CN108474685B - 用于监视可流动介质的电子振动传感器及测量组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于监视可流动所述介质的电子振动传感器(10)，其包括：振荡器(12)，围绕振荡器的介质可被施加到其上；至少一个机电换能器，其用于根据驱动信号来激励振荡器(12)产生机械振动，和/或用于输出依赖于振荡器的振动的换能器信号；操作及评估单元(16)，其用于提供驱动信号来驱动机电换能器，用于捕捉换能器信号，以及用于根据换能器信号确定介质的存在、密度和/或粘度，其中，操作及评估单元(16)被设计成根据换能器信号的时变变化来检测管道中的介质是否具有高于界限值的流速。

Description

用于监视可流动介质的电子振动传感器及测量组件
技术领域
本发明涉及用于监视可流动介质的电子振动传感器及测量组件。
背景技术
在过程安装中，通常借助于电子振动传感器来监视可流动介质，该电子振动传感器被用作界限开关或者密度或粘度传感器。界限开关包括例如以杆或振动叉形式的振荡器，并经由振荡器的谐振频率的变化来检测介质的存在，该变化由周围介质的密度引起。此外，介质的密度可经由测量振荡器的谐振频率来确定，或者介质的粘度可经由衰减来确定。这种电子振动传感器由指定申请人Liquiphant发布。
专利申请DE3336991A1公开了这样的用于监视料位的电子振动传感器，其中，传感器的振荡器具有伸入介质的两个振动杆，其由压电堆激励产生弯曲振动。
专利申请DE10057974A1公开了一种用于监视介质料位或确定介质密度的电子振动传感器及其操作方法。干扰变量对电子振动传感器的振动频率的影响被确定并相应地被补偿。
专利申请DE10050299A1公开了一种利用受激振荡器确定容器中介质粘度的电子振动传感器，其中，介质的粘度利用振荡器的频率/相位曲线来确定。
专利申请DE102006033819A1公开了用于确定介质密度的电子振动传感器，具有激励/接收单元，其激励振荡器产生机械振动并接收机械振动；具有电子单元，其利用电激励信号为激励/接收单元充电，并从激励/接收单元接收电接收信号，其中，电子单元产生激励信号，以使得相位差等于接收信号与激励信号之间的相位差结果标称值，其中，介质粘度变化对能进行机械振动的单元的机械振动的相位差影响的标称值是可忽略的，根据激励/接收单元的阻抗与电子单元的输入阻抗的比提供相位差的标称值。
上述电子振动传感器及所采用的评估方法已经先前假定介质静止。无论如何，介质与传感器之间的相对运动先前不被考虑为由传感器考虑的自由度。
发明内容
本发明基于提供电子振动传感器及测量组件的目的，这种传感器适于检测流动介质。该目的由根据独立权利要求1的电子振动传感器和根据独立权利要求的测量组件来实现。
根据本发明的用于监视可流动介质的电子振动传感器包括：
振荡器，围绕振荡器的介质可被施加到其上；
至少一个机电换能器，其用于根据驱动信号激励振荡器机械振动，和/或用于输出依赖于振荡器振动的换能器信号；
操作及评估单元，其用于提供驱动信号来驱动机电换能器，用于捕捉换能器信号，以及用于根据换能器信号确定介质的存在、密度和/或粘度；
其特征在于，操作及评估单元被设置成根据换能器信号的时变变化来检测管道中的介质是否具有高于界限值的流速。
本发明基于的构思是，振荡器形成流阻滞，在这里，可流动介质中的涡流分离，因振荡器的振动响应受涡流影响。该现象已被用于涡流计，其借助于被涡流偏转的被动桨以第一近似来检测流阻滞处涡流的速度比例间隔频率。例如DE102006047815A1描述了一种涡流计。对于流体，依赖于流速和几何条件，涡旋频率例如总计高达大约200Hz，。由涡流引起的压力波动幅值近似成比例于流速的平方。因此，可测量的振荡器的谐振振动与涡流引起的受迫振动的叠加，预期会使流速提高。
在本发明的一个发展中，振荡器具有振荡叉、浆或杆。
在本发明的一个发展中，给定高于界限值的介质的恒定流速，换能器信号的时变变化为周期性的。
在本发明的一个发展中，振荡器具有依赖于管道中介质密度的谐振频率，其中，流速的界限值被选择为使得，对于与界限值相对应的流速，周期性变化的频率不超过振荡器谐振频率的四分之一，特别地，不超过振荡器谐振频率的八分之一。
