阅读说明：本技术 用于测量可流动介质的质量流量速率的传感器 (Sensor for measuring the mass flow rate of a flowable medium ) 是由 克里斯托夫·胡伯 本杰明·施文特 迪特尔·蒙得兴 克里斯蒂安·许策 于 2018-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种质量流量传感器(100),其包括：可振荡的测量管线,其在管线平面中弯曲；振荡激励器(53),用于激发弯曲振荡操作模式中的弯曲振荡；以及两个振荡传感器(51,52),用于检测振荡；支撑系统,具有支撑板(30)以及流入侧支承元件和流出侧支承元件；以及传感器壳体,其中,支撑系统具有支撑系统振荡模式,该支撑系统振荡模式包括支撑板的弹性变形,其中,测量管线(10)借助于流入侧支承元件(20,21)并借助于流出侧支承元件与支撑板(30)牢固地连接,并且该测量管线由支承元件(21,22)界定,其中,支撑板具有由支撑板中的切口释放的多个弹簧支承件(31,32,33,34),经由该弹簧支承件,支撑板以振荡自由度安装在传感器壳体(40)上,其本征频率低于弯曲振荡操作模式的操作模式本征频率,其中,操作模式本征频率低于支撑系统振荡模式的本征频率,其中,校准因子(Calf)以第一近似值描述穿过测量管线的质量流量与在两个振荡传感器的位置处以弯曲振荡操作模式振荡的测量管线的振荡之间的相位差之间的比例性,其中,振荡传感器被定位成使得在传感器绕垂直于双重旋转对称的对称轴并垂直于传感器的纵轴线延伸的旋转轴线旋转时校准因子(Calf)的角速度依赖性具有最小值或者超过该最小值不多于该值的20％,特别是不多于10％,且优选地不多于5％。(The invention relates to a mass flow sensor (100) comprising: an oscillatable measuring line which is curved in a line plane; an oscillation exciter (53) for exciting bending oscillations in a bending oscillation mode of operation; and two oscillation sensors (51, 52) for detecting oscillations; a support system having a support plate (30) and an inflow-side bearing element and an outflow-side bearing element; and a sensor housing, wherein the support system has a support system oscillation mode comprising an elastic deformation of the support plate, wherein the measurement line (10) is firmly connected with the support plate (30) by means of an inflow-side bearing element (20, 21) and by means of an outflow-side bearing element, and is delimited by the bearing elements (21, 22), wherein the support plate has a plurality of spring bearings (31, 32, 33, 34) which are released by cutouts in the support plate, via which the support plate is mounted on the sensor housing (40) with an oscillation degree of freedom with an eigenfrequency which is lower than an operating mode eigenfrequency of a bending oscillation operating mode, wherein the operating mode eigenfrequency is lower than an eigenfrequency of the support system oscillation mode, wherein a calibration factor (Calf) describes, to a first approximation, a mass flow through the measurement line and a measurement flow oscillating in the bending oscillation operating mode at the location of the two oscillation sensors Proportionality between phase differences between oscillations of the measuring line, wherein the oscillation sensor is positioned such that the angular velocity dependence of the calibration factor (Calf) has a minimum value or exceeds this minimum value by no more than 20%, in particular no more than 10%, and preferably no more than 5% of this value when the sensor is rotated about a rotation axis extending perpendicular to the symmetry axis of the dual rotational symmetry and perpendicular to the longitudinal axis of the sensor.)

用于测量可流动介质的质量流量速率的传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器或测量变换器，其用于利用单个可振荡的测量管来测量质量流量，其中，测量管在管平面中在其静止位置处弯曲，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。例如，在德国公开说明书DE 039 16 285 A1、EP 518124°A1以及DE 10 2015 122 146.2中描述了这种类型的测量变换器，这些公开说明书在本申请的首次提交时未公开。具有单个测量管的测量变换器是有利的，因为它们没有分流器。然而，除了具有相对于彼此对称振荡的两个测量管的测量变换器的情况之外，在仅具有单个测量管的测量变换器的情况下，更加难以通过弯曲振荡期望模式的振荡能量的外耦合或通过来自环境的干扰振荡的内耦合防止与环境的相互作用。在这方面，德国公开说明书DE10 2010 030 340 A1公开了一种具有单个测量管的测量变换器，在这种情况下，测量管具有两个平行的环，这两个环相对于彼此振荡并在一定程度上彼此平衡。然而，对于这种类型的测量变换器，由于测量管弯曲成环，所以原则上排除了测量管的可清空性，而本发明领域的测量变换器基本地可实施为可清空的。

