具体实施方式

图1以高度示意性的方式并且没有按比例地示出了包括根据现有技术的管道探测器20的管道传感器。

环境传感器30包括容纳在传感器壳体32中的传感器元件31。传感器壳体32限定测量通道33，传感器元件31被布置在测量通道33中或测量通道33附近。

环境传感器30被布置在承载主要流体流Fm的管道10的外部。管道10由管道壁11限定。伸长的管道探测器20从传感器壳体32通过管道壁11的探测器开口延伸到管道10的内部。管道探测器20限定了垂直于主要流体流Fm延伸的纵向轴线L。在管道探测器20内部，以下两个平行通道沿纵向轴线L延伸：供应通道21和排出通道22。这些通道由分隔壁25分隔开。每个通道在其位于管道10内部的相应端处封闭，而在其连接至管道10外部的环境传感器30的相应端处开口。侧向流入开口23存在于供应通道21的圆周侧壁中，面向主要流体流Fm。在排出通道22的圆周侧壁中存在侧向流出开口24。流出开口24相对于主要流体流Fm被布置在流入开口23的下游，背离主要流体流Fm。

在其开口端处，供应通道21通向测量通道33。测量通道33又通向排出通道22。测量通道33形成供应通道21与排出通道22之间的唯一连接。特别地，供应通道21和排出通道22在它们的封闭端与开口端之间沿管道探测器20的长度的任何地方都不连接，即，分隔壁25不具有任何开口。

在操作中，管道10中的主要流体流Fm横向地撞击管道探测器。由于文丘里/伯努利效应，主要流体流Fm在流入开口23处产生正背压，并且在流出开口24处产生负压。在流入开口23与流出开口24之间产生的压差取决于主要流体流Fm的流量。

由于压差，通过管道传感器产生部分流Fp。部分流通过流入开口23进入供应通道21。部分流Fp向上通过供应通道21流入测量通道33，经过传感器元件31，并向下通过排出通道22，然后在流出开口24处离开管道探测器20。传感器元件31检测部分流Fp的一个或更多个特性。部分流Fp的流量强烈地依赖于供应通道21与排出通道22之间的压差，该压差又强烈地依赖于主要流体流Fm的流量。

图2示出了管道探测器10内部和外部的模拟压力分布。该图中所示的数据是使用软件COMSOLMultiphysics 5.4版通过流体动力学的数值模拟而产生的。在模拟中做出以下假设：管道10具有净宽度为120mm并且高度为100mm的正方形截面。管道探测器20具有外径为15mm并且壁厚为1.5mm的圆形截面。在管道探测器内部，厚度为1.5mm的直的、平坦的分隔壁25将供应通道21与排出通道22分隔开。管道探测器20的在管道内部延伸的部分的长度为50mm。流入开口23具有直径为2.0mm的圆形形状。其中心位于距管壁30mm的距离处。同样，流出开口24具有直径为2.0mm的圆形形状；其中心也位于距管道壁30mm的距离处。用于模拟的流体是标准条件(1013hPa，20℃)下的空气。假设主要流体流Fm在管道入口处具有均匀的流速分布，其中流速为12m/s。使用k-ε(k-epsilon)湍流模型。假设环境传感器的流阻基本上是无穷大，从而导致部分流Fp的流量可忽略。

图2中的模拟结果表明在供应通道21与排出通道22之间存在相当大的压差dp。

针对主要流体流Fm的不同流量重复该模拟，在管道入口处的流速在0和12m/s之间的范围内。图3示出了压差dp强烈地依赖于管道10中的主要流体流Fm的流速v，压差dp随着流速的增加而连续且单调地上升并且大致遵循二次函数。在流速为6m/s时，压差大约为32Pa。在12m/s的流速下，压差大概为130Pa。

压差对主要流体流Fm的流量的这样的强烈依赖性可能是不期望的。这在环境传感器30是用于确定主要流体流中的微粒物质的浓度和/或大小分布的微粒物质传感器的应用中尤其如此。公知类型的微粒物质传感器用作微粒计数器，包括辐射源和辐射检测器。辐射源——通常为激光——在测量区中产生辐射。辐射被进入测量区的微粒散射。辐射探测器——通常为光电探测器——记录来自单个微粒的单个散射事件。从散射事件的频率和通过测量区的流量，可以推断微粒的数量浓度。从每个散射事件的强度，可以推断每个微粒的大小。通过对这两个量进行组合，可以获得微粒的质量浓度的度量。由于流量决定了数量密度，因此希望严密地控制通过环境传感器30的流量。然而，在供应通道21与排出通道22之间存在相当大且强烈变化的压差使得难以控制该流量。

