МАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР
MAGNETIC FLOW METER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к магнитным расходомерам, которые измеряют поток технологической текучей среды в промышленных технологических установках. В частности, настоящее изобретение относится к измерению потока с использованием магнитного расходомера.
Уровень техники
Магнитные расходомеры известны в данной области техники и обычно используют электрически изолированную расходомерную трубку, которая пропускает поток технологической текучей среды через электромагнитную катушку и через пару электродов. Электромагнитная катушка возбуждает электромагнитное поле в текущей технологической текучей среде. Между парой электродов, находящихся в текучей среде, в соответствии с законом Фарадея для электромагнитной индукции, генерируется напряжение или электродвижущая сила (э.д.с.). Это напряжение является функцией напряженности приложенного магнитного поля и пропорционально скорости потока текучей среды.
Раскрытие изобретения
Раскрыт магнитный расходомер для измерения потока технологической текучей среды. Расходомер включает в себя трубку, выполненную с возможностью пропускания через себя потока технологической текучей среды. Множество электродов расположено в контакте с технологической текучей средой. По меньшей мере, одна электромагнитная катушка расположена рядом с трубкой. Электроника расходомера выполнена с возможностью управлять током, по меньшей мере, через одну электромагнитную катушку и измерять сигнал, выработанный множеством электродов, расположенных в контакте с технологической текучей средой. Модуль гибкой печатной платы расположен рядом с трубкой и имеет, по меньшей мере, одну гибкую печатную плату, содержащую множество электрических дорожек, электрически соединенных с электроникой расходомера. По меньшей мере, одна электромагнитная катушка включает в себя первую катушку в модуле гибкой печатной платы, которая соединена с электрическими дорожками.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схема, показывающая систему управления технологическим процессом, включающую в себя магнитный расходомер.
Фиг. 2 - частичное изображение в разрезе магнитного расходомера с фиг. 1.
Фиг. 3 - упрощенная блок-схема, показывающая электрические компоненты магнитного расходомера.
Фиг. 4a - графическое изометрическое изображение модуля гибкой печатной платы и расходомерной трубки магнитного расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4b - графическое изометрическое изображение в поперечном разрезе модуля гибкой печатной платы, смонтированного внутри расходомерной трубки магнитного расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4c - увеличенное изометрическое изображение электрода, расположенного внутри расходомерной трубки магнитного расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 - графическое изометрическое изображение магнитного расходомера вставного типа, установленного между фланцами технологического трубопровода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 - графическое изометрическое изображение магнитного расходомера вставного типа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 иллюстрирует типичные условия эксплуатации 100 для магнитного расходомера 102. Показанный магнитный расходомер 102 подсоединен к технологическому трубопроводу 104, к которому также подсоединен управляемый клапан 112. Магнитный расходомер 102 является примером одного типа передатчика технологического параметра, который может быть выполнен с возможностью осуществлять контроль за одним или более технологическими параметрами, связанными с текучими средами в технологических установках, таких как технологические установки для цементного теста и жидких химикатов, суспензий, нефтепродуктов, газа, фармкомпозиций, пищевых продуктов и других текучих сред.
В магнитных расходомерах контролируемый технологический параметр имеет отношение к скорости технологической текучей среды, протекающей через технологический трубопровод и, таким образом, через расходомерную трубку 108. Магнитный расходомер 102 включает в себя корпус 120 электроники, присоединенный к расходомерной трубке 108. Магнитный расходомер 102 выполнен с возможностью передачи выходного сигнала на удаленные расстояния к контроллеру или индикатору через коммуникационную шину 106. В обычных технологических установках коммуникационной шиной 106 могут быть 4-20 мА токовая петля, сетевая шина FOUNDATION™ Fieldbus, импульсный выход/частотный выход, коммуникационный протокол магистрального дистанционного преобразователя (HART - протокол), беспроводное коммуникационное соединение, подобное соответствующему стандарту Международной электротехнической комиссии - МТК 62591, стандарту организации локальных сетей - Ethernet, или волоконно-оптическое соединение, которые подключаются к контроллеру, такому как системный контроллер/устройство 110 контроля, или к другому соответствующему устройству. Системный контроллер 110 запрограммирован либо как устройство контроля технологического процесса с возможностью отображения информации о потоке человеку-оператору, либо как технологический контроллер для управления процессом с использованием управляемого клапана 112 через коммуникационную шину 106.
