МАГНИТНО-ИНДУКТИВНЫЙ РАСХОДОМЕР
MAGNETIC-INDUCTIVE FLOW METRE

Изобретение относится к магнитно-индуктивному расходомеру с измерительной трубой.
Для измерения проводящей электрический ток среды часто используется расходомер с магнитно-индуктивным первичным измерительным преобразователем. Известно, что с помощью магнитно-индуктивных расходомеров может быть измерен, в частности, объемный поток проводящих электрический ток текучих сред, в частности жидкостей, проходящих в трубопроводе, что может найти свое отражение в соответствующих измеренных величинах. Известно, что принцип измерений с помощью магнитно-индуктивных расходомеров основан на том, что электрическое напряжение, которое на основе разделения зарядов индуцируется в частичном объеме текущей среды, пересекающей магнитное поле, определяется с помощью, по меньшей мере, двух измерительных электродов и оценивается с помощью соответствующей величины, измеренной в электронном измерительном приборе, которая преобразуется в замеренную величину, характеризующую объемный поток. Равным образом, специалисту известно как устройство отдельных компонентов, так и принцип действия магнитно-индуктивных расходомеров, например, из DE-A 4326991, ЕР-А 1460394, ЕР-А 1275940, ЕР-А 1273892, ЕР-А 1273891, ЕР-А 814324, ЕР-А 770855, ЕР-А 521169, US-B 6763729, US-B 6658720, US-B 6634328, US-B 6595069, US-A 6031740, US-A 5664315, US-A 5646353, US-A 5540103, US-A 5487310, US-A 5210496, US-A 4704908, US-A 4410926, US-A 2002/0117009 или WO-A 01/90702.
r
r
0
r
0
Для пропуска подлежащей измерению среды первичные измерительные преобразователи описанного вида имеют, как это схематически изображено на фиг., измерительную трубу, установленную в трубопроводе, по которому течет среда, которая для предотвращения короткого замыкания напряжения, индуцированного в среде, по меньшей мере, на своей внутренней стороне, контактирующей со средой, выполнена в основном не проводящей электрический ток. Для установки измерительной трубки в трубопровод, по которому течет среда, с концевой стороны измерительной трубы предусмотрен соответствующий фланец или нечто подобное. Промышленно применяемые первичные измерительные преобразователи описанного вида имеют при этом, по меньшей мере, соответственно измерительную трубу, которая образована с помощью металлической несущей трубы и нанесенного внутри этой трубы слоя, состоящего из электрически изолирующего материала так называемого лайнера. Применение сконструированной таким образом измерительной трубы обеспечивает, среди прочего, очень устойчивую в механическом плане и надежную в эксплуатации конструкцию первичного измерительного преобразователя и, таким образом, всего расходомера. В качестве материала для лайнера применяются, например, эбонит, полифторэтилен, полиуретан или другие химические и/или механически прочные синтетические материалы, в то время несущие трубы описанного вида для предотвращения отрицательного воздействия магнитного поля, в частности также возможного короткого замыкания через измерительную трубу, изготовлены, как обычно, из неферромагнитного, в частности парамагнитного, материала, например нержавеющей стали или нечто подобного. Благодаря соответствующим параметрам несущей трубы и таким образом подбору прочности измерительной трубы в конкретном случае применения могут быть достижимы существующие механические напряжения, в то время как с помощью лайнера может быть выполнен подбор измерительной трубы к относящимся к конкретному случаю применения химическим, в частности гигиеническим, требованиям. При этом обычно применяются материалы, которые имеют номинальную, т.е. эффективную или среднюю относительную проницаемость µ, которая существенно меньше 10, в частности меньше 5. Известно, что относительная проницаемость µ показывает насколько повышается магнитная плотность потока (=магнитная индукция) по сравнению с магнитной плотностью потока в воздухе или вакууме, чья проницаемость µ (= магнитная постоянная известна и равна 1,246·10-6 Вб·А/м, когда данный материал вводится в то же магнитное поле, т.е. для проницаемости µ примененного материала имеет место связь µ=µ·µ. Магнитное поле, необходимое для измерения, создается соответствующей системой магнитного поля, которая содержит, по меньшей мере, две катушки возбуждения, соответствующие сердечники катушки и/или полюсные наконечники для катушек возбуждения и при необходимости ориентирующие магнитные, проводящие ток листы, соединяющие сердечники катушки вне измерительной трубы. Правда, известны системы создания магнитного поля с одной катушкой возбуждения. Система создания магнитного поля обычным образом, как это также показано на фиг.1, расположена непосредственно на измерительной трубе и закреплена на ней.
Для создания магнитного поля ток возбуждения I, поступающий от соответствующей электроники измерительного прибора, пропускается через систему катушек. В современных первичных измерительных преобразователях это обычно синхронизируемый биполярный переменный ток прямоугольной формы. В US-B 6763729, US-A 6031740, US-A 4410926 или ЕР-А 1460394 описаны системы переключения, служащие для создания такого тока возбуждения, а также соответствующие способы переключения и/или регулировки. Обычным образом такая система переключения содержит электроснабжение, стимулирующее ток катушки, а также мостовую схему для модуляции тока возбуждения, выполненную в виде Н или Т-схемы.
Напряжение, генерируемое в среде в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, снимается между, по меньшей мере, двумя гальваническими, т.е. смоченными средами, или между, по меньшей мере, двумя емкостными, например, расположенными внутри стенки измерительной трубки измерительными электродами в виде измеряемого напряжения. В наиболее частых случаях измерительные электроды расположены диаметрально противоположно друг другу таким образом, что их общий диаметр перпендикулярен направлению магнитного поля и таким образом перпендикулярен диаметру, на котором лежат системы катушек; тем не менее измерительные электроды могут располагаться не диаметрально противоположно друг другу на измерительной трубе, см., в частности, US-A 5646353. Снятое с помощью измерительных электродов измеряемое напряжение усиливается и с помощью схемы оценки преобразуется в измерительный сигнал, который регистрируется, показывается или со своей стороны может подвергаться дальнейшей обработке. Равным образом специалисту известна соответствующая измерительная электроника, например, из ЕР-А 814324, ЕР-А 521169 или WO-A 01/90702.
