CN114270149A

CN114270149A - 磁感应流量计和用于操作磁感应流量计的方法

Info

Publication number: CN114270149A
Application number: CN202080059524.1A
Authority: CN
Inventors: 比特·楚丁; 西蒙·玛利亚格
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2022-04-01
Also published as: US20220404185A1; DE102019123359A1; EP4022259A1; EP4022259B1; DE102019123359B4; WO2021037491A1; US12085429B2

Abstract

本发明涉及一种磁感应流量计，其能够被插入介质流过的管中，所述流量计包括：壳体，其中壳体具有壳体壁；至少第一测量电极和第二测量电极，其与流动介质形成电流接触并且被定位在壳体壁上；用于生成通过壳体壁的磁场的至少一个磁场生成设备，其中磁场生成设备被定位在壳体中并且包括被设计成确定至少一个第一测量变量的测量电路，并且其中在两个测量电极之间或在测量电极处相对于参考电位尤其是地电位测量第一测量变量的测量值。流量计的特征在于：评价电路被设计成借助于第一测量变量的测量值和不同于第一测量变量的第二测量变量的测量值确定管中的介质的雷诺数和/或运动粘度值，其中在两个测量电极之间或在一个测量电极处相对于参考电位尤其是地电位确定第二测量变量的测量值；以及测量电极以在测试测量期间第一测量变量的当前测量值和第二测量变量的当前测量值的商与管中的介质的雷诺数双射地对应的方式被定位在壳体壁上。

Description

磁感应流量计和用于操作磁感应流量计的方法

背景技术

磁感应流量测量设备用于确定管道中的流动介质的流速和体积流量。磁感应流量测量设备具有磁体系统，该磁体系统生成垂直于流动介质的流动方向的磁场。单线圈通常用于该目的。为了实现基本上均匀的磁场，极靴被附加地形成并且被附接使得磁场线在整个管横截面上基本上垂直于测量管的横轴或者平行于测量管的纵轴延伸。附接到测量管的侧表面的测量电极对分接垂直于流动方向和磁场而施加的电测量电压或电位差，并且当施加磁场时导电介质在流动方向上流动时生成发生该电压或电位差。因为根据法拉第感应定律，所分接的测量电压取决于流动介质的速度、流速u，并且借助于已知管横截面，体积流量V可以从所感应的测量电压U确定。

与磁感应流量测量设备不同，具有其壳体通常为圆柱形的磁感应流量计被插入到管道的侧向开口中并且以流体密封方式固定。不再需要专用测量管。由于磁场仅存在于流量计的前端的伸入流体中的区域中或者由流经其线圈布置的电流在该区域中生成，因此省去了测量管的侧表面上的所述线圈布置。为此目的，磁体系统通常被布置在壳体内并且紧邻测量电极，使得所生成的磁场线的对称轴线与测量电极之间的面垂直相交。测量电极被布置在壳体的前面或侧面上。

对于两种测量系统，施加到测量电极的测量电压U由简化等式组成

U＝f(Re)·u·S

其中，S是取决于传感器几何形状和磁场的标称信号强度，并且f(Re)是流动剖面相关或雷诺数相关的校正因子。通常假设校正因子f(Re)是恒定的。然而，情况并不总是这样。在流量计的校准期间确定标称信号强度S，并且将其值存储在评价电路的存储器中。

管道中的流动介质的雷诺数由下式定义

其中，管道直径DN、介质密度ρ、介质动态粘度μ和介质运动粘度v。

磁感应流量计对于管道中的介质的当前雷诺数特别敏感，因为这确定流动介质的流动剖面。取决于管系统、磁体系统和安装深度，校正因子f(Re)可以变化并且偏离假定恒定值几个百分比。通常，测量电极和磁场生成设备的布置被优化，使得流量计的特性曲线尽可能是线性的，即，所感应的测量电压与在尽可能大的雷诺数范围内或对于特定应用和预定安装深度感兴趣的雷诺数范围内的雷诺数无关。因此，在过渡流动区域具有百分之几的偏差的流量计和对于具有湍流剖面的流动具有大约2％至5％的偏差的流量计已经是工业标准。

EP0892251 A1公开了一种磁感应流量计，其伸入流体中的前端呈球冠的形式，并且其中用于形成电流接触的第一和第二电极相对于子午线的顶点对称地布置在球冠的子午线中的一个上。球冠形状减少了当介质逆着流量计的前部区域流动时发生的流动涡流的形成，并且测量精度在低流速下增加。

然而，迄今为止，磁感应流量计和用于操作磁感应流量计的确定介质的雷诺数并且从其开始校正流量值的方法都是未知的。

发明内容

本发明的目的是对此进行补救。

该目的通过根据权利要求1所述的磁感应流量计、根据权利要求12所述的用于操作磁感应流量计的方法以及根据权利要求15所述的流量测量点来实现。

可以被插入到介质流过的管中的根据本发明的磁感应流量计包括：

-壳体，

其中，壳体具有壳体壁；

-至少第一测量电极和第二测量电极，其被布置在壳体壁上，每个用于与流动介质形成电流接触；

-至少一个磁场生成设备，其用于生成穿过壳体壁的磁场，

其中，磁场生成设备被布置在壳体中；以及

-测量电路，其被配置成确定至少第一测量变量，

其中，在两个测量电极之间或在测量电极处相对于参考电位尤其是地电位测量第一测量变量的测量值，

并且其特征在于，

评价电路被配置成借助于第一测量变量的测量值和不同于第一测量变量的第二测量变量的测量值来确定管中的介质的雷诺数和/或运动粘度值，

其中，在两个测量电极之间或在一个测量电极处相对于参考电位尤其是地电位确定第二测量变量的测量值，

其中，被配置成确定第二测量变量的测量值的至少一个测量电极不同于被配置成确定第一测量变量的测量值的测量电极。

特别有利的是，磁感应流量计具有评估电路，该评估电路被配置为借助于在至少两个测量电极处分接的两个测量变量的测量值来确定管道中的介质的雷诺数和/或取决于雷诺数的运动粘度。第一测量变量与第二测量变量不同。这两个测量变量的不同之处在于，它们在不同的测量电极对之间确定或者在不同的测量电极处测量。

