CN104662394B - 磁流量计 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量过程流体的流量的磁流量计(102)，包括磁线圈(124A)，该磁线圈设置成将磁场施加至流过流管的过程流体。一对电极(124)电连接至流管中的过程流体并被设置成检测过程流体中感生的电压，该电压与所施加的磁场和过程流体的流量相关。非导电材料形成的流管(108)被设置成接收流过该流管的过程流体。流管(108)支承磁线圈和该对电极。流量计电路(124A)将电流施加至磁线圈并接收由该对电极(124)检测的电压。磁场扩展器(208A)邻近磁线圈(124A)，并被设置为扩展来自磁线圈(124A)的磁场并将磁场引入流管(108)中。外套(206A)围绕该组件延伸并完成磁路。

Description

磁流量计
技术领域
本发明涉及检测工业过程工厂中的过程流体的流量的类型的流量计。更具体地，本发明涉及采用磁流量计对流量的测量。
背景技术
磁流量计在现有技术中是已知的，并且通常采用电绝缘流管，该电绝缘流管载送过程流体流经过电磁线圈并经过一对电极。电磁线圈将电磁场施加至流动过程流体。由于电磁感应的法拉第定律，在流体中的该对电极产生电压或电动势(EMF)。该电压是所施加的磁场的强度的函数并与流体的流量成比例。
可以通过移动电荷产生磁场。通常采用电流和磁性材料的磁感应的数学描述来描述磁场。在任意给定点处的磁场由具有方向的向量和幅度(强度)指定。向量的方向由电流流过线圈的方向决定。磁场的强度和密度取决于电流的量以及线圈的面积和形状。特别地，磁场的总强度随着电线的长度增加。例如，当载送电流的电线形成环时，磁场集中在该环内。当电线弯曲成多个环以形成线圈时，磁场变得更加集中。
发明内容
一种用于测量过程流体的流量的磁流量计，包括磁线圈，该磁线圈设置成将磁场施加至流过流管的过程流体。一对电极电连接至流管中的过程流体并被设置成检测过程流体中感生的电压，该电压与所施加的磁场和过程流体的流量相关。非导电材料形成的流管被设置成接收流过该流管的过程流体流。流管支承磁线圈和该对电极。流量计电路将电流施加至磁线圈并接收由该对电极检测的电压。磁场扩展器邻近磁线圈，并被设置为扩展来自磁线圈的磁场并将磁场引入流管中。外套围绕该组件延伸并完成磁路
附图说明
图1是用于示出包括磁流量计的过程控制***的示意图。
图2是现有磁流管组件的局部剖视图。
图3是示出磁流量计的电气部件的简化框图。
图4A是根据本发明的一个示例性实施例的磁流管组件的正面剖视图。
图4B是图4A的磁流管组件的第一剖面透视图。
图4C是图4A的磁流管组件的第二剖面透视图。
图4D是图4A的磁流管组件的透视分解图。
具体实施方式
本发明涉及测量通过流管的过程流体的流量的磁流量计。在一个示例性实施例，磁流量计包括定位在流量计的线圈附近的磁场扩展器。磁场扩展器可以根据需要设置成使得磁场在流管上具有分布。例如，扩展器可以被构造成使得磁场在流管的宽度范围内更均匀地分布。也可以根据需要形成其它分布。在另一个示例、方面中，本发明包括在流管的外圆周周围使用磁性外套以提供磁路。
图1图示用于磁流量计10的典型环境100。磁流量计102被示出连接至过程管道104，过程管道104还连接至控制阀112。磁流量计102是过程变量变送器的一种类型的示例，该过程变量变送器可以被配置成监测与过程工厂中的流体相关联的一个或多个过程变量，所述流体例如是化工、纸浆、石油、天然气、制药、食品和其它流体处理工厂中的浆料和液体。
