ЦЕЛЬНОФОРМОВАННЫЙ МАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2016 года по МПК G01F1/58 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к расходомерам такого типа, которые используются для регистрации и измерения расхода технологического флюида на предприятиях производственного процесса. Более конкретно, настоящее изобретение относится к измерению расхода с использованием магнитного расходомера.

[0002] Магнитные расходомеры обычно используются для измерения расхода проводящего технологического флюида, текущего через расходомерный трубопровод из электрически изолирующего материала. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, когда проводящий технологический флюид перемещается в направлении, перпендикулярном магнитному полю, во флюиде индуцируется напряжение, которое пропорционально скорости технологического флюида и напряженности приложенного магнитного поля. Магнитное поле может быть создано пропусканием тока в индукционной проводной катушке, намотанной со многими витками и малым шагом. Пара электродов используется при этом для измерения напряжения, индуцированного движением технологического флюида.

[0003] Многие расходомеры требуют использования жесткого расходомерного трубопровода (например, из металла) для обеспечения прочности, необходимой в случае приложения высокого давления. Во многих случаях размещение и расположение электродов и магнитных индукционных катушек оказывается затруднительным и трудоемким при изготовлении устройства. Дополнительные металлические компоненты, такие как металлический расходомерный трубопровод, могут привести к потерям из-за магнитных вихревых токов между магнитными катушками и технологическим флюидом. Кроме того, позиционирование и размещение катушек и электродов может потребовать различных этапов соединения, включающих в себя сварку.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Магнитный расходомер для измерения расхода технологического флюида включает в себя магнитную индукционную катушку, размещенную для приложения магнитного поля к технологическому флюиду. Пара электродов электрически связана с технологическим флюидом и служит для регистрации напряжения, индуцированного в технологическом флюиде и обусловленного приложенным магнитным полем и расходом технологического флюида. Литой расходомерный трубопровод из непроводящего материала устанавливается для приема потока технологического флюида. Расходомерный трубопровод формуется вокруг магнитной катушки и пары электродов и конфигурируется для поддержания магнитной катушки и пары электродов. Электронная схема расходомера сконфигурирована для подачи тока на магнитную катушку и приема возникающего напряжения, регистрируемого парой электродов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0005] Фиг. 1 изображает схему, показывающую систему управления процессом, включающую в себя магнитный расходомер.

[0006] Фиг. 2 - боковой вид в перспективе с частичным вырезом для магнитного расходомера на Фиг.1.

[0007] Фиг. 3 - вид в плане с частичным вырезом для магнитного расходомера на Фиг. 1.

[0008] Фиг. 4A - развернутый вид в перспективе и Фиг. 4B - вид в перспективе формы, используемой для изготовления расходомерного трубопровода магнитного расходомера на Фиг. 1.

[0009] Фиг. 5 - упрощенная схема магнитного расходомера на Фиг. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

[0010] Настоящее изобретение предоставляет магнитный расходомер для использования при измерениях расхода проводящего технологического флюида в производственном процессе. В одном объекте изобретение позволяет установить катушки и электроды в расходомере так, как это желательно, и обеспечивает сдерживание давления, используя литую конфигурацию расходомерного трубопровода. В конкретном варианте реализации предоставляется то, что известно как "бесфланцевый" расходомерный трубопровод, в котором расходомерный трубопровод помещается между двумя фланцами на противоположных концах двух технологических трубопроводов.

[0011] В одном примере катушки, электроды, и их соответствующие проводные соединения все формуются или заливаются в сформованную трубу из твердого полимера или "кольцо", помещаемое в виде "торроида", которое затем может быть установлено между двумя технологическими фланцами трубопровода. Конкретный полимер может быть выбран по желанию исходя из давления технологического флюида, размера входного/выходного отверстия, легкости формования и т.д. В некоторых конфигурациях может быть использован дополнительный материал для обеспечения усиления конструкции. Например, вокруг внешней окружности полимерного трубопровода может проходить "опорное кольцо" из металла или из другого материала. Это может способствовать сдерживанию давления и обеспечивать дополнительную стабильность полимерному трубопроводу. Примерные металлы, которые могут быть использованы, включают в себя нержавеющую сталь или углеродистую сталь. Углеродистая сталь, так же как и другой материал, дают преимущество в обеспечении обратной магнитной цепи для магнитного поля. Кольцо самого полимера может содержать, например, полиуретан, PFA, непроводящий полифенилен сульфид и потенциально может включать в себя проводящие электроды полифенилен сульфида. Коммерческий полифенилен сульфид известен под торговыми марками Ryton® и Techtron®. Вообще говоря, для реализации изобретения может быть использована любая комбинация электродов, включающая в себя проводящие полимерные электроды, наряду с непроводящими полимерами.

