CN103674138B - 流量测量仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流量测量仪，具体而言，说明并示出了一种优选地根据科里奥利原理工作的流量测量仪(1)，其带有可由介质流经的引导结构(2)。本发明的目的在于提出一种流量测量仪，其使得能够在尽可能地降低空间需求的情况下实现尽可能高的测量精度。对于所谈及的流量测量仪，该目的由此实现，即在引导结构(2)的外侧(8)上安装有至少一个传感器元件(9)以用于确定和/或监测至少一个过程变量。

Description

流量测量仪
技术领域
本发明涉及一种优选根据科里奥利原理(Coriolis-Prinzip)工作的流量测量仪，其带有可由介质流经的引导结构。
背景技术
科里奥利质量流量测量仪(Coriolis-Massedurchflussmessgeräte)主要在工业的工艺测量技术中使用在需要很高的测量精度的这样的应用中。科里奥利质量流量测量仪的工作原理以此为基础，即由介质流经的至少一个测量管－作为相应的引导结构的部件，其由所述介质流经－由振动发生器来激励以便振动。具有质量的(massebehaftete)介质在此由于由彼此正交的两个速度－流的速度和测量管的速度－引起的科里奥利惯性力而反作用到测量管的壁上，因此相比于在没有流动的介质的情况下的测量管的振动，测量管的振动经历了变化。通过探测被流经的测量管的振动的特征参数－例如尤其在两个测量管区域的偏移(其在测量管的未流经的状态中在相位方面振动)之间的相位差和关于此的时间差－可以很高的精度来确定通过测量管的质量流量(Massedurchfluss)。因此科里奥利质量流量测量仪还经常应用在法定计量中(im eichpflichtigen Verkehr)。
为了可维持这样高的精度要求，必须准确地探测科里奥利质量流量测量仪的状态并且在计算质量流量时必须考虑影响测量结果的参数。承载信息的信号属于该参数，即，激励信号(电流和/或电压)和感兴趣的主要测量信号(即测量管的偏移)，但还有其它的影响参数，例如在测量管的重要的部位处的温度或机械应力。然后将这些特征参数列入到测量值的计算中，其中，凭借计算模型或数据校准。
例如公开文件DE 102 56 376 A1或专利文件DE 42 24 379 C1和文件US 5 381697说明了一种带有用于修正测量值的应力传感器、长度变化传感器或温度传感器的测量组件。根据专利文件US 6 684 715 B1的教导，通过应变传感器来自己探测测量管的振动。
科里奥利质量流量测量仪不仅适用于确定质量流量，其实其还可使用来例如用于确定流体密度和介质的粘度，就正如其还适合用于探测诊断参数，例如探测多相的流或探测沉淀。同样在参数方面对于测量值的尽可能精确并特别是持久精确的探测存在很强的关注。
在工艺自动化中应用测量仪时狭小的空间情况经常引起困难，这需要尽可能小且紧凑地来实施测量仪。
发明内容
因此本发明的目的在于提出一种流量测量仪，其使得能够在尽可能地降低空间需求的情况下实现尽可能高的测量精度。
对于本发明以其为出发点的流量测量仪，之前引出和示出的目的由此来实现，即在引导结构的外侧上安装有至少一个传感器元件以用于确定和/或监测至少一个过程变量。过程变量例如为引导结构的至少一部分的温度或与之相连接的介质的温度。其它的过程变量例如为在引导结构中的长度变化或机械应力。可通过传感器元件确定或监测的过程变量在此根据设计方案用于实际的测量，即接收引导结构的振动或改善测量精度。因此根据设计方案或者确定或监测主要的测量变量或者确定或监测补充的测量变量。通过安装在引导结构的外侧上来尤其避免密封问题，或者如有可能可在已经安装的单元中进行更容易的匹配。此外，还没有由于伸入的元件而干扰介质的流动。
