流体磁感测量装置及其制造方法

专利名称：流体磁感测量装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的流体磁感测量装置，以下简称MID，以及根据权利要求33的前序部分所述的制造流体磁感测量装置的方法。
背景技术：
流体磁感测量装置已经长期在现有技术中公知。例如，Elmar schrufer在1992年的VDI-Verlag Dusseldorf的第262-263页的Lexicon der mess-undAutomatisierumgstechnik[Lexicon of measuring and automation technology]中描述的基本结构和操作原理。基于该操作原理，磁感测量装置仅能用于测量电导流体的流通。然而，除了流体测量，目前也已经公知检测测量管是否全部或部分填充或未填充的装置。
优选地，将简单并且坚固的机械结构，特别是没有内置障碍物或者移动部分的直线测量管作为用于在一系列工业加工安装中的测量装置，例如，在水管理领域中(在饮用水处理和污水处理中的流量测量)，在化学和石油化学领域中(水，酸碱溶液等的流量测量)，在制药工业领域和食品工业领域中(水，果汁，啤酒，奶制品等的流量测量)。
制造者当前存储大量产品变形的需要反映了可能应用的宽范围。
普通类型的磁感测量装置包括被测物质流过的测量管，和进一步附着于测量管的子系统，特别是用于信号拾取的子系统，产生磁场的子系统简称磁系统，保护其不受环境影响的壳体和接收测量装置的电接口的连接装置。
如今，测量管通常是具有或未具有末端凸缘的钢管，其包括焊接到测量管的外围上的将其它装置元件和子系统安装到测量管上的连接元件。工艺管路系统中的安装可以通过凸缘安装或称作晶片安装的过渡法兰安装进行。
如今使用的磁感测量装置具有40巴的过程压力，其对耐压强度和水力系统的变形都有非常高的要求。水力系统中的压感变形，振动和其它负载可以导致附于测量管的信号拾取装置和磁系统中的扭曲和几何位移，从而降低了测量精度和测量的再现性。
如今已知的适于应用的测量管有由陶瓷构成的，一些具有嵌入了测量和屏蔽电极，以及由热塑料构成的。然而，陶瓷测量管价格昂贵且易碎，并且其上的其它子系统的较难固定。热塑料管仅能用于低压过程。
将已知的导电和电容信号拾取装置作为信号拾取的子系统。在导电信号拾取装置中，电极与被测物质电连接。导电信号拾取装置通常为两个通过孔导入测量管的电极。由于钢管和电极必须彼此电绝缘，因而必须通过非导电层也称作衬垫将钢管置于内部。这就使得测量装置的安装变得非常复杂。而且，存在因为电极与被测物质直接接触且必须根据测量任务使用组合界面效应和不同电极的缺点，导致了测量装置的变形的差异。
在电容信号拾取装置的情况下，电极与被测物质电隔离。使用位于非导电管衬垫中或后面的延伸电极。为了阻止电容引线至外部，也可以在测量电极和测量管之间提供屏蔽电极。
因为具有电极电场的钢管的电容干扰，很难实现位于钢测量管上的电容信号导出。虽然可以通过与陶瓷或者热塑料制成的钢管组合更容易地实现电容信号拾取装置，但是还是存在上述测量管的缺点。
作为信号拾取系统的延伸，在一些如今的磁感测量装置中至少具有一个用于与被测物质形成“接地“电位的参考电极。
用于产生磁场的子系统简称磁系统，通常通过安装在测量管周围的具有电极的两个线圈和磁性回路实现。安装时得到的几何公差非常小，其也使得安装变得复杂和昂贵。
通常通过将许多金属带相互堆积，并且铆接在一起实现磁性回路。在这种形式中，制造它们的几个制造步骤是必需的。
由于通过例如压铸方法制造的分离半壳或焊接金属带结构实现壳体，因而其在通常的流体磁感测量装置(MID)中具有相当大的成本因素。
位于壳体内的元件例如电缆不能通过单独地附着于壳体而定位固定是技术上的一个缺点。连接线的振动可以导致相当大的信号扰动，因而使得测量不精确，特别是在电容信号拾取装置中。
接收测量装置的电接口的连接装置可以将测量装置连接至计算电子设备，其容纳于通常称作发送器或传感器的组件中。发送器可以与测量装置在空间上分离，也可以集成在连接装置中。
目前，通常的制造方法的特征在于一方面，每个装置的变形的尺寸相对较小，另一方面，装置的变形的数量较多。为了适应各自应用的流量和压力范围，装置的变形可以通过例如使测量管的截面不同和测量管的壁变厚的方法而相异。由于信号拾取装置和产生磁场的子系统机械地安装在水力系统上，因而在该水力系统中的每个变形也需要安装于其上的子系统的不同安装工具。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种磁感测量装置，其制造成本较低，并且通过非常少的变形而覆盖应用的全部范围。
该目的通过相应于权利要求1的特征限定的测量装置实现，其制造方法通过相应于权利要求33的特征限定的方法实现。
因此，根据本发明，磁感测量装置的至少一个子系统完全或部分地由纤维复合材料层形成和/或嵌入在纤维复合材料层中。
根据本发明的优选实施方式，测量管完全或部分地由纤维复合材料层形成，特别是非导电纤维复合材料。
