CN104520680B - 涡流式流量测量仪 - Google Patents

Abstract

说明并示出了一种涡流式流量测量仪(1)，其带有：可由介质流经的测量管(2)；用于在介质中产生涡流的阻流体(3)；和偏转体(4)，其可通过伴随在介质中的涡流的压力波动偏转；和电子单元(6)，其为偏转体(4)加载电磁辐射，并且由偏转体(4)接收电磁辐射。

Description

涡流式流量测量仪

技术领域

本发明涉及涡流式流量测量仪，其带有：可由介质流经的测量管；用于在介质中产生涡流的至少一个阻流体；和至少一个偏转体(Auslenkkörper)，其至少可由于通过伴随在介质中的涡流产生的压力波动而偏转。

背景技术

涡流式流量测量仪的测量原理的基础是，在液态的或气态的介质中在由介质环流的阻流体之后可形成所谓的卡门涡街，其由随着流前进的与阻流体分开的涡流形成。涡流与阻流体分开的频率与流动速度相关，其中，这种关系在一定的前提下几乎是线性的。因此，可通过测量涡流频率确定介质的流动速度，由此，在附加地考虑例如介质的压力和温度的情况下又可确定体积流量和质量流量。

在现有技术中，优选地将偏转体用于测量涡流频率。介质的在涡街中出现的涡流引起局部的压力波动，该压力波动作用到偏转体上并且由偏转体探测到。偏转体可为例如利用压电元件实现的压力指示器或者为电容式压力传感器，在其中，即使在很小的范围中传感器元件也经受偏转。重要的仅仅是，偏转体如此布置在涡街中，即，由阻流体产生的涡流(至少间接地)旁经偏转体并且由此可被探测到。为此，偏转体可在下游设置在阻流体之后，其中，在这种情况下阻流体和偏转体在本体方面以分离的方式实现。但当例如在从现有技术中已知的带有压力指示器的解决方案中压力指示器布置在阻流体之上或阻流体中并且如此在通道内间接地探测涡街的压力波动时，偏转体还可是阻流体自身或者在阻流体中实现；在这种情况下，阻流体和偏转体在本体方面实现成一个单元。

在从现有技术中已知的用于探测偏转体的运动的方法中，在其中，利用电容效应或电感效应，在其中，利用压电陶瓷工作，或者在其中，使用用于探测偏转的光纤，偏转体必须相应通过电的或光学的线路来接触。这些线路又必须从利用介质填充的空间中通过涡流式流量测量仪的测量管壁或壳体被引导到无介质的空间(通常评估电子设备)中。伴随于此的引线需要非常高成本的密封，因为根据应用情况必须达到很高的压力和/或很高的温度稳定性(数百巴，数百摄氏度)。

取决于过程条件，例如测量介质的高温，也可能无法使用一些传感器。即，例如在介质温度高于居里点的情况下不可使用压电陶瓷。

在现有技术中还存在用于测量涡流频率或伴随涡流的压力波动的传感装置的其他的实施方案。

专利文献US 3 823 610公开了一种涡流式流量测量仪，在其中，为了测量涡流频率，评估球体由于压力波动的运动。

专利文献US 4 181 020的教导提出在阻流体之后设置有可转动地支承的接片(Fahne)，其由于压力波动而运动。公开文献WO 92/01208的结构是相似的，在该文献中，光学地测量偏转体在测量管之外的运动。

专利文献US 7 770 469 B2说明了用于测量由于涡流出现的压力波动的差压传感器。在在此的测量结构中，设置有带有弹性膜片的微波谐振器，其中，膜片如此对压力波动做出反应，即，改变谐振器的共振频率。

为了避免由于偏转体和阻流体的布置方案预定流动方向的问题使得还可实现双向测量，可从专利文献US 4 735 094中得到这样的布置方案，在其中沿着测量管的纵轴线将用于测量涡流频率的传感器布置在两个阻流体之间。

为了提高测量精度，在专利文献US 4 831 883中提出，并排布置两个阻流体与两个传感器。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种涡流式流量测量仪，其为现有技术的备选方案并且优选地力求避免实现现有技术的测量原理的缺点。