待测量的介质通常尤其为可流动的介质，例如液体、气体或任意的组合，其中，固体也可为介质的成分。
在一种设计方案中，流量测量仪尤其为科里奥利质量流量测量仪。
在一种设计方案中，传感器元件尤其为应变测量元件。这种传感器元件例如允许测量管或测量管路的偏移或允许测量应力，其可出现在引导结构中(例如由于作用到引导结构上的介质中的压力或由于归因于介质的温度的温度效应或由于振动的产生或由于外部的力)。因此在一种设计方案中例如通过以下方式来提高测量精度，即除了例如电磁地运行的振动接收器之外，应变测量元件接收引导结构的振动并且彼此计算两种测量。备选地，应变测量元件用来测量或监测引导结构中的应力。因此一般应将应变测量元件理解为用于测量或监测构件(在其上安装有应变测量元件)的长度变化或机械应力的测量元件。
在另一种设计方案中，传感器元件为温度传感器，其用来测量和/或监测引导结构或者可能与之相连接的介质的温度。因为温度同样对振动特性产生影响，所以在该设计方案中设置有相应的传感器，以便根据已知的相关性在评估且在确定流量时适当地考虑温度的影响。
在一种设计方案中，通过以下方式来简化装配或者引起保护传感器元件，即将至少一个传感器元件至少部分地布置在承载元件上。在制造时，例如将该至少一个传感器元件安装并固定到承载元件上，并且然后才安装到引导结构的外侧上。备选地最后将承载元件固定到引导结构的设有至少一个传感器元件的外侧上。
在一种变型方案中，引导结构具有至少一个管状的测量管路。对此如此设计承载元件且与测量管路相协调，即承载元件可放置成至少围绕测量管路的一部分。因此承载元件在一定的限度中是弹性的，从而其优选地还匹配于管状的测量管路的柱形结构。
备选地，承载元件由这样的材料制成：其可在一定的条件下变形，且否则尤其为刚性的。
由于承载元件而可考虑到的是供流量测量仪支配的空间受到限制或者考虑到的是应简化或加速制造。对于制造来说还产生预定位传感器元件或可能其它的构件(其可安装在引导结构的外侧上)的优点。
在一种设计方案中，仅将一个测量管路的传感器元件布置在承载元件上，而在一种备选的设计方案中，在承载元件上存在与多于仅仅一个测量管路相关联的传感器元件。因此在后一种设计方案中，承载元件好像盖住作为引导结构的部件的至少两个测量管路。
在此在一种设计方案中，承载元件设有粘接层或本身为粘附性物质。在另一种设计方案中，承载元件至少部分地包括粘合带。备选地或补充地为至少一个传感器元件设有覆盖物(Abdeckung)或涂层。
在一种设计方案中设置有至少两个传感器元件。传感器元件在此可不同地来设计并且例如针对相同的过程变量使用不同的测量方法或测量结构或者用于测量或监测不同的过程变量。备选地，传感器元件以相同的方式来构造并且例如允许冗余测量。对于过程变量的测量具有地点相关性的这种情况，例如将以相同的方式实施的传感器元件定位在不同的地点处或者针对相应的测量以不同的方式来取向。
在一种设计方案中，至少两个传感器元件在引导结构上或特别在基本上管状或柱形的测量单元上在直径上彼此相对而置。
在一种设计方案中，同样设置有至少两个传感器元件并且相应设计为应变测量元件。在此，两个应变测量元件相对于引导结构的纵轴线布置成基本上带有相同的定向。因此传感器元件用于在相同的方向上确定或监测引导结构的长度变化，然而在不同的地点处进行确定或监测。在此在一种设计方案中两个传感器元件朝向纵轴线的方向定向且在一种备选的设计方案中垂直于纵轴线进行测量，在此然而基本上彼此平行地进行测量。在其它的设计方案中，应变测量元件相对于纵轴线布置在任意的中间位置中。因此传感器元件或者沿轴向沿着引导结构的纵轴线来定位或沿径向或在周向上围绕引导结构以不同的方式来定位或关于其测量方向(例如沿着其来确定长度变化的路段)来定向。补充地，传感器元件沿轴向和沿径向或在周向上位于不同的位置处。