在流量测量技术的领域的测量电路是充分已知的。测量电路的目的是检测非常小的绝对值和相应测量变量中的变化。存在多个不同的实施例，每个实施例都具有其优点和缺点。

一方面，测量电路可以被配置成分接相对于参考电位的在测量电极之一处的电位。因此，即使两个测量电极中的一个故障，仍然可以基于所确定的电位来确定流速。壳体电位或地电位适合作为参考电位。磁感应流量计可以具有连接到参考电位的接地电极。因此，这两个测量变量可以是在两个测量电极中的每一个处盛行和确定的电位。

另一方面，测量电路可以被设计成检测和记录两个测量电极之间盛行的电位差。

或者，测量电路可以被配置成测量第一测量电极和第二测量电极之间的测量电压，并且另外，测量相对于参考电位的在两个测量电极中的一个测量电极或第三测量电极处的电位。

因此，测量电路包括模/数转换器，该模/数转换器将输入信号(——在这种情况下，在相应测量电极对处当前存在的电位差或在相应测量电极处盛行的电位差)——转换成数字数据，然后其由评估电路进一步处理或存储。然而，来自数字测量技术领域的其它测量转换器或测量换能器也是已知的，并且适合于检测测量电压或电势。

评估电路被配置为处理由测量电路所测量的相应测量变量的测量值，并且确定所寻求的测量变量。因此，评估电路通常包括微处理器、放大器和噪声滤波器。测量和评估电路可以是模块化设计，并且可以借助于无线连接进行通信，或者可以是布置在流量计的壳体中的单个电子测量和评估单元的一部分。

根据本发明的用于操作磁感应流量计，尤其是根据本发明的磁感应流量计的方法，

其中流量计具有带有壳体壁的壳体，

其中，用于生成穿过壳体壁的磁场的磁场生成设备被布置在壳体中，

其中，测量电极被布置在壳体壁上；

包括以下方法步骤：

-检测第一测量变量的测量值和不同于第一测量变量的第二测量变量的测量值，

其中，在两个测量电极之间或在测量电极处相对于参考电位尤其是地电位确定相应的测量变量的测量值；

-确定取决于第一测量变量和第二测量变量的雷诺数。

单个测量变量的测量值不足以确定管道中的介质的雷诺数，因为两个未知数即雷诺数和介质的流量不能由单个测量变量确定。因为这个理由，整个测量系统通常被配置成使得所感应的测量电压与在尽可能大的雷诺数范围内的雷诺数无关。因此丢失了当前雷诺数的信息。因此，特别有利的是，流量计被配置成除了用于确定流量测量值的第一测量变量之外还确定与雷诺数相关的第二测量变量并且考虑到两个测量变量来确定雷诺数。在这种情况下，测量系统不必被适配成使得所测量的测量电压尽可能与雷诺数无关，这显著地限制了磁体系统和测量系统的设计。

根据本发明的流量测量点包括

-具有直径DN和开口的管道，以及

-根据本发明的磁感应流量计；

其特征在于

磁感应流量计被布置在开口中并且具有安装深度D，安装深度D尤其满足0.05≤D/DN≤0.4并且优选地满足0.1≤D/DN≤0.2。

发明的有利实施例是从属权利要求的主题。

一个实施例提供测量电极被布置在壳体壁上，使得在测试测量期间，第一测量变量的当前测量值和第二测量变量的当前测量值的商双射地对应于至少在10,000≤Re≤100,000尤其是5,000≤Re≤500,000并且优选地1,000≤Re≤1,000,000的雷诺数范围内的管中的介质的雷诺数。

在流量计的壳体上布置测量电极对于确定雷诺数是必不可少的。为了能够基于两个测量变量来确定雷诺数，测量值的商或描述随管中的介质的雷诺数变化的相应的测量变量的测量值的商的数学函数必须是双射的。这由测量电极在壳体上的位置限定。

测量电极的位置以第一测量变量和第二测量变量尤其是第一测量电压和第二测量电压的商U₁/U₂双射地表现为与管中的流动介质的雷诺数的这样的方式被优化。优化可以通过实验或借助于模拟方法——例如借助于有限元模拟——进行。

对于商U₁/U₂，假设流速由共同流速u的相应感应的测量电压生成，得到以下结果：

在这种情况下，g(Re)是可逆的，

也应用，其中g^-1是g的反函数。商的双射性可以通过在壳体上布置第一测量电极和第二测量电极使得第一校正因子f₁(Re)独立于在雷诺数范围内的雷诺数来最容易地实现。在这种情况下，第二校正因子f₂必须双射地对应于雷诺数。因此，理想地选择两个测量电极中的一个或第三测量电极的位置，使得描述第二测量变量的雷诺数相关性的校正因子f₂(Re)的变化或商U₁/U₂的斜率对于不同的雷诺数尽可能大。

