CN110017861B - 内嵌传感器和流体管线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内嵌传感器和流体管线系统，内嵌传感器包括：可固定在流体管线的壁上的壳体；第一换能器，其用于检测包含在处理容器中的介质的主被测变量，所述换能器被集成到所述壳体中并被设计成生成取决于所述主被测变量的第一测量信号；以及连接到所述第一换能器的传感器电子器件，用于检测所述第一测量信号并被设计成处理所述第一测量信号；其中，所述内嵌传感器另外被设计成检测在所述处理容器中发生的压力波动。

Description

内嵌传感器和流体管线系统
技术领域
本发明涉及一种可以被集成到流体管线中并被集成到流体管线系统的内嵌传感器。
背景技术
流体管线系统可以形成气体或液体管线网络，例如，气体或饮用水供应网络。在此处和下文中，流体应理解为可流动介质，例如液体、液体混合物、分散体或悬浮液、气体或适用时包含气溶胶的气体或气体混合物。流体管线系统也可以是过程工业中的过程工厂的部件。在这种情况下，过程流体，例如过程液体或过程气体，在流体管线中输送。过程流体可用于例如生产过程产品，例如药剂、食品或化学产品。过程流体也可以是待处理的液体，例如，待处理的水，或在这种处理过程中使用的试剂。过程流体也可以是用于清洁流体管线系统的清洁或消毒剂，其在新的过程循环开始之前冲洗通过流体管线系统。其他可能的过程流体是在油输送/油制备领域或供油管道中出现的油或油/水混合物。
使用在与阀相互作用的流体管线中产生过压或负压的泵或装置来输送流体通过流体管线系统。在此处和此后，阀指的是任何类型的阻挡元件，例如隔离阀、旋塞阀或各种类型的其他阀，其可选地，即取决于阻挡元件的位置，来阻挡或不阻挡通过流体管线的流体输送。根据流体管线系统的应用，这些阀可以手动或通过控制器自动地致动。在后一种情况下，阀包括可由控制器致动并将控制器的电信号转换成阀的机械运动的致动器。为了监测输送通过流体管线的流体的质量和数量，可以将内嵌传感器集成到流体管线中。这些传感器可以连接到可能提供用于致动阀的控制器，以便向控制器提供测量数据。控制器可以被设计成使用测量数据来控制或调节通过流体管线系统的流体输送，例如还用于控制或调节流体管线系统所属的过程工厂中的过程。
这种内嵌传感器例如是温度传感器、液位传感器、流量传感器和分析传感器。除了产生取决于被测变量的测量信号的换能器之外，内嵌传感器还包括测量电子器件，所述测量电子器件根据测量信号确定被测变量的测量值。测量电子器件例如可以被设计成连接到换能器的发射器或测量换能器。发射器或换能器通常包括接口，其中它们可以根据标准通信协议将确定的测量值输出到上级单元，例如，如上所述的控制器。测量换能器可以具有带有显示器和输入装置的壳体，例如呈显示器、输入键或开关的形式。
分析传感器通常包括换能器，所述换能器被设计成产生取决于分析被测变量的测量信号，尤其取决于测量流体中至少一种分析物的浓度的测量信号。分析物是包含在、尤其是溶解于测量介质中并且通过分析传感器确定和/或监测其在测量流体中的浓度的一种或多种物质。
液位传感器的示例是基于电容或电导率测量的振动传感器或液位传感器。流量传感器的示例是磁感应流量传感器、基于科里奥利原理的质量流量传感器、超声波流量传感器、热流量传感器或涡流量传感器。分析传感器的示例是电导率传感器，尤其是导电或感应电导率传感器、密度和粘度传感器、pH传感器、离子选择性电极、溶解氧传感器、浊度传感器、气体传感器、被设计成基于光度吸收测量确定存在于光度测量路径中的物质的浓度的光度传感器、或光谱仪，尤其是拉曼光谱仪或NIR光谱仪。被设计为内嵌传感器的分析传感器具有集成到流体管线中的壳体。这些传感器的换能器被集成在所述壳体中，使得它可以检测包含在流体管线中或流过流体管线的流体的被测变量，所述流体管线通常与流体接触。具有测量换能器或发射器功能的测量电子器件可以与换能器位于共同的壳体中，或者远程定位并经由电缆连接到换能器。
在流体管线系统中，压力波动，即在流体管线系统中存在的压力在短时间内相应发生浪涌状增加，是损坏的常见原因。压力波动也称为压力冲击。例如，流体管线本身以及阀、浮子、致动器或配件可能被这种压力波动损坏。压力波动通常由于空化而发生或当线路系统中的阀或配件被过快地和/或以非同步的方式被致动而发生。通常，不可能在早期阶段检测到这种压力波动，甚至无法系统地监测它们。因此，经常仅在症状上检测到损坏，例如当存在故障时，或在流体管线系统的日常维护工作进程期间。
发明内容
本发明的目的是能够记录和/或监测在流体管线系统中发生的压力波动。
所述目的通过一种内嵌传感器和流体管线系统来实现。在下文中列出了有利的实施例。
根据本发明的内嵌传感器包括
-可固定在流体管线或容器的壁上的壳体；