在一种备选的设计方案中，设计为应变测量元件的至少两个传感器元件相对于引导结构的纵轴线布置成带有不同的定向。在此，尤其一个应变测量元件布置成基本上沿着引导结构的纵轴线，而另一应变测量元件布置成基本上垂直于该纵轴线。因此一个测量元件允许测量轴向应力或轴向的长度变化，而另一测量元件允许测量周向上的应力或周向变化。
许多传感器元件尤其依赖于电接触以便提供电能或者以便确定传感器元件的用于测量或监测过程变量的特征参数。因此，例如特别的元件的电阻在温度或应变或伸展作用到该元件上的情况下发生变化，从而可从电阻的确定中通过相应的校准曲线推出温度或长度变化。线路或接触部(Kontaktierung)例如为金属线。
在一种设计方案中设置成至少两个传感器元件单独地进行电接触。因此在很多变型方案中伴随有将两个电气线路引导至每个传感器元件。
为了降低电气线路的数量且因此还降低成本或空间需求，在一种设计方案中设置成两个传感器元件在电方面串联连接。在一种设计方案中设置有多于两个传感器元件，从而甚至至少两个传感器元件-例如至少三个传感器元件-在电方面彼此串联连接。通过串联连接可取消至少一个电气输入线路。
如果例如应通过单独的传感器元件测量电压降，那么在传感器元件之间还始终必需分接头(Abgriff)。在一种设计方案中，电流优选地通过所有的传感器元件来测量。
彼此串联连接的传感器元件在此可以不同的方式或以相同的方式来设计。在一种设计方案中，传感器元件为不同的类型，从而，在一种特别的设计方案中将两个传感器元件中的一个设计为应变测量元件而将两个传感器元件中的另一个设计为温度测量元件。
在一种变型方案中，在两个－不同的有特征的(ausgeprägt)－传感器元件中，为了确定和/或监测相应的过程变量(应变或温度)而转化电阻的相关性。该传感器元件可单独地进行电接触。
在一种设计方案中，应变测量元件和温度测量元件在电方面串联连接。因此，在一种设计方案中，通过两个传感器元件来测量通过仅相应与传感器元件相关联的两个电触点的电流，并且结合中间分接头(Mittenabgriff)通过每个传感器元件来单独地－即通过似乎属于两个传感器元件的触点－测量电压。因此在串联连接的该设计方案中节省了至少一个接触元件，例如线缆，这还迎合了受限定的空间需求。
在一种设计方案中，用于介质的引导结构具有可由介质流经的至少一个测量管路。测量管路例如为测量管。
在一种扩展的设计方案中，引导结构具有由测量介质流经的至少两个测量管路，并且优选地为了测量流量而激励该测量管路振动。
在一种设计方案中，传感器元件的数量至少相应于测量管路的数量，而在一种设计方案中，传感器元件的数量大于测量管路的数量。
然而在一种附加的设计方案中，传感器元件的数量小于测量管路的数量，从而不是每个测量管路设有传感器元件。后一种设计方案特征尤其在于降低的成本和更小的空间需求。
在一种设计方案中设置有至少两个传感器元件，并且引导结构具有至少两个测量管路。在此，至少一个传感器元件相应布置在测量管路的外侧上。此外，传感器元件如此布置在相应相关联的测量管路上，即传感器元件在周向上围绕相应的测量管路的相对位置是不同的。因此例如一个传感器元件布置在一个测量管路的上方，而另一传感器元件布置在另一测量管路的下方。另外，传感器元件还可沿着引导结构的纵轴线布置在不同的高度上。在一种备选的设计方案中，传感器元件在相同的轴向高度上彼此相对而置。在一种附加的备选的设计方案中，传感器元件也相应地布置在测量管路处，其中，传感器元件在测量管路处的相对位置大致相同。
在周向上围绕测量管路的不同的位置引起在一种设计方案中将传感器元件相应以其它的角度范围布置在垂直于引导结构的纵轴线的平面中。在一种备选的设计方案中，传感器元件相应处于相同的角度范围中。在此，利用来观察或比较角度范围的平面可彼此重合或者彼此平行地相继地来布置，这还反映成在一种设计方案中传感器元件沿着引导结构的纵轴线布置在不同的高度上。
