一种带补偿的电磁流量传感器组合式电极装置的制作方法

本发明所述的一种带补偿的电磁流量传感器组合式电极装置，涉及小型化、多功能、低功耗的电磁式流量传感器领域，也涉及城市集中供热/供冷系统的水力和热力流量测量和控制领域。本发明适用于内置阀门的热量表、冷量表、水表等，其原理和结构也适用于其他需要流量测量和控制的通用领域。

背景技术：

1、目前我国冬季城镇区域建筑供暖的主要方式为水系统供暖，水系统供暖是一种采用水作为热能输送介质的供暖系统。城镇区域供暖是由一个中心热源将热水通过供水管不断输送到每个热用户的供暖装置，如暖气片、地暖、风机盘等，和室内的空气进行热交换后成为低温水，通过回水管输送回中心热源。中心热源是某个区域内的供暖热源，典型的如分布于一个住宅小区的热力站，热力站的供热管道连接着各个热用户的供水管和回水管，使热能不断送入每个热用户。为了管理各个热用户的供热量，每个热用户需要安装流量传感器和控制阀，用于实时监测和调节供暖管道的流速，以保证供热量的准确。电磁式流量传感器是一种常用的流量传感器，具有体积小、可靠性高的特点，结合控制阀形成测量和控制一体化装置，是供热行业实现热用户热量调节的一种主流方式，主要产品有：平衡热量表、表阀一体热量表等。

2、电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应原理的流量测量仪表，其基本原理是：当带有导电介质的流体通过磁场时，流体切割磁力线，在磁场的垂直方向上产生感应电势，感应电势的幅度和流体的流速成正比，从而获得流体的流速，进而获得流体的流量。为了产生磁场，在测量管的周围，安装有励磁线圈，所产生的磁场穿过流体，从而在流体中产生感应电势，在感应电势的正负极位置安装电极，即可测量感应电势的大小。电磁流量计在流量测量领域有广泛的应用，具有测量精度高、线性度好、测量管内无构造件、抗污染物等优势。

3、根据法拉第电磁原理，测量管内流体各个点的感应电势和该点的流场、流速和磁场强度相关，当这些点的感应电势作用到电极上时，由于各个点和电极之间的距离不同，也会影响流体各个点在电极上所表现的权重，因此，流体各个点产生的感应电势在电极上的权重，和流场、流速、磁场强度、距离等多个因素相关。为了保证流量测量的精度，应该将流体各个点的感应电势在电极上保持尽可能的一致，一般情况下都会采用一致的流场设计，以及均匀的磁场设计。

4、由于电极上的感应电势非常微弱，在测量管内无介质（空管）时，电极上容易产生干扰信号。为了保证正确的测量，电磁流量计一般都安装空管检测电极，通过检测流体介质的电导率来判断是否存在空管，以避免空管时出现错误的流量信号。

5、阀是用于控制流体流速的装置，根据结构形式的不同有球阀、蝶阀、闸阀等。阀的主要部件包括阀芯和阀体，阀芯位于阀体内，可相对阀体旋转或移动，从而实现阀的开通和关闭。对于内置控制阀的电磁式流量传感器，一般在流道内布置圆柱形轮廓的阀芯，阀芯内设置水平通孔，连接电磁式流量传感器的进出口，阀芯内布置测量电极、印刷电路板等，作为电磁式流量传感器的信号采集装置，当阀芯旋转时，起到流速调节的作用。

6、随着智慧供热技术的发展，内置测量电极的圆柱形轮廓的阀芯，实现流量测量和控制的一体化，具有集成度高、体积小、可靠性高、成本低的特点。由于测量电极随着阀芯一起旋转，流场无法做到一致，当阀芯旋转在一定角度时，入口和出口之间形成s形流道，产生不规则流场，进一步影响了流场的一致性。由于流道内的磁场是不均匀的，不规则流场使得流道内每个点产生的感应电势在测量电极上所表现的权重不同，从而影响了流量测量的精度。为了减小不规则流场对测量电极的影响，一方面采用流道优化的方法，尽可能减少不规则流场的产生，但受限于流道的长度，以及管道壁的阻力，无法完全避免不规则流场的存在；另一方面尽可能将流道内的磁场做到均匀，但受限于励磁装置的空间和尺寸，流道内的磁场无法做到完全的均匀，特别是单边励磁下磁场分布梯度大。不规则流场以及不均匀磁场的存在，导致流场对测量电极的感应电势产生影响，从而影响流量的测量精度。

