磁感应流量计和测量点的制作方法
背景技术：
应用磁感应流量计来确定在测量管中的介质的流速和/或体积流率。磁感应流量计包括磁场产生装置，该磁场产生装置产生垂直于测量管的横轴的磁场。为此，通常使用一个或多个线圈。为了实施主要是均匀的磁场，附加地将鞍形线圈或极靴形成和放置成，使得磁场线在基本上垂直于横向轴线的整个管横截面之上延伸。位于测量管的壁处的测量电极对感测到感应产生的电气测量电压，当导电介质在磁场存在的情况下沿纵向轴线的方向流动时，会产生上述电气测量电压。由于所记录的测量电压根据法拉第感应定律取决于流动介质的速率、流速并且结合已知的管横截面面积，因此可以从测量电压中确定该介质的体积流率。
磁感应流量计对流动介质的流动剖面敏感。取决于管道系统和测量装置，会发生几个百分比的测量误差。因此，通常将直管安装在入口端处，该直管的长度是测量管的标称直径的至少5到10倍。然而，存在已知的应用，其中，无法使用该最小距离(即所谓的入口通路)。例如，当管道系统位于狭窄区域中时，情况如此。
流量测量对旋转非对称的流动剖面的灵敏度取决于测量管、磁铁系统以及电极的几何形状。因此，为了正确表征与速度有关的感应电压，必须考虑管道和电极几何形状的影响。这两个影响通过加权函数gf以数学方式来描述。
该几何形状对流量的影响能够最佳地通过以下关系来说明：
其中，为了确定电压u(x),在测量管的体积上对流速v(x')和加权函数gf(x',x)进行积分。在这样的情况下，加权函数gf基于
因此，例如，从cn101294832a中已知这样一种磁感应流量计，该磁感应流量计具有两个电极对，这两个电极对轴对称地布置在管横截面中，由此使得流动剖面对确定体积流率的影响最小。在这样的情况下，由电极对限定的两个电极轴在测量管的横截面中形成约40°的角度。
在de102015113390a1中公开了另一种建议，其中，第二和第三电极对布置在所限定的电极轴上，所限定的电极轴相对于第一电极轴线以小于或等于±45°的角度测量值布置，该第一电极轴线垂直于磁场定向。
ep0878694a1类似地公开了一种磁感应流量计，该磁感应流量计根据现有技术具有两个附加电极对，这两个附加电极对的电极轴分别相对于传统电极对的电极轴线形成约45°的角度，从而实现在测量误差小于1％的范围内的测量精度改进。这尤其是通过对电极之间的电势差进行单独记录和加权来实现。
这些建议的缺点在于，针对每个电极对必须考虑加权因子，而如何根据管道系统或旋转非对称的流动剖面来选择这些加权因子尚不清楚。
技术实现要素：
根据上述现有技术，本发明的目的是提供一种磁感应流量计，该磁感应流量计使得旋转非对称的流动剖面对确定流速和体积流率的影响最小。
该目的通过根据权利要求1所限定的磁感应流量计以及根据权利要求12所限定的测量点来实现。
本发明的用于测量介质的流速u或体积流率
对于旋转非对称的流动剖面不敏感的磁感应流量计理想地用于监控管道系统，在这种情况下无法实施最优的入口通路，该入口通路的长度是该测量管的标称直径的倍数。
由于通常对磁感应流量计进行优化以呈现完全展开的旋转对称的流动剖面，因此取决于扰动的距离和类型，扰动会由于介质的非理想流动剖面而引起测量误差。完全展开的旋转对称的流动剖面是一种其中流动剖面不再沿流动方向改变的流动剖面。例如，这样的流动剖面在具有入口通路的测量管中形成与测量管标称直径的30倍相对应的长度以及2m/s的介质速率。
