CN113474564A - 改进的插入式磁性仪表和方法 - Google Patents

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M·尤哈姆
K·霍勒
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Abstract

本文公开了一种磁性插入式仪表。在一些示例中，所公开的插入式仪表包括具有带纹理的前表面的传感器头管圆柱体和至少两个电极。所公开的插入式仪表包括带纹理的前表面，与不含有带纹理的前表面的相同传感器头管相比，该带纹理的前表面适于使流过传感器头管的流体的分离点朝向上游表面移动。本文还公开了使用示例磁性插入式仪表来测量流的方法。

Description

改进的插入式磁性仪表和方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月22日提交的美国临时申请62/809,252的优先权，该申请的整体通过引用合并于此。
技术领域
本申请涉及流量仪表并且更具体地涉及磁性插入式仪表。
背景技术
精密流量仪表的两个最重要的特性是可重复性(repeatability)和线性度(linearity)。可重复性是指仪表在相同条件下获得相同结果的能力。线性度是指仪表的输出与通过管或其他导管传递的流量呈线性的程度。
如果没有可重复性，则很难制作出精确的仪表。如果它不是线性的，也很难校准和预测在各种操作条件(例如，流体、温度和管类型)下的性能。插入式流量仪表通常不如直列式(in-line)流量仪表精确，因为插入式流量仪表的可重复性和线性度比直列式流量仪表差。这部分是因为插入式流量仪表根据其设计的性质只能测量速度轮廓(velocityprofile)上的一个点，或者至少只能测量其一小部分，并且此测量结果必须被关联起来以估计通过管的流的平均速度。速度轮廓的形状随流量、压力和温度等因素而改变，这些因素会影响此点测量结果到总平均速度的转换。另一方面，直列式仪表跨整个速度轮廓进行测量，从而使得能够精确地直接测量通过管的流的平均速度。因此，插入式磁性仪表通常可能具有读数的+/-2％的精度，而直列式仪表具有读数的低至+/-0.2％的精度。
然而，当与直列式仪表相比时，插入式仪表具有优势，因为插入式仪表是模块化的并且对于安装和维修不需要完全关闭系统。此外，插入式仪表成本更低并且具有更低的安装成本。为了安装直列式仪表，必须关闭系统，切出一段管，将法兰(flange)焊接在适当位置，然后将仪表安装在两个法兰之间。插入式仪表可以通过普通的球阀来安装。
能够改进插入式仪表的精度或可重复性中的任一者的任何进步都是非常有价值的。
发明内容
在本公开的一个方面，公开了一种磁性插入式仪表，该仪表具有传感器头圆柱体(cylinder)和至少两个电极，该传感器头圆柱体具有带纹理的前表面。在本公开的另一方面中，插入式仪表包括场线圈，该场线圈被配置为当用交流电流激励时发射交变磁场。在本公开的又另一方面，带纹理的前表面是上游表面。在本公开的一方面，带纹理的前表面是基底上的磨料、浸渍磨料(impregnated abrasive)、沉积磨料(deposited abrasive)和/或磨料层(abrasive layer)中的至少一种。在本公开的一个特定方面，带纹理的前表面是砂纸(sandpaper)。在本公开的另一方面，带纹理的前表面具有比形成传感器头管的材料更高的粗糙度。
在本公开的一方面，带纹理的前表面包括至少一个凹槽(groove)。在本公开的另一方面，带纹理的前表面包括沿传感器头圆柱体的纵轴延伸的两个凹槽。在本公开的一方面，带纹理的前表面包括凹坑(dimple)。在本公开的另一方面，多个凹坑彼此等距间隔开。在本公开的另一方面，多个凹坑形成图案，在该图案中，多个仪表中的三个形成等边三角形。在本公开的一方面，带纹理的前表面包括多列凹坑。在本公开的一方面，带纹理的前表面包括约3列凹坑至约7列凹坑。在本公开的另一方面，带纹理的前表面包括凹坑。在本公开的又另一方面，与不含有带纹理的前表面的相同传感器头管相比，带纹理的前表面适于改变流过传感器头管的流体的边界层。在本公开的另一方面，与不含有带纹理的前表面的相同传感器头管相比，带纹理的前表面适于使流过传感器头管的流体的分离点(separationpoint)朝向前表面移动。在本公开的一方面，带纹理的表面是表面廓形(surfacecontour)。
在本公开的一个方面，公开了一种测量流的方法，其中该方法包括提供包括具有带纹理的前表面的传感器头圆柱体和至少两个电极的磁性插入式仪表并且测量所述电极的输出。在本公开的另一方面，带纹理的前表面是基底上的磨料、浸渍磨料、沉积磨料和/或磨料层中的至少一种。在本公开的另一方面，带纹理的前表面包括凹坑和/或凹槽中的至少一个。
附图说明
图1是示例插入式仪表的示意性视图。
图2、3、4和5是描绘示例流条件的类似于图1的视图。
图6是描绘图1的仪表的仪表因数(meter factor)的曲线图。
图7是根据所公开的实施例的示例插入式仪表的示意性视图。
图8是描绘图6的仪表的仪表因数的曲线图。
图9是根据所公开的实施例的示例插入式仪表的示意性视图。
图10是根据所公开的实施例的示例插入式仪表的透视视图。
图11和12分别示出了图1和图10的插入式仪表的流速度流模型。
图13是描绘根据所公开的实施例的插入式仪表的仪表因数的曲线图。
具体实施方式
图1示出了插入式仪表100的横截面，沿示例插入式仪表100的纵向途径(longitudinal access)向下看，插入式仪表100具有圆柱体状。示例插入式仪表100可以是例如2018年12月27日提交的题为“Scalable Monolithic Sensor Assembly,Controller,and Methods of Making and Installing Same”并公布为US2019/0204129的美国申请16/233,915描述的示例传感器组件的一部分，该申请的全部为作为附录A包含于此并通过引用合并于此。横截面是在电极110处取得的。
插入式仪表100包括圆柱体传感器头管140，其插入到承载有合适的导电流体180的管中。在操作中，插入式仪表100使用由交流电流激励的场线圈来生成磁场。根据法拉第定律，穿过该磁场的导体(即，导电流体)感应出电势和电流，其指示流速度。插入式仪表100测量由至少两个电极之间的流速度生成的电势(电压或“V”)。例如，可以在至少一个顶电极和至少一个底电极之间测量这样的势差。
例如，插入式仪表100可以具有从插入式仪表100的纵轴的顶部到底部分布的2个或更多个电极。在一个特定示例中，插入式仪表100可以包括一个或多个顶电极、一个或多个底电极以及一个或多个中心电极。中心电极用作电参考(electrical reference)，而电压势在成对的顶电极和底电极之间被采样。图1中所示的两个电极110共享相同的纵向高度。因此，这些电极110可以每个是顶电极、底电极或参考电极。图1中所示的电极110可以被电连接以形成单个电极，或者它们彼此电隔离以形成两个独立的电极。在电极110是底电极的示例独立配置中，可以在这些电极110中的一个电极110和相应的顶电极之间测量第一势，并且可以在另一个电极110和不同的顶电极之间测量第二势。
可以改进围绕先前的插入式仪表100的流体流的可重复性。图2示出了处于沿箭头182的方向的示例速度的流动流体180中的插入式仪表100。例如，如果箭头182处的流动流体180表示湍流的大块(bulk)流体。如图所示，当流体接触前表面120时，流动流体到达停滞点(stagnation point)186，在该处流体流最小。当流体180接触面向迎面而来的流体流的前表面120时，流体180还形成层流边界层(laminar boundary layer)184(或者说，边界层184)，该边界层是停滞点和大块端流量182之间的过渡。前表面120(即面向迎面而来的流体流的表面)在本文中也将被称为上游表面。需要注意的是，如果流体流向相反方向，则相对的表面将成为上游表面。当边界层184朝向插入式仪表100的后部122(或者说，下游表面)流动时，边界层184变得不稳定或以其他方式向着远离插入式仪表100的表面的情况过渡。该边界层过渡被指示为分离点105。
