CN103874909B - 测量换能器及利用该测量换能器形成的测量系统 - Google Patents

Abstract

一种测量换能器，包括用来传送流动介质的至少一个测量管（10），以及与所述至少一个测量管（10）机械耦接的换能器机壳（100）。所述换能器机壳（100）包括内壳（101）和外覆层（102），内壳形成容纳所述至少一个测量管的腔体（100'），外覆层至少部分通过纱线（102#）形成，所述覆层（102）被布置在所述腔体外部并且围绕所述内壳。

Description

测量换能器及利用该测量换能器形成的测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量换能器，具有传送流动介质的测量管和与至少一个测量管机械耦接的换能器机壳，并且机壳具有改进抗压性。此外，本发明涉及一种通过这种测量换能器形成的测量系统。

背景技术

为了记录流动介质，例如气体和/或液体的被测变量，以及为了产生相应代表所述被测变量的测量值，在工业过程测量技术中，特别是结合通过使用化学、物理或生物学过程从原材料或起始材料生产产品的自动化学过程或者程序，使用近过程(process-near)测量系统，这种系统由下列组件形成：测量换能器，其与传送特殊流体的过程管线(例如管道形式的过程管线)即在操作期间被流体流经的过程管线连通，测量换能器是磁感测量换能器的形式，或者是振动式测量换能器；以及测量电子装置，其电耦接测量换能器，在给定情况下，也远离测量换能器。被记录的被测变量例如可以是介质的密度、流速、体积流量、质量流量或粘度。

在下列文献中描述了用于流动介质的这种测量换能器的实例，例如磁感测量换能器或振动式测量换能器，或者利用这类换能器形成的测量系统，即EP-A 045 646、EP-A 1001 254、EP-A 770 856、US-A 5,301,557、US-A 5,796,011、US-A 6,044,715、US-B 6,711,958、US-B 6,776,052、US-B 6,957,587、US-B 7,017,424、US-B 7,392,709、WO-A 00/57141、WO-A 00/57141、WO-A 01/65213、WO-A 03/021202、WO-A 03/021203、WO-A 03/076879或WO-A 98/38479等等。

传统的用于流动介质的测量换能器，尤其是所有的磁感测量换能器或振动式测量换能器，做通常被具体实施为预先制作并且提前校准的结构单元，其具有可插入相应过程管线路径中的测量管，起一部分物理-电换能器的作用，在测量系统的操作期间被将被测量的介质流经并且配备有安装在其上的至少一个传感器元件，以及换能器机壳，其机械耦接例如由金属制造的至少一个测量管。换能器机壳用于该物理-电换能器的外部保护，并且最通常也由金属制造，并且形成容纳该至少一个测量管的腔体。在振动式测量换能器的情况下，该至少一个测量管最通常被可振荡地保持在换能器机壳的进口以及相应地在出口侧一端处。换能器机壳由厚壁，特别是管状和/或梁状支撑缸体或框架形成，并且用于在测量管中输送的介质中产生机械反作用力，至少偶尔被激励，以通过至少一个振荡激励器，最通常为交互连接所述测量管的电动振荡激励器，绕静态静止位置振动。为了记录测量管特别是内侧、相应外侧的振动，以及为了产生代表这些振动的至少一个测量信号，这种振动式测量换能器还在每种情况下都具有至少一个振荡传感器，通常最通常为电动振荡传感器，其对振动有反应，特别是测量管的弯曲振荡。

