专利名称：磁感应流量变送器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造磁感应流量变送器的方法，以及可相应地利用该方法制造的流量变送器。
装备有磁感应流量变送器的流量测量仪表用于测量在流动方向上流经该流量变送器的测量管的导电流体的体积流量。为此，利用电连接至流量测量仪表的激励电子装置的磁路设置在磁感应流量变送器上创建最大密度的磁场。磁场在测量体积之内至少部分垂直于流动方向切割流体并且基本在流体外部自身闭合。测量管通常由非铁磁材料制成，以使得在测量期间不会不受欢迎地影响磁场。
根据磁流体动力学原理，作为磁场中流体的自由载流子移动的结果，在测量体积中产生电场。电场垂直于磁场并垂直于流体流动方向延伸。借助于在电场方向上彼此相距设置的至少两个测量电极以及借助于与其连接的流量测量仪表的分析电子装置，可测量流体中感生的电压。这个电压是体积流量的量度。这样构造流量变送器，使得感应的电场在流体外部最终通过连接至测量电极的分析电子装置而闭合。感生的电压可以例如由接触流体的流电测量电极或由不接触流体的电容测量电极而检测。
为了将磁场引导及耦合到测量体积中，磁路设置通常包括两个线圈铁心，它们沿测量管的外围设置，优选的设置在直径上并互为镜像，彼此相距并且各自具有自由端面。借助于连接至激励电子装置的线圈设置以这样的方式将磁场耦合入线圈铁心，使得它至少部分垂直于流动方向地切割在两个端面之间流动的流体。
由于对于这种测量管需要较高的机械稳定性，它们优选的由具有预定强度和宽度的优选为金属的外部支持管构成，其在内部涂覆有具有预定厚度的不导电的绝缘材料，即所谓的“衬里”。例如，在US-B65 95 069、US-A 52 80 727、US-A 46 79 442、US-A 42 53 340、US-A 3213 685以及JP-Y53-51 181中公开了一种磁感应流量变送器，其具有可压密地插入管道的测量管。测量管具有入口侧第一末端和出口侧第二末端，并且包括用作测量管套筒的非铁磁支持管以及位于支持管内腔中的绝缘材料管状衬里，用于引导流动的且与支持管隔离的流体。
衬里用于将支持管与流体化学隔离。在支持管具有较高导电率的情况中，特别是在金属支持管的情况中，衬里还用于支持管和流体之间的电绝缘，以防止电场贯穿支持管的短路。于是，支持管合适的设计保证了测量管的强度与各应用情况中存在的机械负载相匹配，而衬里使得测量管能够满足这种应用的化学需求特别是卫生需求。衬里的制造往往是通过喷射模塑或传递模塑方法进行的。然而，将完全预制的衬里插入支持管也是常见的。在JP-A59-137 822中公开了一种方法，其中通过软化塑料薄膜而形成衬里。通常在热塑性或热硬化性塑料衬里中嵌入开孔的特别是金属的支撑体，以向衬里提供稳定性，这例如在以下文献中有所显示EP-A 36 513、EP-A 581 017、JP-Y53-51181、JP-A59-137 822和US-B 65 95 069、US-A 56 64 315、US-A5,280,727和US-A4,329,879。支撑体用于特别是相对于压力改变以及与热相关的体积改变而机械地稳定衬里。例如US-A 56 64 315公开了一种方法，用于制造具有内部衬里的磁感应流量变送器的测量管，在该方法中，金属屏蔽网形式的预制支撑体用于机械稳定衬里，在插入衬里之前将该支撑体放在支持管中。另外，JP-Y53-51 181显示了一种管状支撑体，其在其侧表面中具有孔；而EP-A 581 017或US-A 65 95069公开了烧结的支撑体。支撑体通常被安装在测量管的内腔中并且与其对齐，而且至少在接触流体的内侧被绝缘材料完全围绕。
特别地在US-A 42 53 340中公开的流量测量仪表还包括支持框架，用于支持测量管和支持与流量变送器机械连接的电子装置外壳。外壳用于容纳上述在流量变送器附近的激励及分析电子装置并且在很大的程度上保护它们免受环境影响。关于这一点，测量管和支持框架仅仅在入口侧和出口侧沿相对较窄的连接区域彼此固定。根据US-A 4253 340的流量测量仪表的优点在于允许非常紧凑的结构。
