磁感應流量變送器及其製造方法
2023-07-01 21:41:06
專利名稱：磁感應流量變送器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造磁感應流量變送器的方法，以及可相應地利用該方法製造的流量變送器。
裝備有磁感應流量變送器的流量測量儀表用於測量在流動方向上流經該流量變送器的測量管的導電流體的體積流量。為此，利用電連接至流量測量儀表的激勵電子裝置的磁路設置在磁感應流量變送器上創建最大密度的磁場。磁場在測量體積之內至少部分垂直於流動方向切割流體並且基本在流體外部自身閉合。測量管通常由非鐵磁材料製成，以使得在測量期間不會不受歡迎地影響磁場。
根據磁流體動力學原理，作為磁場中流體的自由載流子移動的結果，在測量體積中產生電場。電場垂直於磁場並垂直於流體流動方向延伸。藉助於在電場方向上彼此相距設置的至少兩個測量電極以及藉助於與其連接的流量測量儀表的分析電子裝置，可測量流體中感生的電壓。這個電壓是體積流量的量度。這樣構造流量變送器，使得感應的電場在流體外部最終通過連接至測量電極的分析電子裝置而閉合。感生的電壓可以例如由接觸流體的流電測量電極或由不接觸流體的電容測量電極而檢測。
為了將磁場引導及耦合到測量體積中，磁路設置通常包括兩個線圈鐵心，它們沿測量管的外圍設置，優選的設置在直徑上並互為鏡像，彼此相距並且各自具有自由端面。藉助於連接至激勵電子裝置的線圈設置以這樣的方式將磁場耦合入線圈鐵心，使得它至少部分垂直於流動方向地切割在兩個端面之間流動的流體。
由於對於這種測量管需要較高的機械穩定性，它們優選的由具有預定強度和寬度的優選為金屬的外部支持管構成，其在內部塗覆有具有預定厚度的不導電的絕緣材料，即所謂的「襯裡」。例如，在US-B65 95 069、US-A 52 80 727、US-A 46 79 442、US-A 42 53 340、US-A 3213 685以及JP-Y53-51 181中公開了一種磁感應流量變送器，其具有可壓密地插入管道的測量管。測量管具有入口側第一末端和出口側第二末端，並且包括用作測量管套筒的非鐵磁支持管以及位於支持管內腔中的絕緣材料管狀襯裡，用於引導流動的且與支持管隔離的流體。
襯裡用於將支持管與流體化學隔離。在支持管具有較高導電率的情況中，特別是在金屬支持管的情況中，襯裡還用於支持管和流體之間的電絕緣，以防止電場貫穿支持管的短路。於是，支持管合適的設計保證了測量管的強度與各應用情況中存在的機械負載相匹配，而襯裡使得測量管能夠滿足這種應用的化學需求特別是衛生需求。襯裡的製造往往是通過噴射模塑或傳遞模塑方法進行的。然而，將完全預製的襯裡插入支持管也是常見的。在JP-A59-137 822中公開了一種方法，其中通過軟化塑料薄膜而形成襯裡。通常在熱塑性或熱硬化性塑料襯裡中嵌入開孔的特別是金屬的支撐體，以向襯裡提供穩定性，這例如在以下文獻中有所顯示EP-A 36 513、EP-A 581 017、JP-Y53-51181、JP-A59-137 822和US-B 65 95 069、US-A 56 64 315、US-A5,280,727和US-A4,329,879。支撐體用於特別是相對於壓力改變以及與熱相關的體積改變而機械地穩定襯裡。例如US-A 56 64 315公開了一種方法，用於製造具有內部襯裡的磁感應流量變送器的測量管，在該方法中，金屬屏蔽網形式的預製支撐體用於機械穩定襯裡，在插入襯裡之前將該支撐體放在支持管中。另外，JP-Y53-51 181顯示了一種管狀支撐體，其在其側表面中具有孔；而EP-A 581 017或US-A 65 95069公開了燒結的支撐體。支撐體通常被安裝在測量管的內腔中並且與其對齊，而且至少在接觸流體的內側被絕緣材料完全圍繞。
