用於測量非牛頓流體的電磁流量計的製作方法

2023-09-18 09:53:50 2

專利名稱：用於測量非牛頓流體的電磁流量計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電磁流量計，用它可測量在測量管道中流動的非牛頓導電流體的平均速度和流動指標。
由於實際中使用的測量管道一般都呈園柱體形狀，因而在管道中形成穩態旋轉對稱的流動斷面圖。特別是在粘稠流體中，流動還是層流式的，因而其速度v是距離測量管道軸線的徑向距離r的一個函數。
v＝v(r) (1)在層流中，不同速度的流體層互相滑動並且由於摩擦的關係，在各層之間形成一個剪切應力τ。實際流體的固有流動特性可用剪切應力與半徑方向出現的速度變化之間的一個關係式即速度梯度也稱作切變率V描述V＝δv/δr(2)式中δ為眾所周知的微分算符，V具有量綱時間-1。
對於牛頓流體(以後用下標w表示)，方程(2)為線性方程τw＝ε·V(3)式中比例常數ε為動態粘度，具有量綱力·時間/長度2。
對於非牛頓流體(以後用下標nw表示)，方程(2)為非線性方程τnw＝f(V)(4)非牛頓流體的相應流動特性表示成流動圖即所謂流變圖的形式。圖中畫出剪切應力τnw對切變率V的關係曲線。根據

圖1所示的特性曲線，不同類型的非牛頓流體被區分開來特性曲線1表示一種賓海姆塑料；特性曲線2表示一種本徵粘度型(切變減弱)流體；特性曲線3表示一種牛頓流體；以及特性曲線4表示一種脹流型(切變增強)流體。
在非牛頓流體的情形，剪切應力和切變率之商不是常數。因此，粘度也不是常數。作為替代，定義了視在粘度εs和微分粘度εd，兩者均依賴於切變率。
如圖2所示，流變圖中特性曲線上一個給定點P的視在粘度εs為從坐標原點至P點的割線的斜率。微分粘度εd為特性曲線在P點的切線的斜率。
因此，εs＝τnw/V (5)εd＝δτnw/δV (6)對於許多技術應用來說，可以用一個簡單的公式來逼近非線性特性曲線。一個常見的方法是使用奧斯瓦爾德-德·瓦埃勒指數定律(參見J·烏爾勃賴赫特與P·米希卡所著的書「非牛頓流體」萊比錫1967年版第26頁)τnw＝K|V|n-1·V (7)式中兩根豎線表示絕對值。這個絕對值符號考慮到了切變率V也可以為負值的事實。
在方程式(7)中，K為流體的粘稠度，指數N為流動指標。如果N＝1，流體為牛頓流體，K就是它的粘度(常數)。如果N＜1，流體為本徵粘度型流體，並且如果N＞1，則為脹流型流體。
由粘稠度K和流動指標N，視在粘度εs和微分粘度εd可計算出來εs＝τnw/V＝KVN-1(8)εd＝δτnw/δV＝KNVN-1(9)對指數關係式(7)成立且表現出完全形成層流的流體求解流體動力學微分方程，得出流動分布圖的如下關係(參見上述引文中的第30頁)V＝f(r)＝Vm(1+3N)/(1+N)〔1-(r/R)(1+1N)〕(10)式中Vm為平均速度，R為測量管道的內徑。
本發明的一個目的是使用電磁流量計至少求出平均速度Vm和流動指標N。
為了達到這一目的，本發明提供一種電磁流量計，用於測量在測量管道中流動的導電非牛頓流體的平均速度Vm和流動指標N(測量管道接觸流體的部位不導電)，所述流量計除測量管道外還包括在測量管道兩側之外或在管壁之中互相對著放置的一個第一線圈和一個第二線圈；所述線圈用於在線圈電流流過線圈時產生一個橫穿管道壁和流體的磁場；一個用於拾取由磁場感應的第一電勢的第一電極；一個用於拾取由磁場感應的第二電勢的第二電極；測量管道上每個電極所在點的相應半徑與磁場方向構成一個小於90°的角；一個線圈電流發生器；一個雙刀開關，用它可將兩個線圈或者連接成相助式串聯或者連接成相反式串聯；以及計算電子設備，它根據線圈連接成相助式串聯時電極拾取的第一電勢差產生一個正比於平均速度Vm的速度信號，或者根據線圈連接成相反式串聯時電極拾取的第二電勢差以及第一電勢差產生一個正比於流動指標N的流動指標信號。
使用本發明的改進設計，粘稠度K和/或視在粘度εs也可以求出來。
