磁流量计复合流管衬套的制作方法

1.本公开的实施方案涉及磁流量计，并且更具体地，涉及与磁流量计一起使用的流管衬套。


背景技术：

2.准确而精确的流量控制对于各种流体处理应用至关重要，包括散装流体处理、食品和饮料制备、化学和制药、水和空气分配、烃提取和处理、环境控制以及一系列利用例如热塑性塑料、薄膜、胶水、树脂和其他流体材料的制造技术。在每种具体应用中使用的流速测量技术取决于所涉及的流体以及相关的过程压力、温度和流速。
3.示例性流速测量技术包括根据机械旋转来测量流量的涡轮装置、根据伯努利效应或跨流量限制装置的压降来测量流量的皮托管传感器和差压装置、根据振动效应来测量流量的涡流和科里奥利装置以及根据热导率来测量流量的质量流量计。磁流量计与这些技术的区别在于基于法拉第定律来表征流量，其取决于电磁相互作用而不是机械或热力学效应。具体地，磁流量计依赖于过程流体的电导率以及在流体流过磁场区域时感应的电动势(emf)。
4.常规的磁流量计包括传感器区段、变送器区段和流管组件。要测量的流体流穿过流管组件的管道区段行进。一对电极被定位成接触流。电极延伸穿过非导电衬套，该非导电衬套使流体与管道区段电绝缘，并防止流体在电极与管道区段之间形成短路。
5.变送器区段包括电流发生器，该电流发生器驱动电流通过传感器区段的线圈，以生成跨管道区段和流的磁场。磁场跨流所感应的emf或电势差(电压)与流的速度成比例。磁流量计使用电极测量电压差，并基于测量的电压差确定流的流速。
6.常规的衬套由与过程流体相容的聚合物形成。可将橡胶衬套粘合性粘结到流管组件的管道区段的内径以及凸缘面，然后硫化以完成安装。
7.含氟弹性体(诸如fkm)的高耐化学性和耐高温性使其成为用于形成流管衬套的理想候选材料。遗憾的是，使用这些材料制造流管衬套存在挑战。例如，只能在硫化期间和完全固化之前粘结含氟弹性体。然而，流管组件的热质量会阻碍含氟弹性体的有效粘合粘结和硫化。因此，尚未实现在流管组件中使用含氟弹性体衬套的益处。


技术实现要素：

8.本公开的实施方案涉及一种用于磁流量计的流管组件的复合流管衬套、包括所述复合流管衬套的磁流管组件以及形成所述复合流管衬套的方法。所述复合流管衬套的一个实施方案包括圆柱形衬底和内部层。所述圆柱形衬底包括多个穿孔并且被构造用于安装在磁流量计的流管组件内。所述内部层包括含氟弹性体并覆盖所述衬底的内表面。所述内部层延伸到所述圆柱形衬底的所述穿孔中，从而将所述含氟弹性体固定到所述圆柱形衬底上。
9.在一个实施方案中，所述流管组件包括管道区段和线圈，所述线圈被配置为接收
线圈电流并产生跨所述管道区段的磁场。所述磁场在穿过所述管道区段的内部行进的流体流中感应电动势(emf)。所述复合流管衬套固定在所述管道区段的所述内部。
10.在形成用于磁流量计的流管组件的复合流管衬套的方法的一个实施方案中，提供包括多个穿孔和开放内部的圆柱形衬底。将包含含氟弹性体的片插入所述圆柱形衬底的内部。将所述片压靠在所述圆柱形衬底的内表面上，使得所述片的部分延伸到所述圆柱形衬底的所述穿孔中，从而将所述含氟弹性体固定到所述圆柱形衬底上。
11.根据所述方法的另一个实施方案，提供具有多个穿孔以及第一表面和第二表面的衬底片。将包含含氟弹性体的衬套片施加在所述衬底片的所述第一表面上。将所述衬套片压靠在所述衬底片的所述第一表面上，使得所述衬套片的部分延伸到所述衬底片的所述穿孔中，从而将所述衬套片固定到所述衬底片上并形成复合衬套片。将所述复合衬套片形成为圆柱体。所述衬底片的所述第二表面形成所述圆柱体的外部。
12.提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
13.图1是根据本公开的实施方案的工业过程测量系统的示例的简化图。
14.图2是根据本公开的实施方案的磁流量计的示例的示意图。
