CN105393093A

CN105393093A - 流量计

Info

Publication number: CN105393093A
Application number: CN201480041206.7A
Authority: CN
Inventors: 米夏埃尔·肖夫
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2016-03-09
Also published as: US9625294B2; US20160161308A1; WO2015010882A1; EP3025127B1; EP3025127A1; DE102013107895A1

Abstract

一种流量计，包括测量管，具有传感器布置和用于确定流速、体积流量和/或质量流量的评估单元，其中传感器布置被布置在测量管上或测量管中，测量管：A1)具有金属支撑材料的测量管壁，和B1)保护金属支撑材料免受腐蚀性的被测介质损害的第一层片，并且被放置在测量管壁的内表面上；或A2)具有耐腐蚀塑料材料的测量管壁，其中C)第二层片被布置在测量管中第一层片的面向介质的一侧或在耐腐蚀合成材料的测量管壁上，用于减小该被测介质对塑料材料施加的机械负荷，特别是磨损负荷，其中第二层片具有比第一层片或耐腐蚀合成材料的测量管壁大的硬度。

Description

流量计

技术领域

本发明涉及如权利要求1的前序部分中限定的流量测量装置。

背景技术

具有测量管的流量测量装置是已知的，该测量管具有金属支撑材料的外管，该外管配备耐腐蚀并阻碍扩散的合成材料的第一层片，即，所谓的内衬。此材料保护外管免受侵蚀性介质损害。

流量测量装置中安装的常见内衬材料的情况下的问题是所述内衬材料体积稳定性差，并且不耐磨。因此，由于变形和磨损，在被测介质对内衬材料施加机械负荷的情况下，在流量的确定的过程中发生测量误差。

发明内容

因此，本发明的目标是提供更准确的流量测量。

本发明通过如权利要求1所限定的流量测量装置来实现此目标。

本发明的流量测量装置包括测量管，具有传感器布置和用于确定流速、体积流量和/或质量流量的评估单元，其中该传感器布置被布置在该测量管上或该测量管中，该测量管具有：

A1)金属支撑材料的测量管壁，和

B1)耐腐蚀合成材料的第一层片，其中该第一层片保护该金属支撑材料免受腐蚀性的被测介质损害，并且被放置在该测量管壁的内表面上；

或，

A2)耐腐蚀合成材料的测量管壁；

其中

C)在该测量管中该第一层片的面向该介质的一侧，或在面向该介质的该耐腐蚀合成材料的该测量管壁上，层片或第二层片被布置用于减小该被测介质对该合成材料施加的机械负荷，特别是磨损负荷，其中该层片或第二层片具有比该第一层片或耐腐蚀合成材料的该测量管壁大的硬度。

该第二层片保护该测量管免受该被测介质施加的机械负荷损害。这些机械负荷可为例如压力负荷或磨损负荷。

本发明的有利实施例是附属权利要求的主题。

有利的是，该第二层片由超过90重量％的、选自以下材料的材料构成：

陶瓷、陶瓷复合材料、金属陶瓷、有机改性陶瓷涂层、玻璃、聚合物材料，特别是，氧化铝和/或氧化锆和/或含有硬质材料的复合材料。

这些材料在具有特别高的硬度之外还具有相对良好的化学耐久性。

硬质材料相对难以制造为模制件。因此，结合基质被优选地用于硬质材料颗粒。含有硬质材料的复合材料可有利地实施为陶瓷复合材料，其中该硬质材料优选为氧化或氮化硬质材料。

理想上，第一层片是高度阻碍扩散的。因此，有利的是，第一层片由基于多氟聚合物的合成材料和/或天然或合成橡胶构成，优选由PFA和/或PTFE和/或乙烯基橡胶构成。

第二层片的硬度应在理想上显著大于第一层片的硬度。第二层片的维氏硬度特别优选比第一层片的维氏硬度大至少两倍、相当特别优选地比第一层片的维氏硬度大至少五倍。

为了一方面能够实现可替换性，另一方面能够实现对第二层片的低管道力，第二层片有利地实施为宽松地布置在测量管中的内管，特别是陶瓷管。

因此，为了对抗上述管道力，第二层片宽松地布置在测量管中，并且有利地通过在端部被布置在测量管上的保持垫圈而被紧固以防止在测量管中沿着测量管轴线滑动。

保持垫圈有利地由耐腐蚀镍材料构成。

第二层片可有利地具有端部凹槽，保持垫圈可被压靠所述端部凹槽，其中凹槽以这样的方式实施，使得朝向被测介质的保持垫圈边缘侧被第二层片覆盖。以此方式，保持垫圈被横向保护免受机械负荷损害，并且在给定情况下，还免受磨损损害。