在這個改進設計中，第一壓力傳感器和第二壓力傳感器沿著測量管道的一條母線安裝在管道壁上，並且計算電子設備根據壓力傳感器提供的信號差，根據第一電勢差以及根據第二電勢差產生一個正比於流體的粘稠度K的粘稠度信號和/或正比於流體的視在粘度εs的粘度信號。
在本發明的一個優選實施例中，測量管道上每個電極所在點的相應半徑與磁場方向構成一個60°或45°的角。
將電磁流量計的兩個線圈交替連接成相助式串聯和相反式串聯本質上在DE2743954中已經敘述過，只不過那是為了另外的目的，即使電極拾取的電勢差不受流動分布圖擾動的影響。
由下面結合附圖對本發明實施例的敘述，本發明將變得更加一目了然，附圖中相同的部件用相同的參考字符表示，其中圖1示出各種非牛頓流體和牛頓流體的定性特徵流變圖；圖2示出一個用於定義非牛頓流體的視在粘度和微分粘度的流變圖；圖3大略示出(部分採用方框圖的形式)電磁流量計的一個實施例；圖4示出用於在線圈連接成相助式串聯時計算磁場的示意圖；圖5示出用於在線圈連接成相反式串聯時計算磁場的示意圖；圖6示出線圈連接成圖4的相助式串聯時磁場的分布；圖7示出線圈連接成圖5的相反式串聯時磁場的分布；圖8示出一種用於測量粘稠度K和/或視在粘度εs的改進設計的實施例的大略縱剖面；以及圖9示出線圈電流和時鐘信號的波形圖。
圖3大略示出(部分採用方框圖的形式)一種電磁流量計10。其機械部分即流量傳感器包括一個其接觸所流過的流體的部位不導電的測量管道11。
測量管道11可以整個地用比如說適當的陶瓷尤其是氧化鋁陶瓷製成，或者用適當的塑料、特種硬橡膠製成，不過也可以使用非鐵磁金屬管道，在其內壁上披一層諸如適當的塑料、特種硬橡膠、軟橡膠或者聚四氟乙烯。
第一線圈12和第二線圈13安裝在測量管道11兩側的外面正好互相對著。線圈電流i流過這些線圈，建立一個橫穿測量管道壁和流體的磁場。下文中將用一個向量B一般地描述磁場。
除了將線圈安裝在測量管道之外，也可以像在三相電機的磁場繞組那樣，將線圈部分地延伸到測量管道的壁內。
在圖3中，三個平行的箭頭指出磁場可以是均勻磁場BK。這是當前市場上可買得到的電磁流量計的一般情形，是通過將兩個線圈12、13連接成相助式串聯以使一個線圈產生的磁場與相應的另一個線圈產生的磁場同方向而獲得的。
如圖3所示，與流動的液體接觸的第一電極14和第二電極15(即為伽伐尼電極)安裝在測量管道11的壁上。也可以配備與流體隔絕的電極即電容電極，這些電極(伽伐尼電極或電容電極)都用來拾取根據法拉第電磁磁感應定律感應的電勢。
電極14、15安裝的位置和市場上可買得到的僅用於測量體積流率的電磁流量計的電極位置不同，那些電極位置正好互相對著放置並且連接電極的直線與總是均勻的磁場方向垂直。測量管道11上每個電極14、15所在點的相應半徑與均勻磁場BK的方向構成一個小於90°、特別是60°和45°的角中(詳細情形參見下面)。
一個線圈電流發生器21產生線圈電流i 。於是，線圈12載有一個線圈電流i12，而線圈13則載有一個線圈電流i13。線圈電流i可以是電磁流量計中一般使用的任何一種電流，即例如說可以是直流、交流或脈衝電流。
如果線圈電流i是直流電流，在本發明中也和在常規的電磁流量計中一樣，這個電流是分段雙極性的電流，即其方向被線圈電流發生器21周期性倒換的電流，例如像在申請人的美國專利4,410,926中所一般敘述的那樣。
眾所周知，這樣做是為了補償在各電極上形成併疊加到感應電勢上的電化學電位，正像(比如說)在申請人的美國專利4,382,387、4,422,337和4,704,908中所敘述的那樣。
在本發明中，除了線圈電流發生器21以外，還配備一個雙刀開關22，用它可將通過兩個線圈12、13之一的線圈電流的方向(在圖3的實施例中為通過線圈13的電流i13的方向)倒換。藉助這一方法，兩個線圈12、13可以或者連接成相助式串聯(對應於圖3所示開關位置)，或者連接成相反式串聯。
雙刀開關22受一個順序控制器23的控制從一個開關位置轉向另一個位置，控制器23還控制線圈電流發生器21倒換上述線圈電流i13的方向。
