МАГНИТНО-ИНДУКТИВНЫЙ РАСХОДОМЕР
MAGNETIC-INDUCTIVE FLOW METER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к магнитоиндуктивному расходомеру (также называемому магнитоиндукционным или электромагнитным расходомером) и к измерительной трубке для магнитоиндуктивного расходомера.
Метрологической основой измерения расхода посредством известного десятки лет магнитоиндуктивного расходомера служит измерительная трубка из немагнитного материала, например из полимерного материала или немагнитного металла. Кроме того, измерительная трубка на стороне потока в области магнитного поля, созданного имеющим магнитную цепь устройством, является неэлектропроводящей или электрически изолированной посредством изолирующей от измеряемой текучей среды облицовки. В рабочем режиме созданное имеющим магнитную цепь устройством магнитное поле пронизывает измерительную трубку на измерительном участке по существу перпендикулярно направлению потока. Если в измерительной трубке протекает измеряемая текучая среда с минимальной электропроводностью, имеющиеся в проводящей измеряемой текучей среде носители заряда отклоняются магнитным полем. На расположенных перпендикулярно магнитному полю и направлению потока электродах вследствие разделения зарядов возникает разность электрических потенциалов, которая регистрируется измерительным прибором и представляется в количественной форме как измеряемое напряжение. Замеренное напряжение пропорционально скорости потока транспортируемых измеряемой текучей средой носителей заряда, так что из скорости потока можно сделать вывод о расходе в измерительной трубке.
Чувствительность магнитоиндуктивного расходомера и точность производимых магнитоиндуктивным расходомером измерений зависит, среди прочего, от созданного имеющим магнитную цепь устройством в области измерительного участка измерительной трубки магнитного поля, от геометрии измерительного участка и от расположения электродов. Геометрия расположения определяет однородность созданного в области измерительного участка магнитного поля, гидравлические условия измеряемой текучей среды на измерительном участке и, тем самым, также созданное вследствие разделения зарядов на измерительном участке электрическое поле, которое является основой измерения. Согласование этих разных компонентов магнитоиндуктивного расходомера между собой является решающим для достижимой точности измерений.
Из уровня техники известно варьирование поперечного сечения измерительной трубки по ее продольной протяженности, то есть на протяженности в прямом направлении. Обращенное к входному отверстию поперечное сечение потока впускного участка обычно имеет геометрию для подключения к процессу, то есть обычно круглое поперечное сечение потока с номинальным внутренним диаметром используемой в процессе трубы, к которой следует подключить магнитоиндуктивный расходомер. То же относится к обращенному к выпускному отверстию поперечному сечению потока выпускного участка, который также обращен к процессу и должен быть подключен к процессу. Когда здесь речь идет о "поперечном сечении потока", то под ним всегда следует понимать замеренную перпендикулярно направлению потока свободную площадь поперечного сечения измерительной трубки, выделенную для потока, то есть без толщины стенок измерительной трубки в соответствующем месте.
Из DE 102008057755 А1 известно, например, что поперечное сечение потока на обращенном к входному отверстию конце впускного участка уменьшается по направлению к измерительному участку, а затем обращенное к выходному отверстию поперечное сечение потока измерительного участка снова увеличивается до обращенного к выходному отверстию поперечного сечения потока выпускного участка. Изменение поперечного сечения имеет то преимущество, что скорость потока измеряемой текучей среды в области измерительного участка увеличивается и вследствие этого достигается усиленный эффект разделения зарядов вследствие магнитного поля на измерительном участке.
Переменная геометрия измерительной трубки на ее продольной протяженности на уровне техники достигается посредством довольно дорогостоящих технологий, например путем литья соответствующей металлической измерительной трубки, путем пластического формоизменения с преобладанием высоких сжимающих напряжений изнутри или путем литья под давлением полимерной измерительной трубки. Производственная себестоимость и связанные с ней затраты не позволяют использовать магнитоиндуктивные расходомеры для массового применения в низшем ценовом диапазоне, например, как домовых водомеров. Это связано не только с производственными расходами на изготовление измерительной трубки, но и с общей довольно сложной аппаратной и метрологической конструкцией магнитоиндуктивного расходомера.
Задачей данного изобретения является создание магнитоиндуктивного расходомера с измерительной трубкой, в котором конструктивно поддерживаются высокая чувствительность и точность измерений, причем измерительную трубку, кроме того, можно, предпочтительно, изготовлять простым и потому более дешевым способом.
