专利名称：确定通过测量管的介质的流量的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于至少一个第一测量信号确定通过测量管的介质的流量的流量测量设备和方法，该第一测量信号至少取决于测量管中介质的流速。
背景技术：
流量测量设备使用广泛，尤其是在过程测量技术中。通过示例的方式，磁感应流量测量设备将电力学感应原理用于体积流量测量并且在大量的出版物中有所描述。垂直于磁场移动的介质的电荷载体引起测量电极中的测量电压，该测量电极布置为大致垂直于介质的流向并且垂直于磁场的方向。测量电极中引起的测量电压与在测量管的横截面上平均的介质的流速成比例，且由此与体积流速成比例。如果已知介质的密度，则可以确定管线中或测量管中的质量流量。通常经由测量电极对来感测测量电压，该测量电极对布置在沿在最大磁场强度区域处的测量管轴线的方向上，并且由此期望得到最大的测量电压。 在这种情况下，磁感应流量测量设备通常包括衬有聚合物内衬的金属测量管。此夕卜，还有具有例如塑料的合成材料的测量管的磁感应流量测量设备。在超过测量管中的介质的特定压力或在大量的压力循环后的情况下，这可能具有劣势，即更大的变形，甚至可能是部分的塑性变形。专利文献DE 10347890A1公开了一种磁感应流量测量设备，该设备具有由多层纤维复合材料组成的测量管。为了监视特定装置中的容许载荷，在测量管内部和测量管外部之间，将应变计嵌入至该多层复合材料中。这对测量流量不具有直接影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种流量测量设备，其相对于压力波动是鲁棒的。通过独立权利要求I的主题并且通过独立权利要求7的主题来实现该目的。在从属权利要求中阐明本发明的改进方案和实施例。以本发明的方法来确定通过测量管的介质的流量，尤其是体积流量和/或质量流量。基于至少一个第一测量信号确定流量，该第一测量信号至少取决于测量管中介质的流速。第一测量信号可以例如在超声波流量测量设备的情况下是传播时间差或多普勒频移，在磁感应流量测量设备的情况下是在两个测量电极感测的测量电压，在涡流流量测量设备的情况下是漩涡分离频率、在涡轮流量测量设备的情况下是转子转速、或者在热流量测量设备的情况下是加热器的热损失。包括具体测量信号是如何取决于测量管中介质的流速的其它示例对于本领域技术人员是公知的。现将基于磁感应流量测量设备的示例，简要概述取决于测量管中介质的流速的测量电压。根据公式Qv=v*A计算体积流量Qv，其中V代表流速，A代表测量管中介质的流通截面积。该公式是在测量管的内腔横截面对应于测量管中介质的流通截面积的情况下，即，在测量管完全充满的情况下。由此，测量管中介质的流通截面积对应于测量变换器的区域中的介质的通道面积。现在，测量管中介质的流速V又等于所述测量电压U与磁场强度和电极距离的乘积之商。
如果在确定流量中考虑测量电压U作为第一测量信号，则第一测量信号至少部分取决于流速，此处为平均流速。由此，在该示例中流速在流通截面积上被平均。通常，作为对第一测量信号的补充，确定流量需要考虑其它因素。由此，测量管中介质的流通截面积也进入流量的确定。测量管中介质的流通截面积通常假定为恒定的。然而，根据本发明记录第二测量信号，其取决于测量管中介质的流通截面积并且与测量管中介质的流速无关。通过示例，第一和第二测量信号仅具有其所取决的一个可变参数。可以说，两者分别代表流速、流通截面，或者它们分别代表流速的时间变化率、流通截面。测量信号所取决的附加参数是恒定的或者被假定是恒定的。如果在本发明的流量测量设备的评估单元中计算流量，则这将根据预定关系尤其是预定公式来完成。此公式包括至少两个参数，其中第一测量信号的值作为第一参数并且第二测量信号的值作为第二参数。可以及时的在特定位置处对测量信号进行对应的采样并且将分别采样的值作为参数进行流量计算。具有这些参数，以及诸如介质的压力和/或温 度的其它参数，就可以进行计算。同样的，可以考虑诸如恒定参数或可变参数的其它测量变量，例如介质的密度、粘度、化学成分和/或传导率。如果这些测量变量存储在校准系数中，则当这些测量变量根据时间变化时，校准系数当然必须是被校正的。