МАГНИТНО-ИНДУКТИВНЫЙ РАСХОДОМЕР
MAGNETIC-INDUCTIVE FLOW METRE

Изобретение касается магнитно-индуктивного расходомера согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Магнитно-индуктивные расходомеры используют метод измерения, который основывается на законе Фарадея об электромагнитной индукции. Первое основное положение для магнитно-индуктивного измерения скорости потока текучих сред было запечатлено в 1832 году в опубликованной работе Майкла Фарадея. Современная электронная схемная техника в сочетании с магнитными переменными полями позволяет справиться с отделением пропорциональных скорости потока полезных сигналов от паразитных сигналов, которые возникают в электрохимических реакциях при создании магнитного поля на электродах, используемых для развязки сигнала. Таким образом, кажется, что широкому промышленному применению магнитно-индуктивных расходомеров больше ничего не препятствует.
Принцип измерения магнитно-индуктивных расходомеров использует разделение подвижных зарядов в магнитном поле. Через трубку из немагнитного материала, внутренняя сторона которого является электрически изолирующей, течет подлежащая измерению электропроводящая жидкость. Снаружи посредством катушек возбуждения прикладывается магнитное поле. Имеющиеся в электропроводной жидкости носители зарядов - ионы и другие заряженные частицы - отклоняются магнитным полем: положительные носители зарядов отклоняются к одной стороне, а отрицательные носителя зарядов - к другой стороне. На расположенных перпендикулярно магнитному полю измерительных электродах за счет разделения зарядов возникает напряжение, которое регистрируется измерительным прибором. Величина измеренного напряжения является пропорциональной скорости потока носителей зарядов и тем самым пропорциональной скорости течения измеряемой текучей среды. Посредством интеграции по времени может определяться расход (количество) протекающей текучей среды.
В случае магнитных полей, которые создаются с помощью чистого переменного напряжения, происходит индукция паразитных напряжений в электродах, которые должны подавляться подходящими, но дорогостоящими фильтрами. Поэтому магнитное поле обычным образом создают посредством тактируемого постоянного тока переменной полярности. Это гарантирует стабильную нулевую точку и делает измерение нечувствительным к влияниям многофазных веществ и к неоднородности в жидкости. Таким образом, даже при незначительной электропроводности является возможным достижение полезного/пригодного измерительного сигнала.
Если измеряемая жидкость движется через измерительную трубку, то в соответствии с законом электромагнитной индукции к обоим измерительным электродам, которые расположены в измерительной трубке перпендикулярно направлению течения и перпендикулярно магнитному полю, прикладывается напряжение. Это напряжение в случае симметричного профиля тока и однородного магнитного поля является прямо пропорциональным средней скорости потока. Подобный индуктивный способ измерения расхода позволяет прямо из потока получить электрический полезный сигнал для дальнейшей обработки. Здесь принципиально имеет место равенство:
U=k·B·D·v,
где U - напряжение, k - коэффициент пропорциональности, В - напряженность магнитного поля, D - диаметр трубки, v - скорость потока.
Возможная реализация магнитно-индуктивного расходомера раскрыта в публикации US 6626048 В1, полное раскрытие которой включено сюда посредством ссылки. Правда эта публикация показывает только физические и химические основные положения, но не дает никакой практической реализации.
Подразумевается, что в случае практической реализации магнитно-индуктивного расходомера должны быть решены значительные проблемы.
Так, в первую очередь, встает вопрос материала. Измерительная трубка должна быть немагнитной, чтобы не мешать магнитному полю. Далее, измерительная трубка должна быть электрически изолирующей, чтобы не мешать снятию напряжения с помощью электродов. Более того, трубка должна состоять из допустимого для контакта с пищевыми продуктами материала, если текучая среда представляет собой пищевой продукт, например питьевую воду.
Эти требования лучше всего могут быть выполнены, если в качестве материала используется допустимый для контакта с пищевыми продуктами полимерный материал. Правда, полимерные материалы по отношению к металлам имеют недостаток, заключающий в существенно более незначительной прочности. Однако, прочность относительно внутреннего давления является обязательным условием. Попытка достижения прочности против внутреннего давления за счет увеличенной толщины стенки трубки не является приемлемой, так как в противном случае слишком сильно было бы ослаблено магнитное поле.
