CN100414260C

CN100414260C - 涡流传感器

Info

Publication number: CN100414260C
Application number: CNB2003801038523A
Authority: CN
Inventors: 赖纳·霍克; 奥勒·考达; 托马斯·尼尔利希
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: AU2003268941A1; RU2286544C2; RU2005115481A; EP1556670A1; EP1556670B1; DE10249543A1; WO2004038344A1; CN1714278A

Abstract

公开了一种涡流传感器(1；1’)，用于测量在具有管壁(21；21’)的测量管(2；2’)中流动的流体的质量流量、体积流量或流速，其具有以这种方式布置的两个温度传感器(34，35；34’，35’)，使得涡流传感器(1)也可以与将会腐蚀温度传感器(34，35；34’，35’)的流体共同使用。阻流体(4；4’)设置在测量管(2；2’)中，其产生旋涡并且因而引起压力波动。对此作出响应的旋涡传感器(3；3’)在阻流体(4；4’)下游安装在测量管(2；2’)管壁(21)的孔(22；22’)内。旋涡传感器(3；3’)包括延伸入流体的传感器叶片(31)。温度传感器(34，35)布置在传感器叶片(31)的盲孔(314)中。或者，温度传感器(34’，35’)可以布置在阻流体(4’)的盲孔(314’)中。

Description

涡流传感器

本发明涉及一种涡流传感器，用于测量在测量管中以流动方向流动的流体的质量流量、体积流量或流速，该涡流传感器包括位于测量管的内腔中并且用于产生卡尔曼旋涡的阻流体。

体积流量和质量流量被分别定义为在单位时间内流经测量管横截面的流体的体积和质量。已知在这种涡流传感器的操作期间，在阻流体下游形成的卡尔曼涡街和该涡街的压力波动被旋涡传感器转换为电信号，其频率分别与体积流量和流体的流速成比例。

美国专利6,003,384公开了一种涡流传感器，其如今普遍用于测量流经具有管壁的测量管的流体的体积流量或流速，该涡流传感器包括：

-阻流体，其沿测量管的直径放置，

--该阻流体用于产生卡尔曼旋涡并且

--该阻流体在相对的第一和第二固定位置从内部连接至测量管的管壁，和

-旋涡传感器，其响应于由旋涡引起的压力波动，其在阻流体下游安装在测量管管壁中形成的孔中并且将该孔密封，

-其中孔的中心和阻流体的第一固定位置的中心位于测量管的圆柱形表面的元件上，并且

-所述的旋涡传感器包括：

--隔膜其覆盖孔并且具有其面向流体的第一表面和背离流体的第二表面；

--楔形传感器叶片，其安装于隔膜的第一表面，

---该叶片比测量管的直径短并且

---该叶片的主要表面于测量管的圆柱形表面的元件以及前缘对齐；和

-传感元件，其安装于第二表面。

另外，如果测量流体的温度，则可以通过考虑流体的瞬时密度(如有必要，还由流体中的瞬时压力)而确定流体的其它特性，特别是它的当前热力状态，从而可以使用体积流量测量质量流量。这可以利用例如微处理器完成，其位于连接至涡流传感器的分析电子装置中，并且涡流传感器提供过程测量信号。

在很早以前，以上事实就在具有不同类型的旋涡传感器的涡流传感器的温度测量中得到了说明。例如，美国专利4,048,854和4,404,858各自显示了放置在流体流经的测量管的内部上的温度传感器。

JP-A 2000-2567公开了一种涡流传感器，用于测量流经具有管壁的测量管的流体的质量流量、体积流量或流速，该涡流传感器包括：

-叶片，其在一端利用底板从内侧固定至管壁，

--该叶片在使用中产生卡尔曼旋涡，

--该叶片比测量管的直径短并且

--该叶片具有垂直于流体流动方向的平行主要表面的磨圆前表面以及

---在该前表面上设置了温度传感器；

-第一传感元件，其固定在固定位置附近，用于检测由卡尔曼旋涡引起的流体的压力波动；和

-第二传感元件，固定在固定位置附近，用于检测由流体引起的叶片偏转。

这个温度传感器也由流动的流体通过，并且正如发明者已经发现的，不能抵抗操作中出现的所有流体，即，有些流体腐蚀以这种方式放置的温度传感器。

于是，涡流传感器的制造者必须禁止这些腐蚀温度传感器的流体与这种温度传感器一起使用。然而，这种排除使得涡流传感器的应用范围变窄，即，它们的应用的普遍性变窄，并且因而降低了它们在市场上的吸引力。