在磁流量计中，被监测的过程变量涉及通过过程管道且因此通过流管108的过程流体的速度。磁流量计102通常包括连接至流管108的电子元件壳体120。磁流量计102输出被配置用于经由通信总线106长距离地传输至控制器或指示器。在典型的处理工厂中，通信总线106是二线式过程控制回路，如4-20mA过程控制电流回路、FOUNDATIONTM现场总线连接、脉冲输出/频率输出、高速可编址远程传感器(HART)协议通信，或至控制器，如至***控制器/监视器110或其它合适的装置的其它连接。此外，可以根据需要实施无线通信技术，包括WIFI或其它的，如根据IEC62591标准的WirelessHART。***控制器110被编程为用于为操作者显示流量信息的过程监视器，或者被编程为用于采用控制阀112在通信总线106上控制过程的过程控制器。
图2是可以用于磁流量计102的现有磁流管组件109透视剖面图。流管组件109包括电磁线圈122，电磁线圈122被构造成鞍形组件并用来在流过流管组件109的流体中感生磁场。流管组件109中的电极124用来检测由流动的速度和所施加的磁场在流体中产生的EMF。
图3是一实施例的***框图，示出用于测量通过流管组件108的传导过程流体的流量的磁流量计的电气部件。线圈122被构造成响应于从线圈驱动器130施加的驱动电流而在流体流中施加外部磁场。线圈驱动器电路130将驱动电流提供至电磁线圈122。EMF传感器(电极)124电连接至流体流并将EMF信号输出134提供至放大器132，该EMF信号输出134与由所施加的磁场在流体流中产生的EMF和流体速度相关。模数转换器142将数字化的EMF信号提供至微处理器***148。信号处理器150在流量计电子元件140的微处理器***148中实现，流量计电子元件140连接至EMF输出134以提供与流体速度相关的输出152。存储器178可以用来存储程序指令或其它信息，如下所述。
微处理器***148根据EMF输出134和流动速度之间的如根据法拉第定律提出的关系计算通过流管108的速度，法拉第定律规定：
等式1
其中E是EMF输出134，V是流体的速度，D是流管108的直径。B是流体中由流管线圈122施加的磁场的强度，k是比例常数。数模转换器158可以被包括并连接至微处理器***148，从而在需要时任选地产生变送器输出160，用于连接至通信总线106。数字通信电路162任选地产生数字变送器输出164。模拟输出160和数字输出164可以根据需要连接至过程控制器或监视器。
图4A，4B，4C和4D示出根据本发明的一个示例性实施例的磁流管108的各种视图。磁流管108连接至磁流量计102，如图1和3所示。图4A是根据本发明的一个示例性实施例的流管组件108的剖视图，图4B是第一透视剖视图，图4C是第二透视剖视图，图4D是分解图。
参照图4A，电磁线圈124产生由箭头200图示的磁通量。磁流管组件108至少具有由非导电材料形成的内面。过程流体沿垂直于图4A中图示的横截面的方向流过内部流管201。磁通量200延伸穿过磁流管组件108的内部202，其中磁通量200通过流过流管组件108的过程流体。磁通线200形成磁路，所产生的磁通量在磁路中从线圈124B流向线圈124A。参照图4A，接收来自流管的磁通量的磁线圈被标识为124A，磁通量从其进入流管组件的磁线圈被标识为124B。注意到，磁通线200的方向可以在操作期间周期性地反向。磁路由定位在流管组件108的外圆周附近的磁性外套206A和206B形成，磁性外套206A和206B分别靠近电磁线圈124A和124B。外套206A，206B用作流管组件108的管外部壳体。一些现有构造利用不同于磁性外套的管外部壳体。磁场扩展器208A和208B定位在磁流管组件108的内圆周附近，分别靠近电磁线圈124A和124B。