CN108931271A

CN108931271A - 可变面积流量计

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Publication number: CN108931271A
Application number: CN201810440725.0A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·鲍姆加特纳; 艾泰金·奥伊
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2018-12-04
Anticipated expiration: 2038-05-11
Also published as: CN108931271B; DE102017111366A1

Abstract

本发明涉及一种可变面积流量计。该可变面积流量计(1)用于确定和/或监视介质在垂直延伸的流体管线(2)中沿与重力方向相反的方向的流量，该流量计具有：具有在流动方向(RD)上锥形地敞开的部分(4)的引导件(3)；以及布置在引导件中的浮体(5)，该浮体被设计成使得在引导件(3)的内壁(31)和浮体(5)的外表面(51)之间存在围绕浮体(5)的间隙(6)，并且浮体(5)的外表面(51)具有在流动方向(RD)上敞开的通道形凹槽(7)。本发明还涉及具有根据本发明的可变面积流量计(1)的分析器(20)。

Description

可变面积流量计

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监视介质在垂直延伸的流体管线中沿与重力方向相反的方向的流量的可变面积流量计，该流量计具有引导件和布置在引导件中的浮体，引导件具有在流动方向上锥形地敞开的部分。

背景技术

可变面积流量计的测量原理是基于这样的事实，即作为对于在竖直延伸的流体管线中沿与重力方向相反的方向的流动的回应，浮体受到与重力方向相反的作用力。该作用力由浮力和流动阻力组成。如果与重力方向相反的力大于浮体的重量，则浮体在沿流动方向锥形地敞开的引导件中升高。随着浮体在引导件中的高度上升，在引导件的内壁与浮体的外表面之间并且包围浮体的间隙因此增大。这又降低了流动阻力。因此，浮体仅仅上升直至在由流动介质引起的力和重量之间的力平衡占主导地位为止。静止时，在引导件中浮动的浮体高度相应地表示流量的量度。原则上，可变面积流量计在操作期间不需要任何能量供应。在现有技术中，它们被描述在包括例如专利说明书DE 196 24 974 C1的许多出版物中。

在介质是不均匀介质的情况下，例如介质中含有异物和/或气泡时，现有技术中已知的可变面积流量计很容易失效。例如，气泡聚集在浮体下面，并且不能通过浮体。这就增加了浮力，从而错误地指示过高的流量。在极端情况下，即使没有流动，浮体也会由于气泡而继续浮动，因此即使不存在流动，也会指示流量。这种情况在可变面积流量计被用作限位开关时是特别成问题的，此时将通过限位开关来监视所设定的欲存在的最小流量的可用性。

可变面积流量计被用作限位开关，例如用在尤其是用于分析介质样品的在线分析仪的分析设备的流体管线中。在DE 10 2012 102 256 A1、DE 102 22 822 A1、DE 102 27032 A1和DE 10 2009 029 305 A1中提到了在线分析仪的例子。在这种情况下，可变面积流量计可用于确定和/或监视流体管线中的流动-例如用于控制和/或调节输送和/或定量给料装置。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种即使在不均匀介质中也可靠地测量流量的可变面积流量计。

该目的通过一种用于确定和/或监视介质在垂直延伸的流体管线中沿与重力方向相反的方向的流量的可变面积流量计得以实现，该流量计具有引导件和布置在引导件中的浮体，引导件具有在流动方向上锥形地敞开的部分，浮体被设计成使得在引导件的内壁与浮体的外表面之间存在着围绕浮体的间隙，并且浮体的外表面具有在流动方向上敞开的通道形凹槽。

