用于测量流过管路的流体的压强的装置

摘要

一种用于测量流过管路(2、51)的流体(3)的压强p的装置(1)，包括至少一个布置在所述管路(2、51)的外周(2a、51a)处的初级传感器(4)，用于测量与压强p有关的初级物理测量参量(100)，其中通过利用至少一个校正参量(101)来换算这个初级物理测量参量(100)能够获得所述压强p的绝对值，并且其中这个校正参量(101)涉及所述管路(2、51)的几何形状和/或至少一个材料特性，所述装置还包括用于获取所述校正参量(101)的器件(5)以及评估单元(6)，该评估单元从所述初级物理测量参量(100)连同所述校正参量(101)中获取压强p，其中所述用于获取所述校正参量(101)的器件(5)包括：能够流体地与所述管路(2)相连接的测量管(51)，该测量管在材料和/或在横截面几何形状方面与所述管路(2)的其余部分不同并且所述校正参量(101)对于该测量管是已知的，其中所述初级传感器(4)被布置在所述测量管(51)的外周(51a)处；和/或至少一个布置在所述管路(2)的或者所述测量管(51)的外周(2a、51a)处的校正传感器(52)，该校正传感器在物理上对所述校正参量(101)是敏感的。

权利要求

1.一种用于测量流过管路(2)的流体(3)的压强p的装置(1)，包括至少一个布置在所述管路(2)的外周(2a)处的初级传感器(4)，所述初级传感器用于测量与所述压强p有关的初级物理测量参量(100)，其中通过利用至少一个校正参量(101)来换算所述初级物理测量参量(100)能够获得所述压强p的绝对值，并且其中所述校正参量(101)涉及所述管路(2)的几何形状和/或至少一个材料特性，所述装置还包括用于获取所述校正参量(101)的器件(5)以及评估单元(6)，所述评估单元从所述初级物理测量参量(100)连同所述校正参量(101)中获取所述压强p，其特征在于，

所述用于获取所述校正参量(101)的器件(5)包括

·能够流体地与所述管路(2)相连接的测量管(51)，所述测量管在材料和/或在横截面几何形状方面与所述管路(2)的其余部分不同，并且所述校正参量(101)对于所述测量管是已知的，其中所述初级传感器(4)被布置在所述测量管(51)的外周(51a)处，和/或·至少一个布置在所述管路(2)的或者所述测量管(51)的外周(2a、51a)处的校正传感器(52)，所述校正传感器在物理上对所述校正参量(101)是敏感的。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，

所述初级传感器(4)在物理上对所述管路(2)或所述测量管(51)的机械应力、应变、形变和/或直径D的改变是敏感的。

3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，

所述初级传感器(4)和/或所述校正传感器(52)具有用于将声波(42、522)耦合到所述管路(2)中和/或所述测量管(51)中的至少一个发送器(41、521)，以及具有用于测量所述管路(2)或所述测量管(51)对所述声波(42、522)的响应(44、524)的至少一个接收器(43、

523)。

4.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，

所述发送器(41、521)是频率可变的，和/或所述发送器(41、521)的发射频谱至少在频率间隔内是连续的。

5.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，

所述接收器(43、523)是频率敏感的。

6.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，

至少一个卡夹装置(7、7a)被设置用于将所述初级传感器(4)和/或所述校正传感器(52)固定在所述管路(2)的和/或所述测量管(51)的外周(2a、51a)处。

7.根据权利要求6所述的装置(1)，其特征在于，

所述初级传感器(4)和/或所述校正传感器(52)在物理上对于所述管路(2)或所述测量管(51)与所述卡夹装置(7、7a)之间起作用的夹紧力FK是敏感的。

8.根据权利要求7所述的装置(1)，其特征在于，

所述评估单元(6)获得所述卡夹装置(7、7a)的刚性S、所述夹紧力FK和/或所述初级传感器(4)和/或所述校正传感器(52)的至少一个机械材料常量作为输入。

9.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，

所述校正传感器(52)被构造用于在所述管路(2)或所述测量管(51)的运行期间持续地监控所述校正参量(101)。

10.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，

所述校正参量(101)包括来自所述管路(2)和/或所述测量管(51)的弹性模量、泊松比、壁厚和/或横截面几何形状的编组中的一个或多个参量，和/或这些参量的分布，和/或所述校正参量包括在相邻的法兰连接部(51b、51c)和/或通过所述管路(2)或所述测量管(51)的外周(2a、51a)的缺口之间的、所述管路(2)和/或所述测量管(51)的长度L。