背景技术

作为朝向通过弯曲振荡期望模式的振荡能量的外耦合或通过来自环境的干扰振荡的内耦合来防止与环境的相互作用的贡献，EP 518 124°A1描述了在测量管的振荡与测量变换器的其他部件的振荡之间应用频率分隔。

在制造设备中，这种测量变换器也可以被应用在加速参考系统中——例如，在填充或装瓶设备中，或者与机器人连接。在这种情况下，已经发现这种加速度会影响测量变换器的校准因子并且在一定程度上干扰测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种尽可能紧凑的并且在这种情况下抗干扰的测量变换器。根据本发明，该目的通过独立权利要求1中限定的测量变换器来实现。

本发明的用于测量可流动介质的质量流量的测量变换器包括：

用于输送介质的单个可振荡的测量管，其中，测量管在管平面中在其静止位置处弯曲；

管入口区段；

管出口区段；

至少一个振荡激发器，用于激发测量管在弯曲振荡期望模式中的弯曲振荡；

至少两个振荡传感器，用于记录测量管的振荡；

支撑系统，具有支撑板、至少一个入口侧固定件主体和至少一个出口侧固定件主体；以及

测量变换器壳体；

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

其中，测量管借助于入口侧固定件主体并借助于出口侧固定件主体与支撑板连接，并且由固定件主体界定，

其中，测量管在入口侧邻接管入口区段并且在出口侧邻接管出口区段，并且可经由管入口区段和管出口区段连接到管线中，其中，管入口区段和管出口区段均与测量变换器壳体牢固地连接，

其中，支撑板具有多个特别是螺旋状弹簧固定件，其中，每个螺旋状弹簧固定件通过支撑板中的至少一个切口从支撑板被释放，

其中，支撑板经由一个或多个螺旋状弹簧固定件相对于测量变换器壳体被弹性地固定，使得支撑板具有三个平移振荡自由度和三个旋转振荡自由度，

其中，由于平移振荡自由度和旋转振荡自由度所导致的支撑板相对于测量装置壳体的振荡的本征频率低于弯曲振荡期望模式的期望模式本征频率，

其中，期望模式本征频率低于支持系统振荡模式的本征频率，

其中，测量管具有相对于垂直于管平面延伸的对称轴线的双重旋转对称性，

其中，校准因子Calf以第一近似值描述通过测量管的质量流量与在两个振荡传感器的位置处以弯曲振荡期望模式振荡的测量管的振荡之间的相位差之间的比例性，其中，振荡传感器被定位成使得在测量变换器绕垂直于双重旋转对称的对称轴线延伸并垂直于测量变换器的纵向轴线延伸的旋转轴线旋转的情况下校准因子Calf的角速度依赖性具有最小值或者超过最小值不多于该值的20％，特别是不多于10％，且优选地不多于5％。

已经发现，绕该旋转轴线的旋转对校准因子具有最大的影响。于是，使这种影响最小化的振荡传感器的定位对加速参考系统中的测量变换器的性能有很大贡献。

在本发明的另一改进中，固定件主体被定位成使得期望模式本征频率与测量管的另一振荡模式的最接近本征频率的频率分隔不小于频率分隔极限值，

其中，频率分隔极限值总计期望模式本征频率的至少2％，特别是至少4％，且优选地至少8％。

因此，在本发明的测量变换器的情况下，除了一方面的测量管的振荡模式与另一方面的支撑系统振荡模式或支撑板相对于测量变换器壳体的振荡之间的频率分隔之外，固定件主体的定位实现了测量管的干扰振荡模式最多可忽略不计地作用于弯曲振荡期望模式。