[0012] Эти конфигурации предоставляют различные преимущества, включающие в себя частичное или полное устранение трубопровода из нержавеющей стали для сдерживания давления, потенциальное устранение сварки или другой машинной обработки корпуса вне катушек, снижение магнитных потерь на вихревые токи между катушкой и технологическим флюидом, и общее упрощение производственного процесса, в котором электроды, катушки и соединительные провода просто собираются в форму отливки, и затем в форму вводится или заливается полимер.

[0013] В соответствии с одним вариантом реализации магнитный расходомер включает в себя расходомерный трубопровод, установленный для приема потока технологического флюида. Кроме того, расходомер предпочтительно включает в себя множество катушек, размещенных как смежные с расходомерным трубопроводом. Контроллер сконфигурирован для приложения магнитного поля к технологическому флюиду, используя множество катушек. Первый и второй электроды установлены для регистрации электрического потенциала технологического флюида, который связан с приложенным магнитным полем и расходом технологического флюида. Датчик сконфигурирован для регистрации напряжения между первым и вторым электродами. Контроллер сконфигурирован для вычисления расхода технологического флюида на основании напряжения, регистрируемого датчиком между первым и вторым электродами.

[0014] На Фиг. 1 показан магнитный расходомер 102 с типичным сопутствующим оборудованием 100. Более конкретно, на Фиг. 1 показан магнитный расходомер 102, соединенный с технологическим трубопроводом 104, который также соединен с управляющим клапаном 112. Как показано на Фиг. 1, расходомерный трубопровод 108 расходомера 108 представляет собой "бесфланцевый" расходомерный трубопровод, в котором он помещается между фланцем 120 и противоположным фланцем 130 технологического трубопровода 104, но не включает в себя собственные фланцы. Фланцы 120 и 130 включают в себя соответствующие болтовые отверстия 122 и 132. Болты 140 устанавливаются так, чтобы быть принятыми через отверстия 122 и 132, чтобы тем самым поместить расходомерный трубопровод 108 между ними. Расходомерный трубопровод может также включать в себя муфты 141 для приема в них болтов, тем самым центрируя расходомерный трубопровод 108 между фланцами 120 и 130.

[0015] В магнитном расходомере контролируемая технологическая переменная относится к скорости протекания технологического флюида через расходомерный трубопровод 108. Магнитный расходомер 102 может быть сконфигурирован для предоставления выходного сигнала для передачи на большие расстояния на контроллер, или индикатор, через коммуникационную шину 106. На типичных обрабатывающих предприятиях коммуникационная шина 106 может быть токовой петлей 4-20мА, подключением Fieldbus, импульсным выходным/частотным выводом, протоколом связи HART®, подключением беспроводной связи, таим как протокол связи WirelessHART® в соответствии со Стандартом IEC 62591, подключением локальной сети или оптоволоконной связи, или другого канала связи с контроллером, таким как системный контроллер/монитор 110 или другое устройство. Системный контроллер 110 может быть запрограммирован как технологический монитор для отображения человеку-оператору информации о расходе, или как технологический контроллер для управления процессом, используя управляющий клапан 112, по коммуникационной шине 106.

[0016] На Фиг. 2 показан перспективный вид с частичным вырезом магнитного расходомера 102, и на Фиг. 3 показан вид спереди с частичным вырезом магнитного расходомера 102. Как показано на Фиг. 2 и 3, магнитный расходомер 102 включает в себя расходомерный трубопровод 108, присоединенный к корпусу 240 электронного устройства. Расходомерный трубопровод 108 сформирован кольцом, или трубой 200, которая заключает в себе магнитные катушки 222A и 222B. Катушки 222A и 222B устанавливаются для направления магнитного поля во внутреннюю область трубы 200, в соответствии с чем магнитное поле прикладывается к технологическому флюиду. Электроды 224A и 224B устанавливаются в трубе 200. Концы электродов 224A и 224B простираются, по меньшей мере, до края трубы 200, в соответствии с чем электроды 224A и 224B находятся в электрическом контакте с технологическим флюидом. На Фиг. 2 также показан магнитный расходомерный трубопровод 108, расположенный как смежный с фланцем 120, который включает в себя болтовые отверстия 122. Как рассмотрено в связи с Фиг. 1, фланец 120 и фланец 130 используются для размещения магнитного расходомерного трубопровода 108 в разрезе трубопровода 104. На Фиг. 2 и 3 показаны катушки 222A и 222B как имеющие седловую, или "C"-форму. Однако настоящее изобретение не ограничивается этой конфигурацией. Кроме того, настоящее изобретение не ограничивается конфигурацией с двумя катушками и двумя электродами и может использовать любое число катушек и электродов, если это желательно. Кроме того, дополнительное внешнее поддерживающее кольцо 202 может быть использовано, как рассмотрено выше, для обеспечения дополнительной прочности. В одном примере это поддерживающее кольцо 202 содержит металл. Однако поддерживающее кольцо 202 может быть сформировано и из другого материала, и может проходить, частично или полностью, вокруг кольца 200.

