用于磁流量计的改进的磁芯构造的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于磁流量计的流管组件。流管组件包括流管，该流管被构造成用于接收从该流管中穿过的过程流体流。磁芯被相对于流管安装并包括从流管延伸至一对臂的芯柱。每个臂都延伸远离所述芯柱。具有多个磁绕组的绕轴被设置在芯柱周围并将所述多个磁绕组与流管间隔开。
【专利说明】用于磁流量计的改进的磁芯构造
【背景技术】
[0001] 磁流量计是已知的并且通常采用电绝缘的流管，流管载送过程流体流经过电磁铁 的线圈并经过一对电极。电磁铁向流动的过程流体施加电磁场。由于电磁感应的法拉第定 律，在设置于过程流体中的该对电极之间产生电压或电动势（EMF)。该电压是所施加的电磁 场的强度的函数并且与流体的流量成比例。
【发明内容】
[0002] 本发明提供了一种用于磁流量计的流管组件。流管组件包括流管，该流管被构造 成用于接收从流管中穿过的过程流体流。磁芯被相对于流管安装并包括从流管延伸至一对 臂的芯柱。每个臂都延伸远离所述芯柱。具有多个磁绕组的绕轴被设置在芯柱周围并将所 述多个磁绕组与流管间隔开。
【专利附图】
【附图说明】
[0003] 图1是包括磁流量计的过程控制系统的示意图。
[0004] 图2是根据本发明的实施例的磁流量计的示意图。
[0005] 图3是是根据本发明的实施例的磁芯构造的横截面视图。
[0006] 图4是根据本发明的实施例的磁流量计中的磁芯构造的示意图。
【具体实施方式】
[0007] 图1描绘了磁流量计102的典型环境100。磁流量计102连接到过程管道（由管 线104示意性地表示），过程管道还连接至控制阀112。磁流量计102被构造成用于提供关 于过程设备中的过程流体流的流量输出。这种过程流体的例子包括在化学品、制浆、制药、 食品或其他流体处理设备中的浆体和流体。
[0008] 磁流量计102包括连接到流管108的电子元件壳体120。磁流量计102的输出 端被构造成通过过程通信总线106传输较长的距离至控制器或指示器。在典型的过程设 备中，通信总线106可以是至控制器，例如系统控制器/监视器110,或其他适当的装置的 4-20mA电流回路、F0UNDATI0N?Fieldbus连接、脉冲输出/频率输出、高速可寻址远程传感 器（HighwayAddressableRemoteTransducer,HART?)协议通信、无线通信连接，例如根 据IEC62591的无线通信连接、以太网、或光纤连接。系统控制器110被编程为过程监视器 以向操作人员显示流信息，或者被编程为过程控制器以通过使用控制阀112在过程通信总 线106上控制所述过程。虽然本发明的实施例可应用于所有磁流量计，但它们与具有相对 较小直径的过程管道的磁流量计是尤其相关的。使用这种小的流管，有时难以绕电极绝缘 通道装配线圈罩。此外，小流管磁流量计可能有时具有升高的线圈温度并且它有时难以使 穿过过程管道的磁通量最大化。本发明的实施例通常使用从流管横向地延伸并包括一对臂 的磁芯件，所述一对臂侧向地延伸至侧环。在一个实施例中，磁芯是T形的。
[0009] 图2是根据本发明的实施例的具有改进的磁芯的磁流量计的示意图。流量计150 包括T形磁芯152,磁芯152从在流管156上基本对中的位置154延伸至侧环158和160 中的每一个。此外，第二T形磁芯162安装在流管156上与磁芯152相对。通过这种方式， 穿过线圈164和166的电流产生如由磁通线168指示的磁通量。由附图标记168指示的磁 通量被认为是主磁通量，因为它是在传导性的过程流体上感生出与过程流体的流量相关的 电压或EMF的磁通量。一对电极（图2中未示出）接触过程流体并被磁流量计电路使用以 用于测量感生出的电压，以确定过程流体的流量。然而，为使主磁通量有效地耦合穿过流管 156,重要的是具有有效的磁返回路径。基于这一点考虑，T形磁芯152和162的整体上基 本平行于流管156延伸的部分用低磁阻芯材料形成，这种低磁阻芯材料最小化使磁返回路 径磁通泄漏。在一个实施例中，T形磁芯152和162可由相对于大多数钢材具有高导磁性 和较低矫顽磁性和磁滞效应的钢或软磁性材料形成。然而，在其他实施例中，每个芯可以与 变压器类似由电工硅钢叠片形成，以使最小化涡流并潜在地允许磁场更快地稳定下来。此 夕卜，尽管本发明的实施例示出了具有T形形状的芯152和162,但重要的功能性在于提供了 从绕组组件至流量计的侧环的低磁阻通路。因此，其他形状（例如Y形）也可以用在本发 明的实施例中。改进的磁芯构造的一个特征在于，在将包装壳或其他金属外壳安装到组件 上之前磁路就已经完成了。通过这种方式，可以非常方便地执行装置的测试和诊断。
