阅读说明：本技术 用于测量可流动介质的质量流量的传感器 (Sensor for measuring the mass flow of a flowable medium ) 是由 克里斯托夫·胡伯 克里斯蒂安·许策 迪特尔·蒙得兴 本杰明·施文特 泽韦林·拉姆塞耶 马克 于 2018-05-08 设计创作，主要内容包括：质量流量传感器(100)包括：振动测量管,在管平面中弯曲；振动激发器(53),其用于在弯曲振动使用模式中激发弯曲振动；以及两个振动传感器(51,52),其用于感测振动；支撑系统,其具有支撑板(30)、在入口侧上的支承体和在出口侧上的支承体；以及传感器壳体,其中：支撑系统具有支撑系统振动模式,该支撑系统振动模式包括支撑板的弹性变形；测量管(10)借助于在入口侧上的支承体(20,21)并借助于在出口侧上的支承体被固定地连接到支撑板(30),并且由所述支承体(21,22)界定；支撑板具有多个弹簧承载的轴承(31,32,33,34),多个弹簧承载的轴承通过支撑板中的切口暴露,并且支撑板通过多个弹簧承载的轴承而被安装在具有振动自由度的传感器壳体(40)上,其固有频率低于弯曲振动使用模式的使用模式固有频率；使用模式固有频率低于支撑系统振动模式的固有频率；并且支承体(20,21)被定位成使得使用模式固有频率与另一振动模式的下一固有频率保持至少2％的频率间隔。(A mass flow sensor (100) includes: a vibrating measurement tube, curved in a tube plane; a vibration exciter (53) for exciting bending vibration in a bending vibration use mode; and two vibration sensors (51, 52) for sensing vibrations; a support system having a support plate (30), a support body on an inlet side and a support body on an outlet side; and a sensor housing, wherein: the support system has a support system vibration mode that includes elastic deformation of the support plate; the measuring tube (10) is fixedly connected to a support plate (30) by means of support bodies (20, 21) on the inlet side and by means of support bodies on the outlet side and is delimited by the support bodies (21, 22); the support plate has a plurality of spring-loaded bearings (31, 32, 33, 34) exposed through cutouts in the support plate, and the support plate is mounted on a sensor housing (40) with a degree of freedom of vibration by the plurality of spring-loaded bearings, with a natural frequency lower than a use mode natural frequency of a bending vibration use mode; the natural frequency of the use mode is lower than the natural frequency of the vibration mode of the support system; and the support (20, 21) is positioned such that the use mode natural frequency remains at least 2% of the frequency separation from the next natural frequency of the other vibration mode.)

用于测量可流动介质的质量流量的传感器

技术领域

本发明涉及一种用于利用单个振动测量管来测量质量流量的传感器，其中，该测量管在其静止位置在管平面中弯曲，其中，该测量管相对于与管平面垂直地延伸的轴线具有双重旋转对称性。例如在公开的专利申请DE 039 16 285 A1、公开文献EP 518 124° A1和尚未公开的专利申请DE 10 201 5122 146.2中描述了通用传感器。具有单个测量管的传感器的优势在于它们不包含任何分流器。然而，与具有相对于彼此对称振动的两个测量管的传感器不同，在仅具有单个测量管的传感器的情况下，通过解耦弯曲振动使用模式的振动能量或通过耦合来自周围环境的干扰振动来避免与周围环境的相互作用更加困难。为此，公开文献DE 10 2010 030 340 A1公开了一种具有单个测量管的传感器，其中，该测量管具有两个平行引导的环路，这两个环路相对于彼此振动并因此彼此平衡。然而，对于这种类型的传感器，由于环路中的测量管的路线，原则上不包括测量管的排放能力，而通用类型的传感器可以基本地被设计为可排放的。

背景技术

为了通过解耦弯曲振动使用模式中的振动能量或通过耦合来自周围环境的干扰振动来避免与周围环境的相互作用，EP 518 124° A1描述了一种在测量管的振动与传感器的其他部件的振动之间的频率分离。

