CN106574858B - 具有多个测量电极对和不同测量管横截面的磁感应流量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种使用磁感应测量原理测量流体流量的设备(1)，包括：在流体的流动方向中具有彼此相接的至少两个分段(11，11’)的测量管(3)，其中所述分段(11，11’)的直径和/或横截面区域的几何形状不同；具有用于产生本质上方向垂直于流体的流动方向的磁场(10)的至少两个线圈的至少一个磁体系统(9，9’)；用于感测感应电压的至少两个测量电极对(8，8’)，其中至少一个测量电极对(8)被布置在第一分段(11)中，并且第二测量电极对(8’)被布置在第二分段(11’)中，其中每个测量电极对(8，8’)都包括第一测量电极和第二测量电极，其中所述测量电极在测量管中或测量管上彼此相对，并且所述测量电极的相应连接线垂直于管轴线并且垂直于所述磁场(10)；以及用于信号记录和/或评价以及用于线圈供电的电子单元，其中所述电子单元(6)被实施为其从所述感应电压确定至少一个分段(11，11’)的流体的流速和/或流率。

Description

具有多个测量电极对和不同测量管横截面的磁感应流量测量 装置

技术领域

本发明涉及一种用于使用磁感应测量原理测量流经测量管的流体流量的设备和方法。

背景技术

在流体具有例如5μS/cm导电率的情况下，磁感应流量测量装置被广泛地应用于过程和自动控制技术中。相应流量测量装置例如由申请人以商标PROMAG，以各种应用领域实施例的大部分变化形式销售。

磁感应测量原理基于法拉第磁感应原理，并且从多个公开已知。通过被固定在测量管分段上的磁体系统，本质上方向与感应流体的流动方向垂直地产生根据时间强度恒定的磁场。以这种方式，在流动流体中存在的离子根据它们的电荷转向相反方向。通过同样被固定在测量管分段中的至少一个测量电极对感测这种电荷分离导致的电压。感测电压与流体的流速成比例，并且因此与体积流率成比例。

在这种情况下，磁感应流量测量装置的测量精确性取决于许多不同的因素。其中一些关注构造本身，诸如磁体系统的定位精确性，或者通过至少一个测量电极对读取测量信号以及电极对的几何布置；其它因素由流体的特殊流速以及流体的物理特性预定。

原则上，测量电极应提供对测量信号的敏感并且同时是低干扰的记录。通常，测量电极由两部分组成：至少几乎完全位于测量管壁中的电极轴；和用于与流体直接耦合并且记录测量信号的电极头部。电极头部的几何布置例如能够带尖端，或者具有蘑菇头形状。

关于至少一个测量电极对在测量管分段中的布置，测量电极应在测量管中彼此相对，并且电极的连接线应垂直于管轴线并且垂直于磁场。

除了这些相当结构性的方面之外，流体的导电性、测量管中的主要存在的流型以及流体的流速在测量精确性中起重要作用。

例如在DE 10 2006 014 679 A1中公开的，从现有技术已知使用超过一个测量电极对。这种方法的原因每种情况都不同。然而，所有情况下的目标都在于提高测量精确性。在2013年3月28日提交的先前未公开申请号102013103211.7中，在其中发生对感应电压冗余感测的情况下，描述了具有多个测量电极对的磁感应流量测量装置。以这种方式，信噪比——测量信号中期望信号部分与干扰信号部分的比例——被最优化。换句话说，测量值散点和测量偏差降低。

用于提高测量精确性的另一种方法在于向着这种目标修改测量管。例如，在EP2600119A1中，公开了将测量管细分为入流段、测量段和出流段，其中三个测量管段具有不同的横截面。尤其是，对于测量段选择小于其它两段的横截面。尤其是，测量段的横截面具有矩形测量管轮廓。横截面缩小提供测量段区域中的流体的流速增大的优点。

小流速导致测量信号非常小。此外，在较小流速的情况下，零点不稳定能够非常强地负面地影响测量。更大流速由于磁场引起的更大的电荷分离而产生更强的测量信号，并且相应地也提高测量精确性。

另一方面，非常高的流速导致发生气穴现象，气穴现象同样负面地影响测量精确性，所以关于测量精确性，既不以非常高也不以非常低的流速测量有利。

下文也应涉及导电率。对于低导电率的流体，测量电极处的干扰噪声随着流速增大比期望信号更明显强烈地升高。因此，在具有低导电率的流体的情况下避免高流速有利。例如对于水，例如这对于≤20μS/cm的导电率成立。

