CN107148558A - 用于传感器的传感器组件、传感器和由此形成的测量系统 - Google Patents

用于传感器的传感器组件、传感器和由此形成的测量系统 Download PDF

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Abstract

一种传感器组件(11)包括：碗形，即，至少部分地凹形的膜(111)，具有弯曲的表面(111+)和相反放置的表面(111#)；以及从膜的表面(111+)延伸的传感器叶片(112)。膜(11)被形成为使得表面(111+)的邻接传感器叶片的至少一个区域为凸形。一种传感器，该传感器由这种传感器组件和与之耦合的换能器元件(12)形成并且用来生成表示传感器叶片的随时间变化的运动和/或膜的随时间变化的变形的传感器信号；或者一种测量系统，由传感器和与之连接的测量电子设备形成，能被用来记录流动流体，诸如400C热蒸汽中的压力波动，以便测量流体的流参数。

Description

用于传感器的传感器组件、传感器和由此形成的测量系统
技术领域
本发明涉及具有膜和从膜的表面延伸的传感器叶片的传感器组件。此外，本发明涉及由多个这种传感器组件形成的传感器，或者由此形成的测量系统，或者其用于记录流动流体中的压力波动的用途。
背景技术
通常在用于测量在管道中流动，尤其是快速流动的流体的流速和/或高雷诺数(Re)的热气体和/或流体流量，或对应于各个流速(u)的体积或质量流率的过程测量和自动化技术中使用的是形成为涡流测量装置的测量系统。这种测量系统的示例能从US-A 2006/0230841，US-A 2008/0072686，US-A 2011/0154913，US-A 2011/0247430，US-A 6,003,384，US-A 6,101,885，US-B 6,352,000，US-B 6,910,387或US-B 6,938,496等了解，或在名称“PROWIRL D 200”、“PROWIRL F 200”、“PROWIRL O 200”、“PROWIRL R 200”等(http：//www.de.endress.com/#products/prowirl)下，由申请人出售。
这些测量系统具有伸入各个管道，例如以供热网或涡轮电路的部件的形式的管道的内腔中，或伸入在管道过程中安装的测量管的内腔中，因此流体逆其流动的钝体，该钝体在钝体的下游直接流动的流体流量的体积部内，生成布置以形成所谓的卡门(Kármán)涡街的涡流。在这些情况下，众所周知，取决于流速，从钝体，按脱落率(1/fVtx)生成涡流。此外，测量系统具有集成到钝体中，或与钝体连接或位于钝体的下游，即在卡门涡街的区域中，并且伸入该流体中，因此伸入管道或测量管的内腔中的传感器，该传感器用来记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动并且将其转换成表示压力波动的传感器信号，即，传递对应于管制在流体内并且经受的压力的信号，例如电或光信号作为周期性波动，或者传递具有对应于涡流的脱落率的信号频率(～fVtx)的信号。
传感器包括传感器组件，其由薄，尤其是平的膜和从膜的基本上平面表面延伸的传感器叶片，最常见的是杆形、板形或楔形传感器叶片形成，并且适合于记录卡门涡街中的压力波动，即，将其转换成对应于压力波动的膜运动。膜包括外边缘分段，最常见的是环形的外边缘分段，其适合于例如通过材料粘结，气密地密封地连接到用于将膜安装到管壁的底座，以膜覆盖或者气密地密封在管壁中提供的开口以及承载传感器叶片的膜的表面面对引导流体的测量管或管道的内腔的形式，因此传感器叶片向内伸入内腔中。形成膜以使得测量为由外边缘分段包围的内部膜分段的最小厚度的膜厚度远小于测量为由外边缘包围的分段区域的最大直径的膜直径。为了实现尽可能高的测量灵敏度，即，传感器对要记录的压力波动的尽可能高的灵敏度，同时，尽可能高的用于由压力波动强制的传感器组件的弯曲振荡模式的机械本征频率，即高于要测量的最高脱落率的本征频率，建立的测量系统的膜具有例如大约数量级20∶1的直径厚度比。其中，如上述US-B 6,352,000等中所示，上述类型的传感器组件有时能够另外地具有从与承载传感器叶片的表面相对的膜的表面延伸的补偿体，通常是杆、板或壳状的补偿体，尤其用来补偿由传感器组件的运动产生的，例如由管道的震动产生的力，或者力矩，或防止由此产生的传感器叶片的不期望运动。
为了生成传感器信号，传感器进一步包括对应换能器元件，例如通过与传感器组件机械耦合，或集成在其中的电容器，或通过用作压电换能器的压电堆形成，通常适合于记录膜的，或者在指定情况下当前补偿体的运动并且将其调制成电或光载波信号。
传感器组件，或由此形成的传感器面对连接在远离流体引导内腔的侧面上，此外，具有发射机电子设备，其通常是耐压力和冲压密封，并且在指定情况下，还向外气密密封。工业级测量系统的发射机电子设备通常具有与换能器元件(在指定情况下，与插入的电子隔板和/或电隔离位置)电气连接的对应数字测量电路，用于处理由换能器元件产生的至少一个传感器信号并且用于产生用于或者要记录的测量变量，即，流体速率、体积流率和/或质量流率的数字测量值。工业可用测量系统，或在工业测量技术中建立的测量系统的发射机电子设备通常容纳在金属和/或耐冲击、合成材料的保护壳体中并且另外地通常还具有符合工业标准，例如DIN帧间编码60381-1的外部接口，用于与例如通过可编程逻辑控制器(PLC)形成的高级测量和/或控制系统通信。这种外部接口例如能实现为可插入电流环中和/或与建立的工业现场总线兼容的双导体连接。