对于本发明基于的涡流式流量测量仪，以上给出且示出的目的由此实现，即，设置有至少一个电子单元，其为偏转体加载电磁辐射，并且由偏转体接收电磁辐射。根据本发明的涡流式流量测量仪具有测量管，在测量管中存在阻流体和偏转体，其中，通过流动的介质在阻流体之后形成涡流，该涡流作用到偏转体上。通过以下方式由此探测偏转体的所引起的运动并且由此将所引起的运动提供用于确定流动情况，即，至少一个电子单元(直接地或间接地)为偏转体加载电磁辐射并且由偏转体接收这种辐射，并且优选地在流动情况方面进行处理或评估。在此，在该过程之内几乎保持偏转体的机械运动并且该机械运动通过电磁辐射来探测。

在此，在一个设计方案中，所使用的电磁辐射为在微波范围中的辐射，即，带有约在1GHz与300GHz之间的频率或在30cm与1mm之间的波长的辐射。尤其为这样的辐射，其通常用在根据雷达原理的填充状态测量中。

根据实现方案，电磁辐射可至少部分地自由地朝偏转体的方向上辐射或从该处进行接收，或者辐射可经由导体来引导或耦合到导体中。

以下设计方案用于变型方案，即，辐射耦合到导体上或导体中并且优选地也被量取。在此，一引导的变型方案例如还可与自由的射入相组合。

在一个设计方案中，设置有至少一个传导装置，其将电磁辐射引向偏转体和/或将电磁辐射从偏转体中引开。相应地，电子单元为至少一个传导装置加载电磁辐射和/或从至少一个传导装置量取电磁辐射。在该设计方案中，辐射例如沿着传导装置来引导或耦合和/或退耦。在另一设计方案中，由至少一个传导装置与偏转体和如有可能其他的元件形成谐振器。如果偏转体在涡流的影响下运动，则例如在偏转体和参考点之间的距离变化，这通过电磁辐射来测量。如果备选地或补充地形成有谐振器，则谐振频率同样可通过运动改变，这还可通过由电子单元接收的信号进行评估，之后，最终评估谐振器的失调。

在一个设计方案中，偏转体基本上设计为膜片，从而与在其厚度或高度方面相比，偏转体更明显地在一个平面中延伸。在此，膜片式的偏转体优选地如此相对于阻流体来布置，即，涡流尽可能地作用到膜片的更大的面上。

在一个设计方案中，至少一个传导装置通到偏转体上。由此，电磁辐射还基本上直接碰在偏转体上，并且因此偏转体的运动还尤其影响辐射的反射。

在备选于此的设计方案中，在传输中进行测量。为此，至少一个传导装置部分地以机械接触的方式沿着偏转体来引导。因此，电磁辐射还沿着偏转体行进并且受到偏转体的运动影响。

在一个设计方案中，至少一个传导装置至少部分地是基本上柱状的，并且备选地或补充地基本上设计为(尤其非传导性的)空心导体。在一个设计方案中，至少一个传导装置至少部分地利用填充介质填充。在一个设计方案中，传导装置至少部分地实施为柱状的(金属)管。如果测量管由金属来实施，并且如果传导装置以及偏转体优选也是金属的，则在一个设计方案中给出非常耐高温的且例如还可用于卫生应用的组件。

在一个设计方案中，至少一个传导装置不是用作轴状导体(Wellenleiter)，而是其和偏转体一起(必要时结合其他元件)形成谐振器，其性能(例如其谐振频率)与偏转体的位置或运动相关。

在一个设计方案中，偏转体固定在阻流体处或者为阻流体的一部分。与此相关的是，至少一个传导装置至少部分地固定在阻流体处。偏转体和阻流体在此是两个构件，其互相安装或者为共同的构件。

作为通过传导装置将附加的元件引入到测量管中的备选方案，或者作为用于实现传导装置与外界的联结的补充，一种设计方案设置成，设置有对于电磁辐射可至少部分地穿透的至少一个窗部。窗部例如位于测量管的壁部中。在一个补充的设计方案中，设置有多个窗部，其对于所使用的电磁辐射是可至少部分地穿透的。在一个设计方案中，窗部还具有相应的透镜。在此进一步设置成，电子单元至少通过至少一个窗部为偏转体加载电磁辐射和/或至少通过至少一个窗部由偏转体接收电磁辐射。因此，窗部用于辐射的耦合和退耦，或者必要时基本上仅仅用于耦合和退耦。这种窗部伴随着封闭的测量管，可相应地实现其例如热的绝缘。在此，在测量管之内还可将传导装置联接到这种窗部处。