Фиг. 2 - изометрическое изображение в разрезе расходомерной трубки 108 магнитного расходомера 102, в соответствии с уровнем техники. Расходомерная трубка 108 включает в себя электромагнитные катушки 122, которые используются для индуцирования магнитного поля в текучей среде, протекающей через расходомерную трубку 108. Электроды 124 в расходомерной трубке 108 используются для измерения э.д.с., генерируемой в текучей среде благодаря скорости потока и приложенному магнитному полю.
Фиг. 3 - системная блок-схема варианта осуществления, показывающая различные электрические компоненты магнитного расходомера для измерения потока проводящей технологической текучей среды через узел 108 расходомерной трубки. Катушки 122 сконфигурированы для наведения внешнего магнитного поля в потоке текучей среды, возникающего под действием включенного от блока 130 питания катушки тока возбуждения. Схема 130 блока питания катушки обеспечивает передачу тока возбуждения к электромагнитным катушкам 122. Датчики 124 э.д.с. (электроды) электрически соединены с потоком текучей среды и дают выходной сигнал 134 э.д.с., поступающий к усилителю 132 и связанный с э.д.с., генерируемой в потоке текучей среды вследствие приложенного магнитного поля и скорости текучей среды. Аналого-цифровой преобразователь 142 передает оцифрованный сигнал э.д.с. в микропроцессорную систему 148. Сигнальный процессор 150, к которому передается выходной сигнал э.д.с., встроен в микропроцессорную систему 148 электроники 140 расходомера для формирования выходного сигнала 152, который соотносится со скоростью текучей среды. Память 178 может быть использована для хранения программных инструкций или другой информации, обсуждаемой ниже.
Микропроцессорная система 148 вычисляет скорость через расходомерную трубку 108 в соответствии с отношением между выходным сигналом 134 э.д.с. и скоростью потока, как описано в законе Фарадея, который устанавливает:
V=E/kBD, уравнение 1,
где Е - выходной сигнал 134 э.д.с., V - скорость текучей среды, D - диаметр расходомерной трубки 108, и В - напряженность магнитного поля в текучей среде, k - константа пропорциональности. Цифроаналоговый преобразователь 158 может быть включен и соединен с микропроцессорной системой 148 для генерации аналогового выходного сигнала 160 передатчика, если потребуется, для подачи в коммуникационную шину 106. Цифровой канал 162 связи генерирует цифровой выходной сигнал 164 передатчика. Аналоговый выходной сигнал 160 и цифровой выходной сигнал 164 могут быть, как потребуется, поданы на технологические контроллеры или устройства контроля.
Катушки многих электромагнитных расходомеров, изготовленных в настоящее время, обычно наматываются вручную. Затем катушки прикрепляются к трубным узлам с использованием различных типов механических зажимов. Этот процесс включает в себя значительные затраты ручного труда, и его иногда трудно повторить. Кроме того, в ряде магнитных расходомеров электроды удерживаются на стенке расходомерной трубки. Проблема может возникнуть тогда, когда стенка раздувается из-за превышения верхнего предела давления, максимально допустимого для расходомерной трубки. Это может привести к критическому смещению вдоль герметически прилегающих поверхностей и, возможно, привести к утечке.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения катушки и электроды магнитного расходомера расположены на модуле гибкой печатной платы, который вставлен внутрь расходомерной трубки. Модуль 220 гибкой печатной платы (показанный на фиг. 4a) включает в себя катушки и, предпочтительно, электроды со сравнительно малым форм-фактором. Как правило, гибкая печатная плата изготавливается в соответствии с известными технологиями, которые, по существу, аналогичны обработке печатной платы. Однако, когда гибкая печатная плата изготовлена, она еще остается гибкой и может быть встроена в устройство или конструкции, которые требуют, по меньшей мере, некоторой кривизны или другой деформации платы. Кроме того, также возможно намотать проводники непосредственно в или на подложку гибкой печатной платы в процессе производства. Например, провода для катушек могут быть намотаны, а не сформированы с использованием традиционных технологий формирования рисунка печатной платы или с использованием способов гальванического покрытия, но завершающая сборка модуля гибкой печатной платы еще будет рассмотрена.