因此总地可表达成在引导结构具有多个测量管路且流量测量仪具有多个传感器元件的情况中，传感器元件在周向上安装在测量管路的相应其它的位置上。备选地或补充地，传感器元件关于引导结构的纵轴线沿轴向以不同的高度位于测量管路上。
在一种设计方案中，两个传感器元件相应如此布置在测量管路上，即两个传感器元件在周向上彼此相对而置。在该设计方案中这两个传感器元件在周向上彼此错位180°，从而在一种变型方案中一个传感器元件在其测量管路上布置在上方，而另一传感器元件在其测量管路上布置在下方。因此，如果两个传感器元件放置在共同的测量管路上，那么其在直径上彼此相对而置。通过分布在多个测量管路上可更有效地充分利用供使用的空间，并且还可通过将过程条件或介质作用到引导结构的不同的部位上来进行更精确的测量。在此，例如在一种设计方案中，从用于单个的测量管路的传感器元件的测量数据中重新计算好像共同形成的测量管路的周向上的测量情况。
在一种设计方案中，引导结构的测量管路的数量提高到至少四个。在此，在一种设计方案中，四个测量管路相叠地布置在两排中并且与此同时并排地布置在两列中。取决于所选择的在测量管路之间的间距，尤其由四个测量管路设定成矩形或甚至正方形。
在一种设计方案中，根据所进行的设计方案为四个测量管路仅设置两个传感器元件，在其中，传感器元件相应地与测量管路相关联。在此，传感器元件在周向上围绕相应的测量管路的相对位置相应不同。尤其在一种设计方案中，一个传感器元件位于一个测量管路的上方，而另一传感器元件位于在另一测量管路的下方。装备有传感器元件的测量管路在此位于四个测量管路的不同的排和不同的列中。因此，如在之前的设计方案中一样，传感器元件在周向上彼此错位180°。
在另一种设计方案中，为四个测量管路设置有四个传感器元件，其相应在周向上彼此错位90°。因此，对于数量为n的传感器元件，通常优选地使这些传感器元件在周向上彼此错位360°/n，其中，n为大于1的自然数。
多个传感器元件的分布的这种类型还可相应地在一个测量管路中进行，从而在一种设计方案中例如将三个传感器元件围绕一个测量管路布置成彼此错位120°。
附图说明
具体存在设计和改进根据本发明的流量测量仪的多种可能性。为此，一方面参考从属于权利要求1的权利要求，另一方面结合附图参考实施例的如下说明。其中：
图1以示意性的空间的图示显示了根据本发明的流量测量仪，
图2以示意性的俯视图显示了根据本发明的流量测量仪的一种备选的设计方案的一部分，
图3显示了在图2中示出的设计方案的备选方案，
图4作为剖面显示了在示例性的示意性的设计方案中的根据本发明的流量测量仪，
图5作为剖面显示了另一示例性的根据本发明的流量测量仪，以及
图6以剖面图示显示了根据本发明的流量测量仪的另一实施例。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的流量测量仪1的第一设计方案的空间上的图示。图2和3相应地显示了在承载元件12上的传感器元件9。在图4和5中针对引导结构2的相应其它的设计方案显示了传感器元件9的布置的变型方案。图6以剖面显示了流量测量仪1的附加的变型方案。
图1示意性地显示了流量测量仪1，其引导结构2包括测量管路3－备选的名称为测量管。该测量管路3在此由此处未示出的介质流过，介质的质量流量由根据科里奥利原理工作的流量测量仪1来确定。
为此在测量管路3上设置有振动发生器4，其将测量管路3置于机械振动中。振动发生器4尤其以电磁的方式来工作。流动的测量介质相反地对振动发生作用，从而可由测量管路3的有效的振动来确定质量流量。为此将振动发生器5设置在测量管路3上，该振动发生器截取有效的振动。