然而，有利的是，至少三个测量电极可用于确定测量变量。然后可以实现商的双射性，因为第一和第二测量电极被布置在壳体上，使得隐藏在所感应的测量电压之后的第一校正因子f₁(Re)与在雷诺数范围内的雷诺数无关。在这种情况下，第二校正因子f₂必须双射地对应于雷诺数。因此，理想地选择第三测量电极的位置，使得校正因子f₂(Re)的变化或商的斜率对于不同的雷诺数尽可能大。因此，校正因子f₂(Re)可以通过在第一测量电极和第三测量电极之间所确定的测量电压、通过在第二测量电极和第三测量电极之间所确定的测量电压、或者通过相对于参考电位在第三测量电极处所确定的电位来确定。

单个测量电极在壳体上的定位对于确定雷诺数或运动粘度是决定性的。需要两个测量变量的测量值来确定雷诺数。利用测量电极对处的测量电路确定第一测量变量。同样优选地也适用于第二测量变量。然而，不能任意选择单个测量电极的位置。第一测量变量的测量值和第二测量变量的测量值的商必须是双射地对应于管中的流动介质的雷诺数。这意味着在雷诺数范围内所测量的第一测量变量的测量值和第二测量变量的测量值的商可以由双射到雷诺数的数学函数来描述，或者测量值的商的集合双射地对应于在雷诺数范围内的雷诺数的链接集合。

这例如通过将第一测量电极对如传统流量计中的常规那样径向地布置在前面上，并且将第三测量电极或第三和第四测量电极布置在壳体的前面或侧面上与第一测量电极对偏移来实现。

因此，第一测量变量的测量值基本上与雷诺数无关，并且第二测量变量的测量值与雷诺数相关。然而，这不是实现根据本发明的流量计的唯一可能性。还可以想到，所有测量电极被布置成使得在雷诺数范围内或雷诺数范围的一部分上在测量电极处范姐的测量值与雷诺数相关。然而，在这种情况下，测量值的商必须双射地对应于雷诺数，使得可以确定雷诺数。

评估电路通常具有存储器单元，其中存储器单元具有具有参考值的第一数据集，参考值与第一测量变量和第二测量变量相关联并且尤其地与第一测量变量和第二测量变量的商成比例，其中存储器单元具有具有雷诺数的第二数据集，其中第一数据集和第二数据集双射地对应，其中评估电路被配置成基于第一和第二测量变量来确定管道中的介质的对应雷诺数。

诸如闪存或EPROM的非易失性存储器适合作为存储器单元。这可以集成到评估电路中或者单独提供。存储器单元优选至少具有第一和第二数据集。参考值存储在第一数据集中。这些源自计算机模拟或校准测量。参考值例如可以是第一测量变量和第二测量变量的模拟或测量的测量值的商。第二数据集具有分配给商的雷诺数。或者，可以将由雷诺数和参考值组成的对存储在存储器单元中。或者，将雷诺数分配给两个测量变量或取决于两个测量变量的项的数学函数也可以存储在存储器单元中。

一个实施例提供测量电路被配置为确定第一测量电极和第二测量电极之间的第一测量变量的测量值，

其中，测量电路被配置为确定第一测量电极和第三测量电极之间或第二测量电极和第三测量电极之间的第二测量变量的测量值。

测量电路优选地设计成使得其确定第一测量电极对之间的第一电位差U₁和第二测量电极对之间的第二电位差U₂。通过直接测量两个测量电极之间的电位差，或者通过测量相对于参考电位的在每个测量电极处盛行的电位差并且形成差来确定测量电压。在这种情况下，应用U₁＝f₁(Re)·S₁·u和U₂＝f₂(Re)·S₂·u，其中f₁(Re)和f₂(Re)各自描述了雷诺数相关校正因子。将所确定的测量值转发给评估电路，评估电路包括存储参考值和雷诺数或者存储将雷诺数分配给参考值的数学函数的存储器单元。

有利的是，流量计恰好具有三个测量电极。这将潜在泄漏点的数量减少到三个。该实施例可以通过用另一测量电极扩展具有两个测量电极的传统磁感应流量计来最容易地实现。后者可以被布置在壳体的侧面上或前面上，与第一和第二测量电极的偏移处。

特别有利的是，三个测量电极被布置在壳体的端面尤其是前面的直径上延伸的直线上。当保持预定安装位置时，在该实施例中，在相应测量电极对处存在比其它情况大得多的测量信号。

然而，如果测量信号强度仅起次要作用，则第三测量电极相对于与第一和第二测量电极相交的直线的偏移导致用于优化雷诺数相关测量变量或用于第二测量变量的进一步的自由度。

一个实施例提供测量电路被配置成确定第一和第二测量电极之间的第一测量变量的测量值，

其中，测量电路被配置成确定第三测量电极和第四测量电极之间的第二测量变量的测量值。

测量电路优选地被设计成使得它确定第一测量电极对之间的第一电位差U₁和第二测量电极对之间的第二电位差U₂。通过直接测量两个测量电极之间的电位差，或者通过测量相对于参考电位在每个测量电极处盛行的电位并且形成差来确定测量电压。在这种情况下，应用U₁＝f₁(Re)·S₁·u和U₂＝f₂(Re)·S₂·u，其中f₁(Re)和f₂(Re)每个雷诺数相关校正因子。将所确定的测量值转发给评估电路，评估电路包括存储参考值和雷诺数或者存储将雷诺数分配给参考值的数学函数的存储器单元。

为了避免共模干扰并且因此使信号中的噪声最小化，有利的是，两个测量变量不是相对于参考电位的电位，而是被测量的电位差。

在传统的磁感应流量计中，磁体系统和测量电极的位置被优化，使得在每个测量电极处盛行的电位与流速线性相关。如果现在添加第三测量电极，并且测量第三测量电极和两个测量电极之一之间的电位差，则线性化测量系统的影响总是包括在第二测量变量中。然而，后者应是在尽可能大的雷诺数范围内的雷诺数相关的。