尤其是由于相关的测量原理，膜的相对高直径厚度比，在将高强度、镍基合金，诸如铬镍铁合金718(Special Metals Corp.)用作膜材料的情况下论述的常见传感器类型通常具有耐压力，即，最大允许操作压力，高于该最大允许操作压力，则会担心传感器的不可逆塑料变形或甚至膜破裂，即，最大操作压力，对于有时实际上在某些应用中产生的极其高压或压力激增过低，或这些传感器对这些用途，在该操作温度，具有过不利的耐压依赖性(压力-温度曲线)，以例如对高于发生在实际上预热的热蒸汽应用中的140巴的操作压力和高于400C的水蒸气温度的方式，有时，作为所谓的凝结引起的水锤(CIWH-凝结引起的水锤)的结果，不再能确保耐破坏性，或由于相关法律和规定，诸如指南97/23/EH，14.ProdSV，ASME U-Stamp或其他压力设备指南，不允许使用所述类型的常见测量系统。
发明内容
基于上文，本发明的目的是改进所述类型的传感器组件或由此形成的传感器的构成，使得作为结果，其具有更高耐压，或耐压对操作温度的相关性，使得能够在具有高于400C的水蒸汽温度和高于140巴的压力峰值的热蒸汽应用中使用。
为实现该目的，本发明在于一种用于传感器，例如用于记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动的传感器的传感器组件，该传感器组件包括：碗形(bowl shaped)的、即至少部分中凹(dished)的膜，具有弯曲的第一表面和相反放置的第二表面，例如同样弯曲的第二表面和/或与第一表面至少部分平行和/或至少部分不平行的第二表面；以及从膜的第一表面延伸的传感器叶片，例如杆形或板形或楔形的传感器叶片，其中，膜被形成为使得第一表面的邻接传感器叶片的至少一个区域为凸形。
此外，本发明在于一种记录流动流体中的压力波动，尤其记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动的传感器，该传感器包括传感器组件和换能器元件，换能器元件用于生成传感器信号，例如电或光传感器信号，该传感器信号表示传感器叶片的随时间变化的运动、例如至少有时周期的运动，和/或膜的随时间变化的变形、例如至少有时周期的变形。
此外，本发明在于一种测量在管道中流动的流体的至少一个流参数，尤其是随时间变化的流参数，诸如流速和/或体积流率的测量系统，该测量系统包括：传感器，用于记录流动流体中的压力波动，例如记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动；以及测量电子设备，其适合于接收传感器信号并且处理传感器信号，例如生成表示至少一个流参数的测量值。
本发明的另一方面在于将上述测量系统用于测量在管道中流动的流体——诸如蒸汽，例如具有大于400℃的温度和/或以大于140巴的压力作用在传感器的膜上的蒸汽——的流参数，例如流速和/或体积流率和/或质量流率。
在传感器组件的第一实施例中，膜被形成为使得第一表面的邻接传感器叶片的区域为非球面。
在传感器组件的第二实施例中，膜被形成为使得第一表面的邻接传感器叶片的区域相对于至少一个假想对称轴轴向对称，例如，以对称轴平行于传感器叶片的惯性主轴的方式，和/或以对称轴垂直于传感器叶片的惯性主轴的方式。
在传感器组件的第三实施例中，膜被形成为使得第一表面的邻接传感器叶片的区域相对于相互垂直的正好两个假想对称轴轴向对称，例如以对称轴中的至少一个平行于传感器叶片的惯性主轴的方式，和/或以传感器叶片的惯性主轴垂直于假想对称轴中的一个并且平行于另一假想对称轴的方式。
在传感器组件的第四实施例中，膜被形成为使得第一表面的邻接传感器叶片的区域是旋转对称的，例如，即球形。
在传感器组件的第五实施例中，提出：膜的承载传感器叶片的分段具有第一区以及第二区，第一区形成膜的中心并且具有第一厚度；第二区邻接第一区、例如环绕第一区，并且具有不同于第一厚度的第二厚度，例如以第一厚度小于第二厚度的方式。
在传感器组件的第六实施例中，膜被形成为使得第二表面的、位于与第一表面的邻接传感器叶片的区域相反的至少一个区域为凹形。
在传感器组件的第七实施例中，膜被形成为膜高度小于膜直径——例如，小于投影区的最大半轴或小于投影区的半径，这例如也以膜的直径与高度比小于30和/或大于2的方式；和/或以膜直径与传感器叶片的长度的比小于2和/或大于0.5的方式，其中，膜高度被测量为第一表面的区域的中心与由第一表面的邻接传感器叶片的区域的外周边缘标记的假想投影区的最小间隔，膜直径被测量为投影区的最大直径，其中，直径与高度比被定义为膜直径与膜高度的比，膜直径与传感器叶片的长度的比被测量为传感器叶片的近端——即邻接膜的端部——与远离膜或者其第一表面的传感器叶片的远端之间的最小间隔。
在传感器组件的第八实施例中，提出膜至少部分地为圆锥形。
在传感器组件的第九实施例中，膜被形成为至少第一表面的邻接传感器叶片的区域对应于球形区的表面，例如以球形区的顶部区域对应于传感器叶片的横截面区域的方式。
在传感器组件的第十实施例中，膜被形成为至少第一表面的邻接传感器叶片的区域对应于平截头体(frustum)的侧表面。
