CN115565768B - 科氏力质量流量计及其带磁场屏蔽的电磁系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种科氏力质量流量计及其带磁场屏蔽的电磁系统，带磁场屏蔽的电磁系统包括磁体组件和线圈组件；磁体组件包括整磁罩和磁体，整磁罩呈一端开口的筒状设置，磁体固定于整磁罩内，整磁罩的材料为导磁材料；线圈组件包括线圈骨架和线圈，线圈安装于线圈骨架上；整磁罩和线圈骨架的其中一个用于固定于一结构管上，另一个用于固定于另一结构管或流量计壳体内壁，以使磁体组件与线圈组件相对设置，整磁罩的开口朝向线圈组件；磁体组件与线圈组件在相互靠近和远离的过程中，线圈可在整磁罩内切割磁体的磁力线。本申请提升电磁系统抗外界磁场能力，克服传统电磁系统结构的磁场非线性不良影响、提高磁场利用率，降低装配精度要求。

Description

科氏力质量流量计及其带磁场屏蔽的电磁系统

技术领域

本申请涉及科氏力质量流量计技术领域，尤其是涉及一种科氏力质量流量计及其带磁场屏蔽的电磁系统。

背景技术

科氏力质量流量计是一种直接精密测量流体质量流量的仪表。科氏力质量流量计的结构管在其共振频率下振动，使流经结构管内的流体受到与其流动方向垂直的反作用力，该力被称之为科氏力。在科氏力作用下，流量计的结构管将产生扭转变形，结构管的流体入口段与结构管的流体出口段在振动的时间先后上会有差异，这叫做相位时间差。这种差异与流过结构管的流体质量流量的大小具有稳定的对应关系。如果能检测出相位时间差，则可将质量流量的大小确定。

科氏力质量流量计一般采用电磁方式实现流量计结构管的振动位移信号与电信号的相互转换。一处为检测信号的检测装置，一处为激励结构管振动的驱动装置，两者都是科式质量流量计的关键部件，其重量、功率、体积均直接或间接影响流量计的测量精度和仪表的稳定性。检测装置与驱动装置统称为电磁系统，检测装置为“磁生电”，切割磁力线产生电流，驱动装置为“电生磁”，通过电流的输入，产生磁场的相斥相吸，从而带动了结构管的稳定变形。

传统的质量流量计为了追求较小的附加质量，而将线圈、永磁体的体积变小，带来了仪表对外界磁场的抗磁干扰能力的降低，同时较小的线圈及永磁体带来了较小的磁场强度，在相同磁阻的情况下，降低了电磁效率，直接影响仪表的工作能力。

发明内容

为了提升抗外界磁场干扰及振动干扰的能力，同时提高电磁效率，本申请提供一种科氏力质量流量计及其带磁场屏蔽的电磁系统。

本申请提供的一种科氏力质量流量计及其带磁场屏蔽的电磁系统采用如下的技术方案：

第一方面，本申请提供一种带磁场屏蔽的电磁系统，包括磁体组件和线圈组件；所述磁体组件包括整磁罩和磁体，所述整磁罩呈一端开口的筒状设置，所述磁体固定于所述整磁罩内，所述整磁罩的材料为导磁材料；所述线圈组件包括线圈骨架和线圈，所述线圈安装于所述线圈骨架上；

所述整磁罩和所述线圈骨架的其中一个用于固定于一结构管上，另一个用于固定于另一结构管或流量计壳体内壁，以使所述磁体组件与所述线圈组件相对设置，所述整磁罩的开口朝向所述线圈组件；所述磁体组件与所述线圈组件在相互靠近和远离的过程中，所述线圈可在所述整磁罩内切割所述磁体的磁力线；

所述磁体呈圆弧形设置，所述磁体与所述线圈的移动轨迹平行。

通过采用上述技术方案，整磁罩的材料为导磁性能好的材料，磁体固定于整磁罩内，可起到对外界磁场抗磁干扰的作用。

整磁罩的磁阻较小，磁体的磁力线会朝着磁阻较小的位置聚集，因此通过设置有整磁罩，可以改变磁体磁场的分布，得到比较稳定、平行均匀、近似于线性化的磁场分布；可减小线圈与磁体磁力线之间角度的变化，使线圈与磁体各处的磁力线之间的角度接近90度，可提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

