МАГНИТОИНДУКТИВНЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2011 года по МПК G01F1/58 G01F1/60 

Изобретение относится к магнитоиндуктивному расходомеру, таким образом к устройству для измерения объемного или массового расхода среды, протекающей через измерительную трубу в направлении оси измерительной трубы, содержащему систему магнитов, генерирующую проходящее через измерительную трубу магнитное поле, в основном поперек оси измерительной трубы, с, по меньшей мере, одним измерительным электродом, который определенным участком поверхности контактирует со средой, и с блоком регулирования/обработки, который информирует об объемном или массовом расходе среды посредством измеряемого напряжения, наведенного в, по меньшей мере, одном измерительном электроде.

В магнитоиндуктивных расходомерах для волюметрических измерений расхода используется принцип электродинамической индукции: движущиеся перпендикулярно магнитному полю носители заряда среды наводят измеряемое напряжение в измерительных электродах, расположенных также в основном перпендикулярно к направлению потока среды. Наведенное в измерительных электродах измеряемое напряжение пропорционально скорости потока среды, движущейся через поперечное сечение измерительной трубы; таким образом, оно пропорционально объемному расходу. Измеряемое напряжение обычно снимается с помощью пары измерительных электродов, расположенных в зоне максимальной напряженности магнитного поля, и, следовательно, там, где можно ожидать максимальное измеряемое напряжение. Сами измерительные электроды контактируют со средой либо гальваническим, либо емкостным образом.

При использовании соприкасающихся со средой измерительных электродов на границе между металлическим электродом и протекающей через измерительную трубу средой образуются гальванические элементы, вызывающие возмущающий электрохимический потенциал. Этот возмущающий электрохимический потенциал изменяется во времени, так как зависит от различных переменных условий окружения, таких как температура, давление, состав среды, материал измерительных электродов и материал измерительной трубы. Так, например, состав поверхности измерительных электродов может изменяться вследствие образования слоя пассивации или возникновения коррозии. Изменяющийся возмущающий электрохимический потенциал накладывается на собственно измеряемое напряжение, пропорциональное скорости потока среды, протекающей через измерительную трубу. Следует учесть, что изменяющийся во времени электрохимический потенциал отрицательно влияет на точность измерения с помощью традиционного магнитоиндуктивного расходомера. Поэтому требуется способ, устраняющий эти помехи. Это особенно важно, когда в случае измеряемой среды речь идет о среде с малой проводимостью, протекающей через измерительную трубу с относительно высокой скоростью потока. Из-за влияния относительно большого возмущающего напряжения на измеряемое напряжение существует опасность, что измеряемое напряжение исчезнет в помехах, вследствие чего станет невозможным достоверное и повторяемое измерение расхода.

Целью изобретения является предложение магнитоиндуктивного расходомера, на точность измерения которого почти не влияют возмущающие электрохимические потенциалы.

Данная задача решается посредством того, что, по меньшей мере, участок поверхности, соприкасающийся со средой, по меньшей мере, одного измерительного электрода, изготавливается из химически инертного и механически устойчивого материала. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения устройства согласно изобретению под химически инертным и электрохимически и механически устойчивым материалом подразумевается алмаз, которому придают свойства электропроводности путем легирования соответствующим образом. В частности, в этих целях алмазный материал легируют бором.

Датчик с микроэлектродами из алмаза известен из WO 2005/017514. Известный датчик служит для определения химических свойств или параметра химического процесса жидкости. В частности, датчик состоит из корпуса, изолирующего слоя из непроводящего алмазного материала, ряда микроэлектродов из проводящего алмазного материала и коммутируемой схемы, которая соединена с каждым микроэлектродом. На основании снимаемых с помощью микроэлектродов измерительных сигналов определяется соответствующий параметр химического процесса среды. В частности, микроэлектроды располагают упорядоченно или неупорядоченно. Предпочтительно они встраиваются в изолирующий алмазный материал таким образом, что непосредственно или косвенно контактируют со средой.

Как описано в уровне техники, также и в комбинации с настоящим изобретением может использоваться синтетически изготовленный алмаз. Алмаз обладает такими свойствами, что, с одной стороны, имеет высокую твердость и, следовательно, высокую механическую и электрохимическую устойчивость; с другой стороны, обладает тем преимуществом, что является практически химически инертным. При этом устраняется возникающая в традиционных магнитоиндуктивных расходомерах проблема наложения на собственно измеряемые сигналы изменяющейся во времени помехи, вызываемой изменяющимися возмущающими электрохимическими потенциалами измерительных электродов. Расходомер в соответствии с настоящим изобретением отличается оптимизированным соотношением сигнал/помеха. При этом расходомер в соответствии с настоящим изобретением позволяет определять даже малые скорости потока среды с малой проводимостью с достаточно высокой воспроизводимостью и точностью измерения. Следовательно, в случае типовых сред и типовых скоростей потока точность измерения повышается. Так, например, можно достигать требуемой точности измерения с учетом известных расходомеров с редуцированным магнитным полем, что ведет к значительному снижению энергозатрат в режиме измерения. Кроме того, изготовленные из алмаза измерительные электроды имеют преимущество по долговечности и простоте обслуживания.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения устройство в соответствии с изобретением состоит из системы магнитов из двух диаметрально расположенных электромагнитов, причем блок регулирования/обработки управляет электромагнитами таким образом, что они генерируют периодически изменяющееся или постоянное магнитное поле в измерительной трубе.