在传感器组件的第十一实施例中，膜被形成为至少第一表面的邻接传感器叶片的区域对应于椭球体的表面的分段。
在传感器组件的第十二实施例中，提出传感器叶片和膜相对于彼此定位和定向，使得传感器叶片的惯性主轴与传感器组件的惯性主轴平行或重合。
在传感器组件的第十三实施例中，提出传感器叶片和膜相对于彼此定位和定向，使得膜的惯性主轴当被延长时平行于传感器组件的惯性主轴延伸，例如与之重合。
在传感器组件的第十四实施例中，提出膜至少部分地、例如主要地或全部地由金属、诸如不锈钢或者镍基合金构成。
在传感器组件的第十五实施例中，提出传感器叶片至少部分地、例如主要地或全部地由金属、诸如不锈钢或者镍基合金构成。
在传感器组件的第十六实施例中，提出膜和传感器叶片为相同材料。
在传感器组件的第十七实施例中，提出膜和传感器叶片是同一整体模制部分的部件，例如，同一整体模制部分由3D激光熔炼铸造或制造。
在传感器组件的第十八实施例中，提出膜和传感器叶片通过材料接合，尤其是焊接、或软焊或硬焊彼此连接。
在传感器组件的第十九实施例中，膜包括外边缘分段，例如环形外边缘分段和/或具有密封表面的外边缘分段。进一步开发本发明的该实施例，外边缘分段适合于例如通过材料接合和/或气密密封地与用来将膜安装到管壁的底座连接，例如以膜覆盖——尤其气密密封——在管壁中提供的开口的方式，和/或以膜的第一表面面对管的内腔的方式，使得传感器叶片向内伸入内腔。替选或补充地，能够在外边缘分段中实现至少一个密封表面，例如环绕和/或圆环状密封表面和/或外边缘分段形成第一表面的邻接传感器叶片的凸区域的外周边缘。
在传感器组件的第一进一步开发中，另外地包括从膜的第二表面延伸的补偿体，例如杆形或板形或套管形的补偿体，用于补偿由传感器组件的运动产生的力和/或力矩。
在传感器组件的第一进一步开发的第一实施例中，提出邻接补偿体的第二表面的至少一个区域为凹形。
在传感器组件的第一进一步开发的第二实施例中，提出膜和补偿体通过材料接合，例如焊接、或软焊或硬焊彼此连接。
在传感器组件的第一进一步开发的第三实施例中，提出传感器叶片和补偿体相对于彼此对齐布置。
在传感器组件的第一进一步开发的第四实施例中，膜被形成为使得第二表面的邻接补偿体的区域旋转对称。
在传感器组件的第一进一步开发的第五实施例中，补偿体和膜相对于彼此定位和定向，使得膜的惯性主轴当被延长时平行于补偿体的惯性主轴延伸，尤其是与之重合。
在传感器组件的第一进一步开发的第六实施例中，提出传感器叶片、补偿体和膜相对于彼此定位和定向，使得传感器组件的惯性主轴平行于传感器叶片的惯性主轴和补偿体的惯性主轴这两者，而且还平行于膜的惯性主轴，或者，传感器组件的惯性主轴与传感器叶片的惯性主轴以及补偿体的惯性主轴这两者重合，而且还与膜的惯性主轴重合。
在传感器组件的第一进一步开发的第七实施例中，提出膜和补偿体是同一整体模制部分的部件，例如以传感器叶片、膜和补偿体是模制部分的部件的方式。
在传感器组件的第一进一步开发的第八实施例中，提出补偿体至少部分地、例如主要地或全部地由金属、诸如不锈钢或者镍基合金构成；。
在传感器组件的第一进一步开发的第九实施例中，提出膜和补偿体为相同材料，例如以传感器叶片、膜和补偿体为相同材料的方式。
在测量系统的第一进一步开发中，另外地包括：可插入管道的路线中并且具有内腔的管，管适合于引导在管道中流动的流体。
在传感器组件的第一进一步开发的第一实施例中，传感器叶片具有长度，该长度被测量为传感器叶片的近端——即，邻接膜的端部——与传感器叶片的远端——即，远离膜或其表面的端部——之间的最小间隔，该长度对应于小于管的口径的95％和/或大于口径的一半。
在传感器组件的第一进一步开发的第二实施例中，在管的壁中形成开口，例如还具有用于将膜安装到壁的底座的开口，以及传感器被插入到开口中，以膜覆盖开口、例如气密密封开口并且膜的第一表面面对管的内腔的方式，以使得传感器叶片向内伸入内腔中。开发本发明的该实施例进一步另外地提出开口具有用于将膜安装到壁的底座，在底座中，形成至少一个密封表面，例如环绕和/或圆环状的密封表面。膜在这种情况下，可以另外地具有外边缘分段，例如环形的外边缘分段，其中，形成至少一个密封表面，例如环绕和/或圆环状的密封表面，其中密封表面和底座的密封表面适合于在指定情况下，通过插入至少一个密封垫，关闭或者气密地密封开口。
在测量系统的第二进一步开发中，另外地包括：设置在管的内腔中并且用来产生流动流体中的卡门涡街的钝体。
本发明的基本理念是通过——与常规的传感器组件的基本上平的膜相比——包括碗形膜，此外，通过重新布置使得至少在邻接传感器叶片的区域中，承载传感器叶片的表面为凸形，即，在传感器叶片的方向中向外弯曲的方式，尤其在高于400℃的高操作温度，对本发明的传感器组件产生所需高的额定耐压性，或者产生传感器组件的耐压对操作温度的相关性的期望的改进。
本发明的优点是：以非常容易的方式，不仅能实现所述类型的传感器的额定耐压性，或压力-温度曲线的相当大的改进，而且实现无需显著地减小测量灵敏度，即，传感器对实际要记录的压力波动的灵敏度。本发明的另一优点是除了膜的形状，本发明的传感器组件原则上能以用于常规传感器的已知传感器组件的相同的方式构成，或由此形成的测量系统。此外，本发明的传感器组件的膜还能由与用于常规膜的相同材料制成，因此，本发明的传感器组件的制造或增加的成本约为讨论的类型的常规传感器组件的成本的数量级。
附图说明