通过设置有整磁罩，可得到比较稳定、近似于线性化的磁场分布，线圈与磁体之间的距离较大时，电磁效率也不会降低很多，因此可在一定程度上消除“既需要缩小线圈与磁体之间的距离”和“又需要防止线圈与磁体碰撞”的矛盾，可降低对装配精度的要求。

由于电磁系统的电磁效率有所提高，本申请中电磁系统线性化的磁场会使产生相同激励所需的电流输入更小，从而使仪表所需的振动传输和功耗得到了降低。由于电磁系统的电磁效率有所提高，在测量密度较低的气体介质时，该电磁系统电磁效率高的优势可发挥的更为突出，可适用于密度较低的轻质气体介质。

将磁体组件和线圈组件的其中一个安装于结构管上，另一个安装于流量计壳体内壁上，使得在磁体组件和线圈组件靠近和远离的过程中，磁体与线圈移动轨迹可始终保持平行，减小线圈与磁体磁力线的角度的变化，从而可进一步地提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

可选的，所述线圈骨架具有环状的安装部，所述线圈缠绕于所述安装部上。

通过采用上述技术方案，线圈缠绕于安装部上形成环状，环状线圈切割磁体磁力线，相比于条形线圈，在电磁系统体积不变的情况下，可增大线圈切割磁力线的有效长度，提高整个电磁系统的电磁效率。

可选的，所述整磁罩的材质为铁素体不锈钢或者坡莫合金。

通过采用上述技术方案，铁素体不锈钢价格不仅相对低且稳定，导磁性好；坡莫合金具有很高的弱磁场导磁率。

可选的，所述磁体为永磁体。

通过采用上述技术方案，永磁体能够长期保持其磁性，不易失磁，也不易被磁化，保证电磁系统的电磁效率。

可选的，所述磁体包括两个U形磁铁，所述U形磁铁包括两个磁极不同的磁极部，所述磁极部呈圆弧形设置，与所述线圈的移动轨迹平行，两个所述U形磁铁开口均朝向所述线圈组件，间隔固定于所述整磁罩内，以使磁极不同的所述磁极部在同一方向上交替，所述线圈位于中间两个不同磁极的外围，且位于同一U形磁体的不同磁极的中间位置。

通过采用上述技术方案，两个不同磁极之间的磁力线中间位置是接近平行的，近似于比较稳定、近似于线性化的磁场分布，线圈位于同一U形磁体的不同磁极的中间位置，可提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。将磁体组件和线圈组件的其中一个安装于结构管上，另一个安装于流量计壳体内壁上，使得在磁体组件和线圈组件靠近和远离的过程中，磁体与线圈移动轨迹之间尽量保持平行，减小线圈与磁体磁力线的角度的变化，从而可进一步地提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

第二方面，本申请提供一种科氏力质量流量计，包括如上任一项所述的带磁场屏蔽的电磁系统。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1、整磁罩的材料为导磁性能好的材料，磁体固定于整磁罩内，可起到对外界磁场抗磁干扰的作用。

2、磁体外设置有整磁罩，可以改变磁体磁场的分布，得到比较稳定、平行均匀、近似于线性化的磁场分布，使线圈与磁体各处的磁力线之间的角度接近90度，可提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

3、由于磁体具有均匀磁场，线圈可延伸至靠近磁体固定于整磁罩的一端，可以切割磁体大部分的磁力线，从而可大大增大线圈切割磁力线的有效长度，从而进一步的提高整个电磁系统的电磁效率。

4、由于电磁系统的电磁效率有所提高，可降低仪表所需的振动传输和功耗，可适用于密度较低的轻质气体介质，可降低对磁体和线圈装配精度的要求，降低对各部分的连接强度的要求。

附图说明

图1是本申请实施例1中带磁场屏蔽的电磁系统的结构示意图；

图2是未设有整磁罩的带磁场屏蔽的电磁系统的结构示意图；

图3是图1中整磁罩和磁体的结构示意图；

图4是本申请实施例2中带磁场屏蔽的电磁系统的结构示意图；

图5是本申请实施例3中带磁场屏蔽的电磁系统的结构示意图；

图6是图5中带磁场屏蔽的电磁系统中磁体磁场分布示意图；

图7是本申请实施例4中带磁场屏蔽的电磁系统的结构示意图；

图8是本申请实施例5中带磁场屏蔽的电磁系统的结构示意图.

