具有变形体的管式传感器
阅读说明：本技术 具有变形体的管式传感器 (Tubular sensor with deformation body ) 是由 马库斯·迪纳 卢卡斯·施彼乐 霍夫·布洛切 托马斯·罗滕巴赫 于 2020-03-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种测量系统(1),尤其是用于测量压力,所述测量系统具有测量管(2)、变形体(3)、用于测量伸长和/或扩宽(AW)的分析单元以及壳体(7)。(The invention relates to a measuring system (1), in particular for measuring pressure, comprising a measuring tube (2), a deformation body (3), an evaluation unit for measuring elongation and/or expansion (AW), and a housing (7).)
技术领域
本发明涉及一种用于物理参量、尤其是压力的测量系统。
背景技术
由现有技术,例如由US 4,207,551 A，US 3,046,788 A和EP 0 074 574 A1已知用于物理参量、尤其是压力的一般性测量系统。这种测量系统包括管状的变形体，该变形体在其端部上具有环形横截面，用以密封式连接到一进程上。管状的变形体此外具有偏离环形地、例如椭圆形、椭圆形、扁椭圆形或还有非轴对称地，例如“D形”成形的测量部段或者说变形体。通过相对于管外压改变进程压力来引起管状的变形体的弹性几何形状改变。当内压大于管外压时，经变形的管横截面争取为环形，且在此产生不同形式的伸长和压缩，这些伸长和压缩也在管外表面上起作用。当内压低于管外压时，管横截面越来越多地争取为偏离环形的几何形状，也就是说变形程度被增加。在此情况下可能涉及到管横截面的“共同按压(Zusammendrücken)”。这同样导致不同形式的伸长和压缩，它们也在管外表面上起作用。下面，管部段的扩宽也被理解为一种共同按压，其取决于，在测量管中相对于管外压存在高压还是负压。在使用足够牢固的弹簧弹性材料时应使用该效应作为针对参量“压力”的测量效应。
发明内容
本发明的任务在于，给出用于物理参量的相对于现有技术经改善的测量系统。
根据本发明的用于物理参数、尤其是压力的测量系统包括壳体和测量管。测量管包括至少一个管状的变形体，变形体的横截面至少部分地以不同于圆形横截面的限定方式形变且该变形体在压力下弹性扩宽。此外，测量管包括：两个输入部段，所述两个输入部段分别安置在所述变形体的端部部段上且在所述两个输入部段的外边缘部段上分别具有环形横截面；以及两个密封部段，用于将测量系统密封式对接至一进程，其中，所述密封部段被模制在所述输入部段的所述外边缘部段上。此外，测量管包括：两个模制的支撑部段，所述支撑部段支撑所述壳体；测量传感装置，所述测量传感装置至少在所述变形体的一部段的两个点上测量伸长和/或扩宽；以及分析单元，所述分析单元将所述伸长和/或扩宽的测量到的值以电子方式分析并作为测量信号给出。所述壳体将所述测量管在其延伸方向上在外部至少部分地包住并使所述测量管稳定以抵抗机械的影响和另外的影响。
该测量系统形成用于针对主要测量参量“压力”的管状的测量系统的成本低廉的解决方案。此外可以集成其他的测量参量、例如温度和流量以及从其推导出的测量参量、例如密度。在此，测量系统具有下列结构，该结构可以以自由横截面被穿流。此外，该结构是无死区的，也就是说，不存在穿流测量系统的介质陷入死胡同或底切中或在那里形成沉积的可能性。在此，测量系统能够实现足够地补偿或阻止外部压力波动、温度效应、环境影响和机械的反作用。在此可以实现特别高的测量准确性。
在测量系统的一可能设计方案中，壳体密封式围住测量管。由此可以用负压或真空加载壳体。
在测量系统的另一可能设计方案中，测量管在内部用硅胶或可更换的硅胶覆盖件进行内衬，使得对于进行穿流的介质的流动阻力是最小的和/或通过可更换性由于一次性使用的可能性而满足了提高卫生的要求。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述测量管的所述变形体具有0.1mm至0.5mm或0.2mm至3.0mm的壁厚。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述测量管的连接件具有3mm至40mm或20mm至60mm的内直径。