具体地，将玻璃纤维增强塑料(GRP)作为纤维复合材料。可以优选通过在用于其它元件制造的复合材料技术中已知的纤维缠绕技术来产生测量管。也可以使用在复合材料技术中已知的其它层装配技术。
根据本发明的测量管具有由纤维缠绕技术形成的测量管，其将机械稳定性和压缩承载容量与耐化学性和电绝缘属性接合。应当注意到，如果它是适当的直径，当测量管的壁为几毫米厚时，其可以通过由能够经受住40巴的内管压力而没有管的机械变形的GRP材料的纤维缠绕技术而产生。
由于GRP形成的测量管是电绝缘的，因此不需要附加的绝缘衬垫(衬垫)，这使得测量装置的制造变得更简单和廉价。如果电容信号导出与GRP测量管连接，则在GRP测量管和测量电极之间不会出现电容干扰。
可替代的，也可以使用复合材料技术中已知的其它制造方法，例如树脂传递成型(RTM)方法，其基于纤维预成型并且浸渍基质树脂，或者预浸处理/高压釜方法，其基于预浸渍材料。
作为玻璃纤维的替换，也可以用其它材料，优选是电绝缘的材料，但可以将机械增强基质树脂如芳族聚酸胺纤维，PE纤维或凯夫拉尔作为填充物。
进一步，如果要将子系统如信号拾取装置或磁系统固定到纤维复合材料制成的测量管上，可以通过传统的螺纹连接或夹紧，或在缠绕过程中将带状元件在特定位置部分或全部地与纤维复合材料合并以进行固定。
优选实施方式也可以是电极组件完全或部分由纤维复合材料层形成和/或嵌入在纤维复合材料中，或者，磁系统全部或部分地由纤维复合材料形成和/或嵌入在纤维复合材料中。
如果电极组件嵌入在纤维复合材料层中，当缠绕层时，可以以简单的方式在缠绕过程中合并电极。特别是在电容信号导出过程中，其中通常使用延伸电极，这样，可以得到非常简单的制造过程。
这种情况下，电极可以由弯曲的金属板，金属箔，或者导电纤维复合材料，例如炭纤维增强型纤维复合材料组成。
这样，树脂的介电属性(低介电损失，高介电常数，适当的介电常数的频率相应等)可以适应电容信号拾取装置的需要，由此，产品的可能类型的变形减至目前通常和所需的一小部分变形内。
除了嵌入电极，也可以在纤维复合材料层中嵌入电导线。该导线不需要任何大的劳动就可以摆脱振动，结果就提高了测量精度和抗干扰性。
在纤维复合材料中的嵌入可以使选择的测量电极和被测介质之间的距离变小，减小至纤维常量材料的单个缠绕层的厚度。通过当前通常使用的GRP材料，单层的厚度在0.1至3mm的范围内。与被测介质的接近导致了高的耦合电容和低的噪声信号导出。
如果电极缠绕在纤维复合材料中，其也可以由开孔的材料例如开孔的金属箔，金属网，或导电混合纤维形成。使用这种材料的优点在于电极中由磁场和磁系统交替导致的涡流降低，并且可以使用常量高激励频率。
必须用于操作电容原理的用于信号处理的阻抗变换器也可以在测量电极附近与后者一起嵌入在纤维复合材料层中。这样保证了在电极和阻抗变换器之间没有干扰信号的传递。
磁回路或整个磁系统也可以嵌入纤维复合材料层中，其中，柔性半成品铁磁材料是通过将“来自辊”与纤维复合材料一起以适当的反复形式施加的。在此优选使用缠绕方法。
由于不同于已知的磁系统的制造方法，预制部分不再需要特殊的公称长度，从而可以使用标准半成品材料代替，因而特别使经济制造成为可能。
另外，在传统的、更大的规模的情况下，由于许多小的部分区域之间的磁通分布，磁通量变化时不能够经常出现涡流，因而获得了技术上的优点，并且可以获得更好操作条件。这使得可以实现拾取装置的更高的激励频率，并且这也依次缩短了响应时间，制造出更快速的系统。而且，相应于流体噪声提高了信噪比，从而获得未被干扰的信号作为结果。
同时，铁芯损失降低。与传统的装置比较，操作或是在低能耗下进行，节省了能源，或是在高信号电平下功率不变地进行，结果还是提高了信噪比。
如果将铁磁芯嵌入纤维复合材料层中，进一步的优点是该铁磁芯的非常好地位置固定。在传统的系统中，必须花费大量的努力构建对振动不敏感且抗冲击的系统(通过机械装置或附加的粘合接头)，而这些在嵌入纤维复合材料中的磁系统中，其可以自动得到且不需要附加的劳动。
温度分布同样比传统制造的磁系统更有利，且得到了更均匀的温度分布。
更甚者，由于完全地通过嵌入保护磁系统，因此，在磁系统上不需要附加地抗腐蚀保护。
也可以由纤维复合材料形成磁系统的部分。例如，线圈可以由嵌入到增强纤维环氧矩阵中的铜线薄膜层构成。
壳体由纤维复合材料形成的实施方式特别有利。这样允许壳体以非常低价格的形式作为逻辑上连续的制造步骤中的一个，或作为低花费的单独制造步骤。
在信号拾取子系统和磁系统的电和磁元件的预装配后，通过层包围这些元件，通过纤维复合材料层实现了壳体功能。通过该制造步骤中只需要较少的材料和制造时间而获得价格优势。
由于使用的半成品材料几乎适应于任何想要的几何表面图形，这样，可以通过以突出方式永久固定的元件获得技术优点。
可以将对应于电磁干扰场(EMF屏蔽)的屏蔽层集成在缠绕过程中组合的壳体的绕组中。由能够缠绕的半成品材料制造该层，如碳纤维增强塑料的半成品材料由金属丝网或网孔构成，例如由铜等或导电纤维复合材料制成。