特別地在US-A 42 53 340中公開的流量測量儀表還包括支持框架，用於支持測量管和支持與流量變送器機械連接的電子裝置外殼。外殼用於容納上述在流量變送器附近的激勵及分析電子裝置並且在很大的程度上保護它們免受環境影響。關於這一點，測量管和支持框架僅僅在入口側和出口側沿相對較窄的連接區域彼此固定。根據US-A 4253 340的流量測量儀表的優點在於允許非常緊湊的結構。
然而，調查顯示，特別是在食品及製藥工業的應用中，這種流量測量儀表易於在支持管和支持框架之間的連接區域，特別是在焊接區域形成裂縫。另外還確定，這種特性特別地是源於測量管中由於在約150K(Kelvin)的非常寬的溫度範圍中迅速的溫度變化而引起的快速改變的軸向應力，這種溫度變化例如可以在以熱的流體清潔和/或殺菌流量計期間發生。由於測量管和支持框架的相對較高的剛度，特別是在焊接區域中這些應力易於被釋放，這導致在這些位置的不期望的裂縫。
本發明的目的是提供一種磁感應流量變送器，其具有用於測量管和電子裝置外殼的支持框架，其中可以顯著減小在測量管和支持框架之間的連接區域中形成裂縫的趨向。
為了實現目的，本發明提供了一種用於管道中流動的流體的磁感應流量變送器，其包括測量管，其基本上由非鐵磁材料製成，用於引導流體；磁路設置，設置在測量管上，用於產生並引導磁場，該磁場在流動的流體中感應電場；和測量電極，用於檢測電場的電壓。另外，流量變送器還包括基本上剛性的支持框架，用於支持測量管以及支持連接至流量變送器的電子裝置外殼，其中測量管和支持框架在入口側和出口側機械耦合在一起。為了在支持框架中支持測量管，提供至少一個第一連接元件，其固定至測量管的第一末端和對應於這個測量管末端的支持框架第一末端。在流量變送器中這樣形成並設置至少一個連接元件，使得它與支持框架和測量管相比，在測量管的縱向軸方向上基本為軸向柔性的。
根據本發明的流量變送器的第一實施例，至少一個連接元件被構造為在徑向上基本比軸向上更為剛硬。
根據本發明的流量變送器的第二實施例，至少一個連接元件和支持框架被構造為一件。
根據本發明的流量變送器的第三實施例，至少一個連接元件被構造為槽的側邊界，該槽特別是與測量管同軸延伸並且形成在支持框架中。
根據本發明的流量變送器的第四實施例，支持框架由金屬，優選地由不鏽鋼製成。
根據本發明的流量變送器的第五實施例，連接元件和支持框架由金屬，優選地由不鏽鋼製成，並且至少一個連接元件被焊接至支持框架。
根據本發明的流量變送器的第六實施例，至少一個連接元件是薄膜，特別是與測量管同軸設置的環形薄膜。
根據本發明的流量變送器的第七實施例，為了在支持框架中支持測量管，還提供了至少一個特別地與第一連接元件基本相同的第二連接元件，該第二連接元件固定至測量管的第二末端以及對應於這個測量管末端的支持框架第二末端，其中，第二連接元件被這樣構造並設置在流量變送器中，使得與支持框架和測量管相比，它在測量管縱軸的方向上軸向柔性。
根據本發明的流量變送器的進一步發展，測量管包括優選為金屬的支持管和設置在支持管內腔中的襯裡，襯裡由絕緣材料製成並且優選地為管狀，其中絕緣材料例如是熱塑性或熱硬化性塑料。
