МАГНИТНО-ИНДУКТИВНЫЙ РАСХОДОМЕР, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
MAGNETIC INDUCTIVE FLOW METER, IN PARTICULAR FOR USE UNDER HIGH PRESSURE

Предложенное на рассмотрение изобретение относится к магнитно-индуктивному расходомеру в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения, а также к способу монтажа системы крепления электрода в соответствии с ограничительной частью пункта 14 формулы изобретения.
Магнитно-индуктивные расходомеры используются в различных областях применения. В особенности при использовании в условиях высокого давления имеет место проблема крепления измерительных электродов, которые входят в измерительную трубу.
Для этого ранее описывались различного рода концепции крепления, которые, в силу различных причин, не представляли удовлетворительного решения.
Публикация DE 102007004827 A1 представляет вариант осуществления несущей поперечной конструкции. Правда, такая конструкция приводит к значительному увеличению габаритов корпуса. Публикации US 7938020, US 20040149046 и US 3924466 представляют, соответственно, резьбовые соединения или резьбовые вставки для крепления измерительного электрода. Эти винтовые соединения могут иметь проблемы по части герметизации. Публикация US 4388834 представляет так называемый грибовидный электрод, установка которого на измерительной трубе производится с учетом геометрии шляпки гриба. Публикация US 4567775 представляет вариант полной заливки, посредством которой достигается закрепление измерительного электрода.
Исходя из данного уровня техники, задачей предложенного на рассмотрение изобретения является создание магнитно-индуктивного расходомера с системой крепления электрода с высокой стабильностью давления и небольшой конструктивной высотой, а также способа осуществления такой системы крепления электрода и предназначенного для этого инструмента.
Предложенное на рассмотрение изобретение решает данную задачу посредством предметов изобретения пунктов 1, 14 и 15 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением магнитно-индуктивный расходомер, который, в частности, пригоден для использования в условиях высокого давления, имеет измерительную трубу, на которой расположена многоэлементная система крепления электрода для закрепления измерительного электрода, причем система крепления электрода имеет следующие конструктивные элементы:
a) соединительную насадку, которая с геометрическим замыканием соединена с измерительной трубой, причем соединительная насадка имеет паз или образует его совместно с измерительной трубой,
b) соединительную вставку для проведения и/или для закрепления измерительного электрода, которая соединена с соединительной насадкой посредством соединения, причем соединительная вставка имеет крепежные плоскости, которые за счет частичного вращения входят с зацеплением в паз и, вследствие этого, способствуют соединению.
Соединительная вставка может, таким образом, иметь паз или во взаимодействии с измерительной трубой образовывать паз. В этот паз входят с зацеплением крепежные плоскости. Закрепление и демонтаж происходят при этом, как при байонетном запоре, посредством частичного поворота, к примеру, на 90°.
Эта система крепления электрода пригодна для того, чтобы и при высоком давлении среды, к примеру, при давлении среды свыше 50 бар, надежно закреплять электроды на трубе.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметами последующих зависимых пунктов формулы изобретения.
Предпочтительным является, если соединительная вставка имеет проходящее параллельно оси измерительного электрода углубление, в котором расположен измерительный электрод и/или соединенная с ним насадка для измерительного электрода. Это углубление позволяет проводить измерительный электрод внутрь соединительной вставки.
Предпочтительным является, если измерительный электрод или соединенная с измерительным электродом насадка для измерительного электрода, за счет прессовой посадки, примыкает к соединительной вставке. Прессовая посадка позволяет, по меньшей мере, односторонне закрепить измерительный электрод, который - как представлено, к примеру, на фиг. 2 - прижимается к уплотнительной поверхности герметизирующей вставки.
Предпочтительным является, если внешняя периферия измерительной трубы в зоне системы крепления электрода имеет плоскую поверхность. Это способствует образованию большой соединительной поверхности между измерительной трубой и соединительной насадкой и, тем самым, обеспечивает высокую прочность на разрыв.
Крепежные плоскости и соединительная насадка в предпочтительном варианте имеют расположенные друг над другом поверхности, так называемые соединительные поверхности, которые, по сравнению с плоской поверхностью внешней периферии измерительной трубы, имеют угол наклона для задания направления вращения при соединении соединительной насадки и соединительной вставки. Благодаря этому при монтаже направление вращения задается интуитивно, так как в противоположных направлениях вращения сформирован вывод.