Согласно данному варианту осуществления модуль гибкой печатной платы при необходимости может быть присоединен или закреплен на жестком основании для облегчения сборки. Жесткое основание может быть выполнено из любого подходящего жесткого материала, включая фольгу или муфту. Модуль гибкой печатной платы расположен внутри расходомерной трубки, а провода, соединенные с гибкой печатной платой, проходят через стенку расходомерной трубки. Затем непроводящий вкладыш покрывает собой весь модуль гибкой печатной платы, за исключением электродов. Законченный сборочный узел представляет собой значительное улучшение в плане расположения катушек и электродов, а также уменьшает потенциальные пути утечки, так как электроды, проходящие через вкладыш, в то же время не проходят непосредственно сквозь вкладыш и расходомерную трубку. Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения сокращают воспроизводимость вариантов в сравнении текущими конструкциями, что, вероятно, увеличит надежность всей системы расходомера. Кроме того, поскольку корпус катушки более не является необходимым, расходомерная трубка может быть сделана из углеродистой стали (которая обеспечивает замыкание магнитного потока), что в результате приведет к значительному снижению затрат.
Фиг. 4a - графическое изометрическое изображение модуля 220 гибкой печатной платы и расходомерной трубки 200 магнитного расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Расходомерная трубка 200 включает в себя трубную секцию 202 и пару трубных фланцев 204, 206, приваренных к трубной секции 202. Модуль 220 гибкой печатной платы показан рядом с расходомерной трубкой 202 со стрелкой 208, показывающей, что модуль 220 гибкой печатной платы смонтирован внутри трубной секции 202 расходомерной трубки 200. Модуль 220 гибкой печатной платы включает в себя, по меньшей мере, предпочтительно множество катушек 210, 212, которые выполнены с возможностью генерировать магнитное поле внутри расходомерной трубки 200, когда через них проходит ток. Катушки 210, 212 могут быть изготовлены любым подходящим способом. Например, катушки 210, 212 могут представлять собой проволочные катушки, которые намотаны с использованием двухкоординатного намоточного станка. Затем проволочные катушки могут быть присоединены к одному или более гибким печатным проводникам в модуле 220. Кроме того или как один из вариантов, катушки 210, 212 могут быть также изготовлены с использованием стандартной технологии изготовления гибких печатных плат или нанесены гальваническим способом в подложку гибкой печатной платы. В некоторых вариантах осуществления катушки и/или печатные проводники модуля гибкой печатной платы могут быть нанесены гальваническим способом для увеличения их проводящей способности и потенциального достижения более тонкого общего профиля. В некоторых вариантах осуществления модуль 220 может быть с катушкой обычной конструкции, такой как из любого количества тех гибких печатных плат, которые предлагаются поставщиками.