现在，基于在附图中所示的实施例的示例，更详细地说明本发明及其有利实施例。在具有相同参考符号的所有图中，提供相同或者同样动作或同样功能的部件，当清晰度要求或者看起来明显时，在后续图中省略已经提及的参考符号。首先，本发明的各个说明方面的其他有利实施例或另外的开发，尤其是组合从附图和/或权利要求将变得显而易见。附图所示如下：
图1，2示意性地以不同视图示出用于测量管道流动的流体的至少一个流体参数的、具有传感器和测量电子设备的测量系统(实现为涡流测量设备)的测量系统；
图3a，3b，3c，3d同样示意性地在每一情况下按比例以不同局部图以及以剖视图的用于——尤其适合用在图1或2的测量系统中的——传感器的传感器组件；
图4a，4b在两个不同、剖面侧视图中，示意性地示出用于——尤其适合用在图1或2的测量系统中的——传感器的传感器组件的另一变形；
图5在平面视图中，示意性地示出用于——尤其适合用在图1或2的测量系统中的——传感器的传感器组件的另一变形；
图6在平面视图中，示意性地示出用于——尤其适合用在图1或2的测量系统中的——传感器的传感器组件的另一变形。
具体实施方式
图1和2示出测量系统的实施例的示例，其用于测量在管道中流动的流体——例如热气，尤其是大于400℃的温度和/或至少有时在高压，尤其是大于140巴下的热气——的至少一个流参数，在指定情况下，随时间变化的流参数，诸如流速v和/或体积流率V′。例如，能将管道实现为供热网或涡轮循环系统的设施部件，因此，流体能是例如蒸汽，尤其是饱和蒸汽或过热蒸汽。然而，流体还能是(压缩的)天然气或沼气，因此，管道能是例如天然气或沼气厂或供气网的部件。
测量系统包括传感器1，其被提供，或者被形成来记录流动流体中的压力波动并且将其变换成对应于压力波动的传感器信号s1，例如电或光传感器信号。如从图1和2的组合看出，测量系统进一步包括测量电子设备2，例如，该测量电子设备2容纳在耐压力和/或冲击的保护壳体20中并且连接到传感器1，或在测量系统的操作期间，与传感器1通信。测量电子设备2尤其适合于接收和处理传感器信号S1，例如生成表示至少一个流参数，例如流速v或体积流率V′的测量值XM。测量值XM能被现场可视化和/或由导线，经由连接的现场总线和/或每一射频无线地传送到电子数据处理系统，例如可编程逻辑控制器(PLC)和/或过程控制站。用于测量电子设备2的保护壳体20能由例如金属，例如不锈钢或铝制成，和/或通过浇铸法，诸如熔模铸造或压铸法(HPDC)产生。然而，还能通过在注塑工艺中制造的注塑件形成。
如图2和图3a，3b，3c，3d中所示，或能从这些图的组合直接看出，传感器1包括传感器组件11，该传感器组件11由膜111和从膜111的第一表面111+延伸的传感器叶片112形成。在本文所示的实施例的示例中，传感器叶片112具有楔形，然而，还能形成为杆或板形，诸如这类传感器中常见的。膜111和传感器叶片112例如能是通过3D激光熔炼铸造或生成的同一整体的模制部分的部件，然而，膜和传感器叶片也能首先相互分开产生，形成为单个部件，接着，通过材料接合，例如焊接，或软焊或硬焊彼此连接，使得单个部件为通过材料接合彼此对应可连接的材料。诸如在这类传感器组件的情况下最常见地，膜能至少部分地、例如主要地或完全地为金属、诸如不锈钢或镍基合金。类似地，传感器叶片能至少部分地为金属、例如即不锈钢或镍基合金，特别地，膜和传感器叶片能由同一材料产生。
除传感器组件11外，传感器进一步包括换能器元件2，其例如实现为压电换能器、作为电容器的组件的电容换能器或作为光电检测器的组件的光学换能器，用于生成用作传感器信号并且表示随时间变化、典型地至少有时随时间周期地变化的传感器叶片的运动或膜的变形的信号，例如，以由该运动或对应地调制的激光调制的可变电压的形式的信号。
在本发明的附加实施例中，测量系统进一步包括可插入到先前示出的管道的路线中的管3。管3具有由该管的壁3*，例如金属壁3*包围的内腔3′，该内腔3′从入口端3+延伸到出口端3#并且适合于引导管道中流动的流体。在本文所示的实施例的示例中，在每一情形下，在入口端3+上和以及在出口端3#上，提供用作形成在每一情况下，与管道的入口或者出口侧线分段上的对应凸缘连接的无泄漏凸缘的凸缘。此外，管3基本上是直的，例如，实现为具有圆形截面的空心圆柱体，以管3具有假想连接入口端3+和出口端3#的假想直的纵轴L的方式。外部地通过在壁中形成的开口3″，传感器1插入到管的内腔和例如可拆除地贴在壁3*外部上的开口的区域中，并且实际上，以膜111的表面111+面对管3的内腔3′的方式，使得传感器叶片112向内伸入内腔中。特别地，传感器1被插入到开口3″中，使得膜111覆盖开口3″，或气密地密封开口3″。例如，开口能形成为-诸如在所述类型的测量系统的情况下非常常见的-具有在10mm和约50mm之间的范围中的(内)直径。
在本发明的另外的实施例中，在开口3″中，实现用于将膜安装到壁3*的底座3a。在这种情况下，传感器1通过例如膜111和壁3*的材料接合，尤其通过焊接、或软焊或硬焊，贴在管3上，然而，例如，其可拆除地与管3连接，例如，拧紧或者拧上。此外，在底座3a中实现的能够是至少一个密封表面，例如，也环绕或者圆形状密封表面，与膜111协作，以及在指定情况下，提供例如环形或垫圈状密封元件，对应地被用来密封开口3″。尤其对上述情形，其中，传感器组件被插入到底座3a中，或者传感器组件11将通过材料接合，与管3的壁结合，膜111根据本发明的另一实施例，包括：例如外部基本上环形的边缘分段111a，该边缘分段111a具有厚度da，诸如图2，或者3a，3b，3c，3d中所示，显著大于由边缘分段111a环绕的内分段111b的最小厚度db并且承载传感器叶片112。此外，边缘分段111a能以有利的方式进一步提供有密封表面，例如，密封表面还对应于在指定情况下，在开口3″中提供的密封表面和/或圆形状密封表面。
