用于测量在管线中流动的流体测量物质的流动参数的测量系统的制作方法

本发明涉及一种用于测量在管线中流动的流体测量物质的至少一个流动参数的测量系统。

背景技术：

1、在过程测量和自动化技术中，被设计为涡街流量计的测量系统常常用于测量在管线中流动的流体测量物质——特别地为快速流动的和/或热的气体和/或流体流和/或高雷诺数的流体流动——的流速，或对应于相应流速的流动参数，诸如，体积流率或质量流率或总体积流量或质量流量。这样的测量系统的示例尤其从de-a 10 2005 003631、ep-a 666467、us-a 2006/0230841、us-a 2008/0072686、us-a 2011/0154913、us-a 2011/0247430、us-a 2011/0314929、us-a 2013/0282309、us-a 2016/0041016、us-a 2017/0284841、us-a60 03 384、us-a 61 01 885、us-b 63 52 000、us-b 69 10 387、us-b 69 38 496、us-b 8010 312、us-b 82 00 450、us-b 83 70 098、us-b 84 47 536、wo-a 98/43051、wo-a 2011/043667、wo-a 2017/153124、wo-a 2019/245645或wo-a 2020/120060中已知，并且也尤其由申请人例如以商品名“prowirl d 200”、“prowirl f 200”、“prowirl o 200”、“prowirl r200”提供。

2、所示的测量系统中的每一个具有阻流体(bluff body)，该阻流体突出到相应管线的管腔中，例如即被设计为热供应网络或涡轮电路的系统部件，或者突出到在所述管线的路线中使用的测量管的管腔中，测量物质例如(液态)水或(热)蒸汽抵靠该阻流体流动以生成涡流，该涡流排列成在阻流体的下游紧邻处流动的流体流的部分体积内形成所谓的卡门涡街(kármán vortex)。众做周知，涡流在阻流体处以脱落频率(fv)生成，该脱落频率取决于在主要流动方向上流过测量管的流体的流速，并且在斯特劳哈尔数(sr～fv/u)为比例系数的情况下，至少对于大于20,000的高雷诺数(re)与流经阻流体的流体的流速(u)成比例。此外，测量系统具有涡流传感器，该涡流传感器突出到流中，并且因此突出到卡门涡街的区域的管腔中，例如定位在阻流体的下游或集成在阻流体中。所述涡流传感器特别地用来感测在流动测量物质中形成的卡门涡街中的压力波动，并将压力波动转换成涡流传感器信号，例如电的或光学的涡流传感器信号，该信号表示压力波动并对应于测量物质内存在的压力，并且经受由于在相反方向上的涡流而引起的通常棱柱形或圆柱形阻流体下游的周期性波动，使得涡流传感器信号包含有用分量，即具有表示脱落频率并且同时与信号噪声显著不同的振幅的频谱信号分量。

3、在us-b 63 52 000、us-a 2006/0230841或us-a 2017/0284841中的每一个中公开的测量系统的情况下，涡流传感器具有传感器组件，该传感器组件借助于通常以薄且基本上平坦的膜片的形式的变形元件和通常为平面的或楔形的传感器叶片(sensor lug)形成，该传感器叶片从所述变形元件的基本上平坦的表面延伸，所述传感器组件被配置成感测卡门涡街中在横向于实际主要流动方向的检测方向上有效的压力波动，即将这些压力波动转换成对应于压力波动的变形元件的运动，使得该传感器叶片作为压力波动的结果而在检测方向上执行摆动运动，该摆动运动使变形元件弹性地变形，其结果是变形元件和传感器叶片被激发为围绕共同的静态静止位置进行受迫但非共振的振荡，通常即低于涡流传感器的最低机械共振频率。变形元件还具有通常为圆环形状的外边缘区段，该外边缘区段被配置成气密地密封，例如一体地结合，到插座，该插座用来将变形元件和用其形成的传感器保持在管的壁上，使得变形元件覆盖并气密地密封设置在管的壁中的开口，并且使得支撑传感器叶片的变形元件的表面面向测量管或管线的测量物质载送管腔，并且因此传感器叶片突出到所述管腔中。为了生成涡流传感器信号，该涡流传感器还包括对应的换能器元件，该换能器元件例如具体地借助于机械地耦合到传感器组件或者集成在其中的电容器或者借助于充当压电换能器的压电叠堆形成，并且被配置成检测变形元件的运动，尤其是还有对应于压力波动的变形元件的运动或者可能存在的补偿元件的运动，并且调制这些运动以形成电的或光学的载波信号。如所示的，尤其是在us-b 63 52 000或us-a 2017/0284841中，传感器组件或者用其形成的涡流传感器还可以具有通常为杆形的、平面或套筒形的补偿元件，该补偿元件从背离支撑传感器叶片的表面的变形元件的表面延伸，并且特别地用来补偿由于传感器组件的运动(例如，作为管线的振动的结果)而引起的力或力矩，或者避免由此引起的传感器叶片的不希望的运动。