因此，特别有利的是，第二测量变量的测量值在第三和第四测量电极处被分接，第三和第四测量电极被布置在与第一测量电极对的偏移处。由此，在第二测量电极对上存在的电位差也与第一测量变量的两个电位去耦合。

特别有利的是，第一测量电极对沿直径方向布置或被布置在壳体的前面上。

一个实施例提供壳体至少部分地是圆柱形的并且具有侧表面，

其中，第三测量电极被布置在侧表面上并且与介质形成电流接触。

在这种情况下，第三测量电极可以由单个针电极形成或者在壳体的整个侧表面上延伸或者由壳体的导电侧表面形成。通过将第三测量电极固定在侧表面上，开拓对相应与雷诺数相关的测量变量的进一步优化可能性，从而可以扩大两个测量变量的商双射地对应于雷诺数的范围。

此外，通过这种特定布置可以实现特别窄流量计。

一个实施例提供第一、第二和第三测量电极被布置在壳体的端面上。

这是特别有利的，因为避免了测量电极在主要为圆柱形的壳体的侧面上的麻烦的密封。此外，这种特定流量计的生产工作相当低。对于小直径管道的应用，安装深度小到仅有最小比例的侧面接触介质。

一个实施例提供第一和第二测量电极位于在端面上延伸并且与壳体同轴地布置的圆周上，

其中，圆周围绕其中布置第三测量电极或者优选地布置第三和第四测量电极的区域。

特别有利的是，三个测量电极被布置在端面上。模拟已经示出，如果除了两个传统测量电极之外，还将一个或两个附加测量电极附接到前端，尤其是附接到由两个测量电极限定的圆形区域上，则对于由线圈芯、线圈和其中线圈芯直接延伸到前端的返回体组成的传统磁体系统是有利的。

理想地，第一和第二测量电极的定位应用满足R₁₂/R_f≥0.8和优选地R₁₂/R_f≥0.9，其中R_f是前面到中心点的半径，其中前面通常是圆形的，并且其中R₁₂描述了第一和第二测量电极与中心点的距离。

一个实施例提供第一和第二测量电极被布置在端面上延伸的直线上，

其中第三和第四测量电极与直线相交，

其中第三和第四测量电极被布置在第一和第二测量电极之间。

已经令人惊讶地示出，为了满足两个测量值之间的双射关系，如果在传统的两个测量电极之间布置两个附加测量电极，其中所有四个测量电极基本上位于一条直线上，则已经足够。

通过将所有测量电极布置在直线上，可以针对两个测量电极对实现最大信号强度。此外，对于该实施例，维持了流量计在管道中的双向使用。

一个实施例提供测量电极位于同心圆的圆周上，

其中，第一测量电极和第二测量电极位于具有半径R₁₂的圆周中的一个圆周上，

其中，第三测量电极和第四测量电极位于具有半径R₃₄的圆周中的一个圆周上，

其中，两个半径的比率满足0.2≤R₃₄/R₁₂≤0.9尤其是0.3≤R₃₄/R₁₂≤0.7并且优选地0.4≤R₃₄/R₁₂≤0.6的不等式。

特别有利的是，在测量电极的布置中维持上述两个半径的比率的限制。当第三和第四测量电极满足该条件时，所感应的测量电压是雷诺数相关的，或者校正因子f(Re)具有特别大的雷诺数相关性，使得可以检测介质的雷诺数的甚至很小变化。

一个实施例提供在10,000≤Re≤100,000的雷诺数范围内在测试测量期间，第一测量变量的当前测量值与介质的流速基本上成比例，

其中，在10,000≤Re≤100,000的雷诺数范围内在测试测量期间，随着雷诺数增加，第二测量变量的当前测量值的变化不是恒定的。

在雷诺数小于1000的情况下，流量处于湍流和层流之间的过渡区域中，并且f(Re)不再能够由限定的函数描述。f(Re)表现出滞后行为或随时间改变。在大雷诺数的情况下，流动剖面是雷诺数无关的，因此对于两个测量变量，f(Re)是恒定的。在这种情况下，雷诺数不能确定。

一个实施例提供，在测试测量期间，流动介质是牛顿流体，尤其是水，

其中，在测试测量期间，流量计被引入在具有至少20DN并且优选至少50DN的直入口截面的管道中，使得在介质中存在基本对称的流动剖面，

其中，管道具有DN 80的直径DN，

其中，端面与流量计所插入的管道的开口之间的距离描述了安装深度D，

其中，安装深度满足0.05≤D/DN≤0.4并且优选地0.1≤D/DN≤0.2。

该测试测量描述了一种测量环境，在该测量环境中，用于确定雷诺数的条件，即两个测量变量的商到雷诺数的映射的双射性被满足。

一个实施例提供了以下方法步骤：

-根据第一测量变量的测量值和第二测量变量的测量值形成参考值，

其中，参考值与第一测量变量的测量值和第二测量变量的测量值的商成比例；以及

-确定随参考值变化的雷诺数。

特别有利的是，雷诺数被确定并且输出给用户。由此，能够容易地检查制造商指定的测定精度是否应用，或者当前雷诺数是否在应用范围外。

一个实施例提供了以下方法步骤：

-借助于取决于雷诺数的校正因子形成已校正的流速和/或已校正的体积流量；和/或

-借助于第一测量变量的测量值或第二测量变量的测量值和所确定的雷诺数确定管中的介质的运动粘度值。

特别有利的是，用于更精确地确定流量和/或体积流量的校正因子尤其是两个校正因子f₁和f₂中的一个被存储在存储单元中。校正因子可以在模拟方法中被确定，或者在校准方法中被确定或测量。