[0017] На Фиг. 4A и 4B показан процесс формования, в котором форма 204 используется для формирования трубы 200. Форма 204 устанавливается так, чтобы позволить течь жидкому полимеру в пространство, сформированное в пределах между формой 204 и кольцом 202. До заполнения пространства полимером катушки 222A, 222B, электроды 224A, 224B и их соответствующие проводные соединения могут быть помещены так, как это требуется в пределах пространства 208 формы 204. Формование также может быть предоставлено для формирования литых электродов, сформированных из проводящего полимера. Как только материал формования затвердевает, окончательный трубопровод 200 оказывается сформированным и форма 204 удаляется из формования, и производится окончательная обработка. Может оказаться желательной дополнительная обработка, например дополнительная механическая обработка или пескоструйная обработка кольца 200 после процесса формования. Следует отметить, что на Фиг. 4A и 4B элемент 240 обозначает соединительный корпус, который используется для электрического соединения с передатчиком.

[0018] На Фиг. 5 показана блок-схема одного варианта реализации магнитного расходомера 102 для измерения расхода проводящего технологического флюида 184 через расходомерный трубопровод 108. Катушки 222A, 222B сконфигурированы для приложения внешнего магнитного поля к потоку флюида в ответ на подаваемый управляющий ток от устройства 230 управления катушками. Катушки 222 могут питаться или переменным током (AC), или постоянным током (DC). Электроды (датчики электродвижущей силы (ЭДС)) 224A, 224B электронным образом связаны с потоком флюида и предоставляют выходной сигнал ЭДС 234 на усилитель 232, обусловленный возникновением ЭДС в потоке флюида вследствие приложенного магнитного поля и скорости флюида. Аналого-цифровой преобразователь 242 предоставляет цифровой сигнал ЭДС на систему 248 контроллера, которая может быть микропроцессором или чем-либо подобным. Сигнальный процессор 250 осуществлен в микропроцессорной системе 248 электронного устройства 240 расходомера, которое связано с выходным сигналом ЭДС 234 для предоставления на выходе сигнала 252, связанного со скоростью флюида. Устройство 278 памяти может быть использовано для хранения программных команд или другой информации.

[0019] Микропроцессорная система 248 вычисляет скорость через расходомерный трубопровод 108 в соответствии с соотношением между выходным сигналом ЭДС 234 и скоростью потока, которое следует из закона Фарадея, а именно:

V=E/(kBD), $$$$ Ур. 1

где E - выходной сигнал ЭДС 234, V - скорость флюида, D - диаметр расходомерного трубопровода 108, B - индукция магнитного поля во флюиде и k - константа пропорциональности. Микропроцессорная система 248, вычисляет расход технологического флюида в соответствии с известными методиками. Цифроаналоговый преобразователь 258, связанный с микропроцессорной системой 248 создает аналоговый выходной сигнал 260 передатчика для связи с коммуникационной шиной 106. Цифровая схема 262 связи создает цифровой выходной сигнал 264 передатчика. Аналоговый выходной сигнал 262 создает аналоговый выходной сигнал 264 передатчика.

[0020] В одной конфигурации магнитный расходомер настоящего изобретения сконфигурирован для регулировки свойств фланцев 120 и 130 (см. Фиг. 1), между которыми он помещен. Если расходомерный трубопровод 108 настоящего изобретения неполностью заключает в себе магнитное поле, смежные фланцы могут изменить магнитное поле вследствие магнитной проницаемости фланцев. Это может влиять на калибровку расходомера. Например, если фланцы выполнены из углеродистой стали, то расходомер должен быть откалиброван не так, как в случае нержавеющей стали.