15.图3是根据本公开的实施方案的磁流量计的示例的简化横截面图。
16.图4和图5分别是根据本公开的实施方案的沿线4-4截取的图3的复合流管衬套的简化横截面图以及图3的流管组件的简化侧视平面图。
17.图6a至图6c是根据本公开的实施方案的复合衬套的圆柱形衬底的部分的简化侧视图。
18.图7是根据本公开的实施方案的示出形成复合流管衬套的方法的流程图。
19.图8至图11是根据本公开的实施方案的流管衬套在图7的方法的各个阶段的简化侧视横截面图。
20.图12和图13是根据本公开的实施方案的示出将复合流管衬套安装到流管组件中的简化侧视横截面图。
21.图14是根据本公开的实施方案的示出形成复合流管衬套的方法的流程图。
22.图15至图18是根据本公开的实施方案的流管衬套在图14的方法的各个阶段的简化侧视横截面图。
具体实施方式
23.下文参考附图更充分地描述本公开的实施方案。使用相同或相似附图标记标识的元件是指相同或相似元件。然而，本公开的各种实施方案可以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案使得本公开将是透彻和完整的，并且这些实施方案将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
24.在以下描述中给出具体细节以提供对实施方案的透彻理解。然而，本领域普通技
术人员应当理解，可在没有这些具体细节的情况下实践实施方案。例如，电路、系统、网络、过程、框架、支撑件、连接器、马达、处理器和其他部件可能未示出或以框图形式示出，以避免在不必要的细节上模糊实施方案。
25.图1是根据本公开的实施方案的示例性工业过程测量系统100的简化图。系统100可用于材料(例如，过程介质)的处理中，以将材料从价值较低的状态转变为价值更高且更有用的产品，诸如药品、化学品、纸张、食品等。例如，系统100可用于执行工业过程的炼油厂中，该工业过程可以将原油加工成汽油、燃料油和其他石化产品。
26.系统100包括磁流量计102，该磁流量计例如被配置为感测过程流体流104诸如通过管道区段106的流速。磁流量计102包括传感器区段108和变送器110。传感器区段108通常被配置为测量或感测流体流104的流速。变送器110通常被配置为控制传感器区段108以测量流速，并且可选地将所测量的流速传送到外部计算设备112，诸如计算机化控制单元，该外部计算设备可远离流量计102定位，诸如位于系统100的控制室114中。
27.变送器110可在合适的过程控制回路上与外部计算设备112通信。在一些实施方案中，过程控制回路包括物理通信链路(诸如两线控制回路116)或无线通信链路。可根据常规的模拟和/或数字通信协议在控制回路116上执行外部计算设备112与变送器区段之间的通信。在一些实施方案中，两线控制回路116包括4-20毫安控制回路，其中过程变量可由流过两线控制回路116的回路电流i
l
的水平表示。示例性数字通信协议包括诸如根据通信标准将数字信号调制到两线控制回路116的模拟电流水平上。也可采用其他纯数字技术，包括foundation fieldbus、profibus和modbus通信协议。过程控制回路的示例性无线版本包括例如无线网状网络协议，诸如(iec 62591)或isa 100.11a(iec 62734)，或者另一种无线通信协议，诸如wifi、lora、sigfox、ble或任何其他合适的协议。
28.可从任何合适的电源诸如ac或dc电源向磁流量计102供应电力。例如，磁流量计102可完全由流过控制回路116的回路电流i
l
供电。也可利用一个或多个电源来为磁流量计102供电，诸如内部或外部电池。也可使用发电机(例如，太阳能电池板、风力发电机等)来为磁流量计102供电或为磁流量计102使用的电源充电。