Как уже отмечалось, при первичных измерительных преобразователях описанного рода создание магнитного поля внутри и вне измерительной трубки приобретает особое значение. Обычно описываются применяемые мероприятия, воздействующие на магнитное поле, в частности, наряду с применением неферромагнитной измерительной трубы, например, среди прочего, указывается также в US-B 6595069, в частности, применение соответственным образом оформленных и по возможности близко относительно среды расположенных полюсных наконечников для катушек возбуждения и/или применения магнитопроводящих ток, в частности ферромагнитных, материалов для устройства обратной связи магнитного поля снаружи измерительной трубы.
Существенный недостаток такого первичного измерительного преобразователя с металлической несущей трубкой следует усматривать в том, что, с одной стороны, требуются повышенные затраты на оборудование, на формирование и управление магнитным полем достаточного размера для достижения требуемой точности измерения. С другой стороны, распространенное при этом применение сравнительно дорогих неферромагнитных металлов для несущих труб, например парамагнитных нержавеющих сталей, представляет собой другой существенно повышающий стоимость фактор при изготовлении первичных измерительных преобразователей описанного вида. Другой недостаток существующих систем создания магнитного поля далее следует усматривать в том, что магнитное поле, как это схематично изображено также на фиг.1, получается внутри объема измерительной трубки очень неоднородным, что может в значительной мере вести к зависимости измеряемого напряжения от профиля потока среды в измерительной трубе.
Техническим результатом изобретения является улучшение магнитно-индуктивного первичного измерительного преобразователя, так, что, с одной стороны, его можно изготовить без больших затрат и, с другой стороны, проявление магнитного поля, требуемого для измерений, можно было бы оптимизировать простым, благоприятным в плане затрат, но одновременно очень эффективным способом.
r
Для достижения технического результата измерительная труба магнитно-индуктивного расходомера, служащая для пропуска токопроводящей среды, по меньшей мере, частью, в частности, преимущественно, состоит из магнитопроводящего материала, который имеет относительную проницаемость, µ, которая существенно больше единицы, в частности больше 10.
Изобретение относится к магнитно-индуктивному расходомеру для протекающей в трубопроводе среды, который имеет такую измерительную трубу.
Согласно первому варианту осуществления металлические компоненты измерительной трубы и/или вся измерительная труба состоят в преобладающей мере из магнитопроводящего материала.
r
Согласно второму варианту осуществления этот магнитопроводящий материал имеет относительную проницаемость µ, которая существенно больше 10, в частности больше 20.
r
Согласно третьему варианту осуществления измерительной трубы, предложенной в соответствии с изобретением, этот магнитопроводящий материал имеет относительную проницаемость µ, которая меньше 1000, в частности меньше 400.
r
Согласно четвертому варианту осуществления этот магнитопроводящий материал имеет относительную проницаемость, µ, которая лежит в диапазоне между 20 и 400.
Согласно пятому варианту осуществления, по меньшей мере, центральный сегмент измерительной трубы, в частности вдоль одного замыкающегося периметра измерительной трубы, состоит из магнитопроводящего материала.
Согласно шестому варианту осуществления магнитопроводящий материал, в частности, равномерно распределен по всей длине измерительной трубы и/или по всему периметру измерительной трубы.
Согласно седьмому варианту осуществления измерительная трубы состоит, по меньшей мере, частью из ферромагнитного металла.
Согласно восьмому варианту измерительная трубы состоит, по меньшей мере, частью из магнитомягкого металла.
Согласно девятому варианту осуществления измерительной трубы, предложенной в соответствии с изобретением, измерительная труба состоит, по меньшей мере, частью из магнитотвердого металла.
Согласно десятому варианту осуществления магнитный, проводящий ток материал имеет толщину слоя, которая много меньше, чем внутренний диаметр измерительной трубы.
Согласно одиннадцатому варианту осуществления внутренний диаметр измерительной трубы и толщина слоя магнитопроводящего материала имеют такие размеры, что отношение толщины слоя магнитопроводящего материала к внутреннему диаметру измерительной трубки меньше 0,2, в частности меньше 0,1.
Согласно еще одному варианту осуществления измерительная труба, по меньшей мере, на своей внутренней стороне, контактирующей со средой, выполнена в основном не проводящей электрический ток.
r
Согласно следующему варианту осуществления измерительная труба образована с помощью, в частности, металлической и/или проводящей электрический ток несущей трубы, служащей в качестве внешней стенки трубы и/или внешней оболочки, которая, по меньшей мере, внутри облицована слоем из электрически изолирующего материала. Согласно усовершенствованному варианту этого осуществления в соответствии с изобретением несущая труба имеет толщину стенки, которая много меньше внутреннего диаметра несущей трубы. В частности, при этом внутренний диаметр и толщина стенки несущей трубы имеют такие размеры, что отношение толщины стенки несущей трубы к ее внутреннему диаметру меньше 0,5, в частности, меньше 0,2. Согласно другому усовершенствованному варианту этого осуществления в соответствии с изобретением для этого применяется такой магнитопроводящий материал, что отношение толщины стенки несущей трубы к ее внутреннему диаметру, умноженное на относительную проницаемость, µ, магнитопроводящего материала дает величину, которая меньше 5, в частности меньше 3 и/или больше единицы, в частности больше 1,2. Другой аспект этого варианта осуществления в соответствии с изобретением заключается в том, что несущая труба, по меньшей мере, частью, в частности, преимущественно или всплошную изготовлена из магнитопроводящего ток материала.