7、现有技术，对于阀芯内置测量电极的方式，流道内的磁场一般由底部安装的励磁线圈产生，磁场在垂直方向衰竭快、梯度大。测量电极一般采用截面为圆形的电极，和流体的接触为点接触。由于流道内每个点的感应电势在点接触测量电极上的权重不同，使得这种电极对于流场变化极其敏感，导致不规则流场对流量测量的影响较大。

8、现有技术的电磁式流量传感器，特别是对于阀芯内置测量电极的方式，介质导电率的测量或空管检测，一般在阀芯外设置独立的检测电极，增加了装置的复杂度。

9、现有技术的电磁流量传感器，特别是对于阀芯内置测量电极的方式，测量电极的参考地，一般在阀芯外设置独立的接地电极，增加了装置的复杂度。而将传感器外壳作为参考地的方式，存在干扰大的问题，并不是最佳的参考地。因此，合理的设置测量电极参考地，同时降低接地电极的复杂度，才能满足供热系统低成本、高精度的要求。

10、现有技术的电磁流量传感器，测量电极、接地电极、检测电极等各种电极都采用独立的电缆连接，增加了装置的复杂度。而对于阀芯内置测量电极的方式，现有技术采用垂直方向的印刷电路板连接测量电极，但这种方式无法连接接地电极、补偿电极、检测电极等所有电极，因此无法满足供热设备低成本的要求。

11、现有带控制阀的电磁式流量传感器，采用圆柱形轮廓阀芯内置测量电极的方式。由于流场随阀芯转动变化、s形流场存在、垂直方向的不均匀磁场、电极设置不合理等，测量电极的感应电势容易受到阀芯转动的影响，且阀芯内未设置接地电极、补偿电极、检测电极等电极，需要单独设置在阀芯外，复杂且成本高。随着城市集中供暖热计量技术的发展，需要一种阀芯转动影响小且内置各种电极的组合式装置，以适应供热流量信号采集和控制的需要。

12、综上所述，现有技术电磁式流量传感器的电极装置存在以下问题：

13、1、阀芯转动形成的s形流道对流量信号测量影响大；

14、2、点接触电极，磁场不均匀和流场不规则对测量影响大；

15、3、阀芯未布置接地电极，对流量信号测量的干扰大；

16、4、空管检测和介质电导率测量，需要在阀芯外单独设置检测电极；

17、5、阀芯内的印刷电路板采用垂直布置，只连接测量电极，无法连接各种电极。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种带补偿的电磁流量传感器组合式电极装置，解决现有技术中阀芯转动形成的s形流道对流量信号测量的影响、点接触测量电极受不均匀磁场和不规则流场的影响大、接地电极和检测电极需要在阀芯外布置的问题。

2、所述装置包括本体、第一测量电极、第二测量电极。本体为圆柱形轮廓的电绝缘体，设置流体介质通过的水平通孔；水平通孔的一侧为流体介质的入口，另一侧为流体介质的出口。流体介质流经水平通孔的截面近似矩形，形成水平通孔左面的曲面、右平面、上平面和下平面。出口一侧的曲面和右平面接近平行，以流道为对称，分别布置第一测量电极和第二测量电极。入口一侧的曲面向流道外侧转折，并保持光滑过渡，转折角度和出口的开口角度相近。第一测量电极和第二测量电极为电导体，外侧表面与流体介质接触。