发明内容

本发明的目的是提供一种尽可能紧凑并由此抗干扰的传感器。根据本发明，该目的通过根据独立权利要求1的传感器实现。

根据本发明的用于测量可流动介质的质量流量的传感器包括：

管线入口部分；

单个振动测量管，其用于引导介质，其中，测量管在其静止位置在管平面中弯曲；

管线出口部分；

至少一个振动激发器，其用于在弯曲振动模式中激发测量管的弯曲振动；

至少两个振动传感器，其用于检测测量管的振动；

支撑系统，其具有支撑板、在入口侧上的至少一个支承体和在出口侧上的至少一个支承体；以及

传感器壳体；

其中，支撑系统具有支撑系统振动模式，该支撑系统振动模式包括支撑板的弹性变形；

其中，测量管借助于在入口侧上的支承体并借助于在出口侧上的支承体被连接到支撑板，并且由支承体界定，

其中，测量管在入口侧上连接到管线入口部分并在出口侧上连接到管线出口部分，并且可以经由后者连接到管线，其中，管线入口部分和管线出口部分均被牢固地连接到传感器壳体，

其中，支撑板具有多个特别的螺旋弹簧承载的轴承，其中，在每种情况下，弹簧承载的轴承通过支撑板中的至少一个切口暴露，

其中，支撑板是经由弹簧承载的轴承或多个弹簧承载的轴承相对于传感器壳体安装的弹簧，从而具有三个平移振动自由度和三个旋转振动自由度，

其中，由于平移振动自由度和旋转振动自由度，支撑板的相对于仪表壳体的振动的固有频率低于弯曲振动使用模式的使用模式固有频率，

其中，使用模式固有频率低于支撑系统振动模式的固有频率，

其中，测量管相对于垂直于管平面延伸的轴线具有双重旋转对称性，

其中，支承体被定位成使得使用模式固有频率与测量管的另一振动模式的下一固有频率之间具有频率间隔，该频率间隔不低于频率间隔极限值，

其中，频率间隔极限值是使用模式固有频率的至少2％，特别是至少4％，优选为至少8％。

除了一方面测量管的振动模式和另一方面支撑系统振动模式或支撑板相对于传感器壳体的振动之间的频率分离之外，通过布置成使得测量管的干扰振动模式对弯曲振动使用模式的影响至多可忽略不计来实现支承体的定位。

尽管弯曲振动使用模式优选地是测量管垂直于管平面振动的振动模式，但对于确定频率间隔，测量管的所有振动模式也是重要的，也就是说，具有在管平面中的振动的振动模式以及具有垂直于管平面的振动的振动模式。

支承体的合适位置例如可以通过借助于FEM模拟进行测量管的振动模式的固有频率的基于位置的确定来确定。

无论振动方向如何，特别的螺旋弹簧承载的轴承在弯曲振动使用模式的频率范围中可以毫不费力地使传感器壳体与支撑板之间的所有振动模式解耦。如WO 2015/076 676A1中所公开的，这对于悬臂支撑弹簧具有相当大的优势。这是因为此类悬臂支撑弹簧实际上仅允许垂直于支撑板平面的位移。因此，板平面中的振动不能通过此类悬臂支撑解耦。

在本发明的进一步发展中，校准因子(CalF)以第一近似值来描述通过测量管的质量流量与在两个振动传感器的位置处以弯曲振动使用模式振动的测量管的振动之间的相位差之间的比例性，其中，与频率间隔成正比且与使用模式固有频率及校准因子CalF成反比的评估函数具有局部最大值，或特别是绝对最大值，其中，支承体被定位成使得评估函数比最大值低于不超过8％，特别是不超过4％，并且优选为不超过2％。取决于支承***置的校准因子CalF例如可以通过FEM模拟来查明。

该评估函数可实现一方面平衡考虑抗干扰振动的鲁棒性且另一方面在设计传感器时的更大的测量灵敏度。关于紧凑的传感器设计，这是特别值得注意的，将在下面提到关于该传感器的其他方面。

在本发明的进一步发展中，弯曲振动使用模式是F3弯曲振动模式，其中，测量管垂直于管平面振动。在这种振动模式中，沿测量管的加速度积分最小。由于F3弯曲振动模式也具有测量管的双重对称性，所以整体上仍然没有扭矩施加在支承体上。因此，结果，振动能量的最多可忽略的部分可以经由轴承座消散。相应地，F3弯曲振动模式也几乎不受外界振动的干扰。

在本发明的进一步发展中，由于平移振动自由度和旋转振动自由度，支撑板相对于仪表壳体的振动的固有频率至多是弯曲振动使用模式的使用模式固有频率的一半，其中，支撑系统固有频率至少是使用模式固有频率的两倍。

在本发明的进一步发展中，弹簧承载的轴承的数量为1、2、3或4。当前具有四个弹簧承载的轴承的实施例是优选的，因为以此方式，通过相应地布置弹簧可以以简单的方式实现对应于测量管的双重旋转对称的支撑板的安装。原则上，仅具有两个弹簧也是可行的，但在这种情况下，当支撑板中的弹簧被暴露时，制造公差会具有更大的影响。