测量管中的第二层片有利地是可替换的，使得在该层片出现损坏时，不需要替换整个装置，而是仅替换该层片。

有利的是，第二层片以这样的方式在端部锥形地实施，使得其在测量管的中间区域中的内径小于其在测量管的端部区域中的内径。

在第一层片不粘接结合到金属支撑材料的程度上，第二层片可有利地在测量管中出现负压的情况下支撑第一层片，使得第一层片不释放到管的内部中。

特别有利的是在磁感应流量测量装置中应用本发明。此流量测量装置包括：磁体系统和至少两个测量电极，磁体系统用于建立穿过位于测量管中的被测介质的磁场，至少两个测量电极用于感测由被测介质的移动诱发的电压，其中第一层片和第二层片各自由电绝缘材料构成，并且其中用于测量电极的开口设置在相应的材料层片中。

有利的是，至少电极头由具有与第二层片相同的硬度或比第二层片大的硬度的材料构成。以此方式，电极头可抵抗最具磨损性的介质。

然而，在电极头经受磨损的情况下，那么测量电极可有利地具有可替换的电极头。

附图说明

现将基于附图所呈现的实施例的数个示例来更详细地描述本发明的主题，其中附图如下所述：

图1是被实施为磁感应流量测量装置的本发明的第一流量测量装置的测量管的截面图；

图2是被实施为磁感应流量测量装置的本发明的第二流量测量装置的测量管的截面图；

图3是被实施为磁感应流量测量装置的本发明的第三流量测量装置的测量管的截面图；以及

图4是被实施为磁感应流量测量装置的本发明的第四流量测量装置的测量管的截面图。

具体实施方式

在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，经常应用流量测量装置，所述流量测量装置用于记录和/或影响过程变量。大量这种流量测量装置由恩德斯+豪斯公司生产和出售。在此情况下，流量测量装置特别包括科里奥利(Coriolis)、超声波、涡流、热感应和/或磁感应的流量测量装置。

测量管通常应用在许多前述流量测量装置中，所述测量管至少在相应测量管的介质接触区中以所谓的内衬加衬。这例如防止金属支撑管的腐蚀，并且除其它之外还充当电绝缘体，并且减小测量管中微生物生长的趋势。

前述流量测量装置在每种情况下具有至少一个测量管，以及用于确定流量相关的被测变量的一个或更多个传感器和用于确定流经测量管的被测介质的流速、体积流量和/或质量流量的评估单元。

针对前述流量测量装置以举例方式在图1到图4中示出磁感应测量装置的不同测量管变体。

现将更详细地解释磁感应流量测量的原理。磁感应流量测量装置的构造和测量原理对于所属领域的技术人员来说是众所周知的。根据法拉第感应定律，电压在磁场中移动的导体例如导电的流体、被测的介质中被诱发。恒定强度的磁场B由磁体系统例如位于测量管的两侧上的两个磁场线圈产生。两个或更多个测量电极与其垂直地定位在管内壁上，所述测量电极感测在被测物质流经测量管的情况下产生的电压。所诱发的电压与流速v成比例，并且因此与被测介质的体积流量成比例。

本发明涉及流量测量装置或磁感应流量测量装置的测量管的构造。因此，图1到图4着重描述测量管。因此，为了清晰起见，未示出磁体系统和评估单元。

图1示出测量管1，其中测量管1具有金属支撑材料的外管2。外管在每一端包括用于将测量管1连接到过程管道的凸缘7。布置在测量管内的第一层片用于保护金属支撑材料免受腐蚀性被测介质损害。此第一层片优选由合成材料构成。第一层片不仅是耐腐蚀的，而且还以使得没有被测介质能够到达金属支撑材料的方式阻碍其接近金属支撑材料。因此，第一层片也是对扩散的屏障。第一层片的优选材料是多氟聚合物诸如PFA或PTFE或者天然或合成橡胶的橡胶衍生物。这些材料除其它之外具有对腐蚀性介质的高密封作用和高化学抗性的优点。这些材料是电绝缘的，这特别对于磁感应流量测量装置来说是巨大优势。

