用于确定流量和/或安装角度的磁感应流动测量探头、测量装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于确定介质的流量和/或流速的磁感应流量计，其包括具有前端的前部，前端具有中心；壳体；被布置在壳体中的磁场产生装置，其用于产生穿过前端的磁场；以及测量和评估单元；其特征在于，存在被布置在前端并形成与介质的电流接触的三个测量电极，其形成三个测量电极对，并且其特征在于，测量和评估单元适于记录在至少两个测量电极对之间，尤其是在三个测量电极对之间的感应的测量电压，并且根据记录的电压查明介质的流量和/或流速。

说明书

背景技术

磁感应流动测量设备被应用于确定测量管中介质的流速和/或体积流量。磁感应流动测量设备包括磁场产生装置，该磁场产生装置产生垂直于测量管的横轴的磁场。为此目的，通常使用一个或多个线圈。为了实现主要均匀的磁场，补充地，极靴被形成并应用以使得磁力线的对称轴线基本上垂直于横向轴线延伸。在测量管的外表面处应用的测量电极感测感应地产生的电测量电压，当导电介质在存在施加磁场的情况下沿纵轴方向流动时，发生该电测量电压。由于感测的测量电压根据法拉第感应定律取决于流动介质的速度、流速、并结合已知的管道横截面，因此介质的体积流量从测量电压能够被查明。

与磁感应流动测量设备相反，其中，用于产生流过测量管的磁场的线圈装置被固定在测量管的外表面，并且至少两个测量电极被布置在内表面，磁感应流动测量探头通常以其圆柱形壳体被插入测量管的侧向开口中，并且被液密地固定。由于磁场仅存在于流动测量探头前端伸入流体中的区域中，因此在测量管外表面上没有上述线圈布置，如通过在该区域中流过其线圈装置的电流所形成的。流动测量探头通常包括两个触笔形的测量电极。然而，还存在从EP0534003A1已知的流动测量探头，其具有被布置在前端的中心的触笔形的测量电极和围绕触笔形的测量电极的环形电极。

EP0892251A1公开了一种磁感应流动测量探头，其伸入流体中的前端呈球冠的形状，并且其中，第一和第二电流电极相对于子午线的峰对称地被布置在球冠的子午线上。流动测量探头实际上垂直于要测量的流体的流动方向被浸没，并且通过旋转被定向使得连接两个电极的线垂直于流动方向延伸。偏离理想安装定向导致测量的流动的准确性降低。

从US3881350A已知一种磁感应流动测量探头，其具有除了被布置在第一直径上的两个测量电极之外的另外两个被布置在第二直径上的测量电极，其中，两个直径彼此垂直。由于测量电路被适用于此以记录位于测量电极对之间的电压，为流动测量探头产生管道中的两个理想安装定向。

在现有技术的这些提议中的缺点在于，在将磁感应流动测量探头安装在测量点上的情况下，需要满足明确限定的安装要求。用户必须安装流动测量探头，使得与两个测量电极相交的直径实际上垂直于要测量的流体的流动方向延伸。如果在安装中没有考虑到这一点，则在确定流量和/或流速中导致相当大的测量误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定流速的磁感应流动测量探头、测量装置和方法，所有这些都有助于简化流动测量探头在管道中的安装。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1所限定的磁感应流动测量探头、通过根据权利要求10所限定的用于确定流量和/或安装角度的方法以及根据权利要求15所限定的测量装置来实现。

本发明的磁感应流动测量探头包括：前部，前部具有前端，前端具有中心；壳体；被布置在壳体中的磁场产生装置，磁场产生装置用于产生穿过前端的磁场；以及测量和评估单元，并且其特征在于，存在被布置在前端并与介质形成电流接触的三个测量电极，其形成对，并且，测量和/或评估单元适于记录在每个情况下在至少两个测量电极对之间感应的电压，尤其是在三个测量电极对之间感应的电压，并且根据所记录的电压来查明介质的流量和/或流速。

