用于测量流经测量管的介质的流速的测量装置和方法.pdf

本发明涉及一种用于测量流经测量管（3）的介质（5）的流速的测量装置（1）。测量装置（1）包括：用于产生与介质（5）的流动方向（v）相垂直的恒定磁场（B）的装置；至少2个解耦区域（7、7’），该区域设置在测量管（3）的壁（9）上的与介质（5）的流动方向（v）相垂直的平面（E）上，其中，每个解耦区域（7、7’）包括一相应的电极（13、13’），该电极在其面向介质的一侧上具有多孔层（11、11’）；以及用于探测测量信号的测量单元（19）。测量装置（1）的特征在于，多孔层（11，11’）包括氧化和/或非氧化的陶瓷材料。

权利要求书一种用于测量流经测量管（3）的介质（5）的流速的测量装置（1），包括：
用于产生与介质（5）的流动方向（v）相垂直的恒定磁场（B）的装置；
至少2个解耦区域（7、7’），该区域设置在测量管（3）的壁（9）上的与介质（5）的流动方向（v）相垂直的平面（E）上，其中，每个解耦区域（7、7’）包括一相应的电极（13、13’），该电极在其面向介质的一侧上具有多孔层（11、11’）；以及
用于探测测量信号的测量单元（19）；
其特征在于，
多孔层（11，11’）包括氧化和/或非氧化的陶瓷材料。
根据权利要求1所述的测量装置（1），其特征在于，测量单元（19）具有至少100千兆欧姆的输入电阻。
根据权利要求1或2所述的测量装置（1），其特征在于，用于产生磁场（B）的装置在测量管（5）内产生至少0.1特斯拉的磁通量。
根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，用于产生磁场（B）的装置包括永磁铁，该永磁铁特别包括来自稀土族的材料，优选SmCo和NdFe。
根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于，多孔层（11、11’）包括金属氧化物。
根据权利要求1‑4之一所述的测量装置，其特征在于，多孔层（11、11’）包括金属氮化物。
根据权利要求1‑4之一所述的测量装置，其特征在于，多孔层（11、11’）包括金属碳化物。
根据权利要求1‑4之一所述的测量装置，其特征在于，多孔层（11、11’）包括塑料。
根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于，多孔层（11、11’）具有微孔结构或分形结构。
根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于，多孔层（11、11’）的厚度基本上与测量管（3）的壁厚相应。
根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于，多孔层（11、11’）覆盖在电极（13、13’）原位上。
根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于，解耦区域（7、7’）可作为构造元件安装在测量装置（1）中。
根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于，多孔层（11、11’）集成在测量管（3）的壁（9）中。
根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于，测量信号通过2个对称设置的多孔层（11、11’）解耦，从而2个解耦区域（7、7’）的干扰信号基本上补偿差值，而可用信号(U0)作为2个解耦区域（7、7’）的每个各自半幅度的信号的和，产生全等级信号。
根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于，由于协调选择多孔层11和11’的特定电阻和电系数，该多孔层11和11’显示出低通特性。
一种用于测量流经测量管（3）的介质（5）的流速的方法，与流动方向相垂直的恒定磁场（B）穿过所述介质（5），其中，在介质（5）中建立的电压(U0)通过电极（13、13’）探测，该电极设置在测量管（3）的壁（9）上的与介质（5）的流动方向（v）相垂直的平面（E）上，所述电极（13、13’）由非金属多孔层（11、11’）在介质（5）的方向上覆盖，
其特征在于，测量信号提供至具有至少100千兆欧姆的输入电阻的测量单元（19）。

说明书用于测量流经测量管的介质的流速的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序的测量装置，用于测量流经测量管的介质的流速，以及涉及一种根据权利要求15的前序的方法，用于测量流经测量管的介质的流速。