Согласно первому варианту осуществления расходомера в соответствии с изобретением он включает измерительную и рабочую схему, систему создания магнитного поля, питание которой осуществляется от измерительной и рабочей схемы, которая с помощью, по меньшей мере, одной расположенной на измерительной трубе или вблизи нее катушки возбуждения создает, по меньшей мере, время от времени, в частности тактируемое, магнитное поле, пронизывающее внутренний канал измерительной трубы, и, по меньшей мере, два измерительных электрода для снятия электрических потенциалов и/или электрического напряжения, которое индуцировано в среде, текущей в измерительной трубе, пронизанной магнитным полем. Для получения измеряемых величин, которые представляют, по меньшей мере, один из параметров, описывающих подлежащую измерению среду, измерительная и рабочая схема, по меньшей мере, время от времени соединена, по меньшей мере, с одним из измерительных электродов. Согласно усовершенствованному варианту осуществления изобретения измерительные электроды расположены на измерительной трубе и/или внутри ее стенки на расстоянии от, по меньшей мере, одной катушки возбуждения. В частности, по меньшей мере, два измерительных электрода таким образом расположены на измерительной трубе, что эта мысленно соединяющая ось электродов в основном перпендикулярно пересекает магнитное поле, пронизывающее, по меньшей мере, время от времени ширину в свету измерительной трубы. Далее, магнитопроводящий материал, по меньшей мере, в области центрального сегмента измерительной трубы, в частности вдоль замыкающегося периметра измерительной трубы, распределен таким образом и, по меньшей мере, одна катушка возбуждения, а также измерительные электроды так расположены на измерительной трубе, что при работе, по меньшей мере, время от времени созданное магнитное поле как в области катушек возбуждения, так и в области измерительных электродов, в частности, введено во внутренний канал измерительной трубы в основном с тем же направлением и/или в основном с одинаковой магнитной плотностью потока. Идя дальше, магнитопроводящий материал, по меньшей мере, в области центрального трубчатого сегмента измерительной трубы, в частности вдоль замыкающегося периметра измерительной трубы, распределяется таким образом и, по меньшей мере, одна катушка возбуждения и измерительные электроды расположены на измерительной трубе так, что, по меньшей мере, время от времени созданное магнитное поле внутри ширины в свету измерительной трубы, по меньшей мере, в области центрального трубчатого сегмента образовано такой формы, что оно, по меньшей мере, в области центральной стенки трубы на перпендикулярном расстоянии от воображаемой оси электродов, равном более четверти длины внутреннего диаметра измерительной трубы, по меньшей мере, преимущественно перпендикулярно ориентировано к воображаемой оси электродов.
r
Согласно второму варианту осуществления расходомера, предложенного в соответствии с изобретением, расходомер включает, по меньшей мере, одно магнитное устройство обратной связи, идущее вне измерительной трубы, для управления магнитным полем. Согласно усовершенствованному варианту среднее расстояние между магнитным устройством обратной связи и измерительной трубой, измеренное, в частности, в области измерительных электродов, выбрано таким образом так, что отношение расстояние - диаметр среднего расстояния к внешнему диаметру несущей трубы меньше единицы, в частности меньше 0,5. Далее при этом варианте осуществления изобретения может давать преимущество применение такого магнитопроводящего материала, который при отношении среднего расстояния к внешнему диаметру несущей трубы, умноженном на относительную проницаемость µ, магнитопроводящего материала дает величину, которая меньше 100, в частности меньше 60.
Основная идея изобретения заключается в том, что увеличение эффективности системы создания магнитного поля достигается за счет того, что магнитно-индуктивный первичный измерительный преобразователь, вместо обычно применяемой для этого магнитной не или только в очень незначительной мере проводящей ток измерительной трубы (µr≅1) оборудуется измерительными трубами (µr>>1), состоящими из магнитопроводящего материала, имеющего высокую проводимость электрического тока.
В основе изобретения лежат поразительные сведения о том, что с помощью применения магнитного, имеющего высокую проводимость электрического тока материала для измерительной трубы внутри измерительной трубы, по меньшей мере, в мертвом пространстве измерительных электродов может быть обеспечено как значительное усиление, так и значительное ослабление и, таким образом, способствовать повышению однородности магнитного поля.
Преимущество изобретения заключается в том, что это улучшение системы создания магнитного поля может быть достигнуто даже с помощью измерительных труб описанного вида, которые в сравнении с существующими первичными измерительными преобразователями могут быть изготовлены значительно дешевле.
Детали изобретения, а также предпочтительные варианты осуществления более подробно поясняются с помощью представленных на чертежах примеров осуществления магнитно-индуктивного расходомера и с помощью показателей магнитного поля, которые экспериментально определены для различных конфигураций предложенного в соответствии с изобретением первичного измерительного преобразователя:
фиг.1 - показывает распространение магнитного поля в существующем магнитно-индуктивном первичном измерительном преобразователе,
фиг.2 - схематически показывает частично в поперечном сечении и частично в форме блок-схемы магнитно-индуктивный расходомер с измерительной трубой,
фиг.3 - показывает распространение магнитного поля внутри поперечного сечения магнитно-индуктивного первичного измерительного преобразователя в поперечном сечении, проходящем через ось электродов и ось катушек возбуждения,
фиг.4 а, b, c - показывает внутри поперечного сечения на фиг.3 определенные L2-нормы магнитной плотности В для различного магнитно-индуктивного первичного измерительного преобразователя, а также их компоненты, действующие от них в направлении оси электрода или в направлении оси катушки возбуждения, соответственно в зависимости от относительной проницаемости материала измерительной трубы,
фиг.5 - показывает внутри поперечного сечения на фиг.3 кривые величин магнитной плотности потока В, определенные для различного магнитно-индуктивного первичного измерительного преобразователя, вдоль соответствующей оси электродов в зависимости от расстояния до центральной точки оси электродов,
фиг.7 - показывает внутри поперечного сечения на фиг.3 суммарные отклонения величины плотности потока для различных магнитно-индуктивных первичных измерительных преобразователей от измеренной там средней величины плотности потока B в зависимости от относительной проницаемости материала измерительной трубы,
фиг.8, 9 - показывают для различных магнитно-индуктивных первичных измерительных преобразователей зависимости оптимальной относительной проницаемости, определенные согласно фиг.2 или 3 для материала измерительной трубки, в зависимости от различных первичных измерительных преобразователей согласно фиг.2 или 3, в зависимости от различных геометрических размеров первичного измерительного преобразователя, и
фиг.10, 11 - показывают зависимости 13 а, b, с магнитного поля внутри поперечного сечения на фиг.3, определенные для различных магнитно-индуктивных первичных измерительных преобразователей 12 a, b, с согласно фиг.2 или 3 с помощью показателей, там же характеризующих магнитное поле в зависимости от относительной проницаемости материала измерительной трубы, а также геометрических размеров первичного измерительного преобразователя.
