ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР
ELECTROMAGNETIC FLOW METER

ЗАЯВЛЕНИЕ ПРИОРИТЕТА
[001] Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США №61/370407 "Электромагнитный расходомер", которая подана 03 августа 2010 года и которая полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[002] Настоящее изобретение относится к расходомерам и, более конкретно, к электромагнитному расходомеру для измерения расхода высокотемпературных, коррозийных, проводящих текучих сред, протекающих в канале, таком как труба или желоб.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[003] Измерение расхода вещества, протекающего в канале, является важнейшей рабочей операцией в различных производственных процессах. Изобретение, описанное в настоящей заявке, сделано в результате работы в области литья металла, а именно в области литья частей из расплавленного магния, алюминия и других металлов и их сплавов. Имеется долговременная потребность в надежном расходомере, чтобы знать, какое количество вещества и с какой скоростью подавать в литейную форму для ее заполнения. Известно, что невозможно управлять процессом без измерения его параметров. Измерение обеспечивает возможность формирования замкнутого контура управления качеством, например, путем экспериментирования с различным скоростями заполнения и выбора вариантов, обеспечивающих наилучшие результаты литья. Такое управление невозможно без измерения расхода вещества в системе.
[004] В области литья расплавленных металлов, которые являются высококоррозийными или имеют высокую температуру, имеется потребность в хороших расходомерах. В области измерения расхода расплавленного металла, протекающего в трубе, используются известные линейный кольцевой индукционный расходомер или электромагнитный расходомер, в котором электроды находятся в контакте с протекающим веществом. Указанные электроды требовалось изолировать от канала или трубы, что приводит к проблеме выбора материала и технологичности изготовления, в то время как сами электроды должны выдерживать и переносить длительный контакт с протекающим веществом. Таким образом, имеется потребность в расходомере, который не имеет физического контакта между измерительным прибором и измеряемым веществом. Настоящее изобретение удовлетворяет указанную потребность.
[005] Известны другие расходомеры. В некоторых расходомерах используется рабочее колесо и вычисляется скорость вращения или число оборотов рабочего колеса, но такая система не действует, если металл расплавляет или забивает рабочее колесо. Также известны системы на основе ультразвуковой локации, но такие системы не подходят для работы с веществами, которые разъедают ультразвуковые преобразователи. Известны расходомеры на основе доплеровского смещения, но такие расходомеры не действуют, если в потоке отсутствуют примеси.
[006] Электромагнитный расходомер действует на основе закона Фарадея. Для работы электромагнитного расходомера требуется проводящая текучая среда и источник магнитного поля. Магнитное поле заставляет заряженные частицы, присутствующие в потоке, разделяться на положительно заряженные частицы и отрицательно заряженные частицы. Протекание проводящей текучей среды в трубопроводе сквозь магнитное поле индуцирует электрический ток. Индуцированное напряжение Е, созданное в магнитном поле В перемещением проводящей жидкости со скоростью v, может быть вычислено как
E=BLv,
где L - расстояние между электродами в магнитном расходомере.
[007] В типичном электромагнитном расходомере канал оснащен индукционными катушками, расположенными с обеих сторон измерительной трубы. Под прямым углом к оси индукционных катушек в трубе расположены два электрода. Часто в трубе устанавливают неполярную изолирующую втулку, которая предотвращает перетекание заряда на металлическую трубу, в которой протекает текучая среда. Индукционные катушки создают магнитное поле, силовые линии которого проходят сквозь измерительную трубу перпендикулярно направлению потока. Если текучая среда остается неподвижной, положительно заряженные и отрицательно заряженные частицы равномерно распределены в проводящей текучей среде. При перемещении текучей среды в измерительной трубе положительно заряженные и отрицательно заряженные частицы разделяются и перемещаются к одному из электродов. Таким образом, между указанными двумя электродами создается электрическое напряжение, которое может быть обнаружено и измерено. Указанное напряжение прямо пропорционально скорости, и при известном диаметре измерительной трубы может быть вычислена скорость потока. Для исключения влияния интерференционного напряжения полярность индукционных катушек чередуют через регулярные интервалы времени. В некоторых случаях собранные данные дополнительно обрабатывают для устранения помех в сигнале. Известные электромагнитные расходомеры имеют много недостатков, включая стоимость индукционных катушек, оборудования для переключения катушек и генераторов, которые иногда используются, а также оборудования, которое используют для удаления помех из собранных данных. Также имеется проблема надежности, связанная с высокой вероятностью выхода из строя используемых частей. Имеется большое количество патентов, в которых раскрыты различные аспекты такого подхода к измерению расхода.
[008] При составлении настоящей заявки были изучены следующие патенты и публикации, относящиеся к области расходомеров:
1. Патенты №№6505517, 7343817, 6505517, 5544532, 6611770, 7503227, 5578763, 5551306, 6865956, 7421908, 7509852, 7654318, 7124645.
2. Патентные публикации 2002/0189337, 2008/0296208, 2005/0109120, 2002/0190444.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[009] В основе описанного в настоящей заявке изобретения лежит идея о том, что измерение индуцированного тока не является обязательным, поскольку скорость потока проводящей текучей среды может быть вычислена на основании результатов измерений искажения магнитных силовых линий, вызванного током, индуцированным указанной проводящей текучей средой. Согласно настоящему изобретению измеряется не индуцированный ток, а действие этого тока, поэтому для измерения расхода не требуются электроды, находящиеся в прямом физическом контакте с проводящей текучей средой. Сущность настоящего изобретения состоит в измерении величины искажения магнитного поля, которое вызвано перемещением проводника в указанном магнитном поле. Данный эффект подобен тому, что называется "реакцией якоря" в некоторых электродвигателях и генераторах. Достаточно иметь источник магнитных силовых линий и датчик, выполненный с возможностью измерения искажений указанных магнитных силовых линий. Согласно настоящему изобретению датчик расположен между каналом, выполненным с возможностью переноса проводящей текучей среды, и источником магнитных силовых линий. Если в канале протекает проводящая текучая среда, то ее поток возбуждает электрический ток, который искажает магнитные силовые линии, а датчик считывает эти искажения. Точность считывания зависит от того, насколько близко размещены датчики к проводящей текучей среде, а также от величины напряженности магнитного поля, так что указанные датчики могут идентифицировать магнитное поле других источников в рабочей среде. Указанный расходомер установлен на внешней стороне трубы. Вещество, проходящее через трубу, может иметь любой уровень коррозионной активности, поскольку оно не находится в контакте с расходомером.
2
[010] Согласно предпочтительному варианту реализации использованы канал (такой как труба) диаметром шесть дюймов (152,4 мм) или меньше, два магнита из редкоземельных металлов (по одному с обеих сторон канала) и монтажная плата, оснащенная двумя датчиками Холла. Монтажная плата с датчиками установлена вблизи канала так, чтобы датчики не перегревались. Монтажная плата с датчиками установлена параллельно оси канала. Температура датчиков может поддерживаться в пределах рабочих допусков посредством комбинации устройства для отвода тепла и/или охлаждающего вентилятора, а также путем их упаковки в микропористую теплоизоляцию. В качестве канала использована труба. Труба выполнена, по существу, из немагнитного материала, подходящего для переноса проводящей текучей среды, протекающей в указанной трубе. Если температура проводящей текучей среды не является чересчур высокой, может быть использована труба из нержавеющей стали серии 300. Если проводящая текучая среда представляет собой расплавленный алюминий, труба должна быть выполнена из керамики, выдерживающей температуру и коррозийную активность расплавленного алюминия. В случаях, в которых текучая среда должна перекачиваться под высоким давлением (таком как 700 фунтов на  дюйм (4830 кПа)), труба должна быть выполнена из тантала. Согласно предпочтительному варианту реализации диаметр канала составляет шесть дюймов (152,4 мм) или меньше, поскольку установлено, что при таком диаметре магнит, расположенный на дальней стороне канала, оказывает минимальное влияние на искажения силовых линий, измеряемые датчиками Холла. Согласно настоящему изобретению использован линейный датчик Холла. Для улучшения точности измерений использовали два датчика Холла. Согласно предпочтительному варианту реализации данные от переднего и заднего датчиков Холла, расположенных на монтажной плате, обеспечивают возможность улучшенного вычисления искажений поля, вызванных любым наведенным током. При установке на место стержневых магнитов их положение регулируют вдоль оси канала относительно датчиков Холла для достижения нулевой разности между результатами измерений переднего и заднего датчиков при неподвижности проводящей текучей среды. Иными словами, необходимо расположить магниты таким образом, чтобы (искажение, измеренное датчиком Холла α) - (искажение, измеренное датчиком Холла β)=0. Согласно настоящему изобретению магнит необходимо сместить меньше чем на 1/8 дюйма (3,2 мм) вперед или назад для достижения нулевой разницы.  Иллюстрация:
где "n" - северный полюс стержневого магнита, и "s" - южный полюс стержневого магнита. Магнит с тем же эффектом может быть размещен северным полюсом вниз и южным полюсом вверх. Если используется система из двух магнитов, в которой один магнит расположен над каналом, а другой магнит расположен под каналом, то электроды должны быть выровнены таким образом, что если северный полюс одного магнита направлен к каналу, то и южный полюс другого магнита также должен быть направлен к каналу, или наоборот.  Иллюстрация:
Точность датчиков Холла находится в диапазоне +/-600 гауссов. Согласно предпочтительному варианту реализации в расходомере используются два стержневых магнита с магнитной индукцией 500 гауссов. Согласно предпочтительному варианту реализации канал является прямым, а его диаметр уменьшен таким образом, что имеется плоская область, на которой размешены датчики, для дополнительного уменьшения расстояния между указанными двумя брусковыми магнитами. Если текучая среда в канале находится под высоким давлением, канал не уплощают в измерительной области, поскольку давление текучей среды может вызвать выпячивание канала и таким образом нарушить плоскую форму. В случае измерения расхода расплавленного алюминия, канал может быть выполнен из керамики без уплощения по причине трудности изготовления уплощенного керамического канала. Согласно предпочтительному варианту реализации конструкция расходомера, за исключением канала, может быть выбрана исходя из проводящей текучей среды, протекающей в канале, и выполнена из мягкой стали. Расходомер работает с противоположной полярностью, если направление потока текучей среды меняется на обратное.
[011] Согласно дополнительному варианту реализации аналогичные результаты по измерению смещения магнитного поля также могут быть получены посредством датчиков силы или смещения, в конструкции которых использован магнит.
[012] Искажение магнитного поля зависит от следующих факторов: (1) состава проводящей текучей среды, протекающей в канале, (2) диаметра канала, (3) температуры проводящей текучей среды, протекающей в канале, (4) скорости потока проводящей текучей среды, (5) электрической проводимости проводящей текучей среды и (6) напряженности магнитного поля.
[013] Электромагнитный расходомер согласно настоящему изобретению может быть откалиброван с использованием расходомера другого типа, такого как вихревой расходомер, с учетом вида измеряемой проводящей текучей среды, ее температуры и искажений магнитных силовых линий. Затем расходомер оснащают отображающими и градуировочными средствами, которые позволяют установить соответствие измеренных искажений магнитного поля с расходом, измеренным с использованием другого расходомера. При калибровании описанного в настоящей заявке расходомера для использования с алюминием или магнием калибровочный процесс должен быть изменен, поскольку имеется не так много расходомеров другого типа, которые могут работать при такой высокой температуре. Точная калибровка должна быть выполнена путем перемещения через расходомер согласно настоящему изобретению высокотемпературной проводящей текучей среды с заданной скоростью в течение заданного периода времени с последующим взвешиванием перемещенного металла и делением полученного веса на указанное время для получения расхода в секунду с последующим коррелированием полученного результата с выходом расходомера согласно настоящему изобретению и таким образом получения калибровочного коэффициента для выработки выходного сигнала, соотнесенного с подходящей технической единицей измерения и приведенного к ее масштабу, такой как литры в минуту.
