最大化测量电容CMess；
所述测量管(3)被金属制成的支撑外壳(17)包裹；
其中，为了维持位于所述电极(10)和所述支撑外壳(17)的内壁之间，以及位于所述对电极(11)和所述支撑外壳(17)的内壁之间的减少的壁厚区间的所述测量管(3)的抗压强度，在每种情况中，设有具有中空壁设计的支撑元件(18)，为了最小化寄生电容对测量电容CMess的影响，在每种情况中，通过所述支撑元件(18)将所述测量管(3)紧靠所述支撑壳(17)。
2.如权利要求1所述的磁感应流量计，其特征在于，所述测量管(3)由热塑性塑料制成，优选由聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或玻璃纤维增强塑料制成，所述支撑元件(18)由与所述测量管(3)相同或者相近似的材料制成。
3.如权利要求1或者2所述的磁感应流量计，其特征在于，为了增加抗压强度，在所述支撑元件(18)内部设有支杆。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的磁感应流量计，其特征在于，所述电极(10)和所述对电极(11)与所述磁场产生装置以及所述测量电极(6，7)在空间上隔开，特别的，位于一侧的电极(10)和对电极(11)以及位于另一侧的所述磁场产生装置(4)在所述测量管(3)的纵向方向上连续设置。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的磁感应流量计，其特征在于，由弹性材料，优选为橡胶，制成的护垫(19)设置在每个电极(10，11)和支撑元件(18)之间。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的磁感应流量计，其特征在于，所述测量管在用于空管检测的所述测量装置(8)的区间内的壁厚小于5mm，优选地小于2mm。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的磁感应流量计，其特征在于，所述支撑元件(18)在两个前表面中的每一个具有盖。
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