本发明的流动测量探头的一个很大的优点是，通过三个测量电极形成与介质的电流接触，至少两个测量电压能够在流动的介质中被感测到。这些测量电压不仅与介质的流速成比例，而且还取决于流动探头的安装定向。仅用一个测量电极对，尤其是用单个测量电压，就能够获得关于安装定向的更多信息。通过具有至少一个附加的测量电压，与介质的流动方向相比或与管道的纵向方向相比，安装定向能够被查明。借助于测量和/或评估单元，能够查明安装角度α，该安装角度α是与理想安装定向的差的测量。安装角度α被与测量电极对交叉的线和流过管道的介质的流动方向限定。安装角度α由流动测量探头围绕前端中心的旋转来限定。如果安装角度α是已知的，其能够被用于校正所感测的测量电压。为此目的，三个测量电极和借助于测量和/或评估单元的两个测量电压的分接就足够了。在安装完成之后或在安装流动测量探头时一次地、连续地或在规定的时间点确定安装角度α。

在将流动测量探头安装和固定在管道中的情况下，除了将流动测量探头正确地引入管道并充分密封之外，用户无需再补充地担心流动测量探头相对于流动方向的定向。

考虑第三测量电压打开其他选项。例如，安装角度α能够借助于第三测量电压和第一测量电压和/或第三测量电压和第二测量电压被查明。因此，通过统计评估，例如，平均值的创建等，所查明的安装角度α的变化或误差能够被减小。此外，额外的测量电压用作安装群的控制值，其中，尽管有流动的介质，在测量电极对上也没有电压。例如，当与测量电极对交叉的线平行于流动方向延伸时，这种情况发生。通过考虑所有测量电压，能够区分与安装相关的误差和与测量电极对的故障相关的缺陷。为此目的，测量和/或评估单元必须适于在由三个测量电极形成的每个测量电极对处分接测量电压。在安装之后或在设置流动测量探头时一次地、连续地或在规定的时间点确定安装角度α。替代地，测量电极能够与多路复用器单元或者模拟或数字选择电路连接，其适于分接要测量的电压。

在实施例中，测量电极被布置成关于旋转中心对称地旋转，其中前端的中心形成旋转中心。

由于，在前端处基本上均匀的磁场分布的情况下，在确定安装角度α或流动时单独考虑布置几何形状能够被省略，测量电极的旋转对称的布置有助于测量电压的评估。

在实施例中，壳体是柱形的，尤其是圆柱形的，其具有穿过前端的中心延伸的旋转轴线，其中，旋转轴线垂直于前端延伸。

在实施例中，磁场产生装置包括线圈装置和线圈芯，其中，磁场产生装置包括至少一个场导引件，其中，线圈芯终止于前端或前端的附近，其中，线圈芯被实施为柱形，尤其是圆柱形，其中，线圈装置围绕线圈芯。

由于根据法拉第感应定律，测量电压取决于磁场方向，有利的是，磁场的对称轴线垂直于前端延伸到壳体中并延伸出壳体。测量电压尤其取决于磁场强度，因此，尤其有利的是，磁场强度在整个前端上，尤其是在单个测量电极对之间是恒定的。以这种方式，能够省略对单个查明的测量电压的校正或与磁场有关的校正。

在实施方式中，场导回件被实施为空心柱形，其中，场导回件至少部分地围绕线圈芯和线圈装置。

在这种情况下，场导回件被实施为空心柱形并且在一端封闭，使得其呈杯状。线圈芯布置在空心柱壁的中心。线圈芯被实施为柱形或棱柱形。在这种情况下，线圈芯被单个场导回件围绕。

在实施例中，在每个情况下，场导回件被布置在测量电极对之间，其中，在每个情况下，场导回件具有纵轴，其中，在每个情况下，纵轴从前端在测量电极对之间垂直地延伸。

在有利的实施例中，流动测量探头包括多个场导回件。场导回件被实施和布置为使得磁场的对称轴在测量电极之间垂直地延伸到前端中并且延伸出前端。有利地，场导回件是触笔形的，并且在每个情况下，在测量电极对之间。

在另一实施例中，场导回件被实施为圆环段。

在实施例中，测量和评估单元被实施为基于测量电极之间的测量电压中的最大测量电压以查明例如体积流量的流量和/或流速，并且将参考电极或填充水平监视电极或用于确定介质电导率的电极的功能分配给未用于确定流量和/或流速的测量电极。