附图标记说明：100、磁体组件；200、线圈组件；1、整磁罩；1a、第二螺纹孔；11、安装座；2、磁体；21、永磁体；22、导磁柱；22a、第一螺纹孔；23、U形磁铁；23a、磁极部；3、线圈骨架；31、安装部；4、线圈。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种科氏力质量流量计及其带磁场屏蔽的电磁系统，科氏力质量流量计包括带磁场屏蔽的电磁系统，创新点在于带磁场屏蔽的电磁系统，以下对带磁场屏蔽的电磁系统进行具体说明。

带磁场屏蔽的电磁系统包括磁体组件100和线圈组件200，一磁体组件100和一线圈组件200可以组成检测信号的检测装置，也可以组成激励结构管振动的驱动装置。

一般的，电磁系统包括两个检测装置和一个驱动装置。流量计内设有两个结构管时，磁体组件100用于安装于其中一结构管上，线圈组件200用于安装于另一结构管上，且与磁体组件100相对设置。流量计内仅设有一个结构管时，磁体组件100和线圈组件200中的一个安装于结构管上，另一个安装于流量计壳体内壁。

可参照图1，图1为以下实施例1中带磁场屏蔽的电磁系统的结构示意图，磁体组件100包括整磁罩1和磁体2，整磁罩1呈一端开口的筒状设置，磁体2固定于整磁罩1内，整磁罩1的材料为导磁材料。整磁罩1的材质可以为但不限于铁素体不锈钢或坡莫合金等导磁材料。铁素体不锈钢价格不仅相对低且稳定，导磁性好；坡莫合金具有很高的弱磁场导磁率；降低了材料成本，解决了高导磁材料硬度偏软，加工难度大的工艺实现难题；可对外界低频磁场干扰起到屏蔽作用。

线圈组件200包括线圈骨架3和线圈4，线圈4安装于线圈骨架3上。线圈4可以为但不限于铜芯漆包线，均匀缠绕在线圈骨架3上。

整磁罩1和线圈骨架3的其中一个用于固定于一结构管上，另一个用于固定于另一结构管或流量计壳体内壁，以使磁体组件100与线圈组件200相对设置，整磁罩1的开口朝向线圈组件200。为了便于整磁罩1的安装，整磁罩1上固定有安装座11。

磁体组件100与线圈组件200在相互靠近和远离的过程中，线圈4可在整磁罩1内切割磁体2的磁力线，从而线圈4感应输出电流。当线圈4通电产生磁场时，与磁体2的磁场相斥，从而带动结构管稳定振动，触发并维持科氏力效应。

本申请中通过在磁体2外设置有整磁罩1，有以下有益效果：

第一，整磁罩1的材料为导磁性能好的材料，磁体2固定于整磁罩1内，可起到对外界磁场抗磁干扰的作用。

第二，通过设置有整磁罩1，可以改变磁体2磁场的分布，得到比较稳定、平行均匀、近似于线性化的磁场分布，使线圈4与磁体2各处的磁力线之间的角度接近90度，可提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