在测量系统的另一可能设计方案中，输入部段具有与变形体的壁厚相应的壁厚。由此，在输入部段和变形体之间不产生梯级，从中又造成针对进行穿流的介质的小流动阻力和自由横截面。
在测量系统的另一可能设计方案中，输入部段被坚固地实施和/或具有环形到椭圆形的内轮廓过渡部。尤其地，相对于变形体被坚固实施的输入部段的特征在于特别小的可形变性。输入部段的该坚固构造方案避免了该输入部段的变形和由此而造成的测量值错误。例如，通过对由实心材料、尤其是金属或金属合金所形成的本体进行切削加工，例如钻孔和/或铣削来制造坚固实施的输入部段。替换地，该制造可以通过实心材料的变形来进行。
在测量系统的另一可能设计方案中，输入部段与支撑部段和密封部段一件式地实施。也由此而造成针对进行穿流的介质的小流动阻力和自由横截面。
在测量系统的另一可能设计方案中，壳体材料接合且密封式地被接合到支撑部段上。由此可以用负压或真空加载壳体。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述壳体设有真空或设有相对于外部气氛的负压。
在测量系统的另一可能设计方案中，壳体具有用于安装或控制真空或负压的服务端口，以便以有利方式使得真空或负压的安装变得容易。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述壳体在内部具有用于监控所述真空或所述负压的压力传感器或真空传感器，以便以有利方式使得真空或负压的监控变得容易。
在测量系统的另一可能设计方案中，测量管具有施加的温度传感器，该温度传感器被定位在壳体内部或测量管上。由此可以附加地检测介质的温度并必要时对其进行处理。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述壳体设有通向所述外部大气或通向所述壳体的第二部分的玻璃套管，通过所述玻璃套管来引导用于信号传递的触点。这点能够实现用于输出、存储和/或继续处理检测到的数据的可靠信号传递。
在测量系统的另一可能设计方案中，该测量系统包括能经由插塞连接部接触的接口和/或用于输出测量值的显示器，以便以有利的方式能够实现检测到的数据的显示。
在测量系统的另一可能设计方案中构造了分析单元，以便根据：
-借助于光学测量系统检测到的数据；
-借助于激光光学装置检测到的数据，其中，所述激光光学装置
-根据经由反射镜所引导的激光射束执行参考测量，
和/或
-根据经由射束分离器或经由通过至少三个反射镜的一公共光路所引导的激光射束执行直接测量，
-借助于至少一个电容传感器检测到的数据；
-借助于至少一个应变敏感的、绕所述测量管卷绕的光学光纤传感器检测到的数据；
-借助于两个或四个应变片检测到的数据；
-借助于由应变片所形成的惠斯通电桥检测到的数据，和/或
-借助于至少一个表面声波传感器检测到的数据，
尤其是在快速傅里叶变换的辅助措施下分析所述测量管的变形体的伸长和/或扩宽。这种测评是非常可靠的。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述测量系统包括用于获知流量的传感器和用于给出包括所述流量、压力和温度的信号的至少一个给出单元。
在测量系统的另一可能设计方案中，壳体具有100mm至300mm或50mm至800mm的长度。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述测量管和所述输入部段借助于焊缝来接合，其中，所述焊缝以焊接、贯通焊接、环形轨道自动焊接和/或激光焊接来制造。在此，焊缝可以相对简单地产生且能够实现测量管和输入部段的流体密封且特别耐用的接合以及输入部段和测量管的内表面在焊缝区域中的小粗糙度。由此，测量系统尤其适用于在制药领域以及在食品工业中应用。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述测量管的内表面和所述输入部段在焊缝区域中的粗糙度具有小于或等于3μm、尤其是小于或等于2μm、尤其是小于或等于0.8μm的Ra值。由此而造成针对进行穿流的介质的小流动阻力和自由横截面。此外，由此可以构成对进程介质提高纯度的要求。
在测量系统的另一可能设计方案中，所述测量管的内表面和所述输入部段的内表面之间的过渡部至少基本上平面地和/或无棱边、梯级地和/或无最大2mm高度的顶出部地在所述焊缝的区域中延展。也由此而造成针对进行穿流的介质的小流动阻力和自由横截面。