图4以高度示意性的方式并且不按比例地示出了根据本发明的实施方式的管道传感器。管道传感器的一般设置类似于图1中的现有技术管道传感器。此外，管道传感器包括环境传感器30，环境传感器30包括传感器元件31和限定用于部分流Fp的测量通道33的传感器壳体32。在本示例中，环境传感器30还包括风扇34，该风扇34用于主动维持通过测量通道33的部分流Fp。然而，在其他实施方式中，可以省略风扇。此外，在本示例中，传感器元件31以如下方式被布置在测量通道33中：部分流Fp穿过传感器元件31。然而，在其他实施方式中，传感器元件31可以被布置成邻近测量通道33，使得部分流在传感器元件31之上流动，如图1中的实施方式。

如图1中的现有技术实施方式，供应通道21和排出通道22在管道探测器20内部沿其纵向轴线L延伸，这些通道彼此平行并由直的、平坦的、伸长的分隔壁25分隔开。如图1中的现有技术实施方式，每个通道在其位于管道10内部的相应端处封闭，而在其连接至管道10外部的传感器壳体30的相应端处开口。如在图1中的现有技术实施方式中，侧向流入开口23存在于供应通道21的圆周侧壁中，面向主要流体流Fm，并且侧向流出开口24存在于排出通道22的圆周侧壁中，在流入开口23的下游。

与图1中的现有技术实施方式相比，补偿通道26存在于供应通道21与排出通道22之间，在其相应的封闭端与开口端之间的区域中。补偿通道26由分隔壁25中的补偿开口形成，该分隔壁25将供应通道21和排出通道22分隔开。流入开口23和补偿通道26沿共同的喷射轴线对齐。喷射轴线沿主要流体流Fm的流动方向垂直于管道探测器的纵向轴线L延伸。在本示例中，流出开口24也与喷射轴线对齐。

由于存在补偿通道26，通过流入开口23产生喷射流Fj，喷射流被朝向补偿通道26引导。当喷射流穿过补偿通道26时，喷射流减速，从而在供应通道21与排出通道22之间产生负压差。该负压差抵消了当主要流体流Fm撞击管道探测器20并围绕管道探测器20偏转时由主要流体流Fm引起的正压差。因此，喷射流Fj用于减小在没有补偿通道26的情况下将存在的供应通道21与排出通道22之间的压差。同时，喷射流Fj减小了该压差对主要流体流Fm的流量的依赖性。

进行模拟以确定如图4所示的管道探测器内部和周围的预期速度分布。在如上结合图2所述的模拟中做出相同的假设。模拟显示了：喷射流Fj在其穿过流入开口23时显著加速，并且在其穿过补偿通道26时再次减速。喷射流Fj的最大流速在补偿通道26上游的供应通道21中比在补偿通道26下游的排出通道22中大得多。喷射流Fj的最大流速也显著大于在没有管道探测器的情况下在相同位置处和在通过管道的相同总流量下将出现的主要流体流Fm的平均流速。

为了确保喷射流Fj的流速在补偿通道26的上游侧大于在补偿通道26的下游侧，补偿通道26的截面面积有利地大于流入开口23的截面面积。另外，为了避免流出开口形成具有过大流阻的瓶颈，流出开口24的截面面积有利地大于或等于补偿通道26的截面面积。这在图5中以示例的方式示出。在该示例中，假设流入开口23、补偿通道26和流出开口24具有圆形形状。流入开口23和流出开口24各自形成在管道探测器的圆周壁27中；补偿通道26形成在分隔壁25中。流入开口23的直径被指定为D1，补偿通道26的直径被指定为D2，并且流出开口24的直径被指定为D3。相应的截面面积分别被指定为A1、A2和A3。沿喷射轴线N在流入开口23与补偿通道26之间测量的供应通道21的宽度被指定为W。在本示例中，排出通道22在补偿通道26与流出开口24之间具有相同的宽度W。为了在喷射流穿过补偿通道26时使喷射流减速，补偿通道26的截面面积稍大于流入开口23的截面面积，即，D2＞D1。在本示例中，流出开口24的截面面积与补偿通道26的截面面积相同，即，D3＝D2。

一般而言，其中，参数D1、D2、D3和W等可以被调整以优化供应通道21与排出通道22之间的压差对主要流体流Fm的流量的依赖性。为了更容易地量化独立于绝对尺寸的流入开口23与补偿通道26的大小之间的差异，可以引入无量纲的开口角度α，通过以下关系式来定义开口角度α：

代替使用几何直径D1和D2，可以使用相应的液压直径。

为了评估喷射流Fj对供应通道21与排出通道22之间的压差的影响，再次利用与上面结合图2中示出的模拟所描述的假设相同的假设，来执行对图4中的管道探测器内部和周围的压力分布的模拟。开口角度α是变化的，并且针对每个开口角度来评估供应通道21与排出通道22之间的压差对从管道探测器上游的主要流体流Fm的流速的依赖性。已经发现了开口角度α的最佳值是(2.7±0.3)°，导致0和12m/s之间的流速的压差的最小变化。虽然针对上面结合图2讨论的特定探测器尺寸获得了这个结果，但是预期该结果仅微弱地取决于探测器的绝对尺寸、探测器的精确形状或开口的形状，只要这些变化在合理的范围内即可。当然，对于完全不同几何形状的管道探测器或对于完全不同形状的开口(例如，具有大纵横比的窄缝)，不同的开口角度可能是最佳的。

