CN111566454A - 磁感应流量计 - Google Patents

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CN111566454A CN201880081446.8A CN201880081446A CN111566454A CN 111566454 A CN111566454 A CN 111566454A CN 201880081446 A CN201880081446 A CN 201880081446A CN 111566454 A CN111566454 A CN 111566454A
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西蒙·特里本巴赫尔
拉斐尔·赫斯
奥利弗·格拉芙
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Abstract

本发明涉及一种磁感应流量计(1)，包括：具有测量管轴线(11)和测量管壁(12)的测量管(10)；用于产生垂直于测量管轴线延伸的磁场的磁体系统(20)；至少一对测量电极(30)，用于感测由磁场在介质中诱导的电压；用于操作磁体系统和测量电极的电子测量/操作电路(40)，其中，磁体系统(20)包括：线圈系统(21)，其具有至少一个具有线圈芯体(21.2)的线圈(21.1)；两个极靴(22)；其中线圈系统(21)具有用于场反向引导的装置(21.3)，其特征在于，线圈中的磁场相对于测量管轴线的切向分数等于总磁场的至少90％，其中，用于场反向引导的装置(21.3)具有至少一个反向引导部件(21.4)，该反向引导部件(21.4)延伸穿过至少一个线圈并形成至少一个线圈(21.1)的线圈芯体(21.2)。

Description

磁感应流量计
技术领域
本发明涉及一种用于测量流过测量管的介质的体积流量或流速的磁感应流量计。
背景技术
磁感应流量计基于测量由磁场在导电介质中诱导的电压，该电压线性取决于所施加的磁场以及通过测量管的介质的体积流量。
通常借助于具有至少一个线圈的磁体系统来产生磁场。因此，例如，DE102015122664A1公开了一种磁感应流量计，在这种磁感应流量计的情况下，借助于两个线圈产生垂直于测量管轴线的磁场，其中，线圈轴线垂直于测量管轴线。测量管外部和线圈外部的磁场借助于场引导件在两个线圈之间引导，其中，在每种情况下借助于极靴产生在线圈的线圈芯体和场引导件之间以及在测量管和线圈芯体之间的磁连接。由于每个连接表示磁通的中断，因此降低流量计的性能。此外，在线圈的区域中产生磁场的集中意指必需在狭窄的空间区域中应用许多匝的线圈线。这导致减少的热量散发并浪费昂贵的原材料，因为在狭窄的空间区域中的许多匝仅能通过使用大量的绕组层来实现。
发明内容
因此，本发明的目的是一种至少减少上述缺点中的至少一个的磁感应流量计。
该目的通过独立权利要求1中限定的磁感应流量计来实现。
本发明的用于测量流过测量管的介质的体积流量或流速的电磁感应流量计包括：
测量管，其具有测量管轴线和测量管壁；
用于产生磁场的磁体系统，其垂直于测量管轴线延伸，其中磁体系统被放置在测量管的外部；
至少一对测量电极，其与位于测量管中的介质电容性或电流性耦合，其中，测量电极适于感测由磁场在介质中诱导的电压，其中，该一对测量电极中的第一测量电极被布置在测量管的第一侧，并且该一对测量电极中的第二测量电极被布置在测量管的第二侧；
用于操作磁体系统和测量电极以及提供流量的测量值的电子测量/操作电路，
其中，磁体系统包括：
线圈系统，其具有至少一个具有线圈芯体的线圈；
被布置在测量管的相对侧的两个极靴，其中，极靴适于将由线圈系统产生的磁场传递到测量管中，以及接收已经通过测量管的磁场，并将磁场反向引导到线圈系统；
其中，线圈系统具有用于场反向引导的装置，该装置适于引导极靴之间的、测量管的外部的磁场，
其特征在于，