在橡胶的情况下，通过硫化来实现第一层片的结合，并且在多氟合成材料的情况下，几乎排他地机械地实现第一层片的结合。为此，第一层片3在端部带有凸缘。第一层片3的凸缘8对应地示出在图1中。由于第一层片到金属支撑本体的不良粘合，特别是在多氟合成材料的情况下，第一层片到支撑本体的连接通过端部凸缘8来实现。然而，问题是真空或负压情况下的内衬面向测量管内部并且可能从支撑材料释放。

第一层片3的材料，例如，PFA、PTFE或橡胶，特别是乙烯基橡胶，具有低维氏硬度。因此，被测介质中所夹带的砂粒或卵石可磨损侵蚀并破坏第一层片3。另一方面，多氟聚合物在被大多数已知化学物质接触的情况下具有优良化学耐久性，并且同时类似于橡胶，形成良好的扩散屏障。以此方式，金属支撑材料最佳地受到保护而免受介质损害。

为了防止第一层片的磨损，本发明的流量测量装置在测量管1中包括第二层片4。层片4由比第一层片3硬的材料或材料混合物构成。以此方式，可测量磨损性介质，诸如用于例如油气工业中的磨损性介质，例如，水和砂粒的压裂组合(例如，在页岩气开采的情况下)、具有或不具有颗粒的水/废水、含有酸的流体介质、载有颗粒的流体介质、特别是载有砂粒的流体介质，在给定情况下，还包括含有柴油的导电介质。

可在特殊测量条件下进行高度准确的测量，这些特殊条件例如为测量管中存在周期性真空、被测介质具有极端化学侵袭性、存在磨削磨损或特别是在将含油介质作为被测介质的、未实施为磁感应流量测量装置的流量测量装置的情况下。

此处，硬度是层片的相应材料的维氏硬度。这可根据标准DINENISO6507-1:2005到DINENISO6507-4:2005来确定。与洛氏试验相比，将具有136°夹角的等面金刚石棱锥以固定试验力按压到工件中。从如通过测量显微镜所建立的所得凹处的对角线的长度，计算凹处的面积。

第二层片的材料优选为陶瓷、陶瓷复合材料、金属陶瓷、有机改性陶瓷涂层、玻璃、聚合物材料，特别是，氧化铝和/或氧化锆和/或含有硬质材料的复合材料。

金属陶瓷是由金属基质中的陶瓷材料构成的复合材料。有机改性陶瓷是弗劳恩霍夫研究所(FraunhoferInstitute)开发的无机、有机、混合聚合物。硬质材料特别是具有极强的金属结合特性的硬质材料。这些硬质材料主要是氮化物、氧化物和碳化物。

特别在磁感应流量测量装置的情况下，用于第一层片和第二层片安装的材料应是电绝缘的，并且因此具有大于10⁷Ωm、优选大于10⁹Ωm的电阻率(在20℃下)。在磁感应流量测量装置的情况下，例如，由于其最常见的小导电率，相比金属碳化物，作为硬质材料或硬质材料添加剂，氧化物和氮化物是优选的。

测量电极5布置在测量管中，测量电极5感测所诱发的电压。这些测量电极5由导电材料构成。

在测量电极的第一实施例中，测量电极由比前述第二层片软的材料形成。测量电极5具有电极头9。电极头优选地是可替换的。因此，被测介质磨损掉电极头，直到第二层片开始保护电极材料免受被测介质的磨损力损害为止。因此，电极通过凹陷地安置在第二层片中所布置的电极孔中而受到保护以免受进一步磨损。

在本发明的第二实施例中，测量电极具有与第二层片相等或比第二层片大的硬度。在此情况下，测量电极仅经受来自被测介质的极小的磨损侵蚀。

测量电极通常由具有化学抗性的材料构成，优选是由镍基材料构成，并且是导电的。因此，测量电极具有小于10^-4Ωm的电阻率(在20℃下)。导电合金或例如含金属的导电的硬质材料的复合材料，优选地是金属碳化物的复合材料可用作较硬电极材料。钨电极或导电陶瓷的电极可由于其高硬度而同样优选地加以应用。

第二层片4优选实施为布置在两个保持垫圈6之间的内管。保持垫圈6可优选由镍基材料制成。保持垫圈6限制内管在测量管1的轴向方向上的移动。内管宽松地位于测量管1中，并且优选由陶瓷或陶瓷复合材料制成。轴向方向上的温度相关拉伸应力和/或管道力在此构造的情况下不到达内管。在具有内管的此实施例中，少量的介质可例如进入第二层片与第一层片之间，但这对测量具有极小的影响。