尽管弯曲振荡期望模式优选为振荡模式，在该振荡模式的情况下测量管垂直于管平面振荡，在确定频率分隔时，测量管的所有振荡模式都是重要的，因此，除了具有垂直于管平面的振荡之外，还具有管平面中的振荡。

固定件主体的合适的定位例如可以通过借助于FEM模拟来位置依赖确定测量管的振荡模式的本征频率来确定。

特别是螺旋状弹簧固定件在弯曲振荡期望模式的频率范围内以很小的力使测量变换器壳体与支撑板之间的所有振荡模式去耦合，并且实际上与振荡方向无关。与WO2015/076 676 A1的悬臂弹簧相比，这具有明显的优势。这种悬臂弹簧仅允许垂直于支撑板平面的偏转。因此，板平面中的振荡不能由这种悬臂去耦。

在本发明的另一改进中，与频率分隔成正比且与期望模式本征频率和校准因子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，固定件主体被定位成使得评估函数低于最大值不多于8％，特别是不多于4％，且优选地不多于2％。取决于固定件主***置的校准因子Calf可以例如通过FEM模拟来确定。

评估函数可以在测量变换器的设计中平衡考虑一方面的抗干扰振荡的鲁棒性和另一方面的大测量灵敏度。这对于紧凑的传感器设计是非常重要的，下面将考虑其他方面。

在本发明的另一改进中，弯曲振荡期望模式是F3弯曲振荡模式，其中，测量管垂直于管平面振荡。在这种振荡模式的情况下，沿测量管的加速度积分最小。在F3弯曲振荡模式也具有测量管的双重对称性的情况下，固定件主体上总体上也没有扭矩。因此，至多振动能量的可忽略部分经由固定块消散。相应地，F3弯曲振荡模式也几乎不受外部振动的干扰。

在本发明的另一改进中，由于平移振荡自由度和旋转振荡自由度所导致的支撑板相对于测量装置壳体的振荡的本征频率为弯曲振荡期望模式的期望模式本征频率的至多一半，其中，支持系统本征频率总计期望模式本征频率的至少两倍。

在本发明的另一改进中，螺旋状弹簧固定件的数量是1、2、3或4。目前具有四个螺旋状弹簧固定件的实施例是优选的，这是因为以此方式对应于测量管的双重旋转对称性的支撑板的固定件由于弹簧被对应地布置而容易实现。从根本上讲，仅用两个弹簧也是可能的，然而，通过对应地切割支撑板，在释放弹簧时制造公差变得更值得注意。

在本发明的另一改进中，测量管弯曲具有S形，其中，在管平面中存在纵向方向(z)，该测量管轴线相对于该纵向方向在任一点处的角度都不大于85°，特别是不大于83°。特别在纵向方向的竖直定向下，由此确保了测量管的可清空性。

在本发明的另一改进中，测量管在两个固定件主体之间具有两个外部笔直区段和一个中央笔直区段，该两个外部笔直区段和中央笔直区段由两个(圆)弧形区段连接，其中，两个固定件主体被布置在外部笔直区段中的相应一个上。

双重旋转对称的轴线延伸穿过中央笔直区段。管入口区段和管出口区段邻接外部笔直区段。

由于固定件主体布置在外部笔直区段处，与现有技术的测量变换器相比，实现了在纵向方向上特别紧凑的结构。相对于叠加在弯曲振荡期望模式上的Coriolis模式，只要具有提供增加的测量管刚度的倾斜度，首先就会产生更高的校准因子(Calf)。然而，这里考虑了上述评估函数，利用该评估函数可以至少部分地消除紧凑结构的这种不利后果。

在本发明的另一改进中，角平分线在每种情况下在中央笔直区段的管中心轴线与外部笔直区段中的一个的管中心轴线之间延伸，其中，振荡传感器被施加在测量管处且在每种情况下在角平分线中的一个与测量管的交点和测量管的外部笔直区段上的、从圆形区段到外部笔直区段的过渡部相距圆形区段的曲率半径——特别是半曲率半径，优选地四分之一曲率半径——的点之间。

