磁流量传感器和带有该传感器的流量计

摘要

用于测量流体(108)流量的磁传感器(109)具有电极(102)和交变磁场(107)，电极(102)在低于5Hz的频率范围内比包含碳或耐腐蚀金属合金的电极具有更低的噪音能量。在1Hz左右的磁场频率下，电极(102)的噪音特性低于包含碳或耐腐蚀金属合金的电极的噪音特性。

说明书

技术领域

本发明涉及磁流量传感器，特别涉及磁性水流量计。

背景技术

常规应用的水表，机械式流量传感器(典型的容积式或单/多喷射口涡轮式)连接有测量传感器重复周期数目的记录器机构。该机构通常是机械记数表。即使是在用带数字计数器的固态记录器代替计数表的情况下，将其与电子设备连接需要远程读表，因而导致麻烦和不经济。

同样是固态的流量传感器的应用可减少上述连接问题。这种流量传感器是一种熟知的并且在图1剖面图中以实例的方式示出的磁流量传感器。

流体管101加装包括一对电极102的磁传感器109，102设置在管101的一个直径的方向上，每个电极102的至少一个表面的局部与管中流体108充分接触。磁极片103，设置在管101沿纵向的直径方向上并且与磁回路104相连。如现有技术中熟知的，磁场107对大量介质中携带的带电粒子(水中的离子)施加作用力，导致带电粒子向与磁场方向和大量流体移动方向直交的方向偏移。相反的带电粒子的相互位移产生沿移动方向上的电场，电场的建立直到作用在上述离子上的静电力与磁力达到平衡为止。由于磁力内在地依赖于大量介质的流动速度，反向电场(或势差)提供了便利的用于确定流速的手段，同时整个时间段的积分使得流过管的全部流体体积能够被计算出来。用于处理电极信号从而得到该测量值的电路在现有技术中是熟知的，因而在此不再繁述。

众所周知，改变施加的磁场是有利的，以便克服各种静场测量的局限。在流体中用于测量电势差的电极的特性决定了这样一种局限。理想的电极将与流体形成完美的接触，通过任何路径穿过固液界面电荷的交换都没有能量障碍。这在实际系统中很难见到，而且更加可能的是在界面上出现电势差。电势差通常是被很难确定的，而且在时间上随机地变化从而呈现出与频率成反比的噪音频谱(1/f)。因而静电场(DC)测量就容易造成大的瞬时误差。

在已知的频率f₀下改变施加的磁场能够部分地克服上述问题：如图2所示，这导致期望的电信号201同样出现在频率f₀处，f₀的值选择为明显高于电极噪音频谱202的特征频率。电信号幅度的测量提供了流速的显示值，该显示值实质上无误差。

施加交变磁场的另一个理由是基于典型电极的小信号电阻抗，即电极之间加入的测试电路感知的电阻抗，也随着频率的增加而下降。因此允许测试电路从信号源获取更多的电流，而不产生实质误差。主要的优势是可以采用更简单、廉价的测试电路设计。

欲理解电极的频率独立特性，认识图3的简单的电极模式是有用的，其常用于固液界面301，由与电容器303并联的电阻器302组成。固体304和液体305之间的带电离子的直接交换由流过电阻器302的电流流量表示，而电容器303表示在界面附近聚集而实际上不穿过界面的带电离子的趋势。实际上在超过1Hz的频率下，电容器303通常为流过固液界面的小信号电流的流动提供更顺畅的通路。

在图1的装置中，交变磁场借助缠绕在磁路104局部的线圈105获得并且被输入适当的交变电流波形。而且，为了降低功耗，给磁路104提供一个或多个释放剩磁的元件106是已知的，从而只有在需要改变磁场状态时才需要为线圈施加电压。

本发明具有进一步降低磁流量传感器功耗的目的。

发明内容

因此，本发明包括具有电极和交变磁场的磁流量传感器，其中电极在低于5Hz的频率内比包括碳或耐腐蚀金属合金的电极具有更低的噪音能量。

本发明基于这样的认识，通过使用在低频比常规应用于水表的电极具有更低噪音能量的电极，交变磁场的频率能够被降低到同样的信噪比，该信噪比转而降低传感器的功耗。

相比较而言，选择已知磁流量传感器的电极是由于其具有耐腐蚀的效果，因此由耐腐蚀金属合金例如不锈钢或哈司特镍合金(Hastelloy)制成。在这种已知的传感器中，很难确定整个界面的电化学电势，在更长的、秒级的时间段，允许大的变化。然而，由于已知的传感器在远大于1Hz的磁场频率下工作，其没有导致问题。因此，区别地表示，本发明也是由具有电极和交变磁场的磁流量传感器组成，其中电极在1Hz左右的磁场频率所具有的噪音特性低于包括耐腐蚀金属合金的电极的噪音特性。