29.变送器110可直接附接到传感器区段108，诸如附接到容纳传感器区段108的外壳，或者变送器110可远离传感器区段108(例如，与其相距10-1000英尺)定位。当变送器110远离传感器区段108定位时，变送器110和传感器区段108之间的电连接可由一根或多根连接电缆或传输线118提供，所述连接电缆或传输线可由电缆、电线、数据总线、控制总线或其他适用于电气和数据通信的连接形成。
30.图2是根据本公开的实施方案的磁流量计102的简化图。传感器区段108可包括具有管道区段122的流管组件120，流体流104穿过该管道区段行进。流管组件120还包括具有电极124(诸如电极124a和124b)的emf传感器123，并且流管组件120包括一个或多个励磁线圈或线圈电线126，诸如线圈126a和/或126b。电极124a和124b以及线圈126a和126b可各自定位在管道区段122的彼此相对侧上，如图2所示。
31.数字处理器130可表示一个或多个处理器，所述处理器控制磁流量计102的部件以响应于指令的执行而执行本文所述的一个或多个功能，所述指令可存储在非暂态专利合格的存储器或计算机可读介质中。在一些实施方案中，数字处理器130基于磁流量计102的操作设定点向电流发生器132提供控制信号，以生成线圈电流ic，该线圈电流包括例如交替通
过线圈126的方向的dc电流脉冲(例如，方波电流脉冲)。也可使用其他类型的交流线圈电流。
32.在一些实施方案中，电流发生器132包括控制器140和功率放大器142。控制器140可表示一个或多个处理器，所述处理器控制功率放大器142的部件以诸如响应于来自数字处理器130的控制信号和/或响应于指令的执行而执行本文所述的一个或多个功能，所述指令可存储在由控制器140表示的非暂态专利合格的存储器或计算机可读介质中。
33.控制器140控制功率放大器142以基于磁流量计102的设定点水平生成线圈电流ic。控制器140可周期性地从电流采样电路143接收线圈电流ic的电流水平测量结果作为反馈，以确定是否需要对线圈电流ic进行调节以匹配磁流量计102的设定点水平，这对于精确的流速测量是必要的。
34.电流采样电路143可采用任何合适的形式。例如，电流采样电路143可操作以诸如在图2所示的位置处感测与线圈电流ic有关的电压，并且使用模数转换器将采样的电压转换为数字信号，该数字信号例如作为测量的电流水平呈现给控制器140。控制器140可基于测量的电流水平来调节线圈电流ic，以试图使线圈电流ic的电流水平与由磁流量计102的操作设定点指示的设定点电流水平相匹配。
35.线圈电流ic通过适当的电连接(诸如图1和图2所示的传输线118)递送到流管组件120的励磁线圈126a和/或126b。这使得线圈126a和/或126b生成跨管道区段122的磁场，该磁场以期望的激励频率改变方向。穿过管道区段122的内部144行进的过程流体流104充当移动导体，该移动导体根据法拉第电磁感应定律在流体中感应emf。电极124a和124b(可包括提供与导电过程流体的电容耦合或与导电过程流体的直接电耦合的电极部件)拾取存在于流体流104中的电压。电极124a和124b处的电压差与流体流104的速率成比例。
36.变送器110的信号处理器128连接到电极124a和124b。流管组件120可电接地到管道区段122、管道区段122上游或下游的凸缘或管道区段或者另一合适的接地连接部。数字处理器130使用任何合适的技术控制信号处理器128以对电极124a与124b之间的电压差进行采样，并且将测量的电压差提供给数字处理器130。例如，这可涉及将模拟差分电压信号转换为提供给数字处理器130的数字值。数字处理器130可对测量的差分电压执行进一步的信号处理，以确立对过程流体流104的流速的流速测量。可使用通信接口146诸如通过上面讨论的有线或无线通信协议中的一种协议将测量的流速传送到计算设备112。