另一重要方面关注测量管中主要存在的流型。这一方面取决于雷诺数，雷诺数继而取决于流速、测量管的几何形状及其内部的表面粗糙度，取决于介质的物理和/或化学参数，诸如粘度，并且取决于测量管中的流体在其中安装有测量装置的测量管分段之前的流体的入流条件。在给定流量的情况下，分别是在给定体积流量的情况下，测量管的横截面确定流体的流速。对于非常低的流速，在紧邻测量管分段的测量管的充分长、直、入流段的情况下，通常存在层流流型。如果流速，分别是雷诺数增大，达到其中流量易受最小扰动影响的过渡区，则直到特定流速后，才逐渐存在湍流流型。

在其中雷诺数处于典型层流和湍流之间的过渡区的测量情况下，发生高测量偏差和测量值散点。因此，在这种情况下，可能的测量偏差比层流或者湍流流型的情况下更大。因而，此外在测量流量时避免层流和湍流之间的这种过渡区域有利。

总而言之，取决于测量管的横截面的流速决定性地确定磁感应流量测量的测量精确性。

发明内容

因而，本发明的目标在于提供一种用于根据磁感应测量原理测量流量的设备和方法，其中对于每种应用，基于其确定流率的流体流速在可能范围内都处于最佳流速范围内。

通过一种使用磁感应测量原理测量流经测量管的流体流量的设备实现根据本发明的目标，这种设备包括：

(I)在流体的流动方向中具有彼此相接的至少两个分段的测量管，其中分段的直径和/或横截面区域的几何形状不同，

(II)具有用于产生本质上方向垂直于流体的流动方向的磁场的至少两个线圈的至少一个磁体系统，

(III)用于感测感应电压的至少两个测量电极对，其中至少一个测量电极对被布置在第一分段中，并且第二测量电极对被布置在第二分段中，其中每个测量电极对都包括第一和第二测量电极，其中测量电极在测量管中彼此相对，并且测量电极的相应连接线垂直于管轴线并且垂直于磁场，以及

(IV)用于信号记录和/或评价以及线圈的供电的电子单元，其中电子单元被实施为其从感应电压确定至少一个分段的流体的流速和/或流率。

因而，在特殊流率的情况下，测量管的至少两个分段中的流速不同。然后，通过下文所述的各种方式，能够选择其中流速处于最佳流速范围内的分段。

当将其中存储实验确定或者数学模型计算的流体特定和/或测量管特定参数和/或特性曲线的存储单元与电子单元相关联，并且电子单元被实施为其根据所应用的数学模型并且基于参数和/或特性曲线，从流体的流速和分段横截面确定每个分段中主要存在的流型时有利。

在优选实施例中，电子单元还被实施为其在可能范围内为了确定流量选择主要存在的流型处于层流和湍流之间的过渡区之外的分段。

在另外实施例中，电子单元被实施为为了确定流量，其向不同分段的流速提供适合相应流型的权重因子，然后将其在不同分段中的流速上取平均。这种程序使得能够比较对不同流速确定的流量的两个值，并且消除分别太高或者太低流速导致的不精确性。

关于对上文已经描述的流体导电率的影响，提供用于记录流体的导电率的传感器元件有利。然后，电子单元应被实施为对于具有一定组分的流体，在与测量相关的流量范围内的信号噪声随着流速增大而比测量信号更显著地增大的情况下，尤其是在具有小导电率的流体的情况下，为了测量流量使用被布置在具有最大横截面的分段中的测量电极对。

当测量电极具有不同几何形状，尤其是带尖端、销形、柱形、锥形或者蘑菇头几何形状。不同的几何形状以以不同的方式影响流动流体，因为它们不同地突出到它们与其相关联的相应测量管分段中。因而，取决于测量电极的所选几何形状不同地影响主要存在的流型。此外，具有更大直径的分段中的带尖端几何形状的选择在该分段中主要存在的较低流速导致的易受影响介质的情况下防止形成沉积物。