根據本發明的流量變送器的進一步發展的第一實施例，至少一個連接元件是在支持管中形成的槽的側邊界。
根據本發明的流量變送器的進一步發展的第二實施例，連接元件和支持管被形成為一件。
根據本發明的流量變送器的進一步發展的第三實施例，支持管由金屬，優選地由不鏽鋼製成。
根據本發明的流量變送器的進一步發展的第四實施例，支持管和連接元件由金屬，優選地由不鏽鋼製成，並且至少一個連接元件被焊接至支持管。
本發明的基本思想在於，通過使用較為柔性的連接元件將測量管固定在支持框架中，允許在測量管和支持框架之間的輕微相對運動，並且因而將流量變送器中可能發生的軸向應力或張力轉換為連接元件的彈性形變。
現在根據附圖詳細解釋本發明及其優選實施例。相同的零件使用相同的附圖標記。然而，為了清楚，省略了在後續附圖中的附圖標記。
圖1顯示了具有支持框架和其中安裝的測量管的磁感應流量變送器的透視側視圖；圖2顯示了圖1的磁感應流量變送器的透視縱截面；圖3以橫截面顯示了圖2的磁感應流量變送器的一部分；和圖4顯示了連接元件的實施例的示意性縱截面，該連接元件用於在支持框架中固定圖1的測量管。
圖1顯示了磁感應流量變送器的透視側視圖，而圖2和3是這種流量變送器的實施例的在縱截面和橫截面的示意性顯示。流量變送器包括具有可預定形狀和尺寸的直測量管1，用於引導流動流體；設置在測量管1的磁路設置2，用於引導磁場經過流體；和測量電極設置3，其同樣設置在測量管1上，用於測量在流體中感應的電壓。另外，流量變送器包括基本剛性的支持框架4，用於支持電及機械連接至流量變送器的電子裝置外殼(這裡未顯示)，其中測量管1和支持框架4在入口側和出口側機械耦合在一起。為了壓密地插入可以由流體流經的管道，測量管1在第一測量管末端具有第一法蘭5並且在第二測量管末端具有第二法蘭6。在這裡顯示的實施例中，法蘭5、6都集成在支持框架4中，特別是成型在其中。相對於這個特徵具有優點地，支持框架4和法蘭5、6構造為一件。
在圖2和3中顯示的實施例中，測量管1包括具有可預定內腔的優選為金屬的支持管11以及由絕緣材料製成且具有可預定寬度的管狀襯裡12，以及內嵌於襯裡12中的具有可預定孔尺寸和厚度的開孔支撐體13。支撐體13同樣為管狀，用於機械穩定襯裡12，特別是在測量管中流體的流體在操作期間在0bar～40bar的壓力範圍內具有在-40℃～200℃範圍內的溫度的情況。支持管11由非鐵磁材料，諸如不鏽鋼或其他防鏽金屬製成，與其內嵌的支撐體13同軸地圍繞襯裡12，並用作形式給定的以及形式穩定的測量管1外部套筒。在圖2和3中，測量管1被實施為支撐體13在其接觸流經流體的內側上由襯裡12完全覆蓋，從而只有襯裡12被流經測量管1的流體接觸；關於這一點，參見US-A 32 13 685。可選地，支持管11自身可以被襯裡的材料，例如熱塑性或熱硬化性塑料材料在內部接觸甚至完全內襯。
為了產生並引導在工作期間部分切割在測量管中流動的流體的磁場，流量變送器具有磁路設置2。這包括第一和第二圓柱線圈21、22，它們分別圍繞第一和第二鐵磁線圈鐵心23、24，每個鐵心分別具有可預定形式的自由端側第一和第二端面232、242。為了抑制渦流，優選地提供線圈鐵心作為單金屬片成型的零件或者作為多個分層金屬片成型零件組，其中多個分層金屬片成型零件彼此電絕緣；參見JP-Y2-28406或US-A 46 41 537。在測量管1之外，線圈鐵心23、24在它們與各自端面232、242相反的末端連接至磁力返迴路徑，該返迴路徑為同樣鐵磁材料且具有預定長度和形式；參見圖1。