37.图3是根据本公开的实施方案的磁流量计102的示例的简化横截面图。在一些实施方案中，磁流量计102包括变送器壳体150，该变送器壳体可容纳形成变送器110的电路系统，诸如信号处理器128、数字处理器130、通信接口146、控制器140、功率放大器142和/或其他部件。磁性件隔室152可围绕流管组件120的管道区段122，并且容纳一个或多个励磁线圈126、电极124和/或其他部件。如上所述，励磁线圈126(诸如励磁线圈126a和126b)可在管道区段122的外侧上彼此相对地(例如，在管道区段122的上方和下方)定位。
38.根据本文所述的一个或多个实施方案形成的流管组件120的复合流管衬套160将管道区段122与内部144密封开，流体流104穿过该内部行进。电极124可延伸穿过管道区段122的隧道162，同时与管道区段122电绝缘。电极124和/或到电极124的电连接部可延伸穿过衬套160的孔164，并进入内部144以接触流体流104。孔164可位于衬套160的相对侧上，诸如由图2中的孔164a和164b所示。例如，衬套160可根据需要包括另外的孔164以容纳另外的
电极124，诸如参考电极。衬套160可在孔164处提供与电极124的密封，以防止流体渗透到管道区段122中。
39.复合流管衬套160的实施方案包括含氟弹性体层，该氟弹性体层提供对过程流体流104的高耐化学性。复合流管衬套160的含氟弹性体层还提供保护以防操作过程中过程流体渗透到管道区段122中。这保护磁流量计102以防在流体流104、管道区段122与电极124a或124b之间形成短路，短路将使磁流量计102不可操作。
40.图4和图5分别是根据本公开的实施方案的沿线4-4截取的图3的复合流管衬套160的简化横截面图以及图3的衬套160的简化侧视平面图。所示特征未按比例示出。在一些实施方案中，复合流管衬套160包括具有开放内部168的复合(例如，多层)圆柱形壁166，该内部基本上围绕管道区段的内部144并接收过程流体流104。壁166包括内部层170和圆柱形衬底172，该圆柱形衬底可形成衬套160的外部层。在一个实施方案中，内部层170直接附接到圆柱形衬底。另选地，衬套160的实施方案可包括一个或多个中间层(未示出)，所述中间层定位在内部层170或内部层170的部分与圆柱形衬底172之间。
41.在一些实施方案中，内部层170包括含氟弹性体，诸如fkm(其是由美国材料与试验学会(astm)标准d1418定义的含氟弹性体材料家族)或另一种合适的含氟弹性体。含氟弹性体内部层170提供对过程流体流104(图1)的电绝缘和耐化学性。
42.含氟弹性体按重量计可形成内部层170的基本上100％(例如，至少98％)。另选地，含氟弹性体按体积或重量计可形成内部层170的至少50％、至少75％、至少90％和至少95％。
43.圆柱形衬底172可由金属形成。金属可形成衬底172的基本上全部(例如，按体积或重量计大于90％)。金属的示例包括铝、不锈钢、金、铜、钛、铬、钽、钒、镍和金属氧化物。
44.可使用本文所述的一种或多种技术将含氟弹性体内部层170粘结到圆柱形衬底172的内部侧173。在一些实施方案中，圆柱形衬底172具有多个穿孔174，这些穿孔有助于将含氟弹性体内部层170粘结到圆柱形衬底172的内部侧173。
45.穿孔174可采用各种形状。在一个实施方案中，穿孔174为大致圆形，如图5所示。图6a至图6c是根据本公开的实施方案的圆柱形衬底172的部分的简化侧视图。在一些实施方案中，穿孔174可具有椭圆形，如图6a所示，或矩形，如图6b所示。在一些实施方案中，圆柱形衬底172由丝网176形成，该丝网具有由穿过丝网176的开口限定的穿孔174，如图6c所示。