线圈中的磁场相对于测量管轴线的切向分数等于总磁场的至少80％，尤其是至少90％，
其中，用于场反向引导的装置具有至少一个反向引导部件，至少一个反向引导部件延伸穿过至少一个线圈并形成至少一个线圈的线圈芯体，
其中，用于场反向引导的装置具有至少一个反向引导部件，其延伸穿过至少一个线圈并形成至少一个线圈的线圈芯体。
可以借助于包括径向坐标、轴向坐标和切向坐标的圆柱对称坐标系来描述测量管。因此，磁场的切向分数涉及磁场的沿着切向坐标定向的部分。通过将场反向引导件和至少一个线圈组合成一个单元以便消除两个组件的连接，至少一个线圈在测量管上的切线方向以及场反向引导件通过该线圈的延伸消除了场反向引导件和线圈芯体之间每个极靴的过渡。这样，减小了磁体系统的磁阻。切向分数占总磁场的80％的最小值可以为线圈沿着相关的反向引导部件的易轴向或径向定向留出空间。
极靴在每种情况下优选地由至少一个非晶粒取向的板金属件制成并且抵靠在测量管上。
在实施例中，反向引导部件具有至少一层符合标准DIN EN 10106 2007-11版的电板金属，或其中，电板金属尤其是晶粒取向的，并且满足标准DIN EN 10107 2005-10版的要求，其中，晶粒取向与反向引导部件中的磁通平行。
导磁材料的晶粒取向提供非各向同性磁导率，其中材料沿晶粒取向的磁阻最小。通过使晶粒取向沿着反向引导件中的磁场的磁通取向，从而减少磁体系统的磁阻。
在一个实施例中，线圈具有最多15个绕组层，并且尤其是最多10个绕组层，并且优选地最多5个绕组层。
以这种方式，可以最小化诸如例如铜或银的用于绕组线圈的原材料的使用。此外，这减少了由线圈和许多绕组层中的高电流引起的线圈过热的危险。
在一个实施例中，线圈沿其纵轴的长度关于测量管轴线对向的角度α为至少2度，尤其是至少5度，优选地至少10度。较大的长度有助于减小绕组层的数量。
在一个实施例中，在测量管的第一侧和第二侧上在每种情况下布置有至少一个线圈，该线圈具有相关的反向引导部件。
线圈和相关的反向引导部件的两侧布置有助于在极靴中均匀地形成磁通，这导致在测量电极区域中磁场的空间均匀分布。
在实施例中，测量管沿测量管轴线延伸具有两个远区域、中央区域和两个中间区域，其中，在每种情况下，中间区域被布置在远区域和中央区域之间，
其中，测量管在每种情况下在其远区域中具有法兰和卡圈，法兰适于被连接到管道，
其中至少一个测量电极对被布置在中央区域中。
在实施例中，极靴和/或引导部件和/或线圈在每种情况下相对于测量管的横截面和/或纵向截面对称地布置。
通过增加磁体系统的对称度，可以在测量电极的区域中均匀地形成磁场的空间分布。
在实施例中，极靴在中央区域中关于测量管轴线对向的角度βM为至少40度，尤其是至少80度，优选地至少120度，其中，极靴彼此分开两个间隙，其中每个间隙关于测量管轴线对向的角度γ为至少5度，尤其是至少10度，优选地至少15度。
这样，可以适于测量管中磁场的分布。极靴之间的间隙的最小延伸有助于防止磁短路，在这种情况下，测量管中的磁通受到干扰。
在实施例中，反向引导部件被布置在中央区域中，并且尤其是具有至少一个馈通，尤其是用于测量电极接触，
其中，反向引导部件延伸穿过至少一个线圈，并且优选地延伸穿过两个线圈，
其中，尤其是至少两个线圈相对于对应测量电极被布置在相对侧上。
在实施例中，极靴关于测量管轴线在中间区域中在每种情况下对向的角度βZ比角度βM小至少30度，尤其是至少40度，并且优选地至少50度，
其中，场反向引导件在第一侧和/或第二侧具有至少两个反向引导部件，至少两个反向引导部件在每种情况下在中间区域中磁性地连接到极靴。
在实施例中，包括屏蔽装置，该屏蔽装置适于使法兰(10.5)和卡圈的磁干扰影响最小化，
其中，屏蔽装置具有至少一个屏蔽带，其至少部分地围绕测量管，其中，屏蔽带被布置在法兰和中央区域之间或者在卡圈的面向中央区域的一侧上，
其中，屏蔽带由导磁材料制成，
其中，屏蔽带例如是一件或是由多个带部分组成。