在一个设计方案中，在测量室中进行测量，其以传递压力的方式与测量管相连接，并且在测量室中还存在偏转体。这种测量室例如沿侧向位于测量管处。

在一种设计方案中，设置有至少两个传导装置。通过使用两个传导装置例如可从两个不同的侧部测量偏转体的运动。为此，例如相对于偏转体彼此相对而置地布置有至少两个传导装置。如果尤其涉及膜片式的偏转体，则两个传导装置例如与相应的面状的侧部(即上侧和下侧)相连接。

此外，原则上与传导装置和必要时窗部的设计和布置方案无关地，可通过测量数据的关系提高关于测量的说服力，并且由此还可尤其识别且必要时修正在测量时的干扰。

在一个设计方案中，至少两个偏转体沿着测量管的纵轴线布置在阻流体之后。例如为了识别测量管自身的运动，在该设计方案中相继布置有两个阻流体。在此，必要时相应地设置有用于电磁辐射的耦合和/或退耦的多个传导装置或窗部，以便相应获得偏转体的测量数据。

在另一设计方案中，至少一个偏转体沿着测量管的纵轴线来布置，并且至少一个偏转体布置在阻流体之后。在此，该设计方案还可通过以下方式部分地由以上所述的设计方案来补充，即，或者在阻流体之前和/或在阻流体之后布置多于一个偏转体。通过提高偏转体的数量，尤其还可实现在流动方向方面的双向性，或者实现基于与偏转体相应相关联的测量数据确定流动方向。因此，优选地与偏转体一起还设置相应的结构(例如传导装置或窗部)以用于测量由于通过借助于阻流体产生的涡流引起的差压引起的相应的偏转。备选地，根据流动方向，偏转体还至少部分地用作用于相应随后的偏转体的附加的阻流体。

在一个设计方案中，设置有至少一个温度传感器以用于确定介质的温度。备选地或补充地，设置有压力传感器以用于测量在测量管中的压力。

附图说明

具体存在设计和改进根据本发明的涡流式流量测量仪的多种可能性。为此，结合附图一方面参考从属于权利要求1的权利要求，另一方面参考实施例的随后说明。其中：

图1以示意性的截面图在第一变型方案中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪，

图2以示意性的截面图在第二变型方案中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪，

图3以示意性的截面图(以垂直于图1和2的截面的平面的截面平面)在第三变型方案中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪，

图4以示意性的截面图(以与在图1和2中的相同的截面平面)在第四变型方案中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪，

图5以示意性的截面图在第五变型方案中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪，

图6以示意性的截面图在第六变型方案中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪，

图7以与在图3中相同的截面平面的示意性的截面图在第七变型方案中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪，以及

图8以示意性的截面图在第八变型方案中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪。

具体实施方式

在图1、2和4至7中示出了根据本发明的涡流式流量测量仪1的不同实施例的截面图。在此，截面相应如此伸延，即，相应的测量管2的纵轴线9位于该截面平面中。在图3、8和9的实施例中，截面平面相应垂直于该截面并且纵轴线9相应地垂直于绘图平面。

在图1中示出了涡流式流量测量仪1，其测量管2在其端部处相应引导到凸缘上，以便例如引入到现有的管***中。为了测量通过测量管2的介质(其运动方向通过在在此在图中左侧处的箭头指出)的流量，设置有阻流体3，在阻流体3处通过介质的运动形成涡流。该涡流又引起在介质中的压力波动，其在此作用到在介质的流动方向上布置在阻流体3之后的偏转体4上并且由此使偏转体4偏转。

为了最优地测量，偏转体4沿着测量管2的纵轴线9布置成与阻流体3具有合适的距离。在在此膜片式的偏转体4的情况下，偏转体4基本上位于这样的平面中，即，纵轴线9位于该平面中。

在所示出的设计方案中，在此在图中布置在偏转体4之上或之下的两个传导装置5用于探测偏转体4相对于参考点的偏转，更确切地说位置变化。两个传导装置5设置为用于电磁辐射的空心导体，电磁辐射由电子单元6通过天线7产生并被接收。在一变型方案中，为了测量偏转体4的偏转，主要使用例如在确定介质的填充高度时所用的雷达原理，也就是说，确定辐射的运行时间并且从中推出距离。