Как упомянуто выше, напряжение на измерительных электродах является пропорциональным напряженности магнитного поля при условии того, что магнитное поле однородно пронизывает измерительный канал. US 6626048 В1 для случая кругло-цилиндрического измерительного канала раскрывает решение, состоящее из катушки возбуждения с магнитным сердечником из ферромагнитной электротехнической листовой стали, а также двух связанных с магнитным сердечником магнитных полюсов из магнитомягкой электротехнической листовой стали. Однако практические опыты показали, что с помощью такой системы не могут быть достигнуты удовлетворительные результаты измерения. Причины заключаются в относительно длинных силовых линиях и в большом магнитном сопротивлении в электротехнической листовой стали, так как магнитопровод расположен вокруг электродов.
В основе настоящего изобретения лежит задача предоставления магнитно-индуктивного расходомера, который преодолевает названные выше проблемы и выдает оптимальный результат измерения.
Эта задача решается посредством магнитно-индуктивного расходомера с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Существенное преимущество соответствующих изобретению магнитных полюсов состоит в равномерном распределении магнитных силовых линий по всей рабочей поверхности полюса и достигается посредством двойного ребра на задней стороне магнитного полюса. Посредством подходящего выбора размеров двойного ребра может оказываться влияние на распределение магнитных силовых линий. Одновременно эта полученная штамповкой-складыванием-гибкой часть изготавливается полностью автоматически и в крупносерийном производстве.
В соответствии с одним выполнением изобретения рабочие поверхности магнитного полюса являются треугольными, вследствие чего образованный из них магнитный полюс является прямоугольным. Альтернатива состоит в магнитных полюсах эллиптической формы.
Двойное ребро влечет за собой следующие преимущества. Если в соответствии с одним выполнением изобретения магнитный сердечник электромагнита или, во всяком случае, на своих концах выполняется плоским, то он может зажиматься между двойными ребрами. Таким образом, созданные в электромагните магнитные силовые линии оптимально и без ослабляющего воздушного зазора распределяются на обе части двойного ребра, которое затем направляет их далее в поверхностные элементы магнитного полюса.
Чтобы облегчить монтаж магнитного сердечника электромагнита, концы двойного ребра могут быть воронкообразно разведены.
Чтобы обеспечить возможность манипулирования электромагнитами, магнитным сердечником и магнитными полюсами и их позиционирования, в соответствии с одним усовершенствованием изобретения предусмотрен полимерный держатель, который удерживает с зажиманием эти части.
В соответствии с одним предпочтительным выполнением этого усовершенствования полимерный держатель имеет приблизительно U-образную форму со стабильной поперечной перемычкой на верхнем конце, с двумя короткими полками, с двумя параллельными им длинными полками, с пазом между длинными и короткими полками, который настроен на толщину двойного ребра и магнитного сердечника, и с боковыми направляющими, которые гарантируют надлежащую по положению позицию двойного ребра магнитных полюсов на длиной полке.
Этот полимерный держатель имеет то преимущество, что магнитные части могут монтироваться посредством простого процесса вставки. Комбинация из полимерного держателя и магнитных частей может в таком случае просто и надежно подвергаться манипулированию и затем монтироваться в магнитно-индуктивный расходомер.
В соответствии с одним усовершенствованием длинные полки могут оканчиваться в крюке. Эта конструкция имеет преимущество, если корпус магнитно-индуктивного расходомера сформирован подходящим для этого образом.
Посредством чертежей изобретение поясняется более подробно в форме примеров осуществления. На чертежах показано:
Фиг.1 - полученная штамповкой-гибкой-складыванием часть из электротехнической листовой стали для изготовления прямоугольного магнитного полюса,
Фиг.2 - изготовленный из нее магнитный полюс,
Фиг.3 - вид спереди электромагнита с плоским магнитным сердечником и двумя магнитными полюсами согласно фиг.1, закрепленного с зажиманием в полимерном держателе,
Фиг.4 - вид сбоку фиг.3, и
Фиг.5 - оснащенный магнитными частями полимерный держатель с фиг.3, вставленный в поперечно разрезанный корпус магнитно-индуктивного расходомера.
Фиг.1 показывает полученную штамповкой-складыванием-гибкой часть из электротехнической листовой стали. Можно видеть продольно протяженную планку 11′, на которой с взаимным дистанцированием друг от друга отформованы треугольные поверхностные элементы 10.1, 10.2. Между поверхностными элементами 10.1, 10.2 на планке 11′ предусмотрена линия 12 складывания. Между планкой 11′ и поверхностными элементами 10.1, 10.2 предусмотрены линии 13 изгиба.
