专利名称：磁感应流量计和用于这种流量计的测量管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于磁感应流量计的测量管以及具有这种测量管 的磁感应流量计。
背景技术：
为了测量导电流体，经常使用一种具有磁感应测量变送器的流量 计。众所周知，利用磁感应流量计能够测量特别是导电流体特别是液 体的体积流量，而且形成对应的测量值。如众所周知，磁感应流量计 的测量原理是，由于载荷子分离而在被磁场切割的流动流体部分体积 中感生的电压被利用至少两个测量电极检测到，并且在流量计的测量 仪表电子装置中被进一步处理为相应的测量值，例如体积流的测量值。 同样的，本领域技术人员熟知单独元件的结构和磁感应流量计的功能，
例如在以下文献中有所记载DE-A43 26 991、 EP-A 1 460 394、 EP-A 1 275 940、EP-A 12 73 892、EP-A 1 273 891、EP-A 814 324、EP-A 770 855、 EP-A 521 169、 US-B 6,763,729、 US-B 6,658,720、 US-B 6，634，238、 US-B 6,595,069、 US-A 6,031,740、 US-A 5,664,315、 US-A 5,646,353、 US-A 5,540,103、 US-A 5,487,310、 US-A 5,210,496、 US-A 4,704,卯8、 US-A 4,410,926、 US-A 2002/0117009或WO-A 01/卯702。
为传送待测流体，上述类型的测量变送器，如附图所示意，是一 种插入到引导流体的管道中的测量管。为避免流体中感应的电压短路， 测量管至少在其接触流体的内侧面上基本不导电地构成。为了将测量 管插入到传送流体的管道中，测量管的端部提供了法兰或类似装置。 上述用于工业的测量变送器经常有一个测量管，其利用金属支撑管和 内部涂覆的电绝缘材料层(所谓的衬底)形成。使用这样安置的测量 管，保证了测量变送器和整个流量计具有在机械上非常稳定和鲁棒的
结构。诸如硬橡胶，聚氟乙烯树脂，聚亚安酯，或其它化学和/或机械 上耐用的塑料都被用于制作衬底的材料；而为避免磁场衰减，特别是 在同一个测量管内可能的短路，上述类型的支撑管通常由非铁磁材料， 特别是顺磁的材料，如不锈钢或类似材料制成。因此，通过对支撑管 的适当选择，可以实现测量管强度对各种应用场合存在的机械需求的 的匹配；而利用衬底，也可以得到测量管与各种应用场合的化学的特 别是卫生需求的的匹配。通常，这种情况下使用的材料具有的额定的 也就是有效的或者平均的相对导磁率A充分小于10而大于5。众所周 知，这种情况下，相对导磁率^给出了当材料置于同一磁场中时测量 磁通密度(=磁感应)相对于在空气或真空环境中的磁通密度增加，在 空气或真空环境中的导磁率内(=感应常数)等于1.256 . 10-6 Vs.Anf、也就是对于所使用的材料的导磁率M有关系M=/V^)。
测量所需的磁场由相应的磁场系统产生，该磁场系统由线圈装置 构成，通常包括两个励磁线圈，对应的用于励磁线圈的线圈铁心和/或 极靴，以及可能时还包括与测量管外部的线圈铁心连接的导磁引导片。 然而，也有磁场系统只使用单一励磁线圈。磁场系统通常实际上如图1 中所示，直接设置在测量管上并由其支承。
为产生磁场，由相应测量仪表电子装置提供的励磁电流I流过线 圈装置。对现代测量变送器，励磁电流通常是脉冲的双极矩形交流电 流。US-B 6，763，729、US-A 6,031，740、US陽A 4,410,926或EP-A 1 460 394
列出了一些用于产生这种励磁电流的电路装置以及相应的切换和/或调 节方法。这种电路装置通常包括驱动励磁电流的能源以及H-型或T-型 桥电路，用于调制励磁电流。
根据法拉第感应定律在流体中感生的电压，在至少两个流电的 (即，被液体弄湿)测量电极，或者至少两个容性的(即，例如设置 在测量管管壁内部)测量电极被检测而作为测量电压。通常情况下， 测量电极被安排到在直径上相对的两端，使得其共同的直径垂直于磁
场方向，即垂直于励磁装置所在的直径，然而，同样的，测量电极可
