用于插入式电磁流量计的传感头的制作方法

1.本公开涉及电磁流量计。具体地，本公开涉及插入式电磁流量计。更具体地，本公开涉及一种用于插入式电磁流量计的传感头。


背景技术：

2.存在各种类型的用于测量管道中的流体流量的计量器。一种特定类型的流量计是电磁流量计。电磁流量计使用法拉第电磁感应定律来测量诸如水的导电流体的流量。电磁流量计使用一对电极，这对电极定位于管道中，使得它们在垂直于管道中的流动方向的方向上彼此隔开。线圈被激励以在流过管道经过电极的流体中产生磁场。
3.电磁流量计激励线圈，线圈产生磁场。当管道充满并且流体开始流动时，磁场力使得流体的带负电的颗粒和带正电的颗粒在它们穿过磁场时分离。这种分离在传感器电极之间引起感应电压。根据法拉第定律，该电压的大小与管道中的平均流速成比例。由此，可以使用管道截面积来校准传感器，以测量作为跨电极感应的电压的函数的流量。
4.将法拉第定律应用于电磁流量计产生以下方程：e＝bvl其中，e是跨电极的电势(电压)；b是磁通密度；v是被测流体的速度；并且l是有效长度，即电极之间的距离。由于l是常数，因此可以看出，跨电极测量的电势/电压与磁通密度和流体速度成比例。
5.实际上，电磁流量计的测量电势(e)是非常弱的低幅度信号。因此，由电磁流量计产生的信噪比(“snr”)可能太低而不能获得高准确度的测量。基于上述方程，通过增加流过管道的流体的速度(v)、通量密度(b)或速度和通量密度两者，可以提高(即增加)给定流体流的电势(e)。


技术实现要素：

6.本发明涉及一种插入式电磁流量计，该插入式电磁流量计利用改进的传感头设计，该设计增加了传感器电极的有效区域中的流体流速和磁通量密度。这两种改进都是由传感头的物理配置引起的。
7.根据一个方面，一种用于测量管道中的流量的设备包括传感头，所述传感头被配置为横向插入穿过管道侧壁，以将所述传感头定位在流过所述管道的导电流体中。所述传感头包括：芯部；和线圈，所述线圈至少部分地围绕所述芯部并且可激励以生成电磁场。所述传感头还包括：彼此隔开的第一电极和第二电极；和主体，所述主体支撑所述线圈、芯部和电极。所述主体包括至少一个通道，所述导电流体流过所述通道。所述电极定位于所述至
少一个通道中。各个通道由具有会聚配置的相对侧壁限定。
8.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述电极可以定位于侧壁之间的至少一个通道的底壁上。
9.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体可以包括中心翅片，所述中心翅片定位在所述主体的远端上的侧向隔开的第一翼部与第二翼部之间。在所述第一翼部与所述翅片的第一侧之间可以限定第一通道。在所述第二翼部与所述翅片的第二侧之间可以限定第二通道。所述第一电极可以定位于所述第一通道中，并且所述第二电极可以定位于所述第二通道中。
10.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述第一翼部可包括向内朝向所述第一通道呈现的凸面，并且第二翼部可包括向内朝向所述第二通道呈现的凸面。
11.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述翅片的第一侧和第二侧可包括分别向内朝向所述第一通道和所述第二通道呈现的凸面。
12.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述芯部可以是铁磁性的，可以在所述电极之间延伸并且轴向地延伸超过所述电极，并且可以具有定位在所述翅片中的末端部分。
13.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述传感头还可以包括铁磁框架，所述铁磁框架包括在所述线圈的相对侧上沿着所述主体轴向延伸的第一腿部和第二腿部。所述第一腿部和第二腿部可以轴向延伸超过所述电极。所述第一腿部可具有定位在所述第一翼部内的端部。所述第二腿部可具有定位在所述第二翼部内的端部。
14.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述腿部的端部可以配置为增加所述通道中的磁场的通量密度。