2
14
5
17
[014] Согласно предпочтительному варианту реализации магнитные силовые линии обеспечены магнитами, выполненными из редкоземельных металлов, или электромагнитами; причем магниты, выполненные из редкоземельных металлов, являются более предпочтительными, поскольку они создают магнитное поле достаточно большой напряженности и в то же время являются более компактными. Обычно используются два типа магнитов из редкоземельных металлов: магниты неодим-железо-бор (NdFeB) и магниты самарий-кобальт (SmCo или SmCo). Магниты неодим-железо-бор являются эффективными до 200°C. Магниты самарий-кобальт являются эффективными до 350°C. Магнит должен быть выбран таким образом, чтобы его температура поддерживалась ниже предела эффективности. Если магнит из редкоземельных металлов нагревается до слишком высокой температуры, он необратимо теряет свои магнитные свойства. Указанная температура, при которой магнит конкретного типа из редкоземельных металлов теряет свои магнитные свойства, называется его "точкой Кюри". Согласно предпочтительному варианту реализации стержневые магниты могут иметь форму куба или плоского квадратного параллелепипеда. Согласно предпочтительному варианту реализации магниты установлены параллельно каналу, причем могут быть использованы даже круглые магниты. Индукционные катушки выбирают исходя из необходимой напряженности магнитного поля.
[015] Монтаж расходомера для измерения расхода проводящей текучей среды, такой как алюминий, не отличается от монтажа расходомеров для любых других сред, за исключением того, что для обеспечения достаточного охлаждения датчиков может потребоваться больше места между протекающей проводящей текучей средой и датчиками Холла. Температура алюминия может составлять 800°C. Датчики Холла нельзя нагревать выше 150°C. При использовании хорошего теплового изоляционного материала, размещенного между каналом, в котором протекает высокотемпературная проводящая текучая среда, и датчиками Холла и магнитами, температура датчиков Холла и магнитов может быть надежно удержана в пределах безопасного для них диапазона рабочих температур. Магниты, расположенные дальше от проводящей текучей среды, чем датчики Холла, нагреваются до менее высокой температуры, чем датчики Холла.
[016] Труба, в которой протекает текучая среда, не обязательно должна быть прямой и может быть изогнутой, и хотя такие изгибы снижают чувствительность расходомера, в некоторых случаях они могут оказаться пригодными для использования. Указанная труба не обязательно должна иметь постоянные размеры. Для минимизации турбулентности потока в точке измерения чаще всего перед расходомером необходимо иметь прямую секцию трубы, равную десяти диаметрам трубы, а за расходомером необходимо иметь прямую секцию трубы, равную четырем диаметрам трубы. Применимость указанного практического правила к настоящему изобретению пока еще не исследована, но вызывает сомнение, поскольку согласно настоящему изобретению датчик не обязательно должен быть размещен на пути потока вещества, протекающего в трубе, канале или измерительной трубе.
[017] Магнитные силовые линии имеют тенденцию концентрироваться в торцах магнитов, причем указанные силовые линии выходят из магнита перпендикулярно его поверхности. Силовые линии, выходящие из данного полюса магнита, имеют тенденцию отталкиваться друг от друга, поскольку они имеют одну и ту же полярность, что заставляет их вести себя в некоторой степени подобно растянутым резиновым лентам. При отсутствии других сил указанные силовые линии выходят в виде кривых симметрично из каждого торца стержневого магнита.
[018] Согласно предпочтительному варианту реализации канал для проводящей текучей среды расположен перпендикулярно магнитным силовым линиям. В проводящей текучей среде при ее протекании возникает электрический ток, а область текучей среды с индуцированным в ней током создает свое собственное магнитное поле, которое искажает исходное магнитное поле, сформированное магнитами (или иными средствами, создающими магнитное поле). Датчики Холла установлены вблизи торцов стержневого магнита, поскольку было установлено, что естественный изгиб магнитных силовых линий вблизи торцов магнитов обеспечивает улучшенное считывание искажений указанных магнитных силовых линий.
[019] Согласно предпочтительному варианту реализации вокруг канала обернут распределенный нагреватель, так что канал может быть предварительно нагрет перед вводом в него проводящей текучей среды. Распределенным нагревателем управляют посредством термопары. Соединения термопары находятся на задней стороне расходомера. Согласно предпочтительному варианту реализации монтажная плата, на которой установлены датчики Холла, также оснащена регулятором напряжения, который используется для приема напряжения 24 В от любой системы управления и уменьшает указанное напряжение до постоянного напряжения 5 В для питания датчиков Холла.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[020] На фиг. 1 показан вид сверху электромагнитного расходомера, содержащего металлический входной патрубок, корпус и металлический выходной патрубок.