在测量系统的另一可能设计方案中，测量部段或者说变形体和/或输入部段具有比密封部段更大的直径和/或横截面。
附图说明
本发明的实施例下面根据附图来详细阐释。
彼此相应的部件在所有附图中设有相同的附图标记。
在此：
图1示意性示出了针对物理参量的测量系统；
图2A至2K示意性示出了测量管的管状的变形体的不同横截面。
图3示意性示出了测量管的立体图；
图4A和4B示意性示出了测量管的不同视图；以及
图5示意性示出了测量管的截面图，其包括光学分析装置。
彼此相应的部件在所有附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1中示意性示出了针对物理参量的测量系统1的可能实施例。
测量系统1包括测量管2。
测量管2又包括变形体3，该变形体至少部分地以偏离环形横截面的限定方式被扁平按压或形变，且可以在压力下弹性扩宽。
此外，测量管2包括两个输入部段4，所述两个输入部段分别安置在所述变形体3的端部部段3a上且朝外地在所述两个输入部段的外边缘部段4a上具有环形横截面。输入部段4在其端部上朝外地具有模制的密封部段5，密封部段被设置用于将测量系统1密封式对接至一进程。
将支撑部段6模制到输入部段4和/或密封部段5上，这些支撑部段支撑测量系统1的外部壳体7。
在变形体3的一部段上测量伸长和/或扩宽AW的值的一种测量技术或测量传感装置8利用电容传感器8A和/或激光光学装置8B和/或应变敏感传感器或应变片8C来实现。
激光光学装置8B将至少一个激光光束8F转向到反射镜10、11上，这些反射镜被取向用于参考测量。在这些反射镜10、11上，对应的激光射束8F被转向到布置在变形体3上的反射镜12上，该反射镜与上述扩宽AW相关地具有相对于反射镜10、11和激光光学装置8B的不同位置。借助于例如在反射镜10、11中的至少一个的区域中或在激光光学装置8B的区域中布置的未详细示出的检测器可以与反射镜12的位置相关地获知由反射镜12反射的激光射束的相应碰触位置并从中推导出扩宽AW的值。替换地，反射镜12本身被构造为检测器，例如被构造为CCD芯片。
此外，光纤传感器8D可以检测伸长。可选地，借助于所谓的光纤布拉格技术(Faser-Bragg-Technik)可以附加于伸长同时测量温度。为此，例如将光纤传感器8D的光纤绕测量管2的所涉及的管部段进行卷绕并可选地利用弹性灌封件进行固定。
替换地，借助于将施加在变形体3上且也被称作应变测量电阻的应变片8C来测量伸长和/或扩宽AW。为此，尤其是考虑下列的应变片8C，其被粘接到变形体3上，或另外的适当的应变测量元件，它们通过另外的适当的方法被施加到变形体3上。
此外，所谓的表面声波传感器8E、简称SAW传感器可以对测量管2内部的伸长以及流量进行感测。
可选地，为此将壳体7经由联接部15抽真空或设有真空，该联接部被密封地焊接或为了服务目的设为对接部。为了在壳体7内部尽可能长时间维持真空，在壳体7内部在一可能的设计方案中施加吸气材料13，用以接收湿气。
壳体7内部的真空在可能的设计方案中利用真空传感器16来监控。
施加的温度传感器17检测测量管2上的温度，用以补偿温度误差。
其利用测量值在壳体7中的电路板20或在第二壳体件22中的电路板21上的分析单元、尤其是分析电子装置进行计算。在那里，检测到的测量值被测评，转换并作为测量信号经由显示和/或无线电装置30或插头接口31给出。为此也可以针对给出相对压力信号而使用用于检测相对于壳体7中的负压的外部压力的相对压力传感器或用于检测外部压力的环境气压传感器。
壳体7将测量管2在其延伸方向32上在外部至少部分、替换地当然完全密封地经由支撑部段6上的焊接包住。该壳体包住测量管2并使测量管稳定以抵抗机械的影响和另外的影响。
壳体7和壳体件22由密封的玻璃套管34分开，该玻璃套管向外引导测量信号和/或向内引导电流和电压供给。替换于玻璃套管34也可以经由无线电来传递信号和能量，例如经由RFID或通过感应。壳体件22也可以完全是铸造的，且电路板20、21为此设有留空部，使得铸造材料良好分配并良好地围住所有结构部件。替换地，电路板20、21和导体道也部分地柔性构造为柔性电路板(英文：flexible printed circuit，简称：FPC)。
在测量系统1的另一可能的设计方案中，测量部段或者说变形体3具有一个或多个温度传感器17以及至少一个加热元件，使得经由对温度测量进行分析可以获知介质的流动方向和/或该介质的流动速度。