在现有技术中已知这样的磁感应流量计，这些磁感应流量计具有至少两个电极对，该至少两个电极对在测量管的横截面中限定角度α。通常，毗邻的电极通过具有约180°/(n+1)的固定角度值的角度δ隔开，其中，自然数n与电极对的数量相对应。通过对分别在电极上产生的电势差进行加权，为旋转非对称的流动剖面提供了小于1％的测量误差。令人惊讶地发现，通过修改角度α和β，可以进一步明显减小由于旋转非对称的流动剖面引起的测量误差。
在这样的情况下，中心角β用作磁场产生装置的表征变量，并且给出测量管在横截面上由极靴围绕的范围。虽然小中心角β规定了磁场线仅集中在测量管的中心，但大中心角β的使用使得磁场大致均匀地散布在测量管的整个横截面上。在这样的情况下，该中心角β的特征在于这样两根线，这两根线在管的中心相遇并且每根线均与极靴的两端之一相交。
存在已知的磁场产生装置，该磁场产生装置包括用于外部场的场引导材料并且具有至少一个屏蔽元件，该至少一个屏蔽元件在极靴和场引导材料之间和/或在场引导材料和电磁体之上。这些部件用于减小扰动或杂散场和/或闭合磁场线回路，并且不负责将磁场联接到介质中。
该磁场产生装置布置在测量管外部，并且完全地抵靠于测量管固定、部分地抵靠于测量管固定或者相对于该测量管以固定距离的形式固定。然而，还存在已知的磁感应流量计，这些磁感应流量计具有铸造到衬里中或者壁中的磁场产生装置。相反，电极并非必须嵌入，而是还可以随后作为杆电极插入。然而，在许多情况下，具有电极头的电极(例如，所谓的蘑菇头电极)优选地用在磁感应流量计中。在本发明的上下文中，这样的电极能够有利地铸造就位，同时在制造过程中形成壁的材料。
该测量管被实施为在其接触介质的内侧上电绝缘，并且实际上，一方面，例如使得该测量管完全由绝缘材料(尤其是烧结陶瓷，优选地是氧化铝陶瓷或塑料)构成。另一方面，还可以这样实施绝缘，以使得非铁磁金属管(尤其是不锈钢管)在内部衬有合适塑料的绝缘层，该合适塑料尤其是硬橡胶、聚氨酯、软橡胶或聚氟乙烯，优选地是聚四氟乙烯。
为了确定参考值，使用流量计，该流量计基于科里奥利原理并且具有0.1％的测量精度。这样的流量计安装在管道系统中，并且用作用于本发明的磁感应流量计的参考系统。
该测量管的中间区段具有第二横截面，该第二横截面具有相比第一横截面较小的横截面面积。第二横截面的形状可以偏离第一横截面的形状。第二横截面可以是圆形的、椭圆形的、矩形的、正方形的或者具有倒圆角的矩形。该第二横截面的形状和尺寸取决于壁的厚度和形状。
在从属权利要求中阐述本发明的有利实施例。
在本发明的一个实施例中，通过扰动对于测试测量产生旋转非对称的流动，该扰动发生在入口侧端面处并且包括至少一个扰动源。
该测试测量还可以用于确定中心角α和β的最佳大小。将中心角对(α,β)进行考虑使得可以实施与流动剖面无关的磁感应流量计。
测试测量可以包括许多不同的扰动源，这些扰动源可以呈现各种安装角度。由于采用足够不同的扰动，因此中心角α和β能被优化，以使得特定扰动的测量误差呈现小于0.05％的值，并且任何扰动的最大测量误差具有小于0.5％的值。
已发现，通过使用两个足够不同的扰动源(尤其是膜片和90°弯头)，可以为磁感应流量计确定有效的良好中心角对(α,β)，该磁感应流量计对于一些其它扰动具有0.5％的最大测量误差。通过在测试测量中考虑其它扰动源，经优化的参数仅仅轻微地变化，由此产生的测量误差也仅仅略有变化。
在一个实施例中，该扰动源包括膜片或90°弯头，其中，该测量管的横截面的50％由膜片覆盖，其中，该膜片具有弦部，该弦部限制朝向管的膜片，其中，该膜片呈现第一膜片定向或第二膜片定向，其中，在第一膜片定向的情况下，该弦部垂直于磁场定向，并且在第二膜片定向的情况下，该弦部平行于磁场定向，其中，该90°弯头呈现第一弯头定向或第二弯头定向，其中，该第一弯头定向的特征在于垂直于磁场并且垂直于测量管的纵向方向延伸的管道轴线，并且该第二弯头定向的特征在于平行于磁场并且垂直于测量管的纵向方向延伸的管道轴线。