最后，在本发明的特别优选地实施方式中，信号拾取装置和磁系统嵌入在由纤维复合材料形成的测量管中。在该实施方式中，测量管首先由纤维复合材料缠绕，接着，分别如上所述，在其上先后的缠绕信号拾取装置和磁系统。该实施方式的优点在于测量装置通过将全部子系统集成在纤维复合材料层中，使得其不仅花费低而且将上述嵌入单个系统时描述的优点结合在一起。
可以从从属权利要求中得到本发明其它的优选改进以及其它的优点。


基于附图更详细的解释和描述本发明及其其它的优选改进以及其它的优点，附图中表示了本发明的13个典型的实施方式，其中附图1表示穿过MID的截面图，其中，信号拾取装置和磁系统嵌入在纤维复合材料层形成的测量管中，附图2表示穿过图1所示的MID的纵剖面图，其中，附加附加嵌入了参考电极，附图3表示穿过图1所示的具有导电信号导出的MID的纵剖面图，附图4表示穿过图1所示的MID的截面图，其中，物质侧面上的装置耦合表面为毫微结构，附图5表示穿过MID的纵剖面图，其中，壳体由纤维复合材料形成，附图6表示穿过的MID的进一步变形的纵剖面图，其中，壳体由纤维复合材料形成，附图7表示穿过MID的截面图，其中，仅信号拾取子系统嵌入在纤维复合材料层中，附图8表示穿过MID的纵剖面图，其中，仅磁系统完全嵌入纤维复合材料层中，附图9表示穿过MID的截面图，其中，仅磁系统部分地嵌入纤维复合材料层中，附图10表示穿过MID的截面图，其中，仅测量管由纤维复合材料形成，附图11表示穿过MID的截面图，其中，测量管部分地由纤维复合材料形成，附图12表示穿过MID的纵剖面图，其中，用于温度和张力测量的附加传感器嵌入到管壁中，附图13表示穿过MID的纵剖面图，其中，附加附加配备光学分析装置。
具体实施例方式
图1表示穿过磁感测量装置1的截面图，该装置包括具有物质侧面上的装置耦合表面4和周围侧面上的装置耦合表面6的测量管2，和连接组件或发送器8。测量管2由纤维复合材料层构成，其中，单个半成品纤维材料层10形成与合成树脂12合成的材料。在图1中，该层以截面图中的同心圆表示。通过将不同类型的层连续缠绕在半成品材料上，这样产生螺旋图案。
为了从纤维复合材料中制造出测量管，可以以适当的形式使用在复合材料技术中任何已知的方法。典型的纤维复合材料的单层的量极大小为0.12mm-3mm。
在MID中具有电容信号拾取子系统，其包括相对于管轴3垂直相对的两个测量电极20，20a，和分别相对于外部屏蔽测量电极的两个屏蔽电极22，22a，并且为了给测量导线26保持自由通道而分开(22，22’；22a，22a’)。
在电极20，20a，22，22a松开为平面的情况下，其外围轮廓基本上由成矩形的延伸的金属板或金属薄片构成，并且以圆柱体侧面的部分的形式与与测量管的轴3平行布置。
电极20，20a，22，22a也可以由开孔材料例如金属丝网或导电混合纤维形成。
在图1中，在距物质侧上的装置界定表面大约4个缠绕层的距离处布置测量电极20，20a。假设单层厚度为0.5mm，则其相应于2mm距离。壁厚度为2mm的纤维复合材料管可以承受40巴的内部管压而没有发生难以承受的变形。因此，如图1所示的MID的信号记录子系统没有由于内部的管压而暴露出任何不能承受的机械变形。
特别是当其导致装置损坏或导致附于管的电极或其他部分发生位移时，变形是不能接受的，因为这样的变形降低了测量的精度。
在电极20，20a，22，22a的附近，基本上是阻抗转换器和信号前置放大器的电信号预处理组件24也嵌入在层中，其与测量信号导线26从电极20，20a，22，22a至信号预处理组件24和从信号预处理组件24至发送器8的方式相同。
图1所示的MID的磁系统包括两个环形激励线圈30，30a和用于磁回路的铁磁芯32。环形线圈30，30a的缠绕表面彼此平行且相对于管中心轴3平行。因为在截面中表示，仅可以看到环形线圈30，30a的截面区域30’，30”，30a’，30a”。
铁磁芯32包括柔性铁磁金属板，其位于沿测量管圆柱体的内表面的两个线圈30，30a之间，从而保证了磁回路流通，并且其嵌入在纤维复合材料层中。激励线圈为传统的线绕线圈。它们与至激励线圈30，30a的导线26一起牢固地嵌入到纤维复合材料中。
制造根据本发明的如图1所示的MID的方法采用已知的本身用于增强纤维塑料制成的元件的制造技术，此处特别是缠绕方法。其包括通过下述处理布置进行运行。
首先，将内层缠绕到由如铝的金属制成的圆柱形芯体上。其可以由注入树脂的纤维即粗纱或半成品纤维材料例如平纹棉麻织物构成，其具有适当的单个纤维层并且剪切为测量管的总宽度的尺寸。
进一步，将多个层缠绕到该第一层上，测量电极固定在上面并且由许多的半成品纤维材料层缠绕。
测量电极也可以应用于半成品纤维材料的第一层。在这种情况下，测量电极甚至更接近被测物质，这意味着测量的灵敏度更高。
在平纹棉麻织物技术的情况时，可以通过例如粘帖点的方法进行固定。如果在缠绕期间缠绕它们时适当注意，则可以得到电极的非常高的定位精度。
接着的是屏蔽电极22，22a、信号导线26和信号转换组件24相应的过程。其后，壁由多个进一步的层而变厚。
下一步，最初依次暂时地固定磁系统的部分，铁磁芯和激励线圈，接着在缠绕过程中合并，最后将其固定。如图1中箭头B所示，激励线圈使在管的内部磁场相对于管中心轴3垂直，并且相对于测量电极20，20a之间的连接线垂直。
在磁系统的情况下，如果要得到高的测量精度，非常高的定位精度是重要的，特别是微小的扭曲。通过适当地小心缠绕，可得到的几何精度非常高。例如，可以得到线小于1°的圈和芯体的扭曲。
然后，为了从环境的影响上保护磁系统，其后，缠绕多个进一步的层。缠绕导电材料的屏蔽层40，其例如是导电材料如导电炭纤维的半成品纤维材料的，再由许多最终外部保护层缠绕。外部保护层提供特别是相对于外部影响的保护，这样，测量装置作为整体符合相应保护等级，例如IP68。如果测量管由半成品GRP材料制成，这种情况下，它们也可以由如芳族聚酰胺纤维加强材料的一些其它半成品材料构成。
在此未表示的附加屏蔽层也可以嵌入到电极和磁系统之间的空间中。
在缠绕过程中，应当从单个缠绕层之间导入测量信号导线26和到线圈30和信号转换组件24的导线。
然后，将连接装置8固定在完成缠绕的测量管上。这可以采用螺纹连接或粘合，也可以在缠绕时再次以带形式与半成品材料合并，这样，连接套管和任何操作和显示元件保持自由。
这样，连接装置8可以完全用于接触，并且其本身除了测量装置与系统环境(能源供给和信号源)电连接的连接元件外，不包含其它电部件。其也可以是已经包含用于信号处理，过滤，存储和传送的不同功能的部件，所述传送可以通过总线电缆，或者通过无线发送，蓝牙或其它通常的信号发送协议的传送，通常将其称作发送器。
最后，如最后的步骤，再次将芯体移出，拔出已经完成卷曲的管。可以用已知的技术如加热芯体来进行辅助。
制造方法的一个变形是将由如热塑料的衬垫材料构成的圆柱体软管用作芯体。该软管通过例如压缩气体(如压缩空气)达到所需的圆柱形。在将全部具有纤维复合材料的嵌入元件的子系统应用于该衬垫后，可以再次通过将它拔出以移走该衬垫芯体。
在进一步的实施方式中，未在附图中表示，在应用纤维复合材料层之后，该衬垫保持在测量装置内。
因此，以这种方式就得到了具有传统衬垫的由纤维复合材料制成的测量装置的变形。
附图2至13表示附图1所示的和如上所述的实施方式的未详尽描述的多个变形。因此，下面基本上论述与附图1所示的实施方式不同的部分。这样，分别由相同的附图标记表示相似或相当的部分或组件。
附图2表示穿过根据本发明的具有电容信号导出的MID的纵剖面图。在测量和屏蔽电极20，20a，22，22a周围的间断线表示它们嵌入在测量管2的第一缠绕层后面；它们与被测物质无直接接触。
另外，如图2所示的测量装置的结构除了嵌入在测量管内表面上的环形参考电极23外，基本上与附图1所示的相对应，这样，其与被测物质电连接。信号导线从参考电极23引至信号转换组件24。在一些测量结构中，需要将测量参考电压引入被测物质，出于该目的使用该参考电极23。
参考电极23由金属板即一片金属箔或电导半成品纤维复合材料制成，其中其直接置于芯体上，并且在随后由第一缠绕层包围。当移走芯体后，该参考电极与被测物质具有电流接触。
可以基于缠绕技术在较宽的范围内设定测量管2的表面轮廓。例如，如图2表示在侧部两密封表面5上变厚的测量管的举例，其在中间具有分别相对于中部的凸起收缩。连接装置8部分地进入测量管的壁中，并且粘固或压缩在其中。
通过例如晶片安装或过渡法兰安装技术进行如图2所示的测量装置的集成。
图3表示根据本发明的MID的变形，其与附图1所示的不同是其基本上实现了传导信号导出。测量电极21，21’与被测物质电流接触，其由箭头F表示在测量管2中的流动方向。其在附图3中表示为矩形电极，但是，其几乎可以为所需的任意形式，例如包括圆形或椭圆形。其长度远不如电容电极；它通常具有几毫米至几厘米的直径。也可以通过如图2所描述的用于参考电极的相似的方法将测量电极21嵌入到纤维复合材料层中。测量电极21选用的材料符合传统的MIDs，并且取决于所要的应用。
虽然在图3中示出了根据本发明的MID的结构，测量管由非导电纤维复合材料形成，但当应用导电原理时，则不必再包括绝缘的衬垫(衬垫)。测量电极21可以直接与磁系统30、30’、30”、30a、30a’、30a”、32、32’、32”嵌入到管壁的材料中，其显著地简化了该测量装置的制造。
图4所示的根据本发明的MID的实施方式与附图1所示的不同，其中，在物质侧上的装置界定表面4是毫微结构的，并且通过低粘性例如荷莲叶表面的方式形成。其优点是提供具有自清洗效应的管的介质连接内表面，并且较少对被测物质的沉积敏感。基于荷莲叶表面原理的自清洗效应，通过当被测物质的微粒沉积时表面张力与粘性力产生的一定比例，使得该表面具有毫微米尺寸的结构，其结果是大大减少了表面上微粒的有效黏着力。因此，可以通过被测物质的普通流动带走微粒，内管表面4能够反复地自清洗。
物质侧的装置界定表面4上的毫微结构可以通过例如将相应的矩阵应用于圆柱形金属芯体的表面而产生，则该结构可以在其缠绕时在纤维复合材料的第一层内成型。另一个可能是将塑料薄层作为第一层应用于圆柱形金属芯体，例如对成型的矩阵的毫微结构进行纺纱或沉浸。因此，将纤维复合材料的第一层应用于上部。物质侧的装置界定表面将由塑料的薄的亳微结构层形成；其它子系统的机械结构的稳定性和支撑功能将通过结构材料即纤维复合材料来保证。
图5表示本发明的典型实施方式，其中，仅壳体201由纤维复合材料形成；另一方面，其他子系统为传统的结构。特别地，测量管202是由钢制成的测量管，其在内部与塑料衬垫401(衬垫)布置成直线。具有两个激励线圈30，30a和铁磁芯32的磁系统通过已知的安装装置33a、33b、33c、33d、33e、33f、33g，即支撑、螺钉、螺丝钉、夹具和类似部分连接至测量管的外侧，它们仅在附图5中示意性地表示，由于MIDs构成领域的普通技术人员对它们有足够的了解，因而不需要在此更详细地描述。信号导出通过两个相对电极21导电，其仅一个可见且相对于管中心轴F和磁场B的方向垂直地附着，其与测量介质电流接触并且通过钢管电绝缘。基于上述方法，在磁系统周围形成包括纤维复合材料的壳体201。导电材料的屏蔽层40也引入到壳体中。如图5所示，壳体的空心圆柱形仅是通过纤维复合材料构建层的方法得到的多个可能的形状之一。形成壳体的层也可以不同程度的适应于磁系统的轮廓。
图6示出的实施方式包括具有衬垫401和导电信号导出的传统的钢测量管202，其通过电极21与被测物质电流接触。此处与根据附图5的实施方式不同，如基于上述附图1描述的方法，将具有激励线圈30，30a和铁磁芯32的磁系统嵌入在形成壳体的层和同样的屏蔽层40中。发送器8部分地进入其下侧的壳体的最上部层中，并且通过其两外侧面固定在壳体上，其通过同样由纤维复合材料形成的两个固定带9牢固地缠绕，并且应用于与壳体同样的缠绕过程。
不用说，根据附图6和5的实施方式的具有嵌入或连接的电容信号导出电极的测量管202也由陶瓷构成。
相应于图7的实施方式表示了MID，其仅将作为电容信号导出系统的用于测量信号记录的子系统嵌入倒纤维复合材料中，借此制造出测量系统的纤维复合嵌入19，而以传统的方式构成其它子系统。此处，测量管204为陶瓷管，但是其也可以是热塑料管。同样例如基于如图1所述的方法，测量和屏蔽电极20、20a、22、22a与信号导线26和信号转换组件24(为了整体上清楚，在附图7中未描述全部的信号导线)一起嵌入到在测量管上的纤维复合材料层中。在测应用量电极20，20a之前，首先将一个或多个纤维复合材料层直接应用于测量管。
在附图7的典型实施方式中，通过举例的方式示出具有4对测量电极20a、20a’、20b、20b’、20c、20c’、20d、20d’的多电极组件，测量电极20a、b、c、d分别覆盖测量管内表面的一部分。通过这样的多电极组件，除了流量测量还可以进行填充等级的记录和测量。这种填充等级可以通过现有技术中已知原理的电容多电极组件来记录和测量。没有严格地要求四对测量电极；其也可以布置三、四、五、六、七、八或者更多对电极。如附图7所示的典型实施方式，通过将这样类型的测量与多对测量电极的嵌入进行组合，获得的极大优点在于非常精确的定位多对电极，在嵌入后固定，测量导线不再震动或滑动，并且阻抗变换和信号预放大接近信号转换组件24中的电极，其结果是通过减少制造劳动提高了测量精度。
在如图7所示的实施方式中，磁系统由传统的用于磁回路的激励线圈30、30a和铁磁芯31构成，其通过固定装置33a、b、c、d、e、f、g固定在纤维复合嵌入19。壳体202同样是传统结构的金属壳体，其通过壳体构成装置34a，b，c，d附着。
此处，发送器8包括用于无线信号传送的无线信号传送单元，其由箭头R表示，并和在更高等级的过程控制系统中的MID的无线合并。
在图8表示的实施方式中，例如基于如图1所述的方法，将仅具有激励线圈30、30a和铁磁芯32的磁系统完全嵌入在纤维复合材料层中。这样，制造的纤维复合嵌入19包围传统的具有衬垫401和导电电极21的钢测量管202。在该实施方式中，也通过传统的方法由金属形成壳体206。该实施方式的优点在于廉价的方法，其中，当保留用于测量管，信号导出和壳体的验证和测试子系统时，可以制造几何精度非常高的磁系统。
图9表示穿过根据本发明的MID的纵向剖面图，其中，磁系统部分地嵌入到纤维复合材料层中。铁磁芯32嵌入在纤维复合材料层中，激励线圈30、30a通过固定装置33a、b、c、d、e、f、g固定在纤维复合嵌入19上。激励线圈30，30a也可以嵌入在纤维复合嵌入19中，铁磁芯也可以以传统的方式安装在上面。
图9所示的实施方式仍然提供了价格上的优势，并且与传统的MID的构成相比，提高了在磁系统固定上的几何精度，同时，比附图8或6所示的实施方式的制造方法要求的修改更少。
图10表示穿过根据本发明的MID的截面图，其中，仅测量管由纤维复合材料层形成，并且以传统的方式构成和安装保留的子系统如信号导出，磁系统和壳体。该对导电信号电极21嵌入在纤维复合材料构成的测量管2中。本实施方式提供的优点在于纤维复合材料构成的测量管是非导电的，并且具有高的机械稳定性，在压缩时抗变形，同时，具有抗化学性。不再需要应用内部衬垫层。通过制造与现有技术的现状相符的MID，该测量管弥补了装置的制造花费非常高的部分，当保留用于制造其它子系统的尝试和测试方法时，附图10所示的实施方式容许在只对制造过程作很小的改动的情况下非常低成本的制造。
在附图11中所示的根据本发明的MID的实施方式的截面图中，测量管2部分地由纤维复合材料，部分地由其它材料形成。测量管的内部18例如由热塑料形成，其中，与被测物质电连接的一对电极21作为导电信号导出嵌入。在热塑料内管周围是例如基于如图1所述的方法的纤维复合材料层-纤维复合嵌入19，热塑料内管代替可移动的金属芯用作芯体，并且与保留在装置中的后者不同。由纤维复合材料形成外管部分具有使测量管具有机械稳定性，抗压缩和变形的效应，单独的热塑料管是不具备这些的。本实施方式的优点在于可以使非常廉价的热塑料管的制造成为可能，当然不必在引入相对于被测物质绝缘的衬垫，并且通过将它们用纤维复合材料层包围来克服热塑料管的低压缩性能的缺点。传统地制造其它子系统，如磁系统和壳体。对引入的制造衬垫的修改非常地小。
目前所有可用的通常的MIDs都是直接测量流体的流通，而且，不包括任何可以从被测物质得到附加信息或者与测量装置本身有关的其他被测变量，例如用于诊断的附加装置。附图12表示根据本发明的MID的实施方式的纵向剖面图，其克服了现有技术中的缺点。附图12所示的测量装置基本上相应于附图2中所示和描述的。此外，在附图12所示的实施方式中，进一步将传感器嵌入到纤维复合材料层中。
在被测物体侧上的装置界定表面4附近嵌入第一温度传感器56。在附图1所述的构成层的方法中，其通过与嵌入参考电极23或者测量电极20、20a相似的过程固定在适当位置并缠绕。第一温度传感器可以嵌入到非常接近被测物质侧的装置界定表面4或者直接与被测物质接触，这样，可以通过其很好地记录在管的内壁上的被测物质的温度。所有目前可用的微型化的通常类型都可以用作该温度传感器，例如电阻温度传感器，热电偶或半导体温度传感器。
在环境侧的装置界定表面6附近嵌入第二温度传感器57。通过其可以记录测量装置的管壁的温度或者环境温度。在发送器8中进行两个温度传感器的传感器信号的处理，也可以在信号转换组件24中完成。
通过对纤维复合材料的几何和材料属性的了解，可以将两温度传感器56，57确定的温度值之间的差异用于计算热流通量和在被测物质和环境之间的能量交换。这样，可以监测该装置的可承受的操作限制。还可以基于记录的温度值估计测量管或者整个测量装置的剩余使用寿命。为了这一目的，在发送器8或者信号转换组件24中集成具有存储器的微处理器，其中，通过软件实现相应的使用寿命模块。在此存储测量的温度值，将温度的历史变量作为输入变量提供到使用寿命模块，计算希望的剩余使用寿命，并且通过发送器传递显示或进一步在更高级别的过程控制或工厂管理系统中作进一步的处理。
进一步，第一测量拾取装置56也可以或附加地为压力传感器。其基于附图1所述的方法在管内与被测物质液压连接地嵌入到纤维复合材料层中。通过这样的测量装置，可以同时测量流体的压力和流通。
此外，到测量管侧与外侧之间的中间近似地嵌入应变传感器58。其可以是例如应变仪或包括金属或半导体应变仪的电桥式应变仪结构。通过应变传感器58，可以确定缠绕体中的压力的机械状态。也可以将多个应变传感器嵌入到壳体19中的多个分散的点。这样，从得到的信息中，可以计算测量管的压力的多轴状态，并且可以监测在相应的安装环境中可承受的负载。
图13表示根据本发明的MID的实施方式的纵剖面图，其中，嵌入了信号拾取装置和在透明的纤维复合材料中嵌入产生磁场子系统的测量管。在缠绕用树脂预浸渍的层之后，如果在高压下进行处理，则可以将层层叠加的纤维复合材料的元件制成透明的。因为玻璃纤维在GRP材料的情况下是透明的；截留在树脂中的空气造成纤维复合材料的非透明性。它们在真空处理下移走，结果是纤维复合材料变成透明的。
在透明纤维复合材料构成的测量管时，基于光学操作原理可以附加地嵌入传感器。在附图13表示的MID中，光学测链包括光源53和与其相对的光接收器52，其在右侧嵌入在纤维复合材料层中，为了防止污染，光源53和接收器52的光学窗口精确地通过透明的纤维复合材料薄层与被测物质分离。
这样，可以实现一系列的光学测量方法，并且进一步可以从被测物质得到有关其它测量变量的信息。
例如，光源53可以是调到特定波长的激光二极管。通过测量与激光二极管发射的光强度相对应的到达接收器的光强度，可以确定在被测物质中的特定波长的光吸收，这样，可以得到被测物质的成分。原则上可以将小型吸收光分仪嵌入到透明的纤维复合材料的测量管中。如果光源53发出的频谱较宽，则可以通过光强度发送的和接收器接收的总强度之间的比率得到被测物质的混浊度。例如，在酒厂中，将该测量装置用于过程监测是非常有利的。
在附图13中的测量管2的左侧，光学传感器通过安装元件60a、b、c、d在外部附着于测量管。优选地使用灵敏度非常高的光学元件，例如在进行树脂处理时，可能会被升高的温度损坏。
例如，也可以将如数码相机中使用的CCD芯片的光学图象记录芯片作为光学传感元件。通过这样的图象记录组件和存储在发送器8中的图象处理软件，可以在具有存储器的微处理器中进行被测物质的自动光学监测。例如，在流量测量的同时，可以监测流动的透明食品如果汁中不希望的夹杂物的存在。