Указанная выше задача решена в предлагаемом магнитоиндуктивном расходомере. Расходомер имеет по меньшей мере одну измерительную трубку, по меньшей мере одно имеющий магнитную цепь устройство для реализации магнитной цепи и по меньшей мере два электрода для регистрации измеряемого напряжения. Измерительная трубка имеет впускной участок, примыкающий к впускному участку измерительный участок, и примыкающий к измерительному участку выпускной участок, причем поперечное сечение потока измерительного участка меньше как обращенного к входному отверстию поперечного сечения потока впускного участка, так и обращенного к выходному отверстию поперечного сечения потока выпускного участка, электроды расположены на противоположных электродных участках или внутри них на измерительном участке измерительной трубки, а расстояние между электродными участками на измерительном участке измерительной трубки больше, чем внутренний диаметр обращенного к входному отверстию поперечного сечения потока впускного участка измерительной трубки. Для решения задачи измерительная трубка изготовлена из металлической трубки, состоящей из немагнитного материала, причем сужающийся участок впускного участка, расширяющийся участок выпускного участка и область измерения изготовлены без снятия стружки посредством воздействующих снаружи на металлическую трубку сил.
В предлагаемом в изобретении расходомере под расстоянием между участками для электродов на измерительном участке измерительной трубки имеется в виду расстояние от стенки до стенки измерительной трубки на участках, в которых предусмотрены электроды, без учета изолирующих футеровок измерительной трубки на этом участке и также без учета возможных углублений в измерительной трубке, в которые вставлены электроды. Если речь идет о «конкретном» внутреннем диаметре обращенного к входному отверстию поперечного сечения потока впускного участка, то тогда исходят из того, что обращенное к входному отверстию поперечное сечение впускного участка представляет собой площадь круга, что следует единственно из того, что магнитоиндуктивные расходомеры должны подключаться к трубам технологического комплекса с круглым поперечным сечением и, тем самым, в противоположность поперечному сечению потока на измерительном участке, имеют круговые поперечные сечения потока и потому имеют там один единственный внутренний диаметр.
Вследствие большого расстояния между электродными участками на измерительном участке измерительной трубки выделенное для разделения зарядов расстояние увеличивается сверх известного до сих пор размера, причем дополнительное значение имеет то, что сверх известного до сих пор размера увеличивается также площадь, на которой на среду может воздействовать магнитное поле. Ведь обычно на участках стенок измерительного участка предусмотрены полюсные башмаки имеющего магнитную цепь устройства, которые расположены перпендикулярно электродным участкам на измерительном участке измерительной трубки. За счет такой меры чувствительность магнитоиндуктивного расходомера с помощью геометрической формы конструкции повышается и оказывается также положительное влияние на точности измерений, поскольку при таком большом расстоянии между электродными участками есть возможность создать в большой части объема на измерительном участке в значительной мере однородное магнитное поле.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается, в частности, в упрощении изготовления измерительной трубки при обеспечении высокой чувствительности и точности расходомера.
В усовершенствованном варианте магнитоиндуктивного расходомера согласно изобретению и его измерительной трубки предусмотрено, что поперечное сечение потока измерительного участка является по существу прямоугольным и соотношение длина/ширина составляет более 3:1, предпочтительно более 3,5:1. В указанных соотношениях длина/ширина под длиной следует понимать расстояние между электродными участками на измерительном участке измерительной трубки. В совокупности при соблюдении такой инструкции по конструктивному исполнению получается необычно гладкий проточный канал, улучшающий гидравлические условия, которые положительно влияют на точность измерений. Короткие, определяющие «ширину» стенки содержат при этом электродные участки, а на расположенных по существу перпендикулярно к ним «длинных» стенках, предпочтительно, располагают противостоящие полюсы имеющего магнитную цепь устройства. Особенно хорошие результаты удалось получить при соотношении длина/ширина 3,74:1.