在确定安装角度α之后，一个测量电压或一个测量电极对足够用于监视流量和/或流速。因此，三个测量电极中的一个可用于监视其他与过程相关的参数。在这种情况下，该测量电极被称为功能性测量电极。理想地，测量和/或评估单元适于基于具有最大测量电压的测量电极对来查明流量和/或流速。以这种方式，获得更好的分辨率和更低的测量误差，或者更低的测量变化。功能性测量电极经由测量和/或评估单元被分配新功能。

可能的功能是确定介质的电导率。为了确定介质的电导率，电位差被施加在功能性测量电极与例如壳体、管道或接地环之间，并电流被查明。替代地，可以施加信号，尤其是电压信号，并且从信号的衰减查明介质的阻抗。由此，用合适的模型，关于介质的电导率的信息能够被获取。

另一功能是监视填充水平，用于流动测量设备的填充水平监视系统已知用于磁感应流动测量设备。在这种情况下，在水平安装测量管的情况下，所谓的填充水平监视电极是相对于测量管的横截面最佳地布置在测量管的最高点处的。通过确定填充水平监视电极和参考电极之间或金属工艺连接之间的介质的电导率，管的填充被监视。在这种情况下，介质始终具有与空气相比更高的电导率。如果电导率下降到指定的极限值以下，则部分填充被检测到。极限值尤其取决于介质的电导率、测量管的公称直径、填充水平监视电极的尺寸和位置以及测量管内衬的特性。为了借助于功能性测量电极监视填充水平，功能测量电极与参考电位之间的介质的电导率被查明。

此外，该功能能够是参考电极的功能。通常，流动测量探头的壳体是金属的，因此与参考电位相连接。在当前情况下，将功能性测量电极用作参考电极使用意味着壳体不需要是导电的。

功能的分配用电路单元实现，电路单元被安装在测量和/或评估单元或流动测量设备的壳体中。

在实施例中，第四测量电极被布置在前端的中央，第四测量电极与三个旋转对称地布置的测量电极一起形成第四、第五和第六测量电极对。

通过将测量电极布置在中心，线圈芯有利地具有孔形式的通道，测量电极和连接能够被引导穿过该通道。

在实施例中，第四测量电极适于承担参考电极的功能，或者测量和评估单元适于查明位于第四、第五和/或第六测量电极对之间的每个电压。

通常，使用金属壳体。它被连接到参考电位并因此用作参考电极使用。通过布置适于作为参考电极的电极，导电壳体能够被省略。因此，壳体可以由有成本效益的合成材料，例如塑料制成。

如果第四测量电极适于作为参考电极，则功能性测量电极执行填充水平监视电极的功能。

通过分接第四、第五和/或第六对测量电极对之间的测量电压，获得额外的理想安装定向。当与任何测量电极对交叉的线垂直于流动方向延伸时，理想的安装定向被实现。用第四测量电极，理想安装定向的数量从6翻倍到12。于是，各个安装定向之间的旋转角度等于30°，使得保持安装角度α尽可能小的可能性增加。

本发明的一种方法，其用于借助于如以上版本中的一个所限定的磁感应流动测量探头和/或磁感应流动测量探头的安装角度α来确定管道中的介质的流量，例如，体积流量和/或流速，其中，安装角度α由与测量电极对相交的线和流过管道的介质的流动方向限定，其特征在于以下方法步骤：

A)测量第一和第二测量电压，其中，第一测量电压位于第一测量电极对之间，并且第二测量电压位于第二测量电极对之间；

V1)根据第一和第二测量电压确定安装角度α；以及

W1)根据位于测量电极对之间的测量电压和所查明的安装角度α来确定流量和/或流速。

尤其有利的是，安装角度α在流动测量探头的设置时被查明，并且然后，此后被考虑用于确定流量和/或流速。为了确定安装角度α，需要至少一个测量电压对。通过矢量计算，测量电压能够被描述为测量电极的安装几何形状和安装定向的函数。

测量电极对之间测量电压取决于安装角度α，如下式：

U

其中，U

U

并且

U

如果已知校正因子k

如果另一测量电极被放置在中心，其他三个电压能够被测量。能够基于三角法来制定测量电极对之间测量电压。对于每个测量电压，方程能够被建立，将每个测量电压与安装角度和理想安装定向下的期望的测量电压相关联。在这种情况下，在前端上的测量电极的布置必须被补充考虑。