借助于校正因子，可以减小流量测量值的雷诺数相关偏差，从而提高满足指定测量精度的雷诺数范围。

一个实施例提供将雷诺数分配给第一和第二测量变量的商的函数至少在10,000≤Re≤100,000尤其是5,000≤Re≤500,000并且优选地1,000≤Re≤1,000,000的雷诺数范围内是双射的。

测量值例如经由连接到流量计的显示器输出。或者，显示器也可以是智能电话或膝上型计算机的一部分，并且经由无线连接从评价电路接收待显示的测量值。在过程自动化中已知的替代输出单元是用于数据传输的系统，诸如现场总线或实时以太网。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。示出了以下内容：

图1：根据现有技术的磁感应流量计的透视图示和部分截面图示；

图2：根据现有技术的被安装在管道中的磁感应流量计的纵向截面图；

图3：根据本发明的磁感应流量计的第一实施例的前视图；

图4：根据本发明的磁感应流量计的第二实施例的前视图；

图5：根据本发明的具有附加桨叶的磁感应流量计的第一实施例的纵向截面图；

图6：根据本发明的磁感应流量计的第三实施例的纵向截面图；

图7：根据本发明的磁感应流量计的第四实施例的纵向截面图；

图8：两个视图，其中第一视图描绘了随雷诺数变化的函数f₁(Re)和f₂(Re)，并且第二视图描绘了随雷诺数变化的两个函数f₁(Re)和f₂(Re)的商g；

图9：示出了对于各种电极布置随介质的流速变化的误差的视图；以及

图10：用于操作磁感应流量计的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

首先，基于图1的透视图示和部分截面图示来解释本发明所基于的测量原理。流量计1包括具有预定外径的大致圆柱形的壳体3。所述壳体与孔的直径相适应，所述孔位于管道13的壁中，管道13在图1中未示出但在图2中示出，并且流量计1以流体密封的方式插入管道13中。待测量的介质在管道13中流动，并且流量计1几乎垂直于介质的流动方向浸入所述介质中，流动方向由波状箭头12指示。壳体3的伸入介质中的前端2与由绝缘材料制成的前部6以流体密封方式密封。借助于布置在壳体2中的线圈布置9，可以生成磁场8，该磁场8穿过前端延伸到介质中。至少部分地由软磁材料制成并且布置在壳体2中的线圈芯7终止于前端处或附近。围绕线圈布置9和线圈芯7的返回件10被配置成将从前端延伸通过的磁场8返回到壳体2中。线圈芯7、线圈布置9和返回件10形成磁场生成设备。第一和第二电流测量电极4、5被布置在前部6中并且接触介质。基于法拉第感应定律所感应的电压可以借助于测量和/或分析单元11在测量电极4、5上被分接。如果流量计被安装在管道13中，使得由与两个测量电极4、5相交的直线和流量计的纵轴所跨越的平面以垂直于流动方向12或管道21的纵轴的方式延伸，则这是最大的。

图2示出了安装在管道中的流量计1的纵向截面。流量计1通过例如插入管道13的壁中并且焊接到其上的螺纹连接件14以流体密封的方式紧固在管道13中。测量点的该结构是特别合适的，因为螺纹连接件14可以首先插入到管道13中并且焊接在其中，并且只有在那时流量计1才必须插入到螺纹连接件14中，然后再拧入其中，并且借助于密封件15密封。这导致由于安装而引起的未知安装角度。第一、第二、第三和第四测量电极4、5、19、20相对于前端2的中心6对称地被布置在前端2上。所有四个测量电极4、5、19、20位于直线上。安装深度D指示流量计插入介质或伸入管的深度。

图3至7示出了根据本发明的磁感应流量计的不同实施例。实施例的不同之处在于测量电极的定位变化。为了确保附图的清楚，省略了磁场生成设备的图示。图1或2各自公开了一种磁体系统，其公开了线圈、线圈芯和返回体。然而，安装在磁感应流量计中的其它磁场生成设备也是已知的。测量电极的精确布置取决于磁场生成设备的几何形状和布置。因此，在优化测量电极的理想布置时必须考虑这一点。

图3示出了根据本发明的流量计的第一示例性实施例的示意性正视图。箭头指示流动介质的流动方向12。理想安装取向要求与测量电极对相交的直参考线21垂直于介质的流动方向12延伸。第一和第二测量电极3、4被布置在直参考线上，位于前面22上，并且它们的定位适于磁场生成设备，使得施加到两个测量电极3、4的所感应的测量电压在指定雷诺数范围内是线性的。除了第一和第二测量电极3、4之外，第三和第四测量电极19、20也被布置在前面22上。第三和第四测量电极19、20也位于直参考线21上，并且被布置在第一和第二测量电极4、5之间。第一和第二测量电极4、5位于具有半径R₁₂的圆周上，并且第三和第四测量电极位于具有半径R₃₄的圆周上。根据这个实施例，R₃₄＜R₁₂。

测量电路被设计成使得其在第一和第二测量电极4、5之间分接第一电位差U₁，并且在第三和第四测量电极19、20之间分接第二电位差U₂，其中U₁＝f₁(Re)·S₁·u并且U₂＝f₂(Re)·S₂·u，其中f₁(Re)和f₂(Re)每个描述雷诺数相关校正因子。第三和第四测量电极19、20的定位被优化使得第一和第二电位差的商U₁/U₂表现为与管中的流动介质的雷诺数双射，或者依赖于第一和第二电位差并且将雷诺数映射到该商上的数学函数是双射的。该布置可以用实验方法或借助于模拟方法——例如借助于有限元模拟——来优化。