15.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述腿部的端部可以配置为增加所述传感头的有效区域中的磁场的通量密度。
16.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体可以是细长的并且被配置为垂直于所述管道中的流体流动方向纵向地插入所述管道中。所述至少一个通道和电极可以布置在所述主体的远端处。
17.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体可以被配置为将所述电极定位在所述管道中的相等插入深度处。所述主体可以被配置为沿着垂直于所述管道中的流体流动方向的轴线将所述电极彼此对齐。所述主体被配置为使所述至少一个通道平行于所述管道中的流体流动方向对齐。
18.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述至少一个通道的会聚侧壁可以被配置为减小所述至少一个通道的截面积，以便增加流过所述至少一个通道的导电流体的流速。
19.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述第一电极可以定位在所述第一通道中，并且所述第二电极可以定位在所述第二通道中。
20.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体可以是细长的、圆柱形的，并且具有中心轴线。所述第一通道和第二通道可以垂直于中心轴线彼此平行地延伸跨过所述圆柱形主体的远端。
21.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述传感头可以被配置为使得
在使用中，所述中心轴线垂直于所述管道中的流体流动方向延伸，并且所述通道平行于所述管道中的流体流动方向延伸。
22.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体可以被包覆模制到芯部、线圈、框架和电极上。
23.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述芯部、线圈和框架可以在主体被包覆模制之前彼此组装。
24.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体可以包括非圆柱形流线型部分，非圆柱形流线型部分具有平行于所述至少一个通道定向的长轴。
25.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，一种用于测量管道中的流量的设备包括传感头，所述传感头被配置为横向插入穿过管道侧壁，以将所述传感头定位在流过所述管道的导电流体中。所述传感头包括：芯部；和至少部分地围绕所述芯部的线圈，所述线圈可激励以生成电磁场。所述传感头还包括：在所述传感头的远端处彼此隔开的第一电极和第二电极。所述传感头还包括：铁磁框架，所述铁磁框架包括在所述线圈的相对侧上沿着所述主体轴向延伸的第一腿部和第二腿部。所述第一腿部和第二腿部轴向延伸超过所述第一电极和第二电极。所述第一电极和第二电极定位于所述第一腿部与第二腿部之间。所述第一腿部和第二腿部被配置为增加所述第一电极和第二电极附近的磁场的通量密度。
26.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述芯部可以在所述第一电极与第二电极之间延伸并且轴向地延伸超过所述第一电极和第二电极。所述芯部可被配置为进一步增加所述第一电极和第二电极附近的磁场的通量密度。
27.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述传感头还可以包括：主体，所述主体支撑线圈、芯部、框架和电极。所述主体可包括远端部，所述远端部可包括中心翅片，所述中心翅片在所述第一电极与第二电极之间延伸并轴向地延伸超过所述第一电极和第二电极，并且所述芯部的远端终止于所述中心翅片中。所述远端部还可包括：隔开的第一翼部和第二翼部，所述第一翼部和第二翼部轴向延伸超过所述第一电极和第二电极。所述框架的第一腿部可以终止于所述第一翼部。所述框架的第二腿部可以终止于所述第二翼部。所述第一电极和第二电极可以定位于翼部之间。