順序控制器23包括例如後面跟一個分頻器的時鐘發生器。分頻器的各級輸出信號通過一些邏輯門組合成具有所需要的持續周期和頻率的各個脈衝列，用這些脈衝列可按設計要求控制線圈電流發生器21和雙刀開關22。
圖3還包括有計算電子設備24，用於生成一個正比於線圈12、13連接成相助式串聯時由電極14、15拾取的第一電勢差算出的非牛頓流體的平均速度vm的速度信號SV，或者生成一個正比於線圈12、13連接成相反式串聯時由電極14、15拾取的第二電勢差以及第一電勢差算出的流動指標N的流動指標信號SN。
計算電子設備24受順序控制器23的信號控制形成速度信號SV或流動指標信號SN。
在下面將參照圖8說明的本發明一種改進設計中，計算電子設備24還輸入有來自壓力傳感器31、32的信號。
現在藉助圖4至7更詳細地說明形成信號SV和SN的基本規律，每個圖均示出在線圈12、13的區域與測量管道11的軸線成直角的簡略斷面圖。
在圖4和5中，相應的線圈12、13各用三個線匝表示。其中園點表示通過線匝的電流在這些點沿垂直於紙平面的方向從紙平面流出，而交叉十字則表示電流在這些點沿垂直於紙平面的方向進入紙平面。
圖4為同一方向的電流通過線圈12、13的情形；這一情形的磁力線分布示於圖6。圖5為相反方向的電流通過線圈12、13的情形；這一情形的磁力線分布示於圖7。
在圖6和7中，示於測量管道相應外壁上的園點區表示電流強度的近似空間幅度分布。
圖4還示出用以表示上述規律的兩個坐標系，也就是具有互相垂直的橫坐標X和縱坐標Y的普通笛卡爾坐標系和具有向徑r和極角中的普通極坐標系。兩個坐標系的原點都與測量管道橫截面的中心點一致。
下面，下角標k表示線圈12、13連接成相助式串聯，而下角標g則表示線圈12、13連接成相反式串聯。
在圖4的情形，磁場向量Bk僅在X方向有一個數值為Bkx的分量，而在Y方向，其分量Bkg為零。
在圖5的情形，磁場向量Bg在X方向有一個具有依賴於位置的數值為Bg·X/R的分量Bgx，在Y方向有一個具有依賴於位置的數值為Bg·Y/R的分量Bgy；R為測量管道11的內徑，Bg為磁場的局部最大數值Bgx＝Bg·X/R (11a)Bgy＝Bg·Y/R (11b)另外，對於計算來說假定每個線匝相應的電流負荷是規定了的圖4情形的電流負荷為jk，而圖5情形的電流負荷為jg。
下面的關係式成立jk＝Bk/μ0(Sinφ) (12)jg＝Bg/μ0(Sin2φ) (13)式中μ0為自由空間的磁導率。
對於如像在方程式(1)中假設的穩態旋轉對稱式流動圖來說，磁場Bk、Bg在測量管道的壁上感應出下面的電勢Uk(φ)＝(2/R)(BkM1)Sinφ (14)Ug(φ)＝(2/R3)(BgM3)Sin2φ (15)通過布成適當角度的電極測量電勢差，可以求出矩M1、M3。對於這些矩，下面的關係式成立(用笛卡爾坐標系)M1=r=0Rv(r)rdr=(1/2)r=0R=02v(r)rddr=]]>(1/2)v(X,Y)dxdy---(16)]]>M3=r=0Rv(r)r3dr=(1/2)R=0R=02v(r)r2rddr=]]>=(1/2)v(X,y)r2dxdy---(17)]]>在方程式(16)和(17)中，對Ω的二重積分表示對測量管道的橫截面的積分。
平均流動速度Vm由公式Vm=(1/R2)v(x,y)dxdy---(18)]]>給出。在方程式(16)和(18)之間進行的比較表明M1正比於vm
vm＝(2/R2)M1(19)相形之下，矩M3則依賴於流動圖的形狀，其計算還得根據方程式(7)使用奧斯瓦爾特與德·瓦埃勒指數定律。於是，M3=r=0Rv(r)r3dr=1+3N1+Nvmr=0R[1-(r/R)1+1/N]r3dr=]]>=1+3N1+Nvm[R4/4-R5+1/N(5+1/N)R1+1/N]=]]>=1+3N1+NvmR4[1/4-N/(1+5N)]=1+3N1+NvmR41+N4(1+5N)]]>M3=1+3N4(1+5N)vmR4---(20)]]>根據方程式(19)，用(2/R2)M1代替Vm並求解流動指標N，得到N=2M3-R2M13R2M1-10M3---(21)]]>在常規的電磁流量計中，上述電勢差是通過兩個電極互相對著放置使得φ＝±π/2來測量的。於是，方程(14)和(19)變為Uk(π/2)-Uk(-π/2)＝(4BkM1)/R(22)vm＝(1/2BkR)[Uk(π/2)-Uk(-π/2)] (23)但是，這是關於電磁流量計早已知道的事實，換句話說，對於均勻磁場(相應於下角標k)和旋轉對稱但卻是任意的流體來說，感應的電勢差或電壓正比於平均速度vm，因而正比於體積流動率。