В известных магнитоиндуктивных расходомерах с типовыми измерительными электродами полярность магнитного поля периодически меняется. За счет разницы между двумя следующими друг за другом измеренными величинами, определяемыми при различной полярности магнитного поля, можно эффективно устранить компоненты сигнала, представляющие собой величины помех и, следовательно, не отражающие объемный или массовый расход, который надо измерить. Такой вариант выполнения с периодически реверсируемым магнитным полем возможен и в комбинации с предложенным решением, хотя влияния помех, как уже было описано в предыдущем пункте, в случае решения в соответствии с данным изобретением почти устраняются. Поэтому в комбинации с изобретением могут применяться менее затратные решения, в частности расходомер с постоянным магнитным полем.

В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения можно генерировать постоянное магнитное поле посредством электромагнитов. Особое преимущество комбинации с расходомером согласно изобретению заключается в том, что в случае использования системы магнитов речь идет о по меньшей мере одном постоянном магните, который генерирует в полости измерительной трубы постоянное магнитное поле. Такое решение, с одной стороны, позволяет экономить энергопотребление, а, с другой стороны, дает возможность для постоянного магнитного поля, проходящего через измерительную трубу, измерять объемный или массовый расход непрерывно, а не только в течение зависящих от измерительного прибора периодов измерения после переключения полярности магнитного поля соответственно. Эта проблематика рассматривается более подробно в следующем пункте.

В частности, в комбинации с постоянным магнитным полем, генерируемым с помощью, по меньшей мере, одного постоянного магнита в предпочтительном варианте выполнения изобретения предлагается устройство энергообеспечения, которое предоставляет необходимую для эксплуатации расходомера энергию. Например, в случае устройства энергообеспечения речь идет о батарее, солнечном элементе или топливном элементе. Предпочтительной является интеграция устройства энергообеспечения в измерительный преобразователь или в блок регулирования/обработки магнитоиндуктивного расходомера.

Изобретение подробно поясняется чертежами, на которых представлено следующее:

фиг.1 - схема первого варианта выполнения устройства согласно изобретению;

фиг.2 - схема второго варианта выполнения устройства согласно изобретению.

На фиг.1 показана схема первого варианта выполнения устройства согласно изобретению.

Через измерительную трубу 2 протекает среда 11 в направлении оси 3 измерительной трубы. Среда 11 является электропроводной как минимум в небольшой степени. Сама измерительная труба 2 изготовлена из непроводящего материала или как минимум ее внутренняя поверхность облицована непроводящим материалом.

С помощью двух диаметрально расположенных электромагнитов 6, 7 генерируется магнитное поле В, перпендикулярное направлению потока среды 11. В случае с магнитным полем В речь идет либо о постоянном магнитном поле, либо о переменном поле, периодически меняющем свое направление. Под воздействием магнитного поля В находящиеся в среде 11 носители заряда перемещаются в соответствии с их полярностью к одному из двух противоположно поляризованных измерительных электродов 4, 5. Создаваемое между измерительными электродами 4, 5 напряжение пропорционально скорости потока среды 11, движущейся через поперечное сечение измерительной трубы 2, т.е. является мерой объемного расхода среды 11 в измерительной трубе 2. Измерительная труба 2 в свою очередь соединена посредством соединительных элементов, например фланцев, не изображенных на чертеже, с системой труб, через которую протекает среда 11.

В продемонстрированном примере выполнения измерительные электроды 4, 5 непосредственно контактируют со средой 11. В соответствии с изобретением, по меньшей мере, участок поверхности, соприкасающийся со средой, измерительных электродов 4, 5 изготовлен из легированного соответствующим образом алмаза. Предпочтительно изготовление участка поверхности каждого измерительного электрода 6, 7, соприкасающегося со средой, из алмаза, легированного бором.

С помощью соединительных линий 12, 13 измерительные электроды 4, 5 связаны с блоком 8 регулирования/обработки. Связь электромагнитов 6, 7 и блока 8 регулирования/обработки осуществляется с помощью соединительных линий 14, 15. Блок 8 регулирования/обработки соединен с помощью соединительной линии 16 с блоком 9 ввода/вывода и при необходимости с помощью шины данных с диспетчерской верхнего уровня. Коммуникация может осуществляться также с помощью радиосвязи. Кроме того, блок 8 регулирования/обработки сопряжен с запоминающим устройством 10.