为了进一步处理或评价通过测量换能器产生的测量信号，该系统还包括至少一个测量电子装置。以适当的方式与相应传感器元件、因此与测量换能器通信的测量电子装置在操作期间，从至少一个测量信号重复地产生瞬时代表被测变量的至少一个测量值，因而例如为质量流量测量值、体积流量测量值、密度测量值和/或粘度测量值。为了容纳测量电子装置，该测量系统最通常包括相应的电子装置机壳，该电子装置机壳例如能够被布置为远离测量换能器，并且仅通过柔性电缆与其连接。作为替换方式，诸如也在最初提到的US-A5,796,011中所示的电子装置机壳能够直接附接在测量换能器机壳上，所以形成紧凑的管内测量装置。在这种类型的测量系统的情况下，测量电子装置通常另外地通过相应的电线和/或通过无线电连接而无线地电连接至上级电子数据处理系统，该系统最通常在空间上被布置远离测量电子装置。最通常，电子数据处理系统也空间分布。各自测量系统产生的测量值通过相应的载有测量值的测量值信号而实时向附近转发。所述类型的测量系统另外通常通过被设置在上级数据处理系统内的电线或无线电式数据传输网络彼此连接，和/或连接相应的电子过程控制装置，例如现场可编程逻辑控制器(PLC)或被安装在远程控制室内的过程控制计算机，其中转发测量系统产生的，并且以适当的方式数字化和相应地编码的测量值。通过使用相应安装的软件组件的过程控制计算机，被传送的测量值还能够被处理和可视化为，例如监控器上的相应测量结果，和/或被转换为控制信号，用于其它具体化为致动装置的场装置，诸如磁操作阀、电动马达等等。因此，数据处理系统常常用于根据下游数据传输网络的要求，调节测量电子装置传输的测量值信号，例如适合使测量值信号数字化，并且在给定情况下，将该值转化为相应的电报和/或现场评价。出于该目的，在数据处理系统中布置与各自连接线路电耦接的评价电路，其预处理和/或进一步处理，以及视需要适当地转化从各自测量电子装置接收的测量值。用于在这种工业数据处理系统中数据传输的是至少可组合，特别是串联现场总线，诸如FOUNDATION FIELDBUS、CAN、CAN-OPEN、RACKBUS–RS 485、PROFIBUS等等，或者例如也可为基于ETHERNET标准的网络，以及相应的，最通常为应用程序综合标准化传输协议。

除了用于保持被设置在通过换能器机壳形成的腔体内的至少一个测量管之外，换能器机壳还特别用于保护激励器以及传感器布置，以及其它位于内部的组件，防止受到外部环境影响，诸如灰尘或水喷洒，因此提供尽可能密闭密封的腔体。此外，在未密封的或突出(burst)的测量管的情况下，用户也常常要求用于测量换能器的机壳能够在腔体内保持静态内部压力(该压力最通常明确地处于大气、外部压力以上)，无渗漏，至少对于特定时间量如此。因而，机壳应具有特定水平的抗压性；关于这一点，也比较最初提及的WO-A 00/57141、US-B 7,392,709、US-B 6,957,587、US-A 6,044,715、US-A 5,301,557或EP-A 1 001254。特别地，对于有毒或易燃流体，在给定情况下，换能器机壳甚至必须能够满足对安全容器的要求。

与此相关的现有技术的缺点在于，特别对于远高于100巴的高静压力介质的应用，在相应的传统换能器机壳的比例情况下，特别是壁厚以及相关联的质量以及制造成本都不成比例地增加。

发明内容

因此，本发明的目标在于改进上述类型的测量换能器的换能器机壳，特别是用作科氏质量流量计和/或密度计的振动式测量换能器的那些换能器机壳，使它们用尽可能小的安装测量换能器质量也能够抵抗超过100巴的高内部压力。

为了实现该目标，本发明提供一种测量换能器，特别是振动式测量换能器或磁感测量换能器，包括：至少一个测量管，例如金属的测量管，以传送流动介质，例如气体和/或液体；以及与该至少一个测量管机械耦接的换能器机壳，其中换能器机壳具有内壳和外覆层，内壳例如是金属内壳，该内壳形成容纳该至少一个测量管的腔体，外覆层至少部分通过纱线形成，例如经过机械预加应力的纱线和/或单丝纱线，外覆层被布置在腔体外部并且围绕内壳的覆层。

此外，本发明提供一种用于测量在管道中流动的介质——特别是气体和/或液体介质——的测量系统，该测量系统包括这种测量换能器，以及与其电耦接的测量电子装置，例如，利用测量换能器的传感器元件产生的至少一个测量信号，产生代表介质参数的至少一个测量值。

根据本发明的测量换能器的第一实施例，提供该纱线至少部分包括玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳纶纤维。

根据本发明的测量换能器的第二实施例，提供该纱线为丝纱线，特别是单丝纱线、微丝纱线或多丝纱线。

根据本发明的测量换能器的第三实施例，提供该纱线在预加应力下缠绕和/或多次缠绕内壳。

根据本发明的测量换能器的第四实施例，提供该纱线经弹性应变，特别是被预加应力。

根据本发明的测量换能器的第五实施例，提供内壳密封腔体。

根据本发明的测量换能器的第六实施例，提供内壳具有柱形区域，特别是圆柱形区域。在本发明的该实施例进一步发展中，还提供外覆层至少部分覆盖该柱形区域。

根据本发明的测量换能器的第七实施例，提供外覆层覆盖超过50％、特别是超过80％的内壳表面。

根据本发明的测量换能器的第八实施例，提供外覆层接触超过50％、特别是超过80％的内壳表面。

根据本发明的测量换能器的第九实施例，提供内壳具有抵消腔体内主要存在的静态内部压力的一定抗压性，其至少为抵消所述内部压力的换能器机壳的抗压性的90％。在本发明的该实施例的进一步发展中，另外提供换能器机壳的抗压性超过80巴，特别是超过100巴。

根据本发明的测量换能器的第十实施例，提供换能器机壳的外覆层和内壳彼此接触。

根据本发明的测量换能器的第十一实施例，提供外覆层具有基质，该基质包埋纱线，并且由合成材料、特别是环氧树脂形成。

根据本发明的测量换能器的第十二实施例，该测量换能器还包括：被布置在通过内壳形成的腔体内的至少一个振荡激励器，以产生该至少一个测量管的振动；以及被布置在通过内壳形成的腔体内的至少一个传感器元件，以记录该至少一个测量管的振动，并且产生代表所述振动的测量信号。

本发明的基本理念在于提供一种振动式测量换能器的换能器机壳，其具有大于传统测量换能器机壳的抗压性，即用非常防裂的纱线缠绕实际上作为流体容器的换能器机壳内壳，因此流体密封内壳，纱线是由一个或更多纤维、在给定情况下为扭曲在一起的纤维、例如一个或更多碳纤维、芳纶纤维和/或玻璃纤维形成的线形织物。因而，通过比较薄并且非常轻，然而极其防裂的外覆层加固内壳。

在该情况下，能够非常易于通过相应数目的缠绕和/或相应的缠绕引导来实现期望的抗压性。另外，例如能够通过下列方式实现远超过100b的进一步抗压性提高，即将相应的预加应力引入纱线，例如通过非常紧密地缠绕纱线，和/或通过随后使缠绕纱线粘附合成材料，例如环氧树脂，其穿过缠绕空隙，和/或将壳体和覆层彼此有粘性地紧固地粘结在一起。

本发明的优点在于，通过应用纱线来形成换能器机壳的外覆层，伴随相对较少的添加质量、相应为相对较小的体积增长，可实现很高的抗压性，该体积增长也是用于制造测量换能器所需的，并且通过下列方式保持成本节约，即首先仅是内壳，继而是换能器机壳仅具有基本抗压性。本发明的进一步优点尤其也在于，本发明允许视需要稍微改进传统测量换能器的换能器，从而直接使其更有抗压性。

附图说明

现在将基于附图中示出的实施例实例，更详细地解释本发明及其其它有利实施例。在所有图中，相同部分都具有相同标识符；当需要清晰或其它感觉原因时，在后来的图中省略上述标识符。此外，通过附图的图，以及也通过从属权利要求本身，将明白其它有利实施例或进一步发展，特别是所有可能的组合，首先是仅本发明的个别解释方面。其中：

图1a、b示出测量系统，这里是具体实施为用于在管线，例如管道内流动的介质的紧凑构造的管内测量装置的两个不同侧视图；

图2示出测量换能器，这里是适合在根据图1a、1b的测量系统中应用的振动式测量换能器；

图3a、3b、3c示出适合形成根据图2的测量换能器，因此形成根据图1a、1b的测量系统的换能器机壳变体的详图；和

图4示出本发明的测量系统的另一变体的透视、侧视图。

具体实施方式

图1a、1b示意性示出在过程管线(未示出)中流动的介质，诸如液体和/或气体的测量系统，特别是适合应用于工业测量和自动控制技术的测量系统的实施例实例。

测量系统特别用于测量在过程管线(例如，管道形式的过程管线)中被引导的介质——特别是处于超过80巴的高静压力下的介质——的至少一种物理被测变量。例如，被测变量能够是流量参数，诸如流动介质的质量流速m或总质量流量M，或者例如也能够是材料参数，诸如过程管线中引导的介质的密度ρ或粘度η。

为了记录至少一个被测变量，该测量系统包括：测量换能器MT，其与被测量的介质相互作用，这里是可通过法兰13、14插入过程管线的路径，即在操作中被测量的介质流经的路径，用于把至少一个被测变量转换为依赖该被测变量的至少一个测量信号；以及测量装置电子装置ME，其电耦接测量换能器MT，特别是被容纳在抗冲击和/或抗压电子装置机壳200中的测量装置电子装置ME，用于激活测量换能器并且评价该至少一个测量信号，特别是依赖于该至少一个被测变量的电测量信号，从而利用测量信号产生代表被记录的被测变量的至少一个测量值。如图2中示意性所示，测量换能器包括：至少一个测量管10，例如金属测量管，其充分抗压，并且这里为V形，以传送介质；以及与该至少一个测量管机械耦接的、同样抗压的换能器机壳100，因此为具有超过80巴、特别是超过100巴的抗压性的换能器机壳100，该换能器机壳100形成至少部分容纳测量管10的腔体100'。为了产生相应于将被记录的被测变量的测量信号，此外，提供至少一个传感器元件50，其与测量管10和/或在其中引导的介质相互作用，传感器元件被布置在通过换能器机壳100形成的腔体100'中，并且被直接布置在测量管上，或者紧邻测量管，并且以至少一个信号参数的相应变化，例如信号振幅、信号频率或相位角的相应变化，来对至少一个被测变量的变化做出反应。

在本发明的实施例中，测量装置具体实施例为科氏质量流量计和/或密度测量装置，因此，测量换能器为振动式，在该情况下，在操作中导致该至少一个测量管10至少多次振动，以产生测量信号，并且在该情况下，该至少一个传感器元件50用于记录与流经所述测量管100的介质的质量流速和/或密度相关的测量管的局部振动。为了产生该至少一个测量管10的振动，测量换能器还包括振荡激励器40，其与测量管相互作用，并且与传感器元件一样，被布置在由换能器机壳形成的腔体100'中。

如上所述，提供的测量系统特别应用于具有高压的介质。特别地，为了实现相应的高抗压性，在本发明的测量换能器的情况下，换能器机壳特别包括：内壳101，例如金属内壳，或者在给定情况下为纤维加固、合成材料内壳，内壳101形成容纳至少一个测量管10以及安装在测量管上的传感器元件的腔体；以及外覆层102，其至少部分通过绕内壳缠绕多次的纱线102#形成，外覆层102被布置在腔体外部并且围绕内壳101，例如以下列方式，即如图2、3a、3b和3c中每种情况下示意性示出的，换能器机壳的外覆层102和内壳101彼此直接接触，和/或如图3b中示意性示出的，纱线102#被缠绕成在内壳101上以重叠层的形式布置，因而被绕内壳101缠绕多次。

在本发明的另外实施例中，在该情况下还提供，外覆层102具有抗压性，其抵消腔体100'中潜在存在的、即在测量管发生渗漏或爆炸的情况下的静态内部压力，该抗压性大于抵消所述内部压力的换能器机壳100的抗压性的10％，因此，内壳101具有抗压性，其抵消腔体100'中存在的所述内部压力，该抗压性小于换能器机壳抗压性的90％。这样，与仅通过相应于内壳的壳体形成的换能器机壳相比，外覆层102实现了相应的抗压性增加，伴随的仅仅是测量换能器MT安装质量和相应外部尺寸的相对很小的增加。

本发明尤其还提供，外覆层102接触超过50％、特别是超过80％的内壳101表面。根据本发明的另外实施例，换能器机壳内壳101这样具体实施，使其密闭地密封腔体。此外，外覆层能够这样具体实施，使其覆盖超过50％、特别是超过80％的内壳表面，例如，以使得内壳的大单片区域也被外覆层不透明地覆盖。用于形成外覆层的纱线102#例如能够为丝纱线，因此为通过单根纤维形成的单丝，由两根或五根单纤维形成的微丝纱线，或者具有超过五根单纤维的多丝纱线。特别适合制造这里使用的纱线102#的纤维包括例如玻璃纤维、碳纤维以及芳纶纤维，其每个都极其防裂。为了另外提高最终对换能器机壳100实现的抗压性，纱线102#能够被弹性应变因此被预加应力地缠绕在换能器机壳的内壳101上，和/或外覆层102另外能够通过合成材料102+形成，例如环氧树脂，在图3c示意性示出，该环氧树脂起包埋纱线102#的基质的作用。

在本发明的另外实施例中，特别是为了简化纱线102#在内壳101上的缠绕的目的和/或为了也实现内壳尽可能高的抗压性目的提供，如图4所示的，换能器机壳的内壳101具有至少一个柱形区域101'，特别是圆柱形区域101'，例如对应于最初提及的US-A 5,796,011、US-B 7,017,424、US-B 7,350,421或US-B 7,392,709中所示的相应测量换能器、相应为测量系统的换能器机壳。此外，在该情况下，提供外覆层至少部分覆盖该至少一个柱形区域101'，因而如图4中示意性示出的，也绕换能器机壳的所述区域101'缠绕纱线102#。

Claims (29)

1.一种测量换能器，包括：

-至少一个测量管(10)，用于传送流动介质；以及

-换能器机壳(100)，与所述至少一个测量管(10)机械耦接，其中所述换能器机壳(100)具有：

--内壳(101)，所述内壳(101)形成容纳所述至少一个测量管的腔体(100')，和

--外覆层(102)，该外覆层(102)至少部分由纱线(102#)形成，所述外覆层(102)被布置在所述腔体外部并且围绕所述内壳，

其中，所述外覆层(102)具有抗压性以抵消所述腔体(100')内潜在存在的静态内部压力，所述外覆层(102)的抗压性大于抵消所述内部压力的所述换能器机壳(100)的抗压性的10％。

2.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述测量换能器是振动式测量换能器。

3.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述测量换能器是磁感测量换能器。

4.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述测量管(10)是金属测量管(10)。

5.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述流动介质是气体和/或液体。

6.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述内壳(101)是金属内壳。

7.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述纱线(102#)是处于机械预加应力下的纱线(102#)和/或单丝纱线(102#)。

8.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述纱线(102#)至少部分地包括玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳纶纤维。

9.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述纱线是丝纱线。

10.根据权利要求9所述的测量换能器，其中所述纱线是单丝纱线、微丝纱线或多丝纱线。

11.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述纱线在预加应力下缠绕所述内壳和/或所述纱线多次缠绕所述内壳。

12.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述纱线经弹性应变，因此被预加应力。

13.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述内壳密封所述腔体。

14.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述内壳具有至少一个柱形区域(101')。

15.根据权利要求14所述的测量换能器，其中所述柱形区域是圆柱形区域。

16.根据权利要求14所述的测量换能器，其中所述外覆层至少部分覆盖所述柱形区域。

17.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述外覆层覆盖超过50％的所述内壳的表面。

18.根据权利要求17所述的测量换能器，其中所述外覆层覆盖超过80％的所述内壳的表面。

19.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述外覆层接触超过50％的所述内壳的表面。

20.根据权利要求19所述的测量换能器，其中所述外覆层接触超过80％的所述内壳的表面。

21.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述内壳具有抗压性以抵消所述腔体内存在的静态内部压力，所述内壳的抗压性小于抵消所述内部压力的所述换能器机壳的抗压性的90％。

22.根据权利要求21所述的测量换能器，其中所述换能器机壳的抗压性超过80巴。

23.根据权利要求22所述的测量换能器，其中所述换能器机壳的抗压性超过100巴。

24.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述换能器机壳的所述外覆层和所述内壳彼此接触。

25.根据权利要求1所述的测量换能器，其中所述外覆层具有基质，所述基质包埋所述纱线，并且通过合成材料(102+)形成。

26.根据权利要求25所述的测量换能器，其中所述基质通过环氧树脂形成。

27.根据权利要求1所述的测量换能器，还包括：

-至少一个振荡激励器(40)，布置在通过所述内壳形成的腔体中，以产生所述至少一个测量管(10)的振动；以及

-至少一个传感器元件(50)，布置在通过所述内壳(100')形成的腔体中，用于记录所述至少一个测量管的振动，并且产生代表所述振动的测量信号。

28.一种用于测量在管道内流动的介质的测量系统，所述测量系统包括根据权利要求1-27中的一项所述的测量换能器(MT)，以及与其电耦接的测量电子装置(ME)，从而，利用所述测量换能器(MT)的传感器元件(50)产生的至少一个测量信号，产生代表介质的被测变量的至少一个测量值。

29.根据权利要求28所述的测量系统，其中所述介质是气体和/或液体介质。