46.如下文更详细地描述，可将含氟弹性体内部层170压靠在圆柱形衬底的内部侧173上，从而使得含氟弹性体内部层170的部分至少部分地延伸到圆柱形衬底172的穿孔174中。可使用加热在该构造中固化含氟弹性体内部层170，以将含氟弹性体内部层170牢固地粘结到圆柱形衬底172上，并形成复合流管衬套160。
47.可使用任何合适的技术将圆柱形衬底172的外表面178固定在管道区段122的内部144内。如下所述，这可涉及将外表面178粘结(例如，粘合性粘结或焊接)到管道区段的内表面180和/或对复合流管衬套160的端部182进行扩口，如图3所示。
48.图7是根据本公开的实施方案的示出形成复合流管衬套160的方法的流程图。图8至图11是根据本公开的实施方案的流管衬套160在图7的方法的各个阶段的简化侧视横截面图。
49.在该方法的184处，提供具有多个穿孔174和开放内部185的圆柱形衬底172，如图8
所示。在一些实施方案中，圆柱形衬底172可与流管组件120分离，并且执行该方法的其余步骤以完成流管衬套160的制造，然后再将其安装在流管组件120的管道区段122中。另选地，在执行该方法的下述其余步骤之前，使用任何合适的技术(例如，粘附、焊接、对端部182进行扩口等)将圆柱形衬底172固定在流管组件120的管道区段122内。
50.在该方法的186处，将包括未固化的含氟弹性体的一个或多个衬套片187(下文称为“片”)插入到圆柱形衬底172的内部185中。片187对应于内部层170。可将片187卷成圆形，使得其覆盖圆柱形衬底172的内部侧173，如图9所示。
51.在188处，将片187压靠在圆柱形衬底172的内表面173上。可使用任何合适的技术来执行该方法步骤。在一个实施方案中，将成形心轴190插入在片187的内部侧192上，如图10所示。然后将心轴190充气以将片187径向压靠在内表面173以形成内部层170，如图11所示，并且完成压靠步骤188。
52.可在压靠步骤188之前、期间和/或之后对片187进行加热。在一个实施方案中，最初将片187加热到流动温度(例如，约120℃(248
°
f)的温度)，在该流动温度下，片187内的含氟弹性体流动，但不会开始固化。这确保了含氟弹性体是可延展的并且在压靠步骤188期间填充或至少部分地延伸到穿孔174中，如图4和图11所示。
53.可通过使用合适的加热装置对心轴190进行加热和/或将热量直接施加到片187和/或圆柱形衬底172上来执行片187的这种加热。当在步骤188期间将圆柱形衬底172固定在流管组件120的管道区段122内时，可对管道区段122进行加热以将圆柱形衬底172和片187加热到流动温度，同时将其容纳在衬底172的内部侧并压靠在表面173上。
54.在压靠步骤188之后，可将压靠的片187或内部层170(具有至少部分地延伸到圆柱形衬底172的穿孔中的部分，如图4所示)加热到大于流动温度的固化温度(例如，约140-176℃(284-350
°
f)的温度范围)，以将含氟弹性体片187或内部层170完全固化在其压靠位置。然后可对由内部层170和圆柱形衬底172形成的复合壁166进行冷却。根据一些实施方案，这使得内部层170粘结到圆柱形衬底上并且可完成复合流管衬套160的形成。
55.当完成的流管衬套160与流管组件120分离时，可使用各种技术将其固定在流管组件120的管道区段122内。在一些实施方案中，管道区段122包括中心轴线193，并且将流管衬套160插入到管道区段122内，使得其与中心轴线193基本上同心，如图12所示。然后可使用任何合适的技术将流管衬套160固定在管道区段122内，诸如将圆柱形衬底172的外表面178粘附或焊接到管道区段122的内表面180和/或对流管衬套160的端部182进行扩口，如图3和图13所示。