28.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体还可以包括第一通道，所述第一通道具有上面布置有所述第一电极的底壁以及由所述第一翼部和翅片限定的相对侧壁。所述主体还可以包括第二通道，所述第二通道具有上面布置有所述第二电极的底壁以及由所述第二翼部和翅片限定的相对侧壁。
29.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述第一通道和第二通道的相对侧壁可具有会聚配置。
30.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体可以是细长的并且被配置为纵向地插入所述管道中。所述第一电极和第二电极可以沿着垂直于所述管道中的流体流动方向的轴线彼此对齐。所述第一通道和第二通道可以平行于所述管道中的流体流动方向对齐。
31.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述第一通道和第二通道的会聚侧壁可以被配置为减小所述第一通道和第二通道的截面积，以便增加流过所述第一通道和第二通道的导电流体的流速。
32.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述主体可以是细长的、圆柱形的，并且具有中心轴线。所述第一通道和第二通道可以垂直于中心轴线彼此平行地延伸跨过所述圆柱形主体的远端。
33.根据另一方面，单独地或与任意其它方面组合地，所述传感头可以包括非圆柱形流线型部分，所述非圆柱形流线型部分具有平行于所述至少一个通道定向的长轴。
附图说明
34.图1是将电磁流量计的安装状态例示为一种示例配置的侧视图。
35.图2是电磁流量计的传感头部分的立体图。
36.图3是传感头的前视图。
37.图4是传感头的侧视图。
38.图5是传感头的仰视图。
39.图6是例示了传感头的某些部件的装配的立体图。
40.图7是传感头的分解图。
41.图8a是大体沿着图4中的线8a
‑
8a截取的传感头的截面视图。
42.图8b是大体沿着图4中的线8b
‑
8b截取的传感头的截面视图。
43.图9是例示了相对于传感头的某些部分的流体流动的仰视图。
44.图10是传感头的侧视图，其中某些部分被去除。
45.图11是例示了围绕传感头的末端部分的有效区域的侧视图。
46.图12a和图12b是例示了在受控条件下的不同传感头配置的电极附近的流体流速的图表。
47.图13a和图13b是例示了在受控条件下的不同传感头配置的电极附近的磁通量密度的图表。
48.图14a和图14b是例示了在受控条件下在不同传感头配置的电极处测量的电压的图表。
具体实施方式
49.参照图1，本文被称为电磁流量计或简称为流量计的设备10测量管道12中的流体14的流量。图1是示例例示，并且其中描绘的各种部件的相对比例或尺寸可以是或可以不是准确的或按比例绘制的。管道中的流体14在通常由图1中标记为“a”的箭头指示的流动方向上流动。流量计10是有时被称为插入式流量计的类型。这种类型的计量器的特征是，流量计10可以包括探针20，该探针横向地、例如垂直地穿过管道壁插入到在管道12中流动的流体14中。管道12可以装配有旋塞22或其它允许探针20插入并且将流量计10支撑在管道上的配件。在一个示例配置中，旋塞22可以是便于探针插入并提供液密密封的压缩或npt配件。在另一示例配置中，旋塞22可以是包括阀的热旋塞装置，该阀允许在流体14在管道12中流动的同时插入探针20。
50.探针20在其远端支撑传感头50。探针20插入管道12中，以便将传感头50定位在管道中所希望的位置处。流量计10还包括定位于管道12外部的探针20的近端处的传感器电子单元24。传感器电子单元24包括电子器件，该电子器件用于询问传感头50，以便获得指示管
道12中的流体流量的水平的信号，并且用于产生输出(有线和/或无线)，以用于传输指示所测量的流体流量的信号。探针20、旋塞22和传感器电子单元24的精确类型和配置并不重要，只要它们能够适应传感头50及其如本文所述的实施方案即可。
