流动物质的磁感应测量装置和其制造方法

技术领域

本发明涉及流动物质的磁感应测量装置，以及制造这种流动物质 磁感应测量装置的方法，为简便起见，这种磁感应测量装置以后简称 为MID。

背景技术

在现有技术中已知流动物质的磁感应测量装置。已在例如the Lexikon der Mess-und Automatisierungstechnik(测量和自动技 词典)中说明基本结构和操作原理(Elmar Schrufer，VDI-Verlag Dusseldorf 1992，pages 262-263)。根据操作原理，磁感应测量装 置只能用来测量导电液体物质的流量。

简单的和耐用的机械结构，特别是没有装在内部的障碍物或者活 动部件的直的测量管使得这种结构成为用在若干工业处理装置中的优 选测量装置，例如用在处理水的领域(净化饮用水和处理污水中的流 量测量)、用在化学和石化工业方面(水、酸溶液、碱溶液等的流量 测量、用在药物工业方面以及在食品工业方面(水、酸、汁液、啤酒、 奶制品等的流量测量)。

一般类型的磁感应测量装置包括：测量管，该测量管中流过被测 定物质；其它的固定在测量管上的子系统，特别是信号传感子系统、 产生磁场的子系统(以后简称为磁系统)；防止受到外界影响的外壳； 用于接收测量装置电界面的连接装置。

现在用的测量管一般是带有或者不带有端部法兰的钢管，具有焊 接在该测量管外周面上的连接部件，以便将其它装置的部件和子系统 固定在测量管上。或者用法兰固定，要不然采用称为片固定的中间对 接固定法进行工艺管道系统的安装。

现在磁感应测量装置已用在工艺压力达到40巴地工艺中，这对液 压系统的耐压强度和抗形变性提出了很高的要求。在液压系统中，由 压力产生的形变和振动可能造成固定在测量管上的信号传感器和磁系 统发生扭曲和几何位移，并损害测量的准确度和测量重现性。

现在还已知在适当地方应用的用陶瓷形成的测量管，有时测量电 极和屏蔽电极嵌入在测量管中，采用热性塑料制作测量管。

还提出了用纤维复合材料制造测量管，例如用玻璃纤维增强塑料 (GRP)制造测量管。这种测量管既具有稳定性和耐压强度，又具有耐 化学腐蚀性和电绝缘特性。已经发现，如果测量管具有适当尺寸，则 用GRP材料采用纤维绕制方法生产的测量管可以长期承受40巴的内管 压力，当管子的壁的厚度仅几毫米时，管子不产生机械形变。

因为用GRP形成的测量管是电绝缘的，所以完全不需要另外的绝 缘衬，这样便使得测量装置的制造更为容易，成本更低。

作为信号传感的子系统现在已知有传导信号传感器和电容信号 传感器，在传导信号传感器的情况下，电极电连接于要测量的物质。 传导信号传感器通常是两个电极，该电极插入到测量管的通孔中。 在用钢制造测量管时，这些通孔和电极必须彼此电绝缘；因此必须 在钢管的内侧衬上称为衬垫的非导电层。这样便使得测量管的安装 很复杂。

在电容信号传感器的情况下，电极与要测量的物质是电分开的。 采用大面积的电极，这种电极配置在非导电的管子衬垫上，或者配置 在其后面。在测量电极和测量管之间还形成屏蔽电极，以防止电容旁 通到外面。

现在产生磁场的子系统一般由两个线圈形成，该系统具有磁极和 磁通回路，这两个线圈围绕测量管固定。在安装期间要保持的几何公 差是很小的，这样便使得安装复杂而成本高。

在这种情况下，磁通回路采用许多片状金属条形成，这些金属条 彼此重叠在一起，然后用铆钉铆在一起。需要若干生产步骤，才能形 成这种形式的磁通回路。

现用常规磁感应流体测量装置(MID)中，盒子具有相当高的成本 因素，因为它是用分开的两半外壳形成的，例如用模具铸造方法形成 的，或者形成为焊接的金属板结构。

一个技术缺点是，在盒子内的连接元件例如电缆不能通过单独固 定外壳而固定其位置。连接导线的变动将产生相当大的信号干扰，因 而造成测量不准确，尤其是在电容信号传感器的情况下。