[0021] В одном объекте микропроцессор 248 сконфигурирован для обнаружения того, выполнены ли смежные фланцы из углеродистой стали или из нержавеющей стали. Более конкретно, индукция магнитной цепи, выполненной с катушками 222A и 222B, может изменяться. Эта индукция будет больше, когда используются фланцы из углеродистой стали, а не фланцы из нержавеющей стали. Увеличенная индукция может быть обнаружена, контролируя скорость изменения тока катушки, когда направление тока изменяется на обратное. Большие значения индукции коррелируют с меньшей скоростью изменения. Индукция магнитной цепи может быть измерена во время изготовления и различные значения калибровки сохраняются в устройстве памяти микропроцессора 248. Во время запуска расходомерного трубопровода, когда он вводится в работу, программное обеспечение, выполняемое в микропроцессоре 248, может быть использовано для измерения индукции магнитной цепи и для выбора соответствующего значения калибровки. Эта регулировка может быть выполнена автоматически во время запуска или на основании других методик, таких как периодическое тестирование или тестирование, основанное на команде, полученной по шине 106 передачи данных.

[0022] В альтернативном способе для обнаружения состава фланцев может быть измерен гистерезис магнитной цепи во время переключения магнитного поля. Гистерезис изменяется, если фланцы выполнены из углеродистой стали, а не из нержавеющей стали, и микропроцессор 248 может проанализировать различные сигналы гистерезиса и выбрать соответствующее значение компенсации. В одном примере катушки 222A и 222B управляются, используя специальный сигнал для более простой регистрации гистерезиса. Например, во время запуска устройства может быть применен сигнал большей частоты, чтобы упростить обнаружение изменения гистерезиса.

[0023] Хотя настоящее изобретение было описано в отношении предпочтительных вариантов реализации, специалисты в данной области техники увидят, что могут быть сделаны изменения по форме и в деталях, не отступая от существа и объема притязаний изобретения. Более конкретно, даже при том, что варианты реализации настоящего изобретения были описаны как включающие в себя две катушки и два электрода, число катушек и электродов, которые могут быть использованы с настоящим изобретением, не ограничивается этим. Катушки расходомера могут быть сконфигурированы по желанию. Катушки могут быть с коническим седлом, перевернутым коническим седлом, лабиринтной конфигурацией и т.д. Хотя в вышеприведенном описании рассматриваются две методики выбора соответствующих значений калибровки, другие методики также могут быть использованы, включая в себя ручной выбор. В другом примере значения калибровки вычисляются на основании магнитных свойств смежных фланцев. Например, значения калибровки для расходомера могут быть соотнесены с регистрируемыми магнитными свойствами на основании уравнения, такого как полиномиальное характеристическое уравнение. Аналогично, компенсация может быть отрегулирована, если используется металлическое кольцо для усиления формованного расходомерного трубопровода. В данном случае бесфланцевый расходомер относится к расходомеру, имеющему расходомерный трубопровод, который не имеет фланцев на своих концах.

Изобретение относится к расходомерам такого типа, которые используются для регистрации и измерения расхода технологического флюида на предприятиях производственного процесса. Магнитный расходомер (102) для измерения расхода технологического флюида включает в себя магнитную катушку (222), установленную для приложения магнитного поля к технологическому флюиду. Пара электродов (224) электронным образом связана с технологическим флюидом и установлена для регистрации напряжения, индуцированного в технологическом флюиде и обусловленного приложенным магнитным полем и расходом технологического флюида. Литой расходомерный трубопровод (108) из непроводящего материала установлен для приема потока технологического флюида. Расходомерный трубопровод (108) формуется для образования трубопровода, заполненного непроводящим материалом так, чтобы непроводящий материал был сформован вокруг магнитной катушки и пары электродов и сконфигурирован для поддержания магнитной катушки и пары электродов (224). Электронная схема расходомера (240) сконфигурирована для подачи тока на магнитную катушку (222) и приема образующегося напряжения, регистрируемого парой электродов (224). Технический результат - отсутствие необходимости в применении болтов или винтов и дополнительного поддерживающего кольца. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Магнитный расходомер для измерения расхода технологического флюида, содержащий:
магнитную катушку, установленную для приложения магнитного поля к технологическому флюиду;
пару электродов, электронным образом связанных с технологическим флюидом и установленных для регистрации напряжения, индуцированного в технологическом флюиде и обусловленного приложенным магнитным полем и расходом технологического флюида;
литой расходомерный трубопровод из непроводящего материала, установленный для приема текущего через него потока технологического флюида, причем литой расходомерный трубопровод сформован для образования трубопровода, заполненного непроводящим материалом так, чтобы непроводящий материал был сформован вокруг магнитной катушки и пары электродов и сконфигурирован для поддержания магнитной катушки и пары электродов; и
электронную схему расходомера, сконфигурированную для подачи тока на магнитную катушку и приема напряжения, регистрируемого парой электродов.