分离点105的位置不是始终如一的，因为流体流是混乱的，并且它受到跨插入式仪表100的流体流的量的改变以及流体特性(例如流体的速度、温度、粘度、密度和圆柱体的表面光洁度)的影响。此外，分离点105的位置也可以基于流速率是增加到还是减少到给定速度而改变。图3至图5以递增顺序示出了同一流体的三个不同速度，即图5的流体速度高于图4的流体速度，图4的流体速度高于图3的流体速度。在图3中，分离点105a典型地位于电极110和后部122之间。在图4中，流体的速度大于图3的流体的速度且小于图5的流体的速度，并且分离点105b已经偏移到电极110附近。在图5中，流体的速度大于图3和图4的流体的速度，并且分离点105c已经偏移到更靠近插入式仪表100的前部120，即，更靠近流体流所来自的方向。虽然不受理论束缚，但据信边界层/分离点105(105a、105b、105c)位置的这种非一致性促进了先前的插入式仪表所经历的线性度和可重复性的降低。即，与更稳定的边界层相比，传感器电极110处的不稳定边界层会妨碍精确和可重复的结果。例如，基于流体流的非一致性或流速率的改变，在一些条件下，分离点105a会更靠近电极110(无论是下游还是上游)，这在恰当的条件下会导致在电极105a处进行的测量的更多变化。虽然图5的分离点105c已经向前表面120偏移，但是图3至图5之间所示的边界层的变化可能导致插入式仪表100从校准状态偏离。
图6将示例插入式仪表100(图1)的示例仪表输出(1P-轮次1至1P-轮次5)示出为仪表因数(表示为(LPIP脉冲/Ioil Gal))相对于标称流速率(以英尺/秒(ft/s)表示)的曲线图。仪表因数(或校正因数)通常是无量纲的，并且被计算为仪表输出与标准参考仪表所确定的值之间的比率，例如插入式仪表脉冲/参考(Ref)仪表脉冲。这可以从速率测量结果或量测量结果中计算得出。不同的线迹示出了在相同条件下同一插入式仪表100的重复的测试轮次。结果表明，可重复性和线性度二者都可以被提高。对于图6所示的测试案例，使用恒定仪表因数可实现的最佳精度将为读数的+/-3％。作为参考，理想的传感器不管被测量的流速率如何，都将产生恒定的仪表因数(水平线)，其意味着仪表的输出与流量是线性的，并且可以通过将仪表输出乘以恒定的仪表因数来容易地进行校正。虽然理想的仪表很可能是不可能的，但仪表因数的线性度是期望的。线性度简化了校准，即，与复杂曲线(例如，如图6的复杂曲线)拟合(复杂曲线拟合需要多个表征)相比，将仪表读数拟合到两点线(two-point line)是更简单的。线性度还简化了对其他操作条件的校正，提高了多个仪表之间的再现性(单元到单元间的变化)，缩短了对仪表精度进行确认的制造验证周期，并限制了测试多个仪表单元以确定特性曲线的需要(即，需要更少的单元来表征多个管/尺寸)。如果仪表因数是恒定的，则可以假定，尽管该值可能改变，但它对于其他流体或流动条件将是恒定的。如果关系是线性的，则确定对其他流动条件和流体的校正要容易得多。
先前已经尝试通过将每个电极朝向仪表后部即远离插入式仪表100的前部120旋转来改变电极的布置以提高再现性。这在层流边界层过渡到湍流边界层之前将电极放置在层流边界层内。虽然这可以通过强迫实现一致的速度轮廓来(假想地)减轻不稳定边界层的一些影响，但是它也将导致传感器信号的减少，这是不利的，因为它降低了信噪比。
图7示出了具有电极210的插入式仪表200。除了插入式仪表200包括位于插入式仪表200的前部220上的带纹理的表面230以外，插入式仪表200和电极210分别与插入式仪表100和电极110相同。虽然带纹理的表面230的具体构造可基于插入式仪表的特定操作条件(例如，仪表周长、管直径、管流速率、流体类型、流体速度、流体密度等)而变化，但带纹理表面230应该是充分带纹理的以触发或操纵边界层，使得对于相应插入式仪表的正常操作条件(并且优选地，所有操作条件)，分离点(参见，例如，105，图2)始终一致地出现在电极210的前向(朝向插入式仪表200的前部220，即朝向流量来源)。在图示的实施例中，带纹理的表面230应该比插入式仪表200的传感器头管240的其余部分更粗糙。例如，在一个示例中，带纹理的表面230比形成传感器头管的材料(例如，平滑的塑料和金属)更粗糙。
如图7所示，带纹理的表面230可以是例如砂纸或粘附到传感器头管240的基底上的其他类似磨料。基底上的示例磨料包括例如沙子、玻璃、氧化铝、碳化硅、砂布、浮石、细砂布等。虽然本申请讨论了使用纸作为基底，但也可以使用其他柔性基底(例如布、粘合剂或聚合物)以及形成或被加工成传感器头管240的外圆周的弯曲的非柔性基底。此外，磨料还可以浸渍或沉积到表面中或表面上作为磨料层，而没有基底。在一个示例中，带纹理的表面230可以延伸传感器头管240的长度，或者被局部地应用在电极210附近的区域中。纹理的量将取决于所使用的材料类型、插入式仪表和流量管的尺寸和形状以及流体的特性，但尽管如此应该是充分带纹理的以像上面讨论的那样操纵边界层。
例如，砂纸的带纹理的表面230可以包括40-80粒度的胶带，其具有约0.030英寸的基底厚度并且具有约0.360英寸至约0.400英寸的宽度(包括端值)，宽度是环绕传感器头管240圆周的尺寸。在一个示例中，以停滞点为中心并沿着仪表的全长(或者，有效地沿着仪表传感器头管240的感测部分的全长)来应用砂纸的带纹理的表面。
图8示出了示例插入式仪表200(图7)的示例仪表输出(砂1-轮次1-90度到砂1-轮次3-90度)作为仪表因数(表示为仪表脉冲/参考仪表脉冲)相对于标称流速率(以英尺/秒(ft/s)表示)的曲线图。不同的线迹示出了在相同条件下同一插入式仪表200的重复的测试轮次。如所示的，与插入式仪表100(图1)相比，可重复性和线性度二者都有提高。提高的线性度简化了校准并提高了在不同的管和流体中的性能。
在替代示例中，代替将带纹理的基底添加到插入式仪表传感器头管的表面，纹理被直接形成在传感器头管的外表面上。图9示出了具有电极310的插入式仪表300的示例实施例。除了插入式仪表300的带纹理的表面包括位于插入式仪表300的前部320上的传感器头管340内的两个纵向凹口330或凹槽以外，插入式仪表300和电极310分别与插入式仪表200和电极210相同。凹口330在电极310之间沿着插入式仪表300的纵轴延伸。凹口330也用于操纵边界层，如上文关于插入式仪表200所讨论的那样。
在还有的另一个实施例中，带纹理的表面包括凹坑列，例如，在典型的高尔夫球中发现的那类凹坑。例如，带纹理的表面可以包括多列凹坑。在一个示例中，带纹理的表面包括大约3列凹坑到大约7列凹坑。在另一示例中，带纹理的表面包括多于7列的凹坑。上面讨论的具体的带纹理的表面特征也可以被组合。例如，带纹理的表面可以包括纵向凹槽以及凹坑列。图10示出了与插入式仪表300、200和100类似的配置的插入式仪表400，包括例如具有包括两个顶电极410、两个中心或参考电极411和两个底电极412的多个电极。然而，如所示的，插入式仪表400的带纹理的表面包括形成在传感器头管440上或内的凹坑430。插入式仪表400的凹坑430包括3列凹坑，中心列432从凹坑430的外部两列434纵向偏移，这导致一乘二计数行(即在1个凹坑和2个凹坑行之间交替)的图案。在一个示例中，相邻的凹坑430形成等边三角形，使得任意两个凹坑430之间的间隙保持一致。凹坑430延伸传感器头管的纵向长度，在两个方向上超过顶电极410和底电极412。
凹坑430可以被形成为添加到传感器头管440的附加表面，或者可以通过例如铣削或在传感器头管440本身的形成期间而形成在传感器头管440内。虽然可以根据特定的传感器安装来操纵每个凹坑的尺寸和配置，但是，如图10所示作为一个示例，每个凹坑140具有使用1/4”球头立铣刀切入传感器头管440的0.020”深的大约0.125英寸半径的切口。相邻的凹坑之间有大约0.20英寸的间隙。此外，具体行中的每个孔(即，同一径向平面上的一个外部行434中的凹坑到另一外部行434中的凹坑)之间的弧长为约35度至约36度(包括端值)，或具体地如图所示约35.35度。虽然在图10中仅示出了部分地围绕传感器头管440的凹坑430，但在替代示例中，凹坑430可以更完整地围绕或者甚至完整围绕传感器头管440。
图11和12是在相同流动条件下比较插入传感器100(图1)和插入传感器400(图10)的流速度流模型。在图11和图12中的每一个中，标度已归一化为130英寸/秒。如图所示，与分离点405和电极410相比，分离点110与电极105更为靠近。