3、所述第一测量电极和第二测量电极与流体介质的接触面，上边缘接近水平通孔的上平面，下边缘接近水平通孔的下平面，各个水平层面的宽度和感应电势的权重近乎呈反比例。一般情况，对于底部励磁的阀芯，接触面设置为倒梯形；对于顶部励磁的阀芯，接触面设置为梯形；对于顶部和底部同时励磁的阀芯，接触面设置为中间宽、上下窄的菱形。

4、所述本体进一步包含补偿电极，补偿电极垂直布置在右平面，和第二测量电极前后排列，接触面的各个水平层面的宽度和感应电势的权重呈反比例，用于补偿不均匀磁场对感应电势的影响。

5、所述上平面进一步设置垂直布置的接地电极，接地电极位于第一测量电极和第二测量电极之间，下端面和上平面持平，且和流体介质接触，用于提供第一测量电极和第二测量电极的参考地。

6、所述上平面进一步设置垂直布置的检测电极，下端面和上平面持平，且和流体介质接触，用于空管检测和流体介质电导率测量。

7、所述本体上方水平布置印刷电路板，第一测量电极、第二测量电极、补偿电极、接地电极和检测电极，向上延伸与印刷电路板电接触，方便信号的调理和连接。

8、所述本体和印刷电路板之间水平布置导磁片，用于优化水平通孔内的磁场分布，降低励磁磁场对印刷电路板的微分干扰。

9、所述本体为圆柱形轮廓，围绕圆柱形轴心转动，可作为流量调节装置。

10、一种带补偿的电磁流量传感器组合式电极装置的带阀门的电磁流量计、热量表、冷量表。

11、本发明提供了一种内置测量电极的阀芯降低不规则流场的通孔布置方法。本发明在阀芯通孔的入口处向流道外侧转折，转折角度和出口的开口角度相近，且转折处光滑过渡。使得阀芯从开到关的任一偏转角度内，通孔入口均可对接阀体的入口流道，通孔入口处不存在阻挡物，避免s形流道的形成，降低了通孔内的不规则流场，可以缓解阀芯旋转对流量测量信号的影响。

12、本发明提供了一种上下不等宽的面接触测量电极的布置方式，解决了现有电极在垂直方向磁场梯度大的情况下，不规则流场对流量信号测量精度影响大的问题。本发明上下不等宽的面接触测量电极，和流体介质的接触面，其接触面的上边缘接近通孔的上平面，接触面的下边缘接近通孔的下平面，接触面各水平层的宽度，根据流道内每个点感应电势对各水平层影响量的权重设置，权重越大则宽度越小，权重越小则宽度越大，呈现反比例关系，使得流道中各个点的感应电势在测量电极上的权重基本一致，从而减少垂直方向磁场梯度大对测量电极感应电势的影响。对于底部励磁的阀芯，一般将电极设置为上宽下窄的倒梯形或侧面为弧线的近似倒梯形；对于顶部励磁的阀芯，一般将电极设置为梯形或侧面为弧线的近似梯形；对于顶部和底部同时励磁的阀芯，一般将电极设置为中间宽、上下窄的菱形或双梯形。

13、本发明提供了一种通过设置补偿电极以进一步降低磁场不均匀对测量电极感应电势影响的方法。特别是垂直方向磁场梯度大的情况，如采用不等宽测量电极依然无法有效降低垂直方向磁场梯度的影响，采用适当高度和宽度的补偿电极，可以进一步降低因垂直方向磁场的不均匀导致的流量测量影响。由于不同高度、不同接触面的电极，流道内各个点的感应电势在电极上的权重不同，采用一个或多个补偿电极的方式，同时配合相应的补偿电路或补偿算法，可以进一步减少不均匀磁场对电极信号的影响。特别是针对垂直方向梯度变化较大的磁场，不等宽的测量电极受制于尺寸和空间的限制，无法实现理想的不等宽布置，采用补偿电极可以降低不等宽布置对测量电极的尺寸要求，从而实现理想的电极布置。补偿电极设置在通孔的曲面或右平面，可以根据需要设置一个或多个电极。为了方便补偿电极的设置，每个电极和流体介质的接触面的上方接近上平面，下方设置在流道的中部附近，且接触面的各个水平层面的宽度根据流道每个点感应电势对各个层面的权重设置，权重越大则宽度越小，权重越小则宽度越大，呈反比例关系，使得补偿电极对电势信号为线性补偿，有利于补偿电路或补偿算法的实现。该方法对于垂直方向磁场梯度大的情况特别有利，此时的测量电极上下宽度差别较大，不利于电极的布置，此时设置补偿电极，可以降低测量电极的上下宽度差异，有利于电极的布置。对于非垂直方向的磁场分布梯度，该方法同样可以补偿因磁场梯度造成的流道中每个点感应电势对测量电极的权重差异，使得权重趋于一致，从而减少不规则流场的影响。