由此，本发明的用于确定流过测量管的介质的流量的流量测量设备包括测量变换器，用于记录取决于测量管中的被测介质的流动的第一测量信号；评估单元，用于至少根据第一测量信号以及根据测量管中介质的流通截面积确定流量；以及用于记录附加的第二测量信号的其他装置，该第二测量信号取决于测量管中介质的流通截面积并且与介质的流速无关。利用流量测量设备能够以预定形式输出流量。用于记录第二测量信号的装置例如为应变计。应变计可以放置在测量管的外侧上。由此，应变计记录测量管的外部几何尺寸(或该尺寸的变化)，“外部”意味着其外侧，由此为测量管壁背离内腔且随之背离介质的一侦U。被记录的尺寸上的变化，例如测量管的诸如圆周的周边的长度变化，经由已知的关系取决于测量管的内腔的横截面和取决于流通截面。由此，可以容易的计算流通截面积。同样能容易地确定介质的压力和/或密度。可选择地，对于安装在测量管外部上的应变计，流量测量设备例如可以是具有诸如聚合物合成材料的测量管的磁感应流量测量设备。通过测量管的介质的流通截面积的变化同样使磁感应流量测量设备的磁系统的感应率发生变化，并且可以测量该变化以从其产生第二测量信号。本发明的实施例的另一个示例提供了，用于记录第二测量信号的装置经由声表面波(SAW)来进行测量，该装置可组合有RFID。在此情况下，应用声表面波，其将机械应力或机械应变转换成频率模拟信号。通常，该频率位于500kHz到5MHz的范围中。可以无线地传输由此产生的测量信号，例如在轮胎压力传感器的情况下在几MHz的范围。在实施例的示例中，借助于声表面波来产生第二测量信号。用于记录第二测量信号的其它装置包括诸如一个或更多个Wiegand电线或总是能够布置在测量管上的电容式测距仪。记录第一测量信号和第二测量信号之后，尤其是通过适合于此的评估单元，根据第一测量信号和第二测量信号确定流量，其中第一测量信号至少取决于测量管中介质的流速，第二测量信号取决于测量管中介质的流通截面积并且与测量管中介质的流速无关。然后，可以输出流量。例如，测量电压用作第一测量信号，测量电压在布置在磁感应流量测量设备的测量管中的至少两个测量电极中感应出。除了第一和第二除了信号之外，流量测量设备可以包括其它测量变换器，以便测量介质的压力和/或温度，其中，然后为了确定通过测量管的介质的流量，将压力和/或温度作为补充加以考虑。通常，在校准工厂中校准具有已知内腔的流量测量设备。在校准过程中，一个或多个校准系数或校准功能被确定并且被存储在流量测量设备中，例如存储在评估单元中。该校准系数取决于测量管中介质的流通截面积。借助于第二测量信号，现进行校正并且用校正的校准系数来确定通过测量管的介质的流量。例如，当测量管的内腔在诸如由于测量管中介质的压力波动的特定的时间周期内可逆的或不可逆的变化时，这是有优势的。可以例如通过在测量管的外侧上测量其几何尺寸来记录这种变化，以便由此确定测量管中介质的流通截面积。测量管中介质的流通截面·积经由预定的关系与在测量管外侧上测量的几何尺寸相联系。
本发明可以具有实施例的多个形式。现将基于附图对一些实施例进行更详细的解释，其中相同的元件设置为相同的附图标记图I示意地示出磁感应流量测量设备的横截面；图2示出具有本发明的用于记录第一实施例中的测量管中介质的流通截面积的装置的测量管的外壁；图3示出具有本发明的用于记录第二实施例中的测量管中介质的流通截面积的装置的测量管的外壁；图4示出具有本发明的用于记录第三实施例中的测量管中介质的流通截面积的装置的测量管的外壁；图5示出具有本发明的用于记录第四实施例中的测量管中介质的流通截面积的装置的测量管的外壁。
具体实施例方式图I示意地示出磁感应流量测量设备I的横截面。两个测量电极4放置在测量管2的壁中，该测量电极4与在测量管的内腔中的介质3相接触。在此示例中，测量管2的壁由不导电的合成材料制成，该材料例如是PE、PET、PES、PFA、PTFE, POM、PP、PPS, PF或PA。如由其场线6所指示的磁场经由励磁线圈5通过测量管2，所以垂直于磁场移动的介质3的电荷载体在测量电极4中感应出测量电压，该测量电极4大致垂直于介质3的流向且垂直于磁场方向。在测量电极4中感应的测量电压与介质3在测量管2的横截面上平均的流速成比例，并且由此在已知横截面的情况下，与体积流率成比例。测量管2中的介质3的流向平行于测量管纵轴。在完全充满测量管2的情况下测量管2的内腔的横截面相当于测量管2中的介质3的流通截面积。在本实施例的示例中，测量管2具有横截面上大致是圆形的内腔，使得测量管2的内腔的横截面、或测量管2中的介质3的流通截面积，可以简单地经由用于计算圆形面积的公式来计算。在这点上，必须已知例如测量管2的周边，即此处为圆周，或如此处所指示的测量管2的内径7。