Фиг.2 показывает магнитный полюс 10, полученный из элемента согласно фиг.1 посредством складывания вдоль линии 12 и посредством изгибания вдоль линии 13. Оба треугольных поверхностных элемента 10.1, 10.2 дополняют друг друга до прямоугольного магнитного полюса. Свободные концы двойного ребра 11 воронкообразно разведены. Также возможны другие формы рабочих поверхностей магнитного полюса, например, скругленные, овальные и т.п.
Существенное преимущество этого магнитного полюса 10 наряду с простым изготовлением состоит в оптимальной проводимости магнитного поля через двойное ребро 11 к рабочим поверхностям полюса. Кроме того, плоские концы магнитного сердечника 27 электромагнита 26 (Фиг.3 и 4) могут зажиматься между двойным ребром 11, так что созданное электромагнитом 26 магнитное поле оптимально и без мешающего воздушного зазора достигает рабочих поверхностей полюса.
Фиг.3 показывает электромагнит 26 с плоским магнитным сердечником 27, концы которого зажаты между двойным ребром 11 второго магнитного полюса 10. Магнитные части 10, 27 в свою очередь с зажиманием закреплены в полимерном держателе 20. Полимерный держатель 20 имеет приблизительно U-образную форму со стабильной поперечной перемычкой 21 на верхнем конце, с двумя короткими полками 22, с двумя параллельными им длинными полками 23, с пазом между обоими плечами 22, 23, который настроен на двойное ребро 11 и магнитный сердечник 27, и с боковыми направляющими 24, которые гарантируют надлежащую по положению позицию двойного ребра 11 на длиной полке 23.
Созданное в катушке 26 возбуждения магнитное переменное поле через магнитный сердечник 27 по большой поверхности передается на двойные ребра 11 и от них на магнитные полюса 10, которыми создается обозначенное двойными стрелками однородное магнитное поле.
Фиг.4 показывает устройство согласно Фиг.3 на виде сбоку. Можно видеть зажатый между двойным ребром 11 магнитный сердечник 27 и зажатое между полками 22, 23 двойное ребро 11. Кроме того, на нижнем конце длиной полки 23 можно видеть отформованный крюк 25, который соотносится с соответствующей ответной частью на корпусе магнитно-индуктивного расходомера.
Фиг.5 показывает полимерный держатель 20 с фиг.3 и 4 со смонтированными магнитными частями 10, 26, 27, вставленный в корпус магнитно-индукционного расходомера, который представлен в виде поперечного сечения. Магнитно-индуктивный расходомер имеет прямоугольный измерительный канал 31 с длинными боковыми стенками 32, к внешним сторонам которых примыкают магнитные полюса 10, чтобы создать во внутреннем пространстве измерительного канала 31 обозначенное двойными стрелками однородное магнитное поле. Кроме того, можно видеть один из вставленных в измерительный канал 31 электродов 34, которые ориентированы перпендикулярно магнитному полю и на которых может сниматься измеряемое напряжение, которое пропорционально подлежащему измерению расходу.
Кроме того, фиг.5 показывает в поперечном сечении внешнюю усиливающую обойму для корпуса, которая состоит из двух параллельных, здесь вертикально ориентированных первых продольных ребер 40 и двух находящихся перпендикулярно к ним вторых продольных ребер 41. Каждые из продольных ребер 40, 41 оканчиваются в поперечной переборке 42, на задней стороне которой имеются (здесь не видимые) впускные и выпускные патрубки для измеряемой текучей среды. Катушка 26 возбуждения позиционирована рядом с одним из обоих электродов 34, а именно максимально близко. Вследствие этого магнитный путь от катушки 26 возбуждения через магнитный сердечник 27 и двойное ребро 11 к рабочим поверхностям полюса является очень коротким, а электроды 34 остаются свободно доступными, чтобы снимать измеряемое напряжение.
Наконец, еще можно видеть между стенками 32 измеряемого канала 31 и первыми продольными ребрами 40 внутреннюю поперечную переборку 37, которая оказываемое внутренним давлением в измерительном канале 31 на стенки 32 канала давление передает на внешнюю обойму 40, 42.