在实施例中，本发明的方法进一步包括如下步骤：

B)测量第三测量电压，其中，第三测量电压位于第三测量电极对之间；以及

V2)根据第一、第二和第三测量电压确定安装角度α。

考虑第三测量电压打开了其他可能性。首先，借助于第三和第一测量电压和/或第三和第二测量电压，在每个情况下，安装角度α能够被查明。因此，例如，通过统计评估，创建所记录的测量电压的平均值等，所查明的安装角度α的变化或误差能够被减小。此外，额外的测量电压用作安装群的控制值，其中在测量电极对之间不存在电压。例如，当与测量电极对交叉的线平行于流动方向延伸时，发生这种情况。因此，与测量电极对的安装相关的故障和与缺陷相关的故障能够被区分。为此目的，测量和/或评估单元必须适于在由三个测量电极形成的每个测量电极对上分接测量电压。安装角度α的确定在流动测量探头的安装之后或在设置时一次地、连续地或在规定的时间点进行。

在实施例中，本发明的方法进一步包括以下方法步骤：

Z)借助于输出单元输出安装角度α和/或流量和/或流速。

在实施例中，本发明的方法进一步包括如下步骤：

K)测量位于测量电极对之间的电压；

L)对测量电压求和；

M)输出所查明的测量电压的和；和/或

N)当测量电压的和偏离预定义的期望值时，创建错误报告。

通常，在确定流量和/或流速时能够出现不规则或与缺陷相关的差异。然后，当能够适用合理性检查来检测或排除缺陷时，尤其有用。如果测量电极被对被称旋转地布置，并且磁场在前端上被均匀分布，则测量电压的和就是理想值。在理想情况下，当天测量电极装置的期望值等于零。它在校准过程中的早期能够被确定，或者被固定地预先确定。

在实施例中，本发明的方法进一步包括如下步骤：

W2)基于具有所查明的测量电压中的最大测量电压的测量电极对来确定流量和/或流速；

Q)提供不用于确定流量和/或流速，而用于监视填充水平的测量电极；和/或

R)提供不用于确定流量和/或流速，而用于确定介质的电导率的测量电极；和/或

S)提供不用于确定流量和/或流速，而是用作参考电极的测量电极。

在确定安装角度α之后，用单个测量电极对就足以确定流量和/或流速。有利地，具有三个测量电压中的最大测量电压的测量电极对被用于确定流量和/或流速。三个测量电极中的一个，在下文中被称为功能性测量电极，因此能够被分配新功能。取决于应用，电路单元可以适于将填充水平监视电极的功能分配给功能性测量电极。

本发明的用于确定介质的例如体积流量的流量和/或流速的测量点包括管道，其沿由管道轴线和管道壁上的开口限定的纵向方向输送介质，并且其特征在于，上述版本中的一个所限定的磁感应流动测量探头通过开口被引入管道，其中，安装角度α被与第一测量电极对交叉的线和流过管道的介质的流动方向限定，其中，测量和/或评估单元适于执行本发明的用于确定流量和/或流速的方法。

根据本发明的上述版本中的一个限定的用于监视测量点的磁感应流动测量探头的特征在于，在改变所查明的安装角度α的情况下，借助于输出单元创建并输出报告。

通过连续或在限定的时间点确定安装角度α，流动测量探头能够被用于监视测量点。

所查明的安装角度的改变指示螺纹连接的松动或流动行为的改变，这在管道中已经出现沉积或堵塞时发生。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，其附图如下示出：