以被安排在测量管非直径的两端；对此特别是参见US-A 5,646,353。通 过测量电极检测的测量电压被放大并且通过平均电路处理为测量信 号，这种信号是可以被记录，显示或者进一步处理的。相应的测量电 子装置同样地为本领域技术人员所知，例如在EP-A 814 324、 EP-A 521 169或WO-A 01/90702中有所记载。
正如己经说明的，在上述类型的测量变送器中，测量管内部和外 部的磁场的引导是非常重要的。通常应用的影响磁场的措施包括使用 非铁磁测量管，例如在US-B 6,595,069所述，除此之外，还包括为磁 场线圈使用适当成型并尽可能靠近流体的极靴和/或使用导磁材料，特 别是铁磁材料，用于反馈测量管外部的磁场。
这种具有金属支撑管的测量变送器的一大缺点是， 一方面需要相 当可观的技术技巧，以能够以所需的测量精度形成和引导磁场。另一 方面，使用非铁磁材料的支撑管，(如使用顺磁的不锈钢)，非常昂 贵，这将导致生产上述测量变送器的可观的成本因素。进一步，传统 的磁场系统的一个缺点是，如图1所示，磁场在测量管内腔内不均匀 地形成，因此，测量电压明显依赖于测量管内流体的流型。
发明内容
因此，本发明的目的在于，改进磁感应测量变送器， 一方面，可 以优化制造成本，另一方面，测量所需的磁场特性可以被简单地和低 成本地优化，并且同时非常的有效。
为达到此目的，本发明在于一种磁感应流量计的测量管，用于传 送导电流体，其中，测量管至少部分地特别是主要地由相对导磁率 充分大于1特别是大于10的导磁材料构成。
另外，本发明在于一种用于在管道中流动的流体且包含这种测量
管的磁感应流量计。
在本发明的测量管的第一个实施例中，测量管的金属元件和/或全 部测量管主要由导磁材料制成。
在本发明的测量管的第二个实施例中，其导磁材料的相对导磁率
/^充分大于10，特别是大于20。
在本发明的测量管的第三个实施例中，其导磁材料的相对导磁率
^小于1000，特别是小于400。
在本发明的测量管的第四个实施例中，其导磁材料的相对导磁率 A在20至U 400之间。
在本发明的测量管的第五个实施例中，至少一个测量管中央管段， 特别是沿着测量管的自封闭的外围，由导磁材料构成。
在本发明的测量管的第六个实施例中，其导磁材料基本上在测量 管的整个长度上和/或在测量管整个外围上特别是均匀地分布。
在本发明的测量管的第七个实施例中，测量管至少部分由铁磁金 属制成。
在本发明的测量管的第八个实施例中，测量管至少部分由软磁金 属制成。
在本发明的测量管的第九个实施例中，测量管至少部分由硬磁金 属制成。
在本发明的测量管的第十个实施例中，导磁材料的层厚比测量管
内径小很多。
在本发明的测量管的第十一个实施例中，测量管内径以及导磁材 料层厚被测定为使得导磁材料层厚与测量管内径之比小于0.2，特别是
小于0.1。
在本发明的测量管的第十二个实施例中，测量管至少在其接触流 体的内侧面上被构成为基本不导电。
在本发明的测量管的第十三个实施例中，测量管以一个用作外部 管壁和/或外部套的特别是金属的和/或导电的支撑管形成，其在内部内 衬至少一个电绝缘材料层。在本发明的进一步实施例中，支撑管有一 个比支撑管内径小很多的壁厚。特别的在这种情况下，内径和支撑管 的壁厚被测定为使得支撑管壁厚与其内径之比小于0.5，特别是小于 0.2。在本发明的另一个进一步实施例中，这种情况下，使用导磁材料，
其支撑管壁厚与其内径之比与导磁材料相对导磁率^的乘积小于5，特 别是小于3，和/或大于l，特别是大于1.2。在本发明的进一步实施例 中，支撑管至少部分地，特别是主要地或者全部地由导磁材料制成。
在流量计的第一实施例中，其进一步包括了测量及操作电路；由 测量及操作电路供电的磁场系统，其通过至少一个设置在测量管上或 其附近的励磁线圈产生特别是脉冲磁场，该磁场至少间歇地贯穿测量 管的内腔；以及至少两个测量电极，用于检测在流过测量管并且被磁 场贯穿的流体中感生的电势和/或电压。为了产生表征至少一个描述待 测流体的参数的测量值，测量及操作电路还至少间歇地与至少一个测 量电极相连接。在本发明实施例的进一步发展中，测量电极与至少一 个励磁线圈相距地设置在测量管上和/或其管壁内部。特别的，在这种 情况下，至少两个测量电极被设置在测量管上，使得虚拟连接这些电 极的电极轴线基本垂直地切割至少间歇地贯穿测量管内腔的磁场。另 外，导磁材料至少在测量管的中央管段的区域中特别是沿着测量管的
