CN109416267B

CN109416267B - 用于借助磁感应式流量测量设备测量介质的流速或体积流量的方法和磁感应式流量测量设备

Info

Publication number: CN109416267B
Application number: CN201780041856.5A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·孔; 贡特尔·巴赫尔; 弗兰克·沃伊特
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2037-06-26
Also published as: US20190226890A1; WO2018010943A1; EP3485232B1; DE102016112742A1; US11029182B2; CN109416267A; EP3485232A1

Abstract

本发明涉及一种用于借助磁感应式流量测量设备(120)测量介质的流速或体积流量的方法和一种具有磁感应式流量测量设备的设施(100)以及一种具有这种设施(100)的填充机构，其中，介质具有低的电导率。通过引导介质的管路(110)的第一收窄部(111)和/或引导介质的测量管(10)的第二收窄部(112)实现高的测量精确度，管路(110)将介质引导至流量测量设备(120)的测量管(10)。

Description

用于借助磁感应式流量测量设备测量介质的流速或体积流量的方法和磁感应式流量测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于运行用来测量测量管中的介质的流速或体积流量的磁感应式流量测量设备的方法和一种磁感应式流量测量设备。

背景技术

磁感应式流量测量设备已长久以来用于流体测量并且十分有效。磁感应式流量测量的原理基于在可导电的、穿流过管路的介质中通过磁场感应出与流量相关的电压，所述磁场垂直于流动方向地取向。磁场通常由具有一个或者多个线圈的线圈系统产生。与流量相关的电压由至少两个测量电极量取并且通过测量装备评估。因此，可以从测得的电压和已知的磁场中确定出穿过管路的介质的流量。文献DE 10312058A1描述了这种流量测量设备。

磁感应式测量设备是耐用的且有利于制造的流量测量设备，在测量工作时要求待测量的介质具有最低的电导率。在所述介质的电导率很低的情况下，介质的阻抗增加而信号质量下降，从而通常使用基于其他测量原理的流量测量设备。

发明内容

因此本发明的任务是，建议一种用于借助磁感应式流量测量设备测量介质的流速或体积流量的方法和一种磁感应式流量测量设备，其中，也能够可靠地并且以高精度来测量具有很低电导率的介质。

该任务根据本发明通过一种借助磁感应式流量测量设备来实现的方法、通过一种用于测量管路中的介质的流速或体积流量的磁感应式流量测量设备、以及通过一种用于借助磁感应式流量测量设备测量介质的流速或体积流量的设施、并且通过一种带有根据本发明的磁感应式流量测量设备的填充机构得以解决。

根据本发明的方法借助磁感应式流量测量设备来实现，

所述流量测量设备具备带有至少一个第一线圈系统的磁体系统、测量管和至少两个测量电极，

其中，至少一个第一线圈系统产生基本上垂直于测量管的纵轴线延伸的磁场，用以在介质中感应出与流量相关的电压；

其中，至少两个与介质耦合的测量电极检测在介质中由磁场感应出的电压；

其中，介质经由管路引导至磁感应式测量设备的测量管；

其中，管路具有布置在流量测量设备的指向上游的那侧上的第一收窄部并且/或者测量管具有布置在流量测量设备的指向上游的那侧上的第二收窄部，

并且其中，介质是具有至多20μS/cm电导率、尤其是至多5μS/cm电导率并且优选至多2μS/cm电导率的流体，

其中，介质根据本发明可以是以下列举中的一种介质：

去离子水，

去离子水和至少一种碳氢化合物的混合物，

去离子水和至少一种醇的混合物，

去离子水和至少一种有机化合物、例如维他命或氨基酸的混合物。

去离子水和至少一种酶的混合物。

去离子水和至少一种另外的成分的混合物，所述成分并不使电导率升高超过上述的最大值。

在方法的一种设计方案中，第一收窄部使管路的内横截面积或者第二收窄部使测量管的内横截面积减少了至少10％，尤其是减少了至少30％、优选减少了至少50％。

在方法的一种设计方案中，以ml/s为单位的体积流量与以mm^2为单位的管路内横截面积的比大于0.05ml/(s*mm^2)，尤其是大于0.1ml/(s*mm^2)，优选大于0.5ml/(s*mm^2)，并且小于20ml/(s*mm^2)，尤其是小于10ml/(s*mm^2)，优选小于5ml/(s*mm^2)。

在方法的一种设计方案中，管路具有基本上为圆形的横截面，其中，管路的半径大于1mm，尤其是大于2mm，优选大于5mm，并且小于50mm，尤其是小于35mm，优选小于27mm。