在弯曲区段与外部笔直区段之间的过渡部处或其附近将传感器安装在外部笔直区段上，可使校准因子Calf的旋转依赖性最小化。

在本发明的另一改进中，相对于支撑板相对于测量变换器壳体的平移振荡自由度和旋转振荡自由度，管入口区段和管出口区段在每种情况下补充于一个或多个弹簧贡献自由度特定的弹簧常数，其中，管入口区段的贡献在每种情况下与管出口区段的对应贡献偏离不多于相应更低贡献的10％，且特别是不多于5％。

在本发明的另一改进中，管入口区段和管出口区段对自由度特定的弹簧常数的共同贡献总计不多于40％，特别是不多于20％，且优选地不多于10％。

在本发明的另一改进中，管入口区段和管出口区段具有与测量管基本上相同的管横截面，特别是具有与测量管相同的管材料，且优选地与测量管一体制造。

在本发明的另一改进中，支撑板的平移振荡自由度和旋转振荡自由度的本征频率总计不小于70Hz，特别是不小于100Hz，和/或不大于400Hz。这样，可以确保技术设备的典型干扰振动不会激发支撑板振荡。

在本发明的另一改进中，角平分线(w1，w2)在每种情况下在中央笔直区段的管中心轴线与外部笔直区段中的一个的管中心轴线之间延伸，其中，存在坐标系，该坐标系具有在管平面中垂直于角平分线(w1，w2)延伸的z轴，其中，双重旋转对称的轴线形成x轴，其中，由x轴和z轴限定的x-z平面切开外部笔直区段远离固定件主体。

在本发明的另一改进中，振荡激发器被布置在双重旋转对称的中心，并且其中，该振荡激发器适于垂直于管平面地激发弯曲振荡。

在本发明的另一种改进方案中，角平分线在每种情况下在中央笔直区段的管中心轴线与外部笔直区段中的一个的管中心轴线之间延伸，其中，存在坐标系，该坐标系具有在管平面中垂直于角平分线延伸的z轴，其中，双重旋转对称的轴线形成x轴，其中，y轴平行于延伸穿过x轴和z轴的交点的角平分线，其中，测量管的特征性基部区域由矩形限定，该矩形的侧边一方面沿z方向在每种情况下延伸穿过角平分线中的一个与弯曲区段的管轴线的交点，且另一方面沿y方向在每种情况下穿过固定件主体中的一个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总计不多于8000，特别是不多于6000，且优选地不多于5000。

在本发明的另一改进中，测量管的内径总计不多于5mm。

附图说明

现在将基于在附图中呈现的实施例的示例来解释本发明，附图中的图示出如下：

图1a本发明的测量变换器的实施例的示例的平面图；

图1b本发明的测量变换器的实施例的示例的空间示意图；

图2a校准因子对转速的依赖关性作为传感器位置的函数的曲线图；

图2b涉及用于定位固定件主体的评估函数的各方面的曲线图；

图3本发明的测量变换器的螺旋状固定件的细节图；以及

图4本发明的测量变换器的实施例的示例的入口区段或出口区段的细节图。

具体实施方式

测量变换器100包括测量管10，该测量管具有第一笔直外部区段11、第二笔直外部区段12和中央笔直区段13，以及第一弯曲区段15和第二弯曲区段16。两个笔直外部区段15、16分别借助于弯曲区段15、16中的一个与中央笔直区段13连接。测量管10由两个固定件主体21、22界定，并由后者固定到弯曲刚性支撑板30。测量管10基本上在平行于支撑板30的管平面中延伸。测量管具有绕对称轴线的双重旋转对称性，该对称轴线垂直于管平面延伸穿过中央测量管区段的中心点C2。测量管具有例如5mm或更小的内径。它由金属——特别是不锈钢或钛——制成。金属支撑板30具有例如为5mm的厚度。支撑板30包括四个螺旋状弹簧固定件31、32、33、34，它们特别是借助于激光切出的，并且它们同样具有相对于彼此并且相对于穿过点C2的对称轴线的双重旋转对称性。利用固定在螺旋状弹簧固定件的中心的固定螺栓(未示出)，支撑板30被锚固到变换器壳体的壳体板40。