自封闭外围分布，并且至少一个励磁线圈和测量电极设置在测量管上， 使得在励磁线圈区域和测量电极区域中，在操作期间至少间歇地产生 的磁场特别是以基本相同的方向和/或基本相同的磁通密度耦合入测量 管内腔。进一步，这种情况下，导磁材料至少在测量管的中央管段的 区域中分布，特别是沿着测量管的自封闭外围分布，并且至少一个励 磁线圈以及测量电极被设置在测量管上，使得在测量管的内腔内部至 少间歇地产生的磁场至少以这种方式在中央管段的区域形成，使得至 少在管壁区域内，以及与虚拟电极轴线的垂直距离大于测量管内径四 分之一长度的位置，其至少与虚拟电极轴线大致垂直定向。
在本发明流量计的第二个实施例中，其进一步包括至少一个在测 量管外部分布的磁反馈，以引导测量管外部的磁场。在本发明的进一 步发展中，这种情况下，特别是在测量电极区域测量的磁反馈和测量 管之间的平均距离被这样选择，使得平均距离与支撑管外径的距离-直 径比小于1，特别是小于0.5。在本发明的这个实施例中，还具有以下 优点平均距离与支撑管外径之比与导磁材料相对导磁率^的乘积小 于100，特别是小于60。
本发明的一个基本想法是，替代通常使用的非导磁材料测量管或 者导磁水平低的测量管(/Xr=4)，磁感应测量变送器使用由高导磁材
料制成的测量管(^>>1)，从而改进磁场系统效率。
本发明在于令人惊讶的发现，通过将高导磁材料用于测量管，在 测量管内腔内部，至少在测量电极附近区域，不仅可以实现显著的放 大而且可以实现显著的比较性以及磁场的均匀性。
本发明优点在于，可以通过上述类型的测量管达到磁场系统的改 进，其与传统的测量变送器相比，更加制造成本划算。
现在将基于附图中描述的磁感应流量计实施例以及基于对于本发 明的测量变送器的不同配置而实验确定的磁场数据，详细描述本发明 的零件以及具有优点的实施例。附图中
图1显示了在传统磁感应测量变送器的磁力线。
图2示意性地部分以截面图以及部分以结构图显示了具有测量管 的磁感应流量计。
图3显示了在根据本发明的磁感应测量变送器的由电极轴线和励 磁线圈轴线张成的截面内的磁力线。
图4a、 b、 c显示了在图3的截面内部，对于不同磁感应测量变送 器所确定的磁通密度B的L2规则化，以及由其在电极轴线方向或励磁 线圈轴线方向上作用的分量，其各自依赖于测量管材料的相对导磁率。
图5显示了在图3的截面内部，对于不同磁感应测量变送器所确 定的沿着各电极轴线总磁通密度B的分布，其依赖于与电极轴线中点 的距离而变化。
图7显示了在图3截面中，对于不同磁感应测量变送器确定的， 总磁通密度与那里测量的磁通密度B平均值的全部偏差，其依测量管 材料的相对导磁率而变化。
图8， 9显示了对于不同的磁感应测量变送器，根据图2或3确定 的测量管材料最佳相对导磁率与测量变送器不同几何维度参数的依赖 关系。
图10， 11， 12a、 b、 c 13a、 b、 c显示了对于不同的磁感应测量变 送器，根据图2或3确定的基于表征磁场自身的磁场变量而在图3截 面中的磁场与测量管材料相对导磁率和测量变送器不同几何维度参数 的依赖关系。
具体实施例方式
图2和图3示意举例说明了流量计。通过该流量计确定导电且流 动的流体11的至少一个物理测量变量，如体积流量。流量计包括磁感 应测量变送器1和与其连接的测量及操作电路8，该电路用于启动该测 量变送器并产生表征至少一个描述流体参数的测量值，特别是数字测
量值。为了进一步计算测量值，例如通过使用微计算机IO实现测量及 操作电路8还可以通过对应的数据传送系统16与上位过程控制计算机
9通讯。
属于测量变送器1的是测量管2，其被插入到传送液体11的管道 (未显示)中。测量管2包括一个由管壁包围的测量管内腔。至少间 歇地，被测流体11流过测量管内腔。为将管道与测量管2连接，适当 的连接元件如法兰，在测量管2端部被提供。
另外，在流量计操作期间，磁场至少间歇地贯穿至少部分测量管 内腔。磁场基本保持恒定，至少间歇地，特别是有节奏地重复，它至 少逐段地与流体11流动方向相符的测量管纵轴z相垂直的分布，从而 在流体中感生测量电压U，其对应于至少一个流体测量变量，例如流 速和/或体积流量。在其接触流体的内侧面上，测量管基本不导电，从 而避免利用磁场感生的测量电压U在测量管2上的短路。