Фиг. 4b - графическое изометрическое изображение в поперечном разрезе модуля 220 гибкой печатной платы, смонтированного внутри расходомерной трубки 200 магнитного расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 4b показывает модуль 220 гибкой печатной платы, смонтированный, по сути, в середине между фланцами 204, 206 внутри трубки 202. Вкладыш 214 размещается между фланцами 204 и 206, охватывая весь модуль 220 за исключением электродов, один из которых отмечен ссылочной позицией 216. Фиг. 4c - увеличенное изометрическое изображение электрода 216 внутри расходомерной трубки 200. В вариантах осуществления, в которых электроды изготовлены как выступающие наконечники, металлические штыри предпочтительно припаяны твердым припоем на гибкую печатную плату. Однако в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может быть использована другая доступная технология электрического монтажа. Хотя электроды могут быть частью гибкой печатной платы с выступающими наконечниками, такой вкладыш 214 не покрывает их, электроды могут быть также просто проводящими участками или областями, которые остаются открытыми благодаря отверстию во вкладыше 214 при условии, что вкладыш достаточно герметично прилегает к электродам. В любом случае, электроды соединены с проводами или другими подходящими проводниками этого вывода расходомерной трубки 200 через соответствующий монтажный узел 218, такой как стеклянный цоколь, расположенный, предпочтительно, на верхушке расходомерной трубки 200. Другой особенностью варианта осуществления, описываемого по отношению к фиг. 4a-4c, является то, что расположение электрода полностью не зависит от размещения монтажного узла 218. Это обеспечивает большую гибкость конструкции, а также гарантирует, что технологическая текучая среда, соприкасающаяся с электродом, не будет протекать или просачиваться через расходомерную трубку в месте расположения электрода. Кроме того, поскольку единственный монтажный узел 218 может связывать через себя множество электрических соединений, количество потенциальных точек протечек также сокращается по сравнению с конструкциями, где каждый электрод соответствует отверстию через расходомерную трубку.
Использование модуля 220 гибкой печатной платы также обеспечивает новую форму магнитного расходомера. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения модуль гибкой печатной платы смонтирован во втулке или обсадной колонне, которая вставлена в технологический трубопровод. Это может обеспечить ряд дополнительных преимуществ.
Для того чтобы упрочить корпус электродов и катушек, расходомерная трубка, такая как расходомерная трубка 108 или расходомерная трубка 200, обычно изготавливается из металлической трубки или трубы, которая отобрана и калибрована таким образом, чтобы выдержать максимальное давление технологической текучей среды, которому будет подвергаться расходомер. Часто фланцы привариваются к каждой стороне трубки. Фактически трубка 108, к которой приварена пара фланцев, называется «сварной узел». Сварной узел магнитного расходомера может быть рассмотрен как каркас расходомера, который запросто может быть наиболее дорогим компонентом расходомера. Например, сварной узел длиной 3″ составляет примерно 45% от полной стоимости магнитного расходомера. Когда длина увеличивается, сварной узел занимает слишком большую долю в полной стоимости магнитного расходомера. Например, сварной узел магнитного расходомера длиной 24″ составляет 69% от полной стоимости магнитного расходомера. Предоставление магнитного расходомера, где стоимость не будет доведена до такой степени из-за стоимости сварного узла, будет представлять собой существенный прогресс и преимущество над предшествующими конструкциями.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения обеспечен новый тип магнитного расходомера. Этот новый тип называется коаксиальный магнитный расходомер вставного типа, так как, по меньшей мере, часть магнитного расходомера действительно вставлена внутрь технологического трубопровода 104, и вставленная часть магнитного расходомера и технологический трубопровод являются коаксиальными. В этом заключается отличие от предшествующих конструкций, в которых магнитный расходомер включает в себя пару фланцев, каждый из которых присоединен к технологическому трубопроводу 104, и в которых расходомерная трубка, катушки и электроды расположены между парой фланцев. На самом деле, часть магнитного расходомера, которая включает в себя катушки и электроды, расположена внутри технологического трубопровода, предпочтительно ниже по потоку относительно фланца трубы. Это избавляет от необходимости сварного узла. Варианты осуществления настоящего изобретения также отличаются от предшествующих магнитных расходомеров вставного типа, таких, которые указаны в Патенте США № 4,459,858, в которых расходомер вставлен через боковую стенку технологического трубопровода. Для того чтобы подчеркнуть это отличие, варианты осуществления настоящего изобретения названы “коаксиальными” магнитными расходомерами вставного типа.