对于商U₁/U₂，得到以下结果：

在这种情况下，gRe是可逆的，

也被应用，其中g^-1是g的反函数。商的双射性可以最容易地实现，因为第一和第二测量电极附接在壳体中，使得第一校正因子f₁(Re)与在雷诺数范围内的雷诺数无关。在这种情况下，第二校正因子f₂必须双射地对应于雷诺数。

测量电路被配置成分接第一和第二测量电极3、4之间的电位差以及第三和第四测量电极19、20处的电位差，或者测量相应测量电极处的相对于参考电位的电位。将测量数据转发给评价单元，该评价单元包括其中存储参考值和雷诺数的存储单元。评价电路被配置成根据所测量的测量数据和所存储的参考数据来确定管中的介质的雷诺数。如果雷诺数已知，则可以使用第一测量变量或第二测量变量的测量值或者已经确定的流量或体积流量的测量值来计算运动粘度。测量电路、评价电路和存储单元可以以与示意图示中所描述的不同的方式被布置在电子单元上。

根据第一实施例，在其处分接了与雷诺数最无关的测量电压的测量电极位于围绕如下区域的圆周上，在该区域中布置有两个在其处分接了雷诺数相关测量电压的测量电极。然而，通过磁体系统的适应，施加到内部测量电极的测量电压也可以与流速线性相关，并且施加到外部测量电极的测量电压可以是雷诺数相关的。根据本发明，必须仅满足的是，两个感应的和测量的测量电压的商必须在限定的雷诺数范围内是双射的。

图4示出了根据本发明的磁感应流量计的第二实施例的正视图。在该实施例中，四个测量电极4、5、19、20被布置在流量计的前端2上。第一测量电极轴24与第二测量电极对19、20相交，并且第二测量电极轴25与第一测量电极对4、5相交。两个测量电极轴24、25大体上彼此平行地延伸。将前面分成两个等大的面并且平行于第一或第二测量电极轴24、25延伸的直参考线21穿过前端2的中心点23。形成第二测量电极对的两个测量电极19、20中的一个和中心点23以第二半径相交。形成第一测量电极对的两个测量电极4、5中的一个和前面2的中心点23与第一直线相交，使得直参考线21和第一直线跨越角度β。与中心点23和形成第一测量电极对的两个测量电极4、5之一相交的第一直线与直参考线21一起跨越角度α。如果选择该角度以便α＝β＝0°适用，则实现第一实施例。从磁体系统开始，角度α和β可以被优化以使得在一个测量电极对处感应与雷诺数无关的测量电压且在另一测量电极对处感应与雷诺数相关的测量电压，其中相应的相关性适用于有限雷诺数范围。此外，直参考线21也垂直于介质的流动方向而定向。流量计被安装在管中，使得介质的流动方向垂直于直参考线21而延伸。

图5示出了根据本发明的流量计的第一实施例的修改的纵向截面图。与图1相反，前端2具有桨叶26。因此前端2不是由单个前面形成，而是由部分地彼此垂直或平行延伸的多个前面形成。这也意味着测量电极可以被布置在桨叶26的侧面或前面。然而，根据第一实施例，测量电极没有附接到桨叶26。测量电极4、5、19、20位于桨叶26和前端2的边缘区域之间的区域内。第一和第二测量电极4、5每个都与前端的中心点具有一距离R₁₂。两个测量电极4、5的位置被优化，使得用于确定流速的校正因子与雷诺数无关。前端的中心点位于流量计的纵向平面上，该纵向平面同时也是镜面。第三和第四测量电极19、20位于距中心点以R₃₄为半径的圆周的周边上。两个测量电极19、20的位置被优化，使得用于确定流速的校正因子取决于雷诺数。R₃₄＜R₁₂适用于图5所示的实施例。

图6示出了其中第三和第四测量电极19、20被布置在壳体的侧表面(28)上并且第一和第二测量电极4、5被布置在前端2上的第二实施例的纵向截面图。在该实施例中，布置在前面上的测量电极4、5的布置适于磁场生成设备，使得流动测量值在尽可能大的雷诺数范围内与所确定的测量电压线性相关。选择被布置在护套上的与磁体系统相关的测量电极19、20的定位，使得在两个测量电极上感应的测量电压是在尽可能大的雷诺数范围内的雷诺数相关的。这两个测量电极19、20的优化发生以使得校正因子f(Re)的斜率随着雷诺数的变化而尽可能大。

磁感应流量计在现有技术中是已知的，其具有专门地附接到壳体的侧表面(28)的测量电极。因此，磁场生成设备还适于使得所感应的测量电压与流速线性相关。从这种流量计出发，根据磁体系统选择第一和第二测量电极(4，5)的布置，使得所感应的测量电压是在尽可能大的雷诺数范围内的雷诺数相关的，或者使得校正因子的梯度随着雷诺数增加而尽可能大。

图7示出了第四实施例的纵向截面。除了都被布置在前端2上的第一和第二测量电极4、5之外，第三测量电极19也被定位在前面上。第一和第二测量电极4、5之间的距离限定了圆的直径。第三测量电极19位于圆形区域之外。根据第四实施例，测量电路被配置成使得分别分接第一和第二测量电极4、5处的测量电压和第三测量电极19处的相对于地电位的电位，或者第三和第一或第二测量电极19、4或19、5之间的测量电压。

