МАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОТОКА И ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОТОКА, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MAGNETIC FLOW TRANSFORMER AND FLOW METER COMPRISING SUCH TRANSFORMER

Область техники
Настоящее изобретение относится к преобразователям магнитного потока и, в частности, к магнитным измерителям потока воды.
Предшествующий уровень техники
В традиционном измерителе расхода воды механический преобразователь (обычно турбина с положительным смещением или одноструйная/многоструйная турбина) соединена с механизмом регистрации, который измеряет число повторяющихся циклов преобразователя. Этим механизмом часто является механический одометр. Подсоединение его к электронному устройству, требуемому для дистанционного считывания результатов измерений, может быть затруднительным и дорогостоящим, даже когда одометр заменяется твердотельным (полупроводниковым) устройством регистрации, имеющим цифровые счетчики.
Использование преобразователя потока, который также является твердотельным, уменьшает проблемы подсоединения. Такой преобразователь потока является магнитным преобразователем потока типа, который хорошо известен. Например, в патенте GB 1303730 А раскрыт преобразователь, в котором электроды содержат удлиненный медный проводник, окруженный проницаемым изоляционным материалом. В патенте SU800650 В раскрыт измеритель потока, в котором электрод защищен посредством использования защитной системы в форме гальванической пары, состоящей из сетчатого электрода, изготовленного из каталитического материала для восстановления кислорода и непосредственно подсоединенного к аноду, который окружает измеряющий электрод и изготовлен из материала, находящегося под постоянным напряжением относительно восстановления кислорода. В патенте US 3299703 описан измеритель потока, в котором электроды размещены в нишах, сформированных во внутренней стенке трубопровода, и где увлажняющий агент расположен в выемках между электродами и жидкостью. В патенте JP 4116960 А раскрыт измеритель потока, в котором на пару электродов подается положительный потенциал, чтобы поддерживать поверхности электродов чистыми.
Такой преобразователь потока показан на Фиг.1 (поперечное сечение). Расходомерная трубка 101 объединяет в себе магнитный преобразователь 109, содержащий пару электродов 102, расположенных по диаметру трубки 101, и по меньшей мере часть одной поверхности каждого электрода 102 находится в фактическом контакте с жидкостью 108 в трубке.
Магнитные полюсные наконечники 103 расположены на ортогональном диаметре трубки 101 и соединены посредством магнитной цепи 104. Как хорошо известно из уровня техники, магнитное поле 107 действует на заряженные частицы, движущиеся с объемной средой (ионы в случае воды), заставляющей заряженные частицы перемещаться в направлении, ортогональном как к магнитному полю, так и к направлению движения объемной жидкости. Взаимное смещение противоположно заряженных частиц приводит к образованию электрического поля вдоль направления перемещения, которое наращивается, пока электростатическая сила, действующая на заданный ион, не сбалансируется магнитной силой. Так как магнитная сила зависит неявным образом от скорости потока объемной среды, измерение противодействующего электрического поля (или разности потенциалов) обеспечивает удобное средство для определения скорости потока, пока интегрирование по времени обеспечивает измерение общего объема, который прошел через трубку. Схема для обработки сигналов электродов для получения таких измерений хорошо известна из уровня техники и, следовательно, не описывается более подробно.
Также хорошо известно, что можно изменять прикладываемое магнитное поле, чтобы преодолеть различные ограничения измерения статического поля. Одно такое ограничение накладывается природой электродов, используемых для измерения разности электрических потенциалов в жидкости. Идеальный электрод будет формировать совершенное электрическое соединение с жидкостью без каких-либо энергетических барьеров для обмена зарядом любым путем через границу раздела между твердым телом и жидкостью. Это редко наблюдается в практических системах, и гораздо более вероятно, что разность электрических потенциалов будет иметь место на граничном слое. Разность потенциалов часто трудно определить, она изменяется произвольным образом во времени так, что отображает шумовой спектр, который обратно пропорционален частоте (′1/f). Измерение статического поля (DC) будет, следовательно, подвержено влиянию больших текущих значений ошибок.
o
o
Изменение приложенного магнитного поля на заданной частоте f частично решает эту проблему. Как показано на Фиг.2, это приводит к требуемому электрическому сигналу 201, также имеющему частоту f, которая выбирается так, что она значительно выше, чем характеристическая частота шумового спектра 202 электрода. Измерение амплитуды а электрического сигнала обеспечивает указание скорости потока, которая по существу не имеет ошибок.
Дополнительная причина для приложения переменного магнитного поля состоит в том, что электрическое сопротивление для малых сигналов обычных электродов, как оно воспринимается измерительным контуром, включенным между ними, также падает с увеличением частоты. Измерительный контур может, следовательно, пропускать больше тока от источника сигнала, не вызывая существенных ошибок. Принципиальное преимущество состоит в том, что может выбираться более простая, дешевая схема измерительного контура.
Чтобы понять частотно-зависимое поведение электродов, полезно рассмотреть простую электрическую модель, показанную на Фиг.3, которая часто применяется для границы 301 раздела между твердым телом и жидкостью, состоящую из резистора 302, подключенного параллельно с конденсатором 303. Непосредственный обмен заряженными частицами между твердым телом 304 и жидкостью 305 обеспечен электрическим током через резистор 302, в то время как конденсатор 303 имеет тенденцию накапливать заряженные частицы вблизи граничного слоя без реального его пересечения. На частотах, существенно выше, чем 1 Гц, конденсатор 303 в основном обеспечивает более легкий маршрут для потока электрического тока малой величины через границу раздела между твердым телом и жидкостью.
В устройстве на Фиг.1 переменное магнитное поле формируется посредством катушек 105, расположенных вокруг части магнитной цепи 104, и подходящей формой колебаний переменного тока. Кроме того, чтобы сократить потребление мощности, магнитная цепь 104 должна содержать один или более элементов 106, имеющих свойство остаточного намагничивания, так что подавать питание на катушки следует только тогда, когда надо изменить состояние магнитного поля.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание магнитного преобразователя потока, который обеспечивает дополнительное сокращение потребления мощности.
Поставленная задача решена путем создания магнитного преобразователя потока, имеющего электроды и формирующего переменное магнитное поле, при этом электрод имеет более низкую энергию шума на частотах ниже 5 Гц, чем электрод, содержащий углерод или коррозийно-стойкий металлический сплав, и содержит метал и слой соли этого метала, расположенный так, что он размещен между металлом и жидкостью, причем этот слой наносится электрохимическим способом или способом спекания.
Изобретение основано на том, что посредством использования электрода, имеющего более низкую энергию шума на низких частотах, чем электроды, обычно используемые в измерителях расхода воды, частота переменного магнитного поля может быть сокращена для такого же отношения сигнал/шум, что, в свою очередь, сокращает потребление мощности преобразователя.
Напротив, электроды известных магнитных преобразователей потока выбираются с точки зрения их невосприимчивости к воздействию коррозии и, следовательно, изготавливаются из коррозийно-стойких металлических сплавов, таких как нержавеющая сталь или сплав Hastelloy. В таких известных преобразователях электрохимический потенциал поперек границы раздела определяется слабо, допуская большие изменения в течение более длительных периодов времени, порядка секунд.
Однако, поскольку известные преобразователи работают на частоте магнитного поля, намного большей, чем 1 Гц, это не вызывает проблем.
Таким образом, изобретение также заключается в создании магнитного преобразователя потока, имеющего электроды и формирующего переменное магнитное поле, при этом электрод имеет шумовую характеристику на частотах магнитного поля около 1 Гц, которая ниже, чем шумовая характеристика электрода, содержащего коррозийно-стойкий металлический сплав, и содержит металл и слой соли такого метала, расположенный так, что он размещен между металлом и жидкостью, причем этот слой наносится электрохимическим способом или способом спекания.
Электрод согласно изобретению конфигурирован так, что гальванический электрический ток протекает через его границу раздела вместе с потоком жидкости. Гальванический ток возникает благодаря движению или обмену заряженными частицами через границу раздела между твердым телом и жидкостью. Он отличается от тока смещения, который протекает между жидкостью и электродами датчика в известных магнитных измерителях потока и который течет в результате противостоящих пластин заряда, создавая или рассеивая любую сторону границы раздела без действительного пересечения границы раздела фаз. Конфигурация гальванического тока существенно улучшает электрическое сопротивление и шумовые характеристики электрода.
Кроме того, электрод согласно изобретению конфигурирован так, что гальванический ток переносится ионами. Ионы серебра наиболее предпочтительны, поскольку твердотельное серебро является устойчивым в воде в течение длительного периода времени и существенно не корродирует. Кроме того, оно является нетоксичным и представляет собой разрешенную пищевую добавку (Е174). Серебро также близко к меди в электрохимическом ряду, сокращая риск нежелательной электролитической коррозии в водопроводных трубах. Оно является также биоцидным материалом, помогая предотвратить застойные явления и образование вызывающих проблемы биопленок в электродах и вокруг них.