51.传感头50是电磁流体流量传感头，被配置为根据上述法拉第定律的原理测量流体流量。图2至图5中例示了传感头50的示例配置。
52.参照图2至图5，传感头50包括容纳各种传感头部件的主体52。主体52具有近端的上端部54和远端的下端部56。上端部54与探针20的远端接口连接，以将传感头50固定到探针上。下端部56是传感头50的末端和流量计10的末端。它在传感头50的下端部56处，在那里在管道12中流动的流体移动穿过由传感头生成的磁场并且跨传感器电极112生成电势(参见图5)。
53.在图2至图5的示例配置中，主体52由诸如pvc的耐腐蚀塑性材料形成，该材料被包覆模制到内部传感头部件上，如下面参照图7至图9所述。在上端部54处，包覆模制的塑性材料可形成诸如肋的特征60，以便于将传感头50连接到探针20。在下端部56处，包覆模制的塑性材料形成中心翅片70和侧翼部80。
54.图6至图8b例示了传感头50的示例配置的内部部件。在图7的分解图中，主体52被例示为传感头的分解部件。本领域技术人员应当理解，如果主体52是包覆模制部件，则如图7所暗示，将主体从内部传感头部件“分解”或以其他方式拆卸将是不可能的。因此，图7的分解图仅用于例示的目的，应认识到，对于包覆模制的配置，组装和/或拆卸是不可能的。
55.为了说明的目的，本文参照传感头50的中心纵向轴线58。传感头50包括以下部件：框架90、芯部100、线圈110和一对电极120。在图6至图8b的示例配置中，框架90、芯部100和线圈110沿着轴线58彼此对齐。框架90、芯部100、线圈110和电极120容纳在主体52中。为此，主体52可以是单独配置(例如模制)的部件，其它部件安装在该部件中。替代地，主体52可以模制(例如，包覆模制)到其它部件上(参见下文)。
56.在示例配置中，框架90可以支撑芯部100和线圈110。例如，为了便于这种支撑，诸如螺钉的紧固件(未示出)可以延伸穿过框架90中的开口92进入芯部100中的对应开口102中，以将芯部和线圈110固定到框架上。为了简化的目的，未示出可用于将某些传感头部件互连的其它部件，诸如紧固件、垫圈等。
57.如图8a至图8b所示，传感头部件可以经由主体52的包覆模制的塑性材料互连，该塑性材料可以围绕部件的某些部分并填充部件的某些腔，从而将部件互连。这种配置在所希望的情况下在某些导电传感头部件之间提供电隔离方面是特别有利的。本领域技术人员应当理解，这些部件可以以与本文所述的传感头50的有利特征一致和/或促进这些有利特征的任意方式彼此连接或以其它方式支撑。作为另外示例，传感头50的某些部件可以通过诸如紧固件的互连机械地组装，并且部分地通过前述包覆模制组装。
58.框架90由诸如碳钢的高磁导率材料构成，并且具有在图中倒置的大体u形配置。框架90包括一对隔开的腿部94，这对腿部平行于轴线58延伸并由横向构件96互连。各个腿部94终止于通量收集部98。如图6至图8b所示，通量收集部98可以具有锥形轮廓，并且可以被配置为相对于腿部94的其余部分和轴线58以稍微向外的角度延伸。然而，通量收集部98可以被不同地配置。例如，通量收集部98可以是非锥形的和/或可以从腿部94的其余部分沿直的、非成角度的方向延伸。
59.芯部100由诸如碳钢的高磁导率材料构成并且定位于腿部94之间，且具有抵靠横向构件96定位的环形肩部104。芯部100包括从肩部104沿着轴线58延伸的细长圆柱形线圈容纳部106。线圈110容纳在线圈容纳部106上并且定位成抵靠肩部104。芯部100还包括细长的圆柱形通量收集部108，该通量收集部从线圈容纳部106的远端沿着轴线58远离线圈110延伸。
60.参照图6，传感头50包括电连接到线圈110上并从线圈延伸穿过传感器主体52的电引线112。传感头50还包括电连接到电极120上并从电极延伸穿过传感器主体52的电引线122。引线112、122从传感头50延伸穿过探针20，以便于线圈110和电极120分别与传感器电子单元24的电子器件之间的电连接。
61.传感头50被配置为使得芯部100的通量收集部108轴向延伸超过电极120并终止于翅片70。传感头50还被配置为使得框架腿部94的通量收集部98轴向延伸超过电极120并终止于相应的翼部80。如图8a所示，腿部94的通量收集部98轴向延伸超过电极120并且轴向延伸超过芯部100的通量收集部108。