然而，调查显示，特别是在食品及制药工业的应用中，这种流量测量仪表易于在支持管和支持框架之间的连接区域，特别是在焊接区域形成裂缝。另外还确定，这种特性特别地是源于测量管中由于在约150K(Kelvin)的非常宽的温度范围中迅速的温度变化而引起的快速改变的轴向应力，这种温度变化例如可以在以热的流体清洁和/或杀菌流量计期间发生。由于测量管和支持框架的相对较高的刚度，特别是在焊接区域中这些应力易于被释放，这导致在这些位置的不期望的裂缝。
本发明的目的是提供一种磁感应流量变送器，其具有用于测量管和电子装置外壳的支持框架，其中可以显著减小在测量管和支持框架之间的连接区域中形成裂缝的趋向。
为了实现目的，本发明提供了一种用于管道中流动的流体的磁感应流量变送器，其包括测量管，其基本上由非铁磁材料制成，用于引导流体；磁路设置，设置在测量管上，用于产生并引导磁场，该磁场在流动的流体中感应电场；和测量电极，用于检测电场的电压。另外，流量变送器还包括基本上刚性的支持框架，用于支持测量管以及支持连接至流量变送器的电子装置外壳，其中测量管和支持框架在入口侧和出口侧机械耦合在一起。为了在支持框架中支持测量管，提供至少一个第一连接元件，其固定至测量管的第一末端和对应于这个测量管末端的支持框架第一末端。在流量变送器中这样形成并设置至少一个连接元件，使得它与支持框架和测量管相比，在测量管的纵向轴方向上基本为轴向柔性的。
根据本发明的流量变送器的第一实施例，至少一个连接元件被构造为在径向上基本比轴向上更为刚硬。
根据本发明的流量变送器的第二实施例，至少一个连接元件和支持框架被构造为一件。
根据本发明的流量变送器的第三实施例，至少一个连接元件被构造为槽的侧边界，该槽特别是与测量管同轴延伸并且形成在支持框架中。
根据本发明的流量变送器的第四实施例，支持框架由金属，优选地由不锈钢制成。
根据本发明的流量变送器的第五实施例，连接元件和支持框架由金属，优选地由不锈钢制成，并且至少一个连接元件被焊接至支持框架。
根据本发明的流量变送器的第六实施例，至少一个连接元件是薄膜，特别是与测量管同轴设置的环形薄膜。
根据本发明的流量变送器的第七实施例，为了在支持框架中支持测量管，还提供了至少一个特别地与第一连接元件基本相同的第二连接元件，该第二连接元件固定至测量管的第二末端以及对应于这个测量管末端的支持框架第二末端，其中，第二连接元件被这样构造并设置在流量变送器中，使得与支持框架和测量管相比，它在测量管纵轴的方向上轴向柔性。
根据本发明的流量变送器的进一步发展，测量管包括优选为金属的支持管和设置在支持管内腔中的衬里，衬里由绝缘材料制成并且优选地为管状，其中绝缘材料例如是热塑性或热硬化性塑料。
根据本发明的流量变送器的进一步发展的第一实施例，至少一个连接元件是在支持管中形成的槽的侧边界。
根据本发明的流量变送器的进一步发展的第二实施例，连接元件和支持管被形成为一件。
根据本发明的流量变送器的进一步发展的第三实施例，支持管由金属，优选地由不锈钢制成。
根据本发明的流量变送器的进一步发展的第四实施例，支持管和连接元件由金属，优选地由不锈钢制成，并且至少一个连接元件被焊接至支持管。
本发明的基本思想在于，通过使用较为柔性的连接元件将测量管固定在支持框架中，允许在测量管和支持框架之间的轻微相对运动，并且因而将流量变送器中可能发生的轴向应力或张力转换为连接元件的弹性形变。
现在根据附图详细解释本发明及其优选实施例。相同的零件使用相同的附图标记。然而，为了清楚，省略了在后续附图中的附图标记。
图1显示了具有支持框架和其中安装的测量管的磁感应流量变送器的透视侧视图；图2显示了图1的磁感应流量变送器的透视纵截面；图3以横截面显示了图2的磁感应流量变送器的一部分；和图4显示了连接元件的实施例的示意性纵截面，该连接元件用于在支持框架中固定图1的测量管。