图2A至2F和2H至2K示出了管状的变形体3的横截面，并由此示出了测量管2的不同测量横截面，即扁椭圆形40或椭圆形41，以及传感器、尤其是电容传感器8A、表面声波传感器8E和/或应变片8C的布置。
在此情况下尤其地，测量管2被取向为，当设施被清空时，该测量管可以空转(为此参见图2C或图2J)。在此情况下，轻微的倾斜位置可能是有利的。
在图2H至2K中示出的实施例例如通过在所谓的液压成型进程中借助于内压通过扩宽来制造。在此情况下尤其有利的是，测量部段或者说变形体3总是具有比密封部段5更大的直径或横截面。
图3中示出了测量管2的一可能实施例的立体图，该测量管具有一变形体3和两个输入部段4，所述输入部段以环形连接到变形体3。密封部段5可以可选地被焊接。
图4A示出了测量管2的另一可能实施例。
在此情况下，测量管2用硅胶作为弹性内衬的内部覆盖层是可行的，该内部覆盖层可以被去除，或者具有可更换硅胶覆盖件50的实施方案也是可行的。
在所示设计方案中，此外示出了两个输入部段4的坚固的设计方案，这些输入部段一方面经由焊接连接变形体3，且另一方面模制了密封部段5和针对未示出壳体7的支撑部段6。这些部段尤其具有从圆形横截面到椭圆形测量部段或者说变形体3的过渡部。
图4B在关于焊接的另一可能设计方案中示出了具有变形体3和输入部段4的测量管2。在此情况下，焊接可以如所示那样通过熔接来实现，或也可以在管状的变形体3接合到一凸缘的情况下借助于贯通焊接来实现。在此情况下可以设置：在没有后加工的情况下实现下列焊接品质，在该焊接品质下，焊缝99在其内面上具有顶出部，该顶出部达到仅几毫米或更少的小顶出部高度AWH。
图5中在具有干涉测量的另一设计方案中示出了测量管2。
在此情况下通过横向偏移消除了可能的误差。在此情况下，通过射束分离器35一方面检测参考长度LR，另一方面通过光的运作时间偏移检测由于变形体3的进程压力P的扩宽AW。
射束分离器35在此情况下可以可选地以周期方式接通，且激光光学装置8B可选地也被实施为LED激光器、激光二极管或光电二极管。
激光光学装置8B也同时可以是发射器和检测器，因此例如也被构造为CCD传感器的形式或构造为光电二极管的检测器可以经由反射镜或射束分离器35被对接并因此也被集成在激光光学装置8B的结构中。
例如，借助于激光光学装置8B将激光射束指向到反射镜36上并从该反射镜指向到射束分离器35上。由此出发，激光射束被发送到反射镜10并从该反射镜返回地通过射束分离器35被发送到反射镜11。在反射镜11上，在一可能的设计方案中布置检测器，其中，根据激光射束的之前所描述的走向的、利用该检测器接收到的信号可以被用作具有参考长度LR的参考测量。此外，激光射束从反射镜11返回地反射到射束分离器35，该射束分离器使该激光射束转向到反射镜36和激光光学装置8B。由此，也可以借助于激光光学装置8B来执行具有参考长度LR的参考测量。
由激光光学装置8B到反射镜36上并从该反射镜到射束分离器35上指向的激光射束附加地也被转向到布置在变形体3上的反射镜12上，该反射镜与扩宽AW相关地具有不同的位置。由反射镜12，激光射束返回地反射到射束分离器35，该射束分离器使该激光射束转向到反射镜11和反射镜36。借助于例如布置在反射镜11或12区域中的未详细示出的检测器，因此可以确定激光射束的运作时间并从中跟随地确定扩宽AW。也可以借助于激光光学装置8B来确定激光光束的运作时间并从中跟随地确定扩宽AW。
本发明不被限制于前述详细的实施例。本发明可以在后续权利要求的范围内被修改。同样地，由从属权利要求的各个方面可以相互组合。
附图标记列表
1 测量系统
2 测量管
3 变形体
3a 端部部段
4 输入部段
4a 边缘部段
5 密封部段
6 支撑部段
7 壳体
8 测量传感装置
8A 电容传感器
8B 激光光学装置
8C 应变片
8D 光纤传感器
8E 表面声波传感器
8F 激光射束
10 反射镜
11 反射镜
12 反射镜
13 吸气材料
15 联接部
16 真空传感器
17 温度传感器
20 电路板
21 电路板
22 壳体件
30 显示和/或无线电装置
31 插头接口
32 延伸方向
34 玻璃套管
35 射束分离器
36 反射镜
40 扁椭圆形
41 椭圆形
50 硅胶覆盖件
60 环境压力传感器
99 焊缝
AW 扩宽
AWH 顶出部高度
LR 参考长度
P 进程压力
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