УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ КОНФИГУРАЦИЯ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА ДЛЯ МАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Магнитные расходомеры хорошо известны, и обычно в них используется электрически изолированный расходомерный трубопровод, который переносит поток технологической текучей среды мимо катушки электромагнита и мимо пары электродов. К текущей технологической текучей среде электромагнит прикладывает электромагнитное поле. Вследствие действия закона Фарадея об электромагнитной индукции между парой электродов, расположенных в технологической текучей среде, образуется напряжение, или электродвижущая сила (ЭДС). Это напряжение является функцией напряженности приложенного магнитного поля и пропорционально расходу протекающей текучей среды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Предложена сборка расходомерного трубопровода для магнитного расходомера. Сборка расходомерного трубопровода включает в себя расходомерный трубопровод, выполненный с возможностью приема потока технологической текучей среды через него. Магнитный сердечник устанавливается относительно расходомерного трубопровода и включает в себя стержень, проходящий от расходомерного трубопровода до пары ответвлений. Каждое ответвление проходит в сторону от стержня. Бобина, имеющая множество магнитных обмоток, располагается вокруг стержня и отделяет множество обмоток от расходомерного трубопровода.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0003] Фиг.1 изображает схематический вид технологической системы управления, включающей в себя магнитный расходомер.

[0004] Фиг.2 - схематический вид магнитного расходомера в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0005] Фиг.3 - вид поперечного сечения конфигурации магнитного сердечника в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0006] Фиг.4 - схематический вид конфигурации магнитного сердечника в магнитном расходомере в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0007] На фиг.1 показано типичное окружающее оборудование 100 для магнитного расходомера 102. Магнитный расходомер 102 связан с технологической трубопроводной магистралью, показанной условно в виде линии 104, которая также связана с управляющим клапаном 112. Магнитный расходомер 102 выполнен с возможностью предоставления выходного сигнала расхода относительно потока технологической текучей среды в технологической системе. Примеры таких технологических текучих сред включают в себя суспензии и жидкости в химикалиях, шламы, фармацевтическую продукцию, пищевые и другие технологические производственные текучие среды.

[0008] Магнитный расходомер 102 включает в себя корпус 120 электронного устройства, соединенный с расходомерным трубопроводом 108. Выходы магнитного расходомера 102 выполнены с возможностью передачи на большие расстояния на контроллер или индикатор через технологическую шину 106 связи. В типичных технологических установках шина 106 связи может быть токовым контуром 4-20 мА, соединением по протоколу FOUNDATION™ Fieldbus, импульсным/частотным выходными сигналами, протоколом связи взаимодействия с удаленным датчиком с шинной адресацией (HART®), соединением по беспроводной связи, таким как в соответствии с IEC 62591, Ethernet, или оптоволоконным соединением с контроллером, таким как системный контроллер/монитор 110, или с другим подходящим устройством. Системный контроллер 110 программируется как монитор технологического процесса для отображения информации о потоке для человека-оператора или как контроллер технологического процесса для управления процессом, используя клапан 112 управления, по технологической шине 106 связи. Хотя варианты осуществления изобретения применимы ко всем магнитным расходомерам, особенно они применимы к магнитным расходомерам с технологическими трубопроводами относительно малого диаметра. С такими малыми расходомерными трубопроводами иногда оказывается затруднительным установить экраны катушки вокруг каналов изоляции электродов. Кроме того, магнитные расходомеры с малыми расходомерными трубопроводами могут иногда иметь повышенные температуры катушки и иногда оказывается затруднительным максимизировать магнитный поток, проходящий через технологическую трубопроводную магистраль. Варианты осуществления изобретения, в целом, используют деталь магнитного сердечника, которая проходит в поперечном направлении относительно расходомерного трубопровода и включает в себя пару плеч-ответвлений, которые вытянуты в стороны. В одном варианте осуществления магнитный сердечник является T-образным.

[0009] На фиг.2 показан схематический вид магнитного расходомера, имеющего усовершенствованный магнитный сердечник в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Расходомер 150 включает в себя T-образный магнитный сердечник 152, который вытянут по существу от центрального положения 154 на расходомерном трубопроводе 156 к каждому из торцевых колец 158, 160. Кроме того, второй T-образный магнитный сердечник 162 установлен напротив сердечника 152 на расходомерном трубопроводе 156. Таким образом, проходящий через катушки 164, 166 ток создает магнитный поток, как обозначено линиями 168 магнитного потока. Магнитный поток, условно обозначенный как 168, считается первичным магнитным потоком, причем именно этот магнитный поток индуцирует напряжение, или ЭДС, поперек проводящей технологической текучей среды, связанное с расходом технологической текучей среды. Пара электродов (не показаны на фиг.2) находятся в контакте с технологической текучей средой и используются схемой магнитного расходомера для измерения индуцированного напряжения при определении расхода технологической текучей среды. Однако для эффективной связи первичного магнитного потока через расходомерный трубопровод 156 важно также иметь эффективный магнитный возвратный тракт. В связи с этим участки T-образных магнитных сердечников 152, 162, которые в целом вытянуты по существу параллельно расходомерному трубопроводу 156, сформированы из материала с низким магнитным сопротивлением, что минимизирует утечку магнитного потока на возвратном тракте. В одном варианте осуществления T-образные магнитные сердечники 152, 162 могут быть сформированы из стали или из магнитно-мягких материалов, которые имеют большую магнитную проницаемость, но более низкую коэрцитивную силу и меньший магнитный гистерезис по сравнению с большинством сталей. Однако в других вариантах осуществления, каждый сердечник может быть сформирован из многослойной электрической стали, подобной трансформаторной стали, для минимизации вихревых токов, а также для обеспечения скорейшего установления магнитного поля. Кроме того, хотя варианты осуществления изобретения имеют T-образные сердечники 152, 162, важные функциональные возможности заключаются в том, что тракт с низким магнитным сопротивлением обеспечивается от сборки обмоток до торцевых колец расходомера. Таким образом, другие формы, например, Y-формы, также могут быть использованы в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Один признак усовершенствованной конфигурации магнитного сердечника - это то, что магнитная цепь оказывается замкнутой до того, как над сборкой будет установлена металлическая оболочка или другое металлическое покрытие (корпус). Таким образом, тестирование и диагностика устройства могут быть выполнены очень легко.

[0010] Каждая из обмоток 164, 166 предпочтительно наматывается вокруг неметаллической обмоточной бобины 182 (показанной более детально на фиг.3). В одном варианте осуществления неметаллическая обмоточная бобина 182 сформирована из формуемого пластика. Пластики предпочтительно формуются и также имеют достаточно высокую рабочую температуру, так что они могут должным образом функционировать в магнитном расходомере 150.

[0011] На фиг.3 показан схематический вид поперечного сечения части магнитного расходомера 150 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. На фиг.3 показан только участок расходомерного трубопровода 156. Как можно видеть, электрически непроводящий внутренний вкладыш 170 предоставлен как смежный с металлическим расходомерным трубопроводом 156. Вкладыш 170 гарантирует, что ЭДС, индуцированная в технологической текучей среде, не попадет на металлический расходомерный трубопровод, что привело бы к короткому замыканию индуцированной ЭДС. В вариантах осуществления, где расходомерный трубопровод является непроводящим, вкладыш 170 может быть исключен. На фиг.3 также показан электрод 172, проходящий через непроводящий вкладыш 170 и имеющий контакт с технологической текучей средой, текущей через расходомерный трубопровод 156. Монтажный элемент, такой как резьбовая шпилька 174, приварена или иначе прикреплена к расходомерному трубопроводу 156. T-образный сердечник 152 включает в себя стержневой участок 157, отходящий от расходомерного трубопровода 156 и имеющий проточку с размерами для приема монтажной шпильки 174 для точного позиционирования сердечника 162 относительно расходомерного трубопровода 156. T-образный сердечник 152 притянут или иначе зафиксирован на месте гайкой 176, которая сцепляется с резьбой монтажной шпильки 174. Кроме того, ответвления 153, 155 сердечника 152 также приварены или иначе прикреплены к соответствующим кольцам 158, 160 на соответствующих гранях 178, 180.

[0012] На фиг.3 показана бобина 182, имеющая внутренний диаметр 184, соответствующий внешнему диаметру 186 T-образного сердечника 152. Магнитные обмотки 164 наматываются вокруг бобины 182 между направляющими элементами 188 и 190. Как можно заметить, как только монтажная шпилька 174 прикрепляется к расходомерному трубопроводу 156, сборка расходомерного трубопровода оказывается относительно несложной. Конкретно, бобина 182 может просто скользить по внешнему диаметру 186 T-образного сердечника 152, который затем может быть установлен или помещен на монтажную шпильку 174. Вся сборка затем устанавливается на место затяжкой гайки 176. Наконец, T-образный сердечник 152 приваривается к торцевым кольцам 158, 160 на соответствующих гранях 178, 180. Когда это выполнено, крышка или другое подходящее покрытие 192, может быть помещена поверх сборки, тем самым завершая конструкцию расходомерного трубопровода.

[0013] Предполагается, что варианты осуществления изобретения увеличивают эффективность создания магнитного потока через расходомерный трубопровод. Конкретно, варианты осуществления изобретения позволили сократить число витков для магнитных бобин на 35% и 44% на двух прототипах расходомерных трубопроводов, которые были произведены в соответствии с вариантами осуществления изобретения, тогда как интенсивность сигнала оставалась той же самой. Кроме того, варианты осуществления изобретения в целом позволяют сократить количество деталей конструкции расходомерного трубопровода. Это так потому, что T-образный сердечник и бобины катушек служат множественным целям. T-образный сердечник служит магнитным сердечником, монтажным кронштейном и магнитным соединением для торцевых колец 158, 160. Бобина катушки служит формой для обмотки, электрической изоляцией, монтажным кронштейном, изоляционной прокладкой и проводной направляющей (что будет описано более подробно ниже в связи с фиг.4).

[0014] На фиг.4 показан схематический вид участка расходомерного трубопровода 150 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. На фиг.4 показан T-образный сердечник 152, установленный на расходомерном трубопроводе 156, с бобиной 182 катушечной обмотки, установленной на месте. Кроме того, на фиг.4 показан один из электродов, обозначенный как 194. Проволочные проводники 196 и 198 осуществляют соответствующие электрические соединения с электродом 194 и обмоткой 164 катушки. При данной напряженности магнитного поля, создаваемого обмотками катушки, оказывается, что если любое из проводных соединений 196, 198 переместится или как-то иначе изменит положение, то это повлияет на выходной сигнал магнитного расходомера. Таким образом, в конструкции расходомерного трубопровода 150 очень важно, чтобы проводные соединения 196, 198 надежно удерживались на месте и не имели возможности сдвинуться. В связи с этим бобина 182 катушечной обмотки включает в себя некоторые признаки, которые облегчают надежную установку проводных соединений 196, 198 в фиксированных положениях в пределах расходомерного трубопровода 150. Например, электродный провод 196 проходит через фиксатор 200, который включает в себя апертуру, к которой каким-либо образом прикрепляется кабельный хомут или другое, подходящее для фиксации провода устройство. Это обеспечивает надежное размещение электродного провода 196 относительно магнитного поля, что является очень важным для работы магнитного расходомера. Аналогично провод 198 изогнут в местоположении 202 и проходит через апертуру 204 в направляющем элементе 188 бобины 182. Таким образом, соединительный провод 198 катушки поддерживается в точном местоположении и в ненапряженном состоянии благодаря прохождению через отверстия в бобине катушечной обмотки. Это обеспечивает надежное местоположение и снятие натяжения для проводов.

[0015] Современные конструкции расходомерного трубопровода обычно используют стальной корпус катушки в качестве магнитного возвратного тракта. Однако стальной корпус катушки препятствует любому существенному тестированию или поиску неисправностей магнитной цепи, если корпус приварен наглухо. В случае глухой сварки ни катушка, ни электродная проводка не могут быть заменены при какой-либо необходимой модификации. В отличие от этого варианты осуществления изобретения предоставляют все главные компоненты магнитной цепи прежде, чем корпус приваривается наглухо. Это позволяет сделать доступным тестирование и устранение неисправностей проводных соединений, так что необходимые замены могут быть выполнены прежде, чем корпус будет наглухо приварен или как-либо иначе герметизирован.

[0016] Одна из проблем для известных конструкций расходомерных трубопроводов заключается в том, что общий нагрев, создаваемый магнитными катушками и теплом, выходящим через расходомерный трубопровод, повышает температуру катушки. Это приводит к ограничениям максимальной технологической и окружающей температур в связи с оценкой класса термостойкости магнитного провода и/или типом безопасной защиты (оценка опасности местоположения) устройства. Располагая катушку как разнесенную с расходомерным трубопроводом (показано размером d на фиг.3), максимальная температура катушки может быть значительно снижена. В одном варианте осуществления размер d составляет приблизительно 0,35 дюйма. Это значительно понижает максимальную температуру катушки по двум причинам. Во-первых, температура уменьшается непосредственно обеспечением тепловой изоляции от стенки расходомерного трубопровода. Во-вторых, температура также снижается косвенно, поскольку снижение температуры катушки приводит к снижению сопротивления обмотки и тем самым к снижению рассеиваемой мощности в индукционных катушках. Испытание сконструированных образцов продемонстрировало снижение на 40°C температуры катушки по сравнению с известными конструкциями, где катушки установлены непосредственно на расходомерном трубопроводе. Отделение катушек от расходомерного трубопровода значительно не уменьшает магнитное поле в расходомерном трубопроводе, поскольку T-образный сердечник остается установленным близко к расходомерному трубопроводу.

[0017] Хотя изобретение было описано в отношении предпочтительных вариантов осуществления, специалисты в данной области техники увидят, что в форме и деталях могут быть выполнены изменения, не отступая от существа и объема притязаний изобретения.