在图4A中示出的、沿着外套206A，206B和扩展器208A，208B延伸的箭头200以及箭头200图示磁通量沿着流管组件108内的磁路的方向。图4B，4C和4D以不同的视图示出类似的元件。此外，在4D的分解图中，还图示了其它部件。在图4D中，法兰220被示出位于流管组件108的相反端上，所述相反端用来将流管组件108连接至过程管道，如图1中示出的过程管道104。电磁线圈124A和124B分别与由线圈线轴222A，222B、线圈配线224A，224B、以及线芯226A，226B形成。磁性金属部件230A和230B将线圈124A和124B分别固定在外套206A，206B和磁性扩展器208A，208B之间。部件230A，230B形成磁路并将线圈124A，124B分别磁性地连接至外套206A，206B。
根据本发明的一个示例性实施例，磁性扩展器208A，208B引起延伸穿过流管组件108的内部202的磁通量200在内部202的横截面内更均匀地分布。如图4A所示，磁性扩展器208A，208B引起磁通量径向地扩展到电磁线圈124A和124B的边缘之外。因此，内部202中的磁场200可以被配置成使得过程流体至所施加的磁场200的暴露在过程流体的垂直于流管组件108的轴线截取的剖面内更均匀地分布。在图示的结构中扩展器208A，208B使磁场200径向地越过流管组件108扩展。可以根据需要配置流管组件108内的磁场的分布。例如，通过改变扩展器208A，208B的形状和/或材料，磁场200可以被配置为在所述剖面内改变强度。在一个示例性结构中，在流管组件108的中心中可以增强分布强度，因为存在大量过程流体流过该区域。在另一个示例中，扩展器208A，208B被构造为增强靠近流管组件108的内壁的磁场的强度。
可以根据需要制造流管组件的各种部件。例如，外套206A，206B、磁性金属部件230A，230B以及磁性扩展器208A，208B可以包括用于形成磁路的磁性材料。这些部件可以被制造为单件磁性材料，或者可以由多个部件通过层叠形成。
在图示的结构中，磁性外套206A，206B在流管组件108的外圆周的周围形成完全封闭的磁路。这减少了所施加的磁场200的强度损失。磁性扩展器208A，208B在其间形成有空间，该空间引起磁场200以期望的分布跨过该间隙。然而，根据需要，还可以采用其它结构。
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行改变。虽然已经采用示例性形状和结构图示了多种部件，但本发明不限于所述形状和结构。可以根据需要改变外套、扩展器和线圈。任何合适的材料可以用于这些部件。类似地，流管组件可以具有其它结构。流量计电路可以根据需要运行，并且不限于本文中示出的具体电学结构。类似地，在一些结构中，可以在不需要过程控制回路的情况下使用本发明的流量计。所施加的磁场可以是状态场或者可以随着时间改变。在一些结构中，所施加的磁场可以交替极性和反向方向。如在本文中使用的，术语“流管”涉及磁流管组件。虽然在本文中示出了两个磁性外套，但可以采用磁性外套的任何结构，以提供完整的磁路。类似地，可以根据需要使用任何数量的磁性扩展器。在一些结构中，可以使用任何数量的磁线圈和/或电极。如在本文中使用的，“外部”涉及直接暴露至外部环境的部件或元件。

Claims (19)

1.一种用于测量过程流体的流量的磁流量计，包括：
流管，该流管被设置成接收流过该流管的过程流体流；
第一磁线圈，该第一磁线圈设置在流管附近以将磁场施加至流过流管的过程流体；
一对电极，该一对电极电连接至流管中的过程流体并被设置成检测过程流体中感生的电压，该电压与所施加的磁场和过程流体的流量相关；
流量计电路，该流量计电路被配置为将电流施加至第一磁线圈并接收由该一对电极检测的电压；
