CN104949721A - 高压晶片型磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种晶片型电磁流量传感器，所述晶片型电磁流量传感器包括具有一对表面和在该对表面之间延伸的流动导管的单件式底架。底架的每个表面包括被构造成用于接合金属密封环的部件。绝缘衬套被设置在单件式底架的流动导管中。多个电磁线圈被配置成用于在流过流动导管的过程流体中产生磁通量。一对电极被配置成用于电连接至过程流体。馈通组件被配置成用于在允许多个导电体穿过该馈通组件的同时保持过程流体压力。

Description

高压晶片型磁流量计

背景技术

工业过程控制系统被用于监测和控制产生或传递流体等的工业过程。在该系统中，典型地重要的是测量诸如温度、压力、流量等之类的“过程变量”。过程控制变送器用于测量这种过程变量，并且将与被测量的过程变量相关的信息传输回到诸如中央控制室的中央位置。

一种类型的过程变量变送器是磁流量计(或磁通计)。磁流量计通过使用是电磁效应的法拉第感应效应来测量流量。磁流量计包括被通电以产生跨越诸如管道的流动导管的一部分的磁场的线圈。该磁场在过程流体流中感应产生电动势(emf)。过程流体流上的感生电压降与流速相关，所述流速与流动导管的容积流量和横截面面积成比例。该电压降通常是由直接连接到过程流体或经由电容性联接器连接到过程流体的电极测量的。

电磁流量测量技术通常适用于离子溶液、基于水的流体和其它的导电流体。可以使用磁流量计的示例性环境包括：清洁食物和饮料生产、水处理设施、高纯度药物制造、和包括对危险性和腐蚀性过程流体流量的化学处理。另外，磁流量计还被用于烃类燃料工业，包括烃提取和处理以及利用研磨性和腐蚀性水泥的水力压裂技术。

磁流量计在将流量测量元件(如孔板)引入过程流体流中的其它的流量测量技术不适用的应用中提供快速和精确的流量测量。磁流量计的制造中的巨额成本之一是过程流体流过的流管。该流管必须承受过程流体压力并且必须不能在过程中引入任何泄露。典型地，流管包括栓接至管道法兰以形成坚固的过程流体连接的一对法兰。然而，在一些情况下，法兰式流管的增加的成本可能在成本上是禁止的。在这种情况中，使用无法兰的或晶片型磁流量计。晶片型磁流量计包括没有任何法兰的流管。因此，晶片型磁流量计可以比传统的法兰磁流量计更经济、更紧凑和更轻。可购买到的晶片型磁流量传感器的一种示例是可从Emerson Process Management(爱默生过程管理公司)购买到的、以商业指定型号8711晶片传感器进行售卖的。当磁性晶片传感器与适当的变送器电子器件(如以商业指定型号8732E、型号8712E、或8712H售卖的那些变送器电子器件)配对时，可提供完整操作的晶片型磁流量计。

发明内容

一种晶片型电磁流量传感器包括具有一对表面和在该对表面之间延伸的流动导管的单件式底架。底架的每个表面包括被构造成用于接合金属密封环的部件。绝缘衬套被设置在单件式底架的流动导管中。多个电磁线圈被配置成用于在流过流动导管的过程流体中产生磁通量。一对电极被配置成用于电连接至过程流体。馈通组件被配置成用于在允许多个导电体穿过该馈通组件的同时保持过程流体压力。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的被安装至过程流体导管的晶片型电磁流量传感器的图解视图。

图2是根据本发明的实施例的电磁流量传感器的图解剖视图。

图3是根据本发明的实施例的电磁流量传感器的图解剖视图。

具体实施方式

尽管晶片型电磁流量传感器相对于传统的法兰电磁流量传感器提供了多个优点，但是其在高压应用中的应用已经被限制。ASMEB16.5-1996管道法兰和法兰配件标准涵盖压力-温度额定值、材料、尺寸、公差、标记、测试、和命名管道法兰和法兰配件的开口的方法。重要的是在许多情况下遵从该标准，以保证可靠的、坚固的和安全的管道连接。因为晶片型电磁流量传感器没有法兰，因此该晶片型电磁流量传感器可能在包含或容纳过程流体压力方面处于劣势。例如，上文列出的型号8711具有等级300的ASME额定值。然而，在石油和天然气(特别地，注水和水分离)中的应用通常具有1”-8”的直径管道尺寸和在等级600-等级2500的范围中。因此，对于该高压应用，法兰型磁流量传感器可能是可用于处理所需要的压力的唯一选择。对法兰型磁流量传感器的限制主要是尺寸和成本。尽管法兰型磁流量传感器的变化范围可用于满足高压要求，但是这些型号是体积较大的一些型号，其仪表重量较重、铺设长度较大并且成本较高。这种法兰型磁流量传感器的流管中的材料的用量导致较高的价格以及一旦流量计在现场时的后勤挑战。