图13示出了与平滑的先前仪表(以填充的蓝色点显示)相比，具有7行凹坑(显示为未填充的紫色点)的插入式仪表的线性度的增加。该曲线图显示了，使用具有七列凹坑430的示例插入式流量仪表，在低至1英尺/秒的标称流速率的情况下，将线性度扩展达到在读数的+/-1.5％以内的能力。
在另一个示例实施例中，插入式仪表的横截面形状被改变以影响边界层/电极相互作用。例如，插入式仪表的横截面可以被形成为椭圆形或泪滴形以提高线性度和可重复性。在这样的实施例中，带纹理的表面本身是表面廓形。
本文还公开了一种测量管或导管内的流的方法。该方法包括提供磁性插入式仪表，该磁性插入式仪表包括具有带纹理的前表面的传感器头圆柱体和至少两个电极。这样的插入式仪表可以是例如上面参考图7-9及其替代实施例讨论的那些。在一个示例实施例中，该方法包括测量所述电极的输出。
应该理解，以上描述仅是本发明的例示。本领域的技术人员可以在不脱离本发明的情况下设想到各种替换和修改。相应地，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书的范围内的所有这些替代、修改和变化。
附录A
(19)美国
(12)专利申请公开Ball等
(10)公开号：US2019/0204129A1
(43)公开日：2019年7月4日
(54)可伸缩单片式传感器组件、控制器及其制作和安装的方法
(71)申请人：奥尼康公司，Largo,FL(US)
(72)发明人：Eric Ball,Largo,FL(US)；Adam Tyler,Largo,FL(US)；KevinHoller,Largo,FL(US)；Darral Ying,Largo,FL(US)；David Gagliardo,Largo,FL(US)；Michael Upham,Largo,FL(US)；Adam Sheppard,Largo,FL(US)
(21)申请号：16/233915
(22)递交日：2018年12月27日
相关美国申请数据
(60)2017年12月28日递交的临时申请号62/611,251
公开分类号
(51)国际分类号G01F 1/58(2006.01)
(52)美国分类号CPC G01F 1/588(2013.01)
(57)摘要
公开了可伸缩单片式传感器组件、控制器及其制作和安装的方法。传感器组件包括传感器头，传感器头的尺寸使完全横穿管的直径，使得其电极对指示跨管流直径的整个管流的电压采样。包括一种减小了插入力并且增加了传感器头的横向稳定性的改进的杆设计。公开了提供了独立的轴向插入和旋转的改进的插入设备。公开了最小化磁场的干扰并且降低了制造成本的改进的芯。公开了改进灵敏度的改进的控制器。
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可伸缩单片式传感器组件、控制器及其制作和安装的方法
相关申请
本申请要求于2017年12月28日提交的美国临时申请62/611,251的优先权，该申请的全部为通过引用于此并入的一部分。
背景技术
所公开的实施例一般地涉及电磁流量仪表。
电流插入式流量仪表采样通过管的流的小区域。即使是为大管设计的那些，也仅仅采样若干个小截面。然后，它们平均这些读数，以试图得到精确的流测量结果。所有平均都具有某种加权；最常见的是给予每个读数相等的权重。不幸的是，如果流关于用于校正仪表的流变化，那么即使被定位成使得每个传感器都具有相等的环形区域，给予每个传感器相等的等级，也没有导致精确的测量结果。给予不相等的权重可以导致精确的读数，但是需要关于流型的详细信息来给予这些权重。如果流改变，那么仪表将不精确。分离的芯需要多个前置放大器。这导致了笨重且昂贵的仪表。
电流插入式流量仪表还利用了在仪表的主体中的螺纹接头。在安装之后螺纹接头有旋转和退出的风险。将螺纹接头用作电磁传感器头的一部分是有挑战性的，因为在安装之后传感器必须保持对准并且不能被允许旋转。卡扣配合防止了轴向移动而非旋转。当弯曲时它们并不牢固。
此外，传统的插入式仪表在杆设计上权衡了两个因素：插入力和挠曲强度。杆越小，安装仪表所需的力越小。然而，细杆受到不希望的挠曲、振动、疲劳和断裂的影响。
进一步地，电流插入式仪表中的电极线需要屏蔽于它们的芯的电磁场。典型的芯通过沿着芯的不产生场的中间走电极线来实现这点。这可以使机器昂贵，难于安装，并且增加了线圈缠绕的复杂度。
使用安装到球阀上的热分接头适配器来将插入式流量仪表安装到流管内。结果在安装后，传统的热分接头适配器将仪表锚固在适配器的顶部处。这是距离流的力最远的点和最长的力矩臂。这引起了负面地影响仪表精度的过度的挠曲和振动。
可手插入的热可分接头插入式流量仪表常常具有脱离于它们的安装的它们的对准。也就是说，仪表可以被拧到阀配件上，并且然后在之后被对准。然而，机械辅助的热可分接头流量仪表通常被锁定在它们被安装的方位上。将仪表拧到阀配件上确定了仪表关于流的角度。这意味着，安装者必须常常在配件的正确安装扭矩和仪表关于流的正确角度之间权衡。
插入式流量仪表的精度还取决于它们被安装得如何一致。仪表被校准的位置和仪表被安装的位置之间的安装角度上的任何差异都将使仪表的精度变差。
电流插入式流量仪表控制器必须补偿电极上的DC偏置，该DC偏置可能是例如由电极的电化学相互作用引起的。这降低了仪表的精度。此外，其它插入式流量仪表需要利用精确的定时和开关电路系统来读取信号，增加了仪表的整体复杂度和成本。
附图说明
图1示出了根据所公开的实施例的示例传感器组件的透视视图；
图2示出了根据所公开的实施例的图1的当在系统流方向上观察时的传感器组件。
图3示出了根据所公开的实施例的图2的沿着截面线III-III的截面视图。
图4示出了根据所公开的实施例的图3的沿着截面线IV-IV的截面视图。
图5示出了根据所公开的实施例的图4的沿着截面线V-V的截面视图。
图6示出了根据所公开的实施例的图4的细节6的详细视图。
图7示出了根据所公开的实施例的图4的细节7的详细视图。
图8示出了根据所公开的实施例的示例传感器头的不带有示例传感器头管的透视视图。
图9示出了根据所公开的实施例的示例传感器头的不带有示例传感器头管的侧视图。
图10示出了根据所公开的实施例的示例传感器头的不带有示例传感器头管的前视图。
图11示出了根据所公开的实施例的图8的细节11的详细视图。
图12示出了根据所公开的实施例的组装期间的示例传感器头和杆的示意性视图。
图13是根据所公开的实施例的图12的沿着截面线XII-XII的截面视图。
图14是根据所公开的实施例的传感器头管和杆的示意视图。
图15示出了根据所公开的实施例的在将示例传感器头和杆连接在一起之后的示例传感器头和杆的示意性视图。
图16是根据所公开的实施例的图17的沿着截面线XVI-XVI的截面视图。
图17示出了根据所公开的实施例的在插入示例传感器头之前的示例锚固件的示意性视图。
图18是根据所公开的实施例的图17的沿着截面线XVIII-XVIII的截面视图。
图19是根据所公开的实施例的图19的沿着截面线XIX-XIX的截面视图。
图20和图21示出了根据所公开的实施例的处于安装的两个阶段中的示例传感器组件。
图22示出了根据所公开的实施例的示例机械插入设备260的透视图。
图23示出了根据所公开的实施例的示例机械插入设备260的前示意性视图。
图24示出了根据所公开的实施例的示例机械插入设备的前示意性视图。
图25示出了根据所公开的实施例的示例控制器和发光线的示意性透视图。
图26示出了根据所公开的实施例的图25的示意性顶视图。
图27示出了根据所公开的实施例的图25的示意性前视图。
图28示出了根据所公开的实施例的示例线圈和示例芯的磁场密度图。
图29A和图29B示出了根据所公开的实施例的控制器和传感器头的电气示意性框图。
图30示出了根据所公开的实施例的方法；以及；
图31示出了根据所公开的实施例的当在系统流方向上观察时的图1的传感器组件连同图24的机械插入设备。
具体实施方式