为产生测量至少一个参数所需的具有足够高磁通密度B的磁场， 测量变送器1还有一个由测量及操作电路IO供电的磁场系统。磁场系 统通过至少一个安装在测量管2或者其周边的励磁线圈，产生至少间 歇地贯穿测量管2内腔的特别是脉冲的磁场。在所示的本实施例中， 磁场系统包括第一励磁线圈6和第二励磁线圈7，特别是第二励磁线圈 7与第一励磁线圈6串行或并行电连接。励磁线圈6， 7被安装在测量 管2相对的位置，实际上，在本发明的一个有优点的实施例中，虚拟 连接两个励磁线圈的线圈轴线y与测量管2的直径相符，基本上与测 量管2纵轴z相垂直。当合适的励磁电流，例如脉冲直流或交流电流， 在励磁线圈6， 7中流过时，管壁和测量管内腔出现贯穿其中存在的流 体的磁场。如这种磁场系统常见的，每个励磁线圈6， 7都会在导磁磁 芯中被弯曲，反过来，可以与对应的极靴共同作用，参见US-A 5,540,103。然而，如图1所示意，励磁线圈也可以是无芯的空气线圈。 为改进磁场系统的磁场性能，可以在测量管2外附加安装磁反馈17，
其用于在尽可能小的体积内部引导测量管外部的磁场。例如，如这样 的测量变送器通常的，励磁线圈6， 7可以通过这样的安装在测量管外 的磁反馈17相互磁耦合。磁场系统还有具有优点的方式实现，使得特
别是两个励磁线圈6， 7被这样定尺寸及彼此定向，使得由此产生的磁 场在测量管2内部至少关于线圈轴线y大致对称，特别是C2 —旋转对 称(C2-对称=180°-旋转对称)。
为了检测在流过测量管2且被磁场贯穿的流体中感生的电势和/或 电压，测量变送器进一步包括了至少两个测量电极，它们在流量计操 作期间至少间歇地连接测量及操作电路8，其中安装在测量管2管壁内 侧面的第一测量电极4用于检测依赖于至少一个测量变量的第一电势， 同样安装于测量管的第二测量电极5用于检测依赖于至少一个测量变 量的第二电势。测量电极4， 5在这种情况下与至少一个励磁线圈相距 设置和/或安装在其管壁内部，并且实际上，在本发明一个有优点的实 施例中，虚拟连接两个测量电极4， 5的电极轴线x与线圈轴线y禾口/ 或测量管纵轴z基本垂直。受到磁场B的影响，在流动的流体中存在 的自由载荷子依赖于极性而在一个或另一个测量电极4， 5的方向上漂 移。在这种情况下，在测量电极4， 5间形成的测量电压U与在图1所 示的测量管2截面A上平均的流体流速基本成比例，并且因此也是其 体积流量的量度。
在所示的实施例的一个例子中，测量电极4， 5基本在测量管2的 第二直径上，该直径不仅基本上与测量管纵轴z相垂直，还基本与线圈 轴线y相垂直。如图1所示意，举例来讲，测量电极4， 5作为流电电 极构成，S卩，接触流体。然而，作为备选或作为补充，安装在测量管2 管壁内部的电容性电极也可以当作测量电极4， 5使用。进一步，当构 成磁场系统使得磁场关于电极轴线x至少C2对称时，是具有优点的。 在本发明的实施例中，磁场还被这样构成，使得它在测量管内腔内部 至少间歇地相关于前述的虚拟参考轴x、 y、z基本对称，并且，实际上， 其基本至少C2对称(=180°-旋转对称).
测量电极4、 5以及至少一个励磁线圈6或励磁线圈6、 7最终都 通过对应的连接线4、 5、 6、 7与控制流量变送器操作的测量及操作电 路8电连接。
根据本发明，进一步提出，测量管至少部分的，特别是主要的， 由相对导磁率为/^充分大于1的导磁材料构成。在本发明的实施例中， 这种情况下，支持测量电极的测量管区域由导磁材料构成。
研究令人惊奇地显示，通过将导磁材料特别是高导磁材料使用于 测量管2，至少在虚拟励磁线圈轴线y和虚拟电极轴线x所相交的测量 管2中央管段，可以明显改善在测量管内腔获得的静态(即，为了测 量至少一个参数而保持足够恒定)磁场，特别是其磁通密度B和/或其 在测量管内腔的分布及方向。因此，举例来讲，对于由励磁线圈轴线y 和电极轴线x所定义的对应于图2所示截面A的测量管2截面，能够 确定，至少是静态磁场的磁通密度B在相对导磁率/Xr大于10时以令人 惊奇的方式为超过比例的高值。这可以证明，对于实际的测量管和磁 场系统，基于所谓的磁通密度B的W规则化。磁通密度B的I 规则 化liBllu给出了在测量管截面A中的磁场大小或者磁场的磁能量，它 可以通过公式计算出来
<formula>formula see original document page 15</formula> (l)