背景技术
用于磁感地测量介质的流速的装置是已知的，例如在WO 2008/107460A1、WO 03/098164A1以及WO 2007/031053A2中公开。它们通常包括产生与介质的流动方向相垂直的磁场的装置，以及设置在位于与介质的流动方向相垂直的平面上的测量管的壁上的电极，通过该电极探测在介质内部建立的电压。然后，由电极探测到的测量信号传输至测量单元，在该测量单元中计算测量信号。
磁感流量传感器（MID，Magnetic‑inductive flow sensors）基于下述事实，即流动在测量管内的介质中贯穿有磁场，这将引起电场，可通过电极以电压的形式测量该电场。该电压直接与介质的流速成正比。然后，基于该流速，可计算介质的流量。可使用电流或电容信号拾取器在该测量装置中进行信号解耦。大多使用电流信号解耦，在该解耦中，具有穿过内管壁的馈入装置的小直径（一般为几毫米）金属电极直接与介质（电）接触。这些电极需要与管壁可靠地密封隔离。此类解耦的特征在于坚固而简单的结构，但容易受到化学侵蚀、以及电极和密封件容易受到沉淀和磨损。控制较高的工作温度需要仔细协调电极和管壁材料的热膨胀系数。
在电容信号解耦中，电极不与介质直接接触，而是由绝缘层包围，进而使该绝缘层与介质接触。
市售的磁感流量传感器基于时变磁场，即所谓的交变场而工作，从而消除叠加在可用信号上的干扰信号，并根据快速变化的噪音和缓慢变化的漂移分量进行区分。这些干扰信号的基本来源是时变的，不是在流动介质和耦合元件特别是电极之间的界面上可精确确定的双层电压。考虑到这些信号分量的存在，需要主要工作于脉冲模式（例如定时的）下的电流激励场线圈。在测量信号的电流以及电容解耦中都需要已知大小的时变磁场，在产生磁场的过程中需要额外的能量消耗。这样的具有交变场的测量装置也只能通过磁场的脉冲重复频率来进行不连续的测量。所需的磁场脉冲重复频率进一步取决于干扰电压的频谱。由此，人们努力开发一种不需要时变磁场而使用一个永久磁铁就能仍然进行干扰信号抑制的测量装置。
由于它们对测量精度的严重影响，已知的方法是建立磁感系统和元件，用于在磁感流量传感器中对信号进行解耦，该方法在其噪音和漂移特性方面具有明显优于传统测量装置的特性，传统测量装置包括电流信号解耦结构的纯金属电极。这样的例子在US4517846和WO98/55837A1中公开。这两篇文献都提出使用非常坚硬的金属氧化物涂覆金属电极，从而使流动介质仅与该涂层直接接触，该涂层为电绝缘但多孔的结构。该多孔结构可在涂层的制造工艺本身的过程中形成，或通过后续可选的工艺形成。
这样的多孔层具有由渗入多孔结构内的介质确定的噪音降低和漂移降低效应的优点。该多孔结构在测量管内流动的介质和固体之间建立增大的接触面，由此形成信号解耦结构。此外，离子通道在微孔内形成，向固有绝缘层提供电导性。此外，该层还具有离子存储的能力，用作电荷缓冲，由此具有噪音和漂移降低效应。
更近的文献也报道了例如氮化钛涂层的分形平面结构，该涂层作为用于信号耦合和解耦的噪音和漂移降低涂层，在医疗技术领域（例如心脏起搏器）取得了巨大的成功（参见Wintermantel,E.,“Medizintechnik”,Springer,Berlin,5th edition 2009,p.1338 et seq.）。可以预计，同样的技术方案也适用于磁感流量传感器中的信号解耦，并在其中实现对电化学感生噪音、漂移和阶跃信号的进一步抑制。
此外，还期望建立不取决于介质中的电流的磁感流量传感器。无电流测量具有决定性的优势，特别是一旦调整好电荷平衡，则测量不会干扰它们，因为无论什么情况下都不存在相关的物质传输。这在进一步降低漂移方面具有优势效应。虽然用于磁感流量传感器中的信号解耦的大多方法需要电流，但DE102005043718B3中公开了一种无电流方法。该文献说明了通过单纯的电场效应进行测量，该电场效应由在测量管中流动的介质与磁场交相感应而产生。在该情况下，电场具有在相邻半导体的电阻上的控制效应。在这里的特殊配置中，一对ISFET（ion‑sensitive field‑effect transistors，离子敏感场效应晶体管）取代信号解耦，其中，具有绝缘层的晶体管门电极的每一个与流动介质接触。在最简单的情况下，门电极上的绝缘层由二氧化硅组成。已知的是该材料能够存储并从其表面上释放H+离子（P.Bergveld，ISFET，Theory and Practice，IEEE SENSOR CONFERENCE TORONTO，October 2003），由此产生由流动介质的pH值而定的表面电荷和由所述表面电荷感生的双层电压之间的平衡。绝缘物质的表面的作用像电荷存储器，因其缓冲作用而使双层电压稳定，由此有效地有助于噪音抑制。在ISFET对的门极之间测量由双层电压中的差异叠加的电源电压，而ISFET路径电阻也通过同样的方式得到控制。