图1图示了被安装在流管170的上面和内部的示例传感器组件101的整体透视图。应该注意的是，流管170的仅一部分被完整地示出。为了清楚起见，以虚线示出流管170的其它部分。流管170是系统(通常是商业或工业系统)的一区段，系统设计者或客户期望测量在其中的系统流172(速率或是体积或是质量流量)。流管170可以是任何尺寸直径的管。传感器组件101将针对管的尺寸被适当地伸缩，使得传感器头100和相关联的部件(以下所讨论的)横过管的整个内直径。工业上的典型使用通常用于直径在一英寸和24英寸之间的管，尽管所公开的实施例同等地适用于高达80英寸和更大的管。许多工业和商业系统利用与传感器组件101同等地兼容的6-12英寸的管。示例传感器组件101对于尺寸超过六英寸的管是尤其有利的，在尺寸超过六英寸的管中，在先前传感器中更依赖于管内流体流的假设。
示例系统包括但不限于冷却器、HVAC(加热、通风和空气调节)、食品加工、水处理、水、水分配、气、农业、化学精炼和加工以及液体、浆料、石化和制药系统。对于本说明书的其余部分，我们将把“流体”称作为意味着当流过磁场时能够感应出电流的任何流体或类流体材料。传感器组件101可以与其它流体和系统一起被使用，假如流体具有足够的电导率以当流过磁场时感应出电流。大多数水基流体包括这个特性。流管170内的系统流172大体上与管平行，并且与传感器组件的纵向途径垂直。如下面所描述的，系统流172与固定的传感器组件101之间的相对运动产生电信号，该电信号然后被转换成流速度或体积或质量流量。
传感器组件包括传感器头100，该传感器头100生成磁场并测量由至少一个顶电极和至少一个底电极处的流速度产生的电势(电压或“V”)，将在下面对此讨论。电压被电携带到被安装在流管170的外侧的控制器300。下面将更详细地讨论传感器头100的内部构造和功能。
通常在系统的安装时，被附连到流管170的是阀120。阀120和流管170可以具有中间管的短段171，该中间管的短段171可以是流管170的一部分或者被附连到该流管170。然而，这样的段171将仅影响所公开的传感器组件101所需的整体长度，该传感器组件101可取决于应用被容易地伸缩。照此，将不再进一步讨论该段。阀120(通常是球阀)具有当打开时通过其中心的足够的直接路径，以允许在传感器组件的安装期间传感器头100被插入通过阀120。阀120具有在阀120的中心的轴114，并且该轴114垂直于流管170和系统流172。传感器头100的精度以及所得的流速度取决于传感器头100的纵轴垂直于系统流172的程度。并且，因为传感器头100在安装期间被插入通过阀120(下面所讨论的)，所以传感器头100的纵轴当被对准时应该与轴114重合。如下面将讨论的，示例传感器组件101中的对准特征具有优于先前已知传感器的改进。
在安装之前，传感器头100被缩回在热分接头适配器130内。在安装时，热分接头适配器130被连接到阀120。可以通过例如阀120与热分接头适配器130之间的螺纹连接可拆卸地连接热分接头适配器130，或者在替换中，经由压制、焊接等固定地连接热分接头适配器130。传感器头100被附连到杆，下面进一步讨论，该杆延伸通过热分接头适配器130到机械插入设备260，下面也将进一步讨论其。在热分接头适配器130被连接到阀120之后，阀120被打开并且传感器头被插入流管170内，直到该传感器头触底。下面将讨论关于安装的进一步细节。
图2示出了图1的当在系统流172的方向上观察时的传感器组件。在传感器头100的顶部、底部和中间区域中为孔，在这些孔中电极105、106、107、108、109、110略微突出以与流管170中的流体流接触。如所示出的，存在左顶电极105、右顶电极106、左底电极107、右底电极108、左中心电极109和右中心电极110。中心电极109、110用作接地或参考电极。当进行流测量时，在对应的顶电极和底电极之间进行电势测量(电压)。例如，为了测量传感器头100的左部分，跨左顶电极105和左底电极107进行电压测量。为了测量传感器头的右部分，跨右顶电极106和右底电极108进行电压测量。在另一配置中，顶电极105、106和底电极107、108均被分别地电连接，使得进行了单独的测量，即在顶电极和底电极之间。
电极的这种布置导致在传感器头100的顶部和底部处的仅两个测量深度，即分别接近或邻近于流170的(在流管170的相对侧的)内表面173。要注意的是，顶电极105、106和底电极107、108跨越流管170的直径。也就是说，顶电极105、106和底电极107、108邻近于流管170的径向相对的内表面173。与在先前传感器中所做的测量管的多个截面并且然后将测量结果一起平均相比，测量跨流管170的直径的两个测量深度之间的势导致了改进的精度。延伸电极之间的距离也增加了电压势并且提升了仪表性能。传感区域中的所有流体都将被包括在电压势积分中，并且将对仪表的读数有贡献。区域越大，被包括的流体越多并且仪表越精确。先前已知的传感器使用(stretch)大管直径的不足10％。在示例传感器头100中包括大采样区域允许了在变化流型的区域中的高性能。虽然高速度和低速度的区域可能偏移，但是因为它们全都被包括在单个积分内，所以无论它们的位置，它们仍将对整个电压有贡献。因为仅存在两个测量深度，所以与必须将跨管直径的若干个电压测量结果一起平均的其它传感器相比，传感器头100在不必重新调节电极间距和去除电极与信号调理电路系统之间的有线连接的情况下，可容易地伸缩至任何尺寸的管。
图3示出了图2的沿着截面线III-III的截面视图。要注意的是，尽管截面线III-III出现在中心，即，沿着轴114，但是它被偏离为使得图3示出截面中的仅某些部件，如将根据其余公开内容中是清楚的。传感器头100在杆帽136处被附连到大直径杆132。大直径杆过渡到小直径杆134。杆(包括大直径杆132和小直径杆134)可以被形成为单个工件，或者可以被形成为若干个工件，并且然后使用已知的加工方法被接合在一起。杆可以由例如不锈钢或其它类型的钢或钢合金(例如，316不锈钢)形成。然而，任何具有足够的强度用于安装和在系统操作条件下的材料都是合适的。支持大直径杆132和小直径杆134的是锚固件140，下面将对此进一步讨论。
小直径杆134从热分接头适配器130的顶部突出，并且通过顶密封帽252。顶密封帽252密封系统压力以防逃逸到大气，并且用O圈或密封件254来对小直径杆134密封。可以用螺纹、压制或焊接或其它足以耐受到热分接头适配器130的系统压力的机械装置来紧固顶密封帽252。小直径杆134还突出通过轴环150、一个弹簧或多个弹簧152和上部调节板154，其中的每个将在下面被进一步讨论。传感器头管的底部被用底密封帽192密封。
图4示出了图3的沿着截面线IVI-IV的截面视图。传感器头100包括缠绕在芯104周围的例如由铜线制成的一个或多个场线圈180。足以传导场线圈电流的其它导电材料也可以被用于场线圈180。场线圈180被缠绕成与系统流172(图1)一致，也就是说，场线圈内部的区域大体上与系统流172平行。如图4中所示，场线圈180的截面示出了在芯104的顶部和底部处进和出页面的线。场线圈180和芯104在用于保护内部部件的传感器头管102内。传感器头管102可以由可以耐受系统温度和压力的任何可容易地加工的材料(包括塑料和金属)制成。在一个示例中，传感器头管包括缩醛聚合物。头管102也可以被包覆成型在线圈180和电极105、106、107、108、109、110上。当用交流电流(AC)激励场线圈180时，产生交变磁场(见例如示出了磁场密度的图28)。导电流体在系统流172(图1)的方向上流过磁场。根据法拉第定律(Faraday’s law)，穿过磁场的导体(即，导电流体)感应出指示流速度的电势和电流。分别在顶电极105、106和底电极107、108之间测量电压，以确定液体的流量。
图5示出了图4的沿着截面线V-V的截面视图。如所示出的，场线圈围绕并顺着(down)芯104的纵轴114缠绕。参考电极109、110突出通过传感器头管102。可以用O圈/密封件111在电极109、110周围密封传感器头管102。电极可以摩擦配合在传感器头管102的孔内，或者可以被用紧固件、粘合剂或其它已知方法固定。电极线112从传感器头管102内的传感器头100的顶部分别地延伸到每个电极109、110。要注意的是，为了简单起见，电极线112被示出为单根线缆，然而，应该注意的是，单根线缆可以包括在线缆内的分开的绝缘导体，或者线缆可以被单独的绝缘导体代替。顶电极105、106和底电极107、108具有与电极109、110相同的配置，也可以被用O圈/密封件111密封，并且也具有电极线112。电极线112在通道350中走线，下面参照图28讨论。电极线112可以被用间隔件116保持在靠近于芯104的中心。间隔件可以是具有足够的刚性以将电极线112保持在适当位置的任何材料。优选地，间隔件116是由诸如ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)或尼龙之类的塑料制成的绝缘材料。电极线112延伸通过间隔件116，并且被电连接到电极105、106、107、108、109、110，为了简单起见这未被示出。电极线112可以延伸通过间隔件116中的孔或者通过间隔件116截面之间的间隙118或者通过所形成的通道。在另一示例中，单独的线被印刷电路板(PCB)上的电路迹线或者电连接电极的任何其它已知方法代替，其与通道350被一起放置和/或紧固到芯。电极线112，连同用于场线圈180的电连接(未示出)，向上延伸通过大直径杆132和小直径杆134到控制器300(图1)。
