用于测量和/或监控在管线中流动的介质的参数的传感器模块和用其形成的测量系统 |
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| 申请号 | CN201280039473.1 | 申请日 | 2012-07-17 | 公开(公告)号 | CN103733031A | 公开(公告)日 | 2014-04-16 |
| 申请人 | 恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司; | 发明人 | 多米尼克·维德克尔; 安德烈亚斯·施特鲁布; | ||||
| 摘要 | 传感器 模 块 （S）用于探测在管线中流动的 流体 （FS）的至少一个参数，例如，流速和/或体积流量，并且为了这个目的包括：主体（GS），该主体（GS）被布置在管线的腔体中，并且具有流路（KS），该流路（KS）在其中从入口开口（ES）向远离后者的出口开口（AS）延伸，并且因此与管线的腔体连通，并且意欲引导从管线中流动的流体分支出的流体部分体积（FS′）；以及，转换器元件（WS），其被布置在流路上，并且意欲生成受流路中引导的流体影响的至少一个传感器 信号 。该流路具有：通向入口开口的流入区域（EK）；通向出口开口的流出区域（AK）；以及，与流入区域和流出区域连通的直的中间区域（ZK）。在根据本 发明 的传感器模块中，流路也被设计使得中间区域的假想 中轴 （LZ）不平行于流入区域（LE）的假想中轴，并且/或者不平行于流出区域（LA）的假想中轴。 | ||||||
| 权利要求 | 1.传感器模块（S），用于探测在管线中流动的流体（FS）的至少一个参数，特别是流速和/或体积流量，所述传感器模块包括： |
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| 说明书全文 | 用于测量和/或监控在管线中流动的介质的参数的传感器模块和用其形成的测量系统 技术领域[0001] 本发明涉及一种可从外部插入管线以探测在所述管线中流动的流体的至少一个参数、特别是流速和/或体积流量的传感器模块。而且，本发明涉及一种使用这样的传感器模块形成的测量系统，用于确定流动的流体的至少一个参数，特别是流速和/或体积流量。 背景技术[0002] 在过程测量和自动化技术中经常使用被实施为涡流测量装置的测量系统，该过程测量和自动化技术用于测量在管线中流动的流体，特别是高雷诺数（Re）的快速流动和/或热的气体和/或流体流的流速、各自的体积或质量、与流速（u）对应的流率。除了别的之外，从JP-A2005227115、JP-A9196720、US-A3,587,312、US-A4,562,745、US-A5,463,904、US-A6,101,885、US-B6,298,734、US-B6,752,027或US-B7,073,394已知这样的测量系统的示例。这些被公开的测量系统每个都具有突入相应的管线的腔体内、因此被流体流动撞击的阻流体，用于产生在从阻流体下游直接流动的流体流的体积部分中的所谓的卡门涡街中排成一行的涡流。如所知那样，以取决于流速并且理想地与流速成比例的流出速率（1/fVtx）在阻流体上生成该涡流。而且，该测量系统包括换能器元件，该换能器元件被集成在阻流体中，或与阻流体相关联或位于阻流体下游，即，在卡门涡街的区域中并且突入流内。该换能器元件——经常被实施为桨状——用于产生传感器信号，该传感器信号对应于在流体内占优势并且作为卡门涡流的结果展现周期的波动的压力，并且因此对应于与涡流的流出速率对应的信号频率（～fVtx）。根据这一点，流速和涡流流出速率的期望的比例的前提——如所已知经由斯德鲁哈尔数（Sr～fVtx/u）描述——是尽可能高的、大于20000的雷诺数以及直接在阻流体之前的区域中的初始尽可能不受干扰的、稳定的、流动剖面。因此，对于上述类型的测量系统，推荐通常超过管线的标称直径的10倍的接近长度。 [0003] 对于大标称直径、即DN100（内径＝100毫米）或更大的管线，因为否则很复杂的阻流体，频繁地使用所谓的“插入类型”的涡流流量测量装置，即，上述类型的测量系统，在这种情况下，例如也在已经描述的JP-A 2005227115、JP-A 9196720、US-A 4,562,745、US-B6,752,027中各自所示，阻流体和换能器元件一起被集成在从外部通过管线的管壁可插入的传感器模块中，因此被建造的传感器模块实质上比标称直径短。该传感器模块还与电子模块相连接，该电子模块经常是可释放地与该传感器模块连接并且/或者防压力和冲击地封装的电子模块，在给定的情况下，该传感器模块也在外部密封。用于在工业上可用的测量系统的电子模块通常具有对应的发送器电子装置，该发送器电子装置经由连接线与换能器元件电连接，在给定的情况下该连接线具有插入的电子屏障和/或电流隔离位置，该对应的发送器电子装置用于处理由换能器元件产生的至少一个传感器信号，并且用于产生各自地要探测、测量的变量，即，流速、体积流量和/或质量流率的数字测量值。在用于在工业上可用的测量系统、各自地在工业测量技术中建立的测量系统的、通常被容纳在金属和/或防震的合成材料的电子装置外壳中的发送器电子装置另外通常包括标准的外部接口，该外部接口例如被实施为两个导体连接，各自地被实施为与所建立的现场总线兼容的接口，用于与例如通过可编程逻辑控制器（PLC）形成的上级测量和/或控制系统进行通信。 [0004] 为了在经常仍然更多地取决于与尽可能短的接近长度组合的、不受干扰的和稳定的、因此大部分被确定的流动剖面的这样的测量系统的情况下能够达到测量的足够的精度，有时在它们各自的传感器模块中补充地集成了例如以直管形式的流量调节器，该直管提供了限定的流路，并且具有比管线小的口径。该管与管线对齐，阻流体和换能器元件被布置在管的腔体中。 [0005] 传统的“插入类型”的涡流流量测量装置的缺点是：一方面因为期望的短的接近长度，并且另一方面因为经常具有标准尺寸的孔，所以总是必须在流量调节器的有效性或影响此的传感器模块的安装尺寸（尤其由孔预定的安装尺寸）和对于通过各自的传感器模块形成的流量测量装置实际上可获得的测量的精度之间进行妥协。 发明内容[0006] 从上面追溯的技术发展水平出发，本发明的目的是使得改善用于“插入类型”的流量测量装置、特别是也用于“插入类型”的涡流流量测量装置和/或用于具有大于100mm的标称直径的管线的传感器模块的构造：据此，也在比管线的标称直径小10倍的短的接近长度的情况下，可以以超过99%的测量精度、或以小于1%的测量误差来可良好再现地在尽可能大的测量范围上获得用于流速、或用于体积或质量、流率的测量值。 [0007] 为了实现该目的，本发明涉及一种传感器模块，用于探测在管线中流动的流体的、诸如流速和/或体积流量的至少一个参数。本发明的所述传感器模块包括：在所述管线的腔体中布置并且例如拟柱体（prismatoiden）（即，具有拟柱体的形状）或柱体的主体，所述主体具有在其中从入口开口向远离其的排出开口延伸并且与管线的腔体连通的流路，所述流路用于引导从在管线中流动的流体分支的流体体积部分；以及，在所述流路上布置的、例如至少部分地突入所述流路内的换能器元件，所述换能器元件用于生成受所述流路中引导的流体影响的至少一个传感器信号。本发明的传感器模块的流路包括：与所述入口开口连接的引入区域，例如，具有圆柱形腔体的引入区域；与所述排出开口连接的排出区域，例如，具有圆柱形腔体的排出区域；以及，与所述引入区域和所述排出区域连通的直的中间区域，例如，具有圆柱形腔体的中间区域，并且所述中间区域被实施使得所述中间区域的假想中轴不平行于、例如它垂直于所述引入区域的假想中轴，并且/或者，它不平行于、例如它垂直于所述排出区域的假想中轴。 [0008] 根据本发明的第一实施例，而且其使得所述流路具有小于所述管线的最小内径的最大内径。特别是以下述方式：由所述流路的所述最大内径与所述管线的最小内径的比率所定义的直径比小于0.2，例如，小于0.1。 [0009] 根据本发明的第二实施例，而且其使得所述引入区域的假想中轴平行于所述排出区域的所述假想中轴。 [0010] 根据本发明的第三实施例，而且其使得所述引入区域的假想中轴不平行于、例如它垂直于所述排出区域的假想中轴地延伸。 [0011] 根据本发明的第四实施例，而且其使得所述引入区域是漏斗形状的。 [0012] 根据本发明的第五实施例，而且其使得所述排出区域是漏斗形状的。 [0013] 根据本发明的第六实施例，而且其使得将所述入口开口布置在所述主体的第一侧上，特别是由所述流体垂直地撞击流过的和/或作为接近流体的冲击表面的第一侧上，并且其中，将所述排出开口布置在相对于所述第一侧的下游设置的、所述主体的第二侧上。 [0014] 根据本发明的第七实施例，而且其使得围绕容纳所述主体的所述腔体的管线部分是圆柱形的并且/或者借由直管形成。进一步发展本发明的这个实施例，而且使得所述排出区域的假想中轴平行于所述管线部分的假想中轴。然而，所述流路在所需的情况下也能够被实施使得所述排出区域的所述假想中轴不平行于、例如也垂直于所述管线部分的假想中轴地延伸。替代地或补充地，所述流路可以例如也被实施使得所述流路的中间区域的假想中轴不平行于、例如它垂直于所述管线部分的假想中轴。 [0015] 根据本发明的第八实施例，而且其使得围绕容纳所述主体的所述腔体的管线部分是圆柱形的并且/或者借由直管而形成，并且所述流路的中间区域的假想中轴不平行于，例如，它垂直于所述管线部分的假想中轴。进一步发展本发明的这个实施例，另外使得所述入口开口具有距所述管线部分的假想中轴的径向间距，所述径向间距不同于所述排出开口具有的距所述管线部分的假想中轴的径向间距；例如也以下述方式是这种情况：所述入口开口具有距所述管线部分的假想中轴的径向间距，所述径向间距不同于所述排出开口具有的距所述管线部分的假想中轴的径向间距；并且/或者，所述引入区域的假想中轴平行于所述管线部分的假想中轴。 [0016] 根据本发明的第九实施例，而且其使得在所述流路中，例如，在其中间区域中，将阻流体布置在所述流路中引导的所述流体内，用于产生涡流，特别是排成一行以形成卡门涡街的涡流。 [0017] 根据本发明的第十实施例，而且其使得所述换能器元件传递传感器信号，所述传感器信号对应于在所述流路中引导的所述流体内占优势的压力，特别是可变压力和/或至少间或受到周期波动影响的压力和/或静压，例如是以所述传感器信号的信号频率对应于压力的周期波动的频率的方式。 [0018] 根据本发明的第十一实施例，而且其使得例如在所述流路的中间区域中设置了所述换能器元件，例如是以它至少部分地向内向其中突出的方式。 [0019] 根据本发明的第十二实施例，而且其使得所述换能器元件传递传感器信号，所述传感器信号对应于在所述流路中引导的所述流体内占优势的温度。 [0020] 根据本发明的第一进一步的发展，所述传感器模块进一步包括加热元件，用于向在所述流路中引导的所述流体内增加热量。 [0021] 根据本发明的第二进一步的发展，所述传感器模块进一步包括被固定到、特别是可释放地被固定到所述管线的护套，例如是圆柱形护套，用于将所述主体固定在所述腔体内，并且/或者用于容纳与所述换能器元件连接的连接线。 [0022] 而且，本发明具备一种测量系统，所述测量系统用于确定在管线中流动的流体的至少一个参数，例如是流速和/或体积流量，所述测量系统包括在前的权利要求之一所述的传感器模块以及具有电子装置外壳和其中容纳的发送器电子装置的电子装置模块，所述发送器电子装置特别是经由连接线与所述换能器元件电连接的发送器电子装置，用于处理由所述换能器元件产生的所述至少一个传感器信号。特别地，与所述换能器元件电耦合的所述发送器电子装置进一步被适配以借助所述至少一个传感器信号来生成表示所述参数的至少一个测量值。 [0023] 本发明的基本思想是提供一种用于“插入类型”流量测量装置、特别是“插入类型”的涡流流量测量装置的传感器模块，其中，关于所述流路的直径、或流截面的所述换能器元件可以设有相对大的接近长度，而不必由此提及需要在引导要测量的流体的管线的中轴的方向上扩大传感器模块的安装尺寸。