本发明的一个目的是提供一种涡流传感器，其具有阻流体、固定于测量管的管壁中的旋涡传感器、以及至少两个温度传感器，这两个温度传感器这样放置，使得各个涡流传感器也可以与会腐蚀温度传感器的流体一起使用。

为了达到这个目的，本发明提供了一种涡流传感器，用于测量在管道中流动的流体，特别用于测量流体的流速、体积流量和/或质量流量，该涡流传感器包括：

-测量管，其连接入管道中，用于引导流体；

-阻流体，其位于测量管的内腔中并且用于在流体中产生卡尔曼旋涡；

-旋涡传感器，其响应于由旋涡引起的压力波动，

--该旋涡传感器包括传感器叶片，其延伸入阻流体下游的流体并且被旋涡移动，特别是重复移动，和

--至少一个传感元件，其机械地联接至传感器叶片并且响应于传感器叶片的运动；和

-第一温度传感器和至少第二温度传感器，用于检测流体中的温度。

在本发明的第一变型中，两个温度传感器位于传感器叶片内部，特别地相互间隔，并且安装在传感器叶片中，从而在操作中不会被流体弄湿。

在本发明的第二变型中，两个温度传感器位于阻流体内，特别地相互间隔，并且安装在阻流体中，从而在操作中不会被流体弄湿。

在本发明的第一实施例中，传感器叶片或阻流体具有至少一个盲孔，两个温度传感器中的至少一个安装在其中。

在本发明的第二实施例中，两个温度传感器都安装在至少一个盲孔中。

本发明的一个优点是，温度传感器不可能接触流体，并且因而不会被流体腐蚀。尽管温度传感器与流体如此接近，使得它们基本上即时测量其温度，特别是在不同测量点处；但是它们仅仅由旋涡传感元件或阻流体的薄壁与流体隔离，并且这些部件与涡流传感器的其它部件一样是由金属，例如特种钢制成的并且因而具有较高的热导率。

本发明的另一优点在于，位于传感器叶片或阻流体中的温度传感器提供了流体温度的改进的测量，特别是流体中的温度的改进的测量，这例如在F.P.Incropera和D.P.DeWitt的“Fundamentals of Heat andMass Transfer”，4^th Edition，1996，ISBN 0-471-30460-3，pages 114-119、407也有所显示。

参考以下对于本发明的实施例的说明，结合附图，可以更清楚地看到本发明及其另外的优点。在附图中，相似的部件分配了相似的附图标记，但是为了清楚起见，对其进行了省略。在附图中：

图1是根据本发明的第一变型的涡流传感器，在流体流动方向上的剖面图；

图2是图1的涡流传感器，在与流体流动相对的方向上的剖面图；

图3是图1和2的旋涡传感器的透视仰视图；

图4是图3的旋涡传感器的透视纵向截面；和

图5是根据本发明的第二变型的涡流传感器，类似于图2的剖面图。

因为不可能在每一图中显示所有细节，所以一起说明图1～4。第一变型的实施例的透视图在图1和2中显示并且用于提供一个全景，其显示了从流体流动方向(图1)以及相反方向(图2)看的切开的涡流传感器1，其包含旋涡传感器3，该旋涡传感器固定至测量管2的壁21并且延伸贯穿孔22。

旋涡传感器优选地是动态补偿的旋涡传感器，其具有如美国专利6,003,384中公开的电容传感元件，该专利的内容在这里完全包含进来作为参考。

在测量管2内部沿其直径放置了阻流体4，其与测量管2永久相连，形成第一固定位置41(图中显示)和第二固定位置41^*(图中隐藏)。孔22的中心和固定位置41的中心位于测量管2的圆柱形表面的元件上。

阻流体4具有阻挡表面42，待测流体，例如液体、气体或蒸汽在涡流传感器的操作期间流动。阻流体4还具有两个横向表面，其中仅有一个(前)横向表面43可以在图1和2中看到。阻挡表面42和横向表面形成两个分离边，其中仅有一个(前)分离边44在图1中完全可见，而另一个(后)分离边45仅简要说明。

图1和2的阻流体4基本上具有直三棱柱的形状，即，具有三角形横截面的柱。在本发明中还有可能使用阻流体的其它常用形状。

随着流体朝向阻挡表面42流动，由于旋涡交替地从分离边形成并且被流体携带这个事实，在阻流体4的下游形成涡街。这些旋涡导致流体中的局部压力波动，并且每单位时间的流动分离数目，即，所谓的旋涡频率，是流体的流速和/或体积流量的量度。