Соединительная насадка в предпочтительном варианте приварена к измерительной трубе и предпочтительно закреплена посредством круговых сварных швов. Благодаря этому, обеспечивается геометрическое замыкание. Соединительная насадка, а, при необходимости, и соединительная вставка, состоят при этом так же, как и измерительная труба, из металла, в частности, из стали.
Частичное вращение для соединения осуществляется в предпочтительном варианте под углом от 45 до 135°, предпочтительно от 60 до 120°, в частности, от 80 до 100°. То же самое относится и к демонтажу соединения.
Соединение осуществляется в предпочтительном варианте в виде соединения с геометрическим замыканием.
Соединительная насадка может быть образована в предпочтительном варианте из двух L-образных хомутов, для которых требуется небольшая площадь и которые захватывают крепежные плоскости соединительной вставки.
Предпочтительным является, если проходящее параллельно оси измерительного электрода углубление соединительной вставки имеет демпфирующую втулку, для уменьшения свободы перемещения измерительного электрода и/или насадки для измерительного электрода внутри углубления и/или для электрической изоляции измерительного электрода относительно соединительной вставки.
Измерительный электрод может быть частично окружен расположенной в отверстии измерительной трубы вставкой из герметичного материала, проходящей по всей длине отверстия и имеющей концевую уплотнительную поверхность, предпочтительно в виде выступа, к которому прилегает насадка для измерительного электрода. Благодаря такому варианту осуществления достигается дополнительно улучшенная герметичность.
Предпочтительным является, если уплотнительная поверхность имеет в радиальном направлении выпуклую наружу кривизну материала.
Измерительная труба может быть в предпочтительном варианте, по меньшей мере, частично изнутри облицована электроизоляционным слоем материала, причем измерительный электрод проходит через этот слой материала, который в зоне измерительного электрода имеет кривизну материала в направлении оси измерительной трубы.
В соответствии с изобретением способ монтажа системы крепления электрода для измерительного электрода на измерительной трубе магнитно-индуктивного расходомера имеет следующие этапы:
a) при необходимости, установка плоских поверхностей внешней периферии на измерительной трубе магнитно-индуктивного расходомера;
b) установка соединительной насадки на внешней периферии измерительной трубы, предпочтительно при формировании паза совместно с измерительной трубой;
c) введение соединительной вставки в соединительную насадку перпендикулярно измерительной трубе;
d) вращательное движение соединительной вставки, причем расположенные на соединительной вставке крепежные плоскости входят с зацеплением в паз или в расположенный в соединительной насадке паз и,
при вращательном движении частично расположенная в соединительной вставке насадка для измерительного электрода или измерительный электрод посредством прессовой посадки прижимаются к соединительной вставке.
Монтаж системы крепления электрода может быть простым способом осуществлен посредством не изображенного более детально торцевого ключа.
Изобретение поясняется более детально на основании нескольких примеров осуществления, при помощи приложенных чертежей, на которых представлено:
фиг. 1 - схематичное изображение системы крепления электрода на измерительной трубе магнитно-индуктивного расходомера в соответствии с изобретением,
фиг. 2 - вид в разрезе системы крепления электрода,
фиг. 3 - различные виды соединительной вставки в виде части системы крепления электрода,
фиг. 4 - различные виды соединительной насадки в виде части системы крепления электрода,
фиг. 5 - вид в разрезе второй модифицированной системы крепления электрода,
фиг. 6 – вид в разрезе третьей модифицированной системы крепления электрода.
Конструкция и принцип измерения магнитно-индуктивного расходомера, в целом, известны. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея в проводнике, перемещаемом в магнитном поле, индуцируется напряжение. При магнитно-индуктивном принципе измерения протекающая измеряемая среда соответствует перемещаемому проводнику. Магнитное поле с постоянной силой напряженности создается посредством двух катушек возбуждения с обеих сторон измерительной трубы. Перпендикулярно им на внутренней стенке измерительной трубы располагаются два измерительных электрода, которые снимают созданное при прохождении измерительной среды напряжение. Индуцированное напряжение пропорционально скорости потока и, тем самым, объемному расходу. Созданное катушками возбуждения магнитное поле генерируется посредством тактируемого постоянного тока переменной полярности. Это обеспечивает стабильную нулевую точку и делает измерение нечувствительным к воздействиям, вследствие использования многофазных материалов, вследствие неоднородностей в жидкости или вследствие небольшой проводящей способности. Известны магнитно-индуктивные расходомеры с системами катушек с более чем двумя катушками возбуждения и другими геометрическими расположениями.
Варианты применения магнитно-индуктивных расходомеров в условиях высокого давления выдвигают перед известными конструкциями электродов новые требования. На измерительные электроды, которые входят непосредственно в измерительную трубу, воздействует при этом высокое давление. Поэтому измерительные электроды должны быть закреплены особенно хорошо без отрывов. Герметичность является также важным аспектом при разработке системы крепления электродов, пригодной для работы в условиях высокого давления. Следующим аспектом является компактная конструкция системы крепления электродов, так как во многих вариантах применения имеется лишь ограниченное пространство для размещения магнитно-индуктивного расходомера. Поэтому корпусные конструкции и системы крепления электродов большего размера являются недостатком. Особое внимание уделяется конструктивной высоте системы крепления электродов, то есть, на какое расстояние система крепления электродов выступает за пределы измерительной трубы.
Фиг. 1 демонстрирует систему 1 крепления для измерительного электрода 7 магнитно-индуктивного расходомера с измерительной трубой 4. Система 1 крепления электрода включает в себя установленную на внешней периферии измерительной трубы 4 соединительную насадку 2 в виде двух противостоящих друг другу хомутов. Соединительная насадка 2 с геометрическим замыканием, предпочтительно посредством сварного соединения, установлена на измерительной трубе 4. Вследствие этого не происходит введения с зацеплением в измерительную трубу 4, что привело бы к нестабильности давления и к проблемам с герметичностью при использовании в условиях высокого давления.
Представленную соединительную насадку 2 в виде хомута следует понимать лишь как предпочтительный пример осуществления системы крепления электрода в соответствии с изобретением, так как этот вариант является особенно компактным. Соединительная насадка 2 может быть выполнена также в виде удерживающей пластины, если предусмотрены соответствующие отверстия для установки соединительной вставки 3 и крепежные поверхности, которые при повороте соединительной вставки 3 позволяют осуществить ее установку на держателе 2 или в нем.
Соединительная насадка детально представлена на фиг. 4а-4с. Она имеет крепежный сегмент 21, который с одной стороны с торца посредством сварного соединения установлен на измерительной трубе 4 и в радиальном направлении выходит за пределы внешней периферии измерительной трубы 4. Крепежный сегмент с изгибом в 90° (а) переходит в соединительный сегмент 22. Этот соединительный сегмент 22 проходит, в основном, параллельно оси измерительной трубы. На фиг. 1 можно видеть, что оба соединительных сегмента 22 хомута соединительной насадки 2 противостоят друг другу или, соответственно, ориентированы в направлении друг к другу. При этом каждый соединительный сегмент имеет расположенную с передней стороны торцевую поверхность 28, которая, соответственно, расположена в плоскости перпендикулярно оси измерительной трубы.
Крепежный сегмент 21 имеет средние габариты (ширина × длина), по меньшей мере, 10×10 мм, предпочтительно более чем 12×12 мм. При этом крепежный сегмент 21, включая изгиб и, таким образом, соединительную насадку, в предпочтительном варианте максимально на 25 мм, в частности, максимально на 20 мм, выступает из измерительной трубы 4. Это позволяет выполнить компактную конструкцию магнитно-индуктивного расходомера.
Соединительный сегмент 22 имеет в предпочтительном варианте средние габариты (ширина × высота) 10×5 мм. Длина соединительного сегмента, включая изгиб, составляет в предпочтительном варианте от 12 до 30 мм.
2
2
Соединительный сегмент 22 имеет соединительную плоскость или соединительную поверхность 23, противолежащую внешней периферии измерительной трубы 4. Эта соединительная поверхность 23 имеет наклон, так что боковой зазор х первой боковой кромки соединительной поверхности 23 относительно внешней периферии измерительной трубы 4 больше, чем боковой зазор y второй боковой кромки соединительной поверхности 23 относительно внешней периферии измерительной трубы 4. В паз между соединительной поверхностью 23 и внешней периферией измерительной трубы 4 входит с зацеплением соединительная вставка 3 - в частности, ее крепежные плоскости 19. Это осуществляется посредством байонетного вращательного движения. Наклон соединительной поверхности 23 задает определенное направление вращения, в котором должна поворачиваться соединительная вставка 3 для соединения с соединительной насадкой 2. Вышеупомянутый паз имеет при этом высоту, исходя из внешней периферии измерительной трубы, предпочтительно от 30 до 70% от общей высоты, в частности, от 35 до 65% от общей высоты соединительной насадки 2.
