用于传感器的传感器组件、传感器和由此形成的测量系统技术方案

一种传感器组件(11)包括：碗形，即，至少部分地凹形的膜(111)，具有弯曲的表面(111+)和相反放置的表面(111#)；以及从膜的表面(111+)延伸的传感器叶片(112)。膜(11)被形成为使得表面(111+)的邻接传感器叶片的至少一个区域为凸形。一种传感器，该传感器由这种传感器组件和与之耦合的换能器元件(12)形成并且用来生成表示传感器叶片的随时间变化的运动和/或膜的随时间变化的变形的传感器信号；或者一种测量系统，由传感器和与之连接的测量电子设备形成，能被用来记录流动流体，诸如400C热蒸汽中的压力波动，以便测量流体的流参数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于传感器的传感器组件、传感器和由此形成的测量系统
本专利技术涉及具有膜和从膜的表面延伸的传感器叶片的传感器组件。此外，本专利技术涉及由多个这种传感器组件形成的传感器，或者由此形成的测量系统，或者其用于记录流动流体中的压力波动的用途。
技术介绍
通常在用于测量在管道中流动，尤其是快速流动的流体的流速和/或高雷诺数(Re)的热气体和/或流体流量，或对应于各个流速(u)的体积或质量流率的过程测量和自动化技术中使用的是形成为涡流测量装置的测量系统。这种测量系统的示例能从US-A2006/0230841，US-A2008/0072686，US-A2011/0154913，US-A2011/0247430，US-A6,003,384，US-A6,101,885，US-B6,352,000，US-B6,910,387或US-B6,938,496等了解，或在名称“PROWIRLD200”、“PROWIRLF200”、“PROWIRLO200”、“PROWIRLR200”等(http：//www.de.endress.com/#products/prowirl)下，由申请人出售。这些测量系统具有伸入各个管道，例如以供热网或涡轮电路的部件的形式的管道的内腔中，或伸入在管道过程中安装的测量管的内腔中，因此流体逆其流动的钝体，该钝体在钝体的下游直接流动的流体流量的体积部内，生成布置以形成所谓的卡门(Kármán)涡街的涡流。在这些情况下，众所周知，取决于流速，从钝体，按脱落率(1/fVtx)生成涡流。此外，测量系统具有集成到钝体中，或与钝体连接或位于钝体的下游，即在卡门涡街的区域中，并且伸入该流体中，因此伸入管道或测量管的内腔中的传感器，该传感器用来记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动并且将其转换成表示压力波动的传感器信号，即，传递对应于管制在流体内并且经受的压力的信号，例如电或光信号作为周期性波动，或者传递具有对应于涡流的脱落率的信号频率(～fVtx)的信号。传感器包括传感器组件，其由薄，尤其是平的膜和从膜的基本上平面表面延伸的传感器叶片，最常见的是杆形、板形或楔形传感器叶片形成，并且适合于记录卡门涡街中的压力波动，即，将其转换成对应于压力波动的膜运动。膜包括外边缘分段，最常见的是环形的外边缘分段，其适合于例如通过材料粘结，气密地密封地连接到用于将膜安装到管壁的底座，以膜覆盖或者气密地密封在管壁中提供的开口以及承载传感器叶片的膜的表面面对引导流体的测量管或管道的内腔的形式，因此传感器叶片向内伸入内腔中。形成膜以使得测量为由外边缘分段包围的内部膜分段的最小厚度的膜厚度远小于测量为由外边缘包围的分段区域的最大直径的膜直径。为了实现尽可能高的测量灵敏度，即，传感器对要记录的压力波动的尽可能高的灵敏度，同时，尽可能高的用于由压力波动强制的传感器组件的弯曲振荡模式的机械本征频率，即高于要测量的最高脱落率的本征频率，建立的测量系统的膜具有例如大约数量级20∶1的直径厚度比。其中，如上述US-B6,352,000等中所示，上述类型的传感器组件有时能够另外地具有从与承载传感器叶片的表面相对的膜的表面延伸的补偿体，通常是杆、板或壳状的补偿体，尤其用来补偿由传感器组件的运动产生的，例如由管道的震动产生的力，或者力矩，或防止由此产生的传感器叶片的不期望运动。为了生成传感器信号，传感器进一步包括对应换能器元件，例如通过与传感器组件机械耦合，或集成在其中的电容器，或通过用作压电换能器的压电堆形成，通常适合于记录膜的，或者在指定情况下当前补偿体的运动并且将其调制成电或光载波信号。传感器组件，或由此形成的传感器面对连接在远离流体引导内腔的侧面上，此外，具有发射机电子设备，其通常是耐压力和冲压密封，并且在指定情况下，还向外气密密封。工业级测量系统的发射机电子设备通常具有与换能器元件(在指定情况下，与插入的电子隔板和/或电隔离位置)电气连接的对应数字测量电路，用于处理由换能器元件产生的至少一个传感器信号并且用于产生用于或者要记录的测量变量，即，流体速率、体积流率和/或质量流率的数字测量值。工业可用测量系统，或在工业测量技术中建立的测量系统的发射机电子设备通常容纳在金属和/或耐冲击、合成材料的保护壳体中并且另外地通常还具有符合工业标准，例如DIN帧间编码60381-1的外部接口，用于与例如通过可编程逻辑控制器(PLC)形成的高级测量和/或控制系统通信。