此处以受激励的振动和所探测的振动为出发点来在科里奥利处理单元6中确定质量流量的值，并且在所显示的变型方案中通过现场总线7传递到例如此处未示出的控制室处。
为了提高测量精度，在测量管路3的外侧8上安装有至少一个传感器元件，而在所显示的示例中甚至安装有两个传感器元件9。此处传感器元件9相应为用于测量在测量管路3中的机械应力的应变测量元件10－在所示出的变型方案中尤其设计为应变测量条。
在此，一个传感器元件9布置成沿着测量管路3的纵轴线11并且另一传感器元件9布置成垂直于测量管路3的纵轴线11。因此传感器元件允许在不同的方向上测量或监测测量管路3。在传感器元件9上设置有承载元件12，其在此尤其用来相对于环境保护传感器元件9。
传感器元件9相应单独地在电方面进行接触并且相应地与自己的预处理单元13相连接，其在此尤其用来测量或确定传感器元件9的相应的电阻。
与预处理单元13相连接的是应变处理单元14，其由预处理单元13的数据来确定测量管路3的应力并且又将该值通过现场总线7传送到此处未示出的上级的控制室处。此处可能相应地修正质量流量的值。
测量仪1的构造的特征在于相对很小的空间需求，其中，通过附加地测量在测量管路3中的机械应力或其长度变化来获得提高测量精度或保证恒定很高的精度。
在图2中在承载元件12上安装有多个传感器元件9。在该变型方案中将传感器元件9首先安装到承载元件12上并且在此处例如通过粘附地起作用的物质来固定。然后在制造时将已装配的承载元件12放置成围绕相应的引导结构的部件的外侧。
外部的两个应变测量元件10相应地如此布置并且承载元件12如此大地来设计，即在将承载元件12安装到管状的测量管路上之后外部的两个传感器元件9彼此在直径上相对而置。为此两个传感器元件9还基本上相同地来设计并且相同地来定向。
在外部的两个应变测量元件之间存在多个其它的应变元件10，例如相对于外部的元件9垂直定向的应变元件，其中，两个应变元件在电方面串联连接。附加地，还设置有温度测量元件15，其允许测量测量管路或与此同时还测量测量介质的温度。
在图3中示出了一种设计方案，在其中不同的两个传感器元件9在电方面串联连接。传感器元件9在此同样位于承载元件12上。
在此涉及应变测量元件10和温度测量元件15。其在所显示的设计方案中为被动的元件，其电阻相应地取决于过程变量：应变或温度。
为了确定电阻，在点A与C之间加有(eingeprägt)电流并且在点A与B或B与C之间测量电压降。然后相应地由欧姆定律得出电阻。
带有串联连接的传感器元件9的设计方案尤其特征在于可放弃其它的输入线路，例如该输入线路在单独的电接触中是必需的。由此可降低费用并且可对受限的空间情况作出反应，因为需要很小的空间。
然而根据传感器元件的设计方案还可测量在A与C之间的电压，从而可彻底放弃在点B处的中间区段并且还可在两个传感器元件9之间仅设置直接的连接。
对于在图4和5中示出的设计方案，用于未示出的介质的相应的引导结构2具有多于一个的测量管路3：即在图4的设计方案中有两个测量管路，而在图5的设计方案中有四个测量管路。
在图4的设计方案中，每个测量管路3关联有传感器元件9。传感器元件9关于相应相关联的测量管路3(其在此相应指的是测量管路3的周缘)的相对位置彼此不同。两个传感器元件9在此关于垂直于引导结构2的纵轴线的平面相应位于不同的空间角度中，引导结构的纵轴线在此垂直于图纸平面伸延并且在所显示的设计方案中测量管路3的纵轴线也相对于引导结构的纵轴线平行地伸延。
两个传感器元件9关于周向彼此直接相对而置，从而在此一传感器元件9布置在上方而另一传感器元件布置在下方。在此在所显示的设计方案中传感器元件9沿轴向布置在相同的高度上。在此处未示出的一种备选的设计方案中，传感器元件9沿着引导结构2的纵轴线沿轴向处在不同的高度上。