之前，为磁感应流量计的用户预定了规定的入口通路。这一规定的入口通路是必须的，以满足针对该装置预定的测量误差水平。必须根据每种扰动类型、间隔、安装角度以及可能的雷诺数来确定一次出现的测量误差。这可以通过复杂的测试系列来执行，或者也可以通过模拟不同扰动的流动条件并评估计算出的流动剖面来执行。由于该步骤，获得这样一个数据，该数据给出了当磁感应流量计安装到对应位置中时可能出现多大的测量误差，以及当电极系统的中心角α或磁场产生装置的中心角β适配时可能出现多大的测量误差。
在一个实施例中，该扰动以间隔0-dn设置在入口侧端面(2)处。
在一个实施例中，在测量管(1)中的介质的雷诺数大于或等于100000、尤其是大于或等于50000且优选地大于或等于10000的情形下，提供对旋转非对称的流动剖面的不敏感性。
在一个实施例中，该流量计具有两个或三个电极对。
在一个附加的实施例中，该流量计具有两个或三个电极对。这些电极对不一定必须径向布置。该至少两个电极对与所测量的介质电流地或电容地联接。
在一个实施例中，至少两个电极(尤其是所有电极)电气地连接在一起，该至少两个电极分别相对于垂直测量管纵向平面位于该测量管的一侧上。
本发明的该实施例的优点在于，已发现通过适配角度α和β，结合由经验确定的加权因子可以省略对各个电势差的采样，并且在发生扰动的情况下，所有电极上的电压与基于完全展开的流动剖面确定的测量值相差不到0.5％。因此，各个电压值的加权并非是必须的，由此可以大大简化评估单元，该评估单元用于确定电压和由此产生的流速。然后，足以通过校准来将测得的电压值转换成流速或体积流率。
这些电极尤其是通过电缆且优选地通过导电金属片彼此连接。这提供了简单且稳定的组件，并且附加地为已知解决方案提供了成本有效的替代方案。这些电极与控制和评估单元相连接，该控制和评估单元基于电极中感应到的电压来传输与测量管中的流速和体积流率相关的信息。
在一个实施例中，以下适用于中心角α：30°≤α≤60°，尤其是40°≤α≤50°。
在一个实施例中，以下适用于中心角β：50°≤β≤90°，尤其是70°≤β≤80°。
利用模拟程序或基于测试设置来执行对中心角α和β的设定。
在一个实施例中，这些电极相对于垂直测量管纵向平面轴对称地布置。
在一个实施例中，位于测量管的一侧上的两个相邻电极在测量管的横截面中通过中心角δ＝α/(n-1)隔开，其中，自然数n对应于电极对的数量。
本发明的用于确定与流动剖面无关的流速u或体积流率
在一个实施例中，以下适用于中心角α：30°≤α≤60°，尤其是40°≤α≤50°，并且以下适用于中心角β：50°≤β≤90°，尤其是70°≤β≤80°。
利用模拟程序或基于测试环境来执行对中心角α和β的设定。限定或建立测试环境并改变流量计的中心角，直到测试环境的测量误差最小为止。
在一个实施例中，通过扰动对于测试测量产生旋转非对称的流动，该扰动发生在入口侧端面处并且包括至少一个扰动源。
测试测量还可以用于协调最佳中心角α和β且然后事先执行，将优化的中心角对α和β进行考虑使得可以实施与流动剖面无关的磁感应流量计。
测试测量可以包括许多不同的扰动源，这些扰动源均可以呈现任何安装角度。由于采用足够不同的扰动，因此中心角α和β可以被优化，以使得特定扰动的测量误差呈现小于0.05％的值，并且任何扰动的最大测量误差小于0.5％。
