ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ СРЕДЫ, ПРОТЕКАЮЩЕЙ ЧЕРЕЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТРУБУ
MEASUREMENT DEVICE AND METHOD TO MEASURE SPEED OF FLOW OF MEDIUM FLOWING VIA MEASUREMENT PIPE

Изобретение касается измерительного устройства для измерения скорости течения среды, протекающей через измерительную трубу, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также способа измерения скорости течения среды, протекающей через измерительную трубу, согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения.
Устройства для магнитно-индуктивного измерения скорости течения среды известны, например, из WO 2008/107460 A1, WO 03/09814 A1 и WO 2007/031053 A2. Обычно они имеют средства для создания ортогонального к направлению течения среды постоянного магнитного поля, а также электроды, которые расположены в лежащей ортогонально к направлению течения среды плоскости на стенках измерительной трубы и посредством которых регистрируется создаваемое в среде электрическое напряжение. Зарегистрированный посредством электрода сигнал измерения затем передается в измерительный прибор, в котором этот сигнал измерения оценивается.
Магнитно-индуктивные проточные датчики (MID) используют тот факт, что протекающая в измерительной трубе среда, которая пронизывается магнитным полем, индуцирует электрическое поле, которое может измеряться посредством электродов в виде напряжения. Это напряжение прямо пропорционально скорости течения среды. На основании скорости течения среды затем может быть рассчитано количество протекающей среды. Для отбора сигнала такого рода измерительных устройств может применяться гальванический или емкостной съем сигнала. Чаще всего применяется гальванический отбор сигнала, при котором снабженные вводами сквозь внутреннюю стенку трубы металлические электроды малого диаметра (в общем случае несколько миллиметров) находятся в непосредственном (гальваническом) контакте со средой. Они должны быть снабжены надежными уплотнениями относительно стенки трубы. Этот вид отбора отличается прочной и простой конструкцией, однако является уязвимым по отношению к химическому воздействию, отложениям и абразии на электродах и уплотнениях. Управление высокими рабочими температурами предполагает тщательный подбор коэффициента теплового расширения материала электрода и материала стенки.
При емкостном отборе сигнала электрод не находится в непосредственном контакте со средой, а окружен изолирующим слоем, который, в свою очередь, находится в контакте со средой.
Предлагаемые на рынке магнитно-индуктивные проточные датчики работают с изменяющимися во времени магнитными полями, так называемыми переменными полями, для устранения накладывающихся на полезный сигнал сигналов помех, которые различаются быстро изменяющимися составляющими шума и медленно изменяющимися дрейфовыми составляющими. Существенными источниками этих сигналов помех являются изменяющиеся во времени, не подлежащие точному определению потенциалы двойного слоя на границе между текучей средой и элементом связи, т.е., в частности, электродом. Для учета этих составляющих сигнала требуются полюсные катушки, через которые протекает ток, которые чаще всего эксплуатируются в импульсном, то есть цикличном режиме. Как при гальваническом, так и при емкостном отборе сигналов измерения требуется изменяющееся во времени магнитное поле известной величины, что приводит к дополнительной затрате энергии для создания этих магнитных полей. Такого рода измерительные устройства с переменными полями позволяют также осуществлять только прерывистое измерение с частотой последовательности импульсов магнитного поля. Требуемая частота последовательности импульсов магнитного поля зависит, кроме того, от частотного спектра напряжений помех. Поэтому стремятся разрабатывать измерительные устройства, которые не требуют изменяющихся во времени магнитных полей, а обходятся одним постоянным магнитом, и которые, тем не менее, позволяют осуществлять подавление сигналов помех.
В связи с их значительным влиянием на точность измерения известны попытки создать системы и компоненты для отбора сигнала у магнитно-индуктивных проточных датчиков, которые в отношении их поведения шума и дрейфа обладают значительно более благоприятными свойствами, чем традиционные измерительные устройства, снабженные чисто металлическими электродами гальванической структуры отбора сигнала. Примеры этого описаны в US 4517846 и WO 98/55837 A1. В обоих случаях предлагается покрытие металлического электрода очень твердыми оксидами металла таким образом, чтобы текучая среда вступала в непосредственный контакт только с этим слоем. Этот слой, с одной стороны, хотя и является электрически изолирующим, однако выполнен пористым. Эта пористая структура может создаваться уже в процессе изготовления слоя или же путем целенаправленной последующей обработки.