有利地，配置电极以便随着流体的流动，动电电流(galvanic current)流过电极的表面。动电电流因流过固液界面的带电粒子的移动或交换而产生。其与位移电流不同，在已知磁流量计中位移电流是在液体和传感器电极之间流动，而且其流动是相反电荷粒子在界面的任何一边累积或分散而实际上不穿过相界的结果。动电电流配置显著地改善了电极的电阻抗和噪音特性。

优选地，配置电极以便使动电电流由离子承载。由于固态银在水中可以长时间保持稳定而且没有明显的腐蚀，因此银粒子有特殊的优势。再有，其无毒是允许的食品添加剂(E174)。在电化学序列中银也是接近铜的，可以减少水管中不期望的电解腐蚀的危害。其也是生物杀灭剂，可以帮助防止麻烦的微生物膜在电极内和周围的滞留和形成。

在优选的实施例中，电极包括金属和在该金属和流动的流体之间插入的该金属的盐，从而帮助导体和构成动电电流基础的流体之间的电荷交换。盐或离子化合物更适宜为在要被测量的流动流体中微溶，因此能够在电极中保留。在金属是银的场合，离子化合物可以是卤化银盐。此外，在流体是水的场合，这种卤化银盐能够由自来水中非常普遍出现的离子(氯化物、氟化物)方便地形成。卤化银形成稳定的电化学半电池与金属接触。

电极包含金属盐层，该层电化学地沉积在金属表面，例如通过阳极电镀。可选地，电极可以包括金属表面上金属盐的烧结层。层的厚度将影响电极的阻抗：如果它太厚，将会给整个电路增加额外的串联阻抗，反之如果它太薄，浓度将不足以维持所需的电化学反应。因此层的厚度要更适宜地选择，例如根据经验，选取在这两个极限值之间以便使电极的阻抗为最小值。

通过粗糙化金属表面以便增加其有效面积的电极能够得到噪音和电特性方面的进一步改进。这可以通过将一些金属盐还原为金属而方便地获得，还原的过程典型地导致金属的再生长，再生长的金属是不均匀和粗糙的。

优选地，将磁流量传感器的一对电极进行平衡以便使二者之间的偏移电势最小化。每个电极充当单独的电化学半电池，相对于液体具有相应的电势差。如果电极不一致，两个半电池电势之间的差将出现在电极末端之间，这会给后续放大电路带来问题(例如饱和)。

当磁场由如上所述的释放剩磁的装置产生时，本发明的低功耗优势通过功耗减少而进一步加强。本发明还包含包括这种磁传感器的流量计，其传感器的低功耗也使得电池能源(图1中110所示)的应用具有可行性，并且这带来安装简便的优点。

附图说明

通过实施例、结合附图对本发明进行示例性地说明，其中：

图1为装配磁流量传感器的流体管剖面图；

图2说明来自电极的信号的幅频特性；

图3为固液界面简单的电学模型；

图4所示为本发明第一实施例的电极；

图5说明流体和金属之间完全可逆的、产生电流的电荷交换；

图6说明可以借以形成本发明电极的装置；

图7所示为使用图6装置制备的电极；

图8所示为依据本发明的第二电极结构；

图9所示为依据本发明的第三电极结构；

图10所示为依据本发明的第四电极结构；

图11为不同电极材料的噪音密度对频率的曲线图。

具体实施方式

图4所示为本发明第一实施例的电极，其中包括金属元件401(例如线、板、或完全覆盖下面导体的膜)，其上覆盖有相同金属的离子化合物402，该化合物在被测流体403中微溶。

在所示实施例中，金属401是银，所附着的化合物402是氯化银。图5说明了借助穿过固态银电极401和水合氯化银层402之间的相界的银离子，在流体403和金属401之间进行的完全可逆的、产生电流的电荷交换。整个界面的电势通过能斯脱方程式(Nernst equation)确定，其依次取决于AgCl的表面浓度和Cl离子的液体浓度。然而这些量将不是恒定的，它们通常被预期依据时间表的变化远远大于依据交变磁场周期的变化。依据本发明，该变化的时间表显著地长于对于不具备可控离子交换机构的电极表面的时间表。因此，由于降低了噪音能量，低频下的操作被简化了。图11所示(曲线C)为包含氯化银的电极与传统的钢或碳电极(曲线A和B)相比噪音N对频率f的变化。D表示基线。

离子化合物层402可通过金属表面与通常出现在流体中的粒子的自发反应而形成。例如，银电极可能与处理剂(或残渣)在含氯的水源中起反应，最终产生氯化银。

图6所示为用于执行在自发反应不充分的情况下增加离子化合物量的方法的装置。提供了第三电极604用来与流体603进行接触，此外还有测试电极601和602。电极604不需要用与601和602同样的金属制成(例如石墨或钢就足够了)。由控制电子设备605控制，每隔一段时间，在电极604，与测试电极601和602之间施加实际的电势。对于上述的氯化银系统，测试电极601和602相对于电极604都保持在正电势，足以引起电极601和602中的一些银与附近带负电的离子粒子进行反应。离子粒子优选为氯化物，并且施加在电极之间的电势要选择为有利于这种反应。

