CN1192529A

CN1192529A - 涡流传感器

Info

Publication number: CN1192529A
Application number: CN97122235A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·弗勒利希; 罗格·克伦姆
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 1998-09-09
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: EP0841545B1; CN1113219C; JP3034833B2; DK0841545T3; ES2133006T3; EP0841545A1; DE59700147D1; JPH10160528A; US6003384A

Abstract

涡流传感器设计为具有一设在非流线体内部的电容式旋涡敏感元件或一固定在测量管壁内的电容式旋涡敏感元件的涡流传感器。两种敏感元件各具有一个覆盖相关孔的隔壁、一个背朝流体固定在隔膜上的抗弯的传感片或传感套管、一个背对流体固定在隔膜上的套管状电极装置以及一个围绕着此电极装置和隔膜固定在测量管上的外罩。传感片和传感套管的质量和面积惯性矩,与电极装置的质量和面积惯性矩相等。外罩的尺寸设计成有足够的抗弯刚性。

Description

涡流传感器

本发明涉及涡流传感器，用于测量在测量管内沿流动方向流动的流体的流速或容积流量，它有一个沿测量管直径设置的非流线体，后者用来产生卡曼旋涡。

此类涡流传感器工作时，在非流线体下游众所周知地形成卡曼旋涡迹，此旋涡迹的压力脉动由一个旋涡敏感元件转变成一个电信号，此电信号的频率与容积流量成正比。

在GB-A 1483818中介绍了一种涡流传感器，用于测量在测量管内沿流动方向流动的流体的流速或容积流量，它

-有一个沿测量管直径设置的非流线体，它用来产生卡曼旋涡，以及

-有一个反应旋涡引起的压力脉动的旋涡敏感元件，它在非流线体下游装在测量管的管壁孔内，此壁孔相对于测量管外表面密封，以及它比直径短。

在US-A 47 16 770中介绍了一种涡流传感器，用于测量在测量管内沿流动方向流动的流体的流速和/或容积流量，它

-有一个沿测量管直径设置并在一端与测量管连接的非流线体，后者用于产生卡曼旋涡和有一个沿直径方向穿过测量管延伸的主孔以及至少有一个将主孔与流体连通的副孔，

-有一个反应旋涡引起的压力脉动的电容式旋涡敏感元件，它装在主孔内，使主孔相对于流体密封，以及有下列特征：

--一个端侧封闭的柔性的用作第一电极的外部传感套管，以及

--一个设在外部传感套管里面的柔性的内部传感套管，它在端侧至少带有一个第二电极。

最后在EP-A 549 945中介绍了一种涡流传感器，用于测量在测量管内沿流动方向流动的流体的流速和/或容积流量，它

--有一个旋涡敏感元件，此旋涡敏感元件装在测量管的管壁孔内，管壁孔相对于测量管外表面密封，以及有下列特征：

--一个覆盖此孔、在孔所在区内朝隔膜方向变薄的支承有一个面朝流体的第一表面和一个背对流体的第二表面，

--抗弯刚性的梁的固定在隔膜第一表面上第一端，和

--梁的固定在隔膜第二表面上的第二端，以及

--一个与梁的第二端配合作用固定在外壳上感受第二端运动的敏感元件，

--它的端部尺寸设计为使两端在隔膜上施加方向相反大小相同的扭矩。

如所提及的GB-A 14 83 818和所提及的US-A 47 16 770指出的那样，旋涡敏感元件或设在非流线体内，或与之分离地设在测量管的壁孔内。现在一方面鉴于降低涡流传感器的生产成本，以及另一方面鉴于使其零件标准化，旋涡敏感元件最好能不仅装在非流线体中(如同在US-A 4716 770中那样)，而且也能装在测量管的壁内(如同在GB-A 14838138中那样)。

因此本发明的目的在于提供一种涡流传感器，它具有一个设在非流线体内部的旋涡敏感元件，和提供一种涡流传感器，它具有固定在测量管壁内的旋涡敏感元件，有关的旋涡敏感元件应当具有基本一致的结构，并能按积木的方式制成独立的构件。