图6示出了图4的细节6的详细视图。在该视图中示出了顶电极105、106、O圈/密封件111、间隔件116和间隙118的详细视图。还示出了被附接到大直径杆132的下部部分的杆帽136。杆帽136与传感器头管102形成螺纹和卡扣配合200连接，下面将对此进一步讨论。
图7示出了图4的细节7的详细视图。传感器头管102的底部被用底密封帽192和O圈/密封件255密封。弹性脚190在底密封帽192的底部上，该弹性脚190和底密封帽192通过螺钉194被紧固在一起。还可以包括垫圈(未示出)以分散力。弹性脚提供增加摩擦的表面，以更好地将传感器头100固定到流管170的内表面173(例如，以防止旋转)，并且还可以在安装和调节期间提供对传感器头100和流管170的保护。还示出了底电极107、108，O圈/密封件111和间隔件116。
图8-图10示出了传感器头100的不带有传感器头管102的透视图、侧视图和前视图。图11示出了图8的细节11的详细视图。场线圈被缠绕成与系统流172一致，而电极105、106、107、108、109、110突出垂直于系统流172。
现在参照图12-图16，将讨论大直径杆132和传感器头管102之间的连接。图13是图12的沿着截面线XIII-XIII的截面视图，以及图16是图15的沿着截面线XVI-XVI的截面视图。大直径杆132的端部具有轴螺纹部分202、凸耳204以及O圈/密封件两者。要注意的是，图12-图16和其它附图示出了在单独的配合端或杆帽136上的轴螺纹部分202和凸耳204，杆帽136被焊接或以其它方式附连到大直径杆132的端部上。然而，在替换中，连接特征被直接形成在大直径杆132上，即，没有单独的杆帽136。例如，大直径杆132的端部可以被直接螺纹化或加工，以便提供轴螺纹部分202和凸耳204。
在传感器头管102的内壁上形成有头管螺纹部分208，该头管螺纹部分208与轴螺纹部分202的螺纹匹配。在头管螺纹部分208和传感器头管102的连接端之间，形成有唇缘210。唇缘210的尺寸使得当用手将大直径杆132和传感器头管102紧固在一起并导致卡扣配合200(图16)时，传感器头管102和唇缘210可以充分足够地形变以被压在凸耳204上。可以用O圈212来改进卡扣配合。尤其是，接头包括螺纹和卡扣配合两者，使得当接头正被扭转时，螺纹有助于将唇缘210压在凸耳204上。应该注意的是，尽管所示出的实施例具有卡扣配合特征，但是其它实施例也可以不包括卡扣配合特征。
螺纹接头在安装后有旋转和退出的风险。单独用螺纹接头作为电磁传感器头的一部分是有挑战性的，因为传感器必须在安装后保持对准。安装后旋转降低了精度并且可能导致意外拆卸。卡扣配合防止了轴向移动而非旋转。它们在弯曲上也较弱。将卡扣配合与螺纹特征组合允许用手而非使用压力机来组装仪表；接头仅必须被旋转并且这些工件将自己拉到一起。它还防止了挠曲并增加了移除杆所需的扭矩量，从而有助于防止意外拆卸。然而，如所述的，卡扣配合特征并非必要的来防止拆卸或者防止旋转。
与卡扣配合特征组合的螺纹特征通过防止退出(即，反向旋转)将传感器头100锁定于大直径杆132。螺纹特征(轴螺纹部分202和头管螺纹部分208)将传感器头100拉到杆帽(大直径杆132)上。随着零件被拉到一起，卡扣配合200特征被接合。一旦卡扣配合200已接合，就不可能容易地拆卸传感器头100。因为螺纹迫使旋转移动也具有轴向移动，所以一旦轴向移动被锁定下来，传感器头100就不可能在没有附加扭矩的情况下旋转。这防止了当在服务中时接头退回和分离，并且还防止了传感器头100关于杆的旋转和未对准。一旦形成了卡扣配合200，就可以将平面220或其它机械键添加到小直径杆134的与电极105、107、109对准的顶部，使得在插入流管170内之后传感器组件101的旋转方向是已知的。
虽然单独的螺纹接头比卡扣配合接头有优势，诸如减少了弯曲和在更大的面积上分散了负载之类，但是通过将螺纹特征与卡扣配合接头组合，总体上实现了更刚性的设计和更坚固的传感器头。在一个示例中，卡扣特征和螺纹特征两者可以在车床上被生产。这通过去除了对磨机(如同其它防旋转特征)的需求，降低了加工成本。
图17示出了在热分接头适配器130内处于未安装位置的锚固件140、大直径杆132和小直径杆134的视图。大直径杆132在杆过渡133处过渡到小直径杆134。杆过渡133被示出为从大直径杆132向小直径杆134渐缩。然而，也可以使用具有足够强度的其它过渡。锚固件140被附连到大直径杆132和小直径杆134两者。锚固件140具有足够的直径以紧紧地装配在热分接头适配器130内。然而，在一个示例中，锚固件包括在锚固件内的一个或多个孔或在它和热分接头适配器130之间的围绕锚固件的间隙142，以便平衡从系统流172到上部区域144的压力。在一个示例中，间隙142是有利的，因为如果系统流172压力不等于上部区域144，那么必须克服整个系统压力以便插入杆。然而，如果系统压力被允许是平衡的，那么需要较小的力。间隙142的大小应该适于允许在标准安装维护可用期间的压力平衡。间隙大小可以取决于系统设计压力而变化。例如，对于相同的平衡时间，对于较高的压力系统可能需要更大的间隙。如所示出的，间隙142面积总计从约0.180in2至约0.136in2，其约为示例热分接头适配器130的总内部截面面积的16％。锚固件140可以包括摩擦减小工件、涂层或插入件，以减小锚固件140的相对于热分接头适配器130的内壁的滑动摩擦。例如，在可替换实施例中，锚固件可以包括
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或乙缩醛塑料滑动件。然而，也可以使用不污染系统的其它摩擦减小涂层。通过具有O圈/密封件254的顶密封帽252将热分接头适配器130以及上部区域144与大气阻隔。
图18是图17的沿着截面线XVIII-XVIII的截面视图。示出了大直径杆132和锚固件140。锚固件140具有带圆角143的大体上正方形的轮廓。圆角143确保了几乎没有供横向位移的空间的紧密配合，下面将讨论其重要性。尽管空间被示出在锚固件140和热分接头适配器130之间的圆角143处，但是理想的是没有间隙。然而，由于加工中的公差，间隙为约0.0015英寸以允许插入。提供间隙142以允许压力平衡。
图19是图17的沿着截面线XIX-XIX的截面视图。示出了小直径杆134和锚固件140。图19图示了通过针对小直径杆134使用安装力而获得的液压机械效益，该安装力与在锚固件140和大直径杆132上的系统压力相反。锚固件140和大直径杆132中的每个具有比小直径杆134更大的表面积，也就是说，跨它们相应纵轴中的每个纵轴锚固件140具有比小直径杆134更大的截面表面积。由于从施加安装力的小直径杆134到锚固件140和大直径杆132的面积的改变，根据帕斯卡定律(或帕斯卡原理)，实现了机械效益的增加。这个机械效益减少了插入传感器头管所需的力，并且因而也减少了下面进一步讨论的插入机构的复杂性和代价。传统的插入式传感器(热分接头传感器)在杆设计上权衡了两个因素：插入力和挠曲强度。杆越小，安装传感器所需的力越小。然而，细杆受不希望的挠曲、振动、疲劳和断裂的影响。然而，示例公开的实施例允许了大杆的高强度(和小挠曲)，带有小杆的低插入力一起。