56.可使用合适的管扩口工具对流管衬套160的端部182进行扩口，使得端部182离开中心轴线193延伸，如图3和图13所示。可将扩口端部182夹在附接到管道区段122的凸缘194与邻接管道区段122的管道区段的凸缘之间，管道区段122(诸如图1所示的管道区段106)可从这些管道区段接收和排出流体流104。根据一些实施方案，这将流管衬套160固定在管道区段122内并且可完成流管组件的形成。
57.图14是根据本公开的实施方案的示出形成复合流管衬套160的方法的流程图。图15至图18是根据本公开的实施方案的流管衬套160在图14的方法的各个阶段的简化侧视横截面图。
58.在该方法的200处，提供具有多个穿孔204、第一表面206和相对的第二表面208的
衬底片202，如图15所示。根据上述一个或多个实施方案，衬底片202将用于形成复合流管衬套160的圆柱形衬底172。穿孔204从第一表面206延伸到第二表面208，并且可根据上述穿孔174的实施方案形成。
59.在该方法的210处，将包括含氟弹性体诸如fkm的衬套片212施加在衬底片202的表面206上，如图16所示。根据上述一个或多个实施方案，衬套片212将用于形成复合流管衬套160的内部层170。
60.在该方法的214处，然后将衬套片212压靠在表面206上，如图17所示。可使用板、辊或其他合适的部件将衬套片212压靠在表面206上。这使得衬套片212的部分延伸到穿孔204中。这将衬套片212固定到衬底片202，并且使得形成复合衬套片216，如图18所示。
61.在该方法的218处，将复合衬套片216形成为圆柱体以形成复合流管衬套160(图4和图5)，其中衬底片202形成衬底圆柱体172，并且衬套片212形成内部层170。因此，衬底片202的第二表面208对应于圆柱形衬底172的外表面178。在一些实施方案中，在将复合衬套片216卷成圆柱体之前，可将片216切割成所需的尺寸。也可将复合衬套片216形成为足够大以允许从片216上切割多个区段，并且每个区段用于形成复合流管衬套160。
62.在一些实施方案中，将片216卷成圆柱体，并且使用合适的技术将衬底片202的邻接端部固定在一起以形成流管衬套160，该流管衬套被构造用于随后安装到流管组件120的管道区段122中。可将热量施加到片212上，以确保所有接缝都被片212密封。
63.另选地，例如，可将复合衬套片216卷成圆柱体，插入到管道区段122中，并固定或粘结到管道区段122上，以形成流管衬套160和流管组件120，如图3所示。在一个实施方案中，可使用合适的粘合剂将与衬底圆柱体172的外表面178相对应的表面208粘附到管道区段122的内表面180，和/或可对端部182进行扩口以将由复合片216形成的流管衬套160固定到管道区段122。
64.在该方法的一些实施方案中，衬套片212包括未固化的含氟弹性体，并且该方法包括在压靠步骤214之前、期间和/或之后对衬套片212进行加热。在一个实施方案中，在压靠步骤214之前或期间将衬套片212加热到流动温度，在该流动温度下，含氟弹性体是可延展的或流动的。这增强了在压靠步骤214期间衬套片212的部分延伸到衬底片202的穿孔204中。该加热以及压靠步骤214可在将复合衬套片216或使用复合衬套片216形成的流管衬套160安装在流管组件的管道区段122中之前或之后完成。在一些实施方案中，流动温度小于衬套片212的含氟弹性体固化的固化温度。
65.在形成复合衬套片216之后，可将衬套片212加热到至少含氟弹性体的固化温度以固化衬套片216。这可在将复合衬套片216或使用复合衬套片216形成的流管衬套160安装在流管组件的管道区段122中之前或之后完成。
66.尽管已经参考优选实施方案描述了本公开的实施方案，但是本领域技术人员将认识到，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。