在本文所示的实施例的示例中，测量系统尤其实现为涡流测量设备，具有布置在管3的内腔中，在本文中，即，传感器1的上游中的钝体4，并且用来导致在流动流体中出现卡门涡街。传感器和钝体在这种情况下，尤其被尺寸化和布置成传感器叶片112向内伸入管的壁3*或者其中引导的流体、伸入区域中，在测量系统的操作期间，通常由(连续形成的)卡门涡街占用该区域，使得通过传感器1记录的压力波动是由通过脱落率(～1/fVtx)，从钝体4脱落的相反方向的涡流引起的压力波动，并且传感器信号S1具有对应于涡流的脱落率的信号频率(～fVtx)。在本文所示的实施例的示例中，涡流流量测量设备被另外地以紧密结构实现为测量系统，在这种情况下，测量电子设备2例如通过颈状连接喷嘴30，容纳在管上安装的保护壳体20中。
在本发明的另外的实施例中，传感器1和管3被进一步尺寸化，使得传感器叶片112的长度1对应于大于管3的半口径DN或小于口径DN的95％，长度1被测量为传感器叶片112的近端——即邻接膜的端部——与传感器叶片112的远(自由)端——即远离膜传感器组件11或者其表面111+的端部——之间的最小间隔。例如，诸如在小于50mm的相对小口径的情况下非常常见的，或者从图2看出，还能选择长度1，使得传感器叶片112的远端与管3的壁3*具有非常小的最小间隔。在具有50mm或更大的相对大口径的管的情况下，诸如在所述的类型的测量系统的情况下非常常见的，传感器叶片112还能实现远小于管3的半口径。
如前所述，尤其提供传感器组件，由此形成的传感器，或者由此形成的测量系统来测量、用于测量或者至少有时能够测量具有大于400°的高温和大于140巴的高压的流体。为了实现耐压和操作温度之间的所需相关性(压力-温度曲线)，在图2，3c，3d，4a或者4b中的每一情况下示意性地所示，以膜111的第一表面111+被弯曲的方式，本发明的传感器组件的膜被实现为碗形，即，至少部分凸出，其中，诸如从图2，3c，3d，4a，4b的组合直接看出，膜被形成为使得表面111+的邻接传感器叶片112的区域为凸形。如在图2，3c，3d示意性所示，在这些情况下，膜111能尤其形成为使得位于与表面111+相反——即，在传感器组件1安装在管3中的情况下背对壁3*——的第二表面111#——在此为至少部分同样弯曲和/或至少部分地为凹形——完全或者至少主要平行于第一表面111+延伸，和/或使得第二表面111#的位于与承载传感器叶片的表面111+的凸形区域相反的区域为凹形；在所需的情况下，还能使膜111形成为使得表面111+部分地——在指定情况下，主要地或完全地——不平行于表面111+，例如，以膜111在径向中，或者沿至少一条侧线，具有可变厚度的方式。
在本发明的另外的实施例中，膜进一步被形成为使得表面111+的邻接传感器叶片112的区域相对于至少一个假想对称轴轴向对称。所述的对称轴例如能对应于图3b中所示的切割线A或者B中的一个。此外，膜111和传感器叶片112在这些情况下能被实现并且相对于彼此定向，从图3a，3b，3c和3c的组合直接看出，对称轴平行于传感器叶片的惯性主轴，和/或，以对称轴垂直于传感器叶片的惯性主轴的方式。替选或可补充地，能另外定位并且相对于彼此定向传感器叶片112和膜111，如从图3a，3b，3c和3c的组合直接看出，膜111的延长的惯性主轴与传感器叶片112的惯性主轴重合，或膜111的延长的惯性主轴平行于传感器叶片112的惯性主轴延伸，例如，也以传感器叶片112的延长的惯性主轴平行于膜111的惯性主轴，但与膜111的惯性主轴分离延伸的方式，使得如在图5中示出，传感器叶片112的惯性主轴不与膜111的惯性主轴重合。能另外地相对于彼此定位和定向传感器叶片112和膜111，使得传感器叶片的延长的惯性主轴平行于传感器组件的惯性主轴延伸，或者与之重合，和/或膜的惯性主轴与传感器组件11的惯性主轴平行或与之重合。
在本发明的另外的实施例中，进一步提出，或者将膜形成为使得第一表面111+的邻接传感器叶片112的区域相对于正好两个相互垂直的假想对称轴轴向对称，例如，以能从图3a，3b，3c，3d的组合看出，两个对称轴的至少一个平行于传感器叶片的惯性主轴的方式，和/或以传感器叶片的惯性主轴垂直于假想对称轴中的一个并且平行于另一假想对称轴的方式。
根据本发明的另外的实施例，膜111被形成为至少表面111+的邻接传感器叶片112的区域是可旋转对称的。如从图2，3a，3b，3c，3d的组合直接看出，在这种情况下，膜111能被例如至少部分圆锥地形成，因此第一表面111+，尤其是其邻接传感器叶片的区域能至少部分地对应于平截头体的侧表面，例如，以如从图2，或者3c和3d直接看出，平截头体的假想顶部区域对应于传感器叶片的横截面的方式。替选或补充地，例如，诸如图4a，4b中示意性示出，膜还能被形成为使得其表面111+，尤其是其邻接传感器叶片的区域，至少部分地对应于球形区的表示，例如，以如从图4a和4b或者其组合看出，球形区的假想顶部区域对应于传感器叶片的横截面区的方式，由此至少球形地形成第一表面111+的邻接传感器叶片的区域。替选或补充地，然而，膜能形成为表面111+至少部分地——例如，其邻接传感器叶片的区域——为非球面。
膜能进一步形成为至少承载传感器叶片112的分段111b，由此形成第一表面111+的邻接传感器叶片的区域的分段111b是可旋转对称的，尤其实现为具有圆柱对称的旋转体。替选地，然而，膜能尤其为了另外优化测量灵敏度和耐压的目的，被形成为使得膜的第一表面111+，或者其邻接传感器叶片112的区域不是旋转对称的，例如仅是平面对称的，和/或例如对应于椭球体的表面分段，尤其是因此以如图6所示或从图2和图6的结合看出地，与表面111+的邻接传感器叶片的区域的形状对应的椭球体的最大半轴横向于管3的纵轴L延伸以及椭球体的中半轴(r″)平行于长轴L延伸的方式。
由于以前面所示的方式形成膜，即，基本上形成至少在邻接传感器叶片的区域中具有凸形表面111+的碗形，以简单和同样非常有效的方式，可以实现额定耐压的显著增加，或者急剧提高耐压对操作温度的相关性，反过来，无需经历对通常所需、尤其是在工业用途中的高测量精度来说以不可接受的程度降低测量灵敏度，即，传感器对实际待记录的压力波动的灵敏度。在本发明的另外的实施例中，如从图3a，3b，3c和3d的组合直接看出地，膜尤其形成为使得膜高度h——测量为表面111+的区域的中心到由第一表面的邻接传感器叶片的区域的外围(例如直接邻接上述边缘分段111a)外边缘的假想投影区的最小间隔——小于膜直径2r——被测量为投影区的最大直径——尤其小于半径r，或在椭圆投影区的情况下，小于投影区的最大半轴r′，然而，还小于投影区的最小半轴r″。另一方面，例如通过将膜形成为使得膜的直径高度比(2r/h)——定义为膜直径与膜高度的比——小于30和/或大于2，尤其小于20和/或大于5，能实现尽可能高的耐压和另一方面尽可能高的测量灵敏度之间的非常好的折衷。替选或补充地，膜111能与传感器叶片112的上述长度1匹配，此外，能被尺寸化，使得膜直径2r与长度1的比小于2和/或大于0.5。
为了进一步优化测量灵敏度和耐压性，膜111能另外具有例如不同厚度的区域。因此，根据本发明的另外的实施例，此外，膜111能实现为使得承载传感器叶片112的分段111b具有第一区和第二区，第一区形成第一厚度的膜的中心，第二区邻接——尤其是围绕——第一区、以第一厚度小于第二厚度，尤其第一厚度对应于最小厚度db的方式具有不同于第一厚度的第二厚度。
为补偿由传感器组件的运动——例如由连接的管道的振动导致的运动——产生的，或者用于防止由此产生的、传感器叶片或者膜的不期望运动(即，破坏传感器信号S1的运动)的可能力和/或力矩，根据本发明的另外的实施例，传感器组件11进一步包括从膜111的第二表面111#延伸的补偿体113，例如，杆、板或套管形的补偿体113。所述补偿体113能另外地用作用于换能器元件12的底座或用作换能器元件12的部件，例如，作为形成(电容)换能器元件的电容器的可移动电极。在另外的实施例中，此外，膜被形成为——或者补偿体被定位成——使得第二表面111#的邻接补偿体113的至少一个区域为凹形和/或是旋转对称的，尤其平行于第一表面的邻接第二表面111#的区域延伸。
补偿体113能与膜和/或传感器叶片相同材料，例如金属。例如，补偿体113能由不锈钢，或者镍基合金产生。在本发明的另外的实施例中，膜111和补偿体113能通过材料接合，例如，焊接、或软焊或硬焊彼此连接。因此，提出补偿体113和膜111由可通过材料接合彼此连接的材料制成。替选地，然而，以传感器叶片111、膜112和补偿体113是模制部分的部件的方式，膜111和补偿体113能例如是同一整体的模制部分的部件。
此外，如能从图3c和3d的组合，或者图4a和4b的组合看出，能以传感器叶片112的惯性延长主轴与补偿体113的惯性主轴重合的方式，彼此对齐地布置传感器叶片112和补偿体113。替选或补充地，能相对于彼此定位和定向补偿体113和膜111，使得膜111的延长的惯性主轴与补偿体113的惯性主轴重合，或膜111的延长的惯性主轴平行于补偿体113的惯性主轴延伸；这例如也以先前所示的方式，使传感器叶片112和补偿体113相互对齐的方式，然而，补偿体的延长的惯性主轴和传感器叶片的延长的惯性主轴平行于膜的惯性主轴延伸并且与之分离，因此诸如图5中所示，不仅传感器叶片112的惯性主轴，而且补偿体113的惯性主轴均不与膜111的惯性主轴重合。此外，还能相对于彼此定位和定向传感器叶片112、补偿体113和膜111，使得如从图2，3a，3b，3c和3d的组合看出，传感器组件11的惯性主轴平行于传感器叶片112的惯性主轴和补偿体113的惯性主轴这两者，而且膜111的惯性主轴，或与传感器叶片的惯性主轴和补偿体的惯性主轴这两者重合，而且也与膜的惯性主轴重合。

Claims (26)

1.一种传感器组件，所述传感器组件用于传感器，尤其是用于记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动的传感器，所述传感器组件包括：
-碗形的、即至少部分中凹的膜(111)，具有弯曲的第一表面(111+)和相反放置的第二表面(111#)，尤其是弯曲的第二表面(111#)和/或与所述第一表面(111+)至少部分地平行和/或至少部分地不平行的第二表面(111#)；以及
-从所述膜的所述第一表面(111+)延伸的传感器叶片(112)，尤其是杆形或板形或楔形的传感器叶片(112)；