具体的，参照图2，以未设有整磁罩1的电磁系统的检测装置为例，箭头代表了磁力线分布，可以看出未设有整磁罩1，磁体2磁场非线性程度较高。由于磁体2端头磁力线密集，磁场强度大，线圈4在磁体2端头做短距离的相对运动，切割磁力线，实现振动位移信号到感应电信号的转换。磁体2端头的磁力线是非均匀分布的，结合感应电流I＝(BLVsinθ)/R，其中，B为磁场强度，L为线圈4有效长度，V为线圈4相对运动速度，θ为磁场与运动速度的夹角，R为电路电阻，可知在非均匀磁场中，得到的感应电流是非线性变化的。而且此种构型电磁系统的线圈4与永磁体21的配合形式，要求装配精度很高，极易使线圈4进入永磁体21的“弱磁场”区域，因此，此类检测装置的“磁生电”的效率及电流的稳定性，由于作用区域的“非线性”磁场而受到较大影响。与之类似的“电生磁”的驱动装置也存在非线性磁场的相互作用，而带来振动位移信号的不稳定和离散性。

可参照图3，图3为以下实施例1中带磁场屏蔽的电磁系统中整磁罩1和磁体2的结构示意图，箭头代表了磁力线分布，可以看出设有整磁罩1，磁体2磁场线性程度较高。本申请磁体2固定于整磁罩1内，整磁罩1的磁阻较小，磁体2的磁力线会朝着磁阻较小的位置聚集，因此通过设置有整磁罩1，可以改变磁体2磁场的分布，得到比较稳定、平行均匀、近似于线性化的磁场分布，需要说明的是，线性化的磁场分布指的是磁力线相平行或在截面上磁力线相平行。当两个结构管相对运动时，线圈4切割磁体2磁力线，线圈4与整磁罩1之间的角度会有微小变化。磁体2外未设有整磁罩1时，磁体2的磁力线呈发散状态，通过设置有整磁罩1后，可减小线圈4与磁体2磁力线之间角度的变化，使线圈4与磁体2各处的磁力线之间的角度接近90度，可提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

第三，可增大线圈4切割磁力线的有效长度，提高整个电磁系统的电磁效率。

未设置整磁罩1时，磁体2端头磁力线较密集，因此结构管运动时，线圈4延伸至磁体2端头，主要切割磁体2端头的磁力线，使线圈4的有效长度受到限制。本申请中，由于磁体2具有均匀磁场，线圈4可延伸至靠近磁体2固定于整磁罩1的一端，可以切割磁体2大部分的磁力线，从而可大大增大线圈4切割磁力线的有效长度，从而进一步的提高整个电磁系统的电磁效率。

第四，可降低仪表所需的振动传输和功耗。

由于电磁系统的电磁效率有所提高，本申请中电磁系统线性化的磁场会使产生相同激励所需的电流输入更小，从而使仪表所需的振动传输和功耗得到了降低。同时产生的振动位移更易具有可调性，降低并最大程度规避了较大的振动位移向外传递的概率，提升了仪表的稳定性。

第五，可适用于密度较低的轻质气体介质。

由于电磁系统的电磁效率有所提高，在测量密度较低的气体介质时，该电磁系统电磁效率高的优势可发挥的更为突出，轻质气体振动带来结构管的细微位移，在准线性化的磁场中，较传统非线性磁场更易激发出感应电流。

第六，可降低对磁体2和线圈4装配精度的要求，降低对各部分的连接强度的要求。

未设置整磁罩1时，磁体2端头磁力线密集，磁场强度大，线圈4越靠近磁体2，电磁效率更高，因此需要缩小线圈4与磁体2之间的距离，而线圈4与磁体2之间的距离缩小时，结构管运动时，外界振动干扰极易造成线圈4与磁体2碰撞，因此在安装时对装配精度要求较高。

本申请通过设置有整磁罩1，可得到比较稳定、近似于线性化的磁场分布，线圈4与磁体2之间的距离较大时，电磁效率也不会降低很多，因此可在一定程度上消除“既需要缩小线圈4与磁体2之间的距离”和“又需要防止线圈4与磁体2碰撞”的矛盾，可降低对装配精度的要求。