通常返迴路徑在圍繞測量管1的兩側上外部延伸；關於這一點，參見US-A 46 41 537。線圈21、22分別纏繞在同軸圍繞各個線圈鐵心23、24的管狀第一或第二線圈體25、26上；然而，線圈21、22也可以自支持或者至少部分地內嵌於線圈體25、26中。除了具有兩個線圈的磁路設置之外，完全可以使用具有三個或多個線圈的磁路設置；關於這一點，參見JP-A3-218414。在測量期間，線圈21、22與激勵電子裝置相連，用於產生具有可預定電流強度的電流，並且它們流經線圈。這產生了兩個部分磁場，它們基本上成直角地切割這些相關聯的線圈鐵心23、24的各個端面232、242，並且在過程中矢量疊加在得到的磁場中。它切割在測量體積之內流動的流體，部分地垂直於其流動方向。激勵電子裝置可以是本領域已知的或者背景技術中說明的電路設置。
為了接收線圈鐵心23，24，如圖2和3所示，測量管1包括用於端側插入線圈鐵心23的第一線圈鐵心座14以及用於端側插入線圈鐵心24的第二線圈鐵心座15；參見圖1和2。線圈鐵心座14、15各自具有第一和第二表面，它們與線圈鐵心23、24的端面231、241形式接合地接觸，各自所屬的線圈鐵心23、24平躺在第一或第二表面上。為了將線圈鐵心23、24插入線圈鐵心座14、15，為支持管11提供側向第一外殼開口113和側向第二外殼開口114。兩個外殼開口113、114都具有相同的形狀並且在支持管11的圓周上彼此相距，特別是它們在直徑上彼此相對。線圈鐵心23、24在測量管1中延伸通過它們各自的外殼開口113、114並被這樣相對於彼此定向，使得它們的兩個端面213、241沿圓周彼此相距，特別是在直徑上相距並且互為鏡像關係。然而，外殼開口113、114或端面231、241也可以沿測量管1外圍的弦彼此間隔並且/或者以非鏡像的關係設置在測量管1上；參見JP-A 3-218414。自然，為了插入線圈鐵心23、24，要將外殼開口113、114定為這樣的尺寸，使得線圈鐵心23、24不進一步穿透。
為了檢測在流動的流體中感應的電壓，流量變送器使用應用於測量管1的傳感器設置3。傳感器設置包括第一和第二測量電極31、32。測量電極是棒狀的並且具有第一和第二測量電極頭311、321用於檢測上述感生電壓以及第一和第二測量電極腿312、322用於將傳感器設置連接至分析電子裝置。如圖3所示，測量電極31、32可以是流電測量電極，但是它們也可以是電容式的。支持管11還具有側向第三和第四外殼開口115、116，用於插入測量電極31和32。外殼開口115和116各自的寬度大於各個測量電極腿312、322的最大直徑。優選地，它們形狀相同並且優選地直徑上彼此相對地就位，其中連接外殼開口115、116的支持管11直徑垂直於連接外殼開口113、114的支持管11直徑。自然，如果需要，特別是對於多於兩個測量電極的情況，測量電極31、32可以彼此相距設置在測量管1上，使得它們不在直徑上相對。這例如是提供用對於參考電位的附加測量電極的情況或者在水平安裝測量管1時提供測量電極用於檢查測量管1中的流體的最小填充水平的情況。
正如已經提到的，測量管1的入口側和出口側機械固定至支持框架4。實際中，支持框架的材料可以與支持管11所使用的相同，例如是不鏽鋼或其它高質量鋼合金。