图20和图21示出了在安装的两个阶段中的示例传感器组件。首先，在阀120闭合的情况下，热分接头适配器的端部在接头131处被连接到阀120。接头131可以是任何已知的机械装置，以接合足以耐受接头处的压力和机械应力的管，包括但不限于螺纹连接。然后，如参照图17至图18所讨论的，阀120被打开并且系统压力跨锚固件140是平衡的。在压力平衡之前、之后或期间，起初通过旋转小直径杆134来检查和调节旋转方向，下面将进一步讨论。在平衡之后，小直径杆134被推向流管170，其将锚固件140、大直径杆132和传感器头100推入流管170内。跟随在插入后，可以进一步验证和调节旋转方向。
在先前技术的热分接头传感器中，要么杆具有比它相关联的热分接头适配器的内径小的固定直径。也就是说，它没有紧密地安装在其热分接头适配器内，从而允许机械挠曲。或者是，杆具有大直径热分接头适配器的长度。在小适配器配置中，垂直于阀轴114作用的系统流172的全部力被从轴的整个长度146传递到顶密封帽并且导致了大的力矩臂，其增加了杆和顶密封帽上的扭矩。这些先前的小杆配置不仅导致了到杆和顶密封帽的过度的应力，而且导致了由于传感器的挠曲而引起测量结果不精确的可能性更高。在当前应用锚固件140的示例传感器组件101中紧密地配合热分接头适配器130的内径。在安装期间，锚固件140被随大直径杆132朝向流管170插入，从而引起锚固点或力矩臂朝向流管170的底部动态地移位。锚固件140具有与先前传感器中相比更靠近管170的插入位置。与先前的传感器相比，锚固件140用作此时减小的力矩臂148的支点，其减小了传感器头100的机械挠曲。此外，如以上讨论的，与固定的大杆配置相比，示例传感器组件也具有减小的插入力。
图22和图23示出了示例机械插入设备260的透视图和前示意图。机械插入设备260可以用于将传感器头100手动插入流管170的底部并且压缩弹簧152。机械插入设备260可以用于小直径杆134的夹持和插入两者，并且还用于固定杆以免在插入之后缩回。机械插入设备260被示出为包括上部调节板154，该上部调节板154有助于轴向地对准小直径杆134。上部调节板154借助螺纹紧固件(例如，穿过154并通过在顶密封帽252中切割的螺纹固定的螺栓264)被连接到顶密封帽252。在替换中，螺栓264也可以是其它螺纹紧固件，例如，螺纹棒和翼形螺母或其它类型螺母的组合。可以通过对准棒266来辅助上部调节板154的对准，该对准棒266也可以用作防止过度插入的止动件。
当被拧紧时，上部调节板154对弹簧152施加力，该弹簧152转而对被可释放地拧紧到小直径杆134的轴环150施加力。这导致杆朝向流管170前进。当弹性脚190接触流管170的底部时，弹簧152将压缩，以防止对传感器头100的损坏，同时还施加持续的压力。一旦完全固定和对准，螺母156就可以被拧紧以将小直径杆134固定到适当的位置。螺母156可以是压紧螺母，并且可以包括如本领域中已知的压力套筒。机械插入设备具有优于先前传感器组件的额外优势，因为沿着轴114的轴向移动独立于绕轴114的旋转移动。因而，如果传感器头100没有合适的径向对准，那么可以在插入期间或之后使用例如使用手柄268(图25)旋转杆134。这允许独立于传感器头对准的对机械辅助热130的合适的密封。
图24中示出了替代的机械插入设备500，该机械插入设备500可以取代所有以上讨论的实施例中的机械插入设备260，例如如图31中所示的。返回参照图24，机械插入设备500利用带螺纹的预紧螺母504作为单个压缩/旋转点，在某些状况下，该带螺纹的预紧螺母504可以改进保持杆134的垂直于流管170(图1)的对准。预紧螺母504与热分接头壳体506可释放地接合，该热分接头壳体506用于保护机械插入设备500内部的部件。热分接头壳体506还用于拥有螺纹505，预紧螺母504在该螺纹505上前进或缩回并且还用于提供硬的止动表面514，下面将对此讨论。预紧螺母固定螺钉508可以被设置为防止在预紧螺母504和热分接头壳体506之间的移动。设置密封件516，该密封件516可以是例如O圈，并且在设计和功能上类似于密封件254(图17)。
机械插入设备500包括具有在约1000in/lbs和约1500in/lbs之间(例如，约1375in/lbs)的弹簧常数的主弹簧510，例如，高张力弹簧。主弹簧510提供与弹簧152(图23)类似的功能。也就是说，主弹簧510当被压缩时向下施加持续压力，所以传感器头100(图1)在高流量状况下或流量突变时不移位。主弹簧510的力通过垫圈512被分散。位于预紧螺母504和热分接头壳体506之间或者以其它方式在由该预紧螺母504和热分接头壳体506限定的腔室内的轴环520被可释放地连接到杆134，并且被用于在主弹簧510和杆134之间传递力。在一个示例中，如所示出的，使用轴环螺钉522将轴环520可释放地连接到杆134，该轴环螺钉522拧紧围绕杆134的轴环520。轴环螺钉522可以是诸如六角切口紧固件之类的任何合适的紧固件。包括用于在固定轴环螺钉522的同时保持轴环520的位置的定位弹簧518。套圈503和夹头螺母502可以被用于固定杆134。
在图25-图27中示出，通过发光线(例如，激光器310)辅助绕轴114的旋转对准。激光器310被示出为被保持在激光器安装座314中，该激光器安装座314被安装在小直径杆134上并且发射光平面316，该光平面316在流管170(图26)上显现为线。该线从轴114延伸一定距离，与用先前已知装置对准杆134的本领域普通技术人员相比，这允许安装者在杆134的轴向旋转上更精确。例如，在两英尺的距离处，一度的旋转误差相当于约半英寸的挠曲。因此，如果光平面316延伸为从阀120离开约四至五英尺的线，那么一度的旋转误差将甚至更明显。在一个示例中，该线将是若干英尺长(例如，为18-36英寸)，但是将取决于传感器和特定激光器的高度而变化。线越长，对准就可以越精确。角度上的小差异将与线的长度相乘，以通过转动小直径杆直到线是直的为止来容易地识别和校正。顺着管的中心标记直线可以进一步改进精度。然后，小直径杆134将被旋转，直到激光线直接与标记线重叠。这将进一步保证精确对准。
激光器310可以由传感器组件控制器300通过电力和控制器线(未示出)来供电和控制，或者它可以是电池操作和手动控制的。在安装之前，激光器310和激光器安装座314可以各自与传感器头100旋转对准。为了辅助传感器头管102、大直径杆132、小直径杆134、激光器安装座314和激光器310之间的旋转对准，可以在组装传感器组件之前在每个个体部件中加工出诸如平面、凹口等之类的键。例如，平面220(图15)。并且在一个示例中，激光器310和激光器安装座314被永久地安装到小直径杆134。
控制器300被安装在小直径杆134的顶部上。来自传感器头100的线中的每根线在大直径杆132和小直径杆134的内部向上行进，并且被电连接到壳体302内部的控制器300。控制器300还可以适于控制其它传感器组件。在这样的配置中，来自其它传感器组件的线组件也将进入壳体302。在可替换实施例中，控制器300被安装在另一原位位置，并且线被连接在小直径杆134和控制器300之间。
图28示出了俯视芯104使得轴114出纸面的磁场密度图。要注意的是，图的较暗区域表示较高的磁场强度。在先前的传感器设计中，通过在芯的其中磁场最低的中心(沿着轴114)钻孔并且引导线通过孔来将电极线屏蔽于由线圈所产生的强磁场。屏蔽是有利的，因此磁场不在电极线中感应出杂散电流。然而，这种实践对于机器而言是昂贵的且安装是耗时的，尤其是在较大尺寸的芯中。在本示例实施例中，芯104具有在没有线圈缠绕在它们上的侧部中加工的通道350。通道350和芯104的设计导致低磁场区域352。替代地，电极线112可以顺着低磁场区域352内的通道350走线。可以添加间隔件116(图7)，以帮助将电极线112保持在低磁场区域352中。与先前的传感器相比，在这件事上制作芯更便宜并且更容易组装。
图29A和图29B示出了控制器300和传感器头100的电气示意图。电源(PSU 450为线圈驱动电路462和微控制器单元(MCU)455供应电力。MCU 455包括电连接到用户输入输出(I/O)430的输出和用户接口控制和配置模块440，该模块440可以包括按钮、选择器开关、显示器、指示器、数字和/或模拟接口和警报。MCU包括电连接到线圈驱动电路462的振荡器460(OSC)。在线圈驱动器电路462内有H桥463和电流调节器464，以保护场线圈180。如果附加传感器组件正在被控制器300控制，则可以包括附加H桥和电流调节器，如果不是已经存在于所选择的H桥封装内的话。H桥463激励场线圈180。H桥463基于OSC交替场线圈180处的电流输出。使用交流(AC)防止了芯104的永久磁化，并且还通过滤除DC电压分量来允许在电极处的电化学和其它效应的最小化，如以下讨论的。