在本发明的一个发展中，操作及评估单元被设置成利用振荡器多个振动周期的换能器信号，确定振荡器振动的至少一个特征量的值，以及执行至少一个特征量的值的统计分析，使得检测换能器信号的变化，其中，特征量选自于：换能器信号的频率、换能器信号的周期、换能器信号的幅值或驱动信号与换能器信号之间的相位关系。
在本发明的一个发展中，统计分析包括确定特征量的值的分布范围。
在本发明的一个发展中，统计分析包括确定特征量相继值之间的平均偏差。
在本发明的一个发展中，操作及评估单元包括微处理器，特别地，其被设置成对数字化的换能器信号执行上面的统计分析，以建立并以信号发送流速，以及若可能，确定并输出相关的流速测量值。
根据本发明的测量组件包括根据本发明的电子振动传感器和管道，其中，电子振动传感器、尤其电子振动传感器的振荡器伸入到管道中。
在本发明的一个发展中，管道具有管道壁，其中，电子振动传感器穿过管道壁的区段并基本垂直于所述管道壁伸入到管道中。
在本发明的一个发展中，振荡器可基本上垂直于管道壁的该区段被激励。
在本发明的一个发展中，振荡器可被激励为基本上垂直于测量管道纵轴振动。在本发明的替选实施例中，振荡器可被激励为基本上平行于测量管道的纵轴振动。不同方向的激励导致了关于流速的不同敏感度。
在本发明的一个发展中，操作及评估单元具有数据存储装置，其中存储有模型，其对至少一个介质描述特定于测量组件的、流速与换能器信号的时变变化之间的关系。
附图说明
基于附图中示出的示例性实施例，随后进一步详细描述本发明。其中：
图1：示意描述了根据本发明的测量组件的第一示例性实施例；
图2a：根据本发明的测量组件的第一示例性实施例的细节图；
图2b：根据本发明的测量组件的第二示例性实施例的细节图；
图3：建立和确定流速的评估原则的呈现；以及
图4：关于其中一个持续周期分布的依赖于流速的半宽度数据。
具体实施方式
根据图1和2a所描述的本发明的测量组件的示例性实施例1包括电子振动传感器10，其具有带有两个彼此相对振动的桨12、14的振荡器。振荡器的振动特性特别地依赖于围绕振荡器介质的密度和粘度。电子振动传感器进一步包括至少一个机电换能器，特别地为压电换能器，其用于激发振动并提供依赖于换能器信号的振动。除此之外，电子振动传感器包括操作及评估单元，其将驱动信号输出给至少一个机电换能器以用于激发振荡器的振动，并且其检测和评估换能器信号，使得根据使用的领域来输出依赖于振动的测量结果和/或以如电流或电压信号的模拟形式或以数字形式的开关信号。操作及评估单元被设置在外壳16内。测量组件1进一步包括测量管道10，振荡器的桨12、14穿过管道壁开口22伸入到其中。特别地，如图2a所描述的，桨12、14具有基本上平行于流动方向F或管道轴延伸的桨面。桨12、14相对于彼此振动，并由此垂直于流动方向F。
根据图2b描述的本发明的测量组件的第二示例性实施例101包括电子振动传感器110，其具有带有两个相对于彼此振动的桨112、114的振荡器。特别地，振荡器的振动特性依赖于围绕振荡器的介质的密度和粘度。电子振动传感器进一步包括至少一个机电换能器，特别地为压电换能器，其用于激发振动并提供依赖于换能器信号的振动。除此之外，电子振动传感器包括操作及评估单元，其将驱动信号输出给至少一个机电换能器以用于激发振荡器的振动，并且其检测和评估换能器信号，以便根据使用的领域来输出依赖于振动的测量结果和/或以如电流或电压信号的模拟形式或以数字形式的开关信号。操作及评估单元被设置在外壳116内；它包含用于对数字化的换能器信号进行统计分析的微处理器。测量组件101进一步包括测量管道110，振荡器的桨112、114穿过管道壁开口122伸入到其中，桨112、114具有基本上垂直于流动方向F或管道轴延伸的桨面。桨112、114相对于彼此振动，并由此平行于流动方向F。
现在利用图3来解释检测或测量流速的过程。电子振动传感器的基本测量为振荡器的谐振频率，其特别地依赖于周围介质的密度。例如，振荡器在水中的典型速率为70，使得谐振线非常尖锐。然而，如果介质流过测量管道，它导致上面提到的由电子振动传感器的桨12、14处的涡流分离引起的扰动。它们导致震荡周期波动。如果现在利用持续时间的分布例如通过检测换能器信号最大值之间的时间差在多个振荡周期上检测各个持续时间，可建立是否有介质流过及可能以什么速度流过。为此，可检测例如50-100周期的持续时间，且确定其相对频率N(t)/N(t0)。与此有关的分布被描述于图3中。曲线A示出了静止介质的分布，而曲线B和C相对应于几m/s流速的分布。N(t)/N(t0)处的半宽度(FWHM)＝0.5，其中，t0为平均持续时间，其随着升高的流量增加。