图1是现有技术的磁感应流动测量探头的立体示图；

图2是本发明的磁感应流动测量探头的第一实施例的横截面；

图3是在测量点的本发明的磁感应流动测量探头的第一实施例的纵向截面；

图4是在安装位置的本发明的磁感应流动测量探头的正视图；

图5是具有在前端的中央的第四测量电极的本发明的磁感应流动测量探头的第二实施例的正视图；以及

图6是磁场产生装置的场导回件的两个实施例。

具体实施方式

首先，使用立体和局部截面的图1，将解释本发明所基于的测量原理。流动测量探头(1)包括具有预定外径的大致柱形的壳体(3)。这与孔的直径相匹配，该孔被定位于管道(13)(图1中未示出，但在图3中示出)的壁中，并且流动测量探头(1)被液密地引入其中。在管道(13)中的流动是要测量的流体，其中流动测量探头(1)实际上垂直于流体的流动方向延伸，如波浪箭头(12)所示。伸入流体中的壳体(3)的前端(2)被绝缘材料的前部液密地密封。借助于被布置在壳体(3)中的线圈装置(9)，能够产生到达穿过前端并进入流体的磁场(8)。至少部分地由软磁材料构成并布置在壳体(3)中的线圈芯(7)在前端处或前端附近终止。围绕线圈装置(9)和线圈芯(7)的场导引(10)适于将穿过前端的磁场(8)引导回壳体(3)中。第一和第二电流测量电极(4、5)被布置在前部并与流体接触。由于法拉第感应定律，在测量电极(4、5)之间感应的能够是电压，该电压借助于测量和/或评估单元(11)被分接。当将流动测量探头被安装在管道(13)中使得被与两个测量电极相交的线和流动测量探头的纵轴限定的平面垂直于流动方向(12)延伸，或垂直于管道(21)的纵轴延伸时，该电压最大。

图2中显示的横截面示出布置在中心(6)中的线圈芯(7)、线圈装置(9)、在该实施例中被实施为空心柱形的场导引(10)以及相对于旋转中心旋转对称地布置的第一、第二和第三测量电极(4、5、16)，旋转中心在这里是前端的中心(6)。场导引(10)的布置和实施例被优化为使得磁场线(8)的对称轴垂直于测量电极对之间的前端(2)相交，并且磁场强度最大。安装角度α和流量借助于输出单元(20)输出。

图3示出纵向截面的流动测量探头(1)。流动测量探头(1)借助于螺钉连接(14)被液密地固定在管道(13)中，该螺钉连接(14)被安装在管道(13)的壁上，并且例如，与它焊接。测量点的这种构造尤其有用，因为，首先，螺钉连接(14)能够被放置在管道(13)上并固定在其上，且然后流动测量探头(1)被引入或被螺丝固定在螺钉连接(14)中，以将流动测量探头(1)固定在其中，并借助于密封件(15)将其密封。第一、第二和第三测量电极(4、5、16)相对于前端的中心(6)被对称地布置在前端(2)上。

在图4的实施例的示例中，箭头指示测量电极对，测量电压借助于测量和/或评估单元在测量电极对的每一个处被分接。虚线示出理想定向的线(18)。这与在这里以点线示出的参考线(19)一起限定了安装角度α。理想线(18)垂直于流动方向(12)延伸。参考线(19)能够是任何测量电极对。在这种情况下，参考线(19)延伸穿过第二和第三测量电极(5、16)。

在图5的实施例的示例中，第四测量电极(17)被设置在前端的中心(6)。箭头显示测量电极对，借助于测量和/或评估单元测量电压在测量电极对的每一个处被分接。补充图4所示实施例的示例，还有另外三对测量电极，在流动介质的情况下，其每一个上都存在测量电压。

图6示意性地提出磁场产生装置的实施例的两种形式。使用实施例的第一个形式提出基本原理。平台(22)用作线圈芯(7)与场导回件(10)的连接器。这里，平台是多边形的，但是也能够被实施为圆柱形。场导回件在图6中是棱柱形的。然而，它们可以具有任何形式，尤其是与测量电极装置匹配的形式。在实施例的第二个形式中，线圈芯(7)是圆柱形的，并且场导回件(10)被形成为圆环段。此外，基部(22)和场导回件(10)被实施为一体。场导回件(10)的数量取决于测量电极(4、5、16、17)的布置。

附图标记列表

1 流动测量探头

2 前端

3 壳体

4 第一测量电极

5 第二测量电极

6 中心

7 线圈芯

8 磁场线

9 线圈布置

10 场导回件

11 测量和/或评估单元

12 流动方向

13 管道

14 螺钉连接

15 密封件

16 第三测量电极

17 第四测量电极

18 理想线

19 参考线

20 输出单元

21 管道的纵轴

22 平台、基部

25 前部。