[021] На фиг. 2 показан вид сбоку электромагнитного расходомера с крышкой.
[022] На фиг. 3 показан вид с правого конца электромагнитного расходомера с крышкой.
[023] На фиг. 4 показан перспективный вид электромагнитного расходомера с крышкой.
[024] На фиг. 5 показан перспективный вид электромагнитного расходомера без крышки.
[025] На фиг. 6 показан вид снизу электромагнитного расходомера с крышкой.
[026] На фиг. 7 показан вид сверху электромагнитного расходомера без крышки.
[027] На фиг. 8 показан вид сбоку электромагнитного расходомера без крышки.
[028] На фиг. 9 показан перспективный вид электромагнитного расходомера без крышки.
[029] На фиг. 10 показан вид с правого конца электромагнитного расходомера без крышки.
[030] На фиг. 11 схематически показан перспективный вид сзади электромагнитного расходомера без крышки.
[031] На фиг. 12 схематически показан перспективный вид спереди электромагнитного расходомера без крышки.
[032] На фиг. 12а схематически показан перспективный вид узла верхнего и нижнего магнитов.
[033] На фиг. 13 показан вид сбоку трубы или канала, в котором вещество перемещается в электромагнитном расходомере.
[034] На фиг. 14 показан вид сверху трубы или канала, в котором вещество перемещается в электромагнитном расходомере.
[035] На фиг. 15 показан перспективный вид трубы или канала, в котором вещество перемещается в электромагнитном расходомере.
[036] На фиг. 16 показан вид с торца трубы или канала, в котором вещество перемещается в электромагнитном расходомере.
[037] На фиг. 17 показан вид с торца монтажной платы датчика Холла.
[038] На фиг. 18 показан вид сверху монтажной платы датчика Холла.
[039] На фиг. 19 показан вид сбоку монтажной платы датчика Холла.
[040] На фиг. 20 показан вид снизу монтажной платы датчика Холла.
[041] На фиг. 21 показан перспективный вид канала, магнитов и монтажной платы с датчиками Холла.
[042] На фиг. 22 показан вид сверху трубы, имеющей уплощенную секцию, с магнитом, расположенным на уплощенной секции трубы.
[043] На фиг. 23 показан вид сбоку трубы с уплощенной секцией, набора магнитов, расположенных выше и ниже уплощенной секции, и датчиков Холла, расположенных между нижним магнитом и уплощенной секцией трубы и верхним магнитом, устанавливаемым при необходимости.
[044] На фиг. 24 показан перспективный вид трубы, магнитов и датчика Холла.
[045] На фиг. 25 показан разрез трубы, уплощенной секции трубы, магнитов, расположенных выше и ниже трубы, и датчика Холла, установленного между нижним магнитом и уплощенной секцией трубы.
[046] На фиг. 26 показан вид сверху трубы с уплощенной секцией трубы.
[047] На фиг. 27 показан вид сбоку трубы и уплощенной секцией трубы.
[048] На фиг. 27а показан вид с торца трубы, показанной на фиг. 27, на котором хорошо видно расширение уплощенной секции 50.
[049] На фиг. 28 показан перспективный вид трубы с уплощенной секцией трубы.
[050] На фиг. 29 показан вид сверху монтажной рамы (корпуса) бесконтактного магнитного расходомера.
[051] На фиг. 30 показан вид сбоку монтажной рамы (корпуса) бесконтактного магнитного расходомера.
[052] На фиг. 31 показан перспективный вид монтажной рамы (корпуса) бесконтактного магнитного расходомера.
[053] На фиг. 32 показан вид с правого конца монтажной рамы (корпуса) для бесконтактного магнитного расходомера.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[054] На сопроводительных чертежах показан весь узел электромагнитного расходомера от наружных деталей корпуса до внутренних подробностей, схематически показанных на поэлементных видах.
[055] На фиг. 1-4 показан внешний вид электромагнитного расходомера. Внешний кожух 39 закрывает весь электромагнитный расходомер, за исключением трубы, которая имеет входной патрубок 1а, ведущий в расходомер, и выходной патрубок 1b, ведущий из расходомера. Проводящая текучая среда втекает в электромагнитный расходомер через патрубок 1а. Проводящая текучая среда выходит из электромагнитного расходомера через патрубок 1b. На фиг. 5-10 внешний кожух 39 удален, и может быть рассмотрена внутренняя часть расходомера.
[056] На фиг. 11, 12 и 12A схематично показан поэлементный вид расходомера, точно показывающий, как должен быть собран предпочтительный вариант реализации. На фиг. 29-32 показаны виды предпочтительного варианта реализации монтажной рамы 120 и опорной конструкции 240 монтажной рамы электромагнитного расходомера. К монтажной пластине 10 привинчена резьбовыми крепежными элементами 5 монтажная пластина 13а первого магнита. На монтажной пластине 13а размещен первый магнит 2b. Крышка 7b первого магнита установлена поверх первого магнита 2b с использованием резьбовых крепежных элементов 8. К крышке 7b прикреплена регулировочная прокладка 34. К регулировочной прокладке 34 прикреплена крышка нижнего датчика. Узел 18 монтажной платы датчика оснащен первым датчиком 70 Холла, вторым датчиком 80 Холла и регулятором 90 напряжения. Узел монтажной платы датчика размещен в нижней крышке 11 датчика и закрыт верхней крышкой 14 датчика. Крышка 11 и крышка 14 удерживаются вместе и соединены с регулировочной прокладкой 34 крепежными элементами 40, так что управляющие кабели для датчиков Холла и регулятора напряжения могут проходить в канале, выполненном в крышке 11. К крышке 11 прикреплен переходник 9. К переходнику 9 привинчены правая и левая поддерживающие сварные конструкции 3а, 3b для поддержки трубы. Труба или канал 1 прочно удерживается в правой и левой поддерживающих конструкциях 3а, 3b посредством правого и левого нижних трубных зажимов 4а, 4b с использованием резьбовых крепежных элементов 6. Труба 1 имеет уплощенную секцию 50. Труба 1 размещена в правой и левой поддерживающих конструкциях 3а, 3b, содержащих зажимы 4а, 4b, так что уплощенная секция 50 трубы 1 проходит над первым магнитом 2b параллельно ему. Крышка 7а второго магнита оснащена вторым магнитом 2а и соединена крепежными элементами 8 с монтажной пластиной 13b второго магнита, переходнику 9 привинчена резьбовыми крепежными элементами 16 монтажная пластина 13b второго магнита. Правильно собранные первый и второй магниты 2а и 2b установлены с одинаковой полярностью (северной или южной) так, что оба магнита расположены северным полюсом вверх или северным полюсом вниз, а датчики 70, 80 Холла расположены вдоль оси трубы 1, причем датчик 70 расположен над передним краем первого магнита 2b, а датчик 80 расположен над задним краем первого магнита 2b, при этом оба датчика расположены под уплощенной секцией 50 трубы 1.
[057] На фиг. 13-16 показаны дополнительные виды трубы 1 с уплощенной областью 50.
[058] На фиг. 17-20 показаны увеличенные виды узла 18 монтажной платы с датчиками 70 и 80 Холла. На чертеже также показан регулятор 90 напряжения, который прикреплен к узлу 18 монтажной платы винтом 96 и гайкой 95.
[059] На фиг. 21-27а показаны виды трубы 1, которые иллюстрируют предпочтительную конфигурацию первого магнита 2b, узла 18 монтажной платы, датчиков 70 и 80 Холла, ближайших к уплощенной секции 50 трубы 1, и второго магнита 2а, расположенного над уплощенной секцией 50 трубы 1.
[060] Вариант реализации, описанный в настоящей заявке, имеет исключительно иллюстративный характер. В конкретном варианте реализации, описанном в настоящей заявке, могут быть сделаны различные изменения без отступления от сущности изобретения. Соответственно, объем изобретения ограничен пунктами приложенной формулы, но не ограничивается конкретным описанным вариантом реализации.