图4a示例性显示了磁通密度B的I^规则化IIBIb随所选相对导磁 率^变化的可能分布。伴随着基于使用高导磁材料的整个测量管内腔 的磁场改善，在前述的管段区域，特别是在前述的测量管的截面A内 部，如图5所示，至少沿着电极轴线X及其临近周边区域，磁通密度 B的大小IBI也有了明显的增加。作为磁通密度B提升的结果，可以发 现，对比具有类似结构的传统磁感应流量计，测量电压U有了明显的 提升。
进一步，还可以发现，可以发现测量管的最优相对导磁率/^依赖 于测量管和磁场系统(包括可能的反馈)的实际尺寸，其中在最优相
对导磁率下，在静态磁场中磁通密度B及其1^规则化IIBIb达到最大， 参见图4a。在对应方式中，测量变送器有最大敏感度其中由磁场贯穿 的流动流体在两个测量电极间形成最大测量电压U。对其进一步研究 发现，依赖于测量变送器的尺寸，最优相对导磁率Mr大约在10 1000 的范围，特别是在20 400的范围内。
进一步确定，通过在测量管使用导磁材料，静态磁场不仅针对其 磁通密度B被改善，而且对比传统的同样结构的测量变送器，在励磁 线圈轴线y的方向上，至少在前述的截面A内，其获得更加统一和更 直的方向，这通过在图3中在测量管内腔内部近似平行分布的磁力线 表示。这表明，磁场在至少在提及的截面A中不仅在励磁线圈区域还 有测量电极区域耦合进测量管内腔，特别是方向基本相同和/或磁通密 度B基本相同。换句话讲，可以避免在与测量相关的流动区域的磁场 分流，或者，至少将其非常有效地最小化。
特别的，这种情况下，通过适合的选择和分布高导磁材料，匹配 为测量管实际选择的额定口径和/或管壁，至少在测量管的中央管段区 域，特别是在前述的截面A，能够至少提高在线圈轴线y的方向上作 用的磁场分量By，而同时，在电极轴线x方向作用的磁场分量Bx是可 以实现的。
反过来，上述效果可以分别基于磁通密度B的独立分量Bx和By 各自的1^规则化ilBxlb和IIBylb而非常清楚地得到证实，可以数学表达 为
<formula>formula see original document page 16</formula>
为测量至少体积流量实际所需的磁场分量By的L2规则化HBylb
以及例如为测量体积流量并不需要的磁场分量Bx的L2规则化,xlb的 可能的分布被分别依赖于所选的相对导磁率A而示例性显示在图4b和 图4c中。清晰可识别的是，在线圈轴线向方向起作用的磁场分量By 初始具有正的非常陡峭且随后达到最大值的过程；同时在电极轴线向 方向起作用的磁场分量Bx非常陡峭的下降过程。
进一步，磁场可以通过在测量管使用高导磁材料而在其均匀性上
有显著的改进。这是非常明显的，例如实际上，导磁材料和测量管本
身所选择的相对导磁率A越大，在测量管内腔内部至少在截面A内部
的磁通密度B的大小问与那里测得的磁通密度B平均值5的偏差，艮P，
磁通密度B的大小问的变化，就越小。对于截面A可以例如基于以下
数学关系容易地确定磁通密度B的平均值5以及对应的总偏差s:
<formula>formula see original document page 17</formula>其中，总偏差s可以至少量化图6中以例子显示的对于相对导磁 率&的依赖关系。
很明显，磁场的这种平衡和均衡性可以通过截面A中的磁通密度 B与其在那里的平均值5的相对偏差？指示，相对偏差？可以按如下数
学关系式计算出来
<formula>formula see original document page 17</formula>特别的，通过导磁材料在测量管上的适合分布，可以实现构成静 态磁场，使得在截面A上确定的磁通密度B与同一截面A的磁通密度 B的瞬时平均值巨的瞬时总偏差s或其变化小于0.005和/或磁通密度B
与平均值B的相对偏差？小于1%，特别是小于20%。，另外，通过测量 管使用高导磁材料，可以这样构成磁场，使得其垂直切割平行于电极 轴线X分布的截面A的割线，该割线与虚拟的电极轴线X相距测量管 内径D的四分之一长度。
其结果是，上述的磁场平衡和/或磁通密度B的大小网的平衡以及 磁场均衡将导致，与具有类似结构的传统磁感应测量变送器相比，测 量电压U对可能的流体流动扰动的敏感度降低并因而非常鲁棒，上述 扰动例如由外来材料，外来气体和/或流型变化而引起。同样的，按这 种方法，能够改进为测量至少一个物理测量变量所相关的磁场性质， 特别是在电极4、 5和电极轴线x区域以及在中央管段内部的磁通密度 B的增长。其结果是，磁场系统展现了更高的效率，并且能够更准确地 确定对应于测量电压U的测量值，例如流速和/或体积流量。