已发现，通过使用两个足够不同的扰动源(尤其是膜片和90弯头)，可以为磁感应流量计确定有效的良好中心角对(α,β)，使得对于一些其它扰动引起0.5％的最大测量误差。通过在测试测量中考虑其它扰动源，经优化的参数仅仅轻微地变化，由此产生的测量误差也仅仅略有变化。
在一个实施例中，该测量点包括流量计，该流量计具有两个或三个电极对。
在一个实施例中，至少两个电极(尤其是所有电极)电气地连接在一起，该至少两个电极相对于垂直测量管纵向平面位于该测量管的一侧上。
在一个实施例中，这些电极利用压弯部件电气地连接在一起。
在一个实施例中，该测量管包括第一横截面和第二横截面，其中，该测量管在入口侧端面和出口侧端面之间具有中间区段，该中间区段具有第二横截面，其中，这些电极对布置在中间区段中。
在一个实施例中，扰动源包括具有任何弯头定向的90°弯头和/或具有任何膜片定向的膜片和/或阀和/或泵和/或t形件和/或由一个接一个固定的两个90°弯头构成的双弓部。
附图说明
现在将基于附图来更详细地解释本发明，附图中：
图1是根据现有技术的磁感应流量计的横截面的示意图；
图2是磁感应流量计的纵向截面的示意图；
图3是本发明的磁感应流量计的横截面的示意图；
图4是本发明的磁感应流量计的纵向截面的示意图；
图5是不同扰动源和具有扰动源的测量点的示意图；以及
图6是根据中心角α和β、针对50-dn测量管的测量误差的图表。
具体实施方式
图1示出了现有技术中已知的磁感应流量计。磁感应流量计的构造和测量原理基本上是已知的。导电介质被引导通过测量管(1)。磁场产生装置(7)被布置成使得磁场线垂直于由测量管轴线(13)限定的纵向方向延伸。优选地适合作为磁场产生装置(7)的是鞍形线圈或极靴(26)，极靴具有重叠的线圈和线圈芯。在施加磁场的情况下，在测量管(1)中产生取决于流动的电势分布，这利用在测量管(1)的内表面处施加的两个电极(3、4)来感测。通常，它们彼此径向相对布置并形成电极轴线，该电极轴线垂直于磁场线和管的纵向轴线延伸。基于所测量的电压并且考虑磁通密度可以确定流速，并且进一步考虑管的横截面面积可以确定该介质的体积流量。为了避免电极(3、4)上的测量电压通过管(8)短路，内表面衬有绝缘材料、例如呈塑料衬里(2)的绝缘材料。通过磁场产生装置(例如电磁体)形成的磁场是由通过操作单元计时的交流极性的直流电流产生的。这确保了稳定的零点并且使得测量对于电化学扰动的影响不敏感。测量单元读取电极(3、4)上的电压并且输出通过评估单元计算的介质的流速和/或体积流量。常见的磁感应流量附加于电极(3、4)还具有两个其它电极(5、6)。一方面，最优地安装在管(8)中最高点处的填充水平监控电极(5)用于检测测量管(1)的部分填充，将该消息发送到用户和/或考虑填充水平来确定体积流量。此外，参考电极(6)用于确保该介质的有效接地，该参考电极通常安装成与填充水平监控电极(5)直径相对。
磁感应流量计包括入口侧端面(10)和出口侧端面(11)。图2中的箭头指示该介质的流动方向。在入口侧端面(10)处施加的90°弯头(90°r)或膜片(b)作用在该介质的流动剖面上，以使得在测量管(1)的横截面(12)中形成旋转非对称的流动剖面。