4、在背离测量物质载送管腔的一侧上，涡流传感器还连接到转换器电子器件，该转换器电子器件通常以压力密封和抗冲击的方式封装并且可选地还朝向外部气密地密封。转换器电子器件具有对应的数字测量电路，该数字测量电路经由连接线路、可选地在插入电气屏障和/或电流隔离点的情况下电连接到涡流传感器或其换能器元件，用于处理或评估涡流传感器信号并且用于生成在每种情况下要检测的流动参数，例如，流速、体积流率和/或质量流率的数字测量值。特别地，转换器电子器件被配置成使用至少一个涡流传感器信号来确定表示脱落频率的数字涡流频率测量值，并且使用一个或多个涡流频率测量值来为至少一个流动参数计算测量值，并且将这些测量值例如输出到对应地设置在测量系统中的显示器元件。如在前述文献us-b 69 38 496、us-b 69 10 387、us-b 80 10 312、us-b 8200 450、us-b 83 70 098或us-b 84 47 536中也示出的，所讨论类型的测量系统还可以具有例如布置在阻流体下游或阻流体中的温度传感器和/或例如布置在阻流体下游或阻流体中的压力传感器，并且转换器电子器件可以附加地被配置成还使用由温度传感器提供的温度传感器信号或者使用由压力传感器提供的压力传感器信号来计算至少一个流动参数的测量值。适合于工业或者在工业测量技术中建立的测量系统的转换器器电子器件——通常容纳在由金属和/或耐冲击塑料制成的保护壳体中——通常还提供符合工业标准——例如，din iec 60381-1——的外部接口，用于与例如借助于可编程逻辑控制器(plc)形成的更高级别的测量系统和/或调节器系统通信。这样的外部接口可以例如被设计成两线连接件，该两线连接件可以并入到电流回路中和/或与所建立的工业现场总线兼容。

5、如上述文献us-a 2016/0041016、us-a 2013/0282309和us-a 2011/0314929中所讨论的，在不能定期排除测量物质也包含外来物质的情况下，借助于所讨论类型的测量系统确定的流动测量值可能有很大缺陷；这尤其还适用于经常发生的情况，即截留在其它液体测量物质中的气体例如以气泡的形式被携带在其中，或者测量物质和外来物质形成气泡流，和/或使得外来物质的存在没有被转换器电子器件检测到或被延迟检测到。

技术实现思路

1、从前述现有技术出发，本发明的一个目的是改进前述类型的测量系统以到以下效果：使得至少可以在流动的测量物质中提早检测到导致测量误差增加的外来物质的出现，和/或可以减少由测量物质中的外来物质导致的测量误差。

2、为了实现该目的，本发明包括用于测量在管线中流动的例如至少偶尔单相和/或至少偶尔多相的流体测量物质——例如，气体、液体或分散体——的至少一个流动参数的测量系统，至少一个流动参数例如是随时间变化的流动参数，例如流速和/或体积流率和/或质量流率，该测量系统包括：

3、·管，其能够被插入到所述管线的路线中并具有管腔，该管腔被配置成引导在管线中流动的测量物质或允许所述测量物质流过管线；

4、·例如棱柱形或圆柱形的阻流体，其被布置在管的管腔中，该阻流体被配置成在流经它的测量物质中生成具有取决于所述测量物质的瞬时流速(u)的脱落频率(fv～u)的涡流，使得在阻流体下游流动的流体中形成卡门涡街；

5、·涡流传感器，其被布置在阻流体的下游，所述涡流传感器具有至少一个机械共振频率(fr)，该机械共振频率例如是最低机械共振频率和/或总是位于脱落频率之上，并且所述涡流传感器被配置成以由流动的测量物质激发的方式围绕静态静止位置实现机械振荡，并且提供至少一个例如电的或光学的涡流传感器信号，该涡流传感器信号表示所述振荡并且包含第一有用分量，即表示涡流传感器的具有脱落频率(fv)的振荡的第一频谱信号分量(涡流分量)，例如具有不低于信号噪声的预定阈值的信号电平的第一频谱信号分量，并且包含第二有用分量，即表示涡流传感器的具有其机械共振频率(fr)的共振振荡的第二频谱信号分量(共振分量)，例如具有不低于信号噪声的预定阈值的信号电平的第二频谱信号分量；

6、·以及转换器电子器件，其例如借助于至少一个微处理器形成，用于评估该至少一个涡流传感器信号并用于确定该至少一个流动参数的测量值，例如数字测量值；

7、·其中，转换器电子器件被配置成接收并评估该至少一个涡流传感器信号，即至少基于该至少一个涡流传感器信号的第一有用分量确定表示脱落频率的例如数字涡流频率测量值，并且还基于该至少一个涡流传感器信号的第二有用分量确定表示涡流传感器的共振振荡的振幅的例如数字振幅测量值；

8、·并且其中，转换器电子器件还被配置成：使用一个或多个振幅测量值来确定测量物质是否包含外来物质和/或包含外来物质的程度，外来物质例如夹带在液体中的气体夹杂物(气泡)，和/或确定测量物质被实施为单相物质还是多相物质，并且还使用一个或多个涡流频率测量值来计算例如数字的流动参数测量值，即该至少一个流动参数的测量值。