62.有利地，框架90、芯部100、翅片70和翼部80的配置有助于改善传感头50的性能。更具体地，这些传感头部件的配置有助于改善传感头50的信噪比(snr)。传感头部件通过以下方式实现该改善：1)提高经过电极120穿过磁场的流体的速度(v)，并且2)增加在被测流体流过的传感头50的端部56处生成的磁场的通量密度(b)。回想法拉第定律(e＝bvl)，增加这些b和v值必然地并且有利地增加了由传感头50测量的电势的强度或大小(e)。
63.参照图9，翅片70和翼部80限定了电极120定位在其中的相应通道130。电极120定位于通道130的相应底壁132上，该底壁横跨在与它们相应通道相关联的翅片70和翼部80之间。翅片70具有大体透镜状的配置，其中，弯曲表面72呈现为彼此远离地凸出面向并且面向它们相应的通道130。翼部80具有面向它们相应的通道130和翅片70的相对表面72呈现的表面82。表面72和82在通道130中一起朝向彼此会聚，到达电极120处的顶点，并且然后远离彼此发散。
64.流过传感头50的下端54的流体大体由图9中的箭头指示。流体流动方向a垂直于传感头50的中心轴线58。流体流动方向a也大体上平行于通道130。已知各个通道130的至少一个侧壁是弯曲的，与通道“平行”意指流动方向是纵向穿过通道，与通道的底壁132平行并且与平行于流动方向a和轴线58的轴线62平行。电极120沿着垂直于轴线58和轴线62两者的轴线64彼此对齐。
65.参见图8b，可以看到主体52包括流线型部分66，该流线型部分66在截面中具有非圆柱形配置，该配置被选择为使传感头50沿着流动方向a(参见图1和图9)成流线型。在图8b所例示的示例配置中，流线型部分66具有椭圆形配置。流线型部分66在主体52的上端部54与下端部56之间延伸。流线型部分66被配置为使得椭圆形截面的长轴线或主轴线a
主
平行于通道130并因此在使用期间平行于流动方向a(参见图1和图9)定向。椭圆形截面的短轴线或次轴线a
次
垂直于长轴a
主
和通道130延伸。
66.流过传感头50的流体14产生阻力和涡旋脱落。阻力影响管道中的流体流动，并且涡旋脱落可能产生不希望的效果，诸如传感头50和/或探针20的振荡和/或振动。这在涡旋脱落具有匹配或接近这些结构的共振频率的频率时发生。有利地，传感头50具有流线型部分66，该流线型部分66具有帮助减小或消除阻力和涡旋脱落的椭圆形配置。流线型部分66
从而可以减少和/或消除由流过传感头50的流体14而引起的任意感应振荡/振动。主体52的椭圆形部分的形状和/或尺寸(例如，主轴线/次轴线的长度)可以基于所测量的流量的特性来配置，这些特性诸如是流体介质、预期的流速、探针20的长度等。实际上，流线型部分66可具有非椭圆形但却减少或消除了涡旋脱落及其不必要的影响的流线型配置。
67.返回参照图9，如这些箭头指示，由于通道130的会聚
‑
发散配置，流过通道的流体的速度增加。这是因为流经管道12经过传感头50的流体的流速保持恒定，而流体流经的通道130的截面积减小。为了使流体流速保持恒定，通道130中的截面积减小的区域中的流速增加。翅片70和翼部80的配置因此提高了速度，这产生了由传感头50测量的电势的强度或大小(e)的增加。
68.参照图10，传感头50的电磁部件被示出为具有以虚线例示的非导电包覆模制主体部分52。电极120定位于芯部100的通量收集部108与框架90的臂部94的通量收集部98之间。线圈110支撑在芯部100的线圈容纳部106上，其中框架的臂部94沿其外表面延伸。
69.因此，由高磁导率铁磁材料构成的芯部100和框架90有助于收集和引导或集中由线圈生成的磁通量。将框架90的通量收集部98和芯部100的通量收集部108配置为轴向延伸超过电极120将电极定位在高磁导率材料之间。因此，在电极120和通道130的区域中的磁场的通量密度(b)增加。因此，对于给定的流体速度，例如与芯部100轴向较短和/或臂部94较短或不存在的传感头配置相比，跨电极120测量的所得电势增大。