由于减小了两者在装配精度及外界振动干扰下相互干涉的概率，从而对各部分的连接强度的要求降低了，进而可以采用多种连接方式。

实施例1

参照图1，磁体2呈柱状设置，线圈骨架3具有环状的安装部31，线圈4缠绕于安装部31上使线圈4呈螺旋状，线圈4位于磁体2外围，具有体积小、质量轻的优点，结构简单，加工简便，柱状磁体2较包裹线圈4的大尺寸环形磁体2更具有成本优势及工艺实现优势。磁体2可以为永磁体21，也可以为软磁体。本实施例中，磁体2为永磁体材质，可以为但不限于钕铁硼或钐钴永磁材料等易于加工生产的永磁材料。其中，钕铁硼磁铁是磁能积最大的物质，是现今磁性仅次于绝对零度钬磁铁的永久磁铁。

实施例2

参照图4，实施例2与实施例1的不同之处在于，磁体2呈圆弧形设置，结构管静止不动时，安装部31与磁体2平行，磁体2与线圈4的移动轨迹平行。

一般的，磁体2和安装部31的延伸方向呈直线形，例如，将该电磁系统的磁体组件100安装于结构管上，线圈组件200安装于流量计的壳体内壁，结构管晃动时，线圈4的位置不变，而磁体2的延伸方向会随着结构管远离线圈组件200而发生改变，使得磁体2与线圈4之间的夹角越变越大，直至线圈4位于整磁罩1外，因此在磁体组件100和线圈组件200靠近和远离的过程中，线圈4与磁体2磁力线的角度是变化的，极易使线圈4进入磁体2的“弱磁场”区域。

本实施例提供的电磁系统应用在只设有一个结构管的流量计时，将磁体组件100和线圈组件200的其中一个安装于结构管上，另一个安装于流量计壳体内壁上。示例性的，将磁体组件100安装于结构管上，线圈组件200安装于流量计的壳体内壁，结构管晃动时，结构管的上端固定，下端绕上端摆动，使得磁体2与线圈4的移动轨迹平行。通过将磁体2和安装部31设置为圆弧形且弧度相同，使得在磁体组件100和线圈组件200靠近和远离的过程中，磁体2与线圈4的移动轨迹可始终保持平行，减小线圈4与磁体2磁力线的角度的变化，从而可进一步地提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

本实施例提供的电磁系统应用在设有两个结构管的流量计时，虽然两个结构管均发生晃动，无法保证磁体2与线圈4始终保持平行，但相比于直线型磁体2和直线型线圈4，也可以减小线圈4与磁体2磁力线的角度的变化，从而可进一步地提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

进一步地，安装部31的剖面呈圆弧形设置，且与磁体1平行，可进一步地提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。在其他实施例中，安装部31也可以如图2中所示的剖面呈直线型。

实施例3

参照图5和图6，实施例3与实施例1的不同之处在于，磁体2包括永磁体21和导磁柱22，永磁体21固定于整磁罩1内，导磁柱22固定于永磁体21上。本实施例中，为了便于永磁体21和导磁柱22的安装，永磁体21呈环形设置，导磁柱22与永磁体21中心相对的位置设有第一螺纹孔22a，整磁罩1与第一螺纹孔22a相对的位置贯穿设有第二螺纹孔1a，通过螺钉可将导磁柱22和永磁体21固定于整磁罩1内。在其他实施例中，导磁柱22和永磁体21也可以通过粘贴的方式实现固定。

导磁柱22直径应大于或等于永磁体21的直径，直径具体数值受要获取的线性化磁力线区域有关，导磁柱22高度根据使用需求可进行相应调整。

导磁柱22安装于永磁体21上，使得导磁柱22在永磁体21的作用下具有磁性，永磁体21靠近导磁柱22的磁力线朝向导磁柱22，永磁体21和导磁柱22周测的磁力线朝向磁阻更小的整磁罩1，从而进一步得到比较稳定、近似于线性化的磁场分布。

同时由于永磁体21的价格比较高，设置有导磁柱22，导磁柱22成本较低，可以减小永磁体21的用量，降低成本。

若没有设置整磁罩1，电磁系统对于各部件的装配精度要求高，本实施例中，通过设置有整磁罩1，降低了对各部件装配精度的要求，在此基础上才能将常规的一体成型的磁体2拆分成永磁体21和导磁柱22。