压力波动被旋涡传感器3转换为电子旋涡信号，其被送入分析电子装置(未显示)，该电子装置以通常的方式计算流体的流速和/或体积流量。

在阻流体4的下游，旋涡传感器3被装配在测量管2的壁21中形成的孔22中，并且朝向测量管的圆周表面密封孔22，该孔是旋涡传感器3用于旋入测量管21的。在这个实施例中，使用了四个螺栓，其中螺栓5、6、7可以在图1和2中看到，而相关的孔50、60、70、80显示在图3中。

旋涡传感器3具有：楔形传感器叶片31，其在图1和2中延伸通过管壁21中的孔22进入测量管2的内部；和外壳盖32。外壳盖32在延伸部分322中终止；在这两个部分之间提供较薄壁的中间部分323，参见上面提到的美国专利6,003,384。

传感器叶片31具有主要表面，其中仅有主要表面311能够在图1和2中看到。主要表面与测量管2的圆周表面对其并且形成前边缘313。传感器叶片31还可以具有其它合适的三维形状；例如，它可以具有两个平行的主要表面，这两个主要表面形成两个平行的前边缘。

传感器叶片31比测量管2的直径短；它是刚性的并且具有盲孔314(只能在图4中看到)。为了盲孔314具有足够的直径，壁部分从主要表面突出；在这些壁部分中，部分315在图3中简要说明。盲孔314延伸到前边缘313附近，在此其具有底部。

旋涡传感器3还包括隔膜33，其覆盖孔22并且具有朝向流体的第一表面331和背离流体的第二表面332，参见图3和4。传感器叶片31固定至表面331，并且传感元件36固定至表面332。传感器叶片31、隔膜33、后者的环形间隙333、以及安装至隔膜33的传感元件36的零件361可以从一件材料，例如金属特别是特种钢形成。传感元件36生成以上提到的信号，其频率与流体的体积流量成比例。

在盲孔314的底部附近固定第一温度传感器34，其向以上提到的分析电子装置提供受流体中的温度影响的温度信号。在温度传感器34上，在盲孔314中提供第二温度传感器35，用于产生也受到流体中温度的影响的第二温度信号。温度传感器34、35可以由铂电阻元件实现，例如Pt 100或Pt 1000，但是也有可能使用例如热电偶或热敏半导体器件。

由于传感器叶片31，特别是其壁部分315，可以被做得足够薄并且可以由金属制成，所以更靠近盲孔314底部的温度传感器34实际上处于流经传感器叶片31的流体的瞬时温度。由于组件的低热容，这个温度传感器也能足够快并且基本上即时地跟随流体温度的改变。

盲孔314中的温度传感器35应当与隔膜33靠近放置，使得可以借助于温度传感器35测量尽可能小地受到流体中的瞬时流动条件影响的温度。

于是，使用来自温度传感器34和35的温度信号，结合例如在分析电子装置中存储的用于从流体到传感器叶片31的热传递或者用于传感器叶片31内部的热传播过程的数学模型，可以比例如仅具有单一温度传感器更为精确地确定温度。

根据高度精确确定的流体温度，结合类似地确定的瞬时体积流量，现在也可以以高精确度确定流体的密度和/或质量流量。另外，基于以这种方式测量的流体温度，可以非常精确地确定雷诺数和斯特劳哈尔(Strouhal)数，从而可以作出可能需要的对于测量的体积流量的任何校正。

成对连接至温度传感器34或35并且用于将温度传感器34、35联接至分析电子装置的导线341、342、343、344中心向上地贯穿旋涡传感器3。优选地，每一对导线341、341或343、344中的一个可以被分配，如果温度传感器34或35分别在一端被传感器叶片31电接触并且因此连接至地电位；但是也有可能用例如共地线代替导线341、343。

为了在盲孔314中固定两个温度传感器34、35，在制造旋涡传感器3期间，在定位传感器34、35之后以灌注混合物填充盲孔314，该灌注混合物特别是具有高热导率和高抗高温的混合物，诸如陶瓷粘合剂或环氧树脂粘合剂。

优选地，盲孔314靠近隔膜的上部，特别是在突出的壁部分的区域中的部分，可以比底部附近的部分略微宽一些，从而便于安装两个温度传感器34、35和它们的导线341、342、343、344和/或以灌注混合物填充盲孔。