连接装置使得测量装置可以连接于计算电路，该电路装在通常还 称为发射机或者测量变送机的子组件中。该发射机可以在工业上与测 量装置分开，或者整体形成在终端外壳中。

现在的常规生产方法其特征在于，一方面相当小规模地成批生产 装置的各种变型装置，另一方面，又要生产大量的变型装置。因为产 生磁场的子系统是机械安装在液压系统上，所以各种变型的液压系统 还需要安装子系统的不同配套安装工具。

发明概述

因此本发明的目的是提供一种磁感应测量装置，该装置可以用低 成本制造，并可以用在所有应用方面，各个变型只需要很小的改变。

上述目的借助于采用下述测量装置及其制造方法可以实现：

一种测量流动物质(被测物质)的磁感应测量装置，该装置具有 测量管和另一子系统，该子系统分别用于：

记录测量信号，包括信号传感器(引出信号的电极配置)；

产生磁场，包括至少两个激励线圈和铁磁芯(磁系统)；

以环境一侧为界的装置(外壳)；

其中，该另外子系统中至少一个子系统完全或者部分地由一模铸 复合物形成和/或被嵌入到一模铸复合物中。

一种制造流动物质(被测物质)的磁感应测量装置的方法；其中 所有或者一些另外子系统完全或者局部地被嵌入到被充填的聚氨酯 中。

因此按照本发明，其它子系统中的至少一个子系统，可以安全或 者部分地用模铸复合物形成或被嵌入到一模铸复合物中。

在本发明的特别有利实施例中，整个磁系统或者其一部分可被嵌 入到非导电的模铸复合物中。

在这种情况下，可以将铁磁芯单独的或者将激励线圈与铁磁芯一 起被嵌入到非导电的模铸复合物中。

按照本发明的另一优选实施例，该磁系统被嵌入到由不导电模铸 复合物形成的外壳中。

本发明这一实施例的技术优点是，磁系统可以很好的被固定，永 久固定就位，同时还不受到外部干扰，例如不受潮气、灰尘、振动等 的影响，而且在测量管和装置外界侧的边界面之间的所有可能空隙都 被自动的填满。在这种情况下，生产成本很低。

本发明的测量装置具有已知的测量管，例如用金属作的测量管， 具有绝缘衬层和导电电极，或者用纤维绕制方法形成的测量管，具有 被嵌入的电容信号引出电极，或者用具有导电的电极或者电容电极的 陶瓷制作的测量管，或者用具有导电极或者电容电极热塑性塑料作的 测量管，或者用没有被嵌入的电极的陶瓷或者热塑性塑料作的测量 管。

测量管相对于待测量物质具有耐压强度和抗化学腐蚀性。例如用 纤维复合材料制造的测量管，既具有机械稳定性和压力负载承受容量 大的特性，又具有抗化学腐蚀特性和电绝缘特性。

例如，作为模铸复合物可以考虑不导电的被充填的环氧树脂或者 不导电的被充填的聚氨脂。模铸模具或者可以用钢板制作，或者塑料 制作，使其可以重复使用，或者以“非永久模具”的形式使用。

除嵌入磁系统外，还可以将电导线嵌入到非导电的模铸复合物 中。因此可以不费什么力便可以使这些导线不受到振动，这样便增加 了测量准确度和抗干扰性。

另外，可以将电信号转换子组件例如在电容信号引出情况下的阻 抗转换器和/或者电子信号前级放大器配置在测量电极的后面，并随同 这些电极嵌入到不导电的模铸复合物中。

另外一个优点是，如果将铁磁芯嵌入到纤维复合材料层中，则可 以牢固固定铁磁芯的位置。尽管在常规系统下需要费很大的力来形成 对振动不敏感的抗冲击的系统(采用机械装置或者额外的粘接连接)， 但是在磁系统嵌入到模铸复合物的情况下，则不需要作额外的努力便 可以自动获得到这种系统。

另外，对于磁系统不需要提供任何额外的防腐蚀保护，因为该磁 系统由于嵌入到模铸复合物中而得到充分的保护。

在预先组装信号传感磁系统和磁系统的电部件和磁部件之后，这 些部件由模铸复合物铸成的起外壳作用的层包围。对于这种生产操 作，由于只需要极少材料和生产时间，所以可以得到成本低的优点。

