CN112867909A - 磁感应流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定介质的流动速度和/或体积流量的磁感应流量计，包括：测量管，该测量管用于引导介质；磁场产生装置；以及至少一个电极组件，该至少一个电极组件以下述方式安装在测量管中：其形成与介质的电接触，其中电极组件具有电极主体，其中电极主体是触针形的并且具有端面，其特征在于，压力测量换能器与电极主体耦合，其中可将作用在端面上的压力施加于该压力测量换能器。

Description

磁感应流量计
背景技术
磁感应流量计应用于确定测量管中的介质的流动速度和/或体积流量。磁感应流量计包括磁场产生装置，该磁场产生装置产生垂直于测量管横向轴线延伸的磁场。用于此目的的通常是一个或多个线圈。为了实施主要均匀的磁场，极靴被补充地形成和放置成使得磁场线基本垂直于横向轴线在整个管横截面上延伸。施加在测量管的侧向表面处的测量电极对感测感应产生的电测量电压，当导电介质在所施加的磁场存在的情况下在纵向轴线的方向上流动时该电压产生。由于所记录的测量电压根据法拉第感应定律取决于流动介质的速度，所以可以根据所测量的电压确定流动速度，并且接合已知的管横截面积，也可以确定介质的体积流量。
对于涉及监测不规则性和泄漏位置的特殊应用，期望与介质的压力相关的信息作为对体积流量的补充。
从EP0770855A1已知一种磁感应流量计，其除了用于确定流动速度的测量电极之外还具有两个压力测量换能器，这两个压力测量换能器沿着表面元件布置在测量管的壁中。
US5670724教导了一种流量计，该流量计具有测量电极对和直接布置在两个测量电极之间的压力测量换能器。
然而，这些提案的缺点是必须提供测量管中的开口用于安装压力测量换能器。然而，每个附加的开口代表潜在泄漏的位置，并且因此应尽可能多地避免。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁感应流量计，该磁感应流量计具有与电极主体耦合的压力测量换能器。
本发明的目的是通过权利要求1中限定的磁感应流量计来实现的。
本发明的用于确定介质的流动速度和/或体积流量的磁感应流量计包括：测量管，该测量管用于输送介质；磁场产生装置；和至少一个电极组件，该至少一个电极组件以下述方式安装在测量管中：其形成与介质的电接触，其中电极组件具有电极主体，其中电极主体是触针形的并且具有前端表面，
其中流量计的特征在于
压力测量换能器与电极主体耦合，其中压力测量换能器与作用在前端表面上的压力可接触。
以前，为了确定介质的压力，压力测量换能器需被附加地引入到测量管中。通常，除了测量电极所需的开口之外，这还需要测量管中的附加开口。本发明的解决方案不需要测量管中的附加开口，因为作用在电极主体的前端表面上的介质的压力是经由与电极主体耦合的压力测量换能器直接感测的。在这种情况下，特别有利的是压力测量换能器与介质接触。然而，也存在仅间接暴露于介质并且因此也仅间接暴露于介质的压力的压力测量换能器。例如，当压力测量换能器和介质之间存在空气时，就是这种情况。
电极组件是具有至少两个部件的电极形成组件，其中至少第一部件具有该功能并且被实现为感测流动介质中的测量电压，并且至少第二部件具有该功能并且被实现为测量介质中的压力。电极组件还可以包括具有该功能并适于确定介质的其他过程参数——诸如例如温度、粘度和pH度——的部件。
尤其有利的是，第一部件包括电极主体。在这种情况下，电极主体是从常规磁感应流量计中已知的电极。这种传感器通常被实现为触针形，并且因此可以简单地安装和固定在测量管中。它们具有带有前端表面的电极头，介质的压力作用在该电极头上。