上述典型的实施方式并没有构成根据本发明的MIDs的所有可能的实施方式。在此未提及的但是可以通过所述实施方式或其部件的组合得到的所有实施方式都被本发明所覆盖。特别地，也可以通过附图1至4所述不同的方法产生磁系统的结构，即激励线圈首先固定在缠绕体上，然后在其上固定铁磁芯。
权利要求
1.一种用于流动物质(被测物质)的磁感测量装置(1)，其具有至少一个子系统，所述子系统分别—用于运载物质(水力系统，测量管)(2)；—用于记录测量信号，该子系统包括信号拾取装置(用于信号导出的电极组件(20、20a、22、22a))；—用于产生磁场，该子系统包括至少两个激励线圈(30、30a)和铁磁芯(32)(磁系统)；以及—用于将该装置限制在环境侧上(壳体)，其特征在于至少一个子系统完全或部分地由纤维复合材料层形成和/或嵌入在纤维复合材料层中。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于测量管(2)完全或部分地由纤维复合材料层特别是由电绝缘纤维复合材料层形成。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于信号拾取装置(20、21、22、23)完全或部分地由纤维复合材料层形成和/或嵌入在纤维复合材料层中。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于磁系统(30、32)完全或部分地由纤维复合材料层形成和/或嵌入在纤维复合材料层中。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于完全地嵌入信号拾取装置(20、21、22、23)，并且磁系统(30、32)完全或部分地嵌入到纤维复合材料层中。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于壳体由纤维复合材料形成。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于信号拾取装置(20、21、22、23)和磁系统(30、32)嵌入到由纤维复合材料层形成的测量管(2)中。
8.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于测量管(2)由一系列不同的纤维复合材料层形成。
9.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于测量管的壁厚度的尺寸是这样的尺寸使嵌入子系统的测量管可以吸收出现的水力和机械负载。
10.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于信号拾取装置包括至少两个测量电极(20)和至该电极的电导线(26)和/或与被测物质的电接触的参考电极(23)。
11.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于信号拾取装置包括至少两个测量电极(20)和至少两个屏蔽电极(22)，其相对于外场屏蔽该测量电极(20)，以及至该电极的电导线(26)，和/或与被测物质的电接触的参考电极(23)。
12.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于测量和/或屏蔽和/或参考电极由金属箔或柔性金属板或导电塑料或导电纤维复合材料形成。
13.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于由开孔金属箔或金属网或导电混合纤维形成测量电极。
14.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于信号拾取装置包括电信号转换组件(24)和从每个测量电极(20、21)引出至信号转换组件(24)的导电连接装置(26)。
15.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于铁磁芯(32)嵌入在纤维复合材料层中。
16.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于激励线圈(30，30a)与铁磁芯一起嵌入在纤维复合材料层中。
17.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于铁磁芯(32)由铁磁箔或铁磁金属板或铁磁丝或铁磁丝网形成。
18.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于铁磁芯(32)由铁或铁镍合金或钴铁或硅铁或铝铁或铁氧体形成。
19.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于激励线圈(30、30a)由嵌入纤维增强型环氧树脂的铜丝形成。
