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Abstract

一种磁流量计包括具有不导电PTFE内衬的管道、产生磁场的磁线圈以及在所述管道相对侧上与流体接触的电极。所述电极包括接合至所述不导电PTFE内衬的导电PTFE贴片电极，使得每一个贴片电极的内端都暴露于流经所述管道内部的流体，并且每一个贴片电极的外端都与所述管道中的电极孔对齐。

Description

带有接合PTFE电极的磁流量计
技术领域
本发明通常涉及流体处理，并且具体地涉及过程流量测量和控制。更具体地，本发明涉及磁流量计。
背景技术
磁流量计(或者磁流量表)通过法拉第感应(电磁效应)测量流量。所述磁流量表给线圈通电以便在管道部分两端产生磁场，并且所述磁场在所述过程流量两端感应出电动势(EMF)。流速与感应出的EMF成正比，并且体积流量(flow rate)与流速(flow velocity)和流动面积成正比。
通常，电磁流量测量技术适用于水基流体、离子溶液和其他导电液体流量。具体的用途包括水处理设施、高纯度医药制造、卫生食品和饮料生产以及包括有害和腐蚀性过程流量的化学处理。磁流量计还用于包括利用磨蚀和腐蚀性泥浆的液压破碎技术(hydraulic fracturingtechnique)的碳氢化合物燃料行业，以及其他的碳氢化合物提取和处理方法。
磁流量计在由于相关联的压力降(例如孔板或者文氏管的两端)而使得在基于压差的技术不受欢迎的应用中提供快速、精确的流量测量。当将机械元件(诸如涡轮转子、涡流元件或者皮托管)引入所述过程流量是困难的或者不切实际的时，也可以采用磁流量计。
当所述流体移动通过由所述流量计产生的磁场时，磁流量计通过测量沿垂直于流体流动的方向在所述流体两端产生的电压来确定流经导管或者管道的导电流体的流量。在与流体接触并且位于管道的相对两侧上的两个电极之间测量电压。所述管壁必须是不导电的或者(如果是导电的)具有不导电内衬，以防止在所述流体流量两端产生的电压短路。如果所述管壁是导电的，那么两个电极也必须与所述管壁电绝缘并且必须穿透所述不导电内衬以精确地测量所产生的电压。
所述磁流量计需要电极把电压从过程流体携带至变送器。用户所需的与电极有关的一些关键属性是低剖面(低噪声)、低成本、材料兼容性、抗涂覆(不粘附)以及宽的压力和温度性能范围。
磁流量计在石油和天然气工业中的应用呈现挑战，因为所述磁流量计内衬和电极会暴露在高压下。特别是具有聚四氟乙烯(PTFE)内衬的情况，因为PTFE趋于“冷流”(cold flow)，因而PTFE内衬在压力和温度下膨胀和收缩。结果是PTFE内衬和电极会分离，并且过程流体会找到损害电极的泄漏路径。
发明内容
磁流量计包括在管道内表面上具有不导电PTFE内衬的管道。将导电的PTFE贴片电极(patch electrode)接合至不导电的PTFE内衬，使得每一个电极的内端都暴露在所述管道的内部并且每一个电极的外端都与所述管道中的电极孔对齐。
内衬和电极组件包括接合至不导电PTFE内衬的第一和第二导电贴片电极。所述贴片电极的内端匹配所述内衬的内表面轮廓。
附图说明
图1是磁流量计的方框图。
图2是具有导电PTFE贴片电极的PTFE内衬的透视图。
图3是图2的PTFE内衬和导电PTFE贴片电极的透视图。
图4是示出了PTFE内衬和导电PTFE贴片电极的截面图，在所述贴片电极中具有模制螺纹插入件。
图5是PTFE内衬和导电PTFE贴片电极的截面图，在所述贴片电极中具有模制的柔性电路带。
图6A和6B示出了PTFE内衬和导电的PTFE贴片电极，具有与贴片电极接触的弹簧加载电极延伸部。
具体实施方式
图1示出了磁流量计10，包括主要部分(或者流量管)10A和次要部分(或者变送器)10B。流量管10A包括管道12、绝缘内衬14、电极16A和16B以及场线圈18A和18B。
所述流量管10A的主要功能是产生与待测流体的速度成正比的电压。通过使电流通过场线圈18A和18B来给它们通电以形成磁场。周期性地反转所述线圈驱动电流的方向，使得由场线圈18A和18B产生的磁场改变方向。流经流量管10A内部的过程流体用作移动导体，所述移动导体在流体中感应出电压。流量管10A内部齐平安装(flushmounted)的电极16A、16B与所述导电的过程流体电接触，从而获得在所述流体中出现的电压。为了防止所述电压被短路，必须将所述流体包含在电绝缘材料中。当管道12是金属管时，由内衬14提供绝缘，所述内衬是不导电的材料，诸如聚四氟乙烯(PTFE)。
变送器10B解释(interpret)在电极16A和16B处产生的电压，并且将标准化信号发送至监测或者控制系统。变送器10B包括信号处理器20、数字处理器22、线圈驱动器24和通信接口26。信号转换、调节和传输是变送器10B的主要功能。
线圈驱动器24给线圈18A和18B供应线圈驱动电流(可以是交流或者脉冲直流)。所述驱动电流给线圈18A和18B通电。所述驱动电流给线圈18A和18B通电以在所述过程流量两端产生磁场。所述磁场感应出可以由电极16A和16B感测的EMF。通过流量管10A的流体流速与所述EMF成正比。
信号处理器20连接至电极16A和16B并且接地。接地连接可以是连接至管道12或者可以连接至管道12的凸缘或者管道部分上游或下游。信号处理器20监测电极16A处的电势VA和电极16B处的电势VB。信号处理器20产生对电极16A和16B之间电势差加以表示的电压，并且将该电压转换对所述电极电压加以表示的数字信号。数字处理器22可以对从信号处理器20接收到的数字信号执行进一步的信号处理和修饰(grooming)。数字处理器22给通信接口26提供流量测量数值，所述通信接口将该数值传送至监测或者控制系统(未示出)。通过通信接口26的通信可以为以下形式：在4至20mA之间变化的模拟电流级、
Figure BDA00003598278600041
通信协议(其中将数字信息调制到4-20mA电流上)、在数字总线上的现场总线或者过程现场总线通信协议、或者利用无线协议(例如诸如WirelessHART(IEC62951))在无线网络上的无线通信。
由于其耐用性和卓越的耐化学侵蚀性，聚四氟乙烯(PTFE)是用于磁流量计中内衬的常见材料选择。当挑战使用PTFE内衬用于磁流量计时，存在所述内衬相对于电极移位的可能，会导致过程流体在所述电极周围泄漏或者导致电极对所述导电管壁的短路。这些问题对于磁流量计的高压应用是特别具有挑战性的，诸如在石油和天然气工业中所需的应用。PTFE在压力和温度下膨胀和收缩，并且所述PTFE内衬相对于电极组件的位移会是有问题的。
本发明提供了一种通过使用接合至不导电PTFE内衬的导电PTFE贴片电极的解决方法。所述PTFE贴片电极用碳颗粒(石墨)掺杂，使得所述PTFE贴片电极具有小于30K欧姆的电阻。可以对所述导电PTFE贴片电极整形以便与所述不导电PTFE内衬上的孔紧密配合，使得所述导电PTFE贴片电极紧贴在所述孔内，其内端面贴合(patching)所述PTFE内衬的内表面轮廓并且其外端面与PRFE内衬的外表面轮廓匹配。所述导电PTFE贴片电极和所述不导电PTFE内衬可以利用PFA作为粘结剂接合在一起。同时，它们为流经所述磁流量计的流体形成了单一聚合物流动障碍物(flow barrier)。所述PTFE贴片电极和所述PTFE内衬接合在一起并且一起移动，使得冷流不造成泄漏。
图2和3阐释了本发明的实施例。在图2中，将PTFE贴片电极30示出在不导电PTFE内衬14中。图3示出了通过内衬14和贴片电极30的放大截面图。在这个实施例中，贴片电极30具有与内衬14中的锥形孔32紧密配合的截头圆锥体形状。贴片电极30的内端34是较窄一端，并且与内衬14的内表面齐平。贴片电极30的外端38与内衬14的外表面40齐平。PFA薄层42衬在(lines)孔32的壁，并且用作贴片电极30的侧壁与孔32的壁之间的粘结剂。
在这个实施例中，PFA薄层覆盖贴片电极30的外端38以及内衬14的外表面30微扰贴片电极30的表面38的那一部分。层44用作导电贴片30上方的绝缘障碍物，使得贴片电极30不与管道12的导电内壁短路。
必须在贴片电极30与管道12的外部之间提供电连接。可以通过许多不同的方式提供这种电连接。图4是内衬14以及贴片电极30A和30B的截面图，所述电极彼此距离180°定位。
在这个实施例中，贴片电极30A包含模制螺纹插入件50A，并且贴片电极30B包含模制螺纹插入件50B。当内衬14定位在管道12内并且贴片电极30A通过管道12与电极孔(或隧道)对齐时，可以通过电极延伸件51A、51B完成与贴片电极30A、30B的电连接，所述电极延伸件延伸穿过所述电极孔并且分别螺纹旋进插入件50A和50B中。
图5阐释了另一个实施例。柔性电路带52A和52B分别使其一端模制进入贴片电极30A和30B。柔性电路带50A和50B分别延伸穿过管道12中的电极孔以提供电极30A和30B的电连接。
图6A和6B示出了另一个实施例，其中电极延伸件54包括与贴片电极30接触的弹簧加载销钉或探针56。在图6A中销钉56是可见的，该图示出了在低压/低温条件下电极延伸件54、内衬14和贴片电极30的相对位置。图6B示出了在高压/高温条件下的内衬14、贴片电极30和电极延伸件54。
尽管图6A示出了具有单个弹簧加载销钉(销钉56)的电极延伸件54，但是其他实施例可以利用多个弹簧加载销钉，以便增大与贴片电极30的接触面积。
为了完成与贴片电极30的电接触，必须在贴片电极30与穿过管道的电极孔或者隧道之间对齐。在将内衬14插入管道12之前，可以去除在贴片电极30A和30B的外端38上的小面积PFA保护层44以增强贴片电极30A和30B与电极延伸件54A和54B之间的电连接。
接合在不导电PTFE内衬的孔中的导电PTFE贴片电极的使用提供了许多重要的优点。首先，所述PTFE贴片电极与所述内衬紧密配合，使得所述贴片电极的内表面与所述内衬的内表面匹配。这种低剖面电极几何尺寸意味着流动完全不受干扰。这建立了更低的噪声并且改进了流量计精度。其次，将所述导电PTFE贴片电极接合至所述不导电PTFE内衬以给流经所述流量计的过程流体建立不可渗透的障碍物。同时，就泄漏而言，所述贴片电极和所述内衬实质上是分不开的。
尽管已经参考示范实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解，在不背离本发明范围的情况下，可以做出各种变化，并且可以用等同物替代其元件。此外，可以做出许多修改，以便在不背离本发明本质范围的情况下使特定的情况或者材料适应于本发明的教义。因此，目的在于本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种磁流量计，包括：
管道；
与所述管道的外表面相邻定位的磁线圈；
在所述管道的内表面上的不导电聚四氟乙烯PTFE内衬；以及
接合至所述不导电PTFE内衬的导电PTFE贴片电极，使得所述贴片电极的内端暴露在所述管道的内部并且所述贴片电极的外端与所述管道中的电极孔对齐。
2.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述PTFE贴片电极包括在所述外端处的模制螺纹插入件。
3.根据权利要求2所述的磁流量计，还包括：
电极延伸件，所述电极延伸件延伸穿过所述电极孔并且螺纹旋进所述模制螺纹插入件，以提供从所述贴片电极至管道外电路系统的电连接。
4.根据权利要求1所述的磁流量计，还包括：
柔性导电体，具有模制旋进所述贴片电极的第一端，并且延伸穿过所述电极孔至第二端。
5.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述导电PTFE贴片电极由PFA接合至所述不导电PTFE内衬。
6.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述导电PTFE贴片电极具有小于30K欧姆的电阻。
7.根据权利要求1所述的磁流量计，其中接合至所述贴片电极外端的PFA薄皮使所述贴片电极与所述管道电绝缘。
8.根据权利要求1所述的磁流量计，还包括：
电极延伸件，具有与所述贴片电极啮合的弹簧加载探针。
9.根据权利要求1所述的磁流量计，其中所述贴片电极具有截头圆锥体形状。
10.根据权利要求9所述的磁流量计，其中所述贴片电极的内端具有比所述外端小的直径。
11.一种用于磁流量计的内衬和电极组件，所述组件包括：
不导电聚四氟乙烯PTFE内衬；以及
第一和第二导电PTFE贴片电极，接合至所述不导电PTFE内衬以形成完整的PTFE管，所述导电PTFE贴片电极的内端与所述不导电PTFE内衬的内表面轮廓匹配。
12.根据权利要求11所述的组件，其中每一个PTFE贴片电极包括在所述外端处的模制螺纹插入件。
13.根据权利要求12所述的组件，还包括：
电极延伸部，连接至所述模制螺纹插入件以提供到所述贴片电极的电连接。
14.根据权利要求11所述的组件，还包括：
柔性导电体，具有模制旋进所述贴片电极的末端。
15.根据权利要求11所述的组件，其中所述导电PTFE贴片电极由PFA接合至所述不导电PTFE内衬。
16.根据权利要求11所述的组件，其中所述导电PTFE贴片电极具有小于30K欧姆的电阻。
17.根据权利要求11所述的组件，还包括：
接合在所述贴片电极外端上的PFA薄皮。
18.根据权利要求11所述的组件，还包括：
电极延伸件，具有与所述贴片电极啮合的弹簧加载探针。
19.根据权利要求11所述的组件，其中所述贴片电极具有截头圆锥体形状。
20.根据权利要求19所述的组件，其中所述贴片电极的内端具有比所述外端小的直径。
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