為了在支持框架4中軸向彈性支持測量管1或者反過來，提供第一連接元件7，其固定在第一測量管末端以及支持框架4的與這個測量管末端相對應的第一末端。這樣構造並在流量變送器中設置連接元件7，使得它相對於支持框架4和測量管1在測量管的縱向軸方向上基本軸向柔性。這允許了在測量管和支持框架之間的相對運動，至少在測量管的縱向軸方向上並且至少在連接元件的彈性範圍之內，而不會在支持框架4和連接元件7之間或者連接元件7和測量管1之間的接縫區域中產生不可接受的高機械應力和/或材料張力。為此，本發明的一個具有優點的實施例將至少一個連接元件構造為薄膜，特別是與測量管同軸設置的環形薄膜。環形薄膜在內部邊緣固定至測量管並且在外部邊緣固定至支持框架。正如在圖2中示意性顯示的，至少一個連接元件7和支持框架4可以是一件構成的；關於這一點，作為替代或者補充，還可以令至少一個連接元件7和測量管1，特別是可能存在的支持管11整件構成。
為了避免在測量管縱向軸徑向上過大的間隙，本發明的一個實施例中，至少一個連接元件7在徑向上比軸向上更剛硬。
在本發明的進一步發展中，為了在支持框架4中支持測量管1，提供特別是與第一連接元件7基本相同的第二連接元件8。連接元件8固定至測量管的第二末端以及與這個測量管末端相對應的支持框架第二末端。而且這樣構造並在流量變送器中設置連接元件8，使得相對於支持框架4和測量管1，它在測量管的縱向軸方向上軸向柔性。
在本發明的一個具有優點的實施例中，連接元件7、8和支持框架4各自由金屬，例如不鏽鋼製成，其中優選地這種金屬被選擇作為支持框架和支持管的材料，它們具有基本相同的熱膨脹係數。另外，各個連接元件7、8被通過焊接連接固定至支持框架4；關於這一點，作為替代或補充，還可以將各個連接元件固定至測量管1，特別是利用焊接連接固定至可能存在的支持管11。
在本發明的另一具有優點的實施例中，正如在圖2中示意性顯示的，將至少一個連接元件構造為槽70A的側邊界，該槽特別是與測量管1同軸延伸的槽，特別是環形槽，其形成在支持框架中；關於這一點，作為替代或補充，還可以將至少一個連接元件7構造為槽70B的側邊界，該槽特別的是環形槽，其形成在測量管1的外部中，特別的在可能存在的支持管11中，關於這一點，參見圖4。類似地，連接元件8也可以例如構造為槽80A的側邊界，其如圖2中示意性示出的，形成在支持框架4的第二末端中和/或以相應的方式形成在測量管1的外部。
槽70A、70B、80A的使用，特別是環形槽的使用一方面提供了以下優點各個連接元件7、8和要在它們以及支持框架4或測量管1之間形成的機械連接可以被非常簡單地且成本低廉地製造，例如通過研磨或旋轉而製造。另一方面，槽本身以及所屬的用作連接元件7、8的側邊界在它們的公差中可以非常簡單地關於流量變送器各個使用區域所需的軸向靈活性以及適合的徑向剛度而優化。另外，這裡附加的優點是，由槽圍繞的空氣體積形成非常有效的熱絕緣體，其例如在將連接元件7、8焊接至支持框架4或測量管1期間，阻擋或至少顯著減少熱能通過接縫滲透進入測量管1和/或支持框架4。相應的，在焊接期間引入接縫位置的熱能可以相對較高，這將可以得到較高的煅燒深度。
權利要求
1.用於管道中流動的流體的磁感應流量變送器，包括-測量管(1)，其基本上由非鐵磁材料製成，用於引導流體，-磁路設置(2)，設置在測量管(1)上，用於產生並引導磁場，該磁場在流動的流體中感應電場，-測量電極(3)，用於檢測電場的電壓，-基本上剛性的支持框架(4)，用於支持測量管(1)以及支持連接至流量變送器的電子裝置外殼，其中測量管(1)和支持框架(4)在入口側和出口側機械耦合在一起，--其中，提供至少一個用於在支持框架(4)中支持測量管(1)的第一連接元件(7)，其固定在測量管(1)的第一末端和對應於這個測量管(1)末端的支持框架(4)第一末端上，並且--其中這樣形成並在流量變送器中設置至少一個連接元件(7)，使得它與支持框架(4)和測量管(1)相比，在測量管(1)的縱向軸方向上基本為軸向柔性的。