В предпочтительном варианте магнитоиндуктивного расходомера и измерительной трубки для этого расходомера предусмотрено, что соотношение обращенного к входному отверстию поперечного сечения потока впускного участка к поперечному сечению потока измерительного участка составляет более 1,8:1, предпочтительно даже более 2,0:1 и особо предпочтительно более 2,2:1. Оказалось, что при большом расстоянии между электродными участками на измерительном участке измерительной трубки может быть реализовано относительно быстрое сужение поперечного сечения потока, без того, чтобы было отрицательное воздействии на поток на измерительном участке измерительной трубки, что, прежде всего, действительно в связи с указанным выше соотношением длина/ширина поперечного сечения потока на измерительном участке.
Магнитоиндуктивный расходомер согласно изобретению в принципе пригоден к применению для всех обращенных в сторону подключения номинальных внутренних диаметров, однако особо пригоден для обращенных в сторону подключения номинальных внутренних диаметров измерительной трубки, которые меньше нескольких десятков миллиметров, прежде всего менее 40 мм, это связано с тем, что в таких небольших магнитоиндуктивных расходомерах выступающая за внешний размер обращенного к входному отверстию поперечного сечения протяженность измерительного участка между электродными участками не создает помех, т.к., например, можно беспроблемно изготовить корпус такого размера, чтобы он еще вмещал в себя несколько выступающую за его пределы геометрию измерительного участка, что в магнитоиндуктивных расходомерах со значительно большими номинальными внутренними диаметрами может быть проблематично.
Прежде всего, существует ряд возможностей выполнить и усовершенствовать магнитоиндуктивный расходомер согласно изобретению и измерительную трубку согласно изобретению для такого расходомера. Для этого дается ссылка на зависимые от п.1 формулы изобретения пункты формулы изобретения, а также на описание предпочтительных примеров осуществления изобретения в сочетании с чертежом. На чертеже показаны:
фиг.1 - магнитоиндуктивный расходомер,
фиг.2 - измерительная трубка магнитоиндуктивного расходомера согласно фиг.1 в разрезе,
фиг.3 - измерительная трубка согласно фиг.2 в другом виде сбоку в разрезе,
фиг.4 - разрез измерительного участка измерительной трубки согласно фиг.1-3 в области электродов.
На фиг.1 показан магнитоиндуктивный расходомер 1 с измерительной трубкой 2 и с имеющим магнитную цепь устройством 3 для реализации магнитной цепи и с двумя электродами, из которых на фигуре виден только электрод 4. Электроды 4 служат для регистрации измеряемого напряжения, которое возникает тогда, когда по измерительной трубке 2 протекает электропроводящая среда, причем тогда в среде происходит разделение зарядов по направлению к электродам 4, когда имеющее магнитную цепь устройство 3 создает магнитное поле перпендикулярно направлению потока и перпендикулярно воображаемой оси противоположных электродов 4. В показанном на фиг.1 примере осуществления имеющее магнитную цепь устройство 3 состоит из двух расположенных одна напротив другой пластин 3а электродов с соответственно катушкой 3b на каждой, на которые подается напряжение от не показанного здесь управляющего электронного блока. Также, явно не показан магнитный шунт имеющего магнитную цепь устройства, что в данном случае также не имеет значения.
В отличие от фиг.1, на фиг.2-4 показана только измерительная трубка, чтобы подчеркнуть ее конструктивные особенности.
m
е
а
На фиг.1-4 измерительная трубка 2 имеет впускной участок 2a, примыкающий к впускному участку 2a измерительный участок 2b и примыкающий к измерительному участку 2b выпускной участок 2c. Как сразу видно, поперечное сечение A потока измерительной трубки 2 существенно меняется на продольной протяженности измерительной трубки 2, то есть в направлении протекания. Поперечное сечение A потока измерительного участка 2b меньше, чем обращенное к входному отверстию поперечное сечение A потока впускного участка 2a, а также меньше, чем обращенное к выходному отверстию поперечное сечение A потока выпускного участка 2c.
Электроды 4 расположены на противоположных электродных участках 5a, 5b или в них на измерительном участке 2b измерительной трубки 2, где они снимают возникающие вследствие разделения зарядов электрические потенциалы и, наконец, представляют их как измеряемое напряжение.