周期性地，在电极105、107处读取电势(电压)，并且根据法拉第定律所产生的电压指示导电流体(例如，水)穿过由场线圈180产生的磁场的速度。电极105、107可以被分别电连接到电极106、108，或者是独立的。如果它们是分开的，那么附加输入通道可以被包括在控制器300直至模数转换器(ADC)415中，其还可以具有多通道复用器特征。在电极105、107处读取的电压在放大器410处被放大。
当配置测量放大器410时，增益直接影响可以从输入信号中去除多少DC误差。增益应该被选定为，使得放大器410在其线性区域中操作，但不能高至将输入范围减小至窄的裕度。
积分器412在414处提供负反馈以AC耦合信号。然后，所得的模拟信号通过低通滤波器(LPF)416被预先滤波，用于滤除高频噪声并提供更大的增益。然后，为了最终增益和适当的偏置，信号被发送到BIAS 418，以最大化ADC 415处的数字处理的输入分辨率。增益和滤波器级LPF 416被设计为使得其带宽显著低于数字滤波器417的带宽，从而确保没有较高频率信号的混叠将妨碍数字滤波器417的输出。进一步地，增益被调节为提供足够的放大，以最大化ADC的输入范围。为了避免产生信号的谐波失真的噪声尖峰的“钳位”，滤波器的输出在被数字化之前被偏置到半供电点。
使用通过有源电路系统的AC消除了对去除各种杂散DC势(例如，电极处的电化学势)的需求。不是如先前传感器中所做的手动地平均流中的若干个小点，模拟积分跨整个管直径的电压允许感应电压的无限分辨率传感，而无需各种读数的加权。由控制器300读取单个电压大大地降低了控制器和传感器复杂度和成本。示例实施例还供应了在弯头或扰动之后的改进的性能，这对更短的直线走线要求有贡献。例如，在直管中，在管内流动的流体的速度轮廓大体上是抛物线形的，并且平均速度矢量的深度约为内直径的1/8。因此，先前传感器通常仅测量1/8深度处的流速度，并且假定该流速度代表在其它深度处的速度。然而，管的直线度变化，例如弯头或其它连接破坏了抛物线速度轮廓，并且因而降低了那些先前仪表的精度(取决于它在管中的位置，读数太高或是太低)。相反，本申请的示例流量传感器测量跨几乎整个内直径的感应电压，使得那些干扰被采样并被包括在测量结果中，并且因而没有严格的管直线走线要求。总体而言，这降低了系统复杂度并增大了测量精度。
大多数先前已知的电磁流量仪表使用DC耦合放大器作为前级，这导致需要复杂的开关电路系统和精确定时技术来处理输入信号。这增加了非线性行为和误差。本实施例使用允许线性中间放大器并消除了对复杂开关电路系统和精确定时技术的需要的AC耦合的前置放大器。通过在测量放大器的输入级之后施加积分输入信号的负反馈来实现AC耦合。负反馈消除了DC偏移，同时仍提供了高输入阻抗和高共模抑制。AC耦合信号，同时保留共模抑制和精确感测电磁流量仪表的信号所需的高输入阻抗。这个AC耦合方案确保了离开第一级并经预先滤波(用于抗混叠)和放大的信号将具有包含在信号中的最小误差量，其增加了整个放大器的信噪比。
在放大之后，信号将被数字整流。整流和最终滤波是用定制算法数字地实现的，该定制算法被设计为提供非常稳定的输出，该输出仍快速地响应于输入，从而增大了精度和性能，并且用自适应滤波算法滤波，从而导致了更线性、精确和准确的电磁流量仪表。控制器455精确地整流信号，并且将(由交变磁场产生的)方波转换成与流量成正比的DC值。控制器455被配置为如果输入改变则“跳跃”，从而提供了紧滤波器(稳定输出)和松滤波器(更快响应)的益处。进一步地，控制器455通过查看两个后续且相反的线圈脉冲而自己自动归零，因而去除了制作和安装步骤并改进了安装效率。
一旦信号已在ADC 415处被从模拟信号转换成数字信号，控制器455就自动归零信号，将交流信号转换成与流量成正比的DC电平并且施加最终滤波。为了完成这个功能，控制器455监视信号的输入和输出，并且查看等于当前百分比的输入变化。如果输入“跳跃”，那么输出跟随，其转而增加了设备的响应性。也就是说，控制器455查看符号相反的两个连续脉冲，并且使用该信息来整流信号，在很大程度上滤除了噪声并适应于大的输入变化。
然后，取决于420处的配置，信号被MCU作为所得的流速度、体积或质量流量输出。
参照图30，将讨论安装包括机械插入设备500(图24)的传感器组件101(图1)的方法600。在步骤602处，向夹头螺母502、轴环螺钉522和固定螺钉508施加逆时针半圈或更多，以确保杆134、预紧螺母504和轴环520可以自由地移动。应该注意的是，取决于螺纹配置和螺纹方向，具体配置可以需要更多或更少圈。在步骤604处，传感器头101从热分接头适配器130滑出几英寸，以确保其自由地移动。如若不然，则对夹头螺母502和轴环螺钉522进行额外调节，以确保它们没有被拧紧，然后重试。在步骤606处，传感器头101被完全缩回热分接头适配器130内。在步骤608处，热分接头适配器130的管螺纹被覆盖在适当的管密封剂中，例如，管带。在步骤608处，在保持阀120闭合的情况下，热分接头适配器130的螺纹端被插入阀120内，并且例如通过用适当的工具顺时针转动而固定。在步骤610处，打开阀120并检查在螺纹接头处的泄漏。如果存在任何泄漏，那么闭合阀120并且向热分接头适配器130施加附加扭矩，并且然后打开并再次检查泄漏。
在步骤612处，通过将预紧螺母504一直顺时针地旋转(假定是右旋螺纹)将预紧螺母504完全插入热分接头壳体506内。在一种配置中，预紧螺母504的唇缘522应该与热分接头壳体506的顶部齐平，并且没有可见的螺纹，并且预紧螺母504不应该进行任何进一步转动。在步骤614处，打开激光器310(图25)(如果包括的话)，并且使传感器组件101与流管170对准，其中激光器在所预计的下游方向上指向管的中心。在步骤616处，预紧螺母504被逆时针转出1又1/4圈，并且检查预紧轴环，以确保它可以在壳体内部移动。在步骤618处，使用手柄268(图25)将传感器头100缓慢地插入管内。在这个步骤处，如果杆134被推入，则它应该在其定位弹簧上轻轻弹起。在步骤620处，如有必要，可以用校正对激光对准执行附加检查。在步骤622处，在保持手柄268上的向下力的同时，使用通过窗口530(图31)或者在热分接头壳体506中的开口接入的紧固件来紧固轴环螺钉522。如果在这个步骤中有必要，轴环520可能需要在热分接头壳体506内旋转，以获得到轴环螺钉522头的接入。在步骤624处，预紧螺母504一直被旋转(假定是右旋螺纹，则是顺时针)进入热分接头壳体506内，直到其在硬止动件514处触底。这个动作预紧了主弹簧510。预紧螺母504的唇缘524应该与壳体506的顶部齐平，而没有可见的螺纹，并且预紧螺母504不应该进行任何进一步转动。在步骤626处，夹头螺母502被紧固。在紧固夹头螺母502的同时，应该通过使用手柄268作为辅助抵消扭矩来保持对准。在步骤628处，关闭激光器310，并且热分接头壳体506的侧部上的固定螺钉508被紧固。在步骤630处，进行到控制器300(图29A)的电连接。
应该理解的是，以上描述仅是本发明的例示。本领域的技术人员可以在不脱离本发明的情况下设想到各种替换和修改。相应地，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书的范围内的所有这些替代、修改和变化。
宣称为新颖的并且期望被专利特许证保护的是：
1.一种传感器组件，所述传感器组件包括：
杆；
被连接到所述杆的传感器头，所述传感器头包括至少一个顶电极和至少一个底电极；以及
场线圈，所述场线圈被配置为当用交流电流激励时发射交变磁场，
其中，所述至少一个顶电极和所述至少一个底电极被配置为当所述传感器头被插入具有内周面的流管内时测量导电流体的电压势。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，当所述传感器组件被插入所述流管内时，所述至少一个顶电极接近所述流管的所述内周面的第一部分，以及当所述传感器组件被插入所述流管内时，所述至少一个底电极接近所述流管的所述内周面的第二部分，并且所述第一部分和所述第二部分径向相对。