这是通过包括下述部分的特征实现的：流路的中间区域被定向垂直于中轴，因此在从外部向管线内引入的传感器模块的插入方向上，使得传感器模块的主体的几乎整个长度（减去用于形成流路所需的墙壁区域，或源自设计和制造考虑的墙壁区域）可以用于形成流路的中间区域。 [0024] 本发明的传感器模块并且因此使用其形成的测量系统的优点而且除了别的之外在于在下述事实中：通过其，利用在管线的中轴方向上、因此如在流动方向上所示相对短的主体，并且与其相关联地，利用较小内径的插入开口，可以实现所讨论类型的测量系统的测量的精度的相当大的改善。附图说明 [0025] 现在基于在附图的图中呈现的实施例的示例来更详细地描述本发明及其他有益实施例。在所有图中以相同的附图标记赋予相同的部分；当简明要求或否则看起来明智时，在随后的图中省略已经描述的附图标记。而且，通过附图的图以及从属权利要求，其他有益实施例或另外的发展、特别是本发明的首先仅单独地描述的方面的组合将变得显然。附图的图示出如下： [0026] 图1在纵向截面中示出管线以及用于测量在管线中流动的流体的至少一个参数的测量系统；以及 [0027] 图2在纵向截面中示出适合于图1的测量系统的传感器模块。 具体实施方式[0028] 图1示出用于引导流动的流体并且例如被形成为供热系统或涡轮机回路的工厂组件的管线的截面以及测量系统MS，该测量系统MS具有：传感器模块S，该传感器模块S被安装在所述管线中，并且用于探测在管线中的操作期间流动的流体FS的至少一个参数，例如流速和/或体积流量和/或质量流量；以及，与其连接的电子装置模块E。特别地，该管线被提供来引导迅速流动和/或高压和/或热的气体，诸如饱和流或超热流，而测量系统的传感器模块被特别设计来探测这样的流体，或这样的流体流的参数。 [0029] 其放大截面被示意地示出在图2中的传感器模块包括在管线的腔体中布置的主体（或基体）GS，例如，拟柱体或柱体主体GS，其具有管状流路KS，该管状流路KS在主体中从入口开口ES向与其远离的排出开口AS延伸，并且因此与管线的腔体连通，以引导从管线中流动的流体分支出的流体体积部分、或流部分FS′。 [0030] 从图1和2显然，通过下述部分来形成本发明的传感器模块S的流路：与入口开口ES连接的引入区域EK；与排出开口连接的排出区域AK；以及，直的中间（之间）区域ZK，其与引入区域EK连通并且与排出区域AK连通。而且，流路诸如从图1、或图2直接显然那样被实施使得它具有小于管线的最小内径的最大内径；这特别地使得由流路的最大内径与管线的最小内径的比率所定义的直径比小于0.2，特别是小于0.1。根据本发明的另一个实施例，该流路也被实施使得中间区域ZK的假想中轴LZ不平行于、例如它垂直于引入区域的假想中轴LE，因此不平行于、例如也垂直于排出区域的假想中轴LA。入口区域、排出区域以及中间区域可以在每种情况下被形成使得它们各自的腔体至少在截面上、实质上是圆柱形的。替代地或补充地，尤其为了改善入口、或排出的流条件的目的，基于在引入开口处的引入区域和/或基于在排出开口处的排出区域也可以被实施为漏斗形状。 [0031] 本发明的测量系统的传感器模块S被从外部通过插入开口ERL插入到管线的腔体内，并且被固定到、例如可释放地被固定到在插入开口的区域中的墙壁，该插入开口ERL被实施为在容纳主体的管线部分RL的墙壁中的喷嘴。特别地，传感器模块S的主体GS比容纳其的管线部分的标称直径短，特别是也短于所述标称直径的一半，并且因此，被布置在该腔体中使得传感器模块S的、因此主体GS的自由端具有与在直径上与插入开口相对的管部分墙壁的区域的间距，例如使得所述间距大于管线部分的标称直径的一半。 [0032] 围绕容纳主体GS的腔体的管线部分RL应当——尤其为了提供足够平稳的、或在很大程度上未受干扰的传感器模块的上游流轮廓的目的——尽可能通过均匀地直的（在大于管线的标称直径的两倍的距离上）、因此内部实质上圆柱形地形成的管部分被形成。在本发明的另一个实施例中，该主体GS被实施并且被布置在管线部分RL内使得入口开口具有距所述管线部分的假想中轴LRL的径向间距，该径向间距不同于排出开口具有的距所述管线部分的假想中轴LRL的径向间距。