-第一换能器，其用于检测包含在流体管线或容器中的介质的主被测变量，所述换能器被集成到壳体中并被设计成生成取决于主被测变量的第一测量信号；以及
-连接到第一换能器的传感器电子器件，用于检测第一测量信号并被设计成处理第一测量信号；
其中，所述内嵌传感器另外被设计成检测在流体管线或容器中发生的压力波动。
在上述流体管线系统的流体管线或容器中，经常提供内嵌传感器(inlinesensor)，以便监测并且(如果必要的话)控制或调节流体输送或流体被测变量，例如流体成分。通过设计这样的内嵌传感器本身来除主被测变量之外还检测压力波动或压力冲击，无需额外连接用于检测压力波动或压力冲击的另外的传感器，例如额外的压力传感器。这样可以简单地安装这种压力波动监测装置，特别是对现有设备中的流体管线系统进行简单的改装，因为对于压力波动或压力冲击监测而言，以任何方式提供用于监测流体被测变量的已经存在的测量点和通信基础设施也用于压力波动监测。
为了检测压力波动，内嵌传感器可以具有用于检测次被测变量的第二换能器，所述换能器被集成到壳体中并被设计成生成取决于次被测变量的第二测量信号，其中作用在壳体上的压力变化，尤其是压力波动会影响次被测变量。通过将用于检测反映压力波动的次被测变量的第二换能器集成到内嵌传感器的壳体中，仅需要与流体管线的单个机械连接，以便既监测主被测变量也检测并记录压力波动。
第二换能器可以是例如压力传感器、加速度传感器(例如3D加速度传感器)、应变仪或位置传感器(例如电容式位置传感器)。作为卫星支持的位置传感器的GPS传感器或磁力计也可以用作位置传感器。除了特别适用于根据本发明目的的特别容易获得的3D加速度传感器之外，电容式加速度传感器或根据压电效应操作的加速度传感器也可以用作加速度传感器。
在有利实施例中，第二换能器可以是MEMS(微机电系统)传感器，例如MEMS压力传感器或MEMS加速度传感器。这种传感器仅具有小的空间需求并且可以有利地布置在传统的内嵌传感器的壳体的壁中或壁上。
传感器电子器件可以至少部分地布置在包括第一换能器的壳体中。在一个可能的实施例中，它可以完全布置在此壳体中。或者，它可以分为集成在此壳体中的传感器电子器件的第一部分和布置在第二壳体(例如在远离包括第一换能器的壳体的壳体中)中的传感器电子器件的第二部分。传感器电子器件的第二部分可以通过无线电或通过电感、电容或光学耦合无线连接和/或电缆连接到传感器电子器件的第一部分。
第二换能器可以例如被集成到壳体中，使得其被布置并固定在形成于壳体中的腔室内或壳体的壁中或壁上。例如，应变仪、加速度传感器或位置传感器可以被固定到壳体的壁的内侧或外侧，或者被封装(例如，铸造或注入)在壁内。如果内嵌传感器是具有参比电极的电位传感器，则第二换能器可以布置在腔室内，所述腔室用作壳体内的参比电极壳体并且通过传递(例如间隙或隔膜)与流体管线连通，使得在腔室内也可以检测到流体管线中发生的压力波动。
在传感器电子器件的至少一部分被布置在内嵌传感器的壳体中的实施例中，可以在壳体中形成密封以防止液体和/或湿气渗透的电子腔室。所述电子腔室例如可以是传感器插头的一部分，所述传感器插头可以作为第一耦合部分机械地耦合到第二互补耦合部分，以便形成插头连接。在此实施例中，第二耦合部分可以通过电缆连接到传感器电子器件的另一部分或上级数据处理单元，使得插头连接同时建立传感器电子器件的部分或传感器电子器件到上级数据处理单元的连接。插头连接可以在通过插头连接连接的传感器电子器件的部分或传感器电子器件和上级数据处理单元之间建立电流接触或电感、电容或光学耦合。这允许通过插头连接交换能量和数据。在这些实施例中，第二换能器可以被布置在电子腔室中，尤其是布置在传感器插头中或者布置在与传感器插头互补的插头连接的耦合部分中，所述插头连接将传感器电子器件的部分彼此连接，或将传感器电子器件连接到上级数据处理单元。
传感器电子器件可以被连接到第二换能器以检测第二测量信号，并且可以被设计成处理，例如数字化和输出第二测量信号。在根据本发明的传感器的此实施例中有利的是，传感器电子器件被配置成检测并进一步处理第一和第二换能器两者的测量信号。这允许配置传感器电子器件，使得它通过通信接口，特别是单个通信接口输出处理后的测量信号，所述通信接口可以被设计成与例如测量换能器或操作设备的上级数据处理单元以有线或无线方式进行通信。例如，测量信号或处理后的测量信号可以通过单根电缆输出到上级的换能器，所述换能器又通过同一电缆为内嵌传感器提供能量。
主被测变量可以是包含在流体管线或容器中的测量流体的分析被测变量、通过流体管线或容器的测量流体的质量或体积流量、流体管线或容器中的测量流体的温度、流体管线或容器中的测量流体的料位。分析被测变量在此被理解为表示取决于测量流体中至少一种分析物的浓度的被测变量。作为分析被测变量，主被测变量例如可以是单个分析物的浓度，例如，离子浓度、气体(例如氧气)浓度、pH值、电导率、浊度或颗粒或气泡浓度、氧化还原电位或总和参数，例如光谱吸收系数(SAC)，或测量流体的化学氧需求。
如已经提到的，传感器电子器件可以用无线或有线方式连接到上级数据处理单元以进行通信，传感器电子器件被设计成与上级数据处理单元通信，尤其是将第一和第二测量信号或包括从第一和第二测量信号导出的信息的信号输出到上级数据处理单元。传感器电子器件与上级数据处理单元的连接可以例如通过插入式连接器耦合以可拆卸的方式建立，所述插入式连接器耦合将传感器电子器件机械地和电气地连接到上级数据处理单元。插入式连接器耦合可包括两个可拆卸地互连的耦合元件，例如，插头和插座，其在连接状态下通过电流触点或通过电感、电容或光学耦合彼此连接以传输电力和数据。上级数据处理单元可以是测量换能器、控制器或便携式操作设备，例如便携式计算机、智能电话、智能手表、平板电脑或一些其他智能设备。在有利实施例中，上级数据处理单元可以为传感器电子器件提供能量。
传感器电子器件可以被配置成根据第一测量信号(即表示主被测变量的信号)确定主被测变量的物理单位的主被测变量的测量值，并且经由传感器电子器件的通信接口显示和/或输出它们。如果传感器电子器件被连接到上级数据处理单元，则它可以将被测变量输出到上级数据处理单元。在替代实施例中，例如，传感器电子器件可以被配置成通过通信接口将第一测量信号或处理后的(例如，放大和/或数字化的)第一测量信号输出到上级数据处理单元。在此实施例中，上级数据处理单元可以被配置成根据接收并且可选地由传感器电子器件处理的第一测量信号确定主被测变量的物理单位的主被测变量的测量值。在这两个实施例中，基于校准函数从测量信号确定测量值，其中校准函数的参数(例如校准线的零点和斜率)可以被存储在传感器电子器件的存储器中和/或在上级数据处理单元的存储器中。
此外，传感器电子器件和/或上级数据处理单元可以被配置成分析第二测量信号，例如顺序检测的第二测量信号的时间进程，以便检测压力波动。此压力波动检测可以完全由传感器电子器件执行，也可以完全由上级数据处理单元执行，或者可以由传感器电子器件执行各个处理步骤，并且可以由上级数据处理单元执行各个处理步骤。根据预期的划分，传感器电子器件和/或上级数据处理单元包括分析软件，所述分析软件可以由传感器电子器件或上级数据处理单元执行，以便根据第二测量信号的时间进程检测压力波动。
分析软件可以包括用于根据第二测量信号的进程分类或检测压力波动的算法。例如，分析软件可以包括用于基于预定短时间跨度内的第二测量信号的变化或基于第二测量信号的时间进程的导数来检测压力波动的方法。这可以通过与压力波动期间预期的至少一个相应的时间进程相比较，与至少预定时间跨度内的第二测量信号的预期变化相比较，或者与第二测量信号的至少一个预期导数相比较来完成。这些预期数据可以通过初步测试被确定并被存储在传感器电路的存储器中。算法可替代地或另外地也可以被配置成基于一个或多个阈值比较来检测压力波动。例如，如果在预定的短时间跨度内监测第二测量信号的变化或第二测量信号的时间进程的导数，则可以将变化或导数与预定阈值进行比较。超过此阈值可以触发压力波动的识别和记录。分析软件可以替代地或附加地包括分类器算法，用于根据第二测量信号的进程来检测压力波动。
如果第二换能器不与包含在流体管线或容器中的流体直接接触，例如，当它布置在传感器的壳体内时，它不直接地检测在流体管线或容器中发生的压力进程，而是仅通过壳体的部分以介导的方式检测，并且在适用的情况下，通过容纳在壳体中的流体检测。这可以减弱和/或扭曲压力进程，使得第二换能器的测量信号不再定量地但仍然定性地反映在流体管线或容器中发生的实际压力进程。为了补偿在经由壳体或传感器的其他部分到第二换能器的压力波动的传输中发生的对第二换能器的测量信号的影响，在有利实施例中的传感器的分析软件因此可以包括算法，所述算法包括与第二换能器相关的传输特性曲线，并在分析用于检测压力波动的第二测量信号时将其考虑在内。传输特性曲线可以是将在其壁中集成有传感器的流体管线或容器内的压力进程分配给测量信号的序列的函数。传输特性曲线可以在初步实验中加以确定并被存储在传感器电子器件的存储器中。在此实施例中，分析软件可以进一步被配置成基于传输特性曲线确定在其壁中固定有传感器的流体管线或容器内的压力进程。分析软件可以进一步被配置为分析此压力进程，例如，确定压力波动的强度或最大值。
传感器电子器件和/或上级数据处理单元可以包括压力波动计数器。例如，压力波动计数器可以被配置成在每个检测到的压力波动之后将存储的压力波动数量增加值1，或者在每个检测到的压力波动之后从最大允许的压力波动数量中减去值1。压力波动计数器可以实现为可由传感器电子器件和/或上级数据处理单元执行的软件。