这一目的通过本发明在两项独立的权利要求中确定的两种方案来达到。

本发明的优点在于，旋涡敏感元件对于从外部作用的振动基本上无感觉。

下面借助于实施例详细说明本发明和其它的优点，附图中表示了实施例。在不同的图中相同的部分采用同样的符号，但为了视图清晰时将其略去。其中：

图1表示沿流动方向看涡流传感器的透视和局部剖切图，此涡流传感器具有固定在测量管壁内的旋涡敏感元件，相应于本发明的第一和第三种方案；

图2表示逆流动方向看图1的涡流传感器的透视和局部剖切图；

图3表示相应于图1和2固定在测量管壁内的旋涡敏感元件的纵剖面；

图4表示沿图3中线I-I剖切并沿箭头I方向看旋涡敏感元件的纵剖面；

图5表示沿图3中线II-II剖切并沿箭头II方向看旋涡敏感元件的横截面；

图6表示图3中局部IV的纵剖面，比例略有放大；

图7表示沿图3中线III-III剖切并沿箭头III方向看的旋涡敏感元件第二个横截面，以及其比例与图6相同；

图8表示装入测量管非流线体内的旋涡敏感元件纵剖面，相应于本发明的第二和第四方案；

图9表示沿图8中线I-I剖切并沿箭头I方向看旋涡敏感元件的纵剖面；

图10表示沿图8中线II-II剖切并沿箭头II方向看旋涡敏感元件的第一个横截面；

图11表示图8中局部IV的纵剖面，比例略有放大；以及

图12表示沿图8中线III-III剖切并沿箭头III方向看的旋涡敏感元件第二个横截面，其比例与图11相同。

图1和2中作为总体图透视表示了沿流动方向和逆流动方向看的一个局部剖切的涡流传感器1，它有一个固定在测量管2壁21内和壁21上的电容式旋涡敏感元件3。

在图1和2中，旋涡敏感元件3只能看到一个通过壁21中的孔22伸入测量管2内部的抗弯刚性的薄的传感片31，它有两个平的主面，以及能看到外罩32；在图1中有关这两个主面只能看到主面311，在图4中也是如此，而由图3可看出主面311、312相关的剖切线。外罩在插入一个薄壁的中间段323的情况下以一个延长段322结束，它们的有关细节下面给予说明。

在测量管的里面沿着测量管2的直径设置一非流线体4，它与测量管2牢固连接，形成了图中表示的第一固定点41和被遮盖住的第二固定点。也可以取消其中一个固定点。孔22的中心与固定点41的中心位于测量管的一条母线上。

非流线体4有一个冲击面42，在工作中一种要测量的流体迎面流入，例如是一种液体、一种气体或一种蒸汽，以及有两个侧面，在图1和2中只能看见其中一个(前)侧面43。冲击面42和侧面43构成两条分离边，图中只能完整地看到其中一条(前)分离边44，以及在图1中隐隐约约地可看到一条(后)分离边45。

由于流体迎着冲击面42入流，所以在非流线体4的下游形成了一条在流体内的卡曼旋涡迹，这是因为在每一条分离边处旋涡交替地分离并被流动的流体带走。

这些旋涡在流体内造成当地的压力脉动，此压力脉动借助于旋涡敏感元件3转换成电信号，而旋涡实时的分离频度，亦即它的所谓的旋涡频率，是流体容积流量和/或流速的一个度量。

图1和2的非流线体4的形状和横截面基本上是一个直的三角形柱，也就是具有三角形截面的柱。但也可以在本发明中采用其它一般形状的非流线体。

在图3至7中表示了按图1和2所示电容式旋涡敏感元件3的进一步详细情况，并且分别以剖视的形式表示。图3和4在两个互相错开90°的纵剖面中表示旋涡敏感元件，图5和7表示两个横截面，以及图6是图3的纵剖面详图，其比例则略有放大。

在图3至7中，电容式旋涡敏感元件3有一个覆盖住测量管2的壁21中的一个孔22的隔膜33。此隔膜有一个面朝流体的第一表面和背对流体的第二表面。隔膜33流体密封地封闭了孔22，所以甚至在最大允许的流体压力下也不可能有流体漏到测量管2的外表面21上。

为实现这一点例如借助于环形密封件5，密封件装在一个在壁21内从外部例如通过铣削制成的平的支承面23与隔膜33的环形边331之间。此边331的高度大于隔膜33的厚度。

在隔膜33的第一表面上固定了传感片31，它比测量管2的直径短。平的主面311、312与测量管2的母线对齐，并能从图1和2隐约地看出，它们构成一个小的楔形。

在隔膜33的第二表面上固定有一个套管状的第一电极装置34，它包括至少一个电极341。在第一电极装置34到隔膜33的过渡区是一个实心的过渡段342，它的高度大体与隔膜33的边331背对流体的部分331’相同，它的直径大体等于第一电极装置34的套管的内径。