例如，在磁感应流量测量设备I的测量操作期间，以下列的方法确定测量管2的内径7。在测量管2周围布置用于引导磁场的磁回路8，该磁场中同样设置有励磁线圈5和用于磁场定向的磁极叠片9。用作磁回路的同样可以是对应的实际的壳体。励磁线圈5和磁极叠片9是软磁性材料的磁路的激励器系统的一部分。布置在包括各自的励磁线圈5和磁极叠片9的激励器系统之间的是测量管2。位于各自励磁线圈5和磁极叠片9与测量管2之间的是气隙10。磁极叠片9是有弹性的并且可以适应于测量管2的膨胀，尤其是压力相关的膨胀。然而，励磁线圈5稳固的容纳在不随测量管2膨胀的磁回路8中。因此，气隙10的长度变化，结果，总磁场系统的感应率发生变化。可以从感应率的变化计算测量管2的内径7的变化。例如，通过测量磁场系统的感抗或测量在磁场反转时的上升时间，来确定感应率。这代表第二测量信号。它取决于测量管2中的介质3的流通截面积，并且与测量管2中的介质3的流速无关。如果已知测量管2的内径7，则可以容易地计算测量管2中的介质3的流通截面积。然后，连同作为第一测量信号的测量电极4的电压信号，由此确定流量。然后它的数值 从适当的评估单元(未示出)输出。例如，这可以是经由显示器上的流量的可视表示，或者例如，可以是经由总线输出以数字形式提供的离散流量测量值，或作为经由4-20mA接口可用的表示流量的模拟信号。同样的，为了控制泵或阀等提供了输出控制器。此外，在超过/低于(降低于)预定极限值的情况下，其它输出的选择可以包括例如声学或光学报警。图2示出了未剖开的测量管2的侧视图。两个应变计11和12放置在测量管2的外侧上，结果是在形成测量管2的内腔的壁上，介质3流入该内腔中。第一应变计11布置在测量管2上使得第一应变计11能感测测量管2沿径向的膨胀，同时第二应变计12测量测量管2的轴向膨胀。因此，利用第一应变计11产生第二测量信号，在测量管2完全充满的情况下，第二测量信号取决于测量管2的周边，例如圆周，并且还取决于测量管2中的介质3的流通截面积。未示出用于应变计11和12的桥接电路。然而，这些对于本领域技术人员是公知的。同样，此处没有更详细的探讨测量管2的内腔的横截面、或测量管2中的介质3的流通截面积，与测量管外部的外径、周边、圆周或其它几何尺寸之间的关系。此处根据测量管的外部几何尺寸对应地记录第二测量信号。然而，如刚刚解释的，这仅取决于测量管2中的介质3的流通截面积。通常，校准流量测量设备。在此，在流量的确定中，除了取决于测量管2中的介质3的流速的第一测量信号之外，在测量质量流量的情况下或测量体积流量的情况下还要考虑介质3在测量管中的流通截面积。这通常通过校准系数得到考虑。例如，校准系数存储在评估单元中，例如保持在存储器中。并且还通常存储多个校准系数或甚至是单独准备好参数，以便在给定情况下可以容易地对其进行改变。根据本发明，现在如果在线地确定测量管2中的介质3的流通截面积，则由此在测量操作期间，如果以取决于流通截面积的第二测量信号的形式发生该情况，则意味着对应的校准系数被在线地变化或校正。除第一和第二测量信号之外，还可以测量介质的压力和/或温度并且它们影响确定通过测量管的介质的流量。然而，用本发明的方法，可以间接确定测量管中的压力。测量管2的膨胀能直接或间接取决于测量管2中的介质3的压力。
图3至5示出本发明的其它实施例的示例。图3和4中的装置基于相同的测量原理。图3示出围绕测量管2周围卷绕的单独的电线13。如果测量管2膨胀，则电线13变长并且其电阻相应地变化。由此，从其产生的第二测量信号直接取决于诸如圆周的测量管2的周边，并且间接取决于测量管2中的介质的流通截面积。在图 4中的实施例的其它示例中，坚固的金属箔14围绕测量管2的周围放置。它与单个电线相比具有更好的耐久性。测量的原理相同。对于金属箔可选择的是，可以设置测量管的导电涂层。在图5中，相对地，具有不同屈服强度的多个电线15、16、17和18布置在测量管2的外壁上。如指示的，这些电线具有不同的电线直径，或由不同的材料制成。然后，测量管2的膨胀导致电线步进式的断裂。例如，可以选择它们的尺寸使得随着每百分点的周长膨胀就有特定的电线发生断裂。通过测试完整的电线，能收集关于周长膨胀的信息。