这有助于增加磁体系统的可能的开关频率以及更长的测量时间，因为在临界极限下由测量电极区域中的法兰和卡圈中诱导的电流引起的磁干扰影响下降得更快。
在实施例中，屏蔽装置具有两个屏蔽带，每个屏蔽带均与法兰相关联。
在实施例中，该反向引导部件具有至少5层，尤其是至少10层，优选地至少15层的电板金属。以这种方式，可以提高反向引导部件的导磁率。
在实施例中，测量管的内径为至少0.35米，尤其是至少1米，优选地至少1.5米。
尤其在具有较大管径的测量管的情况下，本发明在流量计的性能方面具有很大的优势。
附图说明
现在将基于在附图中呈现的实施例的示例来描述本发明，其附图如下所示：
图1是根据现有技术的典型的磁感应流量计；
图2是本发明的磁感应流量计；
图3a)至c)是本发明的磁感应流量计的替代实施例的示意性侧视图。
具体实施方式
图1示出了已知的磁感应流量计的横截面，其中该流量计包括测量管10、测量电极30以及磁体系统，该磁体系统具有在该测量管的相对侧上布置的两个线圈21.1，每个线圈具有线圈芯体21.2，其中，在每种情况下，极靴22适于在测量管和线圈之间引导磁场并在测量管中形成其空间分布。在线圈的测量管远侧之间在测量管外部的磁通借助于场反向引导件而被引导。在场反向引导件和线圈之间以及在线圈和极靴之间的过渡处的磁通量降低。而且，为了在空间上紧凑地体现线圈，需要大量的线圈线的绕组层，然而，这在线圈线的消耗方面是不利的，并且在线圈的可能过热方面也是有问题的。
图2以简化的截面图的形式示出了在测量管的中央区域10.1中的本发明的磁感应流量计1的示例的示意性构造。流量计1包括测量管10、磁体系统20、布置在该测量管中的一对测量电极30以及电子测量/操作电路40，其适于操作测量电极30和磁体系统20以及提供流量的测量值。出于说明性的原因，示出了在测量电极与电子测量/操作电路40之间以及仅在一个线圈与电子测量/操作电路40之间的电连接。磁体系统20包括线圈系统21和两个极靴22，所述极靴22适于在线圈系统21与测量管10之间传导由线圈系统产生的磁场，并确定磁场在测量管中的空间分布。该线圈系统包括在每种情况下具有线圈芯体21.2的四个线圈21.1，以及具有两个反向引导部件21.4的场反向引导件21.3，它们分别布置在测量管的相对侧并在每种情况下延伸穿过两个线圈21.1，从而形成相关线圈的线圈芯体21.2。在这种情况下，极靴在每种情况下具有薄板金属件，并且除了图2所示之外，还抵靠在测量管10上。在这种情况下，场反向引导件21.3在四个接触区域K中与极靴22磁耦合，其中，除了图2所示，反向引导部件21.4还抵靠在极靴上。在这种情况下，偏离表示是为了使磁感应流量计的各个组件可识别。将反向引导部件21.4设置为线圈芯体21.2，使得线圈能够在测量管的切线方向上被定向。这可以增大线圈沿着线圈轴线的长度并且减少绕组层的数量，这导致材料的节省并且至少减小了在测量操作中线圈的过度发热。线圈沿其纵轴的长度相对于测量管轴线10.6对向的角度α为至少2度，尤其是至少5度，优选地至少10度。另外，由于本发明的构造，省略了线圈芯体和反向引导部件之间的过渡，因为反向引导部件承担至少一个线圈芯体的功能，由此线圈系统的磁阻减小。
为了在测量电极20的区域的有利的空间形成，极靴在中央区域10.1中相对于测量管轴线10.6对向的角度βM为至少40度，并且尤其是至少80度，并且优选地至少120度，其中极靴彼此分开两个间隙，其中每个间隙具有的角度γ为至少5度，并且尤其是至少10度，并且优选地至少15度。间隙适于防止极靴之间的磁短路。
反向引导部件可以具有用于测量电极接触的馈通(feedthrough)(未示出)。
本发明的磁感应流量计不限于四个线圈和两个反向引导部件。本发明的流量计可以具有n1个线圈和n2个反向引导部件，其中n1和n2是自然数，并且n2＜n1+1。
图3a)至图3c)示出了本发明的磁感应流量计的磁体系统的实施例的替代示例的示意性侧视图，其中，图3a)具有测量管10，该测量管10在测量管的中央区域10.1中具有布置在其上的磁体系统20，其中磁体系统在所示侧具有线圈系统21，该线圈系统21具有两个极靴和场反向引导件21.3的反向引导部件21.4。反向引导部件在中央区域中包括用于测量电极接触的馈通21.41。测量管在每种情况下在远区域10.3中包括法兰10.5和卡圈10.4，其中法兰适于将流量计插入管道系统中，其中卡圈适于能够将套管定位在测量管周围，其中套管可以具有屏蔽板金属件，以便屏蔽磁体系统免受外部磁场的影响。
图3b)示出了相对于测量管横截面对称的磁体系统，其中，图3a)中所示的线圈系统被双重实现并且相对于横截面对称地布置。这样，测量电极30到电子测量/操作电路的电连接可被实现为没有诸如图3a)所示的馈通21.41。因此，在反向引导部件中的磁场的通量不受阻碍。可替代地，例如，一个选项是每个反向引导部件21.4仅提供一个线圈21.1。
图3c)示出了提供本发明的磁体系统的另一机会，其中，极靴在中间区域10.2中相对于测量管轴线以较小的角度对向。
图3a)至图3c)中所示的磁体系统的实施例共同点如下：由线圈系统产生的磁场在法兰10.5中和在卡圈10.4中引起电流，这些电流进而干扰了测量电极的区域中的磁场并减少流量计的测量功率。为了减少这些干扰影响，磁体系统包括包含两个屏蔽带23.1的屏蔽装置23，其被布置在线圈系统21的面对卡圈或法兰的一侧上。屏蔽带包括导磁材料，从而减少了干扰影响向测量电极的传播。
磁体系统在测量管的与所示侧相反的一侧上优选地包括至少一个其他线圈和至少一个其他反向引导部件，其有利地相对于测量管的纵向截面与所示线圈以及与反向引导部件对称地布置。
参考字符列表
1 磁感应流量计
10 测量管
10.1 中央区域
10.2 中间区域
10.3 远区域
10.4 卡圈
10.5 法兰
11 测量管轴线
12 测量管壁
20 磁体系统
21 线圈系统
21.1 线圈
21.2 线圈芯体
21.3 场反向引导件
21.4 反向引导部件
21.41 用于测量电极接触的馈通
22 极靴
23 屏蔽装置
23.1 屏蔽带
30 测量电极
31 第一测量电极
32 第二测量电极
40 电子测量/操作电路

Claims (14)

1.一种用于测量流过测量管(10)的介质的体积流量或流速的电磁感应流量计(1)，包括：
所述测量管(10)，具有测量管轴线(11)和测量管壁(12)；
磁体系统(20)，所述磁体系统(20)用于产生磁场，所述磁场垂直于所述测量管轴线延伸，其中所述磁体系统被放置在所述测量管的外部；
至少一对测量电极(30)，所述至少一对测量电极(30)与位于所述测量管中的所述介质电容性或电流性耦合，其中，所述测量电极适于感测由所述磁场在所述介质中诱导的电压，其中，所述一对测量电极中的第一测量电极(31)被布置在所述测量管的第一侧，并且所述一对测量电极中的第二测量电极(32)被布置在所述测量管的第二侧；
电子测量/操作电路(40)，所述电子测量/操作电路(40)用于操作所述磁体系统和所述测量电极，
其中，所述磁体系统(20)包括：
线圈系统(21)，所述线圈系统(21)具有至少一个具有线圈芯体(21.2)的线圈(21.1)；
两个极靴(22)，所述两个极靴(22)被布置在所述测量管的相对侧，其中，所述极靴适于将由所述线圈系统产生的磁场传递到所述测量管中，以及接收已经通过所述测量管的磁场，并将所述磁场反向引导到所述线圈系统；
其中，所述线圈系统(21)具有用于场反向引导的装置(21.3)，所述装置(21.3)适于引导所述极靴之间的、所述测量管的外部的磁场，
其特征在于，
所述线圈中的所述磁场相对于所述测量管轴线的切向分数等于总磁场的至少90％，
其中，用于场反向引导的所述装置(21.3)具有至少一个反向引导部件(21.4)，所述至少一个反向引导部件(21.4)延伸穿过至少一个线圈并形成所述至少一个线圈(21.1)的所述线圈芯体(21.2)。
2.根据权利要求1所述的流量计(1)，