На фиг.2 и 3 схематически изображен расходомер, с помощью которого должен определяться, по меньшей мере, один физический показатель проводящей электрический ток текущей среды 11, например объемный расход. Расходомер включает магнитно-индуктивный первичный измерительный преобразователь 1 и соединенную с ним измерительную и рабочую схему 8 для его управления и для получения, в частности, цифровых измеренных величин, которые, по меньшей мере, представляют параметр, описывающий среду. Для передачи рассчитанных измеренных величин примененная измерительная и рабочая схема 8 при использовании микрокомпьютера 10 через соответствующую систему передачи данных 16 может соединяться с поставленным выше вычислительным устройством 9 для управления процессом.
К первичному измерительному преобразователю 1 относится измерительная труба 2, установленная в трубопроводе, по которому идет среда 11 и который здесь не показан, с внутренним каналом, по которому протекает, по меньшей мере, время от времени подлежащая измерению среда 11, окруженная стенкой трубы. Для соединения измерительной трубы 2 с трубопроводом на ее концах предусмотрены соответствующие соединительные элементы, например фланцы.
При работе расходомера, по меньшей мере, часть внутреннего канала измерительной трубы, по меньшей мере, время от времени пронизывается магнитным полем. Магнитное поле, которое, по меньшей мере, время от времени, в частности тактируемым образом, повторяется, в основном поддерживаясь постоянным, направлено, по меньшей мере, участками перпендикулярно к продольной оси z измерительной трубки, совпадающей с направлением потока среды 11, вследствие чего в среды индуцируется измеряемое напряжение U, корреспондирующее с, по меньшей мере, одним показателем среды, например скоростью потока и/или расходом. На своей внутренней стороне, контактирующей с средой, измерительная труба выполнена в основном не проводящей электрический ток, чтобы предотвратить короткое замыкание измеряемого напряжения U, индуцированного с помощью магнитного поля, через измерительную трубу 2.
2
2
Для создания магнитного поля, необходимого для измерения этого, по меньшей мере, одного параметра, с достаточно высокой для этого плотностью потока В первичный измерительный преобразователь 1 далее имеет систему магнитного поля, питающуюся от измерительной и рабочей схемы 10, которая с помощью, по меньшей мере, одной расположенной на измерительной трубе 2 или вблизи нее катушки возбуждения, создает, по меньшей мере, время от времени пронизывающее внутренний канал измерительной трубы 2, в частности тактируемое, магнитное поле. В представленном здесь примере осуществления система создания магнитного поля включает первую катушку возбуждения 6 и, в частности, включенную электрически последовательно с первой катушкой возбуждения 6 или параллельно включенную вторую катушку возбуждения 7. Катушки 6, 7 расположены на измерительной трубе 2 противоположно друг другу и, именно, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения таким образом, что виртуально соединяющая обе катушки возбуждения ось катушек у совпадает с диаметром измерительной трубы 2, который проходит в основном перпендикулярно продольной оси z измерительной трубы 2. Магнитное поле, пронизывающее стенку трубы и поток проходящей через измерительную трубу среды 11, возникнет тогда, когда на катушки возбуждения 6, 7 будет подан соответствующий ток возбуждения, например тактируемый постоянный или переменный ток. Каждая из катушек возбуждения 6, 7, как это обычно имеет место у подобного рода систем магнитного поля, может быть намотана вокруг магнитопроводящего сердечника, причем он опять же может взаимодействовать с соответствующими полюсными наконечниками, сравните, например, US-A 5540103; однако катушки возбуждения, как это также схематически показано на фиг.1, могут представлять собой катушки без ферромагнитного сердечника. Далее, для улучшения магнитных свойств системы магнитного поля может быть предусмотрено расположенное вне измерительной трубы 2 магнитное устройство 17 обратной связи, которое служит для того, чтобы магнитное поле вне измерительной трубы распространялось бы по возможности на небольшой объем. Например, катушки возбуждения 6, 7, как это обычно принято в подобного рода первичных измерительных преобразователях, могут быть магнитным образом соединены друг с другом с помощью таких магнитных проложенных вне измерительной трубки устройств 17 обратной связи. Далее система создания магнитного поля предпочтительным образом выполнена так, что обе катушки 6, 7 возбуждения так подобраны в части размеров и так ориентированы относительно друг друга, что созданное при этом магнитное поле получается существенно симметричным внутри измерительной трубки 2, по меньшей мере, относительно оси катушки, в частности, по меньшей мере, С-осесимметричным (c-симметрия=180°-осесимметрия).