在本发明的进一步发展中，测量管具有S形路线，其中，在管平面中存在纵向方向(z)，管线轴线与纵向方向在任何点上的角度都不超过85°，特别是不超过83°。因此，特别是在纵向方向的竖直定向的情况下，确保了测量管的排放能力。

在本发明的进一步发展中，两个支承体之间的测量管具有两个外部笔直部分和一个中央笔直部分，该中央笔直部分由两个(圆形)弧形部分连接，其中，在每种情况下，两个支承体被布置在外部笔直部分上。

双重旋转对称的轴线延伸通过中央笔直部分。管线入口部分或管线出口部分被连接到外部笔直部分。

通过将支承体布置在外部笔直部分上，实现了在纵向上特别紧凑的结构，该结构偏离了根据现有技术的传感器。由于这趋于导致测量管的刚度相对于叠加在弯曲振动使用模式上的Coriolis模式增加，所以这最初导致更高的校准因子(CalF)。然而，前述评估函数在此生效，据此可以至少部分地补偿紧凑设计的不利后果。

在本发明的进一步发展中，在每种情况下，角平分线在中央笔直部分的管中心轴线与外部笔直部分中的一者的管中心轴线之间延伸，其中，在每种情况下，振动振动传感器被安装在角平分线中的一者与测量管的交点和测量管的外部笔直部分上的从弧形部分到外部笔直部分的过渡部相距弧形部分的曲率半径的点之间。

在本发明的进一步发展中，在每种情况下，除了该弹簧和多个弹簧之外，管线入口部分和管线出口部分还与支撑板相对于传感器壳体的平移振动自由度和旋转振动自由度相关贡献了特定于自由度的基准，其中，在每种情况下，管线入口部分的贡献与管线出口部分的对应贡献偏离不超过相应较小贡献的10％，特别是不超过相应较小贡献的5％。

在本发明的进一步发展中，管线入口部分和管线出口部分的共同贡献针对任何特定于自由度的基准贡献不超过40％，特别是不超过20％，优选为不超过10％。

在本发明的进一步发展中，管线入口部分和管线出口部分具有与测量基本相同的管横截面，特别是与测量管相同的管材料，并且优选为与测量管一体地制造。

在本发明的进一步发展中，支撑板的平移振动自由度和旋转振动自由度的固有频率不低于70Hz，特别是不低于100Hz，和/或不超过400Hz。这确保了技术设备的典型干扰振动不会激发支撑板振动。

在本发明的进一步发展中，角平分线(w1，w2)在中央笔直部分的管中心轴线和外部笔直部分中的一者的管中心轴线之间延伸，其中，在管平面中出现具有垂直于角平分线(w1，w2)延伸的z轴的坐标系，其中，双重旋转对称的轴线形成x轴，其中，由x轴和z轴跨越的y-z平面在距支承体一定距离处与外部笔直部分相交。

在本发明的进一步发展中，振动激励器被布置在双重旋转对称的中心，并且其中，振动激励器被设定为激发垂直于管平面的弯曲振动。

在本发明的进一步发展中，角平分线分别在中央笔直部分的管线中心轴线与外部笔直部分中的一者的管线中心轴线之间延伸，其中，在管平面中出现具有垂直于角平分线延伸的z轴的坐标系，其中，双重旋转对称的轴线形成x轴，其中，y轴通过x轴和y轴的交点平行于角平分线延伸，其中，测量管的特征基面由直角限定，该直角的侧边一方面沿z方向延伸通过一个角平分线与弯曲部分的管轴的交点，另一方面沿y方向延伸通过一个支承体与测量管的管轴线的交点，其中，矩形面积与测量管的内径之比不超过8000，特别是不超过6000，且优选为不超过5000。