11.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，

所述评估单元(6)获得所述初级物理测量参量(100)的和/或所述校正参量(101)的至少一个容错作为输入。

12.根据权利要求11所述的装置(1)，其特征在于，

所述评估单元(6)被构造用于对具有容错的多个初级物理测量参量(100)和/或多个校正参量(101)进行加权。

13.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，

所述管路(2)和/或所述测量管(51)具有椭圆形的横截面。

14.根据权利要求13所述的装置(1)，其特征在于，

所述初级传感器(4)至少部分地布置在沿着所述外周(2a、51a)的、所述管路(2)或所述测量管(51)的直径D具有最小值的位置处。

说明书

用于测量流过管路的流体的压强的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种装置，利用该装置在工业应用中在无需与该流体的直接接触下能够测量在管路中流动的流体的压强。

背景技术

[0002] 在许多工业过程中，需要监控在管路中流动的流体的压强。为此，典型地将传感器引导穿过管路壁而进入到流体中。这种穿过壁的缺口必须相对于泄漏进行密封。这使得压强监控繁琐。

[0003] 因此常常尝试的是，流体的压强不是侵入式地测量，也即没有传感器与流体的直接接触。从而例如从US 7 093 496 A中已知一种紧凑的测量装置，该测量装置能够利用夹箍安装到管路的外周处。在管路和夹箍之间起作用的夹紧力利用力传感器来测量。该夹紧力随着在管路中的压强的升高而增大，因为管路径向地膨胀。

[0004] EP 88 362 A1公开了一种通过管路的振动模态的频移进行的非侵入式的压强测量。管路利用可变的激励频率被激励到振动，并且确定了共振频率。

[0005] 非侵入式的压强测量此外也公开在FR 2 215 615 A、WO 1998 037 395 A1、EP 1 948 924 B1、EP 210 523 A1、EP 49 501 B1、EP 720 006 A1、DE 10 2009 026 968 A1、EP 
1 657 537 A1以及DE 10 2009 029 346 A1中。

[0006] 以上所有公开的装置和方法的共同之处是，这些对压强变化或多或少敏感地起反应，然而由于过大的测量不确定性而不适用于在工业过程中监控绝对压强。该不确定性可能是整个测量范围的百分之几十。

发明内容

[0007] 因此本发明的任务在于，在工业应用中改善流体的非侵入式的压强测量的准确性。

[0008] 根据本发明，通过根据本发明所述的装置解决该任务。另外的有利的构造方案由以下说明中得出。

[0009] 在本发明的框架中，已经开发出一种用于测量流过管路的流体的压强p的装置。该流体能够是液体、气体或者由液相和气相形成的混合物。该流体也能够具有在液态的和气态的聚集态之间的中间状态。

[0010] 所述装置包括至少一个布置在管路的外周处的初级传感器，用于测量与压强p有关的初级物理测量参量。通过利用至少一个校正参量换算这个初级物理测量参量，能够获得该压强p的绝对值。

[0011] 在此，校正参量涉及管路的几何形状和/或至少一个材料特性。不仅几何形状而且材料特性能够影响的是，在管路的内部中的压强p以何种程度变化而传递到管路的外周处被传感器记录成信号。因此，设置了用于获取校正参量的器件以及评估单元，该评估单元从初级物理测量参量连同校正参量中获取压强p。

[0012] 根据本发明，用于获取校正参量的器件在第一构造方案中包括流体地与管路能够相连接的测量管，该测量管在材料和/或在横截面几何形状方面与管路的其余部分不同，并且校正参量对于该测量管是已知的。在此，初级传感器被布置在测量管的外周处。

[0013] 已经可见的是，在管路的几何形状和材料特性方面的由制造引起的离差对于工业使用而言，是对于在非侵入式的压强测量中的高测量不确定性的主要原因。典型地，这样的管路出于经济上的原因以如对于相应的应用兼容那样大的制造公差被指定；具有较窄的公差的制造虽然可行，但是会显著升高价格。特别地，这会在加装非侵入式的压强测量时出现问题，因为管路的几何形状和材料组成在测量地点处仅不准确地已知。现在，根据本发明所设置的测量管在其几何形状和其材料特性方面被优化为：显著减小在非侵入式的压强测量中的不确定性。该测量管能够例如利用尤其窄的公差来制造，由单质金属而取代具有可能波动的组成的合金来制造，和/或具有几何对称性，该几何对称性使得均化大部分的测量不确定性。相应于此，在每单位长度的测量管中相比于在原本的管路中存在明显更大的成本。为此，测量管必须最多几米长，而原本的管路能够具有几千米的长度。在原本的管路中和在测量管中的压强p基于流体连接部是相同的；通过将初级传感器布置在测量管的外周处，将压强测量转移到特意为此设置的工作台上，压强测量在该工作台上能够更加准确地执行。

[0014] 作为备选方案也或者结合这个测量管，在第二构造方案中用于获取校正参量的器件能够包括至少一个布置在管路的或测量管的外周处的在物理方面对校正参量校正敏感的校正传感器。在此，例如相同的传感器也能够不仅作为初级传感器而且例如利用其它的操控或者评估作为校正传感器进行工作。在管路的外周处的校正传感器提供的优点是，不同于在使用测量管时，不再需要进行到流体的回路中的嵌接。由此，尤其利用非侵入式的压强测量来加装现有的工业设备是尤其简单的。工业过程不必中断。此外，利用校正传感器也能够确定管路的性质是否由于随时间的老化或磨损而改变。当下的复杂的和昂贵的设备部分地对于50年和更久的时间段处于在运行中。在这段时间中，通过流动的流体例如从内部向外通过机械的冲刷可能使得管路的壁厚变薄，或者管路的材料可能通过流体的化学侵蚀而例如变脆或者疲劳。

[0015] 在本发明的一个尤其有利的构造方案中，初级传感器在物理上对管路或测量管的机械应力、应变、形变和/或直径D的改变是敏感的。这些性质的改变直接与力关联，该力基于压强(单位面积的力)施加到管路或测量管的内壁部上。由初级传感器提供的测量值利用校正参量而换算到压强p的绝对值于是尤其简单。

[0016] 在本发明的一个另外的尤其有利的构造方案中，初级传感器和/或校正传感器具有至少一个发送器以用于将声波耦合到管路中和/或测量管中，以及具有至少一个接收器以用于测量管路或测量管对这些声波的响应。在此，能够通过所述声波直线地通过管路或通过测量管(包括位于其里面的流体在内)，沿着管路或测量管的外壁部或者在来自这两个路径的任意组合上扩散。关于所使用的声波的频率能够选择查询哪个初级物理测量参量或哪个校正参量。尤其相同的传感器能够通过具有多个频率组分的激励来同时或依次地用于查询不同的参量。

[0017] 在本发明的一个尤其有利的构造方案中，发送器是频率可变的，和/或其发射频谱至少在频率间隔内是连续的。接收器有利地是频率敏感的。利用这些措施(单个或在组合中)，能够尤其查询的是，在哪个频率中能够在管路中和/或测量管中激励共振。这个共振频率相比于在仅一个频率下测量响应或者例如测量在管路或者测量管与传感器之间的力相互作用来说显著对于干扰影响更不敏感。

[0018] 尤其，机械应力、直径或共振频率的改变对于管路或测量管的振动模态而言很紧密地与内压强p相关联。该关联除了1％或更好的准确性外是线性的，以及还有重复精度位于相同的数量级中。即使管路或测量管是椭圆形的，或者即使壁厚或其它的参数局部改变，情况也是如此。由于与沿着外周的方位角位置有关的这些改变，目前仅能够不准确地确定所述压强p的绝对值。尤其，该压强基于制造公差而从管路到管路进行变化。按照本发明，通过以更好的途径获取校正参量，此误差源和其它误差源的影响被修正，并且压强p的绝对值能够被更加准确地确定。

[0019] 在本发明的一个另外的尤其有利的构造方案中，至少一个卡夹装置被设置用于将初级传感器和/或校正传感器紧固在管路和/或测量管的外周处。于是该卡夹装置能够尤其将初级传感器或校正传感器以这样的夹紧力FK按压到管路或测量管处，使得通过这个夹紧力FK所引起的静摩擦可靠地防止传感器由于重力、振动或者冲击的滑落。在此，不必干预管路或测量管的完整性，由此尤其不必干预密封性。该紧固由此也适用于暂时的结构件。

[0020] 有利地，初级传感器和/或校正传感器在物理上对于管路或测量管与卡夹装置之间起作用的夹紧力FK是敏感的。正如先前阐释的那样，这个夹紧力FK直接受管路或测量管内部中的流体的压强p影响。

[0021] 有利地，评估单元获得卡夹装置的刚性S、夹紧力FK和/或初级传感器和/或校正传感器的至少一个机械材料常量作为输入。通过考虑这些参量，由评估单元所确定的压强p的绝对值的准确性能够被再进一步提高。

[0022] 在本发明的一个另外的尤其有利的构造方案中，校正传感器被构造用于在管路或测量管的运行期间持续地监控校正参量。该监控能够连续地、也可间歇地以任意的时间间距进行。由此能够一方面避免的是，由磨损或老化引起的管路或测量管的改变总是缓慢地继续劣化对于压强p的测量准确性。当流体是化学性的尤其是侵蚀的，该管路或测量管经常被置于极端温度，和/或频繁的压强脉动从流体传递到管路或测量管的壁部上时，这样的改变可能例如在管路或测量管处出现。另一方面，管路或测量管的改变的了解也对于工业过程本身是有用的并且能够例如指示变得必要的保养。

[0023] 有利地，校正参量包括来自管路和/或测量管的弹性模量、泊松比、壁厚和/或横截面几何形状的编组中的一个或多个参量，和/或这些参量的分布，和/或该校正参量包括在相邻的法兰连接部和/或通过管路或测量管外周的缺口之间的、管路或测量管的长度L。弹性模量和泊松比是最重要的弹性的特征参量，借助于该特征参量能够计算的是，管路或测量管在给定的压强p中的形变程度。该形变程度也通过管路或测量管的壁厚和/或横截面几何形状来一同确定。由于制造公差，所有这些参量都能够沿着管路或测量管的纵轴线，当然也在沿着管路或测量管的外周的路径上，在统计学方面发生改变。在相邻的法兰连接部和/或通过外周的缺口之间的长度给出了管路或测量管的所谓的不受干扰的长度。沿着该不受干扰的长度，管路或测量管能够被假设为均匀的，并且必要时能够利用现存的对称性。

[0024] 在本发明的一个另外的尤其有利的构造方案中，评估单元获得初级物理测量参量的和/或校正参量的至少一个容错作为输入。在此，评估单元能够尤其被构造用于对多个具有容错的校正参量进行加权。例如，评估单元能够获得管路或测量管的几何形状的公差、管路或测量管的壁厚的公差、或者夹紧力FK的公差作为输入。评估单元获得了越多的信息，则能够进一步减小测量不确定性。最后，对于绝对压强p能够达到几个百分比、优选1％或更好的百分比的测量准确性。为了修正测量不确定性，评估单元能够例如考虑在校正参量和初级物理测量参量之间的函数关系。这些函数关系能够例如作为解析公式存放在评估单元中。这些函数关系在评估单元处也能够例如存放在特性曲线族中。评估单元也能够例如包含神经网络，该神经网络自动地学习在多个校正参量和一个或多个物理测量参量之间的关联。

[0025] 有利地，管路和/或测量管具有圆形的横截面。在管路和/或测量管的椭圆形的横截面的情况下，在沿着外周的、直径具有最小值的位置处，该直径在流体压强变化下的相对变化最大。因此，如果初级传感器有利地至少部分被布置在该位置处，则能够提高压强测量的分辨率。

[0026] 尤其是超声波传感器和由超声波传感器构成的阵列适合作为校正传感器。当然也能够例如使用光学的或者磁性的校正传感器。所述校正传感器能够在安装所述装置时一次性使用，当然也能够在其它任何的时刻在运行中使用。测量管的已知的校正参量或已知的校正参量组能够例如由测量管的制造者连同测量管一起提供。这些信息能够例如存放在具有接口的电子存储单元上，该接口与评估单元能够相连接并且信息能够被传输到评估单元，或者该信息能够包含在数据载体上，该数据载体被引导到评估单元。

[0027] 测量管能够通过法兰连接部可拆卸地与管路相连接，当然也例如通过焊接持久地集成到该管路中。

[0028] 初级传感器能够例如是应变片。该应变片测量管路或测量管由于内压而引起的延展。该延展当然也能够以光学的途径例如通过在应用DICT(数字图像关联技术)的情况下的多个图像的关联或者通过光学的应变测量来测量。管路或测量管的外直径的变化能够例如通过间距传感器(该间距传感器能够例如电容式地工作)或者通过测量在管路或测量管和卡夹装置之间的夹紧力FK来测量。管路或测量管对声波的响应能够例如利用静电传感器或者利用加速度传感器来测量。

[0029] 不仅初级传感器而且校正传感器能够分别由多个单个传感器组成。这些单个传感器能够尤其在不同的方位角位置处和/或轴向的位置处沿着管路或测量管的外周布置。位置相关的波动对测量结果的影响能够由此进一步被减小。例如评估单元能够被构造用于通过由多个传感器提供的测量值形成中值或平均值，或者可以较低地估量明显与所有其它传感器的测量值偏离的传感器的测量值。