70.当评估传感头50的性能时，焦点在传感头的有效区域150上，在图11中示出。有效区域150包括翼部80之间、翼部与翅片70之间、以及传感头50的端部56的半径内的空间。有效区域150是流体流过的区域，其有助于跨电极120的大部分电势e。有效区域150外部的流体流动对跨电极120的电势e几乎没有影响。
71.图12a至图14b例示了根据图1至图11的示例配置来配置的传感头50的某些性能方面。为了例示这些性能方面，将根据示例配置(图12a、图13a和图14a)来配置的传感头50与具有相同配置(除了翼部80和框架的通量收集部98被消除(图12b、图13b和图14b)之外)的传感头进行比较。这些图中的每一个例示了在相同操作条件下的传感头的有效区域150中的测量参数。因此，这些图中例示的比较说明了翼部80和通量收集部98在相同条件下对传感头50的性能的影响。
72.图12a和图12b通过比较例示了根据本发明的包括翼部80的传感头50与不包括翼部的传感头在有效区域150中流动的流体的速度v。在图12a和图12b中，在管道中流动的流体被高度控制为对于两个传感头是相同的。在该受控流体速度下，比较有效区域150中的局部速度。如图12a所示，与图12b的传感头相比，通常在有效区域150中、并且尤其是在电极120附近的流体速度的大小更大。如果所有因素都相等，则由电极120在点v1和v2处测量的流经图12a的传感头50的流体的速度大于图12b的传感头在点v1和v2处的对应速度。
73.图12a和图12b的传感头之间的将影响有效区域150中的流体流动的唯一区别在于图12a的传感头50包括翼部80而图12b的传感头不包括翼部。因此，图12a和图12b例示了包括翼部80对传感头50的有效区域150中的流体流动特性的影响。该影响是积极的，因为翼部80与翅片70结合产生了加速流体的会聚
‑
发散通道130(参见图9)。
74.图13a和图13b通过比较例示了由线圈110针对包括具有通量收集部98的框架90的根据本发明的传感头50与具有不包括通量收集部的框架的传感头在有效区域150中感应的
磁通量密度b。在图13a和图13b中，施加到传感器线圈的电流被高度控制为对于两种配置是相等的。如图13a所示，与图13b的无线传感头相比，通常在有效区域150中、尤其是在电极120附近的磁通量密度b的大小更大。
75.在电磁方面，图13a和图13b的传感头之间的将影响有效区域150中的磁通量密度b的唯一区别在于图13a的传感头50的框架90包括通量收集部98而图13b的传感头的框架不包括通量收集部。因此，图13a和图13b例示了高磁导率通量收集部98对由线圈110在有效区域150中感应的电磁场的通量密度的影响。该影响明显是积极的，因为通量收集部98收集、传导、引导和/或集中磁场，使得在有效区域150中、尤其是电极120的区域中的通量密度b的大小大于图13b的大小。
76.传感头50的配置对其性能的影响在图14a和图14b中例示。图14a和图14b通过比较例示了在传感头的电极之间测量的电势e的大小。图14a的传感头50与图12a和图13a的传感头相同。图14b的传感头与图12b和图13b的传感头相同。在图14a和图14b中，在管道中流动的流体被高度控制为对于两个传感头是相同的。在这种受控的流体速度下，比较它们相应电极之间的电势e。如图14a所示，与图14b的传感头相比，电势e的大小更大。在图12a至图14b的示例配置和测试条件中，该差异可以总计达到20％或更多的测量电势e的增加。
77.图14a和图14b例示传感头50的特征对由传感头测量的电势e的大小的影响。在所有条件都相等的情况下，例如，对于在相同条件下相同管道中的相同流体的相同流速，所测量的电势e具有优于不包括这些特征但在其它方面相同的传感头的信号强度。因此，传感头50具有改进的信噪比，这有助于产生更准确且可靠的测量。
78.虽然已经参照示例配置描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变，并且可以用等同物替换本发明的元件。本领域技术人员还应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行修改以使本发明适用于特定应用。因此，应当理解，本发明不应当限于本文所述的任何特定配置或实施方案。相反，本发明可以包括落入所附权利要求范围内的任意配置。