所有实施例都适用，即测量电极相对于磁场生成设备的定位必须选择成使得可以确定与在雷诺数范围内的雷诺数不相关的第一测量变量和与在相同雷诺数范围内的雷诺数相关的第二测量变量。两个测量变量的商描述了对于不同雷诺数的双射数学函数尤其必须是真的。

图8示出了两个视图，其中第一视图示出了各个校正因子f₁，f₂与管中的流动介质的雷诺数之间的关系，并且第二视图示出了校正因子的商g与管中的流动介质的雷诺数之间的关系。这两个视图被限制在约10³到10⁷的雷诺数范围内。校正因子f₁和f₂分别与由不同测量电极对所分接的两个电位差之一链接。函数f₁和f₂的曲线有三个范围I、II、III。在第一范围I和第三范围III中，f₁的曲线不是恒定的。在该示例中，曲线在第一范围I中具有负斜率，在第三范围III中具有正斜率。相反，f₁的曲线在第二范围II内是恒定的。流量计对于该雷诺数范围是线性的。第二函数f₂至少在第二范围中是双射的。在所示的示例中，f₂的曲线在第一范围I和第三范围III中也是双射的。这导致商g在一至三个I、II、III的范围内是双射的。因此，雷诺数可以明确地分配给两个测量变量的测量数据的每个商。这意味着，如果可以确定g的值，则可以推导相应的雷诺数。对于流速对雷诺数变化敏感的范围，参见范围I和III，可以考虑雷诺数相关校正函数来校正测量偏差。

图9示出了描述前端上的测量电极的位置对所感应的测量电压的雷诺数相关性的影响的视图。该视图将雷诺数相关的测量误差映射到流速上。雷诺数取决于流速。测量五个不同的测量电极位置(距中心点的5；7；9；9.5；和11毫米的距离)，并且确定与实际流量值的偏差(曲线A-E)。符号“e”之后的值指示以毫米为单位的测量电极所位于的假想圆周的半径。从测量数据可以看出，在9.5mm的距离处，在整个所描绘的雷诺数范围上的流动测量值的偏差基本上与雷诺数无关，或者误差总是小于2.5％(参见虚线B)。然而，如果测量电极被布置在半径为5mm的圆周上，则不再能够假定与雷诺数不相关的校正因子。存在高达20％的测量偏差(参见曲线E)。借助于具有位于9.5mm的圆周上的测量电极对和具有位于5mm的半径的圆周上的附加测量电极对的流量计，现在可以确定雷诺数，或者现在可以在考虑施加到每个测量电极对的两个测量电压之一的情况下执行对该测量电压的雷诺数相关校正。

图10示出了用于操作磁感应流量计的方法的实施例的流程图。在第一步骤中，在第一测量电极对处测量第一电位差U₁。在第二步骤中，在第二测量电极对处测量第二电位差U₂。作为测量电位差的替代方案，也可以在上述两个步骤中测量相应的测量电极相对于参考电位的电位，并且例如可以在评价电路中形成该差。两个第一步骤不必连续进行，而是也可以同时进行。也可以首先测量第二电位差U₂，然后测量第一电位差U₁。然而，为了确定流量或体积流量，通常考虑不同的、尤其是相反的DC电压被施加到每个线圈并且磁场被调整的两个测量阶段的测量电压。因此可以补偿零点的偏移。电位差或电位的测量经由测量电路进行。评价电路形成两个测量的测量值尤其是电位差的商，并且将该商与分配给所确定的商的雷诺数进行比较。雷诺数被存储在存储器中。或者，也可以将雷诺数或雷诺数范围分配给商的数学等式或数学函数存储在存储器中。或者，在校准方法中已经确定的数据也可以存储在存储器中。数据可以是在校准方法中测量的参考值，但也可以是内插或外推值或例如测量数据的平滑特性曲线或拟合函数的值。参考值可以在校准方法中通过实验和/或借助于模拟程序来确定。

附图标记列表

1 流量表

2 前端

3 壳体

4 第一测量电极

5 第二测量电极

6 前部

7 线圈芯

8 磁场线

9 线圈布置

10 返回件

11 测量、操作和/或评价单元

12 流动方向

13 管道

14 螺纹连接件

15 密封件

16 测量电极

17 半径R₁₂

18 半径R₃₄

19 第三测量电极

20 第四测量电极

21 直参考线

22 前面

23 中心点

24 第一测量电极轴

25 第二测量电极轴

26 桨叶

27 纵轴

28 侧表面

Claims

1.一种磁感应流量计(1)，所述磁感应流量计(1)能够被插入介质流过的管中，所述磁感应流量计(1)包括：

-壳体(3)，

其中，所述壳体(3)具有壳体壁；

-至少第一测量电极(4)和第二测量电极(5)，所述第一测量电极(4)和第二测量电极(5)被布置在所述壳体壁上，以便各自与流动介质形成电流接触；

-至少一个磁场生成设备，所述磁场生成设备用于生成穿过所述壳体壁的磁场，

其中，所述磁场生成设备被布置在所述壳体(3)中；以及

-测量电路，所述测量电路被配置成确定至少第一测量变量，

其中，第一测量变量的测量值在两个测量电极之间或在测量电极处相对于参考电位尤其是地电位被测量，

其特征在于，

评价电路被配置成借助于第一测量变量的测量值和不同于所述第一测量变量的第二测量变量的测量值来确定所述管中的介质的雷诺数和/或运动粘度值，

其中，所述第二测量变量的测量值在两个测量电极之间或在一个测量电极处相对于参考电位尤其是地电位被确定，

其中，被配置成确定所述第二测量变量的测量值的至少一个测量电极不同于被配置成确定所述第一测量变量的测量值的测量电极。

2.根据权利要求1所述的流量计(1)，

其中，所述测量电极被布置在所述壳体壁上，使得在测试测量期间，所述第一测量变量的当前测量值和所述第二测量变量的当前测量值的商双射地对应于至少在10,000≤Re≤100,000，尤其是5,000≤Re≤500,000，并且优选地1,000≤Re≤1,000,000的雷诺数范围内的所述管中的所述介质的雷诺数。