在本发明的进一步发展中，测量管的内径不超过5mm。

附图说明

现将基于附图中所示的示例性实施例来解释本发明。附图示出：

图1：根据本发明的传感器的第一示例性实施例的平面图；

图2：与评估函数的各方面相关的视图；

图3：根据本发明的传感器的弹簧承载的轴承的详细视图；以及

图4：根据本发明的传感器的示例性实施例的入口部分或出口部分的详细视图。

具体实施方式

传感器100包括测量管10，该测量管10具有第一笔直外部部分11、第二笔直外部部分12和中央笔直部分13以及第一弯曲部分15和第二弯曲部分16。两个笔直外部部分15、16均借助于弯曲部分15、16中的一者来连接到中央笔直部分13。测量管10由两个支承体21、22界定，并在刚性支撑板30上紧固至后者。测量管10基本上在平行于支撑板30的管平面中延伸。测量管围绕对称轴线具有双重旋转对称性，该对称轴线通过中央管部分的中心点C2垂直于通过中央管部分的中心点C2的管平面延伸。测量管具有例如为5mm或更小的内径。它由金属制成，特别是不锈钢或钛。金属支撑板30具有例如5mm的厚度。支撑板30具有四个螺旋弹簧承载的轴承31、32、32、33、34，该轴承特别是借助于激光切出的，并且该轴承相对于通过点C2的对称轴线具有相对于彼此的双重旋转对称性。利用在此未示出的固定在弹簧承载的轴承的中心的轴承螺栓，支撑板30被锚固至传感器壳体的壳体板40。

在图3中详细示出了弹簧承载的轴承32。弹簧承载的轴承32的有效刚度是由螺旋切口321的长度及其相对于支撑板30的剩余材料宽度的宽度得出的。在中心，弹簧承载的轴承32具有用于接收轴承销的孔322。

借助于弹簧承载的轴承31、32、33、34，支撑板30具有三个平移振动自由度和三个旋转振动自由度，其固有频率为至少70Hz以便避免共振振动，其中，在加工厂中经常发生高达50Hz的振动。为了不损害由弹簧承载的轴承31、32、33、34实现的支撑板的软悬挂，测量管可以经由足够软的管线入口部分18和足够软的管线出口部分19被连接到管线。壳体具有被牢固地连接到壳体板40的第一壳体轴承41和第二壳体轴承42，并且管线入口部分18和管线出口部分19被固定到该第一壳体轴承和第二壳体轴承，以便抑制管线的振动经由管线入口部分18和管线出口部分19传递到测量管。支撑板20的平移振动自由度和旋转振动自由度均具有固有频率f_i，该固有频率与包括基准k_i和闲置项m_i的商的根成正比，即f_iα(k_i/m_i)^1/2。总之，管线入口部分18和管线出口部分对相应基准k_i的贡献不超过10％。在图1中，基本上示意性地示出了管线入口部分18和管线出口部分19。图4示出了管线出口部分119的设计，其中，通过额外的管长度和弯曲降低了刚性，并因此降低了对相应基准的贡献。管线入口部分被相应地对称设计。

如图1进一步所示，传感器100具有用于检测测量管的振动的第一电动振动传感器51和第二电动振动传感器52。在这种情况下，两个振动传感器51、52均被布置在两个笔直外部部分11、12中的一者上，不超过相邻弯曲部分的曲率半径。为了激发弯曲振动，传感器具有布置在双重旋转对称的中心C2并且沿对称轴线的方向作用的电动激发器53。

中心C2是用于描述本发明的其他方面的坐标系的原点。测量管位于x-z平面中，其中，y轴平行于角平分线w1、w2延伸，该角平分线均在笔直外部部分11、12的管轴线与中央笔直部分13的管轴线之间延伸。z轴在管平面中垂直于y轴延伸并限定传感器100的纵轴线。如果该纵轴线被垂直地布置，则传感器可以最佳地放电。然后，笔直部分的倾斜度等于笔直外部部分11、12的管轴线与中央笔直部分13的管轴线之间的角度的一半。在本发明的优选示例性实施例中，该倾斜度为7°。

关于对支承体进行定位，现在参考图2，其示出了评估函数及其组分。为了建立评估函数，首先通过数值模拟来确定对于不同支承***置的测量管振动模式的固有频率。这里示出了对于弯曲振动使用模式F3以及与固有频率相邻的弯曲振动模式F3-1和F3+1的结果。此外，借助于数值模拟确定对于各种支承***置的校准因子

其描述了振动传感器的传感器信号之间的流动效应相位差与质量流量之间的关系。然后，评估函数被计算为从弯曲振动使用模式到相邻振动模式之间的最小频率间隔与校准因子CalF的商。其中评估函数具有最大值的支承体的最佳位置用于对支承体的实际定位的定向。因此，如果评估函数的值不足2％，则可以偏离最佳位置。在所示的示例性实施例中，支承体21、22的位置借助于评估函数来限定，使得测量管的z轴与测量管的外部笔直部分11、12在距支承体21、22一定距离处相交。总之，已经实现了具有紧凑地引导的测量管的抗干扰传感器。