-其中，所述膜被形成为使得所述第一表面(111+)的邻接所述传感器叶片的至少一个区域为凸形。
2.如前一权利要求所述的传感器组件，
-其中，所述膜(111)被形成为使得所述第一表面(111+)的邻接所述传感器叶片(112)的区域为非球面；和/或
-其中，所述膜(111)被形成为使得所述第一表面(111+)的邻接所述传感器叶片(112)的区域相对于至少一个假想对称轴轴向对称，尤其是以所述对称轴平行于所述传感器叶片的惯性主轴的方式，和/或以所述对称轴垂直于所述传感器叶片的惯性主轴的方式。
3.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域相对于相互垂直的正好两个假想对称轴轴向对称，尤其是以所述对称轴中的至少一个平行于所述传感器叶片的惯性主轴的方式，和/或以所述传感器叶片的惯性主轴垂直于所述假想对称轴中的一个并且平行于另一个假想对称轴的方式。
4.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域是旋转对称的，尤其是球形的。
5.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，
-其中，所述膜的承载所述传感器叶片(112)的分段(111b)具有第一区以及第二区，所述第一区形成所述膜的中心并且具有第一厚度，所述第二区邻接所述第一区、尤其是环绕所述第一区，并且具有不同于所述第一厚度的第二厚度，尤其以所述第一厚度小于所述第二厚度的方式，和/或
-其中，所述第二表面的、位于与第一表面的邻接所述传感器叶片的区域相反的至少一个区域为凹形；和/或
-其中，所述膜被形成为使得膜高度小于膜直径，尤其以所述膜直径小于所述投影区的最大半轴或小于所述投影区的半径的方式，和/或使得所述膜的直径与高度比小于30和/或大于2、尤其是小于20和/或大于5，和/或以所述膜直径与所述传感器叶片(112)的长度的比小于2和/或大于0.5的方式，所述膜高度被测量为所述第一表面的区域的中心与由所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域的外周边缘标记的假想投影区的最小间隔，所述膜直径被测量为所述投影区的最大直径，所述直径与高度比被定义为所述膜直径与所述膜高度的比，所述膜直径与所述传感器叶片(112)的长度的比被测量为所述传感器叶片(112)的近端——即邻接所述膜(111)的端部——与所述传感器叶片(112)的远离所述膜(111)或者远离所述膜(111)的第一表面(111+)的远端之间的最小间隔。
6.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜至少部分地为圆锥形。
7.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得至少所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域对应于球形区的表面，尤其以所述球形区的顶部区域对应于所述传感器叶片的横截面区域的方式。
8.如权利要求1至6中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得至少所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域对应于平截头体的侧表面。
9.如权利要求1至6中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得至少所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域对应于椭球体的表面的分段。
10.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，
-其中，传感器叶片和膜相对于彼此定位和定向，使得所述传感器叶片的惯性主轴与所述传感器组件的惯性主轴平行或重合，和/或
-其中，传感器叶片和膜相对于彼此定位和定向，使得所述膜的惯性主轴当被延长时平行于所述传感器组件的惯性主轴延伸，尤其是与所述传感器组件的惯性主轴重合。
11.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，
-其中，所述膜至少部分地——尤其是主要地或全部地——由金属——尤其是不锈钢或者镍基合金——构成；和/或
-其中，所述传感器叶片至少部分地——尤其是主要地或全部地——由金属——尤其是不锈钢或者镍基合金——构成，和/或
-其中，膜和传感器叶片为相同材料，和/或
-其中，膜和传感器叶片是同一整体模制部分的部件，例如，所述同一整体模制部分由3D激光熔炼铸造或制造。
12.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，膜和传感器叶片通过材料接合——尤其是焊接、或者软焊或硬焊——彼此连接。
13.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，进一步包括：从所述膜的所述第二表面延伸的补偿体，尤其是杆形或板形或套管形的补偿体，用于补偿由所述传感器组件的运动产生的力和/或力矩。
14.如权利要求13所述的传感器组件，