但是，使用上面所說的正好對著布置的電極時，不能求出矩M3，因為如果線圈連接成相反式串聯，相應的電勢差Ug(π/2)-Ug(-π/2)總是等於零。
因此，根據本發明，電極14、15不是放置得正好互相對著，而是夾一個小於180°的角。兩個優選的數值是120°和90°。因此，對應於優選值的角φ即每一個電極14、15所在點的相應半徑與均勻磁場的方向之間的角為φ1＝±60°＝±π/3φ2＝±45°＝±π/4
這樣，在下文中，下角標1與±60°有關，而下角標2則與±45°有關。
從而，用電極14、15測得的第一電勢差或電壓Uk1、Uk2和第二電勢差或電壓Ug1、Ug2為Uk1＝Uk(π/3)-Uk(-π/3)＝(2·31/2BkM1)/R(24)Ug1＝Ug(π/3)-Ug(-π/3)＝(2·31/2BgM3)/R3(25)Uk2＝Uk(π/4)-Uk(-π/4)＝(2·21/2BkM1)/R(26)Ug2＝Ug(π/4)-Ug(-π/4)＝(4BgM3)/R3(27)將方程(19)代入方程(24)和(25)並將方程(20)代入方程(26)和(27)，從而給出平均速度Vm1和Vm2以及流動指標N1和N2的以下條件方程(引入商b＝Bg/Bk是為了簡化記號)Vm1＝Uk1/(31/2BkR) (28)Vm2＝Uk2/(21/2BkR) (29)N1＝(2Ug1-bUk1)/(3bUk1-10Ug1(30)N2＝(21/2Ug2-bUk2)/(3bUk2-5·21/2Ug2)(31)於是，藉助上面的方程就能夠證明，在本發明中，非牛頓流體的平均速度vm和流動指標可以通過第一和第二電勢差Uk和Ug測量出來。
圖8示出本發明改進設計的一個實施例的簡略縱截面圖，本實施例使得增加測量非牛頓流體的粘稠度K和/或視在粘度εs成為可能。
為了達到這一點，在測量管道11的壁上沿著管道的一根母線安裝相互隔開一段距離的一個第一壓力傳感器31和一個第二壓力傳感器32。兩個壓力傳感器之間的距離用L表示。
計算電子設備24根據壓力傳感器31、32提供的信號差D，根據第一電勢差Uk1或Uk2以及根據第二電勢差Ug1或Ug2產生一個正比於流體的粘稠度的粘稠度信號Sk和/或一個正比於流體的視在粘度εs的粘度信號Sε。
構成這一現象基礎的規律是剪切應力等於
τnw＝D·r/2L (32)聯合這個式子與方程(2)、(5)和(10)，得出在測量管道的壁處(r＝R)的切變率VR的絕對值|VR||VR|＝|Vm(1+3N)/R(1+N)[-(R/R)1/N](1+1/N)|＝＝Vm(1+3N)/(RN)此外，對於測量管道的壁處的剪切應力τnwR＝D·R/2L有εs＝τnwr/|VR|＝(DNR2)/〔2VmL(1+3N)〕 (34)K＝τnwR/|VR|N＝[D·R/(2L)]·{RN/〔Vm(1+3N)}N(35)由於方程(34)和(35)每個都含有Vm和N，而根據方程(28)至(31)，這兩個數又都可以通過測量第一電勢差UK1或UK2和第二電勢差Ug1或Ug2得出，因而這種電磁流量計也能用於測量粘稠度K和/或視在粘度εs。
由上述僅包括基本算術運算的各個方程的相應數學結構可見，用於產生速度信號Sv、流動指標信號SN、粘稠度信號Sk以及粘度信號Sε的計算電子設備24應裝備有執行各個算術運算所需的平臺，比如說加法器、減法器、乘法器、除法四以及指數運算平臺。