附图说明

[0030] 在下文中借助于附图阐释本发明的主题，而不以此限制本发明的主题。示出了：

[0031] 图1是具有集成到管路中的测量管的根据本发明的装置的实施例，[0032] 图2是具有校正传感器的根据本发明的装置的实施例。

具体实施方式

[0033] 图1示出了根据本发明的装置1的第一实施例，用于测量管路2中的流体3的压强p。管路2具有带有外周2a和外直径D的壁部20。通过法兰51b和51c使得测量管51装入到所述管路2中，该测量管在这里用作用于获取校正参量101的器件5。测量管51具有带有外周51a的壁部50，其中该壁部50名义上具有与管路2的壁部20相同的壁厚和相同的外直径D。然而，测量管51利用比管路2更狭窄的几何制造公差来制造，并且该测量管由合金制成，该合金符合工艺要求并且该合金具有正好已知的弹性性质。该弹性性质连同测量管51的正好已知的几何形状形成了一套参数，该套参数用作校正参量101。

[0034] 初级传感器4在该实施例中包括用于将声波42耦合到测量管51中的发送器41以及用于测量测量管51对声波42的响应44的接收器43。在此，声波不仅直线地传播通过测量管51和包含在测量管51内的流体3，而且也沿着测量管51的外周51a传播。

[0035] 如果在测量管51中的压强p升高，则其弹性性质改变。尤其，测量管51的共振频率改变，正如乐器琴弦的共振频率由于机械力的施加而改变那样。在发送器41的激励幅度保持相同的情况下，当发送频率对应于测量管51的共振频率时，由接收器43记录的信号的幅度最大。与频率相关的幅度作为初级物理测量参量100被提供给评估单元6。初级传感器也能够是应变传感器，该应变传感器把测量管51的周部应变作为初级物理测量参量100提供给评估单元6。

[0036] 发送器41和接收器43通过卡夹装置7被紧固，该卡夹装置施加朝测量管51的外周51a的方向指向的夹紧力FK。该卡夹装置7的刚性S以及夹紧力FK改变声波42在发送器41上的耦入或声波44到接收器43中的耦出。刚性S和夹紧力FK因此作为附加的输入被提供给评估单元6。评估单元6获取压强p的绝对值。

[0037] 图2示出了根据本发明的装置的一个另外的实施例。不同于图1，管路2在这里是一体式的，并且该管路不包含测量管51。初级传感器4在该实施例中是力传感器或应变传感器，其通过第一卡夹装置7利用夹紧力FK按压到管路2的外周2a处。初级传感器4将力F或应变ε转换为电压U，该电压作为初级测量参量100被提供给评估单元6。

[0038] 类似于图1，卡夹装置7的刚性S和夹紧力FK作为附加的输入被考虑，该输入被提供给评估单元6。

[0039] 取代测量管51，此时设置校正传感器52，该校正传感器由用于超声波522、524的发送器521和接收器523组成。发送器521把超声波522通过外周2a耦合到管路2的壁部20中。对其的响应524由接收器523记录。超声波522的仅在壁部20内从发送器521传播到接收器523并且不会通过流体3的分量为清楚起见没有绘出。由接收器523记录的信号的运行时间是校正参量101，该校正参量被提供给评估单元6。发送器521和接收器523通过第二卡夹装置7a利用夹紧力FK压接到管路2的外周2a处。

[0040] 附图标记列表

[0041] 1       测量装置

[0042] 2       管路

[0043] 2a      管路2的外周

[0044] 20      管路2的壁部

[0045] 3       流体

[0046] 4       初级传感器

[0047] 41      用于声波42的发送器

[0048] 42      声波

[0049] 43      用于响应44的接收器

[0050] 44      测量管对声波42的响应

[0051] 5       用于获取校正参量101的器件

[0052] 50      测量管51的壁部

[0053] 51      测量管

[0054] 51a     测量管51的外周

[0055] 51b、51c 测量管51的法兰

[0056] 52      校正传感器

[0057] 521     用于超声波522的校正传感器52的发送器

[0058] 522     超声波

[0059] 523     用于响应524的接收器

[0060] 524     管路2对超声波522的响应

[0061] 6       评估单元

[0062] 7、7a    卡夹装置

[0063] 100     初级物理测量参量

[0064] 101     校正参量

[0065] D       直径

[0066] F       力

[0067] FK      夹紧力

[0068] p       压强

[0069] S       卡夹装置7、7a的刚性

[0070] U       电压