3.根据权利要求1和/或2所述的流量计(1)，

其中，所述测量电路被配置成确定所述第一测量电极(4)与所述第二测量电极(5)之间的所述第一测量变量的所述测量值，

其中，所述测量电路被配置成确定所述第一测量电极(4)与第三测量电极(19)之间或者所述第二测量电极(5)与所述第三测量电极(19)之间的第二测量变量的测量值。

4.根据权利要求1和/或2所述的流量计(1)，

其中，所述测量电路被配置成确定第三测量电极(19)与第四测量电极(20)之间的所述第二测量变量的测量值。

5.根据权利要求3或4所述的流量计(1)，

其中，所述壳体(3)至少部分地是圆柱形的并且具有侧表面(28)，

其中，所述第三测量电极(19)被布置在所述侧表面(28)上并且与所述介质形成电流接触。

6.根据权利要求3或4所述的流量计(1)，

其中，所述第一测量电极(4)、所述第二测量电极(5)和所述第三测量电极(19)被布置在所述壳体的端面上。

7.根据权利要求6所述的流量计(1)，

其中，所述第一测量电极(4)和所述第二测量电极(5)位于在所述端面(22)上延伸的圆周上并且与所述壳体(3)同轴地布置，

其中，所述圆周围绕其中布置所述第三测量电极(19)或者优选地布置所述第三测量电极(19)和所述第四测量电极(20)的区域。

8.根据权利要求6和/或7所述的流量计(1)，

其中，所述第一测量电极(4)和所述第二测量电极(5)被布置在端面(22)上延伸的直线上，

其中，所述第三测量电极(19)和所述第四测量电极(20)被所述直线相交，

其中，所述第三测量电极(19)和所述第四测量电极(20)被布置在所述第一测量电极(4)和所述第二测量电极(5)之间。

9.根据权利要求7和/或8所述的流量计(1)，

其中，所述测量电极(4，5，19，20)位于同心圆的圆周上，

其中，所述第一测量电极(4)和所述第二测量电极(5)位于具有半径R₁₂的圆周中的一个圆周上，

其中，所述第三测量电极(19)和所述第四测量电极(20)位于具有半径R₃₄的圆周中的一个圆周上，

其中，所述两个半径的比率满足0.2≤R₃₂/R₁₂≤0.9，尤其是0.3≤R₃₄/R₁₂≤0.7，并且优选地0.4≤R₃₄/R₁₂≤0.6的不等式。

10.根据前述权利要求中的一项所述的流量计(1)，

其中，在10,00≤Re≤100,000的雷诺数范围内在所述测试测量期间，所述第一测量变量的当前测量值与所述介质的所述流速基本上成比例，

其中，在10,000≤Re≤100,000的雷诺数范围内在所述测试测量期间，随着所述雷诺数增加，所述第二测量变量的当前测量值的变化不是恒定的。

11.根据前述权利要求中的一项所述的流量计(1)，

其中，在所述测试测量期间，所述流动介质是牛顿流体，尤其是水，

其中，在所述测试测量期间，所述流量计(1)被引入在具有至少20DN并且优选至少50DN的直入口截面的管道中，以使得在所述介质中存在基本对称的流动剖面，

其中，所述管具有DN 80的直径DN，

其中，所述端面(22)与所述流量计(1)所插入的所述管的开口之间的距离描述了安装深度D，

其中，所述安装深度满足0.05≤D/DN≤0.4并且优选地满足0.1≤D/DN≤0.2。

12.一种用于操作磁感应流量计(1)，尤其是根据权利要求1至11中任一项所述的磁感应流量计(1)的方法，

其中，所述流量计(1)具有带有壳体壁的壳体(3)，

其中，用于生成穿过所述壳体壁的磁场的磁场生成设备被布置在所述壳体中，

其中，所述测量电极被布置在所述壳体壁上；

所述方法包括以下方法步骤：

-检测第一测量变量的测量值和不同于所述第一测量变量的第二测量变量的测量值，

其中，相应的测量变量的测量值在两个测量电极之间或在测量电极处相对于参考电位尤其是地电位被确定；

-确定取决于所述第一测量变量和所述第二测量变量的雷诺数。

13.根据权利要求12所述的方法，

-根据所述第一测量变量的测量值和所述第二测量变量的测量值形成参考值，

其中，所述参考值与所述第一测量变量的测量值和所述第二测量变量的测量值的商成比例；以及

-确定随所述参考值变化的雷诺数。

14.根据权利要求12和/或13所述的方法，包括方法步骤：

-借助于取决于所述雷诺数的校正因子形成已校正的流速和/或已校正的体积流量；和/或

-借助于所述第一测量变量的测量值或所述第二测量变量的测量值和所确定的雷诺数来确定所述管中的所述介质的运动粘度值。

15.一种流量测量点，包括：

-具有直径DN和开口的管道(13)，以及

-根据权利要求1至11中任一项所述的磁感应流量计(1)；

其特征在于，

所述磁感应流量计(1)被布置在所述开口中并且具有安装深度D，所述安装深度D尤其满足0.05≤D/DN≤0.4并且优选地满足0.1≤D/DN≤0.2。