测量高压下的流量逐渐成为遍及许多工业的共有问题。因此，重要的是提供成本有效的方法，以在包含高达ASME等级2500的压力的同时测量和/或记录过程流体流量。提供可以在高达ASME等级2500的压力下操作而没有带法兰的设计的成本的磁流量计可以向高压过程流体流量测量应用提供明显的优点。

图1是根据本发明的实施例的被安装至过程流体导管的晶片型电磁流量传感器的图解视图。晶片型电磁流量传感器100被安装至管道102。为清楚起见，仅示出管道安装件的一侧。管道102包括管道法兰104，管道法兰104具有通过该管道法兰104的多个螺栓孔106。管道法兰中的螺栓孔106对准协作管道法兰中的螺栓孔(未示出)，使得螺栓可以基本用于在管道法兰之间夹紧晶片型电磁流量传感器100。晶片型电磁流量传感器100包括允许在变送器110和传感器100中的线圈/电极(图1未示出)之间进行电连接的高压电馈通或管座108的组件。根据本发明的一个实施例，晶片型电磁流量传感器100由单件式金属底架形成，该金属底架在每个法兰密封表面上具有被构造成用于接合金属密封环的特征或部件(feature)。在一个实施例中，该特征或部件是在每个法兰密封表面上的沟槽112。然而，只要提供适当的协作接合以产生坚固的密封，可以采用各种几何形状的表面特征或部件和金属密封环二者以实践本发明的实施例。表面特征或部件的适当的例子包括平坦表面和凸起表面连接。

通过将金属环114与诸如沟槽112之类的相应的表面特征或部件接合以产生金属与金属的密封。金属环/沟槽构造可以是环型接头(RTJ)连接件，或任何其它适当的金属与金属的联接器。金属与金属的联接器从传感器底架接近沟槽处延伸至金属环，并且延伸至管道法兰，管道法兰还可以具有接收金属环的适当的沟槽。当管道法兰被螺栓拉紧到一起时，金属环变形以形成完整性高的密封。一般认为，单件式底架与管道法兰通过金属至金属密封形成的组合提供将满足高达ASME等级2500的压力/温度标准的异常坚固的、高完整性系统。

图2是根据本发明的实施例的电磁流量传感器的图解剖视图。流量传感器100包括形成为单个部件的底架130。底架130具有一对表面127、129和在该对表面127、129之间延伸的流动导管131。可以使用任何适当的技术形成底架130，但是在一实施例中，底架130被铸造成单件碳钢件。底架130还包括位于表面127、129上的用于接收金属环114的沟槽112。在一个实施例中，沟槽112具有锥形侧面和平坦底部，以形成局部v形沟槽。该形状与具有圆形横截面的金属密封环特别好地协作，这促使在每个锥形侧面上形成单个的、高压的金属与金属的接触点。

电绝缘衬套132被提供在底架130的内径处。衬套132确保导电性过程流体流过电绝缘衬套132时该导电过程流体不接触底架130。衬套132可以由任何适当的绝缘材料形成。用于现场模塑技术的适当的材料包括塑料以及诸如聚氨酯和聚氨酯预聚体(Adiprene)之类的聚氨酯橡胶。然而，可以用形成衬套132的任何适当的绝缘材料实践本发明的实施例。在一个实施例中，衬套132包括接合底架130中的沟槽或楔形沟道135以更好地将衬套132连接至底架130的特征或部件133。尽管可以以任何适当的方式将绝缘衬套132放置在导管131中，但是在一个实施例中，衬套132被模塑在底架130的导管131中的合适位置。

在一个实施例中，线圈134、136和/或电极138(图2仅示出其中之一)可以被模塑在衬套132中中。可以以任何适当的方式形成线圈134、136。然而，在一个实施例中，线圈134、136是被嵌入衬套132中的线轴缠绕式线圈。另外，考虑到涉及的高压，至少一些实施例包括用于电极138的弯曲的电极路径，使得抵靠电极自身作用的压力可以不排出电极或以其他方式损坏流量传感器。因此，柔性电路或其它适当的导体(多个导体)可以被嵌入衬套132中以形成至电极138的适当的电连接。