优选备选地确定在发射出的电磁辐射与再次接收的电磁辐射之间的相位，并且将其用于确定在电子单元6的发射器/接收器和偏转体之间的距离，尤其对此还可使用经调制的电磁辐射。为此，已知多种经证实的方法，例如连续波雷达或经调制的连续波雷达。

在所示出的设计方案中，通过两个传导装置5还得到两种测量并且因此得到至少两组测量数据，其相应地相互结合或者必要时考虑用于修正。

为了简化并且还为了图示的清楚性，在此设置仅仅一个电子单元6。然而，备选地还可设置成多于一个电子单元6。

指出的是，测量管2、传导装置5和偏转体4相应基本上由金属设计而成并且因此相互焊接或钎焊在一起。传导装置5与偏转体一起相应根据空心导体的形式形成两个测量区段，其中，两个测量区段在其共同的接合部位处通过偏转体4来限制。偏转体4不仅在通过传导装置5形成的空腔之内而且在空腔之外伸延。在传导装置5的外部空间中，偏转体4暴露在介质的通过涡流引起的压力波动中。该压力波动不仅在传导装置5之外而且在传导装置5之内引起偏转体4的变形，在此，变形然后可通过电磁辐射更确切地说通过评估电磁辐射的行进时间特性和扩散特性来探测。如果偏转体4在传导装置5之内由于压力波动而如此偏转，即，一测量区段扩大，另一测量区段自动地减小相同的量，从而在此可以推挽(Gegentakt)的方式实现测量偏转体4的运动。

固定在测量管2处的传导装置5在所示出的实施例中不仅用于引导电磁辐射，其更确切地说还用于固定偏转体4。同时还通过传导装置实现与电子单元6的在热方面的分开。

图2的设计方案与图1的设计方案的区别在于，传导装置5相应与偏转体4一起形成谐振器。在此，谐振器相应如此构造，即，其特性(例如谐振频率)与偏转体4的位置或定向相关。这意味着，偏转体4的运动例如表现出存在其他的谐振频率。因此，在偏转体4偏转时，所实现的谐振器失调，其中，失调的可评估的频率为实际关注的测量信号。使用谐振器(更确切地说，在此两个谐振器)引起：与根据图1的空心轴导体变型方案相比，所使用的电磁辐射是窄带的。然而在这两种设计方案中，传导装置5安装成基本上垂直于偏转体4。

利用图1和2的设计方案的测量基本上且在最宽泛的思想中在使用反射的情况下来实现。当电磁辐射经由两个传导装置5沿着偏转体4来引导时，图3的设计方案使用通过传导装置5的传输方式(在此示意性地通过箭头指出)。在此，图3的视图沿着测量管2的纵轴线的方向。图3为原理图。传导装置5和偏转体4必须在机械方面如此设计，即，在测量管2中通过涡流产生的压力波动引起偏转体4和如有可能传导装置5的足够的偏转。在基于电磁辐射传输通过传导装置5的该设计方案中，偏转体自身并未伸到通过传导装置5形成的测量空腔中。

在此利用材料8填充的并且由此不是如例如在图1的设计方案中那样是空心的传导装置5基本上U形地沿着膜片式的偏转体4来引导并且相应地对偏转体4的运动做出反应。

此外可看出，偏转体4的翻转相应相反地影响通过两个传导装置5的测量。此外，出现相对稳定的结构，其中，传导装置5互相支撑或者部分地相互支撑偏转体4。在一备选的(在此未示出的)设计方案中设置了用于利用电磁辐射进行测量的仅仅一个传导装置5。

在图4的设计方案中，偏转体4直接安装在阻流体3处并且由此几乎为阻流体3的延长部。此外，同样如在前述设计方案中那样设置有两个传导装置5，其在此同样位于膜片状的偏转体4之上和之下。

相继布置阻流体3和偏转体4的缺点是，介质的特定的流动方向与此相关，因为偏转体4应接对由阻流体3产生的涡流作出反应。因此，流动方向的变化导致不再可实现测量。

针对该问题，图5的设计方案设置成，在阻流体3之前和之后相应设置有偏转体4(在此相应带有两个传导装置5)。这允许与介质的流动方向无关地进行测量或者使得能够实现根据测量推出流动方向。为此，阻流体3例如如此设计，即，其对于两个流动方向产生为了测量所需的涡流。在图示中，介质应从左向右流动，从而显示出的涡流同样位于阻流体3右侧。