采用这种引人注意的方式将所有部件永久固定就位的方法可以得 到技术上的优点。

防止电磁干扰场的屏蔽层(EMF屏蔽层)可以以这种方式嵌入到外 壳的模铸层中，并随同外壳一起模铸。该层可以由例如金属纱或者金 属网构成，例如由铜等构成，或者由导电的塑料构成。

从其它的附属权利要求可以得到本发明的另外有利的改进和提高 以及其它优点。

附图简述

下面根据附图详细解释和说明本发明以及本发明的其它有利改 进和提高，在这些附图中示出6个例示性的本发明实施例，这些附 图是：

图1是横截面图，示出本发明MID的一个实施例，在此实施例中 磁系统和信号转换器嵌入到由模铸复合物形成的外壳中；

图2是横截面图，示出本发明MID的第二实施例；

图3是横截面图，示出本发明MID的第三实施例；

图4是本发明MID的纵向截面图，在此MID中，只有磁系统嵌入 到模铸复合物中；

图5是本发明MID的纵向截面图，在此MID中，磁系统只部分的 嵌入到模铸复合物中；

图6是一个MID的纵向截面图，在此MID中，还嵌入额外的测量 温度和测量应力的传感器。

发明详述

图1是磁感应测量装置1的横截面图，该装置包括由钢作的测量 管2以及两个导电测量电极21，该电极彼此相对，垂直于测量管中心 轴线3，还包括固定在管子内壁4上的绝缘衬层4。

具有两个环形激励线圈30、30a和铁磁芯31的磁系统采用已知的 固定装置33、33a、33b、33c、33d、33e、33f、33g固定于测量管2 的外侧，这些固定装置是支承件、销钉、螺钉、夹具和类似部件，这 些固定部件在图1中只示意示出，本文中不再作任何更详细的说明， 因为它们对于制造MID技术人员是完全熟知的。环形线圈30、30a的 绕线平面彼此平行，并平行于管子的中心轴线3。因为示出横截面，所 以只能看到环形线圈30、30a的部分区域30′、30″、30a′、30a″。 采用常规方法制造铁磁芯31，方法是将许多金属板条彼此叠放在一 起，然后用铆钉固定在一起。该磁系统具有在测量管2内部产生磁场 的作用，该磁场垂直于测量管中心轴线3和测量电极21，该磁力线形 状由箭头B表示。

该磁系统嵌入到包围测量管的模铸复合物的层19中。线圈和测 量电极的导线也随同磁系统一起嵌入到模铸复合物中。在此实施例 中，该模铸复合物是充满的非导电环氧树脂。该模铸复合物粘在测 量管2的外表面上，使得在测量管和模铸复合物之间不会形成可能 进入灰尘或者潮气的中间空间或者间隙。该封闭的层19完全包围磁 系统。其外周轮廓是圆筒形。该模铸复合物在外面形成测量装置1 的外壳，并保护模铸在其中的所有磁系统，不会进入灰尘和水。如 果适当的仔细的控制模铸操作，则封闭层的表面质量很好光滑，并 且没有任何缺陷。

因此，所有模铸在内的部件和子系统均以引人注意的方式永久固 定就位。如果在测量装置工作期间发生例如振动或者受到冲击，则该 磁线圈和铁磁芯不在彼此相对扭曲。因此降低了将磁系统机械固定在 测量管2上的要求，因而制造测量装置变得更为容易，成本较低。磁 系统的机械固定只须设计成足够牢固，以便使线圈和磁通回路在模铸 和固化期间保持位置固定，与现在对机械固定提出的要求相比，这是 一种不太大的要求。

发射机8固定在由模铸复合物形成的外壳上，该发射机包括控制 磁场、测量信号传感器、处理测量信号和通信的电子线路。该发射机8 还包括用箭头R表示的用于无线电信号发射的无线电信号发射单元以 及随后使MID连接于较高级处理控制系统的无线电装置。