传感器电子器件和/或上级数据处理单元可以被设计成例如将所述压力波动计数器的相应电流值与阈值进行比较并输出信号，尤其是当超过或低于阈值时报警。可以设置阈值，使得其指示在整个寿命期间或直到维护传感器的压力波动的允许最大数量。在这种情况下，信号可以向用户提供指示维护或更换传感器的信息。可以设定阈值或另一个阈值，使得其指示最大数量的压力波动，之后需要维护流体管线网络，尤其是流体管线网络的阀。在这种情况下，信号向用户指示维护流体管线网络的需要。
对于内嵌传感器的传感器诊断，传感器电子器件和/或上级数据处理单元可以被配置成基于第二测量信号，尤其是基于根据时间跨度内的第二测量信号确定的压力波动次数，确定内嵌传感器的状态。例如，传感器电子器件和/或上级数据处理单元可以被配置成基于第二测量信号确定内嵌传感器的剩余使用寿命。
如果第二换能器是运动传感器，则传感器电子器件可以被配置成还分析由运动传感器确定的不对应于压力波动的测量信号，即不导致检测到压力波动，以便预测剩余寿命或需要维护传感器。这些测量信号表示例如壳体的振动和/或振荡，其与压力波动类似，会导致传感器的损坏。如果第二换能器是位置传感器，则传感器电子器件可以被配置成还确定传感器取向的变化，例如，相对于流体管线的壁或其被固定的容器的壁。
为了诊断安装有内嵌传感器的流体管线系统，传感器电子器件和/或上级数据处理单元可以被配置成基于第二测量信号，特别是基于在内嵌传感器工作期间根据第二测量信号确定的压力波动数，确定流体管线系统的状态。
传感器电子器件和/或上级数据处理单元可以被配置成基于第二测量信号检测传感器被固定在其中的流体管线的振荡行为的变化，并当检测到振荡行为的变化时输出警告信号或警告消息。例如，由于不期望的沉积物导致的流体管线系统的机械损坏或流体管线的变窄，可能导致振荡行为的变化。通过分析本文描述的振荡行为，可以及早发现并消除这种影响。
本发明还涉及一种具有多条流体管线的流体管线系统；
根据上述实施例之一所述的内嵌传感器，其被集成到至少一个流体管线中；
可自动控制的致动器，用于控制通过流体管线的一种或多种流体输送；以及
控制器，被配置成控制致动器，以便将一种或多种流体输送通过流体管线；
其中控制器被连接到内嵌传感器的传感器电子器件，或被连接到被连接到内嵌传感器的传感器电子器件以进行通信的上级数据处理单元。
控制器和/或上级数据处理单元可以被配置成确定关于在流体管线中发生的压力波动的信息。控制器还可以被配置成基于所确定的信息来控制致动器，使得流体管线系统中的压力波动的频率和/或强度减小。为此目的，控制器可以例如包括自学习调节器，所述自学习调节器被设计成找到导致流体管线网络中的压力波动的频率和/或强度最小化的那些控制参数。
流体管线系统可包括多个流体管线，在每个流体管线中布置有至少一个根据上述实施例之一的内嵌传感器，控制器被连接到内嵌传感器以进行通信。内嵌传感器可以具有传感器电子器件，其直接连接到控制器以进行通信。或者，可以将单个或所有内嵌传感器连接到上级数据处理单元以进行通信，上级数据处理单元又连接到控制器以进行通信。控制器可以被配置成接收和处理主被测变量的两个被测变量值和关于来自内嵌传感器或上级数据处理单元的由内嵌传感器记录的压力波动的信息。所述信息尤其可以包括由内嵌传感器分别记录的压力波动的时间和强度。在这种情况下，控制器可以被设计成根据接收的信息确定压力波动的分布，并且可选地确定压力波动的起始位置。
附图说明
在下文中，参考附图中所示的示例性实施例更详细地描述本发明。所示附图为：
图1是包括加速度传感器和应变仪以检测压力波动的感应电导率传感器；
图2是具有其中集成了用于检测压力波动的压力传感器的具有参考半电池的电位pH传感器；以及
图3是来自流体管线网络的细节，所述流体管线网络具有集成到流体管线中的阀和分析传感器，以及用于检测压力波动的集成压力传感器。
具体实施方式
图1示意性地示出集成到流体管线的壁2中的感应电导率传感器1，作为内嵌传感器的第一示例。电导率传感器1具有基本上圆柱形的杆状壳体3，所述壳体由电绝缘材料制成，例如塑料，诸如PEEK、PVDF或PTFE。在壳体中存在第一换能器，用于检测在流体管线中流动的流体的电导率的测量值，在本示例中是测量液体。第一换能器包括两个一个接一个地布置的同轴环形线圈4，为了清楚起见，图1中仅用虚线表示。环形线圈4围绕连续开口5，所述连续开口形成在壳体3中并且测量液体流过所述开口。其中一个环形线圈4用作传输线圈；另一个环形线圈4用作接收线圈。两个环形线圈4连接到传感器电子器件5，所述传感器电子器件布置在壳体3中并且用于生成表示测量液体的电导率的测量信号，下文中称为电导率测量信号。为了产生电导率测量信号，传感器电子器件5借助于传输线圈产生交变电磁场，所述交变场作用于测量液体中的带电粒子并在测量液体中感应相应的电流。由于此电流流动，在接收线圈处产生电磁场，根据法拉第感应定律在接收线圈中感应出感应电压。此感应电压由传感器电子器件5检测并用作电导率测量信号。传感器电子器件5被设计成将电导率测量信号放大和数字化。
传感器电子器件5可以连接到上级数据处理单元6以进行通信，并且用于将能量从上级数据处理单元6传输到传感器电路5。在本示例中，连接通过电感插入式连接器耦合7实现，所述电感插入式连接器耦合确保传感器电子器件5与上级数据处理单元6之间的电流隔离。传感器电路5包括通信接口8，其用作插入式连接器耦合7的初级侧。上级数据处理单元6连接到电缆9。电缆9具有通信接口10，其与传感器电路5的通信接口8互补并且用作插入式连接器耦合7的次级侧。
当然，传感器电路5与上级数据处理单元6之间的连接也可以通过固定电缆不可分离地实现，或者通过具有传统电流触点的插入式连接器耦合可分离地实现。上级数据处理单元6也可以容纳在壳体中，所述壳体可以直接附接在插入式连接器耦合7的初级侧上，并且还包括插入式连接器耦合7的次级侧。上级数据处理单元和传感器电子器件也可以组合在直接容纳在壳体3中的单个电子器件中。上级数据处理单元6和传感器电路5也可以彼此无线通信。可以连接上级数据处理单元6，以便与操作设备或控制器(例如，SPS)通信。它可以包括输入和输出装置，例如设计为触摸屏的显示器，和/或输入键或开关。上级数据处理单元6可以是测量换能器。
在本示例中，传感器电路5被配置成将数字化电导率测量信号输出到上级数据处理单元6。它可以从上级数据处理单元6接收并处理命令、参数或软件模块。上级数据处理单元6被配置成处理电导率测量信号并且基于存储在上级数据处理单元6的存储器中的校准函数确定来自电导率测量信号的电导率的测量值，并且将它们显示在显示器上和/或将它们输出到操作设备或控制器上。
除了上述电导率测量之外，内嵌传感器1还被配置成检测并记录作用在内嵌传感器1上的压力波动。在本示例中，内嵌传感器1包括用于此目的的加速度传感器11。此加速度传感器布置在前壳体端部上，所述端部伸入流体管线中。在流体管线中发生压力波动的情况下，杆状壳体3被设定为振荡。振荡在壳体3的前端最明显；因此，加速度传感器11的这个位置特别有利。加速度传感器11布置在壳体3的内部，因此保护其免受在流体管线中流动的测量液体的影响。为了确定由压力波动引起的壳体振荡，考虑加速度传感器的各种实施例，例如，3D加速度传感器或压电加速度传感器，尤其是MEMS技术或磁感应加速度传感器。
加速度传感器11连接到传感器电路5，所述传感器电路根据加速度传感器11经历的加速度检测并处理加速度传感器11的测量信号。传感器电路5被配置成将加速度传感器的测量信号放大和数字化。它还可以被配置成分析测量信号，以便得出关于作用在传感器1上的压力波动的结论。然而，在本示例中，传感器电路5不是被设计成进一步分析测量信号，而是被配置成将数字化测量信号输出到上级数据处理单元6。
上级数据处理单元6被配置成进一步处理加速度传感器11的测量信号。为此，它包括由上级数据处理单元6执行以便分析测量信号的分析程序。上级数据处理单元6可以确定加速度传感器11的测量信号的进程，以便记录压力波动。在压力波动的情况下，测量信号的进程具有突然变化，例如在短时间跨度内急剧上升。因此，上级数据处理单元6可以监测第二测量信号的变化，例如，呈作为时间函数的第二测量信号的进程的导数形式。如果第二被测变量在预定时间跨度内的变化或第二测量信号的时间进程的导数大于预定阈值，则上级数据处理单元6记录压力波动。基于导数的幅值或基于测量信号的进程的最大值，上级数据处理单元6还可以确定压力波动的强度。
上级数据处理单元6可包括在软件中形成的压力波动计数器。在替代实施例中，压力波动计数器也可以被包括在传感器电子器件中。对于每个记录的压力波动，计数器可以递增值1。在上级数据处理单元6的存储器中，可以存储内嵌传感器1所经历的压力波动的次数的一个或多个阈值。例如，可以选择第一阈值，使得在这些次数的压力波动之后根据经验对传感器进行维修或更换，因为在这些次数的压力波动之后不再能够保证影响传感器功能的损坏的可能性。可以预定义第二较低阈值，其用作警告阈值。如果超过警告阈值，则上级数据处理单元6可以输出警告，所述警告通知用户应该很快更换传感器1。在达到警告阈值的基础上，上级数据处理单元6还可以确定并输出传感器1的剩余使用寿命。当达到并超过第一阈值时，上级数据处理单元6可以输出错误消息，所述错误消息通知用户现在必须更换传感器1。
作为加速度传感器的替代，内嵌传感器还可以包括压力传感器、位置传感器或用于检测压力波动的应变仪。
在本示例中，除了加速度传感器11之外，应变仪12例如布置在壳体3的壳体壁的内侧上。此应变仪可以作为加速度传感器11的替代提供，或如此处所示，加之加速度传感器11一起提供。它连接到传感器电子器件5，使得传感器电子器件5可以检测和处理应变仪12的测量信号。传感器电子器件5可以向上级数据处理单元6输出处理过的测量信号，如加速度传感器11的测量信号，用于进一步分析并用于压力波动的记录。在替代实施例中，应变仪也可以安装在壳体的外侧上或者可以嵌入壳体壁中，例如铸造或嵌件成型在壳体壁中。