如上所述，特别地，无电流测量具有决定性的优势，即电荷平衡一旦建立，则不会被测量干扰，因为无论什么情况下都不存在与测量相关的物质传输。然而，实际上，每种绝缘物质都具有低的但是有限的电导率，从而无电流测量在实际中也只是一种近似。由此，所述的用于信号解耦的ISFET系统也可被理解为一对离子存储层和具有非常高的输入电阻的差分放大器的组合。
上述现有技术中的用于磁感测量的测量装置的缺陷在于，仅能单独在最小化噪音和干扰信号方面优化测量装置，并且不可能实现真正意义上的无电流测量。
发明内容
由此，本发明的目的在于建立一种用于测量流经测量管的介质的流速的测量装置和方法，其将通过非金属层进行信号解耦的优势与真正意义上的无电流现场测量的优势结合，并可使用永磁铁工作。
提供具有权利要求1的技术特征的测量装置来达到该目的。测量装置的优选配置在从属权利要求中表明。
根据本发明，提供一种用于产生与介质的流动方向相垂直的恒定磁场的装置，来测量流经测量管的介质的流速。根据本发明的测量装置进一步包括至少2个优选相对的解耦区域，该区域设置在位于测量管的壁上的与介质的流动方向相垂直的平面上，其中，每个解耦区域包括1个电极，该电极在其面向介质的一侧上具有多孔层。多孔层可具有显示出多孔结构或分形结构（fractal structure），优选为非金属、坚硬的机械性质。优选地，该层完全覆盖电极面对介质的一侧，由此将电极与介质电绝缘。多孔层可由金属氧化物、金属氮化物或金属碳化物组成。然而，可以想见地，该层也可以由塑料形成。优选地，多孔层的厚度基本上与测量管的壁厚相应。此外，多孔层优选覆盖在电极原位上。最后，提供一种用于探测测量信号的测量单元，该单元可以是或可以包括放大器，特别是差分放大器。用于产生与介质的流动方向相垂直的恒定磁场的装置优选为永磁铁，从而能够进行连续测量。解耦区域形成测量路径，可供解耦测量信号，该路径在测量管中的介质的界面上，通向非金属多孔层，该非金属多孔层在面向介质的一侧与流动介质直接接触，在背侧与称之为电极的导电载体材料固定相连，该电极同时用于将测量信号输出至外部。最终，测量信号被送至测量和计算单元。本发明的特征在于多孔层（11，11’）包括氧化和/或非氧化的陶瓷材料。
本发明的另一个特别的进步在于提供测量单元以包括至少100千兆欧姆（GΩ）的输入电阻。
优选地，配置测量路径从而使由非金属层覆盖的解耦区域的金属电极浸没在测量管中流动的介质中，从而仅使非金属层与介质直接接触，例如电极的金属端子与测量单元直接连接，该测量单元特别是具有至少100GΩ的输入电阻的测量放大器。
为了实现上述目的，还提供了具有权利要求15的技术特征的用于测量流经测量管的介质的流速的方法，其中，恒定磁场在与介质流动方向相垂直的方向上穿过介质。在介质中建立的电压通过电极探测，该电极设置在测量管的壁上，且在与介质的流动方向相垂直的平面上。电极由非金属多孔层覆盖。根据本发明的该方法的特征在于，提供测量信号到测量单元，特别是到差分放大器，由此，测量单元具有至少100GΩ的输入电阻。这样就产生了具有上述优势的相关测量装置。
由此，本发明能够使例如US4517846和WO98/55837A1中所述的通过涂层进行信号解耦的上述优势，与真正意义上无电流测量的优势相结合，其中，将通过非金属多孔层解耦的信号提供至具有非常高的阻抗的外部测量装置，特别是差分放大器。与DE102005043718B3中提出的通过ISFET进行信号解耦相反，本发明能够通过分别一方面最优化涂层另一方面最优化差分放大器，来实现噪音和干扰信号的最小化。与陶瓷材料领域，特别是例如厚度范围从微米量级至纳米量级的涂层的薄膜领域的进步相关的现代放大器的发展，成为根据本发明的非常低的噪音和漂移的信号解耦的先决条件。
根据本发明的装置在使用多孔层的试验中取得成功，多孔层可以是氧化陶瓷二氧化硅、氧化铝以及氧化钛，其中，氧化陶瓷二氧化硅特别是SiO2，氧化铝特别是Al2O3，氧化钛特别是TiO2。为此，不同厚度的涂层，特别是几十微米至几纳米，在不同的制造工艺中用于电极上面对介质的一侧。较厚的SiO2涂层使用例如研磨技术制造，而较薄的涂层则通过常规的半导体技术工艺制造，例如等离子沉积或溅射。厚度上小于1纳米的特别薄的TiO2涂层则通过数小时的沸腾来制造。
此外，可用确定的是，即使是非氧化的陶瓷材料，例如氮化硅，特别是Si3N4，和碳化硅，特别是SiC，在磁感流量传感器的应用中也具有同样的优秀特性。进一步试验的一个重要目标就在于完成参选材料的列表。
在上述所有情况下都使用了具有120GΩ的输入电阻的测量放大器。基于SmCo和NdFe稀土族的永磁铁能够使介质中的磁通量达到B=0.5T，并在1m/s的介质流速下产生几乎10mV的典型可用信号。由此，该磁场比市售装置高出约2个数量级。由于测量电路中流动的毫微微安培量级的非常低的电流，通过上述涂层可获得几乎没有噪音和漂移的信号，能够首次通过永磁铁工作的MID来连续测量流速。
应该特别强调的是，现代永磁铁材料的非常高的磁通量可仅由直接水冷导体电磁地产生。由于MID的可用信号与该磁通量成正比，则根据本发明的已经很低的噪声幅度对产生高的有效信噪比具有特别强大的作用。由此，有利于在测量管中实现至少0.1T的磁通量。特别有利的是，为此而使用永磁铁，因为根据本发明的装置不依赖于利用交变场来工作。
综上所述，根据本发明的装置能够首次对流动过程进行连续地磁感测量，同时保持最高分辨率，例如对噪音和漂移信号进行特别有效的抑制。此外，根据本发明的装置的特征在于简单而低成本的构造。
附图说明
以下，将基于附图对本发明进行更为详细的说明。
唯一的附图示出根据本发明的测量装置1的示意性截面图。例如，测量装置1包括测量管3，介质5沿流动方向v流经该测量管3，在图示中，该流动方向v垂直指向图面。
具体实施方式
例如，磁场B垂直穿过流入如图所示图面的介质5，该磁场B在图中从左指向右。由于磁场B和流动介质5的相互作用，与体积流量成正比的电压U0在介质5中产生，称之为可用信号。为此，测量装置1包括产生与介质5的流动方向相垂直的恒定磁场B的装置。产生磁场B的装置优选为永磁铁，未图示。通过使用永磁铁，介质将被连续磁场穿过，而不是交变场，由此，能够连续测量介质5的流速。
此外，测量装置1包括2个解耦区域7和7’，这2个区域设置在测量管3的壁9上的与介质5的流动方向相垂直的平面E上。每个解耦区域7和7’优选集成在测量管3的壁9中，并分别包括非金属多孔层11和11’，以及分别以电极13和13’为形式的载体层，其中，非金属多孔层11和11’优选分别完全覆盖电极13和13’面向介质5的一侧。电极13和13’是导电的，以供机械地支撑结构以及至外界的信号输出。非金属层11和11’可分别包括由金属氧化物、金属氮化物或金属碳化物组成。本文中的“非金属”的意思是，多孔层与电极13和13’相比，不包括任何纯金属，而是由不具有金属特性的材料组成，特别是不具有良导电性，从而用于电绝缘。由于协调选择其特定电阻和电系数，多孔层11和11’优选分别显示出低通特性。
涂层11和11’优选分别为具有微孔结构或分形结构的非金属多孔层，并形成具有一定的机械硬度。在分别背向涂层11和11’，即背向介质5的电极13和13’的一侧，在每种情况下，端子15和15’分别附着在电极13和13’上，用于解耦所测得的电压U0。由此，在每种情况下，解耦电压分别通过连接线17和17’传输至测量单元19，测量单元19为或包括测量放大器或差分放大器。
在背景技术部分描述的界面21和21’分别形成在涂层11、11’和介质5之间，在该界面内部通过相应的交互作用，建立介质5和涂层11、11’之间的离子平衡。此外，双层电压UD1和UD1’形成在每个解耦区域7和7’的界面21和21’中。通过2个对称设置的解耦区域7和7’，可用信号U0与作为干扰信号的双层电压UD1和UD1’一起解耦，并通过端子6和6’以及连接线17和17’，分别传输至测量单元19的高阻抗测量放大器。
还可以想到的是，多孔层11和11’分别集成在测量管3的壁9中。然而，分别包括电极13和13’和多孔层11和11’的解耦区域7和7’也可作为集成构造元件实现，并分别插入测量装置1的磁感流量传感器的测量管3的壁9上的相应开口中。
该附图清楚的显示出多孔层11和11’关于测量管3对称设置。由此，测量信号通过2个对称设置的多孔层11和11’解耦，从而干扰信号，特别是例如解耦区域7和7’的2个“对称半部分”的双层电压UD1和UD1’基本上补偿了差值，而可用信号U0作为2个“对称半部分”的幅度每个各自半部分的信号的和，产生全等级信号。
根据本发明，测量单元19具有至少100GΩ，优选120GΩ的输入电阻。这样能够获得几乎没有噪音和漂移的信号，能够首次实现通过永磁铁工作的测量装置1对流速进行连续测量。
总之，本发明将真正意义上的无电流现场测量的优势与通过非金属涂层进行信号解耦的优势相结合，由此建立的测量装置可进一步通过永磁铁工作，从而实现可观的节能效果。
附图标记