根据本发明的解决方案的巨大优点在于，借助于凹槽，使得否则在浮体下面聚集的任何气泡和/或可能的其他异物可以在沿流动方向敞开的通道形凹槽中自由地流动通过浮体。

例如，通过对浮体的外表面进行特殊处理，将沿流动方向敞开的通道形凹槽引入外表面中。可替代地，带凹槽的浮体以一次成形方法制造。在这种情况下，“在流动方向上敞开的”是指借助于通道形凹槽，在浮体下方的区域与浮体上方的区域之间存在着开放的通道，其中，原则上关于通道形凹槽的特殊形状没有限制。围绕浮体的间隙在至少一个垂直于流动方向的剖面中完全地环绕浮体。

在这种情况下，尤其有利地是凹槽的尺寸被布置成使得介质中存在的气泡的直径小于附加间隙，该间隙是由于凹槽而存在于引导件的内壁与浮体的外表面之间。这里，“附加间隙”表示由引导件的内壁与浮体的外表面之间的凹槽所引起的间隙，即与没有凹槽的另外相同设计的浮体相比较而言。

有利的是，浮体的纵轴被布置成平行于垂直延伸的引导件或者平行于流动方向。

在本发明的一个实施例中，凹槽的尺寸被布置成使得浮体的质量比没有凹槽的另外相同设计的浮体的质量小1％至20％。

优选地，浮体的质量比没有凹槽的另外相同设计的浮体的质量小2％至10％。

在可变面积流量计的一个特别有利的改进中，引导件具有相对于流动方向布置在圆锥形部分前面的圆柱形部分。特别地，引导件的圆柱形部分因此被布置在圆锥形部分的下方。在这种情况下，在引导件的圆柱形部分中也存在着位于引导件内壁与浮体的外表面之间的围绕浮体的间隙。流量为零时，浮体不会升起；因此它起初停留在圆柱形部分中，例如停留在布置于引导件中的流的供给线上的支撑件上，使得间隙最初仅存在于浮体的横向布置的外表面和引导件的内壁之间。

当圆柱形部分直接被布置在圆锥形部分之前时，即在这两个部分之间没有可能附加的中间部分时，并且当在这两个部分之间存在基本上连续的过渡时，这是有利的。于是，圆锥形部分中的初始直径例如对应于事先在流动方向上直接布置的圆柱形部分的直径。由于圆锥形部分的直径在流动的垂直方向上稳定地增加，圆锥形部分的直径总是大于圆柱形部分的直径。

如果流动介质现在以大到足以提升浮体的流量或流速被引导到引导件中，则浮体以初始升力在引导件的圆柱形部分中被提升，即直到浮体到达圆锥形部分。当可变面积流量计的测量范围包含特别小的流量——例如流量或流速低于1mL/s——时，这种初始升力是特别有利的。

由于前面提到的气泡是非常成问题的，特别是对于要确定和/或监视的小流量，在该改进中存在着特别强烈的协同效应，即根据本发明的浮体与凹槽和引导件的组合，具有从圆柱形部分到圆锥形部分的过渡。

然而原则上，在该改进中描述的解决方案也明显与包含在根据本发明的解决方案中的凹槽无关，这是因为由具有从圆柱形部分到圆锥形部分的过渡的引导件引起的初始升力对于被设计成用于测量非常小的流量的可变面积流量计本身是有利的。

因此，可变面积流量计的灵敏度从而通过垂直于流动方向的、位于浮体与引导件之间的圆柱形部分中的自由间隙表面、特别是通过浮体相对于自由间隙表面的质量比以及通过圆锥形部分的设计来进行调整。

在可变面积流量计的有利实施例中，浮体相对于引导件的尺寸被布置成使得在圆柱形部分中、在垂直于流动方向的剖面中，在引导件和布置在其中的浮体之间存在大于给定的最小间隙表面值的间隙表面。最小间隙表面值尤其是0.5mm²，并且优选2mm²。

在本发明的另一个有利的实施例中，浮体相对于引导件的尺寸被布置成使得在圆柱形部分中、在垂直于流动方向的剖面中，在引导件和布置在其中的浮体之间存在间隙表面，其中浮体质量除以间隙表面的商小于给定的最大商值。最大商值尤其是3g/mm²，并且优选1.4g/mm²。