在优选实施例中，至少两个测量电极对被安装在至少一个分段中。除了在具有不同横截面的分段处测量之外，该实施例还允许冗余因此允许更精确地感测测量信号。

在另外的优选实施例中，磁体系统被构造成其在所有分段上延伸。可替选地，能够对每个分段都提供单独的磁体系统。

此外，通过一种使用磁感应测量原理测量流经测量管的流体的方法实现本发明的目标，

(I)测量管由在流体的流动方向中彼此相接的至少两个分段组成，其中分段的直径和/或横截面几何形状不同，

(II)其中产生方向本质上垂直于流体的流动方向并且穿过测量管的磁场，

(III)其中感测在每个分段中感应的电压，以及

(IV)其中对于至少一个分段，都从所感应的电压确定流体的流速和/或流率。

在这种情况下，当被存储在存储单元中的、基于实验确定或者数学模型计算的流体特定和/或测量管特定参数和/或特性曲线，对于每个分段都从流体的流速和分段的横截面根据所应用的数学模型确定主要存在的流型时有利。

同样地，当在可能范围内确定流量，一方面，选择其中主要存在的流型处于层流和湍流之间的过渡区域之外的分段，并且另一方面不发生过小或者过大的流速时有利。

在用于确定流量的优选实施例中，向不同分段的流速提供适合流型的权重因子。然后，利用权重因子对不同分段的流速取平均。

在尤其优选实施例中，在小流率的情况下，使用被布置在具有最小横截面的分段中的测量电极对。该分段是具有最高流速的分段。因此，测量精确性提高。在水的情况下，例如，这适合具有更大直径的分段中≤10cm/s的流速。

以类似方式，在高流率的情况下，使用被布置在具有最大横截面的分段中的测量电极对有利。其中流速最小，使得能够给避免诸如在水的流速为≥12m/s的情况下能够发生的气穴的发生。在具有较小直径的分段中的这些流速的情况下，能够使用具有较大直径的分段。为了使在气穴情况下可能出现的气泡不在具有更大直径的分段中导致干扰，测量管中的分段参考流动方向的布置优选从具有较大直径的分段至具有最小直径的分段。

附图说明

现在将基于附图描述本发明，附图示出如下：

图1是根据现有技术的磁感应流量测量装置；

图2是具有不同横截面的两个分段的本发明的测量装置；

图3是示出测量值偏差与主要存在的流型的相关性的示意图；以及

图4是用于确定图2的布置中的流量的本发明的方法的方框图。

具体实施方式

图1示出用于测量流经测量管3的流体2的流量的磁感应流量测量装置1。测量管在整个长度上在面对流体的区域中，即在内部上都具有电绝缘内衬4。其中示出用于感测所感应的电压的两个测量电极对8，8’和被示意性地示出为两个盒子的磁体系统9，9’。磁体系统包括用于产生磁场10的至少两个线圈，并且在本发明的可选实施例中也包括用于实施磁场的有利空间分布的极靴。测量电极对8，8’的相应连接轴线每个都垂直于位于测量管的相对侧上的磁场线圈9，9’的连接轴线。

具有其相应组件，诸如测量电极对8，8’和磁体系统9，9’的传感器单元通常至少部分地被外壳5包围。进一步在外壳5内或者在当前情况下是在外壳5外部设置通过连接电缆7连接现场装置的电子单元6。电子单元用于信号记录和/或评价并且将电力供应至线圈，以及例如为了测量值输出或者装置调节而提供环境接口。

图2作为示例示出本发明的具有两个分段的测量管3，第一分段11具有大横截面d₁，并且第二分段11’具有小横截面d₂。优选组合将是第一分段11为DN15并且第二分段11’为DN8的标称直径。在第一分段11中定位有第一测量电极对8，并且在第二分段11’中定位有第二测量电极对8’。当然，这仅是实施例的示例。对于不同分段11，11’能够选择其它尺寸组合。能够使用超过两个分段11，11’，或者能够每个分段11，11’都安装至少一个进一步测量电极对8a，8a’。