图1显示了磁感应流量变送器的透视侧视图，而图2和3是这种流量变送器的实施例的在纵截面和横截面的示意性显示。流量变送器包括具有可预定形状和尺寸的直测量管1，用于引导流动流体；设置在测量管1的磁路设置2，用于引导磁场经过流体；和测量电极设置3，其同样设置在测量管1上，用于测量在流体中感应的电压。另外，流量变送器包括基本刚性的支持框架4，用于支持电及机械连接至流量变送器的电子装置外壳(这里未显示)，其中测量管1和支持框架4在入口侧和出口侧机械耦合在一起。为了压密地插入可以由流体流经的管道，测量管1在第一测量管末端具有第一法兰5并且在第二测量管末端具有第二法兰6。在这里显示的实施例中，法兰5、6都集成在支持框架4中，特别是成型在其中。相对于这个特征具有优点地，支持框架4和法兰5、6构造为一件。
在图2和3中显示的实施例中，测量管1包括具有可预定内腔的优选为金属的支持管11以及由绝缘材料制成且具有可预定宽度的管状衬里12，以及内嵌于衬里12中的具有可预定孔尺寸和厚度的开孔支撑体13。支撑体13同样为管状，用于机械稳定衬里12，特别是在测量管中流体的流体在操作期间在0bar～40bar的压力范围内具有在-40℃～200℃范围内的温度的情况。支持管11由非铁磁材料，诸如不锈钢或其他防锈金属制成，与其内嵌的支撑体13同轴地围绕衬里12，并用作形式给定的以及形式稳定的测量管1外部套筒。在图2和3中，测量管1被实施为支撑体13在其接触流经流体的内侧上由衬里12完全覆盖，从而只有衬里12被流经测量管1的流体接触；关于这一点，参见US-A 32 13 685。可选地，支持管11自身可以被衬里的材料，例如热塑性或热硬化性塑料材料在内部接触甚至完全内衬。
为了产生并引导在工作期间部分切割在测量管中流动的流体的磁场，流量变送器具有磁路设置2。这包括第一和第二圆柱线圈21、22，它们分别围绕第一和第二铁磁线圈铁心23、24，每个铁心分别具有可预定形式的自由端侧第一和第二端面232、242。为了抑制涡流，优选地提供线圈铁心作为单金属片成型的零件或者作为多个分层金属片成型零件组，其中多个分层金属片成型零件彼此电绝缘；参见JP-Y2-28406或US-A 46 41 537。在测量管1之外，线圈铁心23、24在它们与各自端面232、242相反的末端连接至磁力返回路径，该返回路径为同样铁磁材料且具有预定长度和形式；参见图1。通常返回路径在围绕测量管1的两侧上外部延伸；关于这一点，参见US-A 46 41 537。线圈21、22分别缠绕在同轴围绕各个线圈铁心23、24的管状第一或第二线圈体25、26上；然而，线圈21、22也可以自支持或者至少部分地内嵌于线圈体25、26中。除了具有两个线圈的磁路设置之外，完全可以使用具有三个或多个线圈的磁路设置；关于这一点，参见JP-A3-218414。在测量期间，线圈21、22与激励电子装置相连，用于产生具有可预定电流强度的电流，并且它们流经线圈。这产生了两个部分磁场，它们基本上成直角地切割这些相关联的线圈铁心23、24的各个端面232、242，并且在过程中矢量叠加在得到的磁场中。它切割在测量体积之内流动的流体，部分地垂直于其流动方向。激励电子装置可以是本领域已知的或者背景技术中说明的电路设置。
为了接收线圈铁心23，24，如图2和3所示，测量管1包括用于端侧插入线圈铁心23的第一线圈铁心座14以及用于端侧插入线圈铁心24的第二线圈铁心座15；参见图1和2。线圈铁心座14、15各自具有第一和第二表面，它们与线圈铁心23、24的端面231、241形式接合地接触，各自所属的线圈铁心23、24平躺在第一或第二表面上。为了将线圈铁心23、24插入线圈铁心座14、15，为支持管11提供侧向第一外壳开口113和侧向第二外壳开口114。两个外壳开口113、114都具有相同的形状并且在支持管11的圆周上彼此相距，特别是它们在直径上彼此相对。线圈铁心23、24在测量管1中延伸通过它们各自的外壳开口113、114并被这样相对于彼此定向，使得它们的两个端面213、241沿圆周彼此相距，特别是在直径上相距并且互为镜像关系。然而，外壳开口113、114或端面231、241也可以沿测量管1外围的弦彼此间隔并且/或者以非镜像的关系设置在测量管1上；参见JP-A 3-218414。自然，为了插入线圈铁心23、24，要将外壳开口113、114定为这样的尺寸，使得线圈铁心23、24不进一步穿透。