浮体的这种尺寸布置产生了非常高的灵敏度，从而也可以采用根据本发明的可变面积流量计来测量上面提到的直至小于1mL/s的小流量。

在本发明的有利的实施例中，引导件的圆柱形部分为引导件的长度的至少10％，尤其是至少20％。

在本发明的另一个有利的实施例中，引导件的圆锥形部分为引导件的长度的至少20％，尤其是至少30％。

当引导件的圆锥形部分比引起初始提升的圆柱形部分长出尤其是引导件的长度的至少10％并且优选至少20％时，这是有利的。

在本发明的有利的实施例中，通道形凹槽基本上平行于流动方向延伸。因此，在这种情况下，通道形凹槽是沿着浮体的纵轴延伸的直槽，使得通过通道形凹槽的行进路线对于通过浮体的气泡而言尽可能短。

在本发明的另一个实施例中，凹槽具有大致V形或U形的轮廓。

在V形轮廓的情况下，如果V形轮廓具有的张角在60°与120°之间、尤其是在80°与100°之间，则这是有利的。

如果凹槽具有的最大凹槽深度位于0.5和3mm之间，则这是有利的。此外，如果凹槽具有的最大凹槽深度位于浮体直径的10％到30％之间，则这是有利的。

特别地，如果浮体具有至多一个凹槽，则本发明也是有利的。仅有一个凹槽时，浮体中会引入轻微的不对称性。从而无论如何浮体可以稳定地漂浮在引导件中，并且不会由于例如未对准而被卡住，浮体沿其纵轴(即平行于流动或引导件的垂直方向)必须足够长。

在本发明的另一个有利的改进方案中，浮体因此在流动方向上具有的长度为引导件的长度的至少5％。特别地，浮体在流动方向上具有至少4mm的长度。

在本发明的一个实施例中，浮体具有圆柱形部分。

在本发明的另一个实施例中，浮体具有被引入到浮体的垂直于流动方向的顶面中的切口，尤其是钻孔。

一方面，浮体的质量可以通过切口减小。这是有利的，例如补偿了浮体的所需长度产生的大的附加质量，这又是由于凹槽造成的。另一方面，这种切口使异物和/或气泡难以粘附到顶面上。

在有利的改进中，浮体的外表面的粗糙度借助于最终的表面处理尤其是通过电抛光来减小。这使介质中包含的异物和/或气泡与浮体的粘附最小化，使得它们随后可以非常容易地通过浮体并且流过通道形凹槽，而且还不能粘附到浮体的顶面和/或底面。

本发明还涉及一种用于自动确定介质尤其是流体的样本的被测变量的分析仪，该分析仪具有根据本发明的可变面积流量计，其被设计为确定和/或监视介质在分析仪的垂直延伸的流体管线中沿着与重力方向相反的方向的流量。

在分析仪的一个实施例中，在正常操作中，介质基本上连续地流过分析仪的流体管线。

附图说明

将参考附图进一步解释本发明，附图并非是按比例绘制的，其中相同的附图标记表示相同的特征。为了清楚起见，或者如果由于其他原因看起来是明显的，则在下面的附图中将不再重复先前提到的附图标记。这些附图显示了：

图1：根据本发明的可变面积流量计的浮体的实施例的透视图。

图2a：根据本发明的可变面积流量计的分析仪的示意性截面图。

图2b：根据本发明的可变面积流量计的实施例的截面图。

具体实施方式

图1示出了用在根据本发明的可变面积流量计1(参见图2b)中的浮体5的实施例的透视图。浮体5的外表面51具有凹槽7，该凹槽具有V形轮廓并且开口角为大约90°。

浮体5具有圆柱形部分52并且在端部区域处锥形地逐渐变细。这使浮体5在流动中保持稳定，或者在没有流动的情况下，其锥形地逐渐变细的端部区域可以停留在布置于引导件3下方的例如圆环的支撑件上(参见图2b)。