图3示出了本发明的磁感应流量计的中间区段的横截面。放置磁场产生装置(7)使得磁场线垂直于由测量管轴线(13)限定的纵向方向延伸。优选地适合作为磁场产生装置(7)的是鞍形线圈或具有重叠线圈和线圈芯的极靴(14)。在施加磁场的情况下，在测量管(1)中产生取决于流动的电势分布，该电势分布由电极系统(17)分接。在图3中，电极系统(17)包括放置在第一侧(i)上的三个电极和放置在第二侧(ii)上的三个电极。第一侧(i)的第一电极(18)和第二侧(ii)的第二电极(19)形成电极对。基于所测量的电压并且考虑磁通密度，可以确定流速，并且考虑管的横截面面积，能够确定该介质的体积流率。为了避免电极上的测量电压通过管(8)短路，内表面衬有绝缘材料、例如呈塑料衬里(2)的绝缘材料。通过磁场产生装置(例如电磁体)产生的磁场是通过操作单元计时的交流极性的直流电流。这确保稳定的零点并且使得测量对于电化学扰动的影响不敏感。测量单元获取跨电极系统(17)的电压并且在显示器单元上输出通过评估单元计算的介质的流速和/或体积流率。
图4中示出了本发明的磁感应流量计的纵向截面。该流量计包括直径缩窄的流体传输通道(22)，其中，该流体传输通道(22)具有入口区域和出口区域(27、28)，该入口区域和出口区域具有第一横截面(37)，并且其中，该流体传输通道(22)具有中间区段(29)，该中间区段位于入口区域和出口区域(27、28)之间且具有第二横截面(38)，其中，电极系统(26)存在于流体传输通道(22)的中间区段(29)中，该电极系统分别由布置在测量管的相对两侧上的两个电极构成。图4示出了已知形式的测量系统(24)。该测量系统尤其是包括两个磁线圈(25)，这两个磁线圈用于产生磁场。这些磁线圈彼此直径相对地位于通道(22)上。此外，该测量系统包括电极系统(26)，该电极系统由四个电极构成，这四个电极用于对通过磁体系统感应到的电压进行分接。通道(22)由壁(23)界定。关于图4构造的特点在于，壁(23)同时也是用于测量系统(24)的、并由此用于磁场产生装置和用于电极系统(26)的底座材料。然而，测量系统(24)和磁场产生装置也可以布置在管外部。特别地，形成通道的壁(23)由铸造材料形成。形成通道的壁(23)能够附加于衬里(2)、引导到测量管(1)中或者抵靠于该测量管被施加，或者包括衬里(2)。
在第一步骤中，中心角α和β相互适配使得在具有单个扰动的测试测量中的流速测量误差最小。在这样的情况下，通过膜片或90°弯头(90°r)生成扰动(参见图5)。在这样的情况下，该膜片覆盖管横截面(12)的50％并且具有弦部，该弦部界定了朝向管的膜片。该膜片呈现第一膜片定向(b1)或第二膜片定向(b2)，该第一膜片定向或第二膜片定向尤其是相对于彼此转过90°。在这样的情况下，该弦部在第一膜片定向(b1)的情况下垂直于磁场并且垂直于垂直纵向平面，并且在第二膜片定向(b2)的情况下平行于该磁场并且平行于该垂直纵向平面。在图5中示意地示出膜片的第一膜片定向(b1)和第二膜片定向(b2)。在这种情况下，黑色填充的圆形区段表示这样的区域，该区域阻塞了测量管的部分横截面面积。在测试测量中，膜片(b)放置在距入口侧端面(10)为0-dn的距离处。替代地，90°弯头(90°r)以0-dn的距离放置在入口侧端面(10)的进口处，其中，90°弯头(90°r)呈现第一弯头定向(r1)或第二弯头定向(r2)，该第一弯头定向或第二弯头定向尤其是相对于彼此转过90°。在图5中示意地示出90°弯头(90°r)的第一弯头定向(r1)和第二弯头定向(r2)。在第一弯头定向(r1)的情况下，管轴线(42)平行于流量计的横轴(41)延伸。优选地针对两个定向上的两个扰动执行对中心角α和β的选择。
在第二步骤中，确定中心角对，该中心角对的最大测量误差对于所有执行的测试测量是最低的。
举例而言，图6示出了根据中心角α(y轴)和中心角β(x轴)针对50-dn的中间区段的模拟测量误差(z轴)。基于此，确定针对特定扰动的最小测量误差，在这种情况下，弯头(90°r)关于第一和第二弯头定向(r1、r2)优化。在这样的情况下，第一弯头定向(r1)的特征在于垂直于磁场并且垂直于纵向方向延伸的测量管轴线(13)，并且第二弯头定向(r2)的特征在于平行于磁场并且垂直于纵向方向延伸的测量管轴线(13)(参见图5)。对于所有上述扰动重复该程序，其中，在最后的步骤中，确定中心角对，该中心角对关于所有测试测量均具有最小的测量误差。仅在中心角α和β的某些组合下实现期望的精度。因此，仅仅优化电极分布或者仅仅适配极靴不会导致减小流动剖面依赖度或者减小测量误差。改变中心角α和β的数值直到针对所有测试测量产生的测量误差小于0.5％、优选地小于0.2％。
基于上述优化方法，具有三个电极对、50-dn中间区段以及流速为1m/s的介质的磁感应流量计，在具有膜片定向(b1)的安装膜片(b)的情况下具有0.05％的测量误差，并且在具有膜片定向(b2)的安装膜片(b)的情况下具有0.05％的测量误差。
基于上述优化方法，具有三个电极对、50-dn中间区段以及流速为1m/s的介质的磁感应流量计，在具有弯头定向(r1)安装的90°弯头(90°r)的情况下具有0.05％的测量误差，并且在具有弯头定向(r2)安装的90°弯头(90°r)的情况下具有0.5％的测量误差。
基于上述优化方法，具有三个电极对、300-dn中间区段以及流速为1m/s的介质的磁感应流量计，在具有膜片定向(b1)的安装膜片(b)的情况下具有0.1％的测量误差，并且在具有膜片定向(b2)的安装膜片(b)的情况下具有0.1％的测量误差。
基于上述优化方法，具有三个电极对、300-dn中间区段以及流速为1m/s的介质的磁感应流量计，在具有弯头定向(r1)安装的90°弯头(90°r)的情况下具有0.1％的测量误差，并且在具有弯头定向(r2)安装的90°弯头(90°r)的情况下具有0.1％的测量误差。
基于上述优化方法，具有三个电极对、500-dn中间区段以及流速为1m/s的介质的磁感应流量计，在具有膜片定向(b1)安装的膜片(b)的情况下具有0.1％的测量误差，并且在具有膜片定向(b2)安装的膜片(b)的情况下具有0.1％的测量误差。
基于上述优化方法，具有三个电极对、500-dn中间区段以及流速为1m/s的介质的磁感应流量计，在具有弯头定向(r1)安装的90°弯头(90°r)的情况下具有0.1％的测量误差，并且在具有弯头定向(r2)安装的90°弯头(90°r)的情况下具有0.1％的测量误差。
在所有上述模拟中，dn数据在中间区段的区域中用于流体传输通道的标称直径或内直径。
附图标记列表
1测量管
2衬里
3第一电极
4第二电极
5填充水平监控电极
6参考电极
7磁场产生装置
8管
9测量单元、操作单元和/或评估单元
10入口侧端面
11出口侧端面
12横截面
13沿纵向方向的测量管轴线
14极靴
15横轴
16垂直测量管纵向平面
17电极系统
18电极对的第一电极
19电极对的第二电极
20中心
21壁
22通道
23壁
24测量系统
25磁线圈
26电极系统
27入口区域
28出口区域
29中间区段
30法兰
31极靴
32金属片的场返回件
33管道
34测量单元和/或评估单元
35磁场产生装置
37第一横截面
38第二横截面
40垂直测量管纵向平面
41横轴
42管轴线
43磁感应流量计
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