上述处理的时间间隔和持续时间可以由许多方式确定。在最简单的执行方式中，施加加势的时间间隔在安装之前被固定下来。可选择地，时间间隔可以依据测试单元606检测到的电信号的特性进行计算。例如，来自电极的信号中增加的随机变化(也就是更多的噪音)给出电极阻抗正在增加的信号，最可能的原因是由于离子化合物的消耗。这可以用于触发处理循环来恢复覆盖层。可选择地，电极覆盖层的状态能够利用由单元406执行的有源阻抗测试进行确定。

图7所示为利用上述方法制备的电极，且电极包括用电化学方法镀上的氯化银薄膜702所覆盖的银平坦段701，被放置为与流动液体703直接接触。其表面将随着时间的推移易于被液体中的微粒所磨损，优选地与流体管壁齐平以便减少湍流和相应的测试噪音以及不确定性，因此有助于维持有效电极表面。

更大的表面区域，连同更持久稳定的氯化银储存池，可以通过使用烧结在金属背板电极上的氯化银来获得，如图8中801和802分别所示的。如图所示，电极802是整体式的，例如单个的线或板的固体片。然而，烧结的结构也是可能的。微粒形式的金属银也可以被包含在烧结的氯化银层801中，选择银微粒的比例以便实际上的数目能够使得微粒与微粒间电接触。这种银和氯化银微粒的混合物可以在第三个整体式的金属元件例如银棒或板上形成。

图9进一步显示，依据本发明的更厚实坚固的电极结构，其随着时间也是更稳定的并且不易磨损和受污染物或流动影响的干扰。整体式银板901被设置在保护性多孔元件的向后的背面，例如玻璃料902，带有居中的氯化银储存池903，其可以是氯化银和/或银的微粒、粉末或熔渣。

图10表示图7和8的复合体，在固态银元件1003中将烧结的氯化银微粒1001置入中间凹槽1002。在温和的条件下烧结段提供最稳定的电极，而暴露的银(由1004所示的氯化银层)最好用来应付复杂的条件，例如脏水，在其中多孔的元件更容易被堵塞。

要意识到在金属上面形成的氯化银层太厚，它会给整个电子电路增加额外的串联阻抗。如果它太薄，浓度对于维持所需的电化学反应是不够的。氯化物的最佳量可以通过控制稳定的电解液中电极的电阻抗来确定，既可以在电极制备过程又可以在随后的工作过程进行。应采用阴极的或阳极的处理直到阻抗达到其最低可实现点为止。

实践中，阻抗的测试组件可以是电容、电阻或二者的结合。可以在电极的末端和沉浸在同样电解液中的第二电极末端之间进行测试，第二电极也可以是另一个流量计电极。可选地，在处理过程中两个电极可以维持在同样的平均电势，以这样的方式能够应用小差异交变电势以便测量它们之间的小信号阻抗(例如通过将电极末端和感应器连接)。

平衡电极以确保两电极之间的最小偏移电势同样是重要的。每个电极作为分开的电化学半电池，具有相对于液体的相应势差。如果电极不一致，在两个半电池电极末端之间将出现电势差，这将会给随后的放大电路带来问题(例如饱和)。

至此，电极被处理直到它们达到了共同的电化学半电池电势为止。这可以包括一种或多种阳极化处理、阴极化处理，暴露于化学试剂或光中，如本文其它地方所描述的，电极半电池电势是对比固定标准半电池、或对比同时不进行处理的第二电极进行测试的。可选地，处理过程包括将两个或多个相似的电极末端连接在一起一段时间，而电极被浸入共同的导电电解液中。这样的电极处理可以在制成设备的操作有效期内、也可以在最初的制备期间内，通过主电子仪器进行。

电极的噪音和电特性能够通过增加其有效表面区域来改善并因此减少了其界面阻抗。这可以通过已知的化学和电化学使变粗糙技术来得到。此外，通过在上述阳极化处理中逆向电流的流动，AgCl能够被还原为金属的Ag，作为金属再生长结果的枝状金属Ag在AgCl中形成，从金属表面长出。这同样具有增加银电极有效表面区域的效果并且适用于整体式和烧结的结构，可以应用其在微粒中间生长枝状金属银。

增加表面积的步骤可以与上述形成氯化银的步骤交替进行。该步骤也可以通过使用其它还原装置来进行，例如在氢气中加热或暴露于光。

应该理解以上仅仅通过实施例的方式对本发明进行了描述，可以做许多不同的修改而不脱离本发明的范围。尤其，本发明不局限于银或它的离子化合物或盐、氯化银。金和铂也可以产生好的效果。同样地，本发明也可以应用于除水以外的流体。