这种外部接口例如能实现为可插入电流环中和/或与建立的工业现场总线兼容的双导体连接。尤其是由于相关的测量原理，膜的相对高直径厚度比，在将高强度、镍基合金，诸如铬镍铁合金718(SpecialMetalsCorp.)用作膜材料的情况下论述的常见传感器类型通常具有耐压力，即，最大允许操作压力，高于该最大允许操作压力，则会担心传感器的不可逆塑料变形或甚至膜破裂，即，最大操作压力，对于有时实际上在某些应用中产生的极其高压或压力激增过低，或这些传感器对这些用途，在该操作温度，具有过不利的耐压依赖性(压力-温度曲线)，以例如对高于发生在实际上预热的热蒸汽应用中的140巴的操作压力和高于400C的水蒸气温度的方式，有时，作为所谓的凝结引起的水锤(CIWH-凝结引起的水锤)的结果，不再能确保耐破坏性，或由于相关法律和规定，诸如指南97/23/EH，14.ProdSV，ASMEU-Stamp或其他压力设备指南，不允许使用所述类型的常见测量系统。
技术实现思路
基于上文，本专利技术的目的是改进所述类型的传感器组件或由此形成的传感器的构成，使得作为结果，其具有更高耐压，或耐压对操作温度的相关性，使得能够在具有高于400C的水蒸汽温度和高于140巴的压力峰值的热蒸汽应用中使用。为实现该目的，本专利技术在于一种用于传感器，例如用于记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动的传感器的传感器组件，该传感器组件包括：碗形(bowlshaped)的、即至少部分中凹(dished)的膜，具有弯曲的第一表面和相反放置的第二表面，例如同样弯曲的第二表面和/或与第一表面至少部分平行和/或至少部分不平行的第二表面；以及从膜的第一表面延伸的传感器叶片，例如杆形或板形或楔形的传感器叶片，其中，膜被形成为使得第一表面的邻接传感器叶片的至少一个区域为凸形。此外，本专利技术在于一种记录流动流体中的压力波动，尤其记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动的传感器，该传感器包括传感器组件和换能器元件，换能器元件用于生成传感器信号，例如电或光传感器信号，该传感器信号表示传感器叶片的随时间变化的运动、例如至少有时周期的运动，和/或膜的随时间变化的变形、例如至少有时周期的变形。此外，本专利技术在于一种测量在管道中流动的流体的至少一个流参数，尤其是随时间变化的流参数，诸如流速和/或体积流率的测量系统，该测量系统包括：传感器，用于记录流动流体中的压力波动，例如记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动；以及测量电子设备，其适合于接收传感器信号并且处理传感器信号，例如生成表示至少一个流参数的测量值。本专利技术的另一方面在于将上述测量系统用于测量在管道中流动的流体——诸如蒸汽，例如具有大于400℃的温度和/或以大于140巴的压力作用在传感器的膜上的蒸汽——的流参数，例如流速和/或体积流率和/或质量流率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器组件，所述传感器组件用于传感器，尤其是用于记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动的传感器，所述传感器组件包括：‑碗形的、即至少部分中凹的膜(111)，具有弯曲的第一表面(111+)和相反放置的第二表面(111#)，尤其是弯曲的第二表面(111#)和/或与所述第一表面(111+)至少部分地平行和/或至少部分地不平行的第二表面(111#)；以及‑从所述膜的所述第一表面(111+)延伸的传感器叶片(112)，尤其是杆形或板形或楔形的传感器叶片(112)；‑其中，所述膜被形成为使得所述第一表面(111+)的邻接所述传感器叶片的至少一个区域为凸形。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.01 DE 102014112558.41.一种传感器组件，所述传感器组件用于传感器，尤其是用于记录在流动流体中形成的卡门涡街的压力波动的传感器，所述传感器组件包括：-碗形的、即至少部分中凹的膜(111)，具有弯曲的第一表面(111+)和相反放置的第二表面(111#)，尤其是弯曲的第二表面(111#)和/或与所述第一表面(111+)至少部分地平行和/或至少部分地不平行的第二表面(111#)；以及-从所述膜的所述第一表面(111+)延伸的传感器叶片(112)，尤其是杆形或板形或楔形的传感器叶片(112)；-其中，所述膜被形成为使得所述第一表面(111+)的邻接所述传感器叶片的至少一个区域为凸形。2.如前一权利要求所述的传感器组件，-其中，所述膜(111)被形成为使得所述第一表面(111+)的邻接所述传感器叶片(112)的区域为非球面；和/或-其中，所述膜(111)被形成为使得所述第一表面(111+)的邻接所述传感器叶片(112)的区域相对于至少一个假想对称轴轴向对称，尤其是以所述对称轴平行于所述传感器叶片的惯性主轴的方式，和/或以所述对称轴垂直于所述传感器叶片的惯性主轴的方式。