Кроме того, размещение металла и соли этого металла между металлом и жидкостью потока способствует обмену зарядов между проводником и жидкостью, который лежит в основе гальванического электрического тока. Солевое или ионное соединение предпочтительно являются трудно растворимыми в жидкости потока, расход которого должен измеряться, и, таким образом, хорошо удерживается на электроде. Когда металлом является серебро, ионным соединением может быть соль галоида серебра. Кроме того, когда жидкостью является вода, соли галоида серебра преимущественно формируются ионами, в наибольшей степени присутствующими в водопроводной воде (хлорид, фторид). Галоиды серебра формируют устойчивые электрохимические полуячейки (нормальные электроды) в контакте с металлом.
В соответствии с изобретением слой соли металла наносится на поверхность металла электрохимическим способом, например посредством анодирования, или содержит спеченный слой соли металла на металлической поверхности. Толщина слоя будет влиять на сопротивление электрода, если слой является слишком толстым, он будет добавлять излишнее последовательное сопротивление в общую электрическую схему, а если он является слишком тонким, концентрация будет недостаточной для поддержания требуемых электрохимических реакций. Толщина слоя, следовательно, выбирается предпочтительно эмпирическим путем, чтобы находиться между двумя экстремальными значениями, чтобы сопротивление электрода имело минимальное значение.
Дополнительное улучшение шумовой и электрической характеристик может быть достигнуто посредством использования электрода, имеющего металлическую поверхность, которая выполнена шероховатой, чтобы увеличить активную зону. Это может быть достигнуто посредством восстановления некоторого количества соли металла в металл, что обычно приводит к повторному увеличению количества металла, который является неоднородным и шероховатым. Соответственно, согласно второму аспекту изобретение касается создания магнитного преобразователя для измерения потока жидкости, содержащего электроды и формирующего переменное магнитное поле, при этом электрод имеет более низкую энергию шума на частотах ниже 5 Гц, чем электрод, содержащий углерод или коррозийно-стойкий металлический сплав, и содержит металл и слой соли этого металла, расположенный так, что он размещен между металлом и жидкостью, причем этот слой частично восстановлен обратно в металл. Другими словами, согласно второму аспекту изобретение касается создания магнитного преобразователя для измерения потока жидкости, имеющего электроды и формирующего переменное магнитное поле, при этом электрод имеет шумовую характеристику на частотах магнитного поля около 1 Гц, которая является более низкой, чем шумовая характеристика электрода, содержащего углерод или коррозийно-стойкий металлический сплав, и содержит металл и слой соли этого металла, расположенный так, что он размещен между металлом и жидкостью, причем этот слой частично восстановлен обратно в металл.
Предпочтительно, пара электродов магнитного преобразователя потока сбалансирована так, чтобы минимизировать потенциал смещения между этими двумя электродами. Каждый электрод действует как отдельная электрохимическая полуячейка с соответствующей разностью потенциалов относительно жидкости. Если электроды не являются идентичными, разность между потенциалами этих двух полуячеек будет иметь место между концами электродов, и это может вызвать проблемы с результирующей схемой усиления (например, насыщение).
Преимущества низкой мощности настоящего изобретения дополнительно усиливаются посредством сокращения потребления мощности, когда генерируется магнитное поле посредством остаточного магнитного поля, как указано выше. Изобретение также содержит измеритель потока, включающий в себя такой магнитный преобразователь, когда низкое потребление мощности преобразователя также делает возможным использование мощности аккумулятора 110 (Фиг.1) и обеспечивает благодаря этому преимущества легкой установки.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает поперечное сечение известной расходомерной трубки, снабженной магнитным преобразователем потока;
Фиг.2 - амплитудно-частотные характеристики сигнала от электродов в известном устройстве;
Фиг.3 - простую электрическую модель границы раздела между твердым телом и жидкостью;
Фиг.4 - электрод согласно первому варианту осуществления изобретения;
Фиг.5 - полностью обратимый гальванический обмен зарядами между жидкостью и металлом согласно изобретению;
Фиг.6 - схему, посредством которой могут быть сформированы электроды, согласно изобретению;
Фиг.7 - электрод, изготовленный с использованием схемы, показанной на Фиг.6, согласно изобретению;
Фиг.8 - электрод согласно второму варианту воплощения изобретения;
Фиг.9 - конструкцию третьего варианта воплощения электрода согласно изобретению;
Фиг.10 - конструкцию четвертого варианта воплощения электрода согласно изобретению;
Фиг.11 - диаграмму плотности шума в зависимости от частоты для различных материалов электрода согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На Фиг.4 представлен электрод согласно первому варианту осуществления изобретения, содержащий металлический элемент 401, например провод, пластину или пленку, полностью покрывающие лежащий в основе проводник, покрытый слоем 402 ионного соединения того же самого металла, который является трудно растворимым в жидкости измеряемого потока 403.