Фиг. 5 - графическое изображение коаксиального магнитного расходомера вставного типа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Расходомер 300 имеет переднюю кромку 302 с прокладкой, которая герметично прилегает к фланцам 306, 308 технологического трубопровода 104. Точнее говоря, поверхность 310 передней кромки 302 герметично прилегает к поверхности 312 фланца 306, в то время как поверхность 314 передней кромки 302 герметично прилегает к поверхности 316 фланца 308. Передняя кромка 302 и обсадная колонна 318, предпочтительно, выполнены из металла для обеспечения как жесткости, так и прочности конструкции. Однако в конкретных применениях в режиме облегченной работы передняя кромка 302 и обсадная колонна 318 могут быть выполнены из пластика или другого подходящего материала. Передняя кромка 302 преимущественно включает в себя изогнутую или коническую, выше по течению, поверхность 330, которая выполнена с возможностью обеспечения условия гладкого переноса потока технологической текучей среды внутри вкладыша 322 расходомерной трубки. К тому же, передняя кромка 302, предпочтительно, стыкуется с обсадной колонной 318 на подпятнике 328, размеры которого выбраны таким образом, чтобы вкладыш 322 расходомерной трубки был заподлицо в отношении конца изогнутой поверхности 330 или утоплен от конца изогнутой поверхности 330.
Модуль 220 гибкой печатной платы размещен вблизи обсадной колонны 318 и расположен от каждой поверхности 310, 314 в одинаковом направлении (таком как вверх и вниз по течению). В этом заключается отличие от предшествующих конструкций, в которых катушка и электроды размещены между парой фланцев и разнесены, таким образом, в противоположные направления от таких фланцев. Модуль 220 гибкой печатной платы, по существу, покрыт соответствующим вкладышем 322, который, без ограничений, может быть изготовлен из достаточно жестких облицовочных материалов, включая полиуретан, адипрен, этиленпропиленовый каучук (ЭПК). К тому же, может быть использован любой материал, который может быть напаян поверх модуля 220 гибкой печатной платы. Для более мягких облицовочных материалов, таких как перфторалкоксил (ПФА) или политетрафторэтилен (ПТФЭ), чтобы лучше удерживать модуль гибкой печатной платы на месте, на противоположной стороне (задней кромке), может быть предусмотрен металлический упорный выступ.
Электроды расходометра 300 физически контактируют со средой, протекающей через технологический трубопровод 104. Электроды могут быть частью модуля 220 гибкой печатной платы, имеющего выступающие наконечники, которые не покрываются вкладышем. С другой стороны, электроды могут просто представлять собой проводящие области или участки с проводами, которые выходят через герметизированную часть или монтажный узел 324, который в некоторых вариантах осуществления, выполнен как стеклянный цоколь. Однако также предполагается, что силовые и сигнальные проводники могут быть изготовлены как часть гибкой печатной платы или как отдельная гибкая печатная плата, которая соединена с модулем 220 гибкой печатной платы.
Герметизированная часть 324 дает возможность пропустить через себя силовые и сигнальные проводники 326, которые затем связывают катушки и электроды с проводниками соответствующей схемы магнитного расходомера, такой как схема 140 (показанная на фиг. 3), расположенной внутри корпуса 120. В некоторых вариантах осуществления для изготовления автономного коаксиального магнитного расходомера вставного типа корпус 120 может быть смонтирован или же закреплен на передней кромке 302 с прокладкой.
Фиг. 6 - графическое изометрическое изображение коаксиального магнитного расходомера вставного типа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 6 показывает модуль 220 гибкой печатной платы, расположенный внутри обсадной колонны 318.
Учитывая низкий профиль расположенных внутри катушек так же, как и их близкое расположение к технологической текучей среде, можно предположить что, варианты осуществления настоящего изобретения способны работать при более низком уровне мощности, чем предшествующие конструкции.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что изменения могут быть сделаны по форме и в деталях без отступления от сущности и объема этого изобретения.