14、本发明提供了一种在阀芯通孔的上平面布置接地电极的方法，简化了接地电极的结构。本发明在通孔的上平面，第一测量电极和第二测量电极的中轴线上布置接地电极，且接地电极向上和印刷电路板接触，不需要在阀芯外单独设置接地电极，从而简化了接地电极的布置。且这种在第一电极和第二电极附近的中轴线上布置接地电极，且为对称布置，可以降低电极参考地受到的外界干扰，从而提供了良好的测量电极参考地。

15、本发明提供了一种在阀芯通孔上平面布置检测电极的方法，用于空管检测和流体介质电导率测量，简化了检测电极的结构。本发明在阀芯通孔的上平面布置检测电极，且检测电极向上和印刷电路板接触，不需要在阀芯外单独设置，从而简化了检测电极的布置。

16、本发明提供了一种提升磁场均匀度、降低信号微分干扰的导磁板布置方式。本发明在阀芯通孔的上平面和印刷电路板之间，布置水平的导磁板，用于提升磁场的均匀度，降低流场对测量电极感应电势的影响。这种水平导磁板的布置方式，可以大幅度降低导磁板上方的磁场强度，对印刷电路板具有隔离磁场的作用，降低交变的励磁磁场对印刷电路板内电路的影响，从而降低了测量电极上的微分干扰。导磁板的材料为导磁性能良好的软磁材料，如坡莫合金、纯铁、铁氧体等。

17、本发明提供了一种结构简单、成本低、效果好的多电极组合布置方法，将测量电极、接地电极、补偿电极、检测电极等电极垂直布置在阀芯的各个面，阀芯的上方水平布置印刷电路板，各电极向上延长至印刷电路板，与印刷电路板内的电路接触，印刷电路板上可以设置各种信号调理电路和信号引出线。且印刷电路板的底部布置导磁板，可减少磁场对印刷电路板内电路的影响。这种多电极组合布置方法，不需要在阀芯外单独设置电极，且各种电极和印刷电路板直接接触，在印刷电路板上可实现信号调理等，具有结构简单、成本低的特点，且这种结构集成度高，不容易受到外部环境的电磁干扰，具有更好的信号调理效果。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

19、1、在阀芯通孔的入口侧向流道外侧转折，避免形成s形流道，减少了不规则流场的产生；

20、2、不等宽的面接触电极的布置方式，使得流道内各感应电势在测量电极上的权重趋于一致，减少垂直方向磁场梯度对测量电极感应电势的影响；

21、3、通过设置一个或多个补偿电极，配合补偿电路或补偿算法，进一步降低因垂直方向磁场梯度大对测量电极的影响；

22、4、在阀芯通孔上平面布置接地电极，不需要在阀芯外单独设置，简化了这种电极的布置，且提供了良好的测量电极参考地；

23、5、在阀芯通孔上平面布置检测电极，用于空管检测或介质电导率测量，不需要在阀芯外单独设置，简化了这种电极的布置；

24、6、在阀芯通孔的上平面和印刷电路板之间，布置水平的导磁板，提升磁场的均匀度，降低了测量电极上的微分干扰；

25、7、多电极组合布置，电极垂直布置在阀芯的各个面，阀芯的上方水平布置印刷电路板，具有结构简单、成本低、效果好的特点。

26、本发明的任一技术方案不一定能全部实现以上有益效果。