图1仅示出固持第二层片的一种方式，其中保持垫圈6被夹持或另外紧固在测量管1的凸缘7与例如过程连接件的额外(未示出)凸缘之间。

在图1的变化中，第一层片可承担被测介质与保持垫圈之间的密封功能。

为了从机械负荷的特别有效的保护，第二层片的维氏硬度比第一层片的维氏硬度大至少两倍，优选五倍。在20℃下，第二层片的硬度达到800HV以上，特别优选1000HV以上。

除测量管的增加的耐磨能力之外，还提高了第二层片的体积稳定性。通常，许多内衬材料诸如PTFE在较高介质压力下展现较差的体积稳定性。因此，内衬被压离。然而，这通过承载压力的一部分的第二层片来防止。另外，在负压或真空的情况下，内衬或第一层片可由于到测量管壁的不良化学结合而崩溃。在本申请的情况下，第二层片行使支撑功能。

第二层片的材料的长度膨胀系数优选小于每开尔文度13ppm。

图2和图3示出本发明的其它流量测量装置的测量管。这些测量管呈现图1的测量管的其它优选结构变化。假定测量管和各个材料层片的化学/物理性质在这些额外实施例中不变。

图2示出具有类似于图1的材料层片的第二实施例的测量管11。测量管11包括金属支撑材料12的外管以及布置在外管的内壁上的第一层片13。此外，第二层片14布置在测量管11中，第二层片14保护第一层片免受例如被测介质施加的机械负荷损害。具有对应的测量电极头19的测量电极15进一步示出在图2中。电极被引导贯穿各个材料层片。第一层片13包括用于第一层片13与外管的机械连接的凸缘18。第二层片14在端部受保持垫圈16限制，保持垫圈16通过紧固构件10，在此情况下是螺钉，固定到测量管11的凸缘17。这具有的优点在于，第二层片13不是首先在使用位置处贴附期间紧固，而是已经预安装在测量管11中。

此外，当第二层片具有锥形入口20和锥形出口使得测量管11在测量管11的端部区域中的内圆周大于测量管11在中间区域中的内圆周时，测量的准确性提高。

特别有利的是，测量管中的第二层片是可替换的，使得在测量磨损性介质的情况下，在某持续时间的操作之后，不需要替换整个测量装置，而是仅需要替换第二层片。为此，例如，单侧释放保持垫圈6、16、26或36中的一个就足够了。

图3示出流量测量装置的测量管21的第三实施例。测量管21包括金属支撑材料22的外管以及布置在外管的内壁上的第一层片23和布置在测量管内第一层片23的内壁上的第二层片24，第二层片24保护第一层片免受例如被测介质施加的机械负荷损害。如同在实施例的前述示例的情况下，第二层片未必需要连接到第一层片，而是也可在给定情况下相对于第一层片以小间隔或游隙宽松地存在。如同在图2中，存在具有对应的电极头29的测量电极25。测量电极被引导贯穿各个材料层片。第一层片23包括用于第一层片23与外管的机械连接的凸缘28。第二层片24在端部受保持垫圈26限制。保持垫圈26可与凸缘28一起而紧固，例如夹持在凸缘27与管道的额外(未示出)凸缘之间。

在此情况下，第二层片延伸直到保持垫圈26的外端面并且包括用于容纳保持垫圈26的凹槽30。每个凹槽30在图3中作为直角凹槽存在，保持垫圈被插入到其中，使得每个保持垫圈26的端部端面在与第二层片24的端部端面相同的平面上延伸。以此方式，第二层片直接在过程连接件或过程线路处结束。

当然，图1到图3图示的实施例及其设计改进可在本发明的上下文中相互组合。

图4示出本发明的流量测量装置的测量管31的第三实施例。此处，代替金属支撑材料和耐腐蚀层片，应用塑料测量管。此塑料测量管或测量管壁可自身包括抗蚀剂并且在给定情况下，包括电绝缘的塑料材料32。

此测量管可优选具有端部凸缘37或者能够与过程连接件或管道连接件进行所谓的无凸缘连接。集成的或单独设置的电融合联接件可为此应用在测量管31上。

层片34插入在塑料材料的测量管内，层片34保护测量管壁——如同图1到图3所示的上述第二层片——免受被测介质施加的机械负荷特别是磨损损害。层片34的材料性质和实施例与以上在图1到图3的实施例的情况下对第二层片已描述的相同。

