БЕСФЛАНЦЕВЫЙ ВСТАВНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР
WAFER STYLE INSERTABLE MAGNETIC FLOWMETER

Уровень техники
[0001] Настоящее изобретение относится к электромагнитным расходомерам, которые измеряют поток технологической текучей среды в промышленных технологических установках.
[0002] Обычные электромагнитные расходомеры предшествующего уровня техники используют электрически изолированную расходомерную трубу, в которой находится технологическая текучая среда мимо электромагнита и электродов. Электроды находятся в расходомерной трубе и имеют электрический контакт с текущей жидкостью. Электроды считывают электродвижущую силу (ЭДС), которая индуцируется магнитным полем в жидкости. Считываемая ЭДС пропорциональна приложенному магнитному полю и скорости потока в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея.
[0003] Расходомерная труба обычно находится в большом цилиндрическом корпусе, имеющем фланцевые концы, которые иногда называются "сварным узлом". Фланцевые концы сварного узла соединяются болтами с аналогичными фланцами, находящимися на технологической трубе таким образом, что расходомерная труба последовательно совмещается с технологической трубой, и поток технологической текучей среды течет через расходомерную трубу.
Сущность изобретения
[0004] Электромагнитный расходомер для измерения потока технологической текучей среды включает в себя корпус измерителя, имеющий сформированное в нем отверстие. Корпус измерителя выполнен с возможностью быть вставленным в линию между технологическими трубами, в которых находится технологическая текучая среда. Подвижная выступающая часть соединяется с корпусом измерителя и выполнена с возможностью простираться в технологическую трубу. Катушка провода находится на выступающей части и выполнена с возможностью формирования магнитного поля. Пара электродов считывает ЭДС в технологической текучей среде, формируемую в зависимости от приложенного магнитного поля и потока технологической текучей среды.
Краткое описание чертежей
[0005] Фиг. 1A и 1B представляют собой изображения промышленного процесса, включающие в себя изображения в разобранном виде, показывающие электромагнитный расходомер и технологическую трубу.
[0006] Фиг. 2 представляет собой изображение в разобранном виде в перспективе электромагнитного расходомера и монтажного кольца на фиг. 1A.
[0007] Фиг. 3 представляет собой вид сбоку монтажного кольца и электромагнитного расходомера.
[0008] Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе спереди монтажного кольца, установленного в электромагнитный расходомер.
[0009] Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе сзади монтажного кольца, установленного в электромагнитный расходомер.
[0010] Фиг. 6 представляет собой изображение в частично разобранном виде, показывающее электромагнитный расходомер, установленный в технологическую трубу.
[0011] Фиг. 7 представляет собой вид в перспективе, показывающий электромагнитный расходомер и монтажное кольцо, установленные в технологической трубе.
[0012] Фиг. 8 представляет собой вид сбоку, показывающий электромагнитный расходомер и монтажное кольцо, установленные между противоположными технологическими трубами.
[0013] Фиг. 9 представляет собой упрощенную блок-схему электромагнитного расходомера.
Подробное описание примерных вариантов осуществления
[0014] В различных аспектах настоящее изобретение обеспечивает тонкую, диско- или пластиноподобную конфигурацию для корпуса электромагнитного расходомера. Корпус расходомера может быть выполнен, в общем, в форме диска, так что он может быть установлен между противоположными концами технологической трубы и требовать небольшого зазора. Корпус расходомера поддерживает по меньшей мере одну шарнирно соединенную створку (или выступающую часть). Шарнирно соединенная створка выполнена с возможностью открываться в технологическую трубу и нести катушку электрического провода, которая используется для формирования магнитного поля в технологической текучей среде. Пара электродов используется для считывания результирующей электродвижущей силы (ЭДС) вследствие приложенного магнитного поля и течения технологической текучей среды. Измерительная схема может находиться на корпусе измерителя, на выступающей части, или она может быть расположена вне корпуса измерителя. Измерительная схема принимает считываемую ЭДС и обеспечивает вывод, относящийся к потоку технологической текучей среды. Эта конфигурация устраняет "сварной узел" и уменьшает величину пространства, необходимого для установки и совмещения расходомера с технологической трубой. В отличие от конструкций предшествующего уровня техники, в которых вытянутая расходомерная труба располагается последовательно с технологической трубой, выступающие части совмещаются коаксиально в технологической трубе и выступают внутрь технологической трубы. Кроме того, электромагнитный расходомер может быть легко убран, и поэтому он хорошо подходит для систем, которые требуют контроля или очистки, таких как системы управления водой и сточными водами.