浮体5的长度LS为9mm，并且凹槽7具有的最大槽深为1.5mm。在浮体5的顶面9中具有沿浮体的纵向引入的钻孔。一方面，其用于减小浮体5的质量Ms；另一方面，由此减少了气泡对顶面9的粘附。为此，通过电抛光额外地处理浮体5的外表面51，这减小了浮体5的外表面51的粗糙度。

此外，图1中的外部虚线表示引导件3的内壁31(参见图2b)。浮体5的尺寸被布置为随着引导件3而变，使得包围浮体5的间隙6环绕着浮体5并且存在于浮体5的外表面51和引导件3的内壁31之间。在这种情况下，在圆柱形部分8中、在垂直于流动方向RD的剖面中存在间隙表面SF，并且在图1中用虚线界定。间隙表面SF大于给定的最小间隙表面值SFM，或者间隙表面SF和浮体5的质量Ms彼此协调，使得商Ms/SF小于给定的最大商值QM。通过这种微调，利用流量计1的可变面积也可以测量直到小于1mL/h的非常小的流量(参见图2b)。

当测量这些非常小的流量时，介质22中存在的气泡(参见图2a、图2b)流经在通过浮体5的流动方向RD上敞开的通道形凹槽7，从而即使针对这种非均匀介质22，也可以可靠地检测到非常小的流量，未受到气泡的干扰影响。这对于在分析仪20中使用可变面积流量计1以例如作为限位开关监视流体管线2中存在的最小可用流量的情况是尤其重要的。在这种情况下，如以上所描述的，仅由气泡而非由流动保持在引导件3中的不当高度处的浮体5将是特别成问题的，这是因为浮体不正确地指示了过度升高的流量并因此可能导致不正确的开关状态。

在图2a的示意性截面图中显示了这种分析器，该图描绘了分析器20的一部分，其中由II标识的区域示出了可变面积流量计1。在图2b的截面图中对该可变面积流量计1进行了详细地描述，其中上面已经描述过的特征可能不再进行解释。

可变面积流量计1的引导件3在那里被设计为钻孔；当然，在本发明的上下文中，通过现有技术中已知的其他方法来获得引导件3也是可能的。

在底部区域中，引导件3具有圆柱形部分8，当存在小的流量时，圆柱形部分8引起最初的升力，将浮体5提升到圆锥形部分4。在该截面图中，在浮体5的侧面可看见沿流动方向RD敞开的凹槽7。

引导件3的圆锥形部分4中的浮体5的高度表示流量的量度。

在引导件3是由透明材料制成的情况下，例如使用施加到引导件3的标记来读取高度。

可替代地或附加地，利用图2b中所示的检测单元21来确定和/或监视浮体5在圆锥形部分4中的高度并且因此流量。例如，检测单元21被设计为基于电容或光学测量原理来检测浮体5在圆锥形部分4中的高度的电子单元。

例如，检测浮体5通过特定的高度并且从而达到预定的流量；这在可变面积流量计1被用作限位开关的情况下是很重要的，借助于该限位开关监视将存在的最小流量。

参考标记和符号

1 可变面积流量计

2 流体管线

3 引导件

31 引导件的内壁

4 引导件的圆锥形部分

5，5` 浮体

51 浮体的外表面

52 浮体的圆柱形部分

6 间隙

7 凹槽

8 引导件的圆柱形部分

9 顶面

10 切口

20 分析仪

21 检测单元

22 介质

RD 流动方向

Ms，Ms′ 浮体的质量

SF 间隙表面

SFI 最小的间隙表面值

QM 最大商值

LS 浮体的长度

Claims

1.一种用于确定和/或监视介质(22)在垂直延伸的流体管线(2)中沿与重力方向相反的方向的流量的可变面积流量计(1)，所述可变面积流量计具有：

-引导件(3)，所述引导件(3)具有在流动方向(RD)上锥形地敞开的部分(4)；以及

-浮体(5)，所述浮体(5)布置在所述引导件中，所述浮体(5)被设计成使得在所述引导件(3)的内壁(31)和所述浮体(5)的外表面(51)之间存在围绕所述浮体(5)的间隙(6)，并且所述浮体(5)的所述外表面(51)具有在所述流动方向(RD)上敞开的通道形凹槽(7)。