第二部件实现为压力测量换能器。根据本发明，压力测量换能器耦合到电极主体。这意味着，一方面，压力测量换能器直接或间接地经由另一个部件与电极主体机械连接。另一方面，这可以意味着压力测量换能器与电极主体电接触。存在压力测量换能器和电极主体之间的耦合，例如，当两个部件被实现为使得作用在电极头的前面上的介质的压力可以使压力测量换能器负荷。
压力测量换能器可以以任何方式实现。压力测量换能器可以被实现为例如应变计、实现为压阻压力传感器、实现为压电压力传感器、实现为电容压力传感器、实现为电感压力传感器、实现为光学压力传感器、实现为热压力传感器或实现为霍尔压力传感器。
电极组件承担料位监测电极、参比电极和/或测量电极的功能。
在附加实施例中，压力测量换能器包括测量膜。
尤其有利的是，压力测量换能器包括测量膜，因为这种压力测量换能器可以以所需的范围生产，并且压力测量换能器和电极主体之间的耦合可以在没有任何附加适配器的情况下实施。另外，具有测量膜的压力测量换能器覆盖了饮用水应用的感兴趣压力范围。
在附加实施例中，电极主体包括通向测量管的孔。
在这种情况下，孔用于接收介质，并且可以实现为盲孔或实现为通道。在盲孔的情况下，压力测量换能器可以放置在孔的端部处，或者也可以放置在孔的内表面上。具有通道的电极主体具有入口端和出口端。在通道的情况下，压力传感器可以放置在孔的内表面上。然而，特别是在压力测量换能器具有测量膜的情况下，当压力测量换能器安装在出口端处时，是特别有利的。
在附加实施例中，孔是通道，并形成用于输送介质的集成压力供应管道。
尤其有利的是，通道是压力供应管道，因为这样关于压力测量换能器到电极主体的耦合的多个附加实施例成为可能。有利的实施例包括应用于出口端处的适配器，用于记录过程参数的其他测量换能器经由该适配器与电极主体耦合。
孔的内部可以具有涂覆物，这优化了介质进入孔的运动和孔的内部的润湿。压力供应管道或孔不必是自动排空的，因为众所周知，压力测量换能器也可以间接感测介质的压力。
在附加实施例中，电极主体末端与中空主体连接。
中空主体适于加宽压力供应管道，使得可以使用其直径大于孔的直径的测量膜。以这样的方式，其上施加介质的压力的面积可以增加，并且压力测量的测量精度提高。
中空主体可以同时实现为用于其他测量换能器的适配器，其中测量换能器包括温度计、pH传感器或用于确定粘度、介质的成分和/或介质的其他过程参数的传感器。
在附加实施例中，包含压力测量换能器的壳体通过材料接合与中空主体连接。
尤其有利的是，壳体通过材料接合与中空主体连接，尤其是经由螺钉连接、焊接连接、焊料连接或粘合剂连接。以这样的方式，可以在壳体和中空主体之间实施有效的电连接。取决于用于本发明的磁感应流量计的生产方法，为了获得有效的密封，在电极主体的末端区域和中空主体之间提供形状互锁连接。这防止了介质的逸出。有利地，该连接被实施为形状互锁连接，因为这样保证了各个部件的可替换性。在这种情况下，形状互锁连接包括密封环，并且尤其是锥形密封件。密封件也可以是电绝缘的，因为与电极主体的电连接可以经由其他接触位置——例如螺纹——实施。
然而，电极主体的末端区域和中空主体之间的连接也可以通过材料接合来实现。在这种情况下，在将电极主体引入到测量管的孔中并将电极主体固定到测量管上之后，实施连接。
在附加实施例中，电极主体的电接触经由中空主体和/或壳体实施。这是有利的，因为这样可以省略到电极主体的附加布线或附加接触设备。
在附加实施例中，壳体包括至少一个接触设备，电极组件经由该接触设备与测量和/或评估单元电接触。
由于压力测量换能器的壳体中的接触设备，单个插入式连接足以分接压力信号和测量电压。
在附加实施例中，磁场产生装置包括至少一个线圈和被定位在线圈的内部的至少一个线圈芯，其中线圈芯被实现为中空圆柱体，并且电极组件被定位在线圈芯的内部中。