2.根據權利要求1的磁感應流量變送器，其中至少一個連接元件(7)被構造為在徑向上基本比軸向上更為剛硬。
3.根據權利要求1或2的磁感應流量變送器，其中至少一個連接元件(7)和支持框架(4)被整件構成。
4.根據前述任一權利要求的磁感應流量變送器，其中至少一個連接元件(7)被構造為槽(70A)特別是環形槽的側邊界，該槽特別是與測量管(1)同軸延伸並且形成在支持框架(4)中。
5.根據前述任一權利要求的磁感應流量變送器，其中支持框架(4)由金屬，特別是由不鏽鋼製成。
6.根據前述任一權利要求的磁感應流量變送器，-其中連接元件(7)和支持框架(4)由金屬，特別是由不鏽鋼製成，並且-至少一個連接元件(7)與支持框架(4)焊接。
7.根據前述任一權利要求的磁感應流量變送器，其中至少一個連接元件(7)是薄膜，特別是與測量管(11)同軸設置的環形薄膜。
8.根據前述任一權利要求的磁感應流量變送器，其中至少一個連接元件被構造為槽(70B)特別是環形槽的側邊界，該槽從外部成形於測量管(11)中。
9.根據前述任一權利要求的磁感應流量變送器，其中測量管(1)包括特別是金屬的支持管(11)和設置在支持管(11)內腔中且特別為管狀的襯裡(12)，襯裡由絕緣材料製成，其中絕緣材料例如是熱塑性或熱硬化性塑料。
10.根據權利要求9的磁感應流量變送器，其中連接元件(7)和支持管(11)被整件構成。
11.根據權利要求9的磁感應流量變送器，-支持管(11)和連接元件(7)由金屬，特別是由不鏽鋼製成，並且-其中至少一個連接元件(7)與支持管(11)焊接。
12.根據前述任一權利要求的磁感應流量變送器，其中為了在支持框架中支持測量管，還提供了至少一個特別地與第一連接元件(7)基本相同的第二連接元件(8)，該第二連接元件固定在測量管(1)的第二末端以及對應於這個測量管(1)末端的支持框架(4)第二末端上，其中，第二連接元件(8)被這樣構造並設置在流量變送器中，使得與支持框架(4)和測量管(1)相比，它在測量管(1)縱軸的方向上軸向柔性。
全文摘要
流量變送器，包括測量管(1)，其基本上由非鐵磁材料製成，用於引導流體；磁路設置(2)，設置在測量管上，用於產生並引導磁場，該磁場在流動的流體中感應電場；和測量電極(3)，用於檢測電場的電壓。另外，流量變送器還包括基本上剛性的支持框架(4)，用於支持測量管以及支持連接至流量變送器的電子裝置外殼，其中測量管和支持框架在入口側和出口側機械耦合在一起。為了在支持框架中支持測量管，提供至少一個連接元件(7)，其固定至測量管的第一末端和對應於這個測量管末端的支持框架第一末端。在流量變送器中這樣形成並設置至少一個連接元件(7)，使得它與支持框架和測量管相比，在測量管的縱向軸方向上為軸向柔性的。
文檔編號G01F15/18GK1890534SQ200480036869
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月2日 優先權日2003年12月11日
發明者佛瑞德·卡普佩爾茨, 丹尼爾·維爾德, 弗蘭克·沃伊特 申請人:恩德斯+豪斯流量技術股份有限公司