Для снятия электрических потенциалов и/или электрического напряжения, которое индуцировано магнитным полем, пронизывающим текущую через измерительную трубу 2 среду, первичный измерительный преобразователь далее имеет, по меньшей мере, два измерительных электрода, которые при работе расходомера, по меньшей мере, время от времени соединены с измерительной и рабочей схемой 8, причем первый измерительный электрод 4, расположенный на внутренней стороне стенки измерительной трубы 2, служит для снятия первого потенциала, зависящего, по меньшей мере, от одного показателя, и равным образом второй измерительный электрод 5, расположенный на измерительной трубе, служит для снятия второго потенциала, зависящего также от, по меньшей мере, одного показателя. Измерительные электроды 4, 5 расположены на измерительной трубе и/или внутри ее стенки на расстоянии, от, по меньшей мере, одной катушки возбуждения, а именно согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения так, что ось электродов х, мысленно соединяющая оба измерительных электрода 4, 5, проходит в основном перпендикулярно к оси катушки у и/или к продольной оси z измерительной трубки. Под воздействием магнитного поля В находящиеся в потоке среды свободные носители зарядов перемещаются в зависимости от полярности в направлении одного или другого измерительного электрода 4, 5. Причем возникающее между измерительными электродами 4, 4 измеряемое напряжение U в основном пропорционально скорости потока среды, осредненной по показанному на фиг.1 поперечному сечению А измерительной трубы 2, и таким образом является мерой для этого объемного потока.
2
2
В показанном здесь примере осуществления измерительные электроды 4, 5 лежат при этом практически на втором диаметре измерительной трубы 2, который проходит как в основном перпендикулярно к продольной оси z измерительной трубы, так и в основном перпендикулярно оси у катушек. Измерительные электроды 4, 5, например, как это схематически показано на фиг.1, могут быть выполнены в виде гальванических, т.е. контактирующих с средой электродов. В качестве альтернативы или дополнения в качестве измерительных электродов 4, 5 могут применяться также емкостные, т.е. расположенные внутри стенки измерительной трубы 2 электроды. Кроме этого дает преимущество, если система создания магнитного поля выполнена таким образом, что магнитное поле имеет также относительно оси электродов х, по меньшей мере, одну c-симметрию. Согласно варианту осуществления изобретения магнитное поле к тому же образовано таким образом, что оно внутри внутреннего канала измерительной трубы, по меньшей мере, время от времени в основном симметрично относительно названных выше мысленных координатных осей х, у, z, а именно таким образом, что оно имеет соответственно, по меньшей мере, одну с-симметрию (=180°-осесимметрия).
Измерительные электроды 4, 4 как и, по меньшей мере, одна катушка 6 возбуждения или катушки 6, 7, наконец, через соответствующие соединительные провода 4, 5, 6, 7 электрически соединены с измерительной и рабочей схемой 8, управляющей работой расходомера.
r
В соответствии с изобретением далее предусмотрено, что измерительная труба, по меньшей мере, частью, в частности, преимущественно должна изготавливаться из магнитопроводящего материала, имеющего высокую проводимость электрического тока, который имеет относительную проницаемость, µ, которая существенно больше единицы. Согласно варианту осуществления изобретения состоит при этом та область измерительной трубы, в которой закреплены измерительные электроды из магнитопроводящего материала.
r
L2
2
2
Именно исследования поразительным образом показали, что при применении магнитопроводящего материала, в частности, имеющего высокую проводимость, для измерительной трубы 2, по меньшей мере, в области центрального сегмента измерительной трубки 2, проходящего через мысленную ось катушек у и мысленную ось электродов х, достигается существенное улучшение, по меньшей мере, стационарного, т.е. постоянно удерживаемого достаточного для измерения, по меньшей мере, одного параметра магнитного поля во внутреннем канале измерительной трубы, в частности, относительно его плотности потока В и/или его распределения и ориентирования во внутреннем канале измерительной трубки. Таким образом, для поперечного сечения измерительной трубы 2, соответствующего практически показанному на фиг.2 поперечному сечению А, проходящему по оси катушки возбуждения у и оси электрода х, можно было бы обнаружить, что плотность потока В, по меньшей мере, стационарного магнитного поля при относительной проницаемости µ больше 10 удивительным образом может принимать непропорционально высокие значения. Это может быть сразу же проверено для конкретных измерительной трубы и системы создания магнитного поля с помощью так называемой L-нормы потока плотности В. L-норма ||В|| плотности потока В показывает, какой величины магнитное поле удерживается в этом поперечном сечении измерительной трубы, или насколько велика магнитная энергия магнитного поля, и может быть рассчитана на основании формулы
2
L2
r
Возможное изменение L-нормы ||В|| плотности потока B в зависимости от выбранной относительной проницаемости µ в качестве примера представлено на фиг.4а. Отталкиваясь от улучшения магнитного поля во всей ширине в свету измерительной трубы, базирующегося на применении магнитопроводящего материала, имеющего высокую проводимость электрического тока, может быть кроме этого установлено существенное повышение, по меньшей мере, величины |В| плотности потока В, пусть это будет в области названного выше сегмента трубы, в частности внутри упомянутого выше поперечного сечения А измерительной трубы, или, как это в качестве примера представлено на фиг.5, по меньшей мере, вдоль оси электрода х и в непосредственной близости от нее. Вследствие этого повышения плотности потока В в сравнении с существующими магнитно-индуктивными первичными измерительными преобразователями потока сравнимой конструкции может наблюдаться равномерное существенное повышение измеряемого напряжения U.
r
L2
r
2
Далее оказалось, что в зависимости от фактических размеров измерительной трубы и системы создания магнитного поля, включая возможные устройства обратной связи, для измерительной трубы может быть найдена оптимальная относительная проницаемость µ, при которой при стационарном магнитном поле плотность потока В и в этом отношении также ее L-норма ||В|| максимальна, сравните также фиг.4а. Соответствующим образом первичный измерительный преобразователь имеет максимальную чувствительность, при которой текущая, пронизываемая магнитным полем среда дает максимальное измеряемой напряжение U между обоими измерительными электродами. Дальнейшие исследования дали свидетельства того, что оптимальная относительная проницаемость µ в зависимости от размеров первичного измерительного преобразователя лежит примерно в диапазоне между 10 и 1000, в частности в диапазоне между 20 и 400.