当在流体管线中发生压力波动时，杆状壳体变形并进入振荡状态。因此，应变仪12的测量信号可用于检测压力波动。为此目的，传感器电子器件6可以被设计成以非常类似于已经针对运动传感器11的测量信号描述的方式分析应变仪12的测量信号的进程。
图2示意性地示出了用于测量第一被测变量的内嵌传感器101的另一示例性实施例，所述传感器另外被设计成检测压力波动。在此处所示的示例性实施例中，内嵌传感器被设计成电位pH传感器。它具有基本上圆柱形的杆状壳体103，所述壳体由例如玻璃等绝缘材料制成，并集成到流体管线的壁102中。壳体103包括两个分开的腔室121、122，每个腔室形成电位pH传感器的半电池。形成测量半电池的腔室121具有第一管状壳体部分123，其在其前端由pH敏感玻璃膜124封闭，所述玻璃膜用于与在流体管线中流动的测量流体接触。腔室121例如通过浇注材料129以液密方式在后侧密封。在腔室121内包含内部电解质，例如缓冲的氯化钾溶液，其可以通过聚合物增稠。内部电解质通过导电放电元件125接触。在本示例中，放电元件125由具有氯化银涂层的银线制成。银线被从后侧的腔室121引出。
形成参考半电池的腔室122由另一个管状壳体部分126形成，所述管状壳体部分126围绕管状壳体部分123同轴地延伸，作为封闭在管状壳体部分123、126之间的环形腔室。在前侧上，腔室122由围绕测量半电池环形延伸的多孔陶瓷隔膜127封闭。陶瓷隔膜127用作在腔室122中容纳的参比电解质与测量流体之间建立电解接触的传递。在pH传感器的替代实施例中，这种接触也可以通过间隙、流出接合点或腔室122的壁中的另一个开口而不是通过隔膜来建立。本实施例中的参比电解质是高浓度氯化钾溶液，其可任选地通过聚合物增稠。此外，接触参比电解质的参比元件128布置在腔室122中。在本示例中，此参比元件由涂有氯化银的银线形成为类似于放电元件125。在后侧上，参比元件128被引出腔室122，所述腔室在其后端通过浇注材料129以液密方式密封。
放电元件125和参比元件128导电地连接到传感器电子器件105。传感器电子器件105布置在形成于壳体103中并与电解质填充腔室121、122分离的电子腔室中。传感器电子器件105被设计成检测在半电池和与测量流体接触的半电池之间形成的pH依赖性电压。为此，它检测放电元件125与参比元件128之间的电压。此电压用作表示测量流体的pH值的测量信号。
在本示例中，传感器电子器件105可以经由电缆连接到上级数据处理单元。此连接和相应的通信接口可以按与上文参考图1描述的针对图1所示的电导率传感器的传感器电子器件5的方式非常类似的方式加以设计。传感器电子器件105还包括通信接口130，例如根据蓝牙标准，尤其是IEEE 802.15.1，版本4.0；无线HART标准，尤其是IEEE802.15.4；或无线LAN标准，尤其是IEEE 802.11系列的标准，通过无线电与操作设备进行通信。
传感器电子器件105可以被配置成将检测到的测量信号放大和/或数字化，并经由一个或所有通信接口输出放大的或数字化的测量信号。它还可以被配置成例如在校准函数的基础上根据测量信号确定pH值的测量值。校准函数例如可以是直线，其参数，即零点和斜率可以存储在传感器电子器件105的存储器中。或者，上级单元，例如经由电缆连接到传感器电子器件105的上级电子器件或经由无线电与传感器电子器件105通信的操作设备，可以被配置成根据测量信号确定测量值。
为了检测流体管线中的压力波动，内嵌传感器101包括附加的压力传感器131，在此处示出的示例中，所述压力传感器布置在形成参考半电池的腔室122中。压力传感器布置在毛细管132的前端处，所述毛细管由例如玻璃的电绝缘材料构成。与压力传感器131接触并连接到传感器电子器件105的电线133在毛细管132中被引导。由于隔膜127具有多个孔，因此腔室122的内部与流体管线的内部连通，使得通过压力传感器131也可在腔室122的内部检测到流体管线中的压力波动。压力传感器131有利地靠近隔膜127布置，以确保压力波动到压力传感器131的良好传输。压力传感器131可以按已知的方式被设计为例如电容式、压阻式、压电式或感应式压力传感器。
传感器电子器件105被设计成检测并可选地处理压力传感器131的测量信号，例如将其放大和/或数字化。非常类似于参考图1中所示的具有加速度传感器的电导率传感器的描述，当存在压力波动时，传感器电子器件105本身可以根据压力传感器的测量信号的进程来加以确定。或者，它可以将测量信号输出到上级单元，例如，上级数据处理单元或上级操作设备。在这种情况下，上级单元被设计成例如当在预定的短时间跨度范围内发生压力信号的相当大变化时，评估压力测量信号的进程并且基于所述进程推断压力波动的存在。
图3中示意性地示出了流体管线系统200的细节。例如，所述流体管线系统可以是过程工厂或流体网络(例如，废水或饮用水网络)的一部分。流体管线系统200包括第一流体管线240，其可以经由歧管阀241连接到第二流体管线242、第三流体管线243和第四流体管线244。阀241由一个或多个致动器(未示出)致动。这些致动器可以由控制器245自动地致动。
此外，布置在流体管线网络200中的是多个内嵌传感器246、247、248、249，其被配置成除了例如流量、温度或分析被测变量等主被测变量的测量值之外还检测在流体管线240、242、243和244中发生的压力波动。为此目的，除了用于检测主被测变量的第一换能器之外，内嵌传感器246、247、248、249还具有第二换能器，所述第二换能器产生受流体管线中发生的压力波动影响的测量信号。这种换能器例如可以是如上所述的加速度传感器、位置传感器或压力传感器。
内嵌传感器246、247、248、249经由上级数据处理单元(此处未示出)连接到控制器245。传感器246、247、248、249相应地被配置为与上级数据处理单元通信，而上级数据处理单元另外被设计为与控制器245通信。内嵌传感器246、247、248、249被设计成将第一和第二换能器的测量信号或由其导出的测量信号输出到上级数据处理单元。上级数据处理单元被设计成根据第一换能器的测量信号确定主被测变量的测量值，并根据第二换能器的测量信号确定压力波动的发生。如上所述，可以从测量信号的时间进程导出所述确定。
如果上级数据处理单元确定存在压力波动，则其将此压力波动与检测压力波动的时间以及可选地从测量信号的进程导出的压力波动的强度一起记录。例如，所述强度可以对应于测量信号的偏差，即测量信号的最大值与测量信号进程的最小值或基线之间的差。测量信号进程可以可选地通过传感器的存储的传输特性曲线转换成安装传感器的流体管线内的压力进程。在这种情况下，压力波动的强度可以根据压力进程的偏差来确定。内嵌传感器246、247、248、249的上级数据处理单元输出具有通过相应的内嵌传感器的压力波动的检测时间的记录的压力波动和可选地向控制器输出压力波动的强度。
在本文描述的实施例的变型中，传感器直接连接到控制器。在这种情况下，传感器电子器件本身被设计成根据第一换能器的测量信号确定主被测变量的测量值，并且基于第二换能器的测量信号确定压力波动的发生以及压力波动的时间和可选地其强度。在此实施例中进一步设计传感器的传感器电子器件，以将测量值和关于记录的压力波动的信息输出到控制器245以进行进一步处理。
控制器可以使用由内嵌传感器的上级数据处理单元提供的此信息来调节通过流体管线网络200的流体输送。例如，它可以调整流体管线系统的致动器(例如，致动阀241的致动器)的控制，使得压力波动的频率或强度减小。这可以通过例如阀241的较不频繁或较慢的致动或通过与流体管线系统的其他阀的致动协调的阀241的致动来实现。控制器245可以包括可由控制器245执行的操作软件，并且提供自学习功能，通过所述自学习功能，控制器245可以使流体管线系统的阀的致动最小化，目的是降低压力波动的频率和/或强度。
控制器245还可以被设计成诊断流体管线系统。为此目的，它可以包括诊断软件，所述诊断软件可以由控制器245执行并且用于执行诊断方法。此方法可以包括确定通过分布在流体管线网络中的各个传感器246、247、248、249的压力波动的记录的空间和时间分布。根据确定的空间和时间分布，控制器245可以确定压力波动的起源。可以提供此信息用于维护措施。此外，此信息还可用于调节通过流体管线系统的流体输送，以优化操作，目的是使压力波动最小化。

Claims (20)

1.一种内嵌传感器，包括：
-壳体，所述壳体能够固定在流体管线或容器的壁上；
-第一换能器，所述第一换能器用于检测包含在所述流体管线或所述容器中的介质的主被测变量，所述第一换能器被集成到所述壳体中并被设计成生成取决于所述主被测变量的第一测量信号；以及
-传感器电子器件，所述传感器电子器件被连接到所述第一换能器，所述传感器电子器件用于检测所述第一测量信号并被设计成处理所述第一测量信号；
其中，所述内嵌传感器另外被设计成检测在所述流体管线或所述容器中发生的压力波动，
其中，用于检测压力波动的所述内嵌传感器包括用于检测次被测变量的第二换能器，所述第二换能器被集成到所述壳体中并被设计成生成取决于所述次被测变量的第二测量信号，作用在所述壳体上的压力变化影响所述次被测变量，
其中，所述传感器电子器件以无线或有线方式被连接到上级数据处理单元以进行通信，所述传感器电子器件被设计成与所述上级数据处理单元通信，