На фиг.2 изображена схема второго варианта выполнения устройства согласно изобретению. Существенное различие двух вариантов выполнения заключается в используемой системе магнитов: в то время как в варианте выполнения, изображенном на фиг.1, применяют электромагниты 6, 7, в варианте выполнения, изображенном на фиг.2, применяют постоянные магниты 17. В обоих случаях система магнитов выполняется и/или размещается таким образом, что электромагниты 6, 7 или постоянные магниты 17 генерируют в поперечном сечении измерительной трубы 2 почти однородное магнитное поле В.

В изображенном на фиг.1 решении с периодически изменяющимся магнитным полем возможно только дискретное измерение объемного или массового расхода. Из этого следует, что при переключении магнитного поля В изменение тока в катушках электромагнитов 6, 7 соответствует изменению магнитного поля В только в идеальном случае. Из-за вихревых токов, возникающих при переключении магнитного поля В в полюсных башмаках и сердечниках электромагнитов 6, 7, в действительности возникают отклонения от такого идеального случая. Измеренный снаружи катушек ток катушек всегда соответствует сумме протекающего в катушках тока и вихревых токов. Если в качестве регулируемой величины используется измеренный снаружи катушек ток, следовательно, магнитное поле В, а не ток, является постоянным. Это справедливо до тех пор, пока не затухают вихревые токи. Только после этого можно выполнить надежное измерение объемного или массового расхода. От заявителя известны несколько способов, служащих для сокращения интервала времени, не предназначенного для измерения, после переключения магнитного поля В и увеличения следующего интервала времени для измерения. Соответствующие электромагнитные расходомеры предлагаются и реализуются заявителем под маркой PROMAG.

Преимущество изображенного на фиг.2 варианта выполнения с постоянным магнитным полем В заключается в том, что здесь возможно непрерывное измерения объемного или массового расхода. Устраняется недоступный для измерения интервал времени после переключения магнитного поля и может выбираться произвольная длительность времени измерения. В частности, оно оптимизировано таким образом, что достигается требуемая точность измерения. Следовательно, благодаря оптимизируемой длительности измерения с помощью устройства согласно изобретению можно получить наилучшие результаты измерения. Следует учесть, что постоянное магнитное поле может быть сгенерировано также с помощью электромагнитов 6, 7.

Так как в решении с постоянными магнитами отпадает необходимость в смене полярности магнитного поля, простым способом может быть реализован независимый расходомер 1. В описанном случае устройство 18 энергообеспечения интегрировано непосредственно в блок 8 регулирования/обработки. Под устройством 18 энергообеспечения понимается предпочтительно батарея, топливный элемент или при известных условиях солнечный элемент.

Расходомер содержит измерительную трубу (2), магнитную систему в виде двух диаметрально расположенных электромагнитов (6, 7) или по меньшей мере одного постоянного магнита. Блок (8) регулирования/обработки на основании измеряемого напряжения, наведенного в по меньшей мере одном измерительном электроде (4, 5), информирует об объемном или массовом расходе среды в измерительной трубе. Участок поверхности измерительного электрода (4, 5), соприкасающийся со средой, изготовлен из химически инертного и электрохимически, и механически устойчивого алмаза, легированного для электропроводимости (например, бором). Под управлением блока (8) электромагниты (6, 7) генерируют в измерительной трубе (2) периодически меняющееся или постоянное магнитное поле (В). Изобретение повышает точность измерения благодаря существенному снижению потенциала электрохимической помехи, накладывающейся на собственно измерительный сигнал, снимаемый с электродов, позволяет экономить энергопотребление. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения объемного или массового расхода среды (11), протекающей через измерительную трубу (2) в направлении оси (3) измерительной трубы, содержащее систему магнитов (6, 7; 17), генерирующую проходящее через измерительную трубу (2) магнитное поле (В), в основном поперек оси (3) измерительной трубы, с, по меньшей мере, одним измерительным электродом (4, 5), контактирующим определенным участком поверхности со средой (11), и с блоком (8) регулирования/обработки, который на основании измеряемого напряжения, наведенного в, по меньшей мере, одном измерительном электроде (4, 5), информирует об объемном или массовом расходе среды (11) в измерительной трубе (2), отличающееся тем, что, по меньшей мере, участок поверхности, соприкасающийся со средой, по меньшей мере, одного измерительного электрода (4, 5) изготовлен из химически инертного и электрохимически и механически устойчивого, и легированного для электропроводимости алмаза.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что химически инертный и механически устойчивый, и легированный для электропроводимости алмаз выполнен в виде алмаза, легированного бором.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система магнитов содержит два диаметрально расположенных электромагнита (6, 7), причем блок (8) регулирования/обработки предназначен для управления электромагнитами (6, 7), при этом указанные электромагниты генерируют в измерительной трубе (2) периодически меняющееся или постоянное магнитное поле (В).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система магнитов содержит, по меньшей мере, один постоянный магнит (17).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит устройство (18) энергообеспечения, подающее необходимую для эксплуатации расходомера энергию.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что устройство (18) энергообеспечения выполнено в виде батареи, солнечного элемента или топливного элемента.