图6示出了二维图，该二维图示出了对于12m/s的流速在2.7°的最佳开口角度处所产生的压力分布。如所预期的，与图2中的管道探测器外部的图相比，压力分布几乎没有变化。然而，由于喷射流Fj，流入开口内的压力急剧降低(从几乎+100Pa到大约-10Pa)。供应通道21内的压力从大约+100Pa降低到大约-6Pa。另一方面，排出通道22中的压力从大约-27Pa再次上升到大约-6Pa，这也是由于喷射流Fj而导致的。在供应通道21与排出通道22之间产生的总压差几乎为零。

图7示出了：对于2.7°的优化的开口角度，供应通道21与排出通道22之间的模拟压差dp对从管道探测器上游的主要流体流Fm的流速的依赖性。对于0和12m/s之间的流速，压差从不超过1.7Pa，在流速大约为6m/s时，压差具有最大值，并且在流速为12m/s时，压差接近零。这与图3中的常规管道探测器的模拟压差相反，该压差随着流速的增加而急剧上升，并且在流速为12m/s时超过120Pa。这些模拟结果表明，本发明可以实现压差的大幅减小，并且可以实现压差对主要流体流Fm的流量的依赖性大幅减小。

虽然针对单个流入开口23、单个流出开口24和单个补偿开口形式的补偿通道26进行了模拟，这些开口中的每一个具有圆形形状，但是可以想到不同数量和几何形状的这些开口。这在图8和图9中通过示例的方式被示出。

图8示出了可以设置多于一组的流入开口和补偿通道。这些组可以具有不同的尺寸。由此，可以进一步优化压差对主要流体流Fm的流速的依赖性。在图8的示例中，通过第一流入开口23和第一补偿通道26产生第一喷射流。通过第二流入开口23’和第二补偿通道26’产生第二喷射流。由于流入开口和补偿通道的不同尺寸，由每个喷射流引起的负压差对于两个喷射流将是不同的。通过定制流入开口和补偿通道的尺寸，可以优化供应通道与排出通道之间的压差对主要流体流Fm的流速的依赖性。图8中没有示出流出开口。代替为每组第一流入开口和第二流入开口以及补偿通道提供单独的流出开口，可以想到提供单个公共流出开口。

图9示出了流入开口、流出开口和补偿通道可以各自具有不同于圆形的截面形状。在本示例中，流入开口的截面形状和补偿通道的截面形状是狭缝状的和梯形的，补偿通道的截面面积在沿公共喷射轴线的投影中完全覆盖流入开口。通过优化流入开口和补偿通道的形状和大小，再次可以优化供应通道与排出通道之间的压差对主要流体流Fm的流速的依赖性。

当然，可以想到许多其他形状的流入开口和补偿通道。

虽然上述示例中的模拟是针对具有直的、平坦的分隔壁的圆柱形管道探测器进行的，但是可以使用不同的探测器设计。这在图10和图11中示出。在图10的实施方式中，管道探测器具有圆形截面和直的平坦的分隔壁25，在该分隔壁25中，形成了简单补偿开口形式的补偿通道26。通过供应通道21和排出通道22的部分流Fp由小圆内的点和小圆内的十字指示，点指示离开附图平面的流动方向，并且十字指示进入附图平面的流动方向。喷射流Fj由以虚线绘制的箭头指示。在图11的实施方式中，管道探测器具有椭圆形截面。两个平行导管被布置在管道探测器内，形成供应通道21和排出通道22。补偿通道26由导管之间的短管28形成。可以想到许多其他探测器设计，包括具有多于一个供应通道和/或多于一个排出通道的设计。

虽然在图4的实施方式中，环境传感器30直接连接至供应通道21和排出通道22的开口端，但是还可以想到的是，经由刚性或柔性管子将环境传感器30连接至管道探测器20。

如果环境传感器30是用于确定主要流体流中的微粒物质的浓度和/或大小分布的微粒物质传感器，则本发明是特别有利的。然而，环境传感器30不必是微粒物质传感器。在其他实施方式中，环境传感器可以是用于确定主要流体流中的一种或更多种分析物气体的成分和/或浓度的气体传感器、湿度传感器、温度传感器等。

本发明使得可以例如通过使用集成风扇来严密地控制通过环境传感器30的流量，而无需补偿由主要流体流产生的管道探测器内部的压差。

附图标记列表

10 管道 32 传感器壳体

11 管道壁 33 测量通道

20 管道探测器 34 风扇

21 供应通道 Fm 主要流体流

22 排出通道 Fp 部分流

23，23’流入开口 Fj 喷射流

24，24’流出开口 L 纵向轴线

25 分隔壁 N 喷射轴线

26，26’补偿通道 A1，A2，A3 截面面积

27 圆周壁 D1，D2，D3 直径

28 管 W 宽度

30 环境传感器 α 开口角度

31 感测元件