-
В приведенном примере металлический элемент 401 изготовлен из серебра, а слой 402 является галоидом серебра. На Фиг.5 представлен полностью обратимый гальванический обмен зарядами между жидкостью 403 и металлическим элементом 401 посредством ионов серебра, пересекающих границу раздела фаз между электродом из твердого серебра и слоем из гидратного хлорида серебра. Электрический потенциал поперек границы раздела определяется посредством уравнения Nerast, которое, в свою очередь, зависит от поверхностной концентрации AgCl и концентрации в жидкости ионов Cl. Эти величины не будут постоянными, может ожидаться, что они будут изменяться во временном интервале, значительно большем, чем период переменного магнитного поля. В соответствии с изобретением временной интервал такого изменения является значительно более длительным, чем для поверхности электрода, которая не обладает управляемым механизмом ионного обмена. Соответственно, работа на более низких частотах облегчается, потому что шумовая энергия сокращается. На Фиг.11 представлена кривая С изменения шума N в зависимости от частоты f для электродов, содержащих хлорид серебра, по сравнению с известными электродами из стали или углерода (кривые А и В). Базовая линия показана как линия D.
Слой 402 ионного соединения может быть сформирован посредством спонтанной реакции металлической поверхности с частицами, обычно присутствующими в жидкости. Например, серебряные электроды, вероятно, будут реагировать с обрабатывающими веществами (или остатками) при подаче хлорированной воды, в конечном счете образуя хлорид серебра.
На Фиг.6 представлено устройство для осуществления способа увеличения количества ионного соединения для ситуаций, когда спонтанные реакции являются недостаточными.
Третий электрод 604 предназначен для осуществления контакта с жидкостью 603 в дополнение к измерительным электродам 601 и 602. Не требуется изготавливать электрод 604 из того же самого материала, что и электроды 601 и 602, например графита или стали. С интервалами, определяемыми управляющим электронным устройством 605, существенный потенциал прикладывается между электродом 604 и измерительными электродами 601 и 602. Для системы с использованием хлорида серебра, описанной выше, измерительные электроды 601 и 602 поддерживались бы при положительном потенциале по отношению к электроду 604, достаточном для того, чтобы обеспечить количество серебра в электродах 601 и 602 для реакции с отрицательно заряженными ионными частицами, расположенными в непосредственной близости. Ионные частицы предпочтительно должны быть хлоридами, и потенциал, прикладываемый между электродами, должен быть выбран таким, чтобы способствовать протеканию такой реакции.
Интервал и длительность указанной обработки могут быть определены рядом способов. В самом простом случае интервалы должны быть установлены до момента приложения. Альтернативно, интервалы могут быть вычислены в соответствии со свойствами электрического сигнала, детектируемого блоком 606 измерения. Например, нарастающее случайное изменение сигнала от электродов (например, больше шума) означало бы, что сопротивление электрода увеличивается, наиболее вероятно благодаря истощению ионного соединения. Это могло бы использоваться для переключения цикла обработки для восстановления покрытия. Альтернативно, состояние покрытия электрода могло бы определяться путем использования измерения активного сопротивления, осуществляемого посредством блока 406.
На Фиг.7 представлен электрод, изготовленный указанным способом и содержащий плоскую часть из серебра 701, покрытого электрохимическим способом тонкой пленкой 702 хлорида серебра. Поскольку поверхность находится в непосредственном контакте с текущей жидкостью 703 и предпочтительно на одном уровне со стенкой расходомерной трубки, чтобы сократить турбулентность и соответствующие шум и неопределенность при измерении, его поверхность будет иметь тенденцию стираться со временем частицами в жидкости, тем самым помогая поддерживать активную поверхность электродов.
Большая поверхность и более стойкая емкость для хлорида серебра могут быть получены посредством использования хлорида серебра, спеченного с металлическим каркасным электродом, как показано на Фиг.8, элементами 801 и 802, соответственно. Электрод 802 является монолитным, т.е. единым твердотельным куском провода или пластины. Однако спеченная конструкция также возможна. Металлическое серебро в форме гранул может быть также включено в состав спеченного слоя 801 хлорида серебра, причем пропорция гранул серебра выбирается так, чтобы существенное количество осуществляло электрический контакт друг с другом. Такая смесь гранул серебра и хлорида серебра может быть сформирована на третьем монолитном металлическом элементе, таком как стержень или пластина из серебра.