如果來自電極14、15以及壓力傳感器31、32的信號(模擬信號)全用模擬方式進行處理，則這些運算平臺將都是模擬平臺。
特別有利的是，來自電極14、15和壓力傳感器31、32的模擬信號均被饋給一個模/數轉換器、因而均被數位化。在這一情形下，計算電子設備24將是一個數位訊號處理器，例如說是一個微處理器。
圖9示出線圈電流i12和i13的波形，採用這樣電流可省去雙刀開關22。這些線圈電流可由線圈電流發生器23產生。由於在使用雙極性直流電流作線圈電流時，其方向必須像上面所說的那樣周期性地倒換，因而將線圈12、13連接成相助式串聯或相反式串聯可以和這電流倒向結合實現。
例如，代替如圖3所示的通過一個雙刀開關用單個電路向兩個線圈供應電流，可以採用如圖9所示的那樣交替以相同方向和相反方向流動的電流分別對這兩個線圈進行供電。
在圖9a和9b中，線圈電流i12和i13分別表示為時間變量t的函數。線圈電流i12是具有四個等長分周期E、F、G、H的脈衝電流，其總周期等於四個分周期之和T＝4·Tt脈衝電流在分周期E、F期間為正，在分周期、G、H期間為負。線圈電流i13具有和電流i12同樣的波形，只不過是相位相對於i12移動了Tt。
於是，電流對+i12、-i13屬於分周期E，電流對+i12、+i13屬於分周期F，電流對-i12、+i13屬於分周期G，而電流對-i12-i13則屬於分周期H。因此，線圈12、13在F和H期間連接成相助式串聯，在E和G期間連接成相反式串聯。此外，可看到前面所述的雙極性周期F相對周期H反相，周期E相對周期G反相。
作為時間變量t的函數示於圖9c、9d、9e和9f的時鐘信號T1、T2、T3和T4由順序控制器23提供，每一個時鐘都具有與圖9a和9b的線圈電流一樣的總周期。時鐘信號T1、T2、T3和T4之間的相位關係使得高電平在差不多每一個分周期的相應最後的三分之一期間出現。
在相應的高電平期，則出現在電極14、15的電勢被加到計算電子設備24。在低電平期間，沒有信號加到計算電子設備24。
權利要求
1.一種用於測量導電非牛頓流體的平均速度Vm和流動指標N的電磁流量計，流體在測量管道內流動，測量管道與流體接觸的部位不導電，所述流量計除測量管道外還包括正好互相對著放置在測量管道兩側的外面或測量管道壁中的一個第一線圈和一個第二線圈；所述線圈用於在線圈電流流過線圈時產生一個橫穿測量管道壁和流體的磁場；一個用於拾取由磁場感應的第一電勢的第一電極；一個用於拾取由磁場感應的第二電勢的第二電極；測量管道上每個所述電極所在點的相應半徑與磁場方向構成一個小於90°的角度；一個線圈電流發生器；一個雙刀開關，用於將兩個線圈或者連接成相助式串聯或者連接成相反式串聯；以及計算電子設備，用於產生一個速度信號，它正比於線圈連接成相助式串聯時由電極拾取的第一電勢差算出的平均速度Vm；一個流動指標信號，此信號正比於線圈連接成相反式串聯時由電極拾取的第二電勢差以及第一電勢差算出的流動指標N。
2.權利要求1中提出的電磁流量計，其中在測量管道的壁上沿著一根母線安裝相互隔開一段距離的一個第一壓力傳感器和一個第二壓力傳感器；以及其中計算電子設備根據壓力傳感器提供的信號差，根據第一電勢差和根據第二電勢差產生一個正比於流體粘稠度K的粘稠度信號和/或產生一個正比於流體的視在粘度εs的粘度信號。
3.權利要求1中提出的電磁流量計，其中測量管道上每個所述電極所在點的相應半徑與磁場的方向構成一個60°角。
4.權利要求1中要求的電磁流量計，其中測量管道上每個所述電極所在點的相應半徑與磁場的方向構成一個45°角。
全文摘要
本電磁流量計包括兩個放置在測量管道兩側正好互相對著的線圈(12，13)，用於在線圈電流(i)流過線圈時產生一個磁場；用於拾取感應的第一電勢和感應的第二電勢的電極(14，15)，測量管道上每個電極所在點的相應半徑(1文檔編號G01F1/58GK1164023SQ9612247
公開日1997年11月5日 申請日期1996年10月15日 優先權日1996年10月15日
發明者弗蘭茲·曼切, 安斯伽·切特勒 申請人:安德雷斯和霍瑟·弗羅泰克有限公司