e
е
m
е
е
Как особенно хорошо видно на фиг.3, изображенная на фигуре измерительная трубка 2 отличается тем, что расстояние 8 м между электродными участками 5a, 5b на измерительном участке 2b измерительной трубки 2 больше, чем внутренний диаметр S обращенного к входному отверстию поперечного сечения A потока впускного участка 2a измерительной трубки 2. В то время как расстояние S между электродными участками 5a, 5b на измерительном участке 2b увеличивается по сравнению с внутренним диаметром S обращенного к входному отверстию поперечного сечения A, увеличивается также расстояние эффективного разделения зарядов и, тем самым, эффективная чувствительность измерений магнитоиндуктивного расходомера 1. По мере расширения поперечного сечения потока одновременно увеличивается также возможная рабочая поверхность и поверхность прилегания полюсных наконечников 3а имеющего магнитную цепь устройства 3.
m
m
m
m
m
Как ясно видно на фиг.4, а также при сравнении фиг.2 и 3, поперечное сечение A потока измерительного участка 2b является по существу прямоугольным и имеет в данном случае соотношение длина/ширина примерно 3,7, таким образом расстояние S между электродными участками 5a, 5b в этом примере осуществления почти в четыре раза больше, чем высота поперечного сечения в свету. В выполненном таким образом поперечном сечении A потока измерительного участка 2b достигается благоприятный профиль потока, что положительно сказывается на достижимой точности измерений. «Является по существу прямоугольным» в этой связи означает, что поперечное сечение A потока измерительного участка 2b большей частью ограничено проходящими параллельно друг другу парами поверхностей стенок, разумеется, поверхности стенок переходят одна в другую только с известным радиусом кривизны. Поперечное сечение A потока измерительного участка 2b в показанном примере осуществления по продольной протяженности измерительного участка 2b является неизменным, так что на измерительном участке 2b может устанавливаться спокойный поток без нежелательных возмущений.
е
m
В показанном в общем на фигурах примере осуществления соотношение обращенного к входному отверстию поперечного сечения A потока впускного участка 2a к поперечному сечению A потока измерительного участка 2b составляет примерно 2,2, таким образом происходит существенное уменьшение поперечного сечения потока, причем показанное конструктивное решение отличается тем, что профиль потока тем не менее и особенно пригоден для высококачественного измерения расхода.
а
а
Впускной участок 2a в общем выполнен в такой форме, что на единственном, взаимосвязанном сужающемся участке он имеет постоянно уменьшающееся поперечное сечение потока, то есть без уступов в поперечном сечении и также без фаз сохранения параметров в постоянном поперечном сечении потока. То же соответственно справедливо для выпускного участка 2c, который на единственном, взаимосвязанном расширяющемся участке имеет постоянно увеличивающееся поперечное сечение потока, которое заканчивается, наконец, обращенным к выходному отверстию поперечным сечением A потока, которое затем на небольшом расстоянии сохраняется постоянным, однако эта область постоянного выпускного поперечного сечения А потока уже не считается относящейся к расширяющемуся участку.
M
Форма выполнения измерительного участка 2b измерительной трубки 2 позволяет получить особо короткую конструкцию всей измерительной трубки 2. В показанном на фигурах примере осуществления соотношение продольной протяженности измерительного участка 2b к продольной протяженности сужающегося участка и соотношение продольной протяженности измерительного участка 2b к продольной протяженности расширяющегося участка составляет около 0,9. Обращенный в сторону подключения номинальный внутренний диаметр измерительной трубки 2 составляет 15 мм, и расстояние S между электродными участками 5a, 5b в представленном примере осуществления составляет 17,2 мм. Расходомер с показанными размерами особенно предназначен, например, для применения с целью учета расхода воды в обычных для домашнего хозяйства количествах, то есть в качестве бытового водомера.
В данном случае измерительная трубка 2 изготовлена из металлической трубки из немагнитного материала, причем сужающийся участок впускного участка 2a, расширяющийся участок выпускного участка 2c и область 2b измерения изготовлены без снятия стружки посредством воздействующих снаружи на трубу сил, то есть геометрию трубы можно изготовить очень простым образом, не прибегая к таким дорогостоящим способам изготовления, как литье или штамповка эластичными средами, так что производственные расходы по сравнению с известными из уровня техники измерительными трубками для показанных магнитоиндуктивных расходомеров очень низки и, тем самым, возможно использование подобных магнитоиндуктивных расходомеров с такими измерительными трубками для массового применения в низшем ценовом диапазоне.
На фиг.1-3 видно, что измерительная трубка 2 на измерительном участке 2b имеет непроводящую облицовку 6, которая может отсутствовать в других примерах осуществления, где измерительная трубка сама является неэлектропроводной.