Соединительный сегмент 22 имеет с торца углубление 27 в форме дуги окружности, которое воспроизведено как часть внешнего контура соединительной вставки 3. Благодаря этому предотвращается сдвиг соединительной вставки 3 и гарантируется направление вращательного движения при соединении соединительной вставки 3 с соединительной насадкой 2.
Представленные на фиг. 4а-4с варианты осуществления соединительной насадки 2, с целью подтверждения стабильности соединения с измерительной трубой 4, подвергались испытанию на разрыв. При этом соединительная насадка 2 нагружалась до максимальных значений используемого измерительного прибора в пределах 2 тонн. В этом диапазоне разрыв не смог быть зафиксирован.
Фиг. 3а-3с демонстрирует далее соединительную вставку 3, которая в своем положении закрепления соединена с соединительной насадкой 2. Соединительная вставка 3 имеет цилиндрический центральный корпус 20. В нижнем сегменте центрального корпуса 20 образованы крепежные плоскости 19, которые в радиальном направлении, предпочтительно, по меньшей мере, на 1 мм, особо предпочтительно, по меньшей мере, на 2 мм, выступают за пределы наружной поверхности центрального корпуса. Крепежная плоскость имеет при этом соединительную плоскость или соединительную поверхность 18, которая, относительно параллельной площади поперечного сечения центрального корпуса 20, имеет угол наклона. Этот угол наклона составляет предпочтительно от 1 до 10°. Он соответствует углу наклона соединительной поверхности 23 соединительной насадки 2.
Соединительная вставка 3 и соединительная насадка 2 изготовлены, соответственно, из металла, предпочтительно из высококачественной стали.
Соединительная вставка 3 имеет вращательно-симметричное цилиндрическое углубление 14, которое расширяется в направлении стенки измерительной трубы и которое проходит параллельно оси стержнеобразного измерительного электрода 7. В этом углублении расположена демпфирующая втулка 13 из изоляционного материала, которая электрически экранирует измерительный электрод 7 и примыкающую к нему насадку 8 для измерительного электрода относительно металлических конструктивных элементов, в частности, относительно соединительной вставки. Одновременно демпфирующая втулка уменьшает аксиальное перемещение насадки 8 для измерительного электрода и измерительного электрода 7 во вращательно-симметричном, цилиндрическом углублении соединительной вставки 3. Насадка 8 для измерительного электрода имеет в торцевой зоне резьбу, в зацепление с которой входит крепежная гайка 16 для аксиального закрепления насадки 8 для измерительного электрода. Кроме того, в зацепление с резьбой входит контргайка 17. Между крепежной гайкой 16 и контргайкой 17 расположен электродный зажим.
С целью упрощения чертежа другие, уже известные конструктивные элементы магнитно-индуктивного расходомера на фиг. 1 не изображены. Это относится, к примеру, к магнитной системе, к блоку обработки результатов, к корпусу и т.д. Лишь стопорные сегменты 5 для магнитной системы схематично обозначены.
На фиг. 2 более детально представлена система 1 крепления электрода. Можно видеть, что в том месте, в котором расположена система крепления электрода, внешняя периферия измерительной трубы имеет плоскую поверхность для обеспечения лучшего позиционирования соединительной насадки на измерительной трубе. Соединительная насадка установлена на измерительной трубе 4 посредством одного или нескольких, предпочтительно круговых, сварных соединений 15. Измерительная труба имеет вставку 10 с выступом 11, прилегающим к внешней периферии измерительной трубы. На противолежащей выступу стороне вставки 10 эта вставка входит в установленный на внутренней стороне измерительной трубы 4 вкладыш 9. Вставка 10 и вкладыш 9 состоят, соответственно, из электроизоляционного материала. Особенно подходящей, ввиду своих дополнительно уплотняющих свойств в условиях высокого давления, является резина. Вставка и вкладыш могут быть соединены друг с другом методом вулканизации.
Измерительный электрод 7 может быть вставлен во вставку 10 или прочно соединен со вставкой методом склеивания, вулканизации или облицовки экструзией.
Выступ 11 вставки имеет расположенную с торцевой стороны уплотнительную поверхность 12, к которой прилегает система крепления электрода. Для этого уплотнительная поверхность имеет, в случае необходимости, имеющие форму желобков уплотнительные канавки 26 на расположенной с торцевой стороны уплотнительной поверхности.
Фиг. 5 демонстрирует следующий вариант осуществления системы крепления электрода в соответствии с изобретением, причем расположенная с торцевой стороны уплотнительная поверхность 12 вставки 10 имеет ориентированную вовне кривизну 24 материала. Эта уплотнительная поверхность служит для дополнительной герметизации в условиях высокого давления.
В альтернативном варианте или в дополнение к этому, вкладыш также может иметь ориентированную к оси измерительной трубы кривизну материала, которая обеспечивает дополнительную герметичность при высоком давлении среды.
В принципе, соединение между соединительной насадкой 2 и соединительной вставкой 3, за счет вхождения крепежных плоскостей 19 с зацеплением в паз между соединительным сегментом 22 и измерительной трубой, обеспечивает значительно более существенную и, в частности, более стабильную в отношении давления поддержку, по сравнению с винтовыми соединениями. Кроме того, измерительный электрод посредством вращательного движения на 90° может быть быстро и интуитивно смонтирован, а, при необходимости, и демонтирован.
Представленная на фиг. 1-6 система 1 крепления электрода подкупает своей небольшой монтажной высотой (менее чем 25 мм), так что корпус магнитно-индуктивного расходомера, в целом, может быть выполнен очень компактным.
Способ монтажа системы крепления для измерительного электрода на измерительной трубе магнитно-индуктивного расходомера имеет следующие этапы:
a) при необходимости, установка плоских поверхностей внешней периферии на измерительной трубе магнитно-индуктивного расходомера;
b) установка соединительной насадки на внешней периферии измерительной трубы, предпочтительно при формировании паза совместно с измерительной трубой;
c) введение соединительной вставки в соединительную насадку перпендикулярно измерительной трубе;
d) вращательное движение соединительной вставки, причем расположенные на соединительной вставке крепежные плоскости входят с зацеплением в паз или в расположенный в соединительной насадке паз,
причем при вращательном движении частично расположенная в соединительной вставке насадка для измерительного электрода или измерительный электрод посредством прессовой посадки прижимаются к соединительной вставке.
Отдельные этапы и другие дополнительные этапы осуществления системы поясняются далее более детально.
Плоские поверхности в соответствии с этапом а) могут быть выполнены, к примеру, посредством шлифования или фрезерования.
Установка соединительной насадки в соответствии с этапом b) осуществляется в предпочтительном варианте посредством приваривания к измерительной трубе. При этом в предпочтительном варианте обрадуется паз. В альтернативном варианте уже сама соединительная насадка может иметь паз.
Затем вставка 10 может быть введена в отверстие измерительной трубы, которое принимает измерительный электрод - к примеру, может быть залита в него. Затем в эту вставку вставляется измерительный электрод 7. Соединение с измерительным электродом может быть осуществлено также посредством склеивания или заливки уплотнительным материалом.
Насадка 8 для измерительного электрода и демпфирующая втулка 13 могут уже быть предварительно смонтированы в соединительной вставке и зафиксированы посредством крепежной гайки 14.
Затем соединительная вставка вводится в соединительную насадку. Это происходит посредством вставки.
Посредством последующего поворота соединительная вставка устанавливается в соединительной насадке, причем L-образные крючки соединительной насадки захватывают соединительную вставку и, таким образом, фиксируются на измерительной трубе. При установке происходит также контакт между насадкой 8 для измерительного электрода и измерительным электродом 7.
Перечень ссылочных позиций
1
система крепления электрода
2
соединительная насадка
3
соединительная вставка
4
измерительная труба
5
стопорные сегменты магнитной системы
6
зажим электрода
7
измерительный электрод
8
насадка для электрода
9
вкладыш
10
вставка
11
выступающая часть или выступ
12
уплотнительная поверхность
13
демпфирующая втулка
14
цилиндрическое углубление
15
сварной шов
16
крепежная гайка
17
контргайка
18
соединительная поверхность
19
крепежная плоскость
20
центральный корпус
21
крепежный сегмент
22
соединительный сегмент
23
соединительная поверхность
24
кривизна материала
25
кривизна материала
26
уплотнительные канавки
27
углубление
28
торцевые поверхности
29
паз.