在方法的一种设计方案中，介质从第一收窄部开始直至测量电极的沿着流动方向的路程长度相当于测量管在测量电极的区域中的内直径的至多四十倍、尤其是至多二十倍、优选至多十倍。

在方法的一种设计方案中，在拾取至少一个电压值用以确定流速或体积流量的测量阶段中产生基本上恒定的磁场，

其中，周期性地在不同的场状态之间切换所述磁场，尤其是改变极性，

其中，状态变化的频率大于80Hz，尤其是大于120Hz，优选大于200Hz，其中，状态变化的较高的频率正面地影响通过测量电极检测到的感应电压的信噪比。

根据本发明的、用于测量管路中的介质的流速或体积流量的磁感应式流量测量设备在此包括：

具有第一纵轴线的测量管；

具有至少一个第一线圈系统的磁体系统，该至少一个第一线圈系统具备带有第一线圈芯的至少一个第一线圈，所述第一线圈系统布置在测量管上，其中，所述第一线圈系统设置成用于产生基本上垂直于测量管的第一纵轴线延伸的磁场；

以及布置在测量管中的至少两个测量电极，所述测量电极与介质耦合并且设置成用于检测在介质中由磁场感应出的、与流量相关的电压；

以及电子的测量/运行电路，所述电子的测量/运行电路设置成用于评估由测量电极检测到的电压；

其中，磁体系统包括至少一个场回引部，所述至少一个场回引部设置成用于在测量管之外在对置于第一线圈系统的测量管侧与第一线圈系统之间至少部分地引导的磁场，

其中，场回引部具有两个回引板材，所述回引板材布置在测量管的相对置的侧上，并且其中，第一线圈芯设置成用于在测量管与场回引部之间至少部分地引导磁场并提升线圈系统中的磁通密度，其中，所述回引板材通过气隙相互分隔开。

通过气隙将回引板材分隔开导致在从第一场状态切换到第二场状态时较快地匹配在介质中由磁场感应出的电压。由此能够提升磁场的状态变化的频率，这正面地影响由测量电极检测到的感应电压的信噪比。

在磁感应式流量测量设备的一种设计方案中，气隙确保了回引板材彼此间的间距，其中，回引板材的间距与厚度之间的比大于0.5，尤其是大于1，优选大于1.5。

在磁感应式流量测量设备的一种设计方案中，回引板材关于所述第一纵轴线在其中延伸的平面是对称的。

在磁感应式流量测量设备的一种设计方案中，第一线圈系统的至少一个线圈具有第二纵轴线，其中，气隙与第二纵轴线尤其是垂直地相交。第二纵轴线在此与线圈的对称轴线重合，

其中，流量测量设备在与第一线圈系统相对置的侧上具有尤其是与第一线圈系统构造相同的至少一个第二线圈系统，所述至少一个第二线圈系统具备带有第二线圈芯的至少一个第二线圈，

其中，第一线圈系统和第二线圈系统设置成用于产生基本上垂直于测量管的第一纵轴线且基本上平行于第一线圈系统的第二纵轴线延伸的磁场，

其中，第二线圈芯设置成用于在测量管与场回引部之间引导磁场并且提升线圈系统中的磁通密度，并且其中，场回引部设置成用于在测量管之外在第一线圈系统与第二线圈系统之间至少部分地引导磁场。

在磁感应式流量测量设备的一种设计方案中，电子的测量/运行电路设置成用于对线圈系统进行馈给，以便在拾取至少一个电压值用以确定流速或体积流量的测量阶段中产生基本上恒定的磁场，

其中，电子的测量/运行电路还设置成用于使磁场周期性地在不同的场状态之间切换，尤其是改变极性，

其中，场状态变化的频率大于80Hz，尤其是大于120Hz，优选大于200Hz。

通过提高状态变化的频率来改善信噪比。利用在回引板材之间设置气隙，可以通过使在介质中由磁场感应出的电压较快地匹配于变化的磁场来进一步提升状态变化频率并因此进一步改善信噪比。