外罩32围绕着第一电极装置34和隔膜33，它例如借助于四个螺钉6、7、8、9固定在测量管2上。外罩32包含了第二电极装置35，后者是有第一和第二对应电极351、352，它们分别设计为大体半圆形。

第二电极装置35最好制成预制件，在将其制成后例如借助于压配合通过收缩或通过焊接，固定在外罩32相应的盲孔321中。

第二电极装置35从里向外看包括两个对应电极351、352、一个绝缘材料环353和一个金属环354，后者座落在外罩32的盲孔321内。

从每个对应电极351、352分别引出一根连接线355、356到插塞装置357，后者设在外罩32管状延长段322的端部，并通过它可以将由电极341和对应电极351、352形成的电容与图中未表示的测量线路连接起来。

延长段322通过一个薄壁的亦即薄膜式中间段323与外罩32的其余部分连接起来，这一中间段在两个电极装置34、35的上方不远处终止。延长段322例如由于从外部作用在其上的振动引起的偏摆，借助于此中间段基本上不影响电极装置34、35。

在工作中已提及的压力脉动引起传感片31沿垂直于其主面311、312方向的偏摆。这些偏摆通过隔膜33传递给第一电极装置34，使它在图3的图纸平面内或略向下或向上运动。因此，电极341或离开对应电极351并与此同时靠近对应电极352，或靠近对应电极351并与此同时离开对应电极352。这些运动导致由电极341和对应电极351以及由电极341和对应电极352构成的这两个电容的电容量改变。

在图8至12中表示了旋涡敏感元件的一种实施例，它可以装在在引证US-A 47 16 770时提及的非流线体的主孔内，这些图分别选择为剖面图。因此，图8和图9在两个互相错开90°的纵剖面内表示旋涡敏感元件，图10和12表示两个横截面，以及图11以略放大的比例表示图8的纵剖面详图。

在图8至12中电容式旋涡敏感元件3’有一个覆盖非流线体中主孔的口和测量管2’的壁中的孔的隔膜33’。此隔膜有一个面朝流体的第一表面和背对流体的第二表面。隔膜33’流体密封地封闭了孔22，所以甚至在最大允许的流体压力下也不会有任何流体流到测量管2的外表面21上。

实现这一点例如借助于一个环形密封件5’，此密封件装在一个在壁21’内从外部例如通过铣削制成的平的支承面23’与隔膜33’的环形边331’之间。此环形边331’的高度大于隔膜33的厚度。

在隔膜33’的第一表面上固定了一个伸入非流线体主孔内的传感套管51，传感套管比测量管2’的直径短。

在隔膜33’的第二表面上固定有一个套管状的第一电极装置34’，它至少包括一个电极341’。在第一电极装置34’和传感套管51到隔膜33’的过渡区是一个实心的过渡段342’。过渡段的面朝电极装置34’的部分342”，其高度大体与隔膜33’的边331’背对流体的部分331’”相同。过渡段342’面朝传感套管51的部分342’”略短于部分342”，而它的直径等于传感套管51的外径。

外罩32’围绕着第一电极装置34’和隔膜33’，它例如借助于四个螺钉6’、7’、8’、9’固定在测量管2’上。外罩32’包含了第二电极装置35’，后者具有第一和第二对应电极351’、352’，它们分别设计为大体半圆形。

第二电极装置35’最好制成预制件，在将它制成后例如通过收缩或借助于压配合，固定在外罩32’相应的盲孔321’中。

第二电极装置35’从里向外看包括两个对应电极351’、352’、一个绝缘材料环353’和一个金属环354’，后者座落在外罩32’的盲孔321’内。

从每个对应电极351’、352’分别引出一根连接线355’、356’到插塞装置357’，后者设在外罩32’的管状延长段322’的端部，并通过它可以将由电极341’和对应电极351’、352’形成的电容与图中未表示的测量线路连接起来。

延长段322’通过一个薄壁的亦即薄膜式中间段323与外罩32’的其余部分连接起来，这一中间段在两个电极装置34’、35’的上方不远处终止。延长段322’例如由于从外部作用在其上的振动引起的偏摆，借助于此中间段基本上不影响电极装置34’、35’。