[0015] Фиг. 1A и 1B представляют собой упрощенные схемы промышленной технологической среды 10, показывающие изображения в разобранном виде электромагнитного расходомера 12, совмещенного с технологическими трубами 14 и 16. Фиг. 1A показывает конфигурацию, в которой электроника находится в кольцеобразном корпусе электромагнитного расходомера 12. Фиг. 1B показывает другой примерный вариант осуществления, в котором по меньшей мере часть электроники находится в отдельном корпусе 12A, который может быть физически присоединен или находиться на расстоянии от кольцеобразного корпуса электромагнитного расходомера 12. Кольцо 18 переднего края располагается на стороне входа расходомера 12. Расходомер 12 закреплен между фланцами 20 и 22 технологических труб 14 и 16. В одном примерном варианте осуществления расходомер 12 осуществляет связь с удаленным местоположением, таким как центр 30 управления по линии 32 связи. Центр 30 управления изображен как сопротивление 34 и источник 36 напряжения типа, который обычно используется с двухпроводными промышленными технологическими управляющими контурами. В таких управляющих контурах скорость потока может сообщаться путем управления током, текущим через токовый контур 32. Другие иллюстративные технологические управляющие контуры включают в себя контуры, которые передают цифровые данные, например, в соответствии с протоколом связи HART. Другие иллюстративные протоколы цифровые связи включают в себя Foundation Fieldbus и PROFIBUS. Кроме того, контур 32 может содержать канал беспроводной связи, в котором данные передаются с использованием радиочастотных (RF) методов связи. Одним иллюстративным каналом беспроводной связи является канал беспроводной связи в соответствии с протоколом связи WirelessHART.
[0016] Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе спереди, а фиг. 3 представляет собой боковой вид сверху одного варианта осуществления электромагнитного расходомера 12 и кольца 18 переднего края. На фиг. 2 и 3 расходомер 12 показан в его свернутом положении, в котором выступающие части 42, 44 расходомера совмещены с плоскостью внешнего монтажного кольца или металлического корпуса 40 расходомера 12. Электрические разъемы 64 обеспечены для соединения, например, с контуром 32 или внешней измерительной схемой, находящейся в корпусе 12A, показанном на фиг. 1B. Кольцо 18 переднего края имеет внешнее кольцо 46 заземления и кольцо 48 приведения в действие выступающих частей. Кольцо 46 заземления осуществляет электрический контакт с выводом 49 заземления, находящимся на внешнем монтажном кольце 40. В выступающих частях 42 находятся электрические катушки 122, а в выступающих частях 44 находятся электроды 124.
[0017] Фиг. 4 и 5 представляют собой вид в перспективе спереди и сзади, соответственно, кольца 18 переднего края, расположенного вплотную к электромагнитному расходомеру 12. Как изображено на фиг. 4 и 5, кольцо 48 приведения в действие выступающих частей давит на выступающие части 42, 44 и переводит их в разомкнутое положение, в котором они простираются в направлении к заднему краю (или краю выхода) электромагнитного расходомера 12. Выступающие части 42, 44 соединяются с внешним монтажным кольцом 40 в шарнирных областях 50, 52, соответственно. Они могут содержать, например, пленочные (или "гибкие") шарниры и т.п. Предпочтительно, в одном примерном варианте осуществления расходомер 12 производится из непроводящего гибкого материала, и он может быть сформирован как единая часть с внешним монтажным кольцом 40 и выступающими частями 42, 44. Кольцо 18 переднего края может быть произведено из металла и выполнено с возможностью удерживать выступающие части 42, 44 в разомкнутом положении. Кольцо 46 заземления электрически соединяется с технологической трубой 14 или фланцем 20. Кольцо 18 переднего края выступает в качестве выравнивающего защитного средства для обеспечения плавного перехода по мере того, как поток технологической текучей среды проходит через внешнее монтажное кольцо 40 и последующие выступающие части 42, 44. Предпочтительно, выступающие части 42, 44 простираются таким образом, что они находятся на одном уровне с внутренним диаметром трубы 16 и изгибаются, чтобы соответствовать внутреннему профилю трубы 16. Это уменьшает сопротивление любому потоку технологической текучей среды через трубу 16 и уменьшает величину турбулентности, создаваемой в потоке.