实施例4

参照图7，实施例3与实施例1的不同之处在于，磁体2包括两个U形磁铁23，U形磁铁23包括两个磁极不同的磁极部23a，两个U形磁铁23开口均朝向线圈组件200，间隔固定于整磁罩1内，以使磁极不同的磁极部23a在同一方向上交替，线圈4位于中间两个不同磁极的外围，且位于同一U形磁铁23的不同磁极的中间位置。

可理解的，U形磁铁23具有两个磁极不同的磁极部23a，两个磁极不同的磁极部23a之间的磁力线中间位置是接近平行的，近似于比较稳定、近似于线性化的磁场分布，线圈4位于同一U形磁铁23的磁极不同的磁极部23a的中间位置，可提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

实施例5

参照图8，实施例5与实施例4的不同之处在于，磁极部23a呈圆弧形设置，且与线圈4的移动轨迹平行。本实施例的原理与实施例2的原理类似，当应用在只有一个结构管的流量计中时，通过将磁体2设置为弧形，使得在磁体组件100和线圈组件200靠近和远离的过程中，磁体2与线圈4的移动轨迹之间始终保持平行，减小线圈4与磁体2磁力线的角度的变化，从而可进一步地提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。

当应用在有两个结构管的流量计中时，磁体2与线圈4的移动轨迹之间尽量保持平行，相比于直线型磁体2和直线型线圈4，也可以减小线圈4与磁体2磁力线的角度的变化，从而可进一步地提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。进一步地，安装部31的剖面呈圆弧形设置，且与磁极部23a平行，可进一步地提高整个电磁系统的电磁效率和电流的稳定性。在其他实施例中，安装部31也可以如图7中所示的剖面呈直线型。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种科氏力质量流量计中带磁场屏蔽的电磁系统，其特征在于，包括磁体组件（100）和线圈组件（200）；所述磁体组件（100）包括整磁罩（1）和磁体（2），所述整磁罩（1）呈一端开口的筒状设置，所述磁体（2）固定于所述整磁罩（1）内，所述整磁罩（1）的材料为导磁材料；所述线圈组件（200）包括线圈骨架（3）和线圈（4），所述线圈（4）安装于所述线圈骨架（3）上；

所述整磁罩（1）和所述线圈骨架（3）的其中一个用于固定于一结构管上，另一个用于固定于另一结构管或流量计壳体内壁，以使所述磁体组件（100）与所述线圈组件（200）相对设置，所述整磁罩（1）的开口朝向所述线圈组件（200）；所述磁体组件（100）与所述线圈组件（200）在相互靠近和远离的过程中，所述线圈（4）可在所述整磁罩（1）内切割所述磁体（2）的磁力线；

所述磁体（2）呈圆弧形设置，所述磁体（2）与所述线圈（4）的移动轨迹平行。

2.根据权利要求1所述的科氏力质量流量计中带磁场屏蔽的电磁系统，其特征在于，所述线圈骨架（3）具有环状的安装部（31），所述线圈（4）缠绕于所述安装部（31）上。

3.根据权利要求1所述的科氏力质量流量计中带磁场屏蔽的电磁系统，其特征在于，所述整磁罩（1）的材质为铁素体不锈钢或者坡莫合金。

4.根据权利要求1所述的科氏力质量流量计中带磁场屏蔽的电磁系统，其特征在于，所述磁体（2）为永磁体材质。

5.根据权利要求1所述的科氏力质量流量计中带磁场屏蔽的电磁系统，其特征在于，所述磁体（2）包括两个U形磁铁（23），所述U形磁铁（23）包括两个磁极不同的磁极部（23a），所述磁极部（23a）呈圆弧形设置，所述磁极部（23a）与所述线圈（4）的移动轨迹平行，两个所述U形磁铁（23）开口均朝向所述线圈组件（200），间隔固定于所述整磁罩（1）内，以使磁极不同的所述磁极部（23a）在同一方向上交替，所述线圈（4）位于中间两个不同磁极的外围，且位于同一U形磁铁（23）的不同磁极的中间位置。

6.一种科氏力质量流量计，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的科氏力质量流量计中带磁场屏蔽的电磁系统。