Далее было установлено, что при применении магнитопроводящего материала для измерительной трубы стационарное магнитное поле может улучшаться не только относительно своей плотности потока В, но и в том отношении, что оно в направлении оси у катушки возбуждения, по сравнению с существующими первичными измерительными преобразователями одинаковой конструкции, по меньшей мере, внутри упомянутого выше поперечного сечения А имеет место существенно лучшая направленность и ориентированность, о чем свидетельствуют силовые линии, идущие почти параллельно внутри внутреннего канала измерительной трубы, как это показано на фиг.3. Это указывает, среди прочего, на то, что магнитное поле, по меньшей мере, внутрь упомянутого поперечного сечения А, практически как в области катушек возбуждения, так и в области измерительных электродов, в частности, в основном том же самом направлении и/или в основном с одинаковой магнитной плотностью потока В проходит через внутренний канал измерительной трубы. Говоря другими словами, предотвращается разветвление магнитного поля на области потока, не важные для проведения измерений, или, по меньшей мере, очень существенно минимизируется.
y
х
В частности, при этом можно было бы установить, что с помощью соответствующего выбора и распределения магнитного, имеющего высокую проводимость электрического тока материала, согласованным фактически с выбранным для измерительной трубки номинальным внутренним диаметром и/или толщиной стенки, по меньшей мере в области центрального сегмента измерительной трубки, в частности внутри названного выше поперечного сечения А, может быть повышена, по меньшей мере, составляющая B магнитного поля, действующая в направлении оси катушек у, в то время как имеется возможность одновременного уменьшения составляющей В магнитного поля, действующей в направлении оси электродов х.
2
x
L2
y
L2
х
y
Названные выше эффекты могут опять же быть подтверждены очень наглядно с помощью соответствующих L-норм ||B|| и ||B|| отдельных составляющих В и B плотности потока В, что математически выражается формулами
2
2
y
L2
y
x
L2
х
r
y
х
Возможные изменения L-нормы ||B|| компоненты магнитного поля B, которая собственно требуется для измерения, по меньшей мере, объемного потока, а также L-нормы ||B|| компоненты магнитного поля В, которая скорее нежелательна, например, для измерения объемного потока, соответственно в зависимости от выбранной относительной проницаемости µ в качестве примера представлены на фиг.4b, 4с. Отчетливо видно в начале положительный и очень круто идущий, наконец, достигающий своего максимального значения подъем компоненты B магнитного поля, действующей в направлении оси катушек, при одновременном падении компоненты В магнитного поля, действующей в направлении оси электродов.
r
Кроме того, магнитное поле в части своей однородности может быть улучшено в значительной степени с помощью применения магнитопроводящего материала для измерительной трубы, имеющего очень высокую проводимость. Это обнаруживается, например, в том, что отклонение величины |В| плотности потока В внутри внутреннего канала измерительной трубки, а именно, по меньшей мере, внутри поперечного сечения А, от замеренной там средней величины  плотности потока В, т.е. практически вариация величины |В| плотности потока В будет тем меньше, чем больше относительная проницаемость µ магнитного проводящего электрический ток материала и в этом отношении для выбранной измерительной трубки. Средняя величина  плотности потока В, как и соответствующее полное отклонение s, могут быть легко определены для поперечного сечения А, например, на основе следующих математических выражений:
r
причем полное отклонение s может иметь, по меньшей мере, качественную зависимость от относительной проницаемости µ, которая в качестве примера показана на фиг.6.
Это сравнительное смягчение, а также в плане гомогенизации магнитного поля очень наглядно может быть показано с помощью относительного отклонения  потока B в поперечном сечении А от измеренной там средней величины , причем относительное отклонение  может быть рассчитано с помощью следующего математического выражения:
В частности, с помощью соответствующего распределения магнитного, проводящего ток материала по трубе может быть без труда достигнуто, что будет образовано стационарное магнитное поле таким образом, что мгновенное полное отклонение s плотности потока В, определенной в поперечном сечении А, от мгновенной средней величины  плотности потока B в том же поперечном сечении А или ее вариация меньше 0,005 и/или что соответствующее относительное отклонение  плотности потока В от средней величины  в поперечном сечении А меньше 1%, в частности меньше 20‰. К тому же с помощью применения магнитопроводящего материала для измерительной трубы, имеющего высокую проводимость тока, магнитное поле может быть образовано таким образом, что оно будет перпендикулярно пересекать секущую поперечного сечения А, идущую параллельно мысленной оси электродов х, которая отстоит от мысленной оси электродов х на четверть длины внутреннего диаметра D измерительной трубы.
В результате описанное выше выпрямление магнитного поля и/или сравнительное уменьшение величины |В| плотности потока, т.е. в той же степени гомогенизация магнитного потока может дать, среди прочего, то, что измеряемое напряжение U, по сравнению с существующими магнитно-индуктивными первичными измерительными преобразователями аналогичной конструкции, менее чувствительно реагирует на возможные нарушения в течении среды, например, примесями, которые несет среда, растворенными газами и/или изменениями в профиле потока, поскольку оно очень устойчиво. Равным образом также может быть достигнуто и улучшение свойств магнитного поля, которые важны для измерения, по меньшей мере, одной физической величины, в частности, повышения плотности B в области электродов 4, 5 и оси электродов х, а также внутри центрального сегмента трубы. Вследствие этого система создания магнитного поля имеет более высокую эффективность и измеряемые величины, корреспондирующие с измеряемым напряжением U, например скорость потока и/или объемный поток, определяются точнее.