为了检测在流动的流体中感应的电压，流量变送器使用应用于测量管1的传感器设置3。传感器设置包括第一和第二测量电极31、32。测量电极是棒状的并且具有第一和第二测量电极头311、321用于检测上述感生电压以及第一和第二测量电极腿312、322用于将传感器设置连接至分析电子装置。如图3所示，测量电极31、32可以是流电测量电极，但是它们也可以是电容式的。支持管11还具有侧向第三和第四外壳开口115、116，用于插入测量电极31和32。外壳开口115和116各自的宽度大于各个测量电极腿312、322的最大直径。优选地，它们形状相同并且优选地直径上彼此相对地就位，其中连接外壳开口115、116的支持管11直径垂直于连接外壳开口113、114的支持管11直径。自然，如果需要，特别是对于多于两个测量电极的情况，测量电极31、32可以彼此相距设置在测量管1上，使得它们不在直径上相对。这例如是提供用对于参考电位的附加测量电极的情况或者在水平安装测量管1时提供测量电极用于检查测量管1中的流体的最小填充水平的情况。
正如已经提到的，测量管1的入口侧和出口侧机械固定至支持框架4。实际中，支持框架的材料可以与支持管11所使用的相同，例如是不锈钢或其它高质量钢合金。
为了在支持框架4中轴向弹性支持测量管1或者反过来，提供第一连接元件7，其固定在第一测量管末端以及支持框架4的与这个测量管末端相对应的第一末端。这样构造并在流量变送器中设置连接元件7，使得它相对于支持框架4和测量管1在测量管的纵向轴方向上基本轴向柔性。这允许了在测量管和支持框架之间的相对运动，至少在测量管的纵向轴方向上并且至少在连接元件的弹性范围之内，而不会在支持框架4和连接元件7之间或者连接元件7和测量管1之间的接缝区域中产生不可接受的高机械应力和/或材料张力。为此，本发明的一个具有优点的实施例将至少一个连接元件构造为薄膜，特别是与测量管同轴设置的环形薄膜。环形薄膜在内部边缘固定至测量管并且在外部边缘固定至支持框架。正如在图2中示意性显示的，至少一个连接元件7和支持框架4可以是一件构成的；关于这一点，作为替代或者补充，还可以令至少一个连接元件7和测量管1，特别是可能存在的支持管11整件构成。
为了避免在测量管纵向轴径向上过大的间隙，本发明的一个实施例中，至少一个连接元件7在径向上比轴向上更刚硬。
在本发明的进一步发展中，为了在支持框架4中支持测量管1，提供特别是与第一连接元件7基本相同的第二连接元件8。连接元件8固定至测量管的第二末端以及与这个测量管末端相对应的支持框架第二末端。而且这样构造并在流量变送器中设置连接元件8，使得相对于支持框架4和测量管1，它在测量管的纵向轴方向上轴向柔性。
在本发明的一个具有优点的实施例中，连接元件7、8和支持框架4各自由金属，例如不锈钢制成，其中优选地这种金属被选择作为支持框架和支持管的材料，它们具有基本相同的热膨胀系数。另外，各个连接元件7、8被通过焊接连接固定至支持框架4；关于这一点，作为替代或补充，还可以将各个连接元件固定至测量管1，特别是利用焊接连接固定至可能存在的支持管11。
在本发明的另一具有优点的实施例中，正如在图2中示意性显示的，将至少一个连接元件构造为槽70A的侧边界，该槽特别是与测量管1同轴延伸的槽，特别是环形槽，其形成在支持框架中；关于这一点，作为替代或补充，还可以将至少一个连接元件7构造为槽70B的侧边界，该槽特别的是环形槽，其形成在测量管1的外部中，特别的在可能存在的支持管11中，关于这一点，参见图4。类似地，连接元件8也可以例如构造为槽80A的侧边界，其如图2中示意性示出的，形成在支持框架4的第二末端中和/或以相应的方式形成在测量管1的外部。
槽70A、70B、80A的使用，特别是环形槽的使用一方面提供了以下优点各个连接元件7、8和要在它们以及支持框架4或测量管1之间形成的机械连接可以被非常简单地且成本低廉地制造，例如通过研磨或旋转而制造。另一方面，槽本身以及所属的用作连接元件7、8的侧边界在它们的公差中可以非常简单地关于流量变送器各个使用区域所需的轴向灵活性以及适合的径向刚度而优化。另外，这里附加的优点是，由槽围绕的空气体积形成非常有效的热绝缘体，其例如在将连接元件7、8焊接至支持框架4或测量管1期间，阻挡或至少显著减少热能通过接缝渗透进入测量管1和/或支持框架4。相应的，在焊接期间引入接缝位置的热能可以相对较高，这将可以得到较高的煅烧深度。
权利要求
1.用于管道中流动的流体的磁感应流量变送器，包括-测量管(1)，其基本上由非铁磁材料制成，用于引导流体，-磁路设置(2)，设置在测量管(1)上，用于产生并引导磁场，该磁场在流动的流体中感应电场，-测量电极(3)，用于检测电场的电压，-基本上刚性的支持框架(4)，用于支持测量管(1)以及支持连接至流量变送器的电子装置外壳，其中测量管(1)和支持框架(4)在入口侧和出口侧机械耦合在一起，--其中，提供至少一个用于在支持框架(4)中支持测量管(1)的第一连接元件(7)，其固定在测量管(1)的第一末端和对应于这个测量管(1)末端的支持框架(4)第一末端上，并且--其中这样形成并在流量变送器中设置至少一个连接元件(7)，使得它与支持框架(4)和测量管(1)相比，在测量管(1)的纵向轴方向上基本为轴向柔性的。
2.根据权利要求1的磁感应流量变送器，其中至少一个连接元件(7)被构造为在径向上基本比轴向上更为刚硬。
3.根据权利要求1或2的磁感应流量变送器，其中至少一个连接元件(7)和支持框架(4)被整件构成。
4.根据前述任一权利要求的磁感应流量变送器，其中至少一个连接元件(7)被构造为槽(70A)特别是环形槽的侧边界，该槽特别是与测量管(1)同轴延伸并且形成在支持框架(4)中。
5.根据前述任一权利要求的磁感应流量变送器，其中支持框架(4)由金属，特别是由不锈钢制成。
6.根据前述任一权利要求的磁感应流量变送器，-其中连接元件(7)和支持框架(4)由金属，特别是由不锈钢制成，并且-至少一个连接元件(7)与支持框架(4)焊接。
7.根据前述任一权利要求的磁感应流量变送器，其中至少一个连接元件(7)是薄膜，特别是与测量管(11)同轴设置的环形薄膜。
8.根据前述任一权利要求的磁感应流量变送器，其中至少一个连接元件被构造为槽(70B)特别是环形槽的侧边界，该槽从外部成形于测量管(11)中。
9.根据前述任一权利要求的磁感应流量变送器，其中测量管(1)包括特别是金属的支持管(11)和设置在支持管(11)内腔中且特别为管状的衬里(12)，衬里由绝缘材料制成，其中绝缘材料例如是热塑性或热硬化性塑料。
10.根据权利要求9的磁感应流量变送器，其中连接元件(7)和支持管(11)被整件构成。
11.根据权利要求9的磁感应流量变送器，-支持管(11)和连接元件(7)由金属，特别是由不锈钢制成，并且-其中至少一个连接元件(7)与支持管(11)焊接。
12.根据前述任一权利要求的磁感应流量变送器，其中为了在支持框架中支持测量管，还提供了至少一个特别地与第一连接元件(7)基本相同的第二连接元件(8)，该第二连接元件固定在测量管(1)的第二末端以及对应于这个测量管(1)末端的支持框架(4)第二末端上，其中，第二连接元件(8)被这样构造并设置在流量变送器中，使得与支持框架(4)和测量管(1)相比，它在测量管(1)纵轴的方向上轴向柔性。
全文摘要
流量变送器，包括测量管(1)，其基本上由非铁磁材料制成，用于引导流体；磁路设置(2)，设置在测量管上，用于产生并引导磁场，该磁场在流动的流体中感应电场；和测量电极(3)，用于检测电场的电压。另外，流量变送器还包括基本上刚性的支持框架(4)，用于支持测量管以及支持连接至流量变送器的电子装置外壳，其中测量管和支持框架在入口侧和出口侧机械耦合在一起。为了在支持框架中支持测量管，提供至少一个连接元件(7)，其固定至测量管的第一末端和对应于这个测量管末端的支持框架第一末端。在流量变送器中这样形成并设置至少一个连接元件(7)，使得它与支持框架和测量管相比，在测量管的纵向轴方向上为轴向柔性的。
文档编号G01F15/18GK1890534SQ200480036869
公开日2007年1月3日 申请日期2004年12月2日 优先权日2003年12月11日
发明者佛瑞德·卡普佩尔茨, 丹尼尔·维尔德, 弗兰克·沃伊特 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司