与确定流动方向或用于双向测量的原则上的可能性方法无关地，包括偏转体4和传导装置5的相继布置的测量组件还允许测量过程***的运动或振动或在介质本身的流动中的干扰。

图6示出了另一布置方案，其允许通过测量数据的相互关系获得更多信息，在其中，两个偏转体4与其传导装置5在纵轴线9的方向上布置在阻流体3之后，并且在此这两者测量或记录所产生的涡流或压力波动。

图7的设计方案用于另一变型方案，在其中，电子单元6的电磁辐射通过在测量管2的壁部中的窗部10来耦合或退耦。这种窗部10例如在借助于雷达原理的填充状态测量的领域中是已知的。备选地，然而在此未示出，窗部可与例如在上述的设计方案中的传导装置相组合。

图8和9的图示显示了将测量移位至测量管2之外。

图8显示了在测量管2的纵轴线的方向上的视图。通过尤其用于压力传递的两个通道使测量室11与测量管2相连接，偏转体4位于测量室11中。在测量管2中，通过阻流体3在介质中产生涡流和压力波动，其在所显示的设计方案中在测量室11中进行测得。在此，阻流体3和测量室11可沿着测量管2的纵轴线位于不同的轴向高度上。

在测量室11中同样使偏转体4运动，这可通过由传导装置5引导的电磁辐射测得。在此，在传导装置5中可存在与过程压力不同的压力。

图9显示了一备选方案，在其中测量室11本身是封闭的并且完全处于过程压力下。在该设计方案中，例如通过(在此未示出的)窗部实现电磁信号的耦合和退耦，窗部例如位于与在此示出的截面不同的轴向高度上。

在该设计方案中，偏转体4附加地还具有温度传感器12，其允许确定介质温度。

Claims (5)

1.一种涡流式流量测量仪(1)，其带有：可由介质流经的测量管(2)；用于在介质中产生涡流的至少一个阻流体(3)；和至少一个偏转体(4)，其至少可由于通过伴随在介质中的涡流产生的压力波动而偏转，其中设置有至少一个电子单元(6)，其为所述偏转体(4)加载电磁辐射并且从所述偏转体(4)接收电磁辐射，其特征在于，所述电磁辐射为在微波范围中的辐射，并且所述偏转体(4)布置在侧向位于所述测量管(2)处且以传递压力的方式与所述测量管(2)相连接的测量室(11)中，其中设置有至少一个传导装置(5)，其将电磁辐射引向所述偏转体(4)和/或将电磁辐射从所述偏转体(4)中引开，并且其中所述电子单元(6)为所述至少一个传导装置(5)加载电磁辐射和/或从所述至少一个传导装置(5)量取电磁辐射，并且其中所述至少一个传导装置(5)用于固定所述偏转体(4)。

2.根据权利要求1所述的涡流式流量测量仪(1)，其特征在于，所述偏转体(4)固定在所述阻流体(3)处或者为所述阻流体(3)的一部分，并且所述至少一个传导装置(5)至少部分地固定在所述阻流体(3)处。

3.根据权利要求1或2所述的涡流式流量测量仪(1)，其特征在于，设置有至少两个传导装置(5)，并且所述至少两个传导装置(5)相对于所述偏转体(4)彼此相对而置地来布置。

4.根据权利要求1或2所述的涡流式流量测量仪(1)，其特征在于，设置有对于电磁辐射可至少部分地穿透的至少一个窗部(10)，并且所述电子单元(6)至少通过所述至少一个窗部(10)为所述偏转体(4)加载电磁辐射和/或至少通过所述至少一个窗部(10)从所述偏转体(4)接收电磁辐射。

5.根据权利要求1或2所述的涡流式流量测量仪(1)，其特征在于，至少两个偏转体(4)沿着所述测量管(2)的纵轴线(9)布置在所述阻流体(3)之后，或者至少一个偏转体(4)沿着所述测量管(2)的纵轴线(9)布置在所述阻流体(3)之前，并且至少一个偏转体(4)沿着所述纵轴线(9)布置在所述阻流体(3)之后。