9、根据本发明的第一实施例，还提供了将转换器电子器件配置成也使用斯特劳哈尔数(sr～fv/u)——即表示脱落频率(fv)与流经阻流体的流体的流速(u)的比率的特征数——来计算流动参数测量值。

10、根据本发明的第二实施例，还提供了将转换器电子器件配置成，至少在两相测量物质的情况下，在每种情况下也使用一个或多个振幅测量值来计算流动参数测量值。

11、根据本发明的第三实施例，还提供了将转换器电子器件配置成使用振幅测量值中的至少一个——例如也使用涡流频率测量值中的至少一个——来计算表征在横向于测量管的假想纵向轴线延伸的方向上作用于涡流传感器的静态压力(pstat)与在测量管的假想纵向轴线的方向上作用于涡流传感器的动态压力(pdyn)的比率的流动特性的特征数值，例如以这样的方式，即，使得流动特性对应于涡流传感器的压力系数、测量物质的欧拉数或空化数。在进一步发展本发明的该实施例中，转换器电子器件还被配置成将特征数值与至少一个阈值进行比较，该阈值例如在参考条件下预先确定和/或基于涡流传感器信号确定的，该阈值表示例如为测量系统和/或测量物质指定的最大允许和/或临界外来物质比例。例如，转换器电子器件还可以被配置成：基于涡流传感器信号来确定阈值，即，例如，使用涡流频率测量值中的至少一个；和/或如果特征数值已经超过该至少一个阈值，则输出消息，例如在现场视觉上和/或听觉上可感知的和/或编码成数据信号和/或声明为警报的消息。替代地或附加地，该至少一个阈值可以对应于在参考条件下——即对于流过换能器的校准流体，例如诸如水的单相校准流体——预先确定的特征数值。

12、根据本发明的第四实施例，还提供了转换器电子器件具有第一信号滤波器和/或具有第二信号滤波器，该第一信号滤波器被配置成在信号输入端处接收涡流传感器信号并在滤波器输出端处提供第一例如数字的有用信号，该第一有用信号包含涡流传感器信号的第一有用分量，例如即包含仅呈衰减形式的第二有用分量或根本不包含第二有用分量，该第二信号滤波器被配置成在信号输入端处接收涡流传感器信号并在滤波器输出端处提供第二例如数字的有用信号，该第二有用信号包含涡流传感器信号的第二有用分量，例如即包含仅呈衰减形式的第一有用分量或根本不包含第一有用分量。在进一步发展本发明的该实施例中，转换器电子器件还被配置成使用第一有用信号确定涡流频率测量值和/或使用第二有用信号确定振幅测量值。

13、根据本发明的第五实施例，还提供了转换器电子器件被配置成生成该至少一个涡流传感器信号的离散傅立叶变换(dft)并基于该至少一个涡流传感器信号的所离散傅立叶变换来确定涡流频率测量值和/或振幅测量值。

14、根据本发明的第六实施例，还提供了转换器电子器件被配置成计算该至少一个涡流传感器信号的自相关函数(akf)并基于该至少一个涡流传感器信号的所述自相关函数来确定涡流频率测量值。

15、根据本发明的第七实施例，还提供了转换器电子器件具有至少一个转换器电路，该至少一个转换器电路被配置成接收和数字化该至少一个涡流传感器信号，例如即将其转换成数字涡流传感器信号并在转换器电路的数字输出端处提供所述数字涡流传感器信号。

16、根据本发明的第八实施例，还提供了涡流传感器具有变形元件，例如膜片状和/或盘形变形元件，其具有面向管腔的第一表面和例如至少部分地平行于第一表面布置的；和至少一个换能器元件，其布置在变形元件的第二表面上方和/或上，例如即，附接到变形元件和/或定位在变形元件附近，该换能器元件被配置成检测变形元件的运动——例如其第二表面的运动——并将所述运动转换成涡流传感器信号。在进一步发展该实施例中，涡流传感器具有从变形元件的第一表面延伸到远侧端部的传感器叶片，例如平面或楔形传感器叶片。

17、根据本发明的发展，还提供了测量系统包括耦合到转换器电子器件的显示元件，用于输出由转换器电子器件为借助于转换器电子器件生成的至少一个流动参数和/或消息提供的测量值。

18、本发明的一个基本思想是检测由可能装载有外来物质的流动测量物质激发的涡流传感器的共振振荡的与外来物质比例相关的(振荡)振幅并且相应地评估该振幅以检测外来物质，可能地也用于量化外来物质比例的计算。还可以看出，本发明的一个优点尤其在于包含在测量物质中的外来物质的检测可以仅通过计算算法的对应修改来建立，该计算算法通常在现代测量系统的转换器电子器件中被实现为固件和/或软件，例如，甚至即在已经安装的测量系统的情况下简单地借助于固件或软件的对应升级来添加。