[0018] Фиг. 4 и 5 также изображают изолирующий слой 60, который расположен вокруг внешнего периметра, сформированного открытыми выступающими частями 42, 44. Изолирующий слой 60 обеспечивает слой изоляции между технологической текучей средой и проводящей внутренней стенкой технологической трубы 16. Это позволяет электродвижущей силе (ЭДС) формироваться в пределах технологической текучей среды вследствие движения технологической текучей среды и приложенного магнитного поля. Без такой изоляции технологическая текучая среда в области электродов 124 может быть электрически соединена с землей, тем самым электрически закорачивая любую формируемую ЭДС. Изолирующий слой 60 может быть сформирован из тонкой резины или другого гибкого изолирующего материала, так что он растягивается вдоль внешнего периметра, сформированного выступающими частями 42, 44, когда они переходят в отрытое положение, показанное на фиг. 4 и 5. Фиг. 5 также изображает электрическую схему 140 электромагнитного расходомера, объясняемую более подробно ниже применительно к фиг. 9. Электрическая схема 140 может быть залита внутри внешнего монтажного кольца 40. Также показаны электрические соединения 64, которые могут использоваться для обеспечения питания электрической схемы 140 и/или могут использоваться для передачи, например, информации, относящейся к измеренной скорости потока. Контакты 64 электрически соединены с электрической схемой 140 и могут, например, соединяться с технологическим управляющим контуром 32, показанным на фиг. 1. Контакты 64 могут быть выполнены в виде штекеров, резьбовых соединительных штырей и т.д. В некоторых конфигурациях разъемы 64 заключены в защитный кожух (не показан). Кроме того, фиг. 5 показывает необязательный датчик 68 напряженности магнитного поля, такой как датчик на эффекте Холла, который соединяется с измерительной схемой 140, которая может использоваться для измерения напряженности приложенного магнитного поля, как объясняется более подробно ниже. Хотя обсуждается конкретно датчик на эффекте Холла, может использоваться любой подходящий датчик для измерения напряженности приложенного магнитного поля. В некоторых конфигурациях может быть выгодно включить путь замыкания магнитного потока (не показан) для усиления магнитного поля, прилагаемого катушками 122. Например, выступающие части 42 могут иметь магнитный экран для обеспечения такого пути замыкания.
[0019] В одном примерном варианте осуществления электромагнитный расходомер 12 производится в виде единой детали из изолирующего эластомерного материала, такого как резина, полиуритан, EPDM (каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера) и т.п. Катушки 122 и электроды 124 могут быть установлены с помощью процесса заливки во время производства расходомера 12. Катушки 122 могут быть полностью изолированы внутри выступающих частей 42 расходомера 12. Однако электроды 124 должны выходить на поверхность выступающих частей 44, в результате чего они имеют электрический контакт с любой технологической текучей средой. Например, электроды 124 могут иметь выступающую часть, которая выступает через заливку, в результате чего они имеют электрический контакт с технологической текучей средой. В другом примере электроды 124 формируются из проводящих накладок, которые располагаются на внешней поверхности выступающей части. Электрическая схема, используемая для формирования катушек 122 и электродов 124, может быть гибкой электрической схемой, при этом электрическая схема может изгибаться, когда выступающие части открываются, и искривляться, чтобы соответствовать внутреннему профилю технологической трубы 16. Может использоваться методика литья под давлением, так что материал заливается вокруг гибкой электрической схемы.
[0020] Фиг. 6 и 7 представляют собой вид в перспективе, показывающий размещение электромагнитного расходомера 12 на фланце 22 трубы 16. На фиг. 6 электромагнитный расходомер 12 располагается на фланце 22, и с ним совмещается кольцо 18 переднего края. На фиг. 7 кольцо 18 переднего края прижимается к выступающим частям 42, 44, так что они открываются внутрь трубы 16. Таким образом, выступающие части 42 и 44 имеют диаметр в раскрытом положении, который несколько меньше, чем труба 16, и простираются коаксиально трубе 16. В закрытом положении боковой профиль расходомера 12 является относительно тонким, что позволяет вставить его между противоположными фланцами трубы с очень небольшим расстоянием между ними. Например, для электромагнитного расходомера с диаметром четыре дюйма (10,16 см) необходимо лишь приблизительно 0,75 дюйма (1,905 см) расстояния между фланцами 20 и 22 труб.