图3作为示例示出对于诸如图2中所示的具有两个横截面d₁和d₂的两个分段11，11’的牛顿液体的、具有测量值偏差对主要存在的流型或流率的相关性的两个分绘图的示意图，其中d₁＞d₂。对于低局部流速v，存在层流流型，并且对于高流速，存在湍流流型。在这两种流型之间，在每种情况下都存在过渡区12，12’。由于在给定流率的情况下，两个分段11，11’中的流速并且尤其是雷诺数不相等，所以两个分段11，11’的过渡区12，12’处于不同流率。具有较大横截面d₁的第一分段11中的流速以比率d₂ ²/d₁ ²比与具有较小横截面d₂的第二分段11’中的流速慢。因而，湍流在第一分段11中以较高流率开始，这是因为与分段11’相比，在较高流率下超过临界雷诺数。因此，第一分段的过渡区12的流率比第二分段11’的过渡区12’高。这里的考虑仅主要依赖于流速。实际上，流型的决定因素是流速和直径的乘积。然而，因为在给定流率的情况下，诸如上文所述，流速与直径的平方成反比，两个变量彼此不独立，并且尤其是相对于对雷诺数的影响，流速的变化比直径的变化占优势。

图4示出本发明的方法的方框图。起点仍为图2中所示的具有两个分段11，11’和两个测量电极对8，8’的布置。对于本文所示的示例，假定两个分段11，11’的图3中所示的过渡区12，12’彼此不重叠，因而位于流率的不同间隔内。此外，缺乏上文所述的用于确定流速的个别测量值的权重。然而，在其它情况下将考虑这种方法步骤。此外，为了简单，在该示例中未示出对主要存在的流型的确定。

根据本发明，在第一步骤中确定两个分段11，11’的流速。基于在存储单元中存储的、实验确定或者数学模型计算的流体特定参数和/或特性曲线，然后继而能够从流速导出主要存在的流型。在本示例的第二步骤中，确定流体的导电率。根据本发明，这种程序不是绝对必要的，但是在特定情况下，尤其是在具有低导电率流体的情况下，其提高了测量精确性。如果导电率低，则选择具有更大横截面d₁的第一分段11，因为在这种情况下，随着流速增大，取决于流速的信号噪音比测量信号更强地增大。

对于平均和高导电率，仅主要存在的流型确定分段11，11’的选择。如果给定流率是使得在第一分段11(d₁＞d₂)中仅主要存在低流速，则选择具有较小直径d₂的第二分段12a。在这种情况下，其中的流速最大，然而仍处于层流区。因而，测量的精确性提高。对于低但是稍微更高的流率，则过渡区12a始于第二分段11’(d₂)，所以选择具有更大直径d₁的第一分段11，其中流型认为层流。

对于平均流率，情况相反。在第一分段11(d₁)中，过渡区12开始，而在具有较小横截面d₂的第二分段11a中，已经存在湍流。因而选择第二分段11’，因为在这种情况下，流型处于过渡区12，12’之外。

对于非常高的流速，流型在两个分段11，11’中都为湍流。然而，气穴更快在具有较小横截面d₂的第二分段11’中开始，所以选择第一分段11(d₁)。

图4的方框图能够视需要地扩展，例如当使用超过两个分段11，11’时、当在至少一个分段12，12’中设置超过一个测量电极对8，8’时，或者当不同分段11，11’中的过渡区12，12’不处于不同流速间隔内，因而必须执行平均时。

标识符列表

1 现有技术的磁感应流量测量装置

2 流动流体

3 测量管

4 电绝缘衬里、内衬

5 外壳单元或者外壳

6 电子单元

7 连接电缆

8，8’ 分段12，12’中的测量电极对

8a，8a’ 分段12，12’中的其它测量电极对

9，9’ 具有至少两个线圈，并且取决于实施例也具有极靴，尤其是在整件实施例的情况下，或者在多部分实施例的情况下处于一个分段内的磁体系统

9a，9a’ 多部分实施例的情况下的进一步磁体系统

10 方向垂直于流体的流动方向以及测量电极对的相应连接轴线的磁场

11，11’ 第一分段(d₁)、第二分段(d₂)

12，12’ 第一过渡区、第二过渡区

Claims (13)

1.一种使用磁感应测量原理测量流体的流量的设备(1)，包括：

(I)测量管(3)，所述测量管(3)在所述流体的流动方向中具有彼此相接的至少两个分段(11,11’)，其中所述分段(11,11’)的直径和/或横截面区域的几何形状不同，

(II)至少一个磁体系统(9,9’)，所述磁体系统(9,9’)具有至少两个线圈，用于产生本质上方向垂直于所述流体的流动方向的磁场(10)，

(III)至少两个测量电极对(8,8’)，用于感测感应电压，

其中至少一个测量电极对(8)被布置在第一分段(11)中，并且第二测量电极对(8’)被布置在第二分段中，

其中每个测量电极对(8,8’)包括第一测量电极和第二测量电极，

其中所述测量电极在所述测量管中或所述测量管上彼此相对，并且所述测量电极的相应连接线垂直于管轴线并且垂直于所述磁场(10)，以及

(IV)电子单元(6)，用于信号记录和/或评价以及所述线圈的供电，

其中将存储单元与所述电子单元(6)相关联，在所述存储单元中存储实验确定或者数学模型计算的、流体特定和/或测量管特定的参数和/或特性曲线，

其中所述电子单元(6)被实施为对于每一个分段(11,11’)，从所述感应电压确定所述流体的流速和/或流率，

其中所述电子单元(6)被实施为根据所应用的数学模型，基于所述参数和/或特性曲线，从所述流体的流速确定每个分段(11,11’)的主要存在的流型，

其中所述电子单元(6)被实施为评价是否所述测量的一个在层流和湍流之间的过渡区(12,12’)中，

其中所述电子单元(6)被实施为为了确定流量，选择其中主要存在的流型处于在层流和湍流之间的各个过渡区(12,12’)之外的分段(11,11’)中的一个。

2.根据权利要求1所述的设备，

其中设置传感器元件以记录所述流体的导电率，并且其中所述电子单元(6)被实施为对于具有一定组分的流体，在与测量相关的流量范围内的信号噪声随着流速增大而比测量信号更显著地增大的情况下，为了确定流量，使用被布置在具有最大横截面的分段(11)中的测量电极对(8,8’)。

3.根据权利要求1所述的设备，

其中各个测量电极具有不同几何形状。

4.根据权利要求1所述的设备，

其中至少两个测量电极对(8,8a,8a’,8a’)被安装在至少一个分段(11,11’)中。

5.根据权利要求1所述的设备，

其中所述磁体系统(9,9’)被构造成在所有分段(11,11’)上延伸。

6.根据权利要求1所述的设备，

其中对每个分段(11,11’)都提供单独的磁体系统(9,9a,9’,9a’)。

7.根据权利要求1所述的设备，

其中设置传感器元件以记录所述流体的导电率，并且其中所述电子单元(6)被实施为对于具有一定组分的流体，在具有小导电率的流体的情况下，为了确定流量，使用被布置在具有最大横截面的分段(11)中的测量电极对(8,8’)。

8.根据权利要求1所述的设备，

其中各个测量电极具有带尖端、销形、柱形、锥形或者蘑菇头几何形状。

9.一种使用磁感应测量原理测量流动流体的方法，

(I)测量管(3)由在所述流体的流动方向中彼此相接的至少两个分段(11,11’)组成，其中所述分段(11,11’)的直径和/或横截面区域的几何形状不同，

(II)其中产生磁场(10)，并且所述磁场(10)的方向本质上垂直于所述流体的流动方向并且穿过所述测量管(3)，

(III)其中感测在每个分段(11,11’)中感应的电压，以及

(IV)其中对于每个分段(11,11’)，从所感应的电压分别确定所述流体的流速和/或流率，

(V)其中基于被存储在存储单元中的、实验确定或者数学模型计算的流体特定和/或测量管特定的参数和/或特性曲线，根据所应用的数学模型从所述流体的流速确定每个分段(11,11’)中主要存在的流型，

(VI)其中对于每个分段(11,11’)，评价是否所述测量的一个在层流和湍流之间的过渡区(12,12’)中，

(VII)为了确定流量，选择主要存在的流型处于在层流和湍流之间的各个过渡区(12,12’)之外的分段(11,11’)中的一个。

10.根据权利要求9所述的方法，

其中在小流率的情况下，使用被布置在具有最小横截面的分段(11’)中的测量电极对(8’)。

11.根据权利要求9所述的方法，

其中在高流率的情况下，使用被布置在具有最大横截面的分段(11)中的测量电极对(8)。

12.根据权利要求9所述的方法，

其中对于具有一定组分的流体，在与测量相关的流量范围内的信号噪声随着流速增大而比测量信号更强烈地增大的情况下，为了确定流量，使用被布置在具有最大横截面的分段(11)中的测量电极对(8,8’)。

13.根据权利要求9所述的方法，

其中对于具有一定组分的流体，在具有小导电率的流体的情况下，为了确定流量，使用被布置在具有最大横截面的分段(11)中的测量电极对(8,8’)。

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