2.根据权利要求1所述的可变面积流量计，

其中，所述凹槽(7)的尺寸被设置成使得所述浮体的质量(Ms)比没有凹槽(7)的在其他方面相同设计的浮体(5′)的质量(Ms′)小1％至20％，优选地小2％至10％。

3.根据权利要求1或2所述的可变面积流量计，

其中，所述引导件(3)具有圆柱形部分(8)，所述圆柱形部分相对于所述流动方向(RD)被布置在所述圆锥形部分(4)的前方。

4.根据权利要求3所述的可变面积流量计，

其中，所述浮体(5)的尺寸相对于所述引导件(3)被设置成使得在所述圆柱形部分(8)中、在垂直于所述流动方向(RD)的剖面中，在所述引导件(3)和布置于其中的所述浮体(5)之间存在大于给定的最小间隙表面值(SFM)的间隙表面(SF)，其中，所述最小间隙表面值(SFM)尤其是0.5mm²，并且优选是2mm²。

5.根据权利要求3或4所述的可变面积流量计，

其中，所述浮体(5)的尺寸相对于所述引导件(3)被设置成使得在所述圆柱形部分(8)中、在垂直于所述流动方向(RD)的剖面中，在所述引导件(3)和布置于其中的所述浮体(5)之间存在间隙表面(SF)，其中所述浮体(5)的质量(Ms)除以所述间隙表面(SF)的商小于给定的最大商值(QM)，并且其中，所述最大商值(QM)尤其是3g/mm²，并且优选是1.4g/mm²。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的可变面积流量计，

其中，所述引导件(3)的圆柱形部分(8)是所述引导件(3)的长度的至少10％、尤其是至少20％。

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的可变面积流量计，其中，所述引导件(3)的圆锥形部分(4)是所述引导件(3)的长度的至少20％、尤其是至少30％。

8.根据前述权利要求中的至少一项所述的可变面积流量计，

其中，所述通道形凹槽(7)基本上平行于所述流动方向(RD)延伸。

9.根据前述权利要求中的至少一项所述的可变面积流量计，

其中，所述凹槽(7)具有大致V形或U形的轮廓。

10.根据前述权利要求中的至少一项所述的可变面积流量计，其中，所述浮体(5)在所述流动方向(RD)上的长度(LS)是所述引导件(3)的长度的至少5％，尤其是至少4毫米。

11.根据前述权利要求中的至少一项所述的可变面积流量计，

其中，所述浮体(5)具有圆柱形部分(52)。

12.根据前述权利要求中的至少一项所述的可变面积流量计，

其中，所述浮体(5)具有切口(10)，尤其是钻孔，所述切口被引入到所述浮体(5)的垂直于所述流动方向(RD)的顶面(9)中。

13.根据前述权利要求中的至少一项所述的可变面积流量计，其中，所述浮体(5)的外表面(51)的粗糙度借助于最终的表面处理、尤其是借助于电抛光而降低。

14.一种用于自动确定介质(22)——尤其是流体——的样本的被测变量的分析仪(20)，具有根据前述权利要求中的至少一项所述的被设计为确定和/或监视所述介质(22)在所述分析仪(20)的垂直延伸的流体管线(2)中沿与重力方向相反的方向的流量的可变面积流量计(1)。

15.根据权利要求14所述的分析仪(20)，其中，在正常操作中，所述介质(22)基本上连续地流经所述分析器(20)的所述流体管线(2)。