具有对应的测量电极头的测量电极35插入在测量管31和层片34中。这些测量电极的材料和机械实施例类似于图1到图3描述的测量电极。

图4的测量管的塑料材料可为用于测量管的任何常规塑料材料，优选材料为聚乙烯(PE)。并且在实施例的此示例中，层片34的轴向移动受端部保持垫圈36限制。然而，图2和图3的测量管的结构上有利的变化也可应用到塑料测量管。

附图标记列表

1测量管

2金属支撑材料

3第一层片

4第二层片

5测量电极

6保持垫圈

7凸缘

8凸缘

9电极头

10紧固构件

11测量管

12金属支撑材料

13第一层片

14第二层片

15测量电极

16保持垫圈

17凸缘

18凸缘

19电极头

20锥形入口

21测量管

22金属支撑材料

23第一层片

24第二层片

25测量电极

26保持垫圈

27凸缘

28凸缘

29电极头

30凹槽

31测量管

32塑料材料

33电极头

34层片

35测量电极

36保持垫圈

37凸缘

Claims

1.一种流量测量装置，所述流量测量装置包括测量管，具有传感器布置和用于确定流速、体积流量和/或质量流量的评估单元，其中所述传感器布置被布置在测量管上或测量管中，所述测量管具有：

A1)金属支撑材料的测量管壁，和

B1)耐腐蚀合成材料的第一层片，其中所述第一层片保护所述金属支撑材料免受腐蚀性的被测介质损害，并且被放置在所述测量管壁的内表面上；或

A2)耐腐蚀合成材料的测量管壁，

其特征在于

C)在所述测量管中所述第一层片的面向所述介质的一侧，或在面向所述介质的所述耐腐蚀合成材料的所述测量管壁上，层片或第二层片被布置用于减小所述被测介质对所述合成材料施加的机械负荷，特别是磨损负荷，其中所述层片或第二层片具有比所述第一层片或耐腐蚀合成材料的所述测量管壁大的硬度。

2.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述层片或第二层片由超过90重量％的、选自以下材料的材料构成：

3.根据权利要求2所述的流量测量装置，其特征在于，所述含有硬质材料的复合材料是陶瓷复合材料，并且其中所述硬质材料优选为氧化或氮化硬质材料。

4.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，其特征在于，所述第一层片由基于多氟聚合物的合成材料和/或天然或合成橡胶构成，优选由PFA和/或PTFE和/或乙烯基橡胶构成。

5.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，其特征在于，所述第二层片的维氏硬度比所述第一层片的维氏硬度大至少两倍，优选五倍。

6.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，其特征在于，所述第二层片被实施为陶瓷管，其中所述陶瓷管宽松地布置在所述测量管中。

7.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，其特征在于，所述第二层片宽松地布置在所述测量管中，并且通过保持垫圈而被紧固以防止在所述测量管中沿着测量管轴线滑动，所述保持垫圈在端部被布置在所述测量管上。

8.根据权利要求7所述的流量测量装置，其特征在于，所述保持垫圈由耐腐蚀镍材料构成。

9.根据权利要求7或8所述的流量测量装置，其特征在于，所述第二层片具有端部凹槽，所述保持垫圈能够被按压到所述端部凹槽中，其中所述凹槽以使得朝向所述被测介质的保持垫圈边缘侧被所述第二层片覆盖的方式实施。

10.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，其特征在于，在所述测量管中，所述第二层片是可替换的。

11.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，其特征在于，所述第二层片以使得所述第二层片在所述测量管的中间区域中的内径小于所述第二层片在所述测量管的端部区域中的内径的方式，在端部锥形地实施。

12.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，其特征在于，所述第一层片不粘接结合到所述金属支撑材料，并且所述第二层片在所述测量管中出现负压的情况下支撑所述第一层片。

13.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，其特征在于，所述流量测量装置是磁感应测量装置，包括磁体系统和至少两个测量电极，所述磁体系统用于建立穿过位于所述测量管中的被测介质的磁场，所述至少两个测量电极用于感测由所述被测介质的移动诱发的电压，其中所述第一层片和所述第二层片各自由电绝缘材料构成，并且其中用于测量电极的开口设置在各个材料层片中。

14.根据权利要求13所述的流量测量装置，其特征在于，所述测量电极具有电极头，其中至少所述电极头由具有至少与所述第二层片相同硬度或比所述第二层片大的硬度的材料构成。

15.根据权利要求13或14所述的流量测量装置，其特征在于，所述测量电极具有可替换的电极头。