在本发明的一个实施例中，导磁材料至少在测量管2的中央管段 的区域上分布，那里还安装着电极和至少一个励磁线圈。作为备选或 补充，在本发明的进一步实施例中，导磁材料至少沿着测量管2的自 封闭外围和/或在整个测量管2的整个长度上分布，特别是均匀分布。 然而另外，导磁材料还在整个测量管2上主要均匀地分布或者基本上 不均匀分布。
在本发明的进一步实施例中，导磁材料作为基本上附着的层施加 在测量管中。具有优点地，导磁材料的层厚d比测量管的内径D小很 多。作为备选或补充，测量管2的内径D以及导磁材料的层厚d被测 定为使得导磁材料层厚与测量管内径D的比小于0.2，特别是小于0.1。
为避免测量管2内增长的涡流和/或磁滞损失，测量管可以逐层地 由多个这样的彼此交替地特别是同轴地叠加的层构成，所述层由导磁 材料和不导电导磁的材料制成。因此在本发明的进一步实施例中，提 供至少一个层，特别是多个在径向上彼此相距的层，其导磁材料内嵌
于基本上不导电的材料中；并且/或者提供至少一个层，特别是在井上 上彼此相距的层，基本上不导电的材料内嵌于导磁材料中。然而，进 一步，本发明的测量变送器中，如果需要的话，可以使用进一步的措 施来最小化涡流，例如，在EP-A 1 460 394和/或US-A 6,031,740中揭
露的用于调节驱动磁场系统的励磁电流的方法。
这里所示的本实施例的一个例子中，如在上述的测量变送器常见 的情况下，测量管2通过特别是金属和/或导磁的支撑管21形成，该支 撑管用作外部管壁和/或外部套管。支撑管21内部内衬至少一层电绝缘 材料层22形成所谓的内衬，电绝缘材料诸如陶瓷、硬橡胶、聚氟乙烯 树脂，聚亚安酯或近似材料；由此相对，在由类似的非传导塑料或陶 瓷特别是氧化铝陶瓷这样的陶瓷制成的测量管情况下，这样一个附加 非导电层不是绝对必要的。在本发明的一个实施例中，支撑管至少部 分由导磁材料，特别是导磁金属制成。
如图2和图3所示意，支撑管21的壁厚dT至少与支撑管内径DT 相比要小很多。在本发明的进一步的实施例中，支撑管的内径dt和壁 厚d被测定为使得支撑管的壁厚d与其内径Dt的直径-壁厚比w= dT/DT 小于0.5，特别是小于0.2。在本发明的进一步实施例中，使用这种用
于支撑管21的导磁材料以及其壁厚dT和内径DT被测定为，使得前述
的直径-壁厚比w乘以导磁材料的相对导磁率^得到值dT/Dr/v其小 于5，特别是小于3。作为备选或补充，使用这种用于支撑管的导磁材 料以及其壁厚dT和内径DT被测定为，使得利用直径-壁厚比w和导磁 材料相对导磁率^形成的对于支撑管以及整个测量管的壁厚成形因数 cMDT.^为大于1，特别是大于1.2的值。
进一步研究还表明，除了导磁支撑管的壁厚dT和内径Dt外，用 于引导测量管外部磁场的磁反馈17的几何和/或空间设置也可显著影 响测量管内腔内部的磁场分布，特别是在截面A和/或测量管内腔内部 的磁通密度B的空间分布和/或其大小。特别的，对于例如预定的壁厚
为dT、内径为DT和相对导磁率为^的支撑管，在截面A上尽可能均
匀分布的磁通密度B至少在测量电极的区域中可以确定在磁反馈17和
支撑管间之间的最优平均距离lv相反地，对于预定或限定测量变送
器壁厚dT、内径Dt，和侧向安装措施的情况，确定对于大小尽可能均 匀的磁场的最优相对导磁率/V在另一个实施例中，支撑管和反馈被 这样构成和定尺寸，使得平均距离^与支撑管外径(dT + DT)的距离-直径比Wf二lV(dT + DT)小于1，特别是小于0.5。在本发明进一步的实
施例中，使用这种导磁材料用于支撑管并这样测定其壁厚dT和内径DT， 使得上述的距离-直径比Wr乘以导磁材料相对导磁率^得到值^'lV(dT + DT)，其小于IOO，特别是小于60。作为备选或补充，使用这种导磁 材料用于支撑管并这样测定其壁厚c!t和内径DT，使得利用距离-直径 比^和导磁材料相对导磁率^形成的对于支撑管以及整个测量管的反
馈成形因子P^!V(dT + DT)为大于1的值。
对于实际的相关直径-壁厚比w禾Q/或实际的相关距离-直径比w「， 可以从图7和8显示的经验确定的特征曲线中直接读出对于测量管和 磁场系统的具体配置而在最大测量电压U的情况下用于测量管的导磁 材料的最优相对导磁率^。
虽然正如前面在反馈成形因子^'lV(dT + DT)的例子中指出的，反 馈装置的尺寸也可以可以影响磁场的分布，特别是在截面A内的磁通 密度B的分布，令人惊奇的是，支撑管的内径和壁厚或者测量管的内 径D和分布，特别是测量管内导磁材料的层厚，这些量对测量管内腔 内的磁场分布以及对测量电压U的发展和鲁棒性有着非常大的影响。 因此，在图9显示了上述平均值豆的总偏差s的曲线，图10显示了平 均值豆的相对偏差？的曲线。这些曲线是在截面A区域内对于不同直径 -壁厚比w和不同距离-直径比Wr经验确定的。图9和图10中，对于每 一这里所选的直径-壁厚比w (0.0005 ... 0.1876)，各自研究了4个不 同的距离-直径比Wr (0.25; 0.5; 0.75; 1)，并且以对于各个直径-壁厚 比w确定的且各自不同选择的线型(w = 0,0175 —; w = 0,0629:--;
w=0,1253:—;w = 0,1876:—-—;w = 0，25:——)绘制在一起。清晰可识 别的是，对于实践上大于0.01的相关直径-壁厚比w， 一方面，大于等 于10的足够大地选择的相对导磁率几乎不能确定反馈对于相对偏差？ 以及在截面A内的磁场形状的影响。另一方面，对于大于0.01的所述 壁厚比w，在大于等于10的充分大地选择的相对导磁率^的情况下， 关于在截面A内的磁通密度B的均匀性，只有磁场的边缘有所改善。
进一步，基于图lla、 b、 c和12a、 b、 c所示的平均值以及lA规 则化(它们是分别依赖于前述比值w，并且对于磁通密度还依赖于其 单独的分量Bx和By，而数值确定的)的曲线，通过测量管使用高导磁 材料，至少对于在10到50范围的相对导磁率^，还能够减小在电极 轴线x方向上作用的磁场分量，并提高至少在截面A内的磁场能量， 以及提高磁场系统的效率。
这里需要说明的是，作为用于实现本发明的导磁材料，可以使用 结构钢，铸铁，或者也可以是例如由分散物与掺杂的导磁微粒形成的 合成材料和/或塑料；然而，当然，本发明也可以使用其它导磁材料作 为测量管的材料，例如已经或正在传统线圈铁心和/或磁反馈中使用的 材料。在本发明的一个实施例中，测量管，特别是上述的支撑管，至 少部分地由铁磁金属制成。这种情况下，测量管特别是上述的支撑管， 至少部分由软磁金属和/或至少部分由硬磁金属制成。
从上述解释不难理解，本发明的测量变送器的特征在于大量自由 度，本领域技术人员特别是依据外部和/或内部安装量(公称直径，安 装尺寸，侧向距离等)的规格，通过选择相应的适用的测量管材料， 达到磁场优化，并且因而例如改善测量电压U对于流体待测参数的敏 感度机器相对于流体中可能的干扰的鲁棒性。根据本发明的知识和基 于上述参考的背景技术，对于本领域技术人员来讲，不难确定适于各 种应用的测量管材料。
权利要求
1.磁感应流量计的用于引导导电流体的测量管(2)，其中，测量管(2)至少部分地特别是主要地由导磁材料构成，其相对导磁率μr充分大于1特别是大于10。
2. 根据权利要求1所述的测量管，其中导磁材料的相对导磁率/^ 充分大于10，特别是大于20。
3. 根据权利要求1或2所述的测量管，其中导磁材料的相对导磁 率^小于1000，特别是小于400。
4. 根据前述任一权利要求所述的测量管，其中导磁材料的相对导 磁率/^在20到400的范围内。
5. 根据前述任一权利要求所述的测量管，其中测量管的至少一个 中央管段，特别是沿着测量管的自封闭的外围，由导磁材料构成。
6. 根据前述任一权利要求所述的测量管，其中导磁材料基本上在 测量管的整个长度上和/或在测量管整个外围上特别是均匀地分布。
7. 根据前述任一权利要求所述的测量管，其中测量管至少部分由 铁磁金属制成。
8. 根据权利要求7所述的测量管，其中测量管至少部分由软磁金 属制成。
9. 根据权利要求7或8所述的测量管，其中测量管至少部分由硬 磁金属制成。
10. 根据前述任一权利要求所述的测量管，其中导磁材料的层厚(d)比测量管内径(D)小很多。
11. 根据权利要求IO所述的测量管，其中测量管的内径(D)以 及导磁材料的层厚(d)被测定为使得导磁材料层厚与测量管内径之比 小于0.2，特别是小于O.l。
12. 根据前述任一权利要求所述的测量管，其中测量管(2)至少 在其接触流体的内侧面上被构成为基本不导电。
13. 根据前述任一权利要求所述的测量管，其中测量管利用一个 用作外部管壁和/或外部套的特别是金属的和/或导电的支撑管形成，其 在内部内衬至少一个电绝缘材料层。
14. 根据权利要求13所述的测量管，其中支撑管至少部分地，特 别是主要地由导磁材料制成。
15. 根据权利要求14所述的测量管，其中其中支撑管至少部分地， 特别是全部地由金属制成。
16. 根据权利要求13 15之一所述的测量管，其中支撑管的壁厚 (dT)比支撑管的内径(Dt)小很多。
17. 根据权利要求16所述的测量管，其中支撑管的内径(DT)和壁厚(dT)被测定为使得支撑管的壁厚(dT)与其内径(DT)之比(dT/DT)小于0.5'特别是小于0.2。
18. 根据权利要求17所述的测量管，其中使用导磁材料，其支撑 管的壁厚(dT)与其内径(DT)之比(dT/DT)与导磁材料相对导磁率(/O的乘积的值(Mr 'c!t/Dt)小于5，特别是小于3。
19. 根据权利要求17或18所述的测量管，其中使用导磁材料， 其支撑管的壁厚(dT)与其内径(DT)之比(dT/DT)与导磁材料相对 导磁率(&)的乘积的值(Mr *dT/DT)大于l，特别是大于1.2。
20. 根据前述任一权利要求所述的测量管，其中其由金属制成的 部件主要由导磁材料构成。
21. 用于管道中流动的流体的磁感应流量计，其包括根据前述任 一权利要求所述的测量管。
22. 根据权利要求21所述的磁感应流量计，进一步包括- 测量及操作电路；- 由测量及操作电路供电的磁场系统，其利用至少一个在测 量管上或其附近设置的励磁线圈产生特别是脉冲的磁场，该磁场至少 间歇地贯穿测量管的内腔；以及- 至少两个测量电极，用于检测在流过测量管并且被磁场贯 穿的流体中感生的电势和/或电压；- 其中为了产生表征至少一个描述流体的参数的测量值，测 量及操作电路至少间歇地与至少一个测量电极连接。
23. 根据权利要求22所述的磁感应流量计，其中测量电极与至少 一个励磁线圈相距地设置在测量管上和/或其管壁内部。
24. 根据权利要求23所述的磁感应流量计，其中导磁材料至少在测量管的中央管段的区域中特别是沿着测量管的自封闭外围分布，并 且至少一个励磁线圈以及测量电极设置在测量管上，使得在励磁线圈的区域和测量电极的区域中，在操作期间至少间歇地产生的磁场特别 是以基本相同的方向和/或基本相同的磁通密度耦合入测量管的内腔。
25. 根据权利要求24所述的磁感应流量计，其中至少两个测量电 极被设置在测量管上，使得虚拟连接这些电极的电极轴线基本垂直地 切割至少间歇地贯穿测量管内腔的磁场。
26. 根据权利要求25所述的磁感应流量计，其中导磁材料至少在 测量管的中央管段的区域中特别是沿着测量管的自封闭外围分布，并 且至少一个励磁线圈以及测量电极被设置在测量管上，使得在测量管 的内腔内部至少间歇地产生的磁场至少在中央管段的区域中形成，使 得至少在管壁的区域内以及与虚拟电极轴线的垂直距离大于测量管内 径(D)四分之一长度的位置，其至少与虚拟电极轴线大致垂直定向。
27. 根据权利要求21 26之一所述的磁感应流量计，进一步包括 至少一个在测量管外部分布的磁反馈，以引导测量管外部的磁场。
28. 根据权利要求27所述的磁感应流量计，其中特别是在测量电 极区域测量的磁反馈和测量管之间的平均距离(h》被选择为使得平均 距离(hr)与支撑管外径(dT + DT)的距离-直径比(hr/(dT + DT))小 于1，特别是小于0.5。
29. 根据权利要求28所述的磁感应流量计，其中使用一种导磁材 料使得平均距离(hr)与支撑管外径(dT + DT)之比(hr/(dT + DT))与 导磁材料相对导磁率(/O的乘积的值(^'V(dT + DT))小于100，特 别是小于60。
全文摘要
根据本发明，用于磁感应流量计的测量管(2)至少部分由导磁材料制造，其相对导磁率μ<sub>r</sub>充分大于1。测量管至少成比例地由铁磁金属构成。
文档编号G01F1/58GK101194147SQ200680016963
公开日2008年6月4日 申请日期2006年5月4日 优先权日2005年5月16日
发明者托马斯·青格, 西蒙·斯廷格林 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司