在工作中已提及的压力脉动引起传感套管51沿基本上垂直于流动方向的偏摆。这些偏摆通过隔膜33’传递给第一电极装置34’。因此，电极341’或离开对应电极351’并与此同时靠近对应电极352’，或靠近对应电极351’并与此同时离开对应电极352’。这些运动导致由电极341’与对应电极351’和由电极341’与对应电极352’构成的两个电容的电容量改变。

在本发明的这两种方案中，从外部作用在测量管2或2’上例如形式上为冲击或振动的加速度可能对上述电容中产生的有效信号的影响，按以下所述基本上被补偿：

传感片31和传感套管51的质量分别大于第一电极装置34和34’的质量。

此外，传感片31和传感套管51分别在隔膜33和33’第一表面上的面积惯性矩，大体上等于第一电极装置34和34’分别在隔膜33和33’第二表面上的面积惯性矩。

最后，外罩32和32’的尺寸设计为有足够的抗弯刚性，以保证在测量管2和2’上分别作用最大允许加速度时外罩也不会弯曲。

采用这种尺寸的面积惯性矩和质量，在从外部作用振动时得出下列特性：假定在图3中传感片31和第一电极装置34在图纸平面内向下加速。由于传感片31较大的质量，因此作用在它上面的力大于作用在第一电极装置34上的相应的力。

此较大的力通过隔膜33以反向传递给第一电极装置34；因此作用在第一电极装置34上的合力方向向上，所以第一电极装置向上运动并因而尽管振动也只是引起一个小的电容改变。

因此，本发明允许在隔膜上作用一些扭矩，而上面引证的EP-A549945正相反隔膜不应有这些扭矩。

Claims

1.涡流传感器(1)，用于测量在测量管(2)内沿流动方向流动的流体的流速和/或容积流量，

-有一个沿测量管直径设置并至少在一个固定点(41)与测量管连接的非流线体(4)，它用来产生卡曼旋涡，

-有一个反应旋涡引起的压力脉动的电容式旋涡敏感元件(3)，它在非流线体下游装在测量管的管壁孔(22)内，此壁孔相对于测量管外表面密封，敏感元件的中心与固定点的中心一起位于测量管的一条母线上，以及有下列特征：

--一个覆盖孔的隔膜(33)有一个面朝流体的第一表面和一个背对流体的第二表面，

--一个固定在隔膜第一表面上有抗弯刚性的薄的传感片(31)，它比直径短，有平的主面(311、312)，这些主面与测量管的母线对齐，

--一个固定在隔膜第二表面上的套管状第一电极装置(34)，它至少包括一个电极(341)，

--一个围绕着第一电极装置和隔膜固定在测量管上的外罩(32)，它包含至少有一个对应电极(351、352)的第二电极装置(35)，

--传感片(31)的质量制成大于第一电极装置(34)的质量，

--传感片在隔膜第一表面上的面积惯性矩，大体上等于第一电极装置在隔膜第二表面上的面积惯性矩，以及

--外罩(32)的尺寸设计成有足够的抗弯刚性，以保证在测量管(2)上作用最大允许的加速度时外罩不会弯曲。

2.涡流传感器，用于测量在测量管(2’)内沿流动方向流动的流体的流速和/或容积流量，

-有一个沿测量管直径设置并至少在一个固定点与测量管连接的非流线体，它用来产生卡曼旋涡并有一个沿此直径方向穿过测量管延伸的主孔以及至少有一个将主孔与流体连通的副孔，

-有一个反应旋涡引起的压力脉动的电容式旋涡敏感元件(3’)，它装在主孔内，使测量管外表面相对于流体密封，以及有下列特征：

--一个覆盖主孔测量管一侧端部的隔膜(33’)有一个面对流体的第一表面和一个背对流体的第二表面，

--一个固定在隔膜第一表面上有抗弯刚性的第一传感套管(51)，

--一个固定在隔膜第二表面上的套管状第一电极装置(34’)，它至少包括一个电极(341’)，

--一个围绕着第一电极装置和隔膜固定在测量管上的外罩(32’)，它包含至少有一个对应电极(351’、352’)的第二电极装置(35’)，

--传感套管(51)的质量制成大于第一电极装置(34’)的质量，

--传感套管在隔膜第一表面上的面积惯性矩，大体上等于第一电极装置在隔膜第二表面上的面积惯性矩，以及

--外罩(32’)的尺寸设计为有足够的抗弯刚性，以保证在测量管(2’)上作用最大允许的加速度时外罩不会弯曲。