Согласно варианту осуществления изобретения магнитопроводящий материал, по меньшей мере, распределен по области центрального сегмента измерительной трубы 2, в котором расположены электроды и, по меньшей мере, одна катушка возбуждения. В качестве альтернативы или дополнения к этому магнитопроводящий электрический ток материал согласно другому варианту исполнения изобретения, по меньшей мере, распределен, в частности, равномерно вдоль замыкающегося периметра измерительной трубы 2 и/или по всей длине измерительной трубы 2. Далее магнитопроводящий материал, будет ли это в значительной степени однородно, или в основном неоднородно, распределен по всей длине измерительной трубы 2.
Согласно другому варианту осуществления изобретения предусмотрено, что магнитпроводящий материал наклеен в измерительной трубке в виде в основном связного слоя. При этом преимущественным образом магнитопроводящий материал имеет толщину слоя d, которая много меньше внутреннего диаметра D измерительной трубы. В качестве альтернативы или дополнения к этому внутренний диаметр D измерительной трубы 2 и толщина слоя d магнитопроводящего материала имеют такие размеры, что отношение толщины слоя магнитопроводящего материала к внутреннему диаметру D измерительной трубы меньше 0,2, в частности меньше 0,1.
Для предотвращения повышенных потерь вихревого тока и/или потерь на перемагничивание в измерительной трубе 2 она, кроме того, может быть образована из нескольких перемежающихся друг с другом, в частности концентрических, лежащих друг на друге слоев из магнитопроводящего материала и в основном электрически не проводящего ток материала. Согласно усовершенствованному варианту изобретения предусмотрено укладывать, по меньшей мере, один слой, но и, в частности, также несколько радиально отстоящих друг от друга слоев, магнитопроводящего и в основном не проводящего электрический ток материала и/или, по меньшей мере, один слой, но и, в частности, несколько радиально отстоящих друг от друга слоев не проводящего в основном электрический ток материала в магнитопроводящий материал. Кроме этого в связи с предложенным в соответствии с изобретением первичным измерительным преобразователем, когда требуется, применяются общие мероприятия для минимизирования вихревых токов, например способы регулирования тока возбуждения, создающего магнитное поле, предложенные, например, в ЕР-А 1460394 и/или US-A 6031740.
В показанном здесь примере осуществления измерительная труба 2, как принято у первичных измерительных преобразователей описанного вида, образована с помощью, в частности, металлической и/или магнитопроводящей электрический ток несущей трубы, служащей в качестве стенки трубы и/или в качестве внешней оболочки, которая внутри облицована, по меньшей мере, одним слоем 22, так называемым лайнером, из электрически изолирующего материала, например керамикой, эбонитом, полифторэтиленом, полиуретаном или нечто подобным; у измерительных труб, полностью состоящих из сравнительно не проводящего электрический ток синтетического материала из керамики, в частности из керамики, выполненной из оксида алюминия, в противоположность этому такой дополнительный электрически не проводящий слой не обязателен. Согласно варианту осуществления изобретения несущая труба состоит, по меньшей мере, частью из магнитопроводящего ток материала, в частности из магнитопроводящего ток металла.
т
т
т
т
т
т
т
т
т
r
т
т
r
т
т
т
r
Несущая труба 21 имеет, как это схематически изображено на фиг.2 и 3, толщину стенки d, которая, по меньшей мере, в сравнении с внутренним диаметром D несущей трубы много меньше. Согласно другому варианту осуществления изобретения далее предусмотрено, что внутренний диаметр D и толщина стенки d несущей трубы имеют такие размеры, что отношение толщина стенки - диаметр w=d/D, т.е. толщины стенки d несущей трубы к ее внутреннему диаметру D, меньше 0,5, в частности меньше 0,2. Согласно другому варианту осуществления изобретения для несущей трубы 21 применяется такой магнитопроводящий материал и толщина стенки d и внутренний диаметр D ее имеют такие размеры, что названное выше отношение толщины стенки к внутреннему диаметру w, умноженное на относительную проницаемость µ магнитного, проводящего ток материала, дает величину d/D·µ, которая меньше 5, в частности меньше 3. В качестве альтернативы или дополнения к этому для несущей трубы применяется такой магнитопроводящий ток материал и толщина стенки d и внутренний диаметр ее имеют такие размеры, что коэффициент формы толщины стенки d/D·w, образованный с помощью отношения толщины стенки к внутреннему диаметру w и относительной проницаемости µ магнитопроводящего ток материала, для несущей трубы, а также в отношении всей несущей трубы принимает значение, которое больше единицы, в частности больше 1,2.
т
т
т
т
r
r
т
т
r
r
r
т
т
r
т
т
т
т
r
r
r
r
т
т
т
т
r
r
т
т
r
Широкие исследования к тому же показали, что наряду с толщиной стенки d, внутренним диаметром D магнитопроводящей ток несущей трубы повышенное влияние на изменение магнитного поля внутри внутреннего канала измерительной трубы может оказывать также геометрия и/или расположение магнитных устройств 17 обратной связи, служащих для управления магнитным полем вне измерительной трубки, в частности, на пространственное распределение плотности потока В и/или ее величину внутри поперечного сечения А и/или внутреннего канала измерительной трубы. В частности, при этом смогли установить, что, например, для несущей трубы, у которой предварительно заданы толщина стенки d, внутренний диаметр D, а также относительна проницаемость µ, в отношении по возможности равномерного распределения по поперечному сечению А плотности потока В, по меньшей мере, в области измерительных электродов, может быть определено оптимальное среднее расстояние h между магнитными устройствами 17 обратной связи и несущей трубой. Наоборот, для случая, что заданы или лимитированы толщина стенки d, внутренний диаметр D и установочные размеры для первичного измерительного преобразователя для соответствующего, по возможности равномерного в количественном плане проявления магнитного поля, может быть определена оптимальная относительная проницаемость µ. Согласно другому варианту осуществления параметры несущей трубы и устройства обратной связи рассчитаны и размеры определены таким образом, что отношение расстояния к диаметрам w=h/(d+D) среднего расстояния h к наружному диаметру (d+D) несущей трубы меньше единицы, в частности меньше 0,5. Согласно другому варианту осуществления изобретения для несущей трубы применен такой магнитопроводящий материал и ее толщина стенки d и внутренний диаметр D имеют такие размеры, что названное выше отношение расстояния к диаметру w, умноженное на относительную проницаемость µ магнитопроводящего ток материала, дает величину µ·h/(d+D), которая меньше 100, в частности меньше 60. В качестве альтернативы или дополнения далее предусмотрено применять для несущей трубы такой магнитопроводящий ток материал и при толщине стенки d и внутреннем диаметром D такого размера, что этот коэффициент формы устройства обратной связи µ·h/(d+D), образованный с помощью отношения расстояния к диаметру w и относительной проницаемости µ магнитопроводящего ток материала, для несущей трубы и в этом отношении для всей измерительной трубы будет иметь величину больше единицы.
r
Оптимальная проницаемость µ использованного для измерительной трубки магнитопроводящего ток материала для конкретных конфигураций измерительной трубки и системы создания магнитного поля в смысле максимального измеряемого напряжения U для практически важного отношения диаметр-толщина стенки w и/или практически важного отношения расстояние-диаметр w, может быть непосредственно получена из эмпирически определенных семейств характеристик, изображенных на фиг.7 и 8.
r
r
т
т
r
r
r
r
r
Хотя, как раньше было показано на примере коэффициента формы устройства обратной связи µ·h/(d+D), выбор размеров устройства обратной связи может вполне оказывать влияние на распространение магнитного поля, в частности на распределение плотности потока В внутри поперечного сечения А, однако удивительным образом смогли установить, что внутренний диаметр и толщина стенки несущей трубы общий внутренний диаметр D и распределение, в частности, толщина слоя магнитопроводящего материала в измерительной трубке могут оказывать гораздо большее влияние относительно этого на распространение магнитного поля внутри внутреннего канала и в отношении проявления и надежности измеряемого напряжения U. На фиг.9 показаны изменения полного отклонения s от средней величины  и на фиг.10 - относительного отклонения  от средней величины  которые были определены эмпирическим путем для различных отношений толщина стенки - диаметр w и различных отношений расстояние - диаметр w в области поперечного сечения А. При этом на фиг.9 и 10 для каждого выбранного здесь отношения толщина стенки - диаметр w (0,0005…0,1876) соответственно исследованы четыре различные отношения расстояние - диаметр w (0,25; 0,5; 0,75; 1) и таким образом было получено представительное семейство кривых для соответствующего отношения толщина стенки - диаметр w, причем для каждой из кривых выбран свой тип линии (w=0,0175; w=0,0629 --; w=0,1253, w=0,1876, w=0,25). Отчетливо видно, что для практически важных отношений толщина стенки - диаметр w больше 0,01, с одной стороны, при достаточно большой выбранной относительной проницаемости µ больше 10 еще в какой-то степени может быть установлено влияние устройства обратной связи на относительное отклонение s и в этом отношении на форму магнитного поля внутри поперечного сечения А. С другой стороны, при указанных выше отношениях толщины стенки w больше 0,01 при достаточно большой выбранной проницаемости µ больше равной 10 достигается только маргинальное улучшение магнитного поля в смысле, по меньшей мере, соответствующего величине равновесного распределения плотности потока В внутри поперечного сечения А.
2
х
y
r
Кроме этого обнаруживается с помощью кривых изменений средних величин, как и L-норм, представленных на фиг.11 а, b, с и 12 а, b, с, которые соответственно были численно определены в зависимости от названных выше отношений w и а, как для плотности потока В, так и ее отдельных компонентов В и B, что применением магнитопроводящего материала для измерительной трубы, имеющего высокую проводимость, по меньшей мере, при относительной проницаемости µ в диапазоне между 10 и 50 дополнительно к уменьшению составляющей магнитного поля, действующей в направлении оси электродов х, может быть достигнуто также повышение магнитной энергии, по меньшей мере, внутри поперечного сечения А, а также в отношении эффективности системы создания магнитного поля.
В этом месте следует отметить, что в качестве магнитопроводящего материала для реализации изобретения может применяться конструкционная сталь, чугун или также композиционный материал, с добавленными с помощью дисперсии магнитными, проводящими ток частицами, и/или синтетический материал, разумеется, в качестве материала для измерительной трубы могут служить и другие, в смысле изобретения магнитопроводящие материалы, например, также такие материалы, которые применялись или применяются обычно для сердечников катушек и/или магнитных устройств обратной связи. Согласно варианту осуществления изобретения соответственно предусмотрено, что измерительная труба, в частности ранее упомянутая несущая труба, по меньшей мере, частью изготовлена из ферромагнитного материала. Причем измерительная труба, в частности также ранее упомянутая несущая труба, может состоять, по меньшей мере, частью из магнитомягкого металла и/или, по меньшей мере, частью из магнитотвердого металла.
Как несложно может быть обнаружено из предшествующих пояснений, первичный измерительный преобразователь, предложенный в соответствии с изобретением, отличается большим числом степеней, которые дают возможность специалисту, в частности, также еще по спецификации внешних и/или внутренних установочных размеров (номинальные внутренние диаметры, установочные длины, боковое расстояние и т.д.) с помощью выбора соответствующего подходящего материала для измерительной трубы достигнуть оптимизации магнитного поля и таким образом, например, улучшения чувствительности измеряемого напряжения U в части подлежащего измерению параметра среды, так и его надежности в части возможных нарушений среды. Для специалиста не существует каких-либо трудностей в понимании изобретения на фоне однажды реферированного уровня техники, чтобы определить какие материалы соответственно применить для измерительной трубы.