[0010] 每个绕组164、166优选地绕非金属绕轴182 (在图3中更详细地示出）缠绕。在 一个实施例中，非金属绕轴182由可模压塑料形成。塑料优选地是可模压的并且还具有足 够高的工作温度，从而能够在磁流量计150中正常地发挥作用。
[0011] 图3是根据本发明的实施例的磁流量计150的一部分的横截面示意图。在图3中， 仅示出了流管156的一部分。如图所示，不导电的内衬套170被设置在金属流管156附近。 衬套170确保在过程流体中感生的EMF不会到达金属流管，否则将导致感生的EMF短路。在 使用不导电的流管的实施例中，衬套170可以被省略。如图3所示，电极172穿过不导电的 衬套170并接触流过流管156的过程流体。安装元件（例如螺栓174)被焊接或通过其他 方式固定到流管156。T形芯152包括芯柱157,芯柱157延伸离开流管156并具有位于其 中的孔，该孔的尺寸被设定为用于接收安装螺栓174,以便使芯162相对于流管156精确地 定位。T形芯152通过与安装螺栓174的螺纹接合的螺母176卡住或通过其他方式固定就 位。此外，芯152的臂153和155在相应的界面178、180处也被焊接或通过其他方式固定 到相应的环158、160。
[0012] 图3描绘了具有内径184的绕轴182,内径184的尺寸被设定为能够使T形芯152 的外径186通过。磁绕组164在引导部188和190之间被缠绕在绕轴182周围。可以意识 至IJ，一旦安装螺栓174被固定到流管156,就可以相对直接地进行流管的组装。特别地，绕 轴182可仅在T形芯152的外径之外滑动，T形芯152然后可以安装或放置在安装螺栓174 上。随后通过紧固螺母176将整个组件固定就位。最后，T形芯152在相应的界面178和 180处被焊接到侧环158和160。一旦组装完成，罩或其他适当的壳体192可放置在组件外， 从而完成流管。
[0013] 确信本发明的实施例能够提高穿过流管的磁通产生的效率。特别地，本发明的 实施例已经允许在根据本发明的实施例制造的两种原型流管上的磁绕轴上的线圈数减少 35%和44%，同时信号强度仍保持不变。此外，本发明的实施例显著地减少了流管设计中的 部件数。这是因为T形芯和线圈绕轴中的每一个都用于多个目的。T形芯用作磁芯、安装支 架和至侧环158、160的磁连接件。线圈绕轴用作绕组形成件、电绝缘件、安装托架、支座、和 线圈引导件（将在下文中结合图4对其进行更详细的描述）。
[0014] 图4是根据本发明的实施例的流管150的一部分的示意图。图4描绘了安装到流 管156的T形芯152以及安装就位的线圈绕轴182。此外，图4描绘了由附图标记194表 示的电极之一。电线196和198形成分别通向电极194和线圈绕组164的电连接。在已知 由线圈绕组产生的磁场的强度的情况下，如果电线196、198中的任一根电线移动或改变位 置，则将影响磁流量计的输出信号。因此，流管150的设计中非常重要的是将电线196和 198牢固地保持就位并且不允许移动。在这一点上，线圈绕轴182包括便于将电线196和 198牢固地安装在流管150内的固定位置上的多个特征。例如，电极线196绕过突出部200， 突出部200包括孔，电缆匝箍或其他适当的电线固定装置可以扣合或以其他方式固定到该 孔。这提供了电极线196关于磁场的确定位置（positivelocation)，这对于磁流量计的操 作而言是非常重要的。类似地，电线198在位置202处弯曲并穿过绕轴182的引导部188 中的孔204。因此，线圈引线198被保持在精确的位置上并且通过穿过线圈绕轴中的孔而减 轻了应变。这为电线提供了确定的定位并消除了应变。
[0015] 当前的流管涉及通常使用钢质线圈壳体作为磁返回路径。然而，钢质线圈壳体有 碍于磁路的任何重要的测试或故障排查，除非该壳体被焊接封闭。一旦焊接封闭，线圈或电 极线都不能被修改以产生任何改变。相反，本发明的实施例在壳体被焊接封闭之前提供了 磁路的所有主要构件。这允许在仍然可以访问电线的情况下实现测试和故障排查，使得能 够在壳体被焊接封闭或通过其他方式密封之前作出改变。