与图2类似，图5显示了根据本发明的第二变型的旋涡传感器1’的透视剖面图。与图2的零件相对应的图5的零件不再解释，它们在图2中的附图标记已经提供了。

本发明的第二变型的实施例与第一变型的实施例的不同之处在于，阻流体4’具有盲孔46，其与管壁2’中的第二孔24对齐并且容纳两个温度传感器34’、35’，并且楔形传感器叶片31’具有两个平面主要表面311’。温度传感器34’和35’分别连接至导线341’、342’或343’、344’。

阻流体4中的盲孔46可以延伸直至任意深度；其底部461位于使得温度传感器34’位于阻流体4’的中间。类似于第一变型，第二温度传感器35’应当在盲孔46中尽可能靠近管壁21’放置。

由于阻流体4’可以在盲孔46的区域中做得足够薄，并且与图1～4的传感器叶片31类似，可以由金属特别是特种钢制成，所以温度传感器34’也基本上处于流经阻流体4’的流体的瞬时温度，并且由于组件的低热容，所以温度传感器34’能够充分快速并且基本即时地跟随流体温度的改变。于是，可以以高精确度从由温度传感器34’、35’提供的温度信号确定流体的温度，特别是使用用于从流体到阻流体4’的热传递或者用于阻流体4’内的热传播过程的数学模型。

由于测量流体的流速和温度的高精度，根据本发明的涡流传感器能够实际上适用于测量流动蒸汽或蒸气。进一步，旋涡传感器还可以用于确定在流体，例如液体或蒸气中积累的密度和/或热量。

Claims

1. 涡流传感器(1)，用于测量在管道中流动的流体，该涡流传感器(1)包括：

-测量管(2)，其连接入管道中，用于引导流动的流体，

-阻流体(4)，其位于测量管(2)的内腔中并且用于在流体中产生卡尔曼旋涡；

-旋涡传感器(3)，其响应于由旋涡引起的压力波动，并且包括

--传感器叶片(31)，其在阻流体(4)的下游延伸入流体并且被旋涡移动，和

--至少一个传感元件(36)，其机械地联接至传感器叶片(31)并且响应于传感器叶片(31)的运动；以及

-第一温度传感器(34)和至少第二温度传感器(35)，用于检测流动的流体中的温度，

-其中所述第一和第二温度传感器相互间隔地位于传感器叶片(31)内部，并且这样安排，使得它们在操作中不会被流动的流体弄湿。

2. 如权利要求1所述的涡流传感器(1)，其中传感器叶片(31)具有至少一个盲孔，所述至少一个盲孔中装配所述第一和第二温度传感器中的至少一个。

3. 如权利要求1或2所述的涡流传感器(1)，其用于测量流体的流速、体积流量和/或质量流量。

4. 如权利要求1或2所述的涡流传感器(1)，其中传感器叶片(31)被旋涡重复移动。

5. 如权利要求2所述的涡流传感器(1)，其中所述第一和第二温度传感器位于所述至少一个盲孔之中。

6. 涡流传感器(1’)，用于测量在管道中流动的流体，该涡流传感器(1’)包括：

-测量管(2’)，其连接入管道中，用于引导流动的流体，

-阻流体(4’)，其位于测量管(2’)的内腔中并且用于在流体中产生卡尔曼旋涡；

-旋涡传感器(3’)，其响应于由旋涡引起的压力波动，并且包括

--传感器叶片(31’)，其在阻流体(4’)的下游延伸入流体并且被旋涡移动，和

--至少一个传感元件(36’)，其机械地联接至传感器叶片(31’)并且响应于传感器叶片(31’)的运动；以及

-第一温度传感器(34’)和至少第二温度传感器(35’)，用于检测流动的流体中的温度，

-其中所述第一和第二温度传感器相互间隔地位于阻流体(4’)内部，并且这样安排，使得它们在操作中不会被流动的流体弄湿。

7. 如权利要求6所述的涡流传感器(1’)，其中阻流体(4’)具有至少一个盲孔，所述至少一个盲孔中装配所述第一和第二温度传感器中的至少一个。

8. 如权利要求6或7所述的涡流传感器(1’)，其用于测量流体的流速、体积流量和/或质量流量。

9. 如权利要求6或7所述的涡流传感器(1’)，其中传感器叶片(31’)被旋涡重复移动。

10. 如权利要求7所述的涡流传感器(1’)，其中所述第一和第二温度传感器位于所述至少一个盲孔之中。