为浇铸该模铸复合物19，在安装磁系统之后，用铸造模具将测量 管2封闭起来，该模具对于测量管和本身是密封的，而且具有入口和 开口，然后在此模具中注入模铸复合物，例如充填环氧树脂，并固化。 然后除去模具。该模铸模具可以用金属板或者塑料形成，使得该模具 可以重复使用，或者以“非永久模具”的形式使用。

与制造MID的常规技术相比，模铸磁系统不仅具有伴随的技术优 点，而且还具有显著的经济效益，因为模铸操作劳动强度小，而且对 于大部分可以自动方式进行，因此成本低于常规固定方法。

图2-6示出图1所示的上面详细说明的实施例的许多变型例，但 是这些变型例不是穷举的。因此下面基本上只说明不同于图1所示实 施例的部件。此时，相似的或者等同的部件或者子组件分别用同样的 编号表示。

图2示出本发明另一MID实施例1a。该测量管2是用层合纤维复 合材料制造的测量管，具有两个电容信号引线，具有两个大面积测量 电极20、20a以及两个分开的屏蔽电极22、22′和22a、22a′，该屏蔽 电极屏蔽测量电极，防止旁通外部电场，这些电极嵌入到测量管2的 纤维复合材料层。

电子信号转换子组件24、阻抗转换器和测量信号前级放大器也嵌 入到模铸复合物19中，该前级放大器可以以这种方式配置在测量电极 20、20a的附近。具体在电容信号引线的情况下，重要的是，阻抗转换 器应配置在尽可能靠近测量电极的地方，而且应当这样固定连接线， 使得它们不会受到振动，即使最小的测量信号也能进行没有任何错误 的信号检测，从而得到很高的测量准确度和分辨率。

在图2所示实施例的情况下，铁磁芯32用可弯曲的铁磁带材形 成。分两个子步骤形成模铸复合物。首先，模铸内部分19a。然后将铁 磁芯放在内部分上，并采用例如粘接方法将其固定，然后以同样方式 将环形的激励线圈30、30a放在铁磁芯上，并进行固定。随后浇铸外 部分19b，该外部分可以用不同于内部分19a的材料模铸。例如包含导 电金属箔、金属网或者导电塑料膜的屏蔽层40，也可以在浇铸期间浇 铸到外部分19b中。

然而如果选出适当的模铸复合物，也可以用一个步骤浇铸。此时， 首先将线圈和铁磁芯固定在一起，然后在随后的浇铸期间，使模铸复 合物流入所有的空间并完全充满这些空腔。

在图3所示的实施例情况下，测量管2用两部分管子2a和2b形 成，这两个部分管子同心地一内一外结合在一起，该第一内部管子2a 由热塑性塑料组成，这种塑料的生产成本很低，而且具有很大的耐压 强度。围绕该内管2a形成的是第二外部管2b，该管包括纤维复合材料 层，该外部管2b使得测量管2具有需要的耐压强度，使该测量管可以 工作在高到40巴的要求压力范围内。

被嵌入在外部管2a层中的是电容信号传感器系统，该系统为多电 极排列，具有4对测量电极21a、21a′；21b、21b′；21c、21c′；21d、 21d′和一对屏蔽电极23、23′，各对测量电极分别覆盖一部分外部测 量管内侧面。由于采用这种多电极排列，所以除进行流量测量外，还 可以进行充满高度的记录和测量。采用电容多电极排列记录和测量这 种充满高度，在现有技术的原理中是周知的。这种排列不限于四对测 量电极，还可以配置三对电极、四对电极、五对电极、六对电极、七 对电极、八对电极或者更多对电极。信号转换子组件同样也嵌入到外 部管2b的复合纤维材料层中。

可以采用图1说明的方式将装在测量管2上的磁系统嵌入到模铸 复合物19中。

图4示出本发明一个实施例MID的截面图，该实施例具有用钢 作的测量管以及绝缘衬垫401的导电信号引线21，在这种情况下， 只有包含两个激励线圈30、30a和铁磁芯32的磁系统嵌入到模铸复 合物29中，该铁磁芯具有固定装置33、33a、33b、33c、33d、33e、 33f、33g。该模铸复合物用常规方法例如用模铸的两个半外壳形成。 这一实施例的优点在于制造成本低，而且磁系统具有很高的几何精 确度，同时可以固定测量管、信号引线和外壳的经试验证明可行的 子系统。

在图5所示实施例中，该磁系统仅局部嵌入到模铸复合物19中。 将具有固定装置33、33a、33b、33c、33d、33e、33f、33g的铁磁芯 32嵌入，而采用常规方法安装两个激励线圈30、30a。该激励线圈30、 30a也可以嵌入到模铸复合物19中，而采用常规方法将铁磁芯32装在 该复合物上。图5所示的实施例在固定磁系统方面与制造MID的常规 方法相比具有成本低和几何准确度高的优点，同时与图1-4所示的实 施例相比，制造方法只需要较小的改变。

所有现在使用的常规MID均用于测量由流动物质的流量，而且不 具有任何其它的测量装置，采用这些其它的测量装置可以从待测物质 或者测量装置本身得到涉及其它参数的另外信息，并利用这些其它信 息来进行例如诊断。图6示出本发明MID一个实施例的纵向截面图， 该MID可以克服现有技术的这一缺点。图6示出本发明MID一个实施 例的纵向截面图，该MID大部分与图2横截面图所示实施例一致。作 为与图2所示实施例的差别，在图6中，具有铁磁芯32和线圈32、32a 的磁系统直接固定在用复合纤维材料作的测量管2上，并嵌入到模铸 复合物19中。围绕测量电极和分开的屏蔽电极20、22、22′的虚线表 示这些电极嵌入在测量管2第一绕线层的后面。

另外，在图6所示的实施例中，还可以将其它传感器嵌入到复合 材料测量管壁2中和模铸复合物19中。

在靠近待测物质一侧的边界表面4的地方，将第一温度传感器 56嵌入到纤维复合材料的测量管壁上。该温度传感器可以在很靠近 待测物质一侧的装置边界表面4的位置嵌入，或者该传感器可以直 接接触待测物质，使得可以采用该传感器准确记录在管子内壁处待 测物质的温度。作为温度传感器可以使用所有现用的小型化的普通 类型传感器，例如电阻温度传感器，热电耦温度传感器或者半导体 温度传感器。

可以在靠近外界一侧的装置边界表面6的位置，将第二温度传感 器57嵌入到模铸复合物19中。这样便可以记录测量装置的管壁温度 或者测量装置的环境温度。可以在发射机8中处理这两个温度检测器 的检测信号，但是也可以在信号转换器子组件24中进行处理。

对于已知的纤维复合材料和模铸复合物19的几何尺寸和材料特 性，可以利用两个温度传感器56、57测定的温度之间的差来计算热通 量，和在待测物质的环境之间由这种热通量引起的交换能量。这样便 可以检测测量装置在允许操作范围内的运行。根据这种记录的温度值 还可以估计测量管或者整个测量装置的剩余寿命。为此，额外结合在 发射机8中的或者已经装在信号转换子组件24中的是具有存储器的微 处理器。在这种处理器中相应的寿命模式可以作为软件执行。测量温 度值可以储存在该软件中；然后作为输入变量将温度的历史变化输入 到该寿命模式，由此可以计算出期望剩余寿命，并将该剩余寿命传送 到发射机进行显示，或者在更高级的过程控制系统或者工厂的管理系 统进行进一步处理。

另外，可以在测量管和环境一侧的装置边界面6之间的中间嵌入 应变传感器58。该应变传感器可以是例如应变计或者配置成电桥上的 应变计，包括金属基或者半导体基的应变计。采用应变传感器58可以 测定模铸复合物19中的机械应力状态。还可以嵌入许多应变传感器， 分布在模铸复合物19中的许多位置。用这种方法得到的信息可以计算 测量装置的多轴线应力状态，这样便可以检测相应装置位置的允许负 载。

上述例示性的实施例不构成本发明所有可能的MID实施例，本文 没有说明的但由于组合上述实施例或者其部件而产生的所有其它实施 例因此要被本发明所涵盖。尤其是，在构制磁系统的情况下，还可以 采用与图2所示方式不同的方式进行制造，即首先将激励线圈固定在 该绕制管体上，然后在将铁磁芯固定在该绕制管体上。