CN117881946A - 用于确定自由流动介质的流动速度相关变量的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定引导所述介质、特别是测量管或管线的引导主体(1)中的自由流动介质的流动速度相关变量的设备，包括：‑磁场生成设备(2)，用于生成分离介质中的可移动电荷载流子的第一磁场；‑磁场敏感测量组件，其被设计为提供测量信号，特别是荧光信号，该测量信号与由可移动电荷载流子生成的第二磁场的改变和/或强度相关，其中，磁场敏感测量组件(3)包括至少一个磁场敏感测量设备(3)，其中，至少一个磁场敏感测量设备(3)包括光学可激发材料，其中磁场敏感测量组件具有用于光学激发磁场敏感测量设备(3)，特别是光学可激发材料的光学激发单元(4)和用于检测测量信号、特别是荧光信号的光学检测单元(5)；‑评估单元(6)，其被设计为至少通过由磁场敏感组件提供的测量信号和介质的电导率来确定介质的流动速度相关变量。

Description

用于确定自由流动介质的流动速度相关变量的设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定自由流动介质的流动速度相关变量的设备。

背景技术

磁感应流量测量设备用于确定管线中流动介质的流动速度和体积流量。这里，在管线中(in-line)磁感应流量计和磁感应流量测量探头之间进行了区别，所述磁感应流量测量探头通常插入管线的侧向开口中。磁感应流量计具有用于生成磁场的设备，其生成垂直于自由流动介质的流动方向的磁场。单个线圈通常用于此目的。为了实现主要均匀的磁场，附加地形成并附接极靴，使得磁场线在大体上垂直于横向轴线或平行于测量管的竖直轴线的整个管横截面上延伸。此外，磁感应流量计具有测量管，用于生成磁场的设备布置在该测量管上。与附接到测量管的侧表面的介质接触的测量电极对分接电测量电压或电势差，该电测量电压或电势差垂直于流动方向和磁场来被施加，并且如果在施加磁场时导电介质在流动方向上流动则发生该电测量电压或电势差。由于根据法拉第感应定律，分接的测量电压取决于自由流动介质的速度、流动速度，并且在包括已知管横截面的情况下，体积流量可以从感应测量电压确定。

与磁感应流量计相对比，磁感应流量计包括用于传导介质的测量管，该测量管具有用于生成穿透测量管的磁场的附接设备并且具有测量电极，磁感应流量测量探针用其通常圆形的圆柱形壳体插入到管线路的侧向开口中并且以流体密封的方式固定。不再必要特殊的测量管。在本概述中提到的测量管的侧表面上的测量电极组件和线圈组件被省略并且被用于生成磁场的设备代替，该设备被布置在壳体的内部并且直接接近测量电极，并且被设计成使得所生成的磁场的磁场线的对称轴线与前面或测量电极之间的面垂直相交。在现有技术中，已经存在多个不同的磁感应流量测量探头。

磁感应流量测量设备通常用于流体的过程和自动化工程，从大约5μS/cm的电导率开始。对应的流量测量设备由申请人在各种实施例中销售，用于各种应用领域——例如，以PROMAG或MAGPHANT为名称。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定自由流动介质的流动速度流动速度相关变量的可替代设备。

目的通过根据权利要求1所述的设备实现。

根据本发明的用于确定用于引导介质的引导主体中、特别是测量管或管线中的自由流动和传导介质的流动速度相关变量的设备包括：

-用于生成分离介质中的可移动电荷载流子的第一磁场的磁场生成设备；

-磁场敏感测量组件，其被设计为提供测量信号，特别是荧光信号，其与由可移动电荷载流子生成的第二磁场的变化和/或强度相关，

其中，所述磁场敏感测量组件包括至少一个磁场敏感测量设备，

其中，所述至少一个磁场敏感测量设备包括光学可激发材料，

其中，所述磁场敏感测量组件具有光学激励单元和光学检测单元，所述光学激励单元用于光学激励所述磁场敏感测量设备，特别是所述光学可激励材料，所述光学检测单元用于检测所述测量信号，特别是所述荧光信号；