3.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域相对于相互垂直的正好两个假想对称轴轴向对称，尤其是以所述对称轴中的至少一个平行于所述传感器叶片的惯性主轴的方式，和/或以所述传感器叶片的惯性主轴垂直于所述假想对称轴中的一个并且平行于另一个假想对称轴的方式。4.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域是旋转对称的，尤其是球形的。5.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，-其中，所述膜的承载所述传感器叶片(112)的分段(111b)具有第一区以及第二区，所述第一区形成所述膜的中心并且具有第一厚度，所述第二区邻接所述第一区、尤其是环绕所述第一区，并且具有不同于所述第一厚度的第二厚度，尤其以所述第一厚度小于所述第二厚度的方式，和/或-其中，所述第二表面的、位于与第一表面的邻接所述传感器叶片的区域相反的至少一个区域为凹形；和/或-其中，所述膜被形成为使得膜高度小于膜直径，尤其以所述膜直径小于所述投影区的最大半轴或小于所述投影区的半径的方式，和/或使得所述膜的直径与高度比小于30和/或大于2、尤其是小于20和/或大于5，和/或以所述膜直径与所述传感器叶片(112)的长度的比小于2和/或大于0.5的方式，所述膜高度被测量为所述第一表面的区域的中心与由所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域的外周边缘标记的假想投影区的最小间隔，所述膜直径被测量为所述投影区的最大直径，所述直径与高度比被定义为所述膜直径与所述膜高度的比，所述膜直径与所述传感器叶片(112)的长度的比被测量为所述传感器叶片(112)的近端——即邻接所述膜(111)的端部——与所述传感器叶片(112)的远离所述膜(111)或者远离所述膜(111)的第一表面(111+)的远端之间的最小间隔。6.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜至少部分地为圆锥形。7.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得至少所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域对应于球形区的表面，尤其以所述球形区的顶部区域对应于所述传感器叶片的横截面区域的方式。8.如权利要求1至6中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得至少所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域对应于平截头体的侧表面。9.如权利要求1至6中的一个所述的传感器组件，其中，所述膜被形成为使得至少所述第一表面的邻接所述传感器叶片的区域对应于椭球体的表面的分段。10.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，-其中，传感器叶片和膜相对于彼此定位和定向，使得所述传感器叶片的惯性主轴与所述传感器组件的惯性主轴平行或重合，和/或-其中，传感器叶片和膜相对于彼此定位和定向，使得所述膜的惯性主轴当被延长时平行于所述传感器组件的惯性主轴延伸，尤其是与所述传感器组件的惯性主轴重合。11.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，-其中，所述膜至少部分地——尤其是主要地或全部地——由金属——尤其是不锈钢或者镍基合金——构成；和/或-其中，所述传感器叶片至少部分地——尤其是主要地或全部地——由金属——尤其是不锈钢或者镍基合金——构成，和/或-其中，膜和传感器叶片为相同材料，和/或-其中，膜和传感器叶片是同一整体模制部分的部件，例如，所述同一整体模制部分由3D激光熔炼铸造或制造。12.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，其中，膜和传感器叶片通过材料接合——尤其是焊接、或者软焊或硬焊——彼此连接。13.如前述权利要求中的一个所述的传感器组件，进一步包括：从所述膜的所述第二表面延伸的补偿体，尤其是杆形或板形或套管形的补偿体，用于补偿由所述传感器组件的运动产生的力和/或力矩。14.如权利要求13所述的传感器组件，-其中，所述第二表面的邻接所述补偿体的至少一个区域为...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安·莱斯，安德烈亚斯·施特鲁布，多米尼克·维德克尔，
申请(专利权)人：恩德斯豪斯流量技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH