用于磁流量计的改进的磁芯构造

1.一种用于磁流量计的流管组件，该流管组件包括：
流管，所述流管被构造为接收从其中流过的过程流体流；
相对于所述流管安装的第一磁芯，所述第一磁芯包括多层可透磁材料，其中每一层是大致平坦的并且与多层中的其他层是电绝缘的；以及
第一线圈，所述第一线圈被设置成产生磁场，该磁场具有大致垂直于每一层的平面的磁力线。
2.根据权利要求1所述的流管组件，其中，所述多层可透磁材料是堆叠的。
3.根据权利要求1所述的流管组件，其中，所述多层可透磁材料中的每一层都涂覆有绝缘材料。
4.根据权利要求3所述的流管组件，其中，所述绝缘材料是清漆。
5.根据权利要求1所述的流管组件，其中，基于所述第一磁芯期望的电特性选择所述第一磁芯的物理参数。
6.根据权利要求5所述的流管组件，其中，所述物理参数是多层可透磁材料的层数。
7.根据权利要求5所述的流管组件，其中，所述物理参数是每一层可透磁材料的厚度。
8.根据权利要求5所述的流管组件，其中，所述物理参数是构成每一层可透磁材料的材料。
9.根据权利要求5所述的流管组件，其中，所述物理参数是层的取向。
10.根据权利要求5所述的流管组件，其中，所述物理参数是用于使得每一层与其他层绝缘的材料。
11.根据权利要求5所述的流管组件，其中，所述物理参数是绝缘材料的厚度。
12.根据权利要求5所述的流管组件，其中，所述期望的电特性是电感。
13.根据权利要求5所述的流管组件，其中，所述期望的电特性是电阻。
14.根据权利要求1所述的流管组件，其中，基于所述第一磁芯的期望的磁特性选择所述第一磁芯的物理参数。
15.根据权利要求14所述的流管组件，其中，所述期望的磁特性是磁阻。
16.根据权利要求1所述的流管组件，还包括安装柱体，该安装柱体固定到流管上并且将第一磁芯和第一线轴安装到流管上。
17.根据权利要求1所述的流管组件，还包括磁回组件，该磁回组件由可透磁材料形成并且被连接到所述第一磁芯。
18.根据权利要求17所述的流管组件，其中，所述磁回组件和所述第一磁芯由相同的可透磁材料形成。
19.根据权利要求18所述的流管组件，其中，所述可透磁材料是硅钢。
20.根据权利要求1所述的流管组件，还包括：
第二磁芯，所述第二磁芯与所述第一磁芯相对地安装在所述流管上，所述第二磁芯包括多层可透磁材料，其中，每一层可透磁材料都是大致平坦的并且与多层可透磁材料中的其他层是电绝缘的；以及
第二线圈，所述第二线圈被设置成产生磁场，该第二线圈产生的磁场具有大致垂直于每一层可透磁材料的平面的磁力线。
21.根据权利要求1所述的流管组件，还包括设置成接触过程流体的一对电极。
22.一种用于测量过程流体的流速的磁流量计，所述磁流量计包括：
流管组件，包括：
流管，所述流管被构造为接收从其中流过的过程流体流；
一对磁芯，所述一对磁芯被安装在流管的相对侧，每一个磁芯都包括多层可透磁材料，其中每一层可透磁材料都是大致平坦的并且与多层可透磁材料中的其他层是电绝缘的；以及
一对线圈，每一个线圈都被设置成产生磁场，该磁场具有大致垂直于每一层可透磁材料的平面的磁力线；
一对电极，该一对电极被设置成接触流过所述流管的过程流体；以及
流量计电子器件，该流量计电子器件被连接到所述一对电极和所述一对线圈上，并且被构造为经由所述一对线圈产生磁场以及经由所述一对电极测量在过程流体中感应出的感应电动势(EMF)。
23.根据权利要求22所述的磁流量计，其中，所述磁流量计包括用于连接到有线过程通信回路的电路，并且其中所述磁流量计整个被所述过程通信回路供电。
24.根据权利要求22所述的磁流量计，其中，所述磁流量计是电池供电的。
25.根据权利要求22所述的磁流量计，其中，所述流量计电子器件被构造为向所述一对线圈提供激励信号，并且其中所述激励信号的频率是大约500Hz。
26.根据权利要求22所述的磁流量计，其中，所述流量计电子器件被构造为向所述一对线圈提供正弦激励信号。

用于磁流量计的改进的磁芯构造\n[0001] 相关申请的交叉引用\n[0002] 本发明基于2014年3月18日提交的序列号为No.61/955,117的美国临时专利申请并且要求该申请的优先权，该申请的内容通过引用全部纳入此文。\n背景技术\n[0003] 磁流量计(或者电磁流量计)通过应用法拉第定律(即电磁效应)测量流量。磁流量计通过使得激励电流流过励磁绕组而激励一个或多个线圈，该励磁绕组产生穿过被电隔离的且导电的过程流的磁场。通过使得过程流体流过磁场而产生电动势(EMF)，通过接触流动的过程流体的一个或多个导电电极可以很容易地测量在流体两端和相对于余下的过程流体的被感应的电压(电势)。可选地，一些磁流量计采用电极和过程流体之间的电容耦合，从而在不直接电连接到过程的情况下可以测量该电势。体积流量与流速和流管的横截面积成比例。因为流速与电极电位电势(EV)直接成比例，所以电极电位电势(EV)与感应的磁场强度(B)直接成比例，并且感应的磁场强度被认为与施加的磁场(H)成比例，该施加的磁场(H)直接与激励电流的幅度有关。在被测量的电极电位电势(EV)和感应的体积流量之间提供直接的相关性。\n[0004] 磁流量计在多个导电和半导电的流体流动测量环境中是有用的。尤其是，基于水的流体、离子溶剂和其他的导电流体的流量都能够使用磁流量计被测量。因此，磁流量计可以在水处理设备、饮料和保健食品生产、化学过程、高纯度药品制造以及危险和腐蚀性过程设备中被发现。磁流量计经常被应用在烃燃料工业中，该烃燃料工业有时采用使用磨蚀和腐蚀性的泥浆的水力压裂技术。\n发明内容\n[0005] 提供一种用于磁流量计的流管组件。所述流管组件包括流管，所述流管被构造为容纳从其中流过的过程流体流。磁芯被相对于所述流管而被安装并且包括多层可透磁材料。每一层是大致平坦的并且与多层中的其他层是电绝缘的。线圈被设置成产生磁场，该磁场具有大致垂直于每一层的平面的磁力线。\n附图说明\n[0006] 图1是示出包括磁流量计的过程控制系统的示意图。\n[0007] 图2是尤其适用于本发明的实施例的磁流量计的方框图。\n[0008] 图3是根据本发明的磁流量计流管组件的立体图。\n[0009] 图4A和4B分别是根据本发明的实施例的磁流量计的磁芯的俯视图和侧视图。\n具体实施方式\n[0010] 图1示出了用于磁流量计102的典型环境100。磁流量计102被联接到过程管道，该过程管道以线104示意性示出并且也联接到控制阀112。磁流量计102被构造为提供与流过过程中的管道104的过程流体流相关的流量输出。此种过程流体的示例包括化工厂、造纸厂、制药厂和其他流体处理厂中的泥浆和液体。\n[0011] 磁流量计102包括被连接到流管108的电子壳体120。磁流量计102的输出被构造为用于经由过程通讯链接(communication connection)106而被长距离地传输到控制器或指示器。在典型的过程工厂中，通讯链接106可以是数字通信协议，也可以是模拟通信信号。经由无线通信、脉冲宽度或频率输出、或者离散输入/离散输出(DI/DO)可以获得相同的或者附加的过程信息。系统控制器110可以向操作人员显示流量信息以及提供过程通讯线106上的控制信号，从而使用诸如阀112的控制阀控制过程。\n[0012] 图2是尤其适用于本发明的实施例的磁流量计的方框图。磁流量计102测量流过流管组件108的导电过程流体的流量。线圈122被构造为响应于线圈驱动器130施加的激励电流而将外部磁场施加在流体流中。电动势(EMF)传感器(电极)124电连接到流体流并且向放大器132提供EMF信号输出134，该EMF信号输出134与由于所施加的磁场、流体速度和噪音而在流体流中产生的EMF相关。模/数转换器142向微处理器系统148提供数字化的EMF信号。信号处理器150在流量计电子器件140的微处理器系统148中被执行，其中该流量计电子器件\n140连接到EMF输出134以提供与流体速度相关的输出152。\n[0013] 微处理器系统148根据在如下的法拉第定理应用中所描述的EMF输出134和流动速度之间的关系来计算流过流管108的流体流动速度：\n[0014]\n[0015] 其中，E可以是与EMF输出134相关的信号输出152，V是流体的速度，D是流管108的直径，B是流体中的感应磁场的强度，并且k是比例常数。法拉第定律的该应用的细微差别是激励电流I被认为与感应磁场的B直接成比例，线圈驱动器130提供激励电流和对速度测量的精度而言很重要的感应磁场或激励电流的测量。该激励电流的测量通过线路131提供。微处理器系统148根据已知的技术使用速度和测得的磁场或线圈电流以计算过程流体的流量。数/模转换器158被连接到微处理器系统148并且产生用于连接到通信总线106的模拟变送器输出160。数字通信电路162产生数字变送器输出164。模拟输出160和/或数字输出164按需要可以被连接到过程控制器或监视器。\n[0016] 虽然本发明的实施例适用于所有的磁流量计，但是它们尤其与具有较小直径的流管的磁流量计相关。对于这些较小管线尺寸的流管，包含传统的磁芯或者当实现励磁绕组结构时使用空气芯结构可以导致磁流量计的线圈驱动器电路由于由很多圈的励磁线圈而形成的高Q(品质因数)的电感而振荡。包括使用脱氧钢或者较便宜的芯部材料的方法可以用于最小化Q，但是经常导致供应激励电流的施加的磁场(H)和感应的磁场(B)之间的不可接受的相位滞后，从而导致了系统中的错误。\n[0017] 创建磁有效的、低磁阻和高增益的磁路将代表对于磁性的流量测量的现有技术的改进，其中该磁路在维持足够的磁场保真度的同时体现出向线圈驱动器电子器件施加的易于驱动的负载。\n[0018] 根据下文将提及的各种实施例，磁流量计流管的正交的芯部设计使得能够精确地且直接地控制品质因数(Q)、感应系数(L)和作为线圈驱动器的负载的阻抗(R)，同时提供构建精确和可重复的流量计系统所需要的必要频率响应和快速调整时间。经由芯部构造控制电感负载的Q允许设计者降低励磁绕组的阻抗并且还向系统提供适当的阻尼因数，从而使得激励电流更加容易稳定。这允许励磁线圈的阻抗成分被降低，从而降低了在绕组中所消耗的阻抗耗能。下文所提供的实施例潜在地可以使用比传统的流管构造少的铜，由此增强了磁效应。\n[0019] 由于电磁感应的法拉第定律隐含的限制，当导体、L、(流管的内径D)小时，需要高的磁场强度，从而提供必需的产生的电压E，从而需要大的安培线匝以被用于产生所施加的磁场H。从效率角度出发，使用大量的磁线线匝，从而使得安培线匝的电流部分保持恒定。这\n2\n借助于如下的关系式使得感应系数高：L＝Ns，其中N是绕组数量。如此，使得具有可接收的低L和Q值的小管线尺寸的磁路具有低滞后效应的足够的磁性能是尤其困难的。\n[0020] 随后，使用叠层而形成磁芯部，该叠层是大致平面的并且被取向成使得叠层的平面与在流管中所感应的磁通大致正交。在与感应的磁通正交的多层叠层中使用磁兼容材料直接降低了感应系数和所述感应系数的品质因数。这允许磁路在线圈驱动器的输出阶段的超频率上更多地被认为是阻抗负载。除了每一层之间的电绝缘涂层的类型和厚度之外，还具体化芯部中的叠层的厚度、类型和数量，这允许精确地控制电路的阻抗、可允许的磁滞以及磁路的可交换性。\n[0021] 图3是根据本发明的实施例的磁流量计流管组件的示意性立体图。流管组件200包括在管道安装法兰204、206之间延伸的流管202。另外，非导电管线208一般地被设置在流管\n202中，从而过程流体不接触基本上是金属的流管202。一对端盖210、212被设置在管道安装法兰204、206之间。圆柱覆盖物(在图3中未示出)可以被安装到端盖210、212。虽然在图3中未示出覆盖物，但是其描述与在图1中由附图标记105示意性示出的覆盖物类似。电极124被安装在流管202的相对侧，并且经由管线208而延伸到流管202中，从而在一些实施例中，该电极与过程流体直接接触。安装支柱214示出为被安装到流管202并且从该流管向上延伸。\n如图3所示的分解视图以分解的形式示出了组件的上部。然而，组件的下部没有以分解的形式示出，而是由附图标记240示意性示出。因此，一对线圈和磁芯协作以引导穿过流管202的磁场，其中磁场具有大致竖直取向(相对于如图3所示的设置)的磁力线。\n[0022] 线轴216包括一对法兰218和220，在该对法兰之间具有大量的电线绕组。线轴216也包括内径222，该内径22尺寸和形状被规定为容纳磁芯224。因此，线轴216的绕组被设置成使得它们大致缠绕磁芯224的外侧。线轴/绕组子组件可以被认为是产生通过流管的磁场的线圈。根据本发明的实施例，这些磁力线大致垂直地通过磁芯224的独立叠层的平面。磁芯224包括孔或孔口226，该孔或孔口226尺寸被规定为允许安装支柱214从其中通过。然而，可以使用任何用于安装磁芯224的适当方法。\n[0023] 为了组装图3的分解部件，芯部224被放置在内径222中，并且芯部224的孔口226被放置在安装支柱214之上。此外，磁回组件230的孔口228也在安装支柱214上滑动。磁回组件\n230借助于支撑杆232而与磁芯224紧密接触，该支撑杆232利用在安装支柱214上滑动的孔口234而被安装。最终，安装螺母236将整个组件压缩在流管202上。如可以理解的那样，大致平面的接触被设置在磁芯224和磁回组件230之间。因此，磁芯224和磁回组件230之间的交界面允许磁路的两个部件的紧密耦合。这增加了结构的容易度并且在总体磁路中提供了完全可重复和可测量的参数。此外，在一些实施例中，相同类型的磁性材料可以被用于磁芯\n224和磁回组件230两者的叠层。更具体地，在一个实施例中，磁芯224和磁回组件230中的每一个都由适当的磁性材料构成，诸如高等级硅钢。然而，本发明的实施例可以在磁芯和磁回组件不由相同的材料构成的情况下实施。如可以理解的那样，如图3所示的装置被组装时，即使在缺少流管盖的情况下也提供闭合的磁路。这意味着在安装任何壳体之前可以测试组件以及可以在新的壳体材料在未来是所希望时独立于磁路选择新的壳体材料。\n[0024] 图4A和4B分别是根据本发明的实施例的磁芯组件的俯视图和侧视图。磁芯组件\n224由多个堆叠的各自独立的金属层组成。每一个这样的层由可透磁的材料形成并且通过绝缘层与其附近的部件绝缘。在一些实施例中，各个金属层可以被诸如清漆的绝缘材料覆盖。然而，根据本发明的多个实施例，任何适当的绝缘构造都可以被采用。如图4B所示，示出了40个独立的层。另外，如图4A所示，各个独立的层300是在x轴和y轴上是大致对称的。此外，在一些实施例中，各个边缘和角是平滑的。如上所述，提供给线圈驱动器的电路的各种参数，诸如Q，L和R，可以通过选择磁芯和励磁绕组组合的物理参数而被调整，从而允许性能的优化。例如，叠层的数量、叠层的材料和叠层的厚度和/或叠层取向可以被选择以调整阻抗、感应系数的品质因数和感应系数。另外，具体化绝缘材料的类型和厚度也可以允许磁路的其他参数被直接控制，诸如阻抗R。\n[0025] 应当理解本发明的实施例将完成更加耐用的电路控制回路，从而保证在更广的操作范围上的系统稳定性，同时也实现了构造上的紧凑空间。另外，施加的磁场的几何尺寸和密度的操作可以根据本文描述的多种实施例而被提供。施加的尺寸的“形状”允许构造提供流动轮廓(flow profile)的不同的样本路径，例如，在更大的尺寸下，芯部可以被转动，从而芯部的最宽部分(以及因此磁场的最宽部分)跨过整个流动轮廓。\n[0026] 通过磁场的紧密耦合提供额外的优点。这继而使得安培线匝的需求更低。低的安培线匝需求可以直接被施加到低功率磁流量计，该低功率磁流量计事实上可以被双线4-20毫安的控制回路或电池而供电。这将提供非常低的铜(阻抗)耗，但是提供具有足够低的Q的磁路从而提供用于电流控制回路的必要稳定性。紧密耦合磁场也提供如下的能力使得可以提供高频率/高抽样率的磁流量计。这部分是因为低安培匝数提供更低的感应系数，并且较低的Q允许更主动的(欠阻尼)线圈控制，这允许在更高的频率和/或利用不同的波形来驱动线圈激励。例如，500Hz的正弦线圈驱动信号可以被使用。这允许改进信噪比(SNR)，因为这将增加流动引号，因为在过程流动信号中典型地出现1/f信号。\n[0027] 虽然已经参考优选的实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将意识到在不脱离本发明的精神和范围的基础上可以在形式和细节上对本发明进行改变。