磁场产生装置是已知的，其除了具有位于内部的线圈芯的线圈之外，还补充地包括在外部区域的场引导材料和在极靴和场引导材料之间和/或在场引导材料和线圈上方的至少一个屏蔽元件。场引导材料和屏蔽元件实现了减少干扰场或杂散场的目标。作为对比，极靴负责磁场到介质中的耦合。在这个有利的实施例中，电极组件具有料位监测电极的功能，并且包含磁场产生设备。在这种情况下，压力的测量可以连续地或间歇地进行，例如当磁场关闭时进行。
在附加实施例中，线圈芯具有内部，其中在内部和壳体之间设置绝缘部。
由于电极主体的电连接是经由压力测量换能器的壳体实施的，所以电极组件和线圈芯之间的绝缘部是必要的。绝缘部可以被实现为涂覆物或实现为中空圆柱形绝缘套管。
在附加实施例中，电极主体包括电极头，其中电极头具有轮廓。
在这种情况下，轮廓被实现为展现出狭缝，该狭缝被成形为凹槽或十字。然而，其可以具有任何其他结构，这导致简化了电极主体在测量管中的安装。轮廓以下述方式实现：在本发明的磁感应流量计的生产中，技术人员可以将电极主体附着到轮廓上，以便然后在下一步骤中推动绝缘套管并利用螺母将电极主体固定到测量管。
在附加实施例中，电极主体包括料位监测电极和/或参比电极和/或测量电极，用于感测介质中的测量电压。
在附加实施例中，电极主体被实现为销式电极、尖端电极或蘑菇电极。
在附加实施例中，电极主体具有基本末端形状，其被实现为圆锥形或截头锥形，
其中中空主体具有用于电极主体的座部，该座部被实现为与电极主体的基本末端形状互补。
以这样的方式，可以在电极主体和中空主体之间不费力气地实施气密性。当在压力测量换能器和可流动介质之间提供空气体积时，气密性是尤其必要的。
附加地，不需要润滑剂，这对食品和饮料工业中的应用尤其有利。
有利地，中空主体具有用于电极主体的内螺纹座部，以便因此实施与电极主体及其设置在电极主体的末端区域中的外螺纹的可释放连接。
在附加实施例中，基本末端形状包括一起形成角度φE的表面元件和锥形轴线，其中角度φE在5°与25°之间。
与电极主体的末端区域互补的中空主体的座部的区域包括表面元件和锥形轴线，其中锥形轴线和表面元件限定了角度φH。该角度φH优选地在5°和25°之间。当差值φE-φH在0°与4°之间时，可以实施尤其稳定的连接。这可以例如通过在两个部件的生产中对两个角度使用不同的尺寸公差来实施。
最终，电极主体和中空主体中的互补座部的部分锥形形成可以在两个部件之间提供持久的力传递连接。
有利地，中空主体和电极主体由相同的材料形成。在足够压力的情况下，电极主体和中空主体可以彼此形成冷焊接连接。
用于生产本发明的磁感应流量计的方法包括如下方法步骤：
A提供包括具有衬里的管的测量管；
B在管和衬里中形成开口；
C将电极主体引入到开口中；
F通过螺母固定电极主体；
G将包含压力测量换能器的壳体与具有内螺纹的中空主体材料接合连接；
H将中空主体拧到电极主体的螺纹上；
J利用被形成为中空圆柱体的绝缘部和被形成为中空圆柱体的线圈芯包围电极组件；
K将线圈推动到线圈芯、绝缘部和电极组件上；
L通过接触设备将电极组件与测量和/或评估单元连接。
该方法还可以包括其他方法步骤：
D借助于绝缘套管密封开口和/或固定电极主体；
E将电极主体固定到轮廓上；
I推动具有开口的极靴；以及
M推动磁场引导材料。
然而，该方法并不限于以在此阐述的顺序执行各个方法步骤。
附图说明
现在将基于附图更详细地解释本发明，附图中的图示出如下：
图1现有技术的磁感应流量计的管横截面示意图；
图2本发明的电极组件的示意分解图；
图3本发明的磁感应流量计的纵向截面的示意图；
图4本发明中空主体的纵向截面和详细视图；以及
图5本发明的电极主体的纵向截面和详细视图。
具体实施方式