-评估单元，其被设计成至少通过由磁场敏感组件提供的测量信号、特别是荧光信号和介质的电导率来确定介质的流动速度相关变量。

流过的介质的电导率可以通过也位于测量管或管线上的电导率传感器来确定和获得。可替代地——例如，对于具有已知和不变介质的应用，电导率可以由操作者指定。

磁场敏感测量设备接管测量电极的功能，在常规磁感应流量计中，测量电极布置在引导主体——例如载体管——的外表面上，或者延伸穿过引导主体中的开口进入载体管的内部，并且因此与介质接触。测量电极结合测量电路被设计成测量介质中的感应测量电压，该感应测量电压与介质的流动速度成比例。相对于第二变型的优点在于，一方面，在引导主体中不需要开口，并且因此不需要潜在的泄漏点，并且另一方面，磨损显著减少。引导主体可以由电绝缘材料制成或者具有电绝缘——所谓的衬层(liner)——附接至内侧表面。

评估单元包括至少一个电子电路，该电子电路被形成和设计成至少通过由磁场敏感组件提供的测量信号、特别是荧光信号来确定介质的流动速度流动速度相关变量，该测量信号与由可移动电荷载流子生成的第二磁场的变化和/或强度以及介质的电导率相关。为此，电子电路可以具有电子部件，诸如无源部件、能量源、有源部件、集成电路和/或嵌入式计算机系统。

由磁场生成设备在磁场敏感测量组件的位置处生成的第一磁场可以通过在设备投入操作之前执行的空管道校准来确定和表征。因此，这是已知的。如果存在通过引导主体的自由流动介质，则由于所生成的第一磁场，可移动电荷载流子经历垂直于第一磁场和流动方向的力。这导致电荷载流子分离成两个分离的路径。这些路径转而生成第二磁场，其取决于介质的流动速度和电导率。因此，实际存在于磁场敏感测量组件处、特别是在相应的磁场敏感测量设备处的磁场由第一磁场和第二磁场组成。如果介质的电导率和通过磁场生成设备生成的第一磁场是已知的，则可以确定第二磁场的贡献，从而也可以确定介质的流动速度相关变量。

本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，磁场敏感测量设备包括具有至少一个空位中心的晶体主体或气室。

一个实施例提供晶体主体包括具有至少一个氮空位中心的金刚石、具有至少一个硅空位的碳化硅或具有至少一个空位色心的六方氮化硼。

一个实施例提供气室包括包围气态碱金属的至少一个气室。

该设备包括用于光学激发子单元——即光学可激发材料或晶体主体或气室——的激发单元，以及用于检测晶体主体或气室的荧光信号的检测单元，该荧光信号与作用在磁场敏感测量设备——特别是光学可激发材料——上的磁场相关。可选地，滤光器和反射镜以及进一步的光学元件可用于将激发光引导到晶体主体或气体池和/或荧光信号朝向检测单元。晶体主体可以可选地经受微波信号，特别是频率相关的微波信号，该微波信号由微波单元生成，该微波单元是磁场敏感测量单元的一部分或可以集成到磁场敏感测量单元中或形成为分离的单元。

一个实施例提供，磁场生成设备包括至少一个永磁体，特别是两个、优选地沿直径布置的永磁体。

一个实施例提供，磁场生成设备的磁场具有主轴线Y，

其中，引导主体具有纵向轴线Z，

其中，横向轴线X垂直于纵向轴线Z和主轴线Y延伸，

其中，横向轴线X和与磁场敏感测量设备相交的参考轴线A一起呈中心点角α，

其中，中心点角α在20°和80°之间，特别地在30°和60°之间，并且优选地在40°和50°之间。

该实施例的优点在于，可以特别好地检测由自由流动介质中的电荷载流子引起的存在于测量位置处的绝对磁场的最小磁场变化。

一个实施例提供了磁场敏感测量组件具有至少两个磁场敏感测量设备，

其中，两个磁场敏感测量设备相对于主轴线Y对称地定位。

一个实施例提供了磁场敏感测量组件具有至少两个磁场敏感测量设备，

其中，两个磁场敏感测量设备相对于主轴线Y不对称地定位。

一个实施例提供了磁场生成设备和/或磁场敏感测量组件能够以机械可分离的方式附接到引导主体的外侧表面。

由于磁场敏感测量设备不一定必须与介质接触，因此可以实现可以附接到现有管线的夹紧设备。这具有以下优点：可以在测量点处安装设备，或者可以替换设备，而不必中断现有过程。设备与引导主体的机械可分离连接不包括根据本发明的设备的各个部件的材料配合连接。在有利的实施例中，磁场生成设备和/或磁场敏感测量组件经由可拆卸的夹具连接件连接到引导主体。

一个实施例提供，该设备具有紧固设备，磁场生成设备和/或磁场敏感测量组件可以利用该紧固设备可拆卸地紧固到外侧表面。

一个实施例提供了该设备具有壳体，

其中，所述壳体被设计成在所述引导主体的开口中与所述介质接触地布置，

其中，所述磁场生成设备、特别是所述至少一个永磁体和所述磁场敏感测量组件布置在所述壳体中。

该实施例与前面的实施例的不同之处在于，设备的至少一部分，特别是其中容纳有磁场生成设备和磁场敏感测量组件的壳体形成为与介质接触。在该情况下，提供磁场生成设备和磁场敏感测量组件容纳在其中的壳体。壳体保护它们免受待传送的介质的影响。该实施例类似于磁感应流量计探头；参见EP 0892 251A1。这样的设备可以容易地集成到在侧表面中具有开口的现有管线中。

一个实施例提供壳体，该壳体具有与磁场的主轴线Y相交的前部段，

其中，所述磁场敏感测量组件布置在所述磁场生成设备与所述前部段之间。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。所示为：

图1：金刚石中的带负电的NV中心的简化能量图；

图2：使用空的测量管(右)和流过的测量管(左)的测量原理的简化功能图；

图3：根据本发明的设备的实施例；

图4：根据本发明的设备的另一实施例；

图5：根据本发明的设备，其形成为夹紧变体；以及

图6：根据本发明的设备，其形成为插入式变体。

具体实施方式

图1示出了金刚石中的带负电的NV中心的简化能量图，以举例说明晶体主体中缺陷的激发和荧光。以下考虑可以转移到具有对应空位的其他晶体主体。

在金刚石中，每个碳原子通常共价键合到四个另外的碳原子。氮空位中心(NV中心)由金刚石晶格中的空位——即，未被占据的晶格位点——和作为四个相邻原子之一的氮原子组成。特别地，带负电的NV^-中心对于荧光信号的激发和评估是重要的。在带负电的NV中心的能量图中，存在三重态基态3A和激发三重态3E，其每个具有三个磁性子状态ms＝0,±1。此外，在基态3A和激发态3E之间存在两个亚稳态单重态1A和1E。

来自可见光谱的绿色范围的激发光201——例如，波长为532nm的激发光201——将电子从基态3A激发成激发态3E的振动态，其通过发射波长为630nm的荧光光子202而返回到基态3A。施加的具有磁场强度B的磁场导致磁性子状态的分裂(Zeeman分裂)，使得基态由三个能量上分离的子状态组成，每个子状态可以被激励。然而，荧光信号的强度取决于其被激发的相应磁性子状态，使得例如可以基于荧光最小值之间的距离使用Zeeman公式来计算磁场强度B。在本发明的上下文中，提供了评估荧光信号的进一步可能性，诸如评估荧光的强度，其同样与所施加的磁场成比例。电评估转而可以例如经由磁共振的光电流检测(PDMR)来完成。除了用于评估荧光信号的这些示例之外，还有其他可能性也落入本发明的范围内。

未明确示出气室的激发，但是用限定波长的光对气室的激发也导致电子的激发，其中随后是荧光的发射。例如，发射的荧光的强度和/或波长用于确定磁场。

图2示出了使用空设备(右)和流过的设备(左)的测量原理的简化功能图。根据本发明的用于确定用于引导介质的引导主体1——特别是测量管或管线——中的自由流动介质的流动速度相关变量的设备包括用于生成分离介质中的可移动电荷载流子的第一磁场的磁场生成设备2和磁场敏感测量组件，该磁场敏感测量组件被设计为提供测量信号，特别是荧光信号，该测量信号与由可移动电荷载流子生成的第二磁场的变化和/或强度相关。磁场敏感测量组件包括具有光学可激发材料的至少一个磁场敏感测量设备3。此外，磁场敏感测量组件3包括光学激励单元4和光学检测单元5，光学激励单元4用于光学激励磁场敏感测量设备3，特别是光学可激励材料，光学检测单元5用于检测测量信号，特别是荧光信号。磁场敏感测量设备3包括具有至少一个空位中心的晶体主体或气室。如果磁场敏感测量设备3包括晶体主体，则其包括具有至少一个氮空位中心的金刚石、具有至少一个硅空位的碳化硅或具有至少一个空位色心的六方氮化硼。如果磁场敏感测量设备3包括气室，则其包括包围气态碱金属的室。也是设备的一部分的评估单元6被设计成至少通过由磁场敏感组件提供的测量信号和介质的电导率来确定介质的流动速度相关变量。根据图示实施例，磁场生成设备2具有两个永磁体8.1、8.2，优选地沿直径布置。可替代地，磁场生成设备2也可以具有一个或两个沿直径布置的线圈，其生成时变或恒定磁场。磁场生成设备2所生成的第一磁场具有主轴线Y。引导主体1具有纵向轴线Z。横向轴线X垂直于纵向轴线Z和主轴线Y延伸，并且主轴线Y和与磁场敏感测量设备3相交的参考轴线A一起呈中心点角α。中心点角α在20°和80°之间，特别地在30°和60°之间，并且优选地在40°和50°之间。甚至可以在该位置处检测由分离的电荷载流子引起的最小磁场变化。所图示的实施例确切地具有两个磁场敏感测量设备3.1、3.2，这两个设备都相对于主轴线Y对称地定位。两个磁场敏感测量设备3.1、3.2被设计成确定存在于其安装位置处的磁场。这由第一磁场和流动速度相关的第二磁场组成。如果第一磁场是已知的——例如，来自空管道校准——第二磁场，并且因此也是取决于流动速度的变量，特别是流动速度、体积流动速度和/或——如果质量密度是已知的——质量流动速度可以通过为此目的形成和设计的评估单元来确定。

图3示出了根据本发明的设备的实施例的高度简化表示，其与图2的实施例的不同之处大体上在于磁场敏感测量设备3.1、3.2的位置。两个磁场敏感测量设备3.1、3.2以与横向轴线X相交的方式沿直径布置在载体管的外壁上。此时，第一磁场和第二磁场的叠加，特别是第二磁场对存在于测量位置处的磁场的贡献特别大。由于对称组装，特别是磁场敏感测量设备3.1、3.2相对于主轴线Y的镜像对称组装，因此可以在存在轴向对称的第一磁场和轴向对称的流动轮廓的情况下比较两个测量结果，例如可以从该轴向对称的流动轮廓推断出与介质的电导率局部干扰的磁性异物或异物的通过。

图4还示出了根据本发明的设备的另一实施例，其与图2和图3的实施例的不同之处基本上在于其定位在引导主体的外壁上。两个磁场敏感测量设备3.1、3.2相对于主轴线Y不对称地定位。横向轴线X和穿过第一磁场敏感测量设备3.1的参考轴线具有中心点角α，该中心点角α在20°和80°之间，特别地在30°和60°之间，并且优选地在40°和50°之间。第二磁场敏感测量设备3.2定位于横向轴线X上。该实施例具有以下优点：第二磁场对在测量位置处确定的磁场的绝对贡献以及同时由第二磁场引起的磁场变化可用于确定流动速度相关变量。

图5示出了根据本发明的设备，其形成为夹紧变体。为此目的，磁场生成设备2和/或磁场敏感测量组件、特别是包围磁场生成设备2和/或磁场敏感测量组件的壳体12可以以机械可分离的方式附接到引导主体1的外侧表面。紧固设备9被设计成将磁场生成设备2和/或磁场敏感测量组件可拆卸地紧固到场引导主体的外侧表面，特别是以形状配合和/或力配合的方式。评估单元可以布置在壳体12中或测量换能器10中。

图6示出了根据本发明的设备，其形成为插入式变体。用于确定引导主体中的自由流动介质的流动速度相关大小的设备包括磁场生成设备105，用于生成分离介质中的可移动电荷载流子的第一磁场。为此目的，磁场生成设备105具有线圈组件106——在这种情况下，线圈113、线圈芯111和场返回主体114。壳体102与布置在端部段103中的前主体115以中等紧密的方式密封。因此，它可以定位在引导主体中的开口中，特别是在管线中，与介质接触。

具有精确地一个磁场敏感测量设备104的磁场敏感测量组件布置在前主体115或前部段103与线圈芯111之间，该磁场敏感测量设备104设计成提供测量信号，特别是荧光信号，该荧光信号与由可移动电荷载流子生成的第二磁场的改变和/或强度相关。该磁场敏感测量设备包括经由光学激发单元光学可激发的光学可激发材料和用于检测由光学可激发材料发射的荧光信号的光学检测单元。评估单元107被设计成至少通过由磁场敏感组件提供的测量信号和介质的电导率来确定介质的流动速度相关变量。评估单元可以布置在壳体102中或外部测量传感器中。

参考符号的列表

引导主体1

磁场生成设备2

磁场敏感测量设备3

第一磁场敏感测量设备3.1

第二磁场敏感测量设备3.2

光学激发单元4

光学检测单元5

评价单元6

壳体7

永磁体8

第一永磁体8.1

第二永磁体8.2

紧固设备9

测量换能器10

磁感应流量测量探头101

壳体102

端部段103

磁场敏感测量组件104

磁场生成设备105

线圈组件106

评估单元107

第一磁场109

线圈芯111

线圈113

场返回主体114

前主体115

介质的流动方向118

Claims (12)

1.一种用于确定用于引导介质的引导主体(1)、尤其是测量管或管线中的自由流动介质的流动速度相关变量的设备，包括：

-磁场生成设备(2)，所述磁场生成设备用于生成分离所述介质中的可移动电荷载流子的第一磁场；

-磁场敏感测量组件，所述磁场敏感测量组件被设计为提供测量信号，特别是荧光信号，所述测量信号与由所述可移动电荷载流子生成的第二磁场的改变和/或强度相关，

其中，所述磁场敏感测量组件包括至少一个磁场敏感测量设备(3)，

其中，所述至少一个磁场敏感测量设备(3)包括光学可激发材料，

其中，所述磁场敏感测量组件(3)具有光学激励单元(4)和光学检测单元(5)，所述光学激励单元(4)用于光学激励所述磁场敏感测量设备(3)，特别是所述光学激发材料，所述光学检测单元(5)用于检测所述测量信号，特别是所述荧光信号；

-评估单元(6)，所述评估单元被设计成至少通过由所述磁场敏感组件提供的所述测量信号和所述介质的电导率来确定所述介质的流动速度相关变量。

2.根据前述权利要求所述的设备，

其中，所述磁场敏感测量设备(3)包括具有至少一个空位中心的晶体主体或气室。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述晶体主体包括具有至少一个氮空位中心的金刚石、具有至少一个硅空位的碳化硅或具有至少一个空位色心的六方氮化硼。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述气室包括包围气态碱金属的至少一个室。

5.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备，

其中，所述磁场生成设备(2)包括至少一个永磁体(8)，特别是两个、优选地沿直径布置的永磁体(8.1、8.2)。

6.根据权利要求5所述的设备，

其中，所述磁场生成设备(2)的所述磁场具有主轴线Y，

其中，所述引导主体(1)具有纵向轴线Z，

其中，横向轴线X垂直于所述纵向轴线Z和主轴线Y延伸，

其中，所述横向轴线X和与所述磁场敏感测量设备(3)相交的参考轴线A一起呈中心点角α，

其中，所述中心点角α在20°和80°之间，特别地在30°和60°之间，并且优选地在40°和50°之间。

7.根据权利要求6所述的设备，

其中，所述磁场敏感测量组件具有至少两个磁场敏感测量设备(3.1、3.2)，

其中，所述两个磁场敏感测量设备(3.1、3.2)相对于所述主轴线Y对称地定位。

8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述磁场敏感测量组件具有至少两个磁场敏感测量设备(3.1、3.2)，

其中，所述两个磁场敏感测量设备(3.1、3.2)相对于所述主轴线Y不对称地定位。

9.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备，

其中，所述磁场生成设备(2)和/或所述磁场敏感测量组件能够以机械可分离的方式附接到所述引导主体(1)的外侧表面。

10.根据权利要求9所述的设备，

其中，所述设备具有紧固设备(9)，所述磁场生成设备(2)和/或所述磁场敏感测量组件能够利用所述紧固设备(9)可拆卸地紧固到所述外侧表面。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述设备具有壳体(7)，

其中，所述壳体(7)被设计成在所述引导主体(1)的开口中与所述介质接触地布置，

其中，所述磁场生成设备(2)、特别是至少一个永磁体(8)和所述磁场敏感测量组件布置在所述壳体(7)中。

12.根据权利要求11所述的设备，

其中，所述壳体(7)具有与所述磁场的主轴线Y相交的前部段，

其中，所述磁场敏感测量组件设置在所述磁场生成设备(2)与所述前部段之间。