[0021] Фиг. 8 представляет собой боковой вид сверху труб 14 и 16, которые фиксируют расходомер 12 между соответствующими фланцами 20 и 22. В этой конфигурации расходомер 12 имеет электрический контакт с технологическими трубами 14, 16 через электрическое соединение с кольцом 46 заземления и электрический контакт 48, показанный на фиг. 2. Как обсуждалось выше, контакт 48 находится на внешнем монтажном кольце 40 и имеет внешнюю открытую поверхность, которая выполнена с возможностью контактировать с кольцом 18 переднего края и, таким образом, обеспечивать электрическое соединение для заземления, обеспеченного технологической трубой 14.
[0022] На фиг. 9 блок-схема показывает один вариант осуществления электрической схемы 140 расходомера для измерения потока проводящей технологической текучей среды. Катушки 122 выполнены с возможностью приложения магнитного поля к потоку жидкости в ответ на приложенный ток возбуждения от возбудителя 130 катушек. Датчики 124 ЭДС (электроды) электрически соединены с потоком жидкости и обеспечивают вывод 134 сигнала ЭДС на усилитель 132, связанного с ЭДС, формируемой в потоке жидкости вследствие приложенного магнитного поля и скорости потока. Аналого-цифровой преобразователь 142 предоставляет оцифрованный сигнал ЭДС микропроцессорной системе 148. Микропроцессорная система 148 соединяется с выводом 134 ЭДС и обеспечивает вывод 160, относящийся к скорости потока.
[0023] Микропроцессорная система 148 вычисляет скорость потока через технологическую трубу 16 в соответствии с взаимосвязью между выводом 134 ЭДС и скоростью потока, как указано в законе Фарадея, который утверждает:
(Уравнение 1).
Где E является выводом 134 ЭДС, V является скоростью жидкости, D является расстоянием между двумя выступающими частями 44 и B является напряженностью магнитного поля в жидкости. K является коэффициентом пропорциональности. Выходная электрическая схема 158 формирует вывод 160 для передачи в контуре 32, соединенном с разъемами 64. Разъемы 64 могут соединяться с контуром 32 и/или источником питания для питания электрической схемы 140.
[0024] Может использоваться необязательный датчик 68 на эффекте Холла для измерения напряженности магнитного поля, приложенного катушками 122. Напряженность приложенного магнитного поля может изменяться из-за изменчивости условий установки. Например, различные типы или размеры технологических труб 14, 16 могут изменять магнитное поле. Такие изменения в магнитном поле будут также приводить к изменению измеренной ЭДС. Чтобы учесть такие изменения, может использоваться датчик на эффекте Холла для измерения магнитного поля с помощью усилителя 168 и аналого-цифрового преобразователя 164. На основании измеренного магнитного поля может использоваться скорректированное значение переменной B в Уравнении 1 для получения точных измерений расхода жидкости.
[0025] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в области техники будет очевидно, что могут быть сделаны изменения в форме и деталях, не отступая от сущности и объема изобретения. Электрическая схема, показанная на фиг. 9, обеспечивает один пример измерительной схемы для измерения потока технологической текучей среды на основании считываемой ЭДС. Электрическая схема может быть встроена или установлена на или внутри внешнего монтажного кольца 40, выступающих частях 42, 44 или может быть расположена в корпусе и т.п., например, в виде передатчика, расположенного вне внешнего монтажного кольца 40. Например, корпус 12A, показанный на фиг. 1B, может быть выполнен как датчик расхода. Внешнее монтажное кольцо 40 является одним примерным вариантом осуществления корпуса измерителя, использующимся в настоящем документе. В настоящем документе термин "шарнир" относится к любому элементу или компоненту, позволяющему относительное угловое движение между двумя компонентами. Шарниры могут быть механическими компонентами, в которых элементы скользят между друг другом, или они могут быть сформированы гибким элементом. Хотя на чертежах изображены четыре выступающих части, может использоваться любое число выступающих частей по желанию. Хотя показано, что электроды находятся на выступающих частях, в других конфигурациях электроды могут быть установлены на внешнем монтажном кольце 40. Хотя в настоящем документе приводятся конкретные примеры гибких изолирующих материалов, может использоваться любой соответствующий материал, в том числе любой тип полимерного материала, который обеспечивает свойства электрической изоляции.