[0016] 对于已知的流管设计而言的当前的挑战之一是由磁线圈产生的热与从流管逃逸 出的热的组合，这种组合提高了线圈的温度。这基于磁线的热等级和/或装置的安全防护 类型（危险位置等级）对最大过程温度和环境温度施加了限制。通过将线圈与流管间隔开 (如图3中的尺寸d所示），线圈的最大温度可以被显著地降低。在一个实施例中，尺寸d 约为0.35英寸。这通过两种方式显著地降低了线圈的最大温度。首先，通过将线圈与流管 壁热隔离而直接地降低温度。第二，由于通过降低线圈所暴露于的温度，因此绕组的电阻降 低，从而励磁线圈中消散的功率变得更少，因此间接地降低了温度。在原型装置上的测试显 示，与线圈直接安装在流管上的已知设计相比，线圈温度降低40°C。将线圈与流管分离不会 显著地减弱流管中的磁场，这是因为T形芯保持牢固地安装到流管。
[0017] 尽管已参照优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将会认识到，可以在不背 离本发明的实质和范围的前提下对形式和细节作出多种变化。
【权利要求】
1. 一种用于磁流量计的流管组件，该流管组件包括： 流管，该流管被构造成用于接收从该流管中穿过的过程流体流； 相对于流管安装的磁芯，该磁芯包括从流管延伸至一对臂的芯柱，每个臂都延伸远离 所述芯柱；和 具有多个磁绕组的绕轴，该绕轴围绕芯柱设置并将所述多个磁绕组与流管间隔开。
2. 根据权利要求1所述的流管组件，其中磁芯为T形。
3. 根据权利要求1所述的流管组件，其中磁芯为Y形。
4. 根据权利要求1所述的流管组件，还包括： 安装在流管的与所述磁芯相反的侧面上的第二磁芯，该第二磁芯包括从流管延伸至一 对臂的芯柱，每个臂都延伸远离第二磁芯的芯柱；和 具有多个磁绕组的第二绕轴，该第二绕轴被设置在第二磁芯的芯柱周围并将所述多个 磁绕组与流管间隔开。
5. 根据权利要求4所述的流管组件，其中两个磁芯是相同的。
6. 根据权利要求4所述的流管组件，还包括多个电极，该多个电极布置成与流过流管 的过程流体接触。
7. 根据权利要求1所述的流管组件，还包括安装至流管的一对侧环，每个侧环被设置 成靠近磁芯的相应的臂。
8. 根据权利要求7所述的流管组件，其中侧环被焊接到所述臂。
9. 根据权利要求1所述的流管组件，其中绕轴由非金属材料构造而成。
10. 根据权利要求1所述的流管组件，其中绕轴包括可模压塑料。
11. 根据权利要求1所述的流管组件，其中绕轴包括适于将电线保持在固定位置的至 少一个特征。
12. 根据权利要求1所述的流管组件，其中绕轴将所述多个磁绕组与流管间隔开，使得 所述多个磁绕组远离流管从而显著地降低磁绕组的工作温度。
13. 根据权利要求1所述的流管组件，其中流管是金属的并且包括不导电的内衬套。
14. 根据权利要求1所述的流管组件，还包括连接到流管的安装装置，并且其中磁芯的 芯柱与所述安装装置协作地接合。
15. 根据权利要求14所述的流管组件，其中安装装置是固定到流管的安装螺栓，并且 其中所述芯柱通过螺母固定到安装螺栓上。
16. 根据权利要求14所述的流管组件，其中绕轴被磁芯夹住。
17. 根据权利要求15所述的流管组件，其中流管是金属的，并且其中安装螺栓被焊接 到流管。
18. -种制造用于磁流量计的流管组件的方法，该方法包括下述步骤： 获得流管，该流管被构造成用于接收从该流管中穿过的过程流体流； 相对于流管安装磁芯，该磁芯包括从流管延伸至一对臂的芯柱，每个臂都延伸远离所 述芯柱；和 绕所述芯柱布置绕轴，所述绕轴具有与流管间隔开的多个磁绕组。
19. 根据权利要求18所述的方法，包括用可模压塑料形成所述绕轴。
20. 根据权利要求18所述的方法，包括下述步骤： 在流管的与所述磁芯相反的侧面上安装第二磁芯，该第二磁芯包括从流管延伸至一对 臂的芯柱，每个臂都延伸远离第二磁芯的芯柱；和 围绕所述芯柱设置第二绕轴，该第二芯柱具有与流管间隔开的多个磁绕组。
【文档编号】G01F1/58GK104515556SQ201410162800
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】史蒂文·布鲁斯·罗杰斯, 迈克尔·约翰·迈尔, 塞缪尔·伊桑·梅辛杰, 迈克尔·杰弗里·米科里切克 申请人:罗斯蒙特公司