3.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述传感器头经由螺纹连接被附连到所述杆。
4.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述传感器头被附连到杆，并且所述杆具有大直径部分和小直径部分，所述大直径部分比所述小直径部分更靠近所述传感器头。
5.根据权利要求4所述的传感器组件，其中，所述杆包括被固定地连接到所述大直径部分和所述小直径部分的锚固件，跨所述锚固件和所述小直径部分的相应纵轴中的每个纵轴所述锚固件具有比所述小直径部分更大的截面表面积。
6.根据权利要求5所述的传感器组件，其中，具有比所述小直径部分更大的截面表面积的所述锚固件提供了被施加在所述小直径部分上的力的液压机械效益。
7.根据权利要求5所述的传感器组件，其中，所述传感器组件还包括热分接头适配器，并且所述锚固件的外直径小于所述热分接头适配器的内直径。
8.根据权利要求7所述的传感器组件，所述传感器组件还包括在所述锚固件和所述热分接头适配器之间的间隙，以允许跨所述锚固件的压力平衡。
9.根据权利要求7所述的传感器组件，其中，所述锚固件组件的尺寸使所述锚固件组件紧密地配合在所述热分接头适配器内，以最小化当被安装在流管中时所述传感器头的横向挠曲。
10.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述传感器头包括芯，以及所述场线圈被缠绕在所述芯的第一侧和第二侧周围。
11.根据权利要求10所述的传感器组件，其中，所述芯包括沿着所述芯的第三侧和第四侧的通道，以及所述通道平行于所述芯的中心纵轴。
12.根据权利要求10所述的传感器组件，其中，所述传感器头被成型和/或包覆成型在所述芯和/或电极上。
13.根据权利要求11所述的传感器组件，其中，所述传感器头包括在所述通道内的至少一根电极线。
14.根据权利要求11所述的传感器组件，其中，当所述场线圈被激励时，所述通道的一部分在较低磁场区域中。
15.根据权利要求13所述的传感器组件，其中，传感器头包括在所述通道中的至少一个间隔件，使得所述电极线在所述间隔件和所述芯的所述中心纵轴之间。
16.根据权利要求1所述的传感器组件，所述传感器组件还包括机械插入设备，所述机械插入设备包括顶密封帽、上部调节板。
17.根据权利要求16所述的传感器组件，其中，所述杆穿过所述顶密封帽和所述上部调节板，并且所述传感器组件还包括弹簧和轴环，所述弹簧和所述轴环各自在所述顶密封帽和所述上部调节板之间至少部分地周向地围绕所述杆。
18.根据权利要求14所述的传感器组件，其中，所述杆能在将所述传感器头插入所述流管内之前、期间和之后并且独立于适当密封的热分接头适配器而旋转。
19.根据权利要求14所述的传感器组件，所述传感器组件还包括发光线，所述发光线被附接到所述杆，并且被配置为在将所述传感器组件插入所述管内期间和/或之后将线发射到所述管的外表面上。
20.根据权利要求1所述的传感器组件，所述传感器组件还包括控制器，其中，所述控制器适于产生和交变电流场线圈电流源，测量跨所述至少一个顶电极和所述至少一个底电极的电压，以及放大和过滤所得信号。
21.根据权利要求20所述的传感器组件，其中，所述控制器还被配置为监视所述信号的输入和输出，以及查看符号相反的两个连续脉冲，以及使用该信息整流所述信号，滤除噪声以及适应大的输入变化。
22.根据权利要求1所述的传感器组件，所述传感器组件还包括机械插入设备，所述机械插入设备包括预紧螺母和热分接头壳体。
23.根据权利要求22所述的传感器组件，所述传感器组件还包括轴环和定位弹簧。
24.根据权利要求23所述的传感器组件，所述传感器组件还包括主弹簧。
25.一种将传感器组件插入流管内的方法，所述方法包括：
将预紧螺母紧固到热分接头壳体内；
向连接到杆的至少一个手柄施加力，以将所述传感器组件插入所述流管内；
将轴环紧固到所述杆上，其中，所述轴环在所述预紧螺母和所述热分接头壳体之间；
将所述预紧螺母拧紧到所述热分接头壳体内，直到所述预紧螺母在硬止动件处触底。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，将所述预紧螺母504拧紧到所述热分接头壳体内直到所述预紧螺母在所述热分接头壳体的硬止动件处触底还包括压缩主弹簧。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，将轴环紧固到所述杆上还包括用定位弹簧将所述轴环保持在适当位置。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述硬止动件是所述热分接头壳体的一部分。
29.根据权利要求25所述的方法，所述方法还包括拧紧围绕所述杆的夹头螺母。
30.根据权利要求25所述的方法，所述方法还包括使用发光线将所述传感器组件与所述流管对准。
宣称为新颖的并且期望被专利特许证保护的是：

Claims (20)

1.一种磁性插入式仪表，包括：
具有带纹理的前表面的传感器头圆柱体；以及
至少两个电极。
2.如权利要求1所述的插入式仪表，还包括场线圈，所述场线圈被配置为当用交流电流激励时发射交变磁场。
3.如权利要求1所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面是上游表面。
4.如权利要求1所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面是基底上的磨料、浸渍磨料、沉积磨料和/或磨料层中的至少一种。
5.如权利要求4所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面是砂纸。
6.如权利要求1所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面具有比形成传感器头管的材料更高的粗糙度。
7.如权利要求1所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面包括至少一个凹槽。
8.如权利要求7所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面包括沿所述传感器头圆柱体的纵轴延伸的两个凹槽。
9.如权利要求1所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面包括凹坑。
10.如权利要求9所述的插入式仪表，其中，所述多个凹坑彼此等距间隔开。
11.如权利要求10所述的插入式仪表，其中，所述多个凹坑形成图案，在该图案中所述多个仪表中的三个仪表形成等边三角形。
12.如权利要求9所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面包括多列凹坑。
13.如权利要求12所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面包括约3列凹坑至约7列凹坑。
14.如权利要求7所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的前表面包括凹坑。
15.如权利要求1所述的插入式仪表，其中，与不含有所述带纹理的前表面的相同传感器头管相比，所述带纹理的前表面适于改变流过传感器头管的流体的边界层。
16.如权利要求1所述的插入式仪表，其中，与不含有所述带纹理的前表面的相同传感器头管相比，所述带纹理的前表面适于将流过传感器头管的流体的分离点朝向所述前表面移动。
17.如权利要求1所述的插入式仪表，其中，所述带纹理的表面是表面廓形。
18.一种测量流的方法，所述方法包括，
提供磁性插入式仪表，所述磁性插入式仪表包括具有带纹理的前表面的传感器头圆柱体和至少两个电极；以及
测量所述电极的输出。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述带纹理的前表面是基底上的磨料、浸渍磨料、沉积磨料和/或磨料层中的至少一种。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述带纹理的前表面包括凹坑和/或凹槽中的至少一个。
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