图1示出了已知的磁感应流量计。磁感应流量计的结构和测量原理基本上是已知的。导电介质通过测量管(1)输送。磁场产生装置(7)被布置成使得其磁场线垂直于由测量管轴线限定的纵向方向延伸。适合作为磁场产生装置(7)的优选地是具有叠置线圈(23)和线圈芯(24)的鞍形线圈或极靴(26)。在施加的磁场的情况下，在测量管(1)中产生依赖于流量的电势分布，该电势分布利用安装在测量管(1)的内表面处的两个测量电极(3、4)感测。通常，电极(3、4)彼此径向相对地布置，并形成电极轴线，该电极轴线垂直于磁场线和管的纵向轴线延伸。基于所测量的电压并考虑磁通量密度、流动速度和管横截面积，可以确定介质的体积流量。为了避免测量电极(3、4)上的测量电压通过管(8)短路，内表面衬有例如呈塑料衬里(2)的形式的绝缘材料。由例如电磁铁的磁场产生装置产生的磁场是由借助于操作单元计时的交变极性的直流电流导致的。这确保了稳定的零点，并使测量对由多相材料、介质中的不均匀性或低电导率导致的影响不敏感。测量单元读取测量电极(3、4)之间的电压，并输出借助于评估单元计算的介质的流动速度和/或体积流量。通常的磁感应流量计具有其他两个电极(5、6)作为测量电极(3、4)的补充。一方面，料位监测电极(5)用于检测测量管(1)的部分填充，该料位监测电极最优地安装在管(8)中的最高点处，并且仅具有距管内表面的最小距离。这个信息被转发给用户和/或在确定体积流量时被考虑。另外，通常与料位监测电极(5)径向相对地安装的参比电极(6)用于确保介质的充分接地。
如图2所示，压力测量换能器(12)是电极组件(10)的一部分，其补充地包括至少一个电极主体(11)。在这种情况下，压力测量换能器(12)位于壳体(16)中，该壳体(16)是导电的并且因此在电极主体(11)和末端安装在压力测量换能器(12)上的接触设备(18)之间提供电接触。因此，整个电极组件(10)与介质电接触。在另外的发展中，中空主体(14)在压力测量换能器(12)和电极主体(11)之间形成中空空间(19)，或者孔(15)的出口被实现为压力供应管道。因此，作用在电极主体(11)的前端表面上的介质的压力经由压力供应管道被导引至测量膜(13)，在该测量膜(13)处检测该压力。另外，壳体(16)通过材料接合与中空主体(14)连接。电极主体(11)包括电极头(17)，其中电极头(17)具有轮廓。接触设备(18)用于为测量和/或评估单元(9)分接被转换成电信号或数字信号的介质的压力。在这种情况下，接触设备(18)包括至少一个销，该销与壳体(16)电接触并且因此与电极主体(11)电接触。中空主体(14)以下述方式实施：一方面其在测量膜(13)和电极主体(11)之间形成中空空间(12)，并且另一方面密封电极主体(11)使得流过压力供应管道的介质不能经由接触区域逸出。电极主体(11)包括外螺纹，该外螺纹用于将电极主体(11)固定到测量管(1)并连接到具有内螺纹的中空主体(14)。
图3中示出的磁感应流量计包括电极组件(10)，其包括具有带有轮廓(20)的电极头(17)的触针形电极主体(11)、绝缘套管(21)、螺母(22)、中空主体(14)和压力测量换能器(12)。电极主体(11)包括螺纹，该螺纹一方面用于利用螺母(22)将电极主体(11)固定到测量管(1)，并且另一方面用于连接到中空主体(14)和/或压力测量换能器(12)。为了将电极组件(10)安装到测量管(1)，电极主体(11)被导引穿过设置在管(8)和衬里(2)中的开口，并且利用管的外部的绝缘套管(21)和螺母(22)固定。中空主体(14)具有内螺纹，使得具有形状互锁压力测量换能器(12)的中空主体(14)可以被拧到电极主体(11)的螺纹上。中空主体(14)被实现为产生到电极主体(11)的密封接触，使得流过孔的介质不能在两个部件之间的接触位置处逸出。密封件优选地被实现为锥形密封件。图3中示出的电极组件(10)被实现为料位监测电极(5)，并且被布置在线圈(23)的内部中，尤其是在线圈芯(24)的内部中。为了这个另外的发展，有必要将线圈芯(24)设置为中空圆柱体，并将电极组件(10)与磁场产生装置(7)电绝缘，尤其是与线圈(23)和线圈芯(24)电绝缘。绝缘部(25)可以通过利用电绝缘材料涂覆线圈芯(24)的内部或者通过在线圈芯(24)和电极组件(10)之间引入电绝缘中空圆柱体来实施。
图4中示出的中空主体(14)具有第一端和第二端。设置在第一端上的是开口，该开口与压力测量换能器的壳体一起形成中空空间(19)。第二端包括用于电极主体的座部(29)。座部(29)包括内螺纹(32)，该内螺纹用于将中空主体(14)与电极主体可释放地连接。座部(29)至少部分地圆柱形地实现，并且包括下述区域：其在中空空间(19)的方向上圆锥形地逐渐变窄，并且被形成为与电极主体的末端区域互补。在座部(29)的逐渐变窄的区域中，座部(29)采用截头锥形的形状。座部(29)可以在其入口端上具有圆锥形地实现的附加区域，以便于引入电极主体。中空空间(19)和座部(29)经由通道(33)连接在一起。通道(33)和座部(29)具有共同的对称轴(34)。
详细视图示出了中空主体(14)的纵向截面的一部分。座部(29)具有内径，该内径在中空空间(19)的方向上连续减小。以这样的方式，座部(29)在该区域中至少部分地采用截头锥形的形状。座部(29)包括用于电极主体的止挡表面(35)。圆锥形逐渐变窄部包括与止挡表面(35)相交的表面元件(30)。从止挡表面(35)的竖直线或锥形轴线(31)和表面元件(30)形成角度φH，该角度优选在5°与25°之间。在所示实施例的情况下，φH＝10°，其中尺寸公差为-1°。
图5示出了本发明的具有孔(15)的电极主体(11)，其被实现为压力供应管道。电极主体(11)至少部分地实现为中空圆柱体。在区域中，电极主体(11)具有外螺纹(36)，该外螺纹用于将电极主体(11)与中空主体(14)可释放地连接。在进入中空主体(14)的座部的电极主体(11)的末端区域中，电极主体(11)的外径在中空主体(14)的方向上变得更小。末端区域是圆锥地成形，并且采用具有孔(15)的截头锥形的基本末端形状，其中孔(15)和截头锥形具有共同的对称轴(34)。在组装状态下，末端区域的侧表面(37)与中空主体接触。在电极主体(11)和中空主体拧在一起时，侧表面(37)与中空主体(14)的内部侧表面38接触。如果在电极主体(11)上施加另外的力，则导致电极主体(11)的末端区域在对称轴(34)的方向上变形。电极主体(11)不必接触止挡表面(35)。中空主体的止挡表面和电极主体(11)之间可以留有间隙。
详细视图示出了电极主体(11)的末端区域。电极主体(11)的外径在末端端部的方向上减小，同时孔(15)的直径保持恒定。结果是末端区域中的壁厚的减小。从电极主体(11)的末端端部表面到侧表面(37)的过渡是倒圆形的。表面元件(30)和基本末端形状的锥形轴线(31)形成角度φE，该角度优选在5°与25°之间。角度φH和φE彼此适合使得差φE-φH在0°与4°之间。在所述的实施例中，角度φE＝10°，其中尺寸公差为+1°。
附图标记列表
1 测量管
2 衬里
3 第一测量电极
4 第二测量电极
5 料位监测电极
6 参比电极
7 磁场产生装置
8 管
9 测量、操作和/或评估单元
10 电极组件
11 电极主体
12 压力测量换能器
13 测量膜
14 中空主体
15 孔
16 壳体
17 电极头
18 接触设备
19 中空空间
20 轮廓
21 绝缘套筒
22 螺母
23 线圈
24 线圈芯
25 绝缘部
26 极靴
27 场引导材料
28 基本末端形状
29 座部
30 表面元件
31 锥形轴线
32 内螺纹
33 通路
34 对称轴
35 止挡表面
36 外螺纹
37 侧表面
38 内部侧表面

Claims (15)

1.一种用于确定介质的流动速度和/或体积流量和压力的磁感应流量计，包括：
-测量管(1)，所述测量管(1)用于输送所述介质；
-磁场产生装置(7)；以及
-至少一个电极组件(10)，所述至少一个电极组件(10)以下述方式安装在所述测量管(1)中：所述至少一个电极组件(10)形成与所述介质的电接触，
其中所述电极组件(10)具有电极主体(11)，
其中所述电极主体(11)是触针形的并且具有前端表面，
其特征在于，
压力测量换能器(12)与所述电极主体(11)耦合，
其中所述压力测量换能器(12)与作用在所述前端表面上的压力能够接触。
2.根据权利要求1所述的流量测量装置，
其中所述压力测量换能器(12)包括测量膜(13)。
3.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述电极主体(11)包括通向所述测量管(1)的孔(15)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述孔(15)是通道，并形成用于输送所述介质的集成压力供应管道。
5.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述电极主体(11)末端与中空主体(14)连接。
6.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中包含所述压力测量换能器(12)的壳体(16)通过材料接合与所述中空主体(14)连接。
7.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述电极主体(11)的电接触经由所述中空主体(14)和/或所述壳体(16)实施。
8.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述壳体(16)包括至少一个接触设备(18)，所述电极组件(10)经由所述接触设备(18)与测量和/或评估单元(9)电接触。
9.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述磁场产生装置(7)包括至少一个线圈(23)和被定位在所述线圈(23)的内部的至少一个线圈芯(24)，
其中所述线圈芯(23)被实现为中空圆柱体，
其中所述电极组件(10)被定位在所述线圈芯(24)的内部中。
10.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述线圈芯(24)具有内部，
其中绝缘部(25)被设置在所述内部和所述壳体(16)之间。
11.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述电极主体(11)包括电极头(17)，
其中所述电极头(17)具有轮廓(20)。
12.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述电极主体(11)包括料位监测电极(5)和/或参比电极(6)和/或测量电极(3、4)，用于感测所述介质中的测量电压。
13.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述电极主体(11)被实现为销式电极、尖端电极或蘑菇电极。
14.根据前述权利要求中的一项所述的流量测量装置，
其中所述电极主体(11)具有基本末端形状(28)，所述基本末端形状(28)被实现为圆锥形或截头锥形，
其中所述中空主体(14)具有用于所述电极主体(11)的座部(29)，所述座部(29)被实现为与所述电极主体(11)的所述基本末端形状(28)互补。
15.根据权利要求14所述的流量测量装置，
其中所述基本末端形状(28)包括表面元件(30)和锥形轴线(31)，所述表面元件(30)和所述锥形轴线(31)一起形成角度φE，
其中所述角度φE在5°与25°之间。
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