在图3中更详细地示出了螺旋状弹簧固定件32。螺旋状固定件32的有效刚度由螺旋切口321的长度以及其相对于支撑板30的剩余材料宽度的宽度得出。在中心，螺旋状弹簧固定装置32包括孔322，以容纳固定螺栓。

由于螺旋状弹簧固定件31、32、33、34，支撑板30具有三个平移振荡自由度和三个旋转振荡自由度，其本征频率为至少70Hz，以便防止在过程设备中经常出现与高达50Hz频率的振动的共振。为了不劣化由螺旋状弹簧固定件31、32、33、34实现的支撑板的软悬挂，测量管可经由足够软的管入口区段18和足够软的管出口区段19被连接到管线。壳体包括第一壳体固定件41和第二壳体固定件42，该第一壳体固定件41和第二壳体固定件42与壳体板40牢固地连接，并且其中管入口区段18和管出口区段19被固定，以便抑制管线的振荡经由管入口区段18和管出口区段19传输到测量管。支撑板20的平移振荡自由度和旋转振荡自由度分别具有与弹簧常数k_i和惯性项m_i的商的平方根成正比的本征频率f_i，因此f_iα(k_i/m_i)^1/2。管入口区段18和管出口区段对其相邻的弹簧常数k_i的总贡献不多于10％。图1中的管入口区段18和管出口区段19的图示基本上是示意性的。图4示出了管出口区段119的实施例，在该情况下，通过附加的管长度和弧度，刚度以及其对弹簧常数的贡献减小。管入口区段相应地被对称地实施。

如图1a和1b中进一步所示，测量变换器100包括用于记录测量管的振荡的第一电动振荡传感器51和第二电动振荡传感器52。为了确定最佳传感器位置，对于图1b中用a到f示出的不同振荡传感器的位置考虑了绕图1a中所示y轴旋转的校准因子Calf的角速度依赖性。这种考虑使用数值模拟来进行。在图2a中示出了其结果。这项研究表明，在弯曲区段和外部笔直区段之间的过渡部的位置d处的依赖性最小，并因此是最佳的。直接布置在该过渡部的边缘的是振荡传感器51、52，该振荡传感器在这里分别位于两个笔直外部区中11、12中的一个上。振荡传感器的、与测量管一起振荡的部分还具有在其安装位置处与测量管轴线对准的惯性主轴。

为了激发弯曲振荡，测量变换器包括电动激发器53，该电动激发器53被布置在双重旋转对称性的中心C2并且沿对称轴的方向作用。

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y-z平面中，其中，y轴平行于角平分线w1、w2延伸，该角平分线中w1、w2的每一个在笔直外部区段11、12的管轴线与中央笔直区段13的管轴线之间延伸。z轴垂直于y轴在管平面中延伸，并且限定测量变换器100的纵轴线。当纵轴线被竖直地布置时，测量变换器可被最佳地清空。笔直区段的倾斜度则等于笔直外部区段11、12的管轴线与中央笔直区段13的管轴线之间的角度的一半。在本发明的实施例的优选示例的情况下，该倾斜度总计7°。

为了定位固定件主体21、22，现在参考图2b，其示出了评估函数及其组分。为了建立评估函数，首先，借助于数值模拟来为不同固定件主***置确定测量管的振荡模式的本征频率。这里示出了弯曲振荡期望模式F3以及关于本征频率相邻的弯曲振荡模式F3-1和F3+1的结果。此外，借助于数值模拟为不同固定件主***置确定校准因子

该校准因子描述了振荡传感器的传感器信号之间的流量依赖相位差与质量流量速率之间的关系。然后，评估函数被计算为弯曲振荡期望模式与相邻振荡模式之间的最小频率分隔与校准因子Calf的商。在评估函数具有最大值的情况下，固定件主体的最佳位置用于对固定件主体的实际定位进行定向。当由此导致的评估函数的值不多于2％时，与最佳位置的偏差可以接受。在实施例的图示示例中，固定件主体21、22的位置借助于评估函数被固定，使得测量管的z轴和与固定件主体21、22隔开的测量管的外部笔直区段11、12相交。因此，实现了具有紧凑布置的测量管的抗干扰的测量变换器，其也不受加速参考系统的干扰。