根据本发明的设施在此包括：

至少一个管路；

以及至少一个磁感应式流量测量设备，其包括：

测量管；

具有至少一个第一线圈系统的磁体系统，所述第一磁场系统设置成用于产生基本上垂直于测量管的纵轴线延伸的磁场；

以及布置在测量管中的至少两个测量电极，所述测量电极与介质耦合，并且其中，所述测量电极设置成用于检测在介质中由磁场感应出的、与流量相关的电压；

以及电子的测量/运行电路，其设置成用于评估由测量电极检测到的电压；

其中，介质经由管路引导至磁感应式测量设备的测量管，并且其中，管路具有布置在流量测量设备的指向上游的那侧上的收窄部。

根据本发明的收窄部在管路中或在测量管中具有分流棱边，所述分流棱边负责使介质在测量电极的区域中的流型展平。在测量电极区域中的平坦的流型对于信噪比是有利的。

在设施的一种设计方案中，第一收窄部使管路的内横截面积或者第二收窄部将测量管的内横截面积减少了至少10％，尤其是减少了至少30％、优选减少了至少50％。

在设施的一种设计方案中，介质从第一收窄部开始直至测量电极的沿着流动方向的路程长度相当于测量管在测量电极的区域中的内直径的至多四十倍、尤其是至多二十倍、优选至多十倍。

在设施的一种设计方案中，电子的测量/运行电路设置成用于对线圈系统进行馈给，以便在拾取至少一个电压值用以确定流速或体积流量的测量阶段中产生基本上恒定的磁场，

在一种设计方案中，设施具有导出部，所述导出部布置在流量测量设备的指向下游的那侧上，其中，介质经由导出部从流量测量设备引导至容器。

在设施的一种设计方案中，导出部具有阀，所述阀设置成用于控制介质穿流过管路的流速或体积流量。

在一种根据本发明的填充机构中，在此，填充体积具有至少10ml，尤其是至少50ml，优选至少200ml的体积。

在填充机构的一种设计方案中，填充体积具有至多10l，尤其是至多5l，优选至多2l的体积。

在填充机构的一种设计方案中，填充体积与目标填充体积的相对偏差小于1％，尤其是小于0.3％，优选小于0.1％。

因此，通过本发明建议了一种用于借助磁感应式流量测量设备来测量具有很小电导率的介质的流速或体积流量的方法，以及一种用于实现所述方法的磁感应式流量测量设备，以及一种带有这种用来实现所述方法的磁感应式流量测量设备的设施和一种带有磁感应式流量测量设备的填充机构。有利的特征的组合包括：磁场的状态变化的频率为至少80Hz、管路的或测量管的收窄部用于优化在测量电极区域中的流型、以及通过气隙将回引板材分隔开用以提升磁场的状态变化的可能的频率从而改善通过测量电极在介质中量取到的电压的信噪比，这些有利特征的组合使得能够测量穿过管路的、具有至多10μS/cm电导率、尤其是至多5μS/cm电导率，优选至多3μS/cm电导率的介质的流速或体积流量。

接下来借助实施例阐述本发明。

附图说明

图1示出了一种包含根据本发明的管路和根据本发明的磁感应式流量测量设备的示意性设施。

图2示出了一种根据本发明的磁感应式流量测量设备的示意性的横截面。

图3示出了一种根据本发明的方法流程。

图4示出了穿过根据本发明的设施的管路延伸部的示意性纵截面，该设施包含管路和联接在这个管路上的根据本发明的磁感应式流量测量设备的测量管。

具体实施方式

图1示出了一种设施100，其包括磁感应式流量测量设备120、具有第一收窄部111的管路110、和具有阀131的导出部130以及容器140。穿过管路110引导向流量测量设备120的介质在穿过第一收窄部111时得到流速的提升。例如管路具有第一收窄部111，其中，管横截面向着下游朝着第一收窄部111连续地缩小，从而流动阻力相较于突然收窄较少地上升。在雷诺数R接近临界值R_krit的层流的情况中(其中，能够观察到至湍流特征中的过渡)，收窄部111的指向下游的端部用作分流棱边，所述分流棱边促成流动旋涡的形成和分离。在层流的情况中，流型良好地近似于抛物线形状，从而管路110的壁部处的流速实际上为0，而于中间沿着管路110的纵轴线的流速是最大的。流动旋涡影响介质边界层，所述介质边界层在测量电极的情况下于电极材料-介质的边界面处形成。

图2示出了磁感应式流量测量设备120的示意性横截面，所述流量测量设备包括：测量管10；以及用于制造磁场20的磁体系统，所述磁体系统具有第一线圈系统S1和第二线圈系统S2，所述第一线圈系统包括具有第一线圈芯52的第一线圈51，所述第二线圈系统包括具有第二线圈芯62的第二线圈61，所述磁场在测量管之内基本上垂直于测量管轴线；以及两个测量电极31、32；以及具有回引板材41和42的场回引部40。磁场20在穿流过测量管10的介质中产生与流量相关的电压33，该电压由测量电极所量取。在测量管之外经由金属的场回引部在第一线圈系统S1的第一线圈51的第一线圈芯52与第二线圈系统S2之间导引磁场20。根据本发明的场回引部具有两个回引板材41和42，它们通过气隙43相互分隔开。回引板材41、42在此位于第一线圈芯52的背离测量管的一侧上并且位于第二线圈芯62的背离测量管的一侧上。第一线圈芯52和第二线圈芯62可以在面朝测量管的那侧上成形为极靴。然而，在线圈芯与测量管之间也可以分别布置有单独的极靴。回引板材41、42之间的气隙会导致在磁场的场强和/或取向发生变化之后使介质中感应出的电压33较快地匹配于变化的磁场并达到新的、基本上恒定的值。因此，可以进一步地提高磁场的状态变化的频率，这对由测量电极31、32量取到的电压的信噪比具有正面的影响。对第一线圈系统S1和第二线圈系统S2的控制以及对由测量电极31、32量取到的电压的评估通过电子的测量/运行电路确保，为了避免无法概览而在图2中没有示出该电子的测量/运行电路。根据本发明的磁感应式流量测量设备例如也可以仅包括第一线圈系统，其中，回引板材在与第一线圈系统S2相对置的测量管侧上经由场导引元件与测量管连接。

图3示出了根据本发明的方法200的流程。在第一方法步骤201中，穿流过测量管10的介质被引导穿过收窄部，其中，在分流棱边处在介质中形成并分离出湍流，从而使流型展平。在第二方法步骤202中，具有展平的流型的介质被引导经过测量管10中的测量电极31、32。在第三方法步骤203中，介质在穿流过测量管10以后经由带有阀131的导出部130被输送给容器140。

图4示出了穿过根据本发明的设施100的进入区域的示意性纵截面，该设施具有管路110并且具有联接到管路110上的根据本发明的磁感应式流量测量设备120的测量管10。管路走向在管路110内具有第一收窄部111并且在测量管10内具有第二收窄部112，其中，管路110的或测量管10的横截面积在第一收窄部111区域内或第二收窄部区域内朝着下游减小。穿过管路110被引导至流量测量设备120的介质通过第一收窄部111获得流速提升，并且通过第二收窄部112获得流速的进一步提升。在介质中，当流速足够高时，就会在分流棱边113、114处产生流动旋涡。通过产生流动旋涡，第一收窄部111和第二收窄部112对信噪比具有正面的影响，尤其是第一收窄部111和第二收窄部112的组合对信噪比具有正面的影响。收窄部在此布置在流量测量设备的指向上游的那侧上。

附图标记列表

10 测量管

20 磁场

31 测量电极

32 测量电极

33 电压

40 场回引部

41、42 回引板材

43 气隙

S1 第一线圈系统

51 第一线圈

52 第一线圈芯

L2 第二纵轴线

S2 第二线圈系统

61 第二线圈

62 第二线圈芯

100 设施

110 管路

111、112 收窄部

113、114 分流棱边

120 磁感应式流量测量设备

130 导出部

131 阀

140 容器

200 方法

201 第一方法步骤

202 第二方法步骤

203 第三方法步骤

Claims

1.用于测量在测量管中的介质的流速或体积流量的磁感应式流量测量设备，包括：

具有第一纵轴线的测量管(10)；

具有至少一个第一线圈系统(S1)的磁体系统，所述至少一个第一线圈系统具备带有第一线圈芯(52)的至少一个第一线圈(51)，所述第一线圈系统(S1)布置在所述测量管(10)上，其中，所述第一线圈系统设置成用于产生基本上垂直于所述测量管(10)的第一纵轴线延伸的磁场(20)；

以及布置在所述测量管(10)中的至少两个测量电极(31、32)，所述测量电极与介质耦合并且设置成用于检测在介质中由所述磁场(20)感应出的、与流量相关的电压(33)；

以及电子的测量/运行电路，所述电子的测量/运行电路设置成用于评估由所述测量电极(31、32)检测到的电压；

其中，所述磁体系统包括至少一个场回引部(40)，所述至少一个场回引部设置成用于在所述测量管之外在对置于所述第一线圈系统(S1)的测量管侧与所述第一线圈系统(S1)之间至少部分地引导磁场，

其中，所述场回引部(40)具有两个回引板材(41、42)，所述回引板材布置在所述测量管的相对置的侧上，并且其中，所述第一线圈芯(52)设置成用于在所述测量管与所述场回引部(40)之间至少部分地引导磁场，

其特征在于，所述回引板材(41、42)通过气隙(43)相互分隔开。

2.根据权利要求1所述的磁感应式流量测量设备，

其中，所述气隙(43)确保所述回引板材彼此间的间距，并且其中，所述回引板材的间距与厚度之间的比大于0.5。

3.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量设备，

其中，所述回引板材(41、42)关于所述第一纵轴线在其中延伸的平面是对称的。

4.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量设备，

其中，所述第一线圈系统(S1)的至少一个第一线圈(51)具有第二纵轴线(L2)，并且其中，所述气隙(43)与所述第二纵轴线(L2)相交。

5.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量设备，

其中，所述流量测量设备在与所述第一线圈系统(S1)相对置的侧上具有至少一个第二线圈系统(S2)，所述至少一个第二线圈系统具备带有第二线圈芯(62)的至少一个第二线圈(61)，

其中，所述第一线圈系统(S1)和所述第二线圈系统(S2)设置成用于产生基本上垂直于所述测量管(10)的第一纵轴线且基本上平行于所述第一线圈系统(S1)的第二纵轴线(L2)延伸的磁场，

其中，所述第二线圈芯(62)设置成用于在所述测量管(10)与所述场回引部(40)之间至少部分地引导磁场并提升磁通密度，并且其中，所述场回引部设置成用于在所述测量管之外在所述第一线圈系统(S1)与所述第二线圈系统(S2)之间至少部分地引导磁场。

6.根据权利要求1或2所述的磁感应式流量测量设备，

其中，所述电子的测量/运行电路设置成用于对所述线圈系统进行馈给，以便在拾取至少一个电压值用以确定流速或体积流量的测量阶段中产生基本上恒定的磁场，

其中，所述电子的测量/运行电路还设置成用于使磁场周期性地在不同的场状态之间切换，

其中，场状态变化的频率大于80Hz。

7.用于借助根据权利要求1至6中任一项所述的磁感应式流量测量设备来测量测量管中的介质的流速或体积流量的设施，所述设施包括：

至少一个管路(110)；

以及至少一个所述磁感应式流量测量设备(120)；

其中，介质经由所述管路(110)引导至所述磁感应式测量设备的测量管(10)，

其中，

所述管路(110)具有至少一个布置在流量测量设备(120)的指向上游的那侧上的第一收窄部(111)并且/或者所述测量管(10)具有至少一个布置在流量测量设备(120)的指向上游的那侧上的第二收窄部(112)，并且其中，所述第一收窄部(111)或所述第二收窄部(112)至少在指向下游的那侧上具有分流棱边(113、114)。

8.根据权利要求7所述的设施，其中，所述第一收窄部(111)使所述管路(110)的内横截面积或者所述第二收窄部(112)使所述测量管(10)的内横截面积减少了至少10％。

9.根据权利要求7或8所述的设施，其中，介质从所述第一收窄部(111)开始直至所述磁感应式流量测量设备(120)的测量电极(31、32)的沿着流动方向的路程长度相当于所述测量管在所述测量电极(31、32)的区域中的内直径的至多二十倍。

10.根据权利要求7或8所述的设施，

其中，所述磁感应式流量测量设备(120)的电子的测量/运行电路设置成用于对所述磁感应式流量测量设备(120)的线圈系统(S1、S2)进行馈给，以便在拾取至少一个电压值用以确定流速或体积流量的测量阶段中产生基本上恒定的磁场，

其中，场状态变化的频率大于80Hz。

11.根据权利要求7或8所述的设施，

其中，所述设施(100)具有导出部(130)，所述导出部布置在流量测量设备的指向下游的那侧上，其中，介质经由所述导出部(130)从流量测量设备引导至容器(140)。

12.根据权利要求11所述的设施，其中，所述导出部(130)具有阀(131)，所述阀设置成用于控制介质穿流过管路(110)的流速或体积流量。

13.具有根据权利要求7至12中任一项所述的设施的填充机构，

其中，填充体积具有至少10ml。

14.根据权利要求13所述的填充机构，

其中，所述填充体积与目标填充体积的相对偏差小于1％。

15.具有根据权利要求7至12中任一项所述的设施的填充机构，

其中，填充体积具有至多10l。

16.根据权利要求15所述的填充机构，

其中，填充体积具有至少10ml。

17.根据权利要求15或16所述的填充机构，

其中，所述填充体积与目标填充体积的相对偏差小于1％。