На Фиг.9 представлена дополнительная, более прочная конструкция электродов согласно настоящему изобретению, которая является более устойчивой во времени и менее восприимчивой к истощению и влиянию загрязнений или потока. Монолитная серебряная пластина 901 расположена за защитным пористым элементом, таким как фритта 902, с промежуточным резервуаром 903 хлорида серебра, которое может быть гранулами хлорида серебра и/или порошком серебра или спеченным серебром.
На Фиг.10 представлен вариант, объединяющий Фиг.7 и 8, со спеченными гранулами 1001 хлорида серебра, помещенными в центральную нишу 1002 в пределах твердотельного элемента 1003 из серебра. Спеченные гранулы обеспечивают наиболее устойчивый электрод при благоприятных условиях, в то время как незащищенное серебро, показанное со слоем 1004 хлорида серебра, является предпочтительным для защиты в трудных условиях, например в условиях грязной воды, когда более вероятно, что пористые элементы заблокируются.
Если слой хлорида серебра, формируемый на металле, является слишком толстым, он добавляет излишнее последовательное сопротивление всей электрической схеме. Если он слишком тонкий, концентрация является недостаточной для поддержания требуемых электрохимических реакций. Оптимальное количество хлорида может быть определено посредством мониторинга электрического сопротивления электрода в устойчивом электролите, либо во время изготовления электрода, либо во время последующей его работы. Катодная или анодная обработка должна применяться до тех пор, пока сопротивление не достигнет своей самой низкой величины.
На практике измеренная величина сопротивления может быть емкостным сопротивлением, резистивным сопротивлением или их комбинацией. Оно может быть измерено между концом электрода и концом второго электрода, погруженного в тот же самый электролит и который может быть другим электродом измерителя потока. Альтернативно два электрода могут поддерживаться при одном и том же среднем электрическом потенциале во время обработки так, что небольшой переменный потенциал может быть приложен для того, чтобы измерять сопротивление малых сигналов между ними, например, посредством соединения концов электрода вместе с индуктором.
Важно сбалансировать электроды так, чтобы обеспечить минимальный электрический потенциал смещения между двумя электродами. Каждый электрод действует как отдельная электрохимическая полуячейка с соответствующей разностью потенциалов относительно жидкости. Если электроды не являются идентичными, разность между потенциалами двух полуячеек будет иметь место между концами электродов, и это может вызвать проблемы с последующей схемой усиления, например насыщение.
С этой целью электроды могут подвергаться обработке до тех пор, пока они не достигнут общего электрохимического потенциала полуячеек. Это может включать однократное или более анодное оксидирование, катодную реакцию, воздействие химического агента или света, причем потенциал полуячейки электрода измеряется относительно фиксированной стандартной полуячейки или относительно второго электрода, который не подвергается обработке в то же самое время. Альтернативно, обработка может включать соединение концов двух или более аналогичных электродов вместе на время, пока электроды погружены в общий проводящий электролит. Такое приведение электродов к требуемому состоянию может применяться во время эксплуатации инструмента, посредством базового электронного устройства, а также во время изготовления.
Шумовая и электрическая характеристики электрода могут быть улучшены посредством увеличения его активной поверхностной зоны и, тем самым, сокращения сопротивления его границы раздела. Это может быть достигнуто посредством известных технологий путем придания шероховатостей механическим и электрохимическим методом. Кроме того, путем изменения направления электрического тока на обратное при обработке анодным оксидированием, описанным выше, AgCl может быть преобразован обратно в форму металлического Ag в среде AgCl, растущую из поверхности металла. Это также позволит увеличить активную поверхность серебряного электрода и применимо как к монолитным конструкциям, так и к конструкциям, содержащим спеченный слой, где это может использоваться для выращивания дендритов металлического серебра в среде гранул.
Увеличение поверхностной зоны может быть заменено образованием хлорида серебра, как описано выше. Он также может выполняться путем использования других известных средств восстановления, например нагревания в водородном газе или световой обработкой.
Широкое многообразие модификаций может быть осуществлено без отступления за пределы объема правовой охраны изобретения. В частности, изобретение не ограничивается серебром или его ионным соединением или солью, хлоридом серебра. Золото и платина могут также давать хорошие результаты. Аналогично изобретение также применимо к жидкостям, отличным от воды.