其中，所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元被配置成分析所述第二测量信号的进程以便检测压力波动。
2.根据权利要求1所述的内嵌传感器，
其中压力波动影响所述次被测变量。
3.根据权利要求1所述的内嵌传感器，
其中所述第二换能器是压力传感器、加速度传感器、应变仪或位置传感器。
4.根据权利要求3所述的内嵌传感器，
其中所述加速度传感器是3D加速度传感器。
5.根据权利要求3所述的内嵌传感器，
其中所述位置传感器是电容式位置传感器或磁力计。
6.根据权利要求1至5之一所述的内嵌传感器，
其中所述第二换能器是MEMS压力传感器或MEMS加速度传感器。
7.根据权利要求1至5之一所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件被连接到所述第二换能器，用于检测所述第二测量信号并被设计成处理所述第二测量信号。
8.根据权利要求1至5之一所述的内嵌传感器，
其中，所述主被测变量是包含在所述流体管线或所述容器中的测量流体的分析被测变量、通过所述流体管线或所述容器的所述测量流体的质量或体积流量、所述流体管线或所述容器中的所述测量流体的温度、或所述流体管线或所述容器中的所述测量流体的料位。
9.根据权利要求1至5之一所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件被设计成将所述第一测量信号和所述第二测量信号或包括从所述第一测量信号和所述第二测量信号导出的信息的信号输出到所述上级数据处理单元。
10.根据权利要求1至5之一所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元包括压力波动计数器。
11.根据权利要求10所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元进一步被设计成将所述压力波动计数器的值与阈值进行比较，并且当超过或低于所述阈值时输出信号。
12.根据权利要求11所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元进一步被设计成当超过或低于所述阈值时输出警报。
13.根据权利要求1至5之一所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元被配置成基于所述第二测量信号，确定所述内嵌传感器的状态。
14.根据权利要求13所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元被配置成基于在所述内嵌传感器操作期间根据所述第二测量信号确定的压力波动数，确定所述内嵌传感器的状态。
15.根据权利要求13所述的内嵌传感器，
其中，所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元被配置成基于所述第二测量信号确定所述内嵌传感器的剩余使用寿命。
16.根据权利要求1至5之一所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元被配置成基于所述第二测量信号，确定安装有所述内嵌传感器的流体管线系统的状态。
17.根据权利要求16所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元被配置成基于在时间跨度内根据所述第二测量信号确定的压力波动数，确定安装有所述内嵌传感器的流体管线系统的状态。
18.根据权利要求1至5之一所述的内嵌传感器，
其中所述传感器电子器件和/或所述上级数据处理单元被配置成基于所述第二测量信号检测固定有所述传感器的所述流体管线的振荡行为的变化并在检测到所述振荡行为变化时输出警告信号或警告消息。
19.一种流体管线系统，包括：
多条流体管线；
根据权利要求1至18之一所述的内嵌传感器，所述内嵌传感器被集成在至少一个所述流体管线中；
能够自动控制的致动器，所述致动器用于控制通过所述流体管线输送一种或多种流体；以及
控制器，所述控制器被配置成控制所述致动器，以便将所述一种或多种流体输送通过所述流体管线；
其中所述控制器被连接到所述内嵌传感器的所述传感器电子器件，或被连接到被连接到所述内嵌传感器的所述传感器电子器件的上级数据处理单元以进行通信。
20.根据权利要求19所述的流体管线系统，
其中，所述控制器和/或所述上级数据处理单元被配置成确定关于在所述流体管线中发生的压力波动的信息，并且其中所述控制器进一步被配置成基于所确定的信息以减小所述流体管线系统中的压力波动的频率和/或强度的方式控制所述致动器。
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