CN107110681A - 流量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种流量计(1)，包括传感器单元以及测量和/或评估单元(8)，用于确定管(2)中测量介质(5)的体积流量、质量流量和/或流速，其特征在于，流量计(1)包括：a)传感器单元，用于确定测量介质的体积流量、质量流量和/或流速，传感器单元布置在管(2)上或管(2)中；以及b)麦克风(10，15)，布置在管(2)上或管(2)中。麦克风用于在能量节省操作模式和正常操作模式之间切换。麦克风同样用于检测测量介质的状态的变化。

Description

流量测量装置

技术领域

本发明涉及一种流量测量装置。

背景技术

流量测量装置是使用不同的标准区分的。最广泛使用的区分标准是根据测量原理区分。相应地，已知科里奥利流量测量装置、超声波流量测量装置、热流量测量装置、涡流流量测量装置、磁感流量测量装置、SAW(表面声波)流量测量装置、V锥体流量测量装置以及悬浮体流量测量装置。相应的流量测量装置是可以在商业上从申请人或其他人得到的。

DE 102007007812 A1描述了一种传感器，其传递有关被测介质的质量的信息。未检测体积流量。

为了优化流量测量装置的能量需求，可以应用不同的控制方法。因此，例如电池驱动的磁感流量测量装置，其有效使用和运行时间基本上取决于对电池存储的能量的能量预算的控制。然而，磁感流量测量装置的能量优化操作还会导致相当多的成本节约，在由供电网络提供能量的装置的情况下，在大多数情况下，因为这种装置要操作数年或数十年。

此外，会在管道中出现测量干扰，例如由气泡、杂质、固体或涡流造成的干扰。这种测量干扰影响流量测量。

发明内容

从前面提出的问题开始，本发明的目的是提供一种流量测量装置，其补偿这种测量干扰，和/或可以利用减少的能量使用加以操作。

本发明由权利要求1限定的磁感流量测量装置实现这一目的。

本发明的流量测量装置包括传感器单元以及测量和/或评估单元，用于确定管道或管中的被测介质的体积流量、质量流量和/或流速，其特征在于，该流量测量装置具有：

a)传感器单元，布置在该管道或管上或在该管道或管中，用于确定被测介质的体积流量、质量流量和/或流速，以及

b)麦克风，布置在该管道或管上或在该管道或管中。

借助于该麦克风，累积的能量需求，由此所提供的能量被消耗的时间周期，可以得到控制。

可选地或额外地，还会发生被测介质的状态变化的诊断。本发明意义上的状态变化特别包括流动剖面的变化，例如由于涡流，和/或介质组成的变化，例如介质中固体成分的变化，液体介质中气泡情况的变化，或者介质粘性的变化。仅体积或质量流或者流速的变化不是本发明意义上的状态变化。

本发明可以在气体情况以及液体介质情况两者中得以应用，其中液体介质的情况的应用是优选的。

本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。

测量可以利用麦克风，或测量麦克风封装体而发生，其中麦克风记录测量值的下限频率范围大于2.5Hz，和/或麦克风记录测量值的上限频率范围小于130kHz。测量特别优选地在小于20kHz的频率范围中发生。

测量范围优选处于超过10dB(A)和/或低于250dB(A)。

在测量的情况下，麦克风的灵敏度优选处于1mV/Pa至50mV/Pa的范围中，特别优选位于3mV/Pa至8mV/Pa的范围中。

麦克风可以有利地将至少一个声信号特别是频谱经由信号线传送到测量和/或评估单元。该信号线可以被实施为电缆或无线连接。在第二种情况下，例如，经由用于流量测量的传感器元件发生电流供应。

用于操作根据权利要求1所述的流量测量装置的本发明的方法包括具有至少两个子模式、或两种操作方式的至少一个操作模式，用于流量测量装置的能量节省操作，其中

i)在至少两个子模式中的第一个中，发生以第一采样速率确定被测介质的体积流量、质量流量和/或流速，

ii)在至少两个子模式中的第二个中，发生以第二采样速率确定被测介质的体积流量、质量流量和/或流速，

其中第二采样速率小于第一采样速率，其特征在于，

基于由麦克风记录的声信号从第二子模式切换到第一子模式。

用于控制的记录的声信号不需要绝对包括整个频谱。其还可以更简单地组成。麦克风在这种应用中被应用为控制单元。通过比较所需的值或参考频谱可以发生声信号的处理。这种比较可以通过测量和评估单元执行。

本发明的方法的有利实施方式是从属权利要求的主题。

第二采样速率也可以是零。在这种情况的程度上，评估电子设备仅利用最小的能量操作，同时传感器单元不被提供能量。因此，为睡眠或待机模式。

基于确定的声信号，出现至少从“睡眠模式”切换到“正常模式”，由此从第二子模式切换到第一子模式。

在“正常模式”下，测量和评估单元还可以通过比较由传感器单元确定的流量值确定流速是否足够恒定，以便切换到睡眠模式。然而，可选地，也可以经由麦克风的声信号发生这种控制。

在由能量供电网络操作的流量测量装置的情况下，以及还特别优选地在能量自足特别是电池操作的流量测量装置的情况下，本发明的方法均能够实现操作的能量节省方式。

根据本发明，麦克风用于控制流量测量装置的能量需求，特别是累积能量需求。

用于操作根据权利要求1所述的流量测量装置的本发明的方法，包括用于在确定体积流量、质量流量和/或流速期间、之前或之后，检测被测介质的状态变化的至少一个操作模式，其特征在于如下步骤：

i)通过麦克风记录声频谱；

ii)将记录的频谱与参考频谱比较；以及

iii)当记录的频谱从参考频谱的特征偏离时，输出关于体积流量、质量流量和/或流速的确定的状态报告。

状态变化通常导致测量误差。因此，有利地，当在确定的流动的情况下，还补充告诉用户状态变化。因而可以更好地估计测量值的可靠性。

特别优选地，量化所记录的频谱从参考频谱的特征的偏离，与确定校正因子，以及考虑了校正因子来校正体积流量、质量流量和/或流速一起发生。因此，获得了流动的更精确的测量值。

将根据本发明的麦克风用在流量测量装置中，用于确定状态变化，特别是测量干扰。

额外地或可选地，可以将麦克风用于量化状态变化，特别是测量干扰，以及用于基于之前的量化补偿被测介质的确定的体积流量、质量流量和/或流速。

附图说明

现在，基于实施方式的示例并基于附图更详细地解释本发明。附图表示如下：

图1是被实施为磁感流量测量装置的本发明的流量测量装置的示意性截面图；以及

图2是本发明的流量测量装置的简化电路图。

具体实施方式

本发明可以应用于任何类型的流量测量装置。相应的流量测量装置例如包括科里奥利流量测量装置、超声波流量测量装置、热流量测量装置、涡流流量测量装置、磁感流量测量装置、SAW(表面声波)流量测量装置、V锥流量测量装置和悬浮体流量测量装置。下面实施方式的示例描述了本发明在磁感流量测量装置中的应用。然而，可以理解，本发明也可以有利地在另一种类型的流量测量装置的情况中应用。

本发明意义中的术语流量测量装置还包括这样的布置，例如超声波夹合式布置，在这种情况下，不存在测量管，而是代替地，将传感器直接安装在过程管道或管上。

流量测量装置优选应用于过程自动化。

磁感流量测量装置的结构和测量原理基本上是已知的。根据法拉第感应定律，在磁场中移动的导体中感应电压。在磁感测量原理的情况下，流动的被测材料对应于移动导体。由磁体系统产生恒定强度的磁场。磁体系统优选可以具有两个励磁线圈，其沿测量管的轴以相等的位置在测量管上在直径上彼此相对地布置。垂直定位到测量管的管内壁上的是两个或多个测量电极，其感应在被测物质通过测量管流动的情况下产生的电压。感应的电压与流速及体积流量成比例。由励磁线圈产生的磁场是时钟控制的交替极性的直流的结果。这保证了稳定的零点，并且使测量对多相材料、液体中不均匀性或低导电率的影响不敏感。已知具有具有两个以上的励磁线圈的线圈布置及其他几何布置的磁感流量测量装置。申请人已经例如，在“Promag”商标下，销售了不同尺寸和实施方式的磁感流量测量装置数十年。

上述流量测量装置表示一个最通用的结构。在夹合式测量装置(例如，在超声波流量测量装置)的情况下，不具有测量管，而是代替地，具有过程系统的管道。因此，本发明意义中的管道或管可以是管道例如工厂中的管道，也可以是测量管。而且，还已知具有两个以上励磁线圈和两个以上测量电极的磁感流量测量装置。

图1表示流量测量装置1，其被实施为具有测量管2的磁感流量测量装置，测量管2具有测量管轴A。测量管2通常是金属的，并且包括塑料衬里，所谓的衬套3作为保护。法兰4终止测量管2。在这种情况下，衬套在法兰4的连接表面9上延伸。在典型的结构中，在测量管上布置有两个或多个励磁线圈组成的磁体系统6。在测量管2上在直径上偏移90°相对定位的是额外的两个测量电极7。其感测根据流动的测量电压。

经由信号线、电缆或无线，将测量电压传递到测量和评估单元8。

流量测量装置的进一步的组件是麦克风10，其布置在测量管2上或测量管2中。麦克风可以特别优选地布置在测量管的表面上。

然而，其还可以部分地接触介质。然而，后面的变型不是优选的，因为这一点测量点必须被密封。额外地，麦克风10接触介质5的部分必须对介质有抵抗力。

本发明建立在下面的事实上，流量变化必须经由声频谱加以检测。流量变化可以经由测量的频谱加以检测。

在图2中表示图1的流量测量装置的简化电路。左面的区域I以简化方式表示测量管区域中的电路。除了测量电极7.1和7.2，测量管包括接地电极11。这三个电极的信号在右面区域II中的测量和评估单元中被馈送到测量放大器12，其放大信号，并且将其发送到多路复用器13。然后，发生A/D，即借助A/D转换器14转换信号，后面是发送到计算单元(未示出)，其处理和输出信号。

除了测量电极7.1、7.2和接地电极11的信号，麦克风15的信号还借助于专用信号线16被馈送到多路复用器13。

配备有麦克风的流量测量装置能够以两个或多个操作模式操作，其以前以其他方式实现，现在将更详细地解释。在这种情况下，可以在相应的流量测量装置或多个操作模式上仅实现两个操作模式中的一个。

第一操作模式是能量节省模式。通常，流量测量装置具有不同的可用扫描速率。该流量测量装置包括至少一个传感器单元和控制元件。

对流量测量装置，特别是磁感流量测量装置，优选由受限能量源如电池电源驱动的流量测量装置，通常提供有不同的测量模式，其表示高采样速率和高电池使用寿命之间的权衡。每个测量值的记录需要用于产生磁场和测量值处理的能量。如果采样速率高(例如，10SAPs(每秒的采样))，则可以快速识别流量变化，并且增加能量消耗。在非常低的扫描速率(例如，0.05SAPs)的情况下，能量消耗明显小，并且测量装置对流量变化反应更慢，由此出现较大的测量误差。

因此，希望实现测量模式，其根据流动剖面改变采样速率。在流量变化的情况下，采样/测量是频繁的，以及在恒定流动的情况下则很少。

传感器单元例如可以是超声波流量测量装置的超声波传感器，或者磁感流量测量装置中磁体系统和测量电极的整体。在其他测量原理的情况下，传感器单元是流量测量装置需要的元件整体，以便获得流动参考的测量信号。这意味着存在激励所需要的元件，以及用于检测测量信号的元件两者。

在本发明的意义上，概念“采样速率”意味着其在每个测量值的确定之间发生测量暂停。采样速率给出在预定时间间隔内确定多少测量值或测量点。

在能量节省模式中，测量装置具有至少两个子模式。

第一子模式指定正常测量模式，其中操作传感器单元。在正常测量模式中，流量测量以第一采样速率发生。采样速率的高度是相应的测量原理的函数。在超声波流量测量的情况下，其是两个所谓的超声波爆发之间的间隔的函数。在磁感流量测量的情况下，其是两个极化变化之间时间点的函数。

第二子模式指定一种模式，其中传感器单元以较小的能量消耗操作。在这种情况下，流量测量以第二采样速率发生。在这种情况下，这种第二采样速率小，优选至少低于第一采样速率的4倍。

这意味着在时间间隔内确定较少的测量点。同时，也需要较少的能量，由于流量测量一直需要激励能量，并且一直需要用于获得用于测量信号的评估的计算能力的能量。第二子模式可以通过接受较坏测量性能的缺点，节省这种能量。这种子模式特别适于相对恒定流动情况下的流量测量。

在第二子模式中，选择为仅给测量和评估单元的电子设备提供能量，以便不发生主动的流量测量。

在具有快速变化的流量的流动的情况下，不能从单个测量值得到流动的精确平衡，由于记录的测量点太少。在此，流量测量应当在第一子模式、正常测量模式中发生。

麦克风10、15在这种操作模式中用作控制单元，以至少从具有少能量消耗的模式切换到正常测量模式。通过将当前确定的频谱与之前确定的频谱比较，可以确定流量变化或多个流量变化。

在测量和评估单元在比较当前确定的频谱时确定与之前的频谱具有显著的偏差的程度上，则测量和评估单元将流量测量装置从第二子模式切换到第一子模式。

在测量和评估单元在比较当前确定的频谱与多个之前的频谱时确定无显著的偏差的程度上，则测量和评估单元将流量测量装置从第一切换到第二子模式。

可选地，测量和评估单元可以执行确定的流量测量值与多个之前的流量测量值的比较。在确定流量测量值之间不存在显著的偏差的程度上，则测量和评估单元将流量测量装置从第一子模式切换到第二子模式。在这种情况下，应当发生的不是将麦克风的频谱，而且替代地将正常模式下确定的流量测量值用作是否切换到具有少的能量消耗的模式的决策标准。

可以借助麦克风实现第二操作模式，用于流动的被测介质的诊断。在这种诊断模式中，麦克风确定是否由于频谱导致流动干扰，特别是流动涡流、颗粒和/或气泡存在于被测介质中。如果是这种情况，则会发生流动是被干扰的指示。

在进一步开发的这种第二操作模式的实施方式中，将确定的频谱与在数据库中提供的不同参考频谱比较确定流动干扰的类型。为不同的被测介质提供参考频谱。水中的气泡例如相比于颗粒具有另一个声参考频谱。

甚至可以经由量化单个频率以确定有关流动干扰的范围的趋势，并且将这种趋势以确定流动的校正值的形式加以考虑。

因此，通过使用流量测量装置中的麦克风15，可以记录流动剖面，由其可以评估由传感器单元确定的流量，并且在优选的变型中，甚至可以加以校正。

两个操作模式即能量节省模式和诊断模式可以在流量测量装置中单独和组合地实现。

图1的实施方式的示例表示金属测量管2。然而，也可以应用塑料管，代替具有衬套的金属管。对应的测量管额外地满足了扩散密度的需要、测量原理所需的机械强度以及电绝缘，以便直接准备好的塑料测量管与其他用于流量测量装置的传统的测量管相比没有劣势。

附图标记

1 流量测量装置

2 管道，特别是测量管

3 衬套

4 法兰

5 被测介质

6 磁体系统

7 测量电极

8 测量和评估单元

9 连接表面

10 麦克风

11 接地电极(地)

12 测量放大器

13 多路复用器

14 模拟/数字转换器

15 麦克风

16 信号线

A 测量管轴

I 第一区域(传感器和控制单元)

II 第二区域(变送器，相应的测量和评估单元)

Claims (11)

1.一种流量测量装置(1)，包括传感器单元以及测量和/或评估单元(8)，用于确定管道或管(2)中的被测介质(5)的体积流量、质量流量和/或流速，

其特征在于，所述流量测量装置(1)具有：

a)所述传感器单元，布置在所述管道或管(2)上或所述管道或管(2)中，用于确定所述被测介质的体积流量、质量流量和/或流速，以及

b)麦克风(10，15)，布置在所述管道或管(2)上或所述管道或管(2)中。

2.如权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述麦克风记录测量值的下限频率范围大于2.5Hz，和/或所述麦克风记录测量值的上限频率范围小于130Hz。

3.如前述权利要求1或2之一所述的流量测量装置，其特征在于，所述麦克风(10，15)将至少一个声信号，特别是频谱，经由信号线(16)传送到所述测量和/或评估单元(8)。

4.一种用于操作如权利要求1所述的流量测量装置(1)的方法，包括具有至少两个子模式的至少一个操作模式，用于所述流量测量装置(1)的能量节省操作，其中：

i)在所述至少两个子模式中的第一子模式中，以第一采样速率发生被测介质的体积流量、质量流量和/或流速的确定，

ii)在所述至少两个子模式中的第二子模式中，以第二采样速率发生被测介质的体积流量、质量流量和/或流速的确定，

其中所述第二采样速率小于所述第一采样速率，

其特征在于，

基于由所述麦克风(10，15)记录的声信号发生从所述第二子模式到所述第一子模式的切换。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二采样速率是零。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过将所记录的声信号与参考信号比较发生从所述第二子模式到所述第一子模式的切换，并且当所述声信号从所述参考信号的特征偏离时发生操作子模式的切换。

7.一种麦克风(10，15)的用途，用于控制流量测量装置(1)的能量需求，特别是累积能量需求。

8.一种用于操作如权利要求1所述的流量测量装置(1)的方法，包括用于在确定管道或管(2)中的被测介质(5)的体积流量、质量流量和/或流速期间、之前或之后，检测被测介质(5)的状态变化的至少一个操作模式，其特征在于以下步骤：

i)通过所述麦克风(10，15)记录声频谱；

ii)将记录的声频谱与参考频谱比较；以及

iii)当所记录的频谱从所述参考频谱的特征偏离时，输出关于体积流量、质量流量和/或流速确定的状态报告。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，量化所记录的频谱从所述参考频谱的特征的偏离，与确定校正因子，以及考虑了所述校正因子来校正体积流量、质量流量和/或流速一起发生。

10.一种麦克风(10，15)在流量测量装置(1)中的用途，用于确定状态变化，特别是在管道或管(2)中的被测介质(5)的测量干扰。

11.一种麦克风(10，15)的用途，用于量化状态变化，特别是测量干扰，以及用于补偿管道或管(2)中的被测介质(5)的确定的体积流量、质量流量和/或流速。