2. Магнитный расходомер по п. 1, включающий в себя усиливающую структуру, которая простирается вокруг литого расходомерного трубопровода.

3. Магнитный расходомер по п. 2, причем усиливающая структура содержит кольцо.

4. Магнитный расходомер по п. 2, причем усиливающая структура содержит металл.

5. Магнитный расходомер по п. 4, причем металл содержит углеродистую сталь.

6. Магнитный расходомер по п. 4, причем металл содержит нержавеющую сталь.

7. Магнитный расходомер по п. 1, причем магнитная катушка содержит две магнитные катушки, содержащиеся в пределах литого расходомерного трубопровода и расположенные как смежные с технологическим флюидом.

8. Магнитный расходомер по п. 1, причем литой расходомерный трубопровод содержит полимер.

9. Магнитный расходомер по п. 1, причем пара электродов содержит электроды из проводящего полимера.

10. Магнитный расходомер по п. 1, причем литой расходомерный трубопровод устанавливается как "бесфланцевый", сконфигурированный для монтажа между двумя фланцами, расположенными в концах смежного трубопровода.

11. Магнитный расходомер по п. 1, причем электронная схема расходомера дополнительно сконфигурирована для обнаружения присутствия магнитного материала вблизи литого расходомерного трубопровода.

12. Магнитный расходомер по п. 11, причем электронная схема расходомера обнаруживает магнитный материал на основании магнитной индукции.

13. Магнитный расходомер по п. 11, причем электронная схема расходомера обнаруживает магнитный материал на основании регистрируемого гистерезиса.

14. Магнитный расходомер по п. 11, причем электронная схема расходомера выбирает значение калибровки на основании магнитного материала.

15. Магнитный расходомер по п. 13, причем электронная схема расходомера выбирает значение калибровки на основании регистрируемого гистерезиса.

16. Магнитный расходомер по п. 13, причем гистерезис измеряется с помощью высокочастотного сигнала.

17. Магнитный расходомер по п. 16, причем высокочастотный сигнал подается во время фазы запуска.

18. Способ изготовления магнитного расходомера для измерения расхода технологического флюида в производственном процессе, содержащий:
установку магнитной катушки в форме, имеющей центральное отверстие магнитной катушки, сконфигурированной для приложения магнитного поля к технологическому флюиду;
установку пары электродов в форме, при этом пара электродов сконфигурирована для регистрации напряжения,
индуцированного в технологическом флюиде и обусловленного приложенным магнитным полем и расходом технологического флюида;
заливку непроводящей жидкости в форму и обеспечение возможности жидкости затвердеть с образованием литого расходомерного трубопровода, заполненного затвердевшим непроводящим материалом так, чтобы затвердевший непроводящий материал был
сформован вокруг магнитной катушки и пары электродов и сконфигурирован для поддержания магнитной катушки и пары электродов; и
присоединение электронной схемы расходомера к магнитной катушке и паре электродов для измерения расхода технологического флюида на основании напряжения, регистрируемого парой электродов.

19. Способ по п. 18, включающий в себя предоставление усиливающей структуры, которая проходит вокруг литого расходомерного трубопровода.

20. Способ по п. 18, причем магнитная катушка представляет собой одну из двух магнитных катушек, установленных как смежные с технологическим флюидом.

21. Способ по п. 18, причем непроводящая жидкость содержит полимер.

22. Способ по п. 18, причем пара электродов содержит электроды из проводящего полимера.

23. Способ по п. 18, причем литой расходомерный трубопровод устанавливается как "бесфланцевый", сконфигурированный для монтажа между двумя фланцами, расположенными в концах смежного трубопровода.

24. Способ по п. 18, включающий в себя обнаружение присутствия магнитного материала вблизи литого расходомерного трубопровода с помощью электронной схемы расходомера.

25. Способ по п. 24, включающий в себя выбор значения калибровки расхода на основании магнитного материала.