其中，所述反向引导部件(21.4)具有至少一层符合标准DIN EN 10106 2007-11版的要求的电板金属，或
其中，所述电板金属尤其是晶粒取向的，并且满足标准DIN EN 10107 2005-10版的要求，其中，所述晶粒取向与反向引导部件中的磁通平行。
3.根据权利要求1或2所述的流量计(1)，
其中，所述线圈(21.1)具有最多15个绕组层，并且尤其是最多10个绕组层，并且优选地最多5个绕组层。
4.根据前述权利要求中的一项所述的流量计(1)，
其中，所述线圈沿所述线圈纵轴的长度关于所述测量管轴线对向的角度α为至少2度，尤其是至少5度，优选地至少10度。
5.根据前述权利要求中的一项所述的流量计(1)，
其中，在所述测量管的所述第一侧和所述第二侧在每种情况下布置有至少一个线圈，所述至少一个线圈具有相关的反向引导部件。
6.根据前述权利要求中的一项所述的流量计(1)，
其中，所述测量管(10)沿所述测量管轴线(11)延伸具有两个远区域(10.3)、中央区域(10.1)和两个中间区域(10.2)，其中，在每种情况下，中间区域被布置在远区域和所述中央区域之间，
其中，所述测量管在每种情况下在其远区域中具有法兰(10.5)和卡圈(10.4)，所述法兰适于被连接到管道，
其中，所述至少一个测量电极对被布置在所述中央区域中。
7.根据前述权利要求中的一项所述的流量计(1)，
其中，所述极靴(22)和/或反向引导部件(21.4)和/或线圈(21.1)在每种情况下相对于所述测量管的横截面和/或纵向截面对称地布置。
8.根据权利要求7所述的流量计(1)，
其中，所述极靴(22)在所述中央区域(10.1)中关于所述测量管轴线对向的角度βM为至少40度，尤其是至少80度，优选地至少120度，
其中，所述极靴彼此分开两个间隙，其中每个间隙关于所述测量管轴线对向的角度γ为至少5度，尤其是至少10度，优选地至少15度。
9.根据权利要求7或8所述的流量计(1)，
其中，所述反向引导部件(21.4)被布置在所述中央区域(10.1)中，并且尤其是具有至少一个馈通(21.41)，尤其是用于测量电极接触，
其中，所述反向引导部件延伸穿过至少一个线圈，并且优选地延伸穿过两个线圈，其中，尤其是所述至少两个线圈相对于对应测量电极被布置在相对侧上。
10.根据权利要求6或7所述的流量计(1)。
其中，所述极靴(22)关于所述测量管轴线在中间区域(10.2)中在每种情况下对向的角度βZ比所述角度βM小至少30度，尤其是至少40度，并且优选地至少50度，
其中，所述场反向引导件(21.3)在所述第一侧和/或所述第二侧具有至少两个反向引导部件(21.4)，所述至少两个反向引导部件(21.4)在每种情况下在中间区域中磁性地连接到所述极靴。
11.根据权利要求6至10中的一项所述的流量计(1)，
其中，所述磁体系统(20)包括屏蔽装置(23)，所述屏蔽装置(23)适于使所述法兰(10.5)和所述卡圈(10.4)的磁干扰影响最小化，
其中，所述屏蔽装置具有至少一个屏蔽带(23.1)，所述至少一个屏蔽带(23.1)至少部分地围绕所述测量管，其中，所述屏蔽带被布置在法兰与所述中央区域之间或者在所述卡圈的面向所述中央区域的一侧上，
其中，所述屏蔽带由导磁材料制成，
其中，所述屏蔽带例如是一件或是由多个带部分组成。
12.根据权利要求11所述的流量计(1)，
其中，所述屏蔽装置(23)具有两个屏蔽带(23.1)，
所述两个屏蔽带(23.1)中的每个与法兰相关联。
13.根据前述权利要求2至12中的一项所述的流量计(1)。
其中，所述反向引导部件(21.4)具有至少5层，尤其是至少10层，优选地至少15层的电板金属。
14.根据前述权利要求中的一项所述的流量计(1)，
其中，所述测量管的内径为至少0.35米，尤其是至少1米，优选地至少1.5米。
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