在图5的设计方案中也可发现相对而置地布置传感器元件9，在其中，引导结构2具有四个测量管路3。
测量管路3在此以两排或两列布置成呈矩形的形状。在此不是每个测量管路3都设有传感器元件9，而是为四个测量管路3仅设置两个传感器元件9，从而引起成本降低且减少空间需求。
两个传感器元件9在周向上相对于所属的测量管路3位于不同的位置上。此外，传感器元件9与位于不同的排和不同的列中的测量管路3相关联。
图1的构造的测量管路3构造为笔直的管，而在现有技术中的一些流量测量仪中还存在呈V形、U形或Ω形的弯曲的管。除了弯曲的一个或多个管之外，通常设置有包围的壳体。
图6利用流量测量仪1显示了这样的弯曲的测量管路3，该流量测量仪尤其具有布置成彼此平行的并且因此在剖面中仅单一地示出的两个测量管路3。
管的弯曲在此进行成从可插入到正常的管系统中的笔直伸延的承载元件16中出来。测量管路3(其中，此处仅在剖面中可见)由壳体17包围。
振动发生器4位于测量管路3的弯路的内部，而振动接收器5位于弯路的外部。两者相应经由支架18与测量管路3相连接，由此还传递力和力矩。支架18在此至少以90°的角度包围测量管路3。此外，支架18如此设计，即振动发生器4或振动接收器5相对于测量管路3的管壁具有可预定的间距。
还有调温管路19延伸通过壳体17，该调温管路或者通过加热或者通过冷却来提供保持不变的温度且同时甚至还在内部中用作壳体17的加强元件。
用于测量或监测测量管路3的应变的应变测量元件10和温度测量元件15作为传感器元件9设置在测量管路3上。通过温度测量元件15和在测量介质与调温管路19之间的相互作用还附加地使能量收获器(Energieharvester)20运转，其在此用来通过充分利用温度差来获取能量。
因为测量管路3弯曲，所以传感器元件9的定向或定位相应与共同的管区段或与未弯曲的测量管路3和因此笔直伸延的纵轴线有关。作为纵轴线并为了参考，在一种设计方案中将参考在测量管路3的内部的测量介质的走向。

Claims (5)

1.一种根据科里奥利原理工作的流量测量仪(1)，其带有可由介质流经的引导结构(2)，
其中，在所述引导结构(2)的外侧(8)上安装有至少两个传感器元件(9)以用于确定和/或监测至少一个过程变量，且其中，所述两个传感器元件(9)中的一个设计为应变测量元件(10)而所述两个传感器元件(9)中的另一个设计为温度测量元件(15)，
其特征在于，
所述应变测量元件(10)和所述温度测量元件(15)在电方面串联连接。
2.根据权利要求1所述的流量测量仪(1)，其特征在于，所述引导结构(2)具有至少两个测量管路(3)，在测量管路(3)的外侧(8)上相应地布置一传感器元件(9)，并且所述传感器元件(9)在周向上围绕相应的所述测量管路(3)的相对位置是不同的。
3.根据权利要求2所述的流量测量仪(1)，其特征在于，所述传感器元件(9)相应地以不同的角度范围布置在垂直于所述引导结构(2)的纵轴线(11)的平面中。
4.根据权利要求3所述的流量测量仪(1)，其特征在于，所述两个传感器元件(9)相应如此布置在测量管路(3)上，即所述两个传感器元件(9)在周向上彼此相对而置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的流量测量仪(1)，其特征在于，所述引导结构(2)具有至少四个测量管路(3)，其上下重叠地布置成两排且并排布置成两列，设置有两个传感器元件(9)，传感器元件(9)相应地与测量管路(3)相关联，所述传感器元件(9)在周向上围绕相应的所述测量管路(3)的相对位置相应是不同的，并且所述两个传感器元件(9)与之相关联的所述测量管路(3)位于所述四个测量管路(3)的不同的排和列中。
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