-其中，所述第二表面的邻接所述补偿体的至少一个区域为凹形；和/或
-其中，膜和补偿体通过材料接合——尤其是焊接、或者软焊或硬焊——彼此连接；和/或
-其中，传感器叶片和补偿体相对于彼此对齐布置；和/或
-其中，所述膜被形成为使得所述第二表面的邻接所述补偿体的区域是旋转对称的；和/或
-其中，所述补偿体和所述膜相对于彼此定位和定向，使得所述膜的惯性主轴当被延长时平行于所述补偿体的惯性主轴延伸，尤其是与所述补偿体的惯性主轴重合；和/或
-其中，传感器叶片、补偿体和膜相对于彼此定位和定向，使得所述传感器组件的惯性主轴平行于所述传感器叶片的惯性主轴和所述补偿体的惯性主轴这两者，而且还平行于所述膜的惯性主轴，或者，所述传感器组件的惯性主轴与所述传感器叶片的惯性主轴以及所述补偿体的惯性主轴这两者重合，而且还与所述膜的惯性主轴重合；和/或
-其中，膜和补偿体是同一整体模制部分的部件，尤其以所述传感器叶片、所述膜和所述补偿体是所述模制部分的部件的方式；和/或
-其中，所述补偿体至少部分地——尤其是主要地或全部地——由金属——尤其是不锈钢或者镍基合金——构成；和/或
-其中，膜和补偿体为相同材料，尤其是以传感器叶片、膜和补偿体为相同材料的方式。
15.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜具有外边缘分段(111a)，尤其是环形外边缘分段(111a)和/或具有密封表面的外边缘分段(111a)。
16.如前一权利要求所述的传感器组件，
-其中，所述外边缘分段(111a)适合于——尤其通过材料接合和/或气密密封地——与用来将所述膜安装到管壁(3a)的底座连接，尤其是以所述膜覆盖——尤其气密密封——设置在所述管壁中的开口的方式，和/或以所述膜的所述第一表面面对管的内腔的方式，使得所述传感器叶片向内伸入所述内腔；和/或
-其中，在所述外边缘分段(111a)中实现至少一个密封表面，尤其是环绕的和/或圆环状的密封表面；和/或
-其中，所述外边缘分段(111a)形成所述第一表面的邻接所述传感器叶片的凸区域的外周边缘。
17.一种用于记录流动流体中的压力波动——尤其是用于记录在所述流动流体中形成的卡门涡街的压力波动——的传感器，所述传感器包括：
-如前述权利要求中的一个所述的传感器组件(11)；以及
-换能器元件(12)，用于生成传感器信号，尤其是电或光传感器信号，所述传感器信号表示所述传感器叶片的随时间变化的运动、尤其是至少有时周期的运动，和/或所述膜的随时间变化的变形、尤其是至少有时周期的变形。
18.一种用于测量在管道中的流动流体的至少一个流参数——尤其是随时间变化的流参数、尤其是流速和/或体积流率——的测量系统，所述测量系统包括：
-如权利要求17所述的传感器(1)，用于记录所述流动流体中的压力波动，尤其是用于记录在所述流动流体中形成的卡门涡街的压力波动；以及
-测量电子设备(2)，所述测量电子设备(2)适合于接收所述传感器信号并且处理所述传感器信号，尤其是生成表示至少一个流参数的测量值(XM)。
19.如前一权利要求所述的测量系统，进一步包括：可插入所述管道的路线中并且具有内腔(3′)的管(3)，所述管(3)被用来引导在所述管道中流动的流体。
20.如权利要求19所述的测量系统，其中，所述传感器叶片(112)具有被测量为在所述传感器叶片(112)的近端——即，邻接所述膜(111)的端部——与所述传感器叶片(112)的远端——即，远离所述膜(111)或远离所述膜(111)的表面(111+)的端部——之间的最小间隔的长度，所述长度对应于小于所述管(3)的口径(DN)的95％和/或大于所述口径(DN)的一半。
21.如权利要求19至20中的一个所述的测量系统，
-其中，在所述管(3)的壁中实现开口(3″)，尤其是具有用于将所述膜安装到所述壁的底座(3a)的开口(3″)，以及
-其中，所述传感器(1)被插入到所述开口(3")中，以所述膜覆盖所述开口(20″)——尤其气密密封所述开口(20″)——并且所述膜的所述第一表面面对所述管的所述内腔(3′)的方式，以使得所述传感器叶片向内伸入所述内腔中。
22.如在前一权利要求所述的测量系统，其中，所述开口(3")具有用于将所述膜安装到所述壁的底座(3a)。
23.如在前一权利要求所述的测量系统，其中，在所述底座(3a)中实现至少一个密封表面，尤其是环绕的和/或圆环状的密封表面。
24.如在前一权利要求所述的测量系统，
-其中，所述膜具有外边缘分段(111a)，尤其是环形的外边缘分段(111a)，在所述外边缘分段(111a)中实现至少一个密封表面，尤其是环绕的和/或圆环状的密封表面，以及
-其中，所述密封表面和所述底座的所述密封表面适合于——尤其是通过插入至少一个密封垫——关闭或者气密地密封所述开口。
25.如权利要求18至24中的一个所述的测量系统，进一步包括：钝体(4)，所述钝体(4)被布置在所述管(3)的所述内腔中并且适合于在所述流动流体中产生卡门涡街。
26.如权利要求18至25中的一个所述的测量系统的用途，用于测量在管道中流动的流体——尤其是蒸汽，尤其是具有大于400℃的温度和/或以大于140巴的压力作用在所述传感器的所述膜上的蒸汽——的流参数，尤其是流速和/或体积流率和/或质量流率。
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