在一个实施例中，铁心硅钢环或电工硅钢环140被用于将磁通量引导至过程流体，并且因而屏蔽导体和管座108。尽管在图示的实施例中使用铁心硅钢或电工硅钢，但是环140可以是可以按需要引导磁通量的任何适当的材料。

图2图示了底架130中的馈通组件108，如包括凸起部分142，该馈通组件108具有穿过该馈通组件108的孔或小孔144。多个导体146、148、150和152被连接到相应的线圈和电极。导体146、148、150和152穿过管座154。管座154可以是在底架130的外径处被焊接至底架130的现成的陶瓷电极或玻璃管座。这帮助保证馈通组件108可以阻塞仅有的可能的泄露路径，从而在仪表失效时确保没有过程流体泄露进入大气中。在一个实施例中，馈通组件108的大小和形状类似于标准的管适配器，使得标准变送器可以被安装至馈通组件108。

图3是根据本发明的实施例的电磁流量传感器的图解剖视图。传感器200具有许多与传感器100相似的特征，并且类似的构件被类似地编号。传感器200和传感器100之间的主要差异是传感器200不包括从铁心硅钢环140延伸至孔144的锥形部。通过移除该锥形部，认为图3图示的实施例可以符合较高的压力/温度等级。例如，尽管图2图示的实施例被预期达到ASME等级900顺应性，但是图3图示的实施例被预期达到ASME等级2500顺应性。

本发明的实施例相对于现有设计提供多个优点。例如，如果实现ASME等级900的磁流量计被要求用于4”直径管道，则法兰型磁流量传感器将重达约140磅。相反，本发明的实施例可以提供仅重达32磅并且仍然达到ASME等级900顺应性的晶片型电磁流量传感器。此外，晶片型电磁流量传感器相比于带法兰的设计具有减少75％的铺设长度。这种大量的材料节省直接地转化成被节省的材料成本。例如，据信上文提供的示例的材料节省单独对于流管来说就达到约70％。此外，还认为相比于带法兰的设计，因为本发明的实施例需要更少的焊接，所以将减少劳动成本。

本发明的实施例相对于带法兰的设计还提供了性能优点。具体地，通过晶片型电磁流量传感器的底架设计使得在压力保持实现冗余成为可能。对于在该高压下操作的磁流量计而言这是特别重要的，因为除了在这种高压下测量流量外，磁流量计的最重要的功能只包含或容纳高过程流体压力。

虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到，在没有脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。

Claims (18)

1.一种晶片型电磁流量传感器，包括：

单件式底架，所述单件式底架具有一对表面和在该对表面之间延伸的流动导管，其中所述每个表面包括被构造成用于接合金属密封环的部件；

绝缘衬套，所述绝缘衬套被设置在所述单件式底架的流动导管中；

多个电磁线圈，所述多个电磁线圈被配置成用于在流过流动导管的过程流体中产生磁通量；

一对电极，所述一对电极被配置成用于电连接至过程流体；和

馈通组件，所述馈通组件被配置成用于在允许多个导电体穿过该馈通组件的同时保持过程流体压力。

2.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述单件式底架被铸造为单件碳钢件。

3.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中每个部件是被构造成用于接收金属密封环的沟槽。

4.根据权利要求3所述的晶片型电磁流量传感器，其中每个沟槽包括一对锥形侧面和一平坦底部。

5.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述多个电磁线圈被嵌入绝缘衬套中。

6.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述一对电极被嵌入绝缘衬套中。

7.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述绝缘衬套形成为模塑体。

8.根据权利要求7所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述绝缘衬套由塑料形成。

9.根据权利要求7所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述绝缘衬套由聚氨酯形成。

10.根据权利要求7所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述绝缘衬套由聚氨酯预聚体(Adiprene)形成。

11.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中：所述单件式底架具有从流动导管延伸至外径的单个孔，并且其中所述馈通组件被设置在所述单个孔中并且密封所述单个孔。

12.根据权利要求10所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述单个孔以大致直角与流动导管相交。

13.根据权利要求11所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述馈通组件包括玻璃管座。

14.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述单件式底架在每个表面中包括用于接合绝缘衬套的楔形沟道。

15.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述电磁流量传感器利用接合每个表面的金属密封环的金属环被安装在一对管道法兰之间。

16.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中所述电磁流量传感器耦合到过程变量变送器。

17.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，其中每个电极经由弯曲的路径连接到馈通组件。

18.根据权利要求1所述的晶片型电磁流量传感器，进一步包括嵌入所述绝缘衬套中并且被设置成用于将磁通量从所述多个线圈引入流动导管中的铁心硅钢环。