Такого рода пористый слой обладает преимуществом эффекта уменьшения шума и дрейфа, который объясняется проникновением среды в пористую структуру. Благодаря пористой структуре создается увеличенная контактная поверхность между протекающей в измерительной трубе средой и твердым телом, то есть структурой отбора сигнала. Кроме того, в порах образуются ионные каналы, которые служат для проводимости собственно изолирующего слоя. Кроме того, слою приписывается способность к накоплению ионов, которое служит буфером заряда и поэтому обладает эффектом уменьшения шума и дрейфа.
В более ранних публикациях сообщается также о фрактальных поверхностных структурах слоев, например, из нитрида титана, которые с большим успехом применяются в медицинской технике в качестве слоев, обладающих малым шумом и дрейфом, для ввода сигнала и отбора сигнала, например, у стимуляторов сердца (сравните Wintermantel, E., "Medizintechnik", Springer, Берлин, 5-е издание 2009 г., стр.1338 и далее). Следует ожидать, что похожие решения подходят также для отбора сигнала из магнитно-индуктивного проточного сенсора и там приведут к дополнительному снижению электрохимически обусловленных сигналов шума, дрейфа и переходных сигналов.
+
Желательно также создать магнитно-индуктивный проточный датчик, который не зависит от протекания тока в среде. Бестоковое измерение обладает решающими преимуществами, в частности, однажды настроенные зарядовые равновесия не нарушаются при измерении, так как оно не связано ни с каким переносом вещества. Это оказывает благоприятное действие в виде дополнительного уменьшения дрейфа. В то время как большинство способов отбора сигнала у магнитно-индуктивного проточного датчика предполагают протекание тока, из DE 10 718 B3 известен бестоковый принцип. Там предлагается чистое измерение электрического поля, которое возникает при взаимодействии протекающей в измерительной трубе среды с магнитным полем. При этом электрическое поле оказывает управляющее действие на сопротивление соседнего полупроводника. В конкретном выражении пара ISFET (ионно-чувствительных полевых транзисторов) выполняет там отбор сигнала, при этом снабженные изолирующим слоем электроды затвора транзисторов соответственно находятся в контакте с текучей средой. В простейшем случае изолирующий слой на электроде затвора состоит из оксида кремния. Об этом материале известно, что на его поверхности могут накапливаться и удаляться H-ионы (P.Bergveld, ISFET, Theory and Practice, IEEE SENSOR CONFERENCE TORONTO, октябрь 2003 г.). Благодаря этому устанавливается зависящее от значения pH текучей среды равновесие поверхностного заряда и обусловленное этим равновесием напряжение двойного слоя. Поверхность изолирующего вещества действует как накопитель заряда, который благодаря своему буферному действию стабилизирует напряжение двойного слоя и таким образом эффективно способствует подавлению шума. Между затворами пары ISFET измеряется сетевое напряжение, на которое наложена разность напряжений двойного слоя, при этом посредством нее происходит управление траекторными сопротивлениями ISFET.
Как было сказано, бестоковое измерение обладает, в частности, тем решающим преимуществом, что однажды настроенные зарядовые равновесия не нарушаются при измерении, так как оно не связано ни с каким переносом вещества. На практике, однако, каждое изолирующее вещество материал обладает очень низкой, но конечной проводимостью, так что бестоковое измерение в действительности возможно только приближенным образом. Поэтому описанная система ISFET для отбора сигнала может также пониматься как комбинация пары накапливающих ионы слоев и дифференциального усилителя с чрезвычайно высоким входным сопротивлением.
Описанные выше, известные из уровня техники измерительные устройства для магнитно-индуктивного измерения обладают тем недостатком, что невозможна отдельная оптимизация измерительного устройства в отношении минимизации сигналов шума и помех, а также реализация практически бестокового измерения.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создать измерительное устройство и способ измерения скорости течения среды, протекающей через измерительную трубу, которое объединяет преимущества почти бестокового измерения поля с преимуществами отбора сигнала через неметаллические слои и которое может эксплуатироваться с постоянным магнитом.