邻近第一磁线圈定位的第一磁场扩展器，该第一磁场扩展器被设置为将来自第一磁线圈的磁场径向地扩展到第一磁线圈的边缘之外并将磁场引入流管中；和
管外部壳体，该管外部壳体围绕流管延伸并与第一磁线圈一起形成磁路的一部分，第一磁线圈通过定位在管外部壳体和第一磁线圈之间的磁性金属部件固定在第一磁场扩展器和管外部壳体之间。
2.根据权利要求1所述的磁流量计，包括邻近流管设置以接收从第一磁线圈施加的磁场的第二磁线圈，并且其中管外部壳体在第一磁线圈和第二磁线圈之间延伸。
3.根据权利要求2所述的磁流量计，包括邻近第二磁线圈定位的第二磁场扩展器。
4.根据权利要求1所述的磁流量计，其中第一磁场扩展器引导磁场以在流管的垂直于流管的轴线的横截面上大致均匀地分布的分布进入流管中。
5.根据权利要求1所述的磁流量计，其中第一磁场扩展器引导磁场以在流管的垂直于流管的轴线的横截面上变化的强度进入流管。
6.根据权利要求1所述的磁流量计，其中管外部壳体包括磁性外套，磁性外套围绕流管的外圆周延伸并磁性地连接至第一磁线圈。
7.根据权利要求6所述的磁流量计，其中磁性外套是层叠的。
8.根据权利要求1所述的磁流量计，其中第一磁场扩展器是层叠的。
9.根据权利要求1所述的磁流量计，其中管外部壳体包括两个半圆。
10.一种采用磁流量计测量过程流体的流量的方法，包括下述步骤：
接收流过流管的过程流体流；
采用由流管支承的第一磁线圈将磁场施加至流过流管的过程流体流；
检测在过程流体中产生的电压，该电压与所施加的磁场和通过流管的过程流体的流量相关；
基于检测到的电压确定过程流体的流量；
采用邻近第一磁线圈定位的第一磁场扩展器将从第一磁线圈散发的磁场径向地扩展到第一磁线圈的边缘之外并将扩展磁场引入流管中；以及
由磁性地连接至第一磁线圈的管外部壳体完成磁路，第一磁线圈通过定位在管外部壳体和第一磁线圈之间的磁性金属部件固定在第一磁场扩展器和管外部壳体之间。
11.根据权利要求10所述的方法，包括设置第二磁线圈的步骤，该第二磁线圈被设置成接收从第一磁线圈施加的磁场。
12.根据权利要求11所述的方法，包括设置邻近第二磁线圈定位的第二磁场扩展器的步骤。
13.根据权利要求10所述的方法，其中第一磁场扩展器引导磁场以在流管的垂直于流管的轴线的横截面上大致均匀地分布的分布进入流管中。
14.根据权利要求10所述的方法，其中第一磁场扩展器引导磁场以在流管的垂直于流管的轴线的横截面上变化的强度进入流管。
15.根据权利要求10所述的方法，其中管外部壳体包括磁性外套，磁性外套围绕流管的外圆周延伸并磁性地连接至第一磁线圈。
16.根据权利要求15所述的方法，其中磁性外套是层叠的。
17.根据权利要求10所述的方法，其中第一磁场扩展器是层叠的。
18.根据权利要求10所述的方法，包括由两个半圆形成管外部壳体的步骤。
19.一种用于磁流量计的流管组件，该磁流量计用于测量过程流体的流量，该流管组件包括：
流管，该流管被设置成接收流过该流管的过程流体流；
第一磁线圈，该第一磁线圈设置在流管附近以将磁场施加至流过流管的过程流体；
一对电极，该一对电极电连接至流管中的过程流体并被设置成检测过程流体中感生的电压，该电压与所施加的磁场和过程流体的流量相关；
邻近第一磁线圈定位的第一磁场扩展器，该第一磁场扩展器被设置为将来自第一磁线圈的磁场径向地扩展到第一磁线圈的边缘之外并将磁场引入流管中；和
管外部壳体，该管外部壳体围绕流管延伸并与第一磁线圈一起形成磁路的一部分，第一磁线圈通过定位在管外部壳体和第一磁线圈之间的磁性金属部件固定在第一磁场扩展器和管外部壳体之间。
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