20.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于至少一个电或磁或电磁场相对的屏蔽层(40)嵌入信号拾取装置和环境侧的装置界定表面(6)之间的纤维复合材料层中。
21.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于屏蔽层(40)由导电纤维复合材料或金属箔或金属网形成。
22.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于电连接装置(8)在环境侧附着装置边界(6)，其中，电连接导体由信号拾取装置和/或测量传感器以及到电连接装置的线圈形成。
23.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于电连接装置(8)包括测量传感器。
24.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于测量装置(1)进一步包括至少一个用于记录至少一个物质和/或水力系统(2)的进一步的测量变量的进一步的测量拾取装置(50、51、52、53、56、67、78)。
25.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于测量装置(1)进一步包括记录流体的测量变量的第一测量拾取装置(56)和记录水力系统的测量变量的第二测量拾取装置(57，58)。
26.根据权利要求25所述的测量装置，其特征在于进一步的第一和/或第二测量拾取装置(56，57)为温度传感器。
27.根据权利要求26所述的测量装置，其特征在于第一测量拾取装置为压力传感器或光学混浊度传感器或光学分析仪或成像光电子元件。
28.根据权利要求26所述的测量装置，其特征在于第二测量拾取装置(58)为应变仪。
29.根据权利要求24至28任一所述的测量装置，其特征在于从测量拾取装置(50、51、52、53、56、57、58)的测量信号得到的信息可以进行装置诊断，特别是监测操作极限值和/或确定剩余使用寿命。
30.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于物质侧上的装置界定表面(4)是毫微结构的，并且低粘性地形成物质侧上的装置界定表面(4)。
31.根据权利要求30所述的测量装置，其特征在于以荷莲叶表面的方式构造物质侧上的装置界定表面(4)。
32.根据前面任一权利要求所述的测量装置，其特征在于通过缠绕技术产生纤维合成材料层。
33.一种制造用于流动物质(被测物质)的磁感测量装置的方法，该磁感测量装置具有在被测物质侧上的装置界定表面和在环境侧上的装置界定表面，以及具有至少一个其它的子系统，所述子系统分别用于运载物质(水力系统，测量管)，记录测量信号(信号拾取装置)，和产生磁场(磁系统)，其特征在于全部或部分的所述子系统完全或部分地由纤维复合材料层形成和/或嵌入在纤维复合材料层中。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于由纤维复合材料通过将半成品纤维复合材料一层一层地缠绕到芯体上并且在缠绕时将信号拾取装置和磁系统合并到该测量管中产生测量管。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于在缠绕合并之前，已经定位信号拾取装置和磁系统，并且暂时固定到测量管的已经缠绕的部分上。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于具有缠绕合并的子系统的测量管由浸渍树脂的半成品纤维材料缠绕并且随后进行处理。
37.根据权利要求35所述的方法，其特征在于从干燥半完成的纤维材料层缠绕通过缠绕结合的具有子系统的测量管，并在真空下随后将其拔出。
38.根据权利要求33至37中任一权利要求所述的方法，其特征在于在特定区域缠绕不同的纤维复合材料。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于在特定区域缠绕非导电纤维复合材料，在特定区域缠绕导电纤维复合材料。
全文摘要
一种用于流动物质(被测物质)的磁感测量装置(1)，其相应地具有至少一个子系统用于运载物质的子系统(水力系统，测量管)(2)；用于记录测量信号的子系统，其包括信号拾取装置(用于信号导出的电极组件(20、20a、22、22a))；用于产生磁场的子系统，其包括至少两个激励线圈(30、30a)和铁磁芯(32)(磁系统)；以及用于将该装置限制在环境侧上的子系统(壳体)，其特征在于至少一个子系统完全或部分地由纤维复合材料层形成和/或嵌入在纤维复合材料层中。
文档编号G01F1/56GK1637394SQ20041009549
公开日2005年7月13日 申请日期2004年10月9日 优先权日2003年10月10日
发明者D·海布雷赫茨, H·-W·施维德尔斯基, G·拉舍, A·E·厄勒, D·基泽, D·埃菲尔, E·阿萨, A·特内, R·胡克, W·肖尔茨, F·罗里托, A·沃格尔, P·萨斯 申请人:Abb专利有限公司