入口开口可以在这样的情况下例如具有距所述管线部分的假想中轴的径向间距，该径向间距小于排出开口具有的距所述管线部分RL的假想中轴LRL的径向间距。 [0033] 根据本发明的另一个实施例，主体GS而且被实施和相对于管线定向使得流路KS的中间区域的假想中轴LZ不平行于、例如它垂直于上述管线部分的假想中轴LRL；这特别是也使得排出要去的假想中轴平行于所述管线部分的假想中轴LRL。然而，在需要的情况下，排出区域的所述假想中轴LA也不平行于、例如也垂直于所述管线部分的假想中轴地延伸，因此，排出区域可以在传感器模块的所述自由端的区域中向管线的腔体内打开。替代地或补充地，引入区域的假想中轴可以如图1、或图2中示意地所示被定向得平行于所述管线部分的假想中轴。 [0034] 根据另一个有益实施例，该主体而且被布置在管线的腔体中使得引入开口面向流体流。例如，可以将入口开口布置在垂直地阻碍流体流动的主体的第一侧上和/或用为在流动的流体的冲击表面的主体的第一侧上。 [0035] 在本发明的另一个实施例中，进一步地，该主体而且被布置使得排出开口位于相对于流体流、背向流的主体的一侧上，例如，因此被布置在与具有引入开口的第一侧相对的第二侧上，因此被布置在下游侧上。引入和排出区域可以以有益的方式在该情况下也被实施使得引入区域的假想中轴与排出区域的假想中轴平行。对其替代地，例如，对于其中排出区域排出到在主体的自由端的区域中的流体引导腔体内的所述情况，引入和排出区域也可以相对于彼此定向使得引入区域的假想中轴然而不平行于、例如它垂直于排出区域的假想中轴。 [0036] 为了产生由在流路中流动的流体影响的至少一个传感器信号，传感器模块进一步包括换能器元件WS，该换能器元件WS被布置在流路上，在此即也至少部分地突入这样的流路。以特别有益的方式，换能器元件在这样的情况下被例如布置在流路的中间区域中，因此也使得它至少部分地向内突入所述中间区域内。 [0037] 而且，在图1中所示的电子装置模块包括发送器电子装置，该发送器电子装置与换能器元件电耦合，用于处理由换能器元件产生的至少一个传感器信号。在电子装置模块的电子装置外壳中以有益的方式容纳了该发送器电子装置。该电子装置外壳例如由金属和/或诸如塑料的合成材料制造，并且因此足够流体和压力密封。该发送器电子装置经由连接线与换能器元件电连接。该发送器电子装置而且被适配使得它可以在操作期间通过至少一个传感器信号来生成表示要测量的流动的流体的至少一个参数的测量值。 [0038] 在本发明的另一个实施例中，换能器元件被适配来传递传感器信号，该传感器信号对应于在流路中引导的流体内占优势的压力，例如，可变压力和/或至少间或受到周期性波动影响的压力和/或静压。特别地对于其中在流路中引导的流体内占优势的压力受到周期性波动影响的上述情况，换能器元件特别被实施使得从其传递的传感器信号具有信号频率，该信号频率对应于诸如可以间或甚至是静压的压力的压力的周期性波动的频率。替代地或补充地，换能器元件也可以被实施使得它传递传感器信号，该传感器信号对应于在流路内引导的流体内占优势的温度。为了向在流路中引导的流体内引入热量以产生限定的热通量、因此以产生与在流路中引导的流体的流速对应的温度梯度的目的，例如在作为热质量流测量装置的测量系统的应用的情况下，传感器模块进一步可以也包括对应的加热元件。 [0039] 在本发明的另一个实施例中，通过传感器和电子装置模块形成的测量系统被实施为涡流测量装置。为此，在流路中、即在相对于换能器元件的上游处布置了阻流体BS，用于在流路中引导的流体内产生涡流。而且，阻流体以有益的方式被布置在流路KS的中间区域ZK中。而且，在该情况下，流路KS和阻流体BS被调整尺寸使得至少在固定的或平稳的流的情况下在操作期间产生的涡流被排成一行以形成所谓的卡门涡街，尤其在其中也设置了换能器元件WS的区域中。 |
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