图4描述了用于图2a和2b的示例性实施例的根据流速而变的依赖于流速的半宽度。标记为P的符号对应于平行于流动方向排列的桨面(图2a)的函数，而标记为O的符号代表垂直于流动方向的布置的桨面(图2b)的半宽度曲线。示出在所考虑的示例性实施例中，在给定低流速的情形下，平行设置允许检测到半宽度中的增加，而垂直设置仅仅在处于或高于约2m/s流速处才示出明显可检测的扩展，然而，假定桨面平行设置，随后其相较于半宽度更显著地随着流速增加。
对于给定的电子振动传感器，半宽度与流速之间的精确关系，一方面依赖于介质特性，另一方面依赖于各个测量组件的几何形状。特定的对应模型描述振荡器振动的持续时间的分布的半宽度与介质流速之间的关联。

Claims (11)

1.一种用于监视可流动介质的电子振动传感器(10)，其包括：
振荡器(12)，围绕所述振荡器的介质可被施加到该振荡器上；
至少一个机电换能器，其用于根据驱动信号来激励所述振荡器(12)产生机械振动，和/或用于输出依赖于所述振荡器的振动的换能器信号；
操作及评估单元(16)，其用于提供驱动信号来驱动所述机电换能器，用于捕捉所述换能器信号，以及用于根据所述换能器信号确定所述介质的存在、密度和/或粘度；其中：
所述振荡器(12)具有振荡叉、浆或杆，
所述振荡器形成流阻滞，在所述流阻滞处，因所述振荡器的振动响应受涡流影响，流动介质中的涡流以涡流的速度比例间隔频率分离，
由涡流引起的压力波动幅值以第一近似成比例于流速的平方，
能测量的振荡器的谐振振动与涡流引起的受迫振动的叠加以提高的流速发生，由此，给定高于界限值的介质的恒定流速，产生所述换能器信号的周期性时变变化，
所述操作及评估单元被设置成利用所述振荡器(12)的多个振动周期的换能器信号，确定所述振荡器的振动的至少一个特征量的值，以及执行所述至少一个特征量的值的统计分析，使得检测所述换能器信号的周期性变化，其中，所述至少一个特征量选自于所述换能器信号的频率、所述换能器信号的周期、所述换能器信号的幅值或所述驱动信号与所述换能器信号之间的相位关系，
所述统计分析包括所述至少一个特征量的值的分布的宽度，
其中，所述操作及评估单元具有微处理器，所述微处理器被设置成对数字化的换能器信号执行上述统计分析，以建立并以信号发送流速，
其中，所述振荡器(12)具有依赖于所述介质的密度的谐振频率，其中，流速的所述界限值被选择为使得，给定与所述界限值相对应的流速，所述周期性变化的频率不超过所述振荡器的谐振频率的四分之一。
2.根据权利要求1所述的电子振动传感器(10)，其中，所述统计分析包括所述至少一个特征量的值的分布的半宽度。
3.根据权利要求1所述的电子振动传感器(10)，其中，所述振荡器(12)具有依赖于所述介质的密度的谐振频率，其中，流速的所述界限值被选择为使得，给定与所述界限值相对应的流速，所述周期性变化的频率不超过所述振荡器的谐振频率的八分之一。
4.根据权利要求1所述的电子振动传感器，其中所述微处理器被设置成确定并输出相关的流速测量值。
5.一种测量组件，其包括：根据权利要求1-4中的一项所述的电子振动传感器；以及
管道，其中，所述电子振动传感器伸入到所述管道中。
6.根据权利要求5所述的测量组件，其中，所述电子振动传感器的所述振荡器伸入到所述管道中。
7.根据权利要求6所述的测量组件，其中，所述管道具有管道壁，其中，所述电子振动传感器穿过所述管道壁的一个区段并基本垂直于所述管道壁伸入到所述管道中。
8.根据权利要求7所述的测量组件，其中，能够与所述管道壁的所述区段成直角地激励所述振荡器振动。
9.根据权利要求7所述的测量组件，其中，能够与所述管道的纵轴成直角地激励所述振荡器振动。
10.根据权利要求7所述的测量组件，其中，能够与所述管道的纵轴平行地激励所述振荡器振动。
11.根据权利要求5所述的测量组件，其中，所述操作及评估单元具有数据存储装置，其中存储有模型，所述模型对至少一种介质描述特定于所述测量组件在流速与所述换能器信号的时变变化之间的关系。
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