Для решения этой задачи предлагается измерительное устройство с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления измерительного устройства приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением для измерения скорости течения среды, протекающей через измерительную трубу, предусмотрены средства для создания ортогонального к направлению течения среды постоянного магнитного поля. Кроме того, измерительное устройство, предлагаемое изобретением, имеет по меньшей мере две предпочтительно противолежащие области отбора, которые расположены в лежащей ортогонально к направлению течения среды плоскости на стенках измерительной трубы, при этом каждая область отбора имеет электрод, который на обращенной к среде стороне имеет пористый слой. Пористый слой может иметь пористую структуру или фрактальную структуру и предпочтительно имеет неметаллическую твердую механическую природу. Предпочтительно он полностью покрывает обращенную к среде сторону электрода и таким образом электрически изолирует электрод относительно среды. Пористый слой может состоять из оксида металла, нитрида металла и/или из карбида металла. Можно, однако, выполнить его также из полимерного материала. Толщина пористого слоя соответствует предпочтительно по существу толщине стенки измерительной трубы. Кроме того, пористый слой предпочтительно наносится на электроды на месте. Наконец, предусмотрен также измерительный прибор для регистрации сигнала измерения, который может представлять собой усилитель, в частности дифференциальный усилитель, или который может иметь таковой. Средство для создания лежащего ортогонально к направлению течения среды постоянного магнитного поля представляет собой предпочтительно постоянный магнит для обеспечения возможности непрерывного измерения. Области отбора образуют измерительный контур, служащий для отбора сигнала измерения, который на границе с находящейся в измерительной трубе средой ведет через неметаллический пористый слой, находящийся своей обращенной к среде стороной в непосредственном контакте с протекающей средой и своей задней стороной прочно соединенный с проводящим материалом-носителем, а именно с электродом, который одновременно служит для вывода сигнала измерения наружу. Наконец, сигнал измерения передается в измерительное аналитическое устройство. Изобретение отличается тем, что пористый слой (11, 11') содержит оксидный и/или неоксидный керамический материал.
Кроме того, одно из особых усовершенствований изобретения предусматривает, что измерительный прибор обладает входным сопротивлением, равным по меньшей мере 100 ГОм.
Предпочтительно измерительный контур выполнен так, что покрытые неметаллическим слоем электроды области отбора погружаются в протекающую в измерительной трубе среду так, что только неметаллический слой находится в непосредственном контакте со средой, а металлические контакты, т.е. электроды, непосредственно соединены с измерительным прибором, в частности, с инструментальным усилителем, который обладает входным сопротивлением, равным по меньшей мере 100 ГОм.
Для решения вышеназванной задачи предлагается также способ измерения скорости течения среды, протекающей через измерительную трубу, с отличительными признаками пункта 15 формулы изобретения, при котором среда пронизывается лежащим ортогонально к направлению ее течения постоянным магнитным полем. Возникающее в среде электрическое напряжение регистрируется посредством электродов, которые расположены на стенке измерительной трубы в лежащей ортогонально к направлению течения среды плоскости. Электроды покрыты неметаллическим пористым слоем. Способ, предлагаемый изобретением, отличается тем, что сигнал измерения передается в измерительный прибор, в частности, дифференциальный усилитель, при этом измерительный прибор обладает входным сопротивлением, равным по меньшей мере 100 ГОм. Благодаря этому обеспечиваются приведенные выше преимущества соответствующего измерительного устройства.
Таким образом, с помощью настоящего изобретения описанные выше преимущества отбора сигнала через слои, которые, например, предлагаются в US 4517846 и WO 98/55837 A1, могут комбинироваться с преимуществами почти бестокового измерения, при этом отбираемые через неметаллические пористые слои сигналы передаются во внешний, обладающий чрезвычайно большим омическим сопротивлением измерительный прибор, в частности дифференциальный усилитель. В противоположность предложенному в DE 10 2005 043 718 B3 отбору сигнала через ISFET в настоящем изобретении возможна отдельная оптимизация слоев, с одной стороны, и дифференциального усилителя, с другой стороны, в отношении минимизации сигналов шума и помех. Современная конструкция усилителя в сочетании с достижениями прогресса в области современных керамических материалов, и особенно в области тонких слоев, т.е. слоев в диапазоне толщины от микрометрического до нанометрического, создают при этом в соответствии с изобретением предпосылки для отбора сигнала с чрезвычайно низким шумом и дрейфом.
2
2
3
2
2
2
Предлагаемое изобретением устройство было успешно опробовано с пористыми слоями из оксидных керамических материалов оксида кремния, в частности SiO, оксида алюминия, в частности AlO, оксида титана, в частности TiO. Для этого слои различной толщины, в частности, равной от нескольких десятков микрометров до нескольких нанометров, наносились различными способами изготовления на обращенную к среде сторону электродов. Так, например, более толстые слои SiO изготавливались по технологии шлифования, в то время как тончайшие слои создавались посредством принятых в полупроводниковой технологии способов, таких как, например, плазменное осаждение или путем ионно-плазменного напыления. Чрезвычайно тонкие слои TiO с толщиной менее 1 нанометра изготавливались путем многочасового кипения.
3
4
Кроме того, было установлено, что неоксидные керамические материалы, такие как, например, нитрид кремния, в частности SiN, и карбид кремния, в частности SiC, аналогичным образом обладают замечательными свойствами для предусмотренного применения в магнитно-индуктивных проточных датчиках. Важной целью дальнейших исследований будет пополнение перечня возможных материалов.
Во всех описанных случаях применялся инструментальный усилитель с входным сопротивлением, равным 120 ГОм. Применяемые постоянные магниты на базе редкоземельных элементов SmCo и NdFe позволяют получать плотности магнитного потока в среде, равные до B=0,5 T, и приводят к характерному полезному сигналу, равному почти 10 мВ при скорости течения среды, равной 1 м/с. При этом магнитное поле приблизительно на два порядка величины выше, чем у предлагаемых на рынке приборов. Вследствие очень небольших протекающих в измерительном контуре токов порядка величины фемтоампер с помощью названных покрытий могут получаться сигналы, практически не обладающие шумом и дрейфом, которые впервые позволяют реализовать непрерывное измерение скоростей течения с помощью магнитно-индуктивного датчика (MID), работающего с постоянным магнитом.
Следует особенно подчеркнуть, что чрезвычайно высокие плотности магнитного потока современных материалов постоянных магнитов могут получаться электромагнитным путем только с непосредственно охлаждаемыми водой проводниками. Так как полезный сигнал индуктивного датчика (MID) пропорционален плотности его потока, в соответствии с изобретением и так уже небольшие амплитуды шума оказывают особенно сильное воздействие в направлении высокого отношения полезный сигнал-сигнал шума. Поэтому предпочтительна реализация в измерительной трубе плотностей магнитного потока, равных по меньшей мере 0,1 Т. Особенно предпочтительно применение для этого постоянных магнитов, так как предлагаемое изобретением устройство для его эксплуатации не зависит от использования переменных полей.
Резюмируя, следует заметить, что предлагаемое изобретением устройство впервые позволяет осуществлять непрерывное магнитно-индуктивное измерение процессов течения при одновременно наивысшем разрешении, т.е. при особенно хорошем подавлении сигналов шума и дрейфа. Кроме того, измерительное устройство, предлагаемое изобретением, отличается простой и оптимальной по затратам конструкцией.
Ниже изобретение поясняется подробнее с помощью одного единственного чертежа.
На единственной фигуре показано схематичное поперечное сечение измерительного устройства 1, предлагаемого изобретением. Измерительное устройство 1 имеет измерительную трубу 3, через которую протекает среда 5 в направлении v течения, которое здесь в качестве примера указывает перпендикулярно в плоскость изображения.
0
Втекающая в плоскость изображения среда 5 перпендикулярно пронизывается показанным на фигуре в качестве примера слева направо магнитным полем B. При взаимодействии магнитного поля B и текущей среды 5 индуцируется пропорциональное объемному потоку напряжение U в качестве так называемого полезного сигнала в среде 5. Измерительное устройство 1 имеет для этого средства для создания лежащего ортогонально к направлению потока среды 5 постоянного магнитного поля B. Средства для создания магнитного поля B представляют собой предпочтительно постоянные магниты, которые на фигуре не изображены. Благодаря применению постоянных магнитов среда пронизывается непрерывным магнитным полем, которое, таким образом, не является переменным полем и поэтому позволяет осуществлять непрерывное измерение скорости течения среды 5.
Кроме того, измерительное устройство 1 имеет две области 7 и 7' отбора, которые расположены в лежащей ортогонально к направлению течения среды 5 плоскости E на стенках 9 измерительной трубы 3. Каждая область 7 и 7' отбора предпочтительно интегрирована в стенки 9 измерительной трубы и включает в себя неметаллический слой 11 или, соответственно, 11' и несущий слой в виде электрода 13 или, соответственно, 13', при этом неметаллический пористый слой 11 или, соответственно, 11' предпочтительно полностью покрывает обращенную к среде 5 сторону электродов 13, 13'. Электроды 13 и 13' являются проводящими и служат для механического опирания структуры и вывода сигнала наружу. Неметаллический слой 11, 11' может содержать оксид металла, нитрид металла или карбид металла или, соответственно, состоять из этих материалов. «Неметаллический» в этой связи означает, что пористый слой в противоположность электродам 13, 13' не содержит чистого металла, а, напротив, состоит из материала, который не обладает металлическими свойствами, в частности, не обладает хорошей проводимостью, а, напротив, оказывает электрически изолирующее действие. Предпочтительно пористый слой 11 или, соответственно, 11' благодаря взаимно согласованному выбору его удельного электрического сопротивления и его электрической постоянной обладает свойствами фильтра нижних частот.
0
Предпочтительно слой 11 или, соответственно, 11' представляет собой неметаллический пористый слой, который имеет пористую структуру или фрактальную структуру и выполнен механически твердым. На отвернутой от слоя 11 или, соответственно, 11' стороне электродов 13, 13', то есть на отвернутой от среды 5 стороне, соответственно, расположен контакт 15 или, соответственно, 15' на электроде 13, 13', который служит для отбора зарегистрированного напряжения U. Отобранное таким образом напряжение, соответственно, через соединение 17 или, соответственно, 17' передается в измерительный прибор 19, при этом измерительный прибор 19, в частности, представляет собой измерительный усилитель или, соответственно, дифференциальный усилитель или включает в себя таковой.
1
1
0
1
1
Между слоем 11, 11' и средой 5 находится соответственно описанный во введении граничный слой 21, 21', внутри которого устанавливается ионное равновесие между средой 5 и слоем 11, 11' благодаря соответствующему взаимодействию. В граничных слоях 21, 21' каждой области 7 и 7' отбора создаются также напряжения UD и UD' двойного слоя. Полезный сигнал U вместе с действующими в качестве сигнала помех напряжениями UD и UD' двойного слоя отбирается через две симметрично расположенные области 9 и 9' отбора и через контакты 6 и 6' и дальше через соединения 7 и 7' передается в обладающий высоким омическим сопротивлением измерительный усилитель или, соответственно, измерительный прибор 19.
Можно также интегрировать пористый слой 11 или, соответственно, 11' в стенки 9 измерительной трубы 3. Области отбора 7 и 7', которые имеют электроды 13 или, соответственно, 13' и пористый слой 11 или, соответственно, 11', могут быть также, однако, выполнены в виде компактных конструктивных элементов и просто вставляться в соответствующие отверстия в стенках 9 измерительной трубы 3 магнитно-индуктивного проточного датчика или, соответственно, измерительного устройства 1.
1
1
0
Фигура поясняет также, что пористые слои 11 или, соответственно, 1' расположены симметрично относительно измерительной трубы 3. При этом сигнал измерения отбирается через два симметрично расположенных пористых слоя 11 и 11' таким образом, что сигналы помех, в частности, напряжения UD и UD' двойного слоя двух «половин симметрии», то есть двух областей 7 и 7' отбора, практически компенсируются как разность, в то время как полезный сигнал U получается в виде сигнала полной величины как сумма сигналов соответственно половины амплитуды двух «половин симметрии».
В соответствии с изобретением измерительный прибор 19 имеет входное сопротивление, равное по меньшей мере 100 ГОм, предпочтительно равное 120 ГОм. Благодаря этому могут получаться сигналы, практически не обладающие шумом и дрейфом, которые впервые позволяют реализовать непрерывное измерение скорости течения с помощью работающего с постоянным магнитом измерительного устройства 1.
Резюмируя, следует констатировать, что настоящее изобретение объединяет преимущества почти бестокового измерения поля с преимуществами отбора сигнала через неметаллические слои и создаваемое при этом измерительное устройство, кроме того, может эксплуатироваться с постоянным магнитом, так что возможна экономия значительных затрат энергии.
Список ссылочных обозначений
1 Измерительное устройство
3 Измерительная труба
5 Среда
7, 7' Область отбора
9 Стенки
11, 11' Пористый слой
13, 13' Электрод
15, 15' Контакт
17, 17' Соединение
19 Измерительный прибор
21 Граничный слой
B Магнитное поле
E Плоскость
V Направление течения