然而，由于电线不可逆的破坏，确切地说该测量系统不适于跟随测量管2的弹性变化。相反，如果测量管2例如由于大量的压力循环永久地即塑性地变形，则该形式的监视测量管3中的介质的流通截面积可以非常有利于确定流量。尤其是在例如塑料的合成材料的测量管的情况下，在大量压力循环之后，可以经历若干百分点的测量管2的内腔的膨胀。因此，没有本发明的校正流量的测量误差可能是显著的。应变计在更长的时间周期内并且通过这种长度变化能够对于干扰非常灵敏，使得流通截面积的离散记录可以具有优势。附图标记列表I :流量测量设备2 :测量管3 :介质4 :磁感应流量测量设备的测量电极5 :磁感应流量测量设备的励磁线圈6 :磁感应流量测量设备的场线7:测量管的内径8 :流量测量设备的磁回路9 :磁感应流量测量设备的磁极叠片10 :气隙11 :应变计12 :应变计13 :单个电线14 :箔15:电线I6:电线17:电线18 电线
权利要求
1.基于至少一个第一测量信号确定通过测量管的介质的流量的方法，所述第一测量信号至少取决于介质在所述测量管中的流速， 其特征在于，所述方法包括如下步骤 -记录所述第一测量信号， -记录附加的第二测量信号，所述第二测量信号取决于所述测量管中介质的流通截面积并且与所述测量管中介质的流速无关， -根据所述第一和第二测量信号确定所述流量。
2.根据权利要求I所述的测量通过测量管的介质的流量的方法， 其特征在于， 输出由所述流量测量设备所确定的流量。
3.根据权利要求I或2所述的测量通过测量管的介质的流量的方法， 其特征在于， 借助于第二测量信号来校正校准系数并且用经校正的校准系数来确定通过所述测量管的介质的流量，所述校准系数取决于所述测量管中介质的流通截面积。
4.根据权利要求I至3中的任一项所述的测量通过测量管的介质的流量的方法， 其特征在于， 感测在磁感应流量测量设备的至少两个布置于测量管中的测量电极中感应的测量电压，作为所述第一测量信号。
5.根据权利要求I至4中的任一项所述的测量通过测量管的介质的流量的方法， 其特征在于， 根据在所述测量管的外侧上的几何尺寸，记录所述第二测量信号。
6.根据权利要求I至5中的任一项所述的测量通过测量管的介质的流量的方法， 其特征在于， 作为所述第一和第二测量信号的补充，测量所述介质的压力和/或温度并且附加地根据压力和/或温度确定通过所述测量管的介质的流量。
7.一种用于确定流过测量管的介质的流量的流量测量设备，所述流量测量设备包括测量变换器和评估单元，其中所述测量变换器用于记录取决于所述测量管中的被测介质的流动的第一测量信号，所述评估单元用于至少根据第一测量信号和根据在所述测量管中介质的流通截面积确定流量， 其特征在于， 所述流量测量设备还包括用于记录附加的第二测量信号的装置，所述第二测量信号取决于所述测量管中介质的流通截面积。
8.根据权利要求7所述的流量测量设备， 其特征在于， 用于记录所述第二测量信号的装置至少为应变计。
9.根据权利要求7或8所述的流量测量设备， 其特征在于， 所述流量测量设备的评估单元适于输出所计算的流量。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的流量测量设备，其特征在于，所述测量管至少部分由聚合物制成。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的流量测量设备，其特征在于，该流量测量设备为磁感应流量测量设备。
全文摘要
公开了一种基于至少一个第一测量信号确定通过测量管的介质的流量的方法和流量测量设备，所述测量信号至少取决于测量管中介质的流速，其中记录第一测量信号，其中记录附加的第二测量信号，所述第二测量信号取决于测量管中介质的流通截面积并且与测量管中介质的流速无关，并且其中根据第一和第二测量信号确定流量。
文档编号G01F1/58GK102918364SQ201180024725
公开日2013年2月6日 申请日期2011年4月14日 优先权日2010年5月19日
发明者沃尔夫冈·德拉赫姆, 阿尔弗雷德·里德, 斯特凡·海登布卢特, 弗兰克·施马尔茨里德, 托马斯·祖尔策 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司
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