流量传感器 【技术领域】
本发明涉及一种流量传感器。
背景技术
已知有各种型式的流量传感器用来确定导管(pipe conduits)内比如加热系统中穿过的流量(through-flow)。于是在US4475409可获知一种涡流流量测量装置。该传感器包括一个插进流体内的障碍物，任何情况下在它相对的两侧面上都有一个膜片平行于流动方向延伸。在障碍物内部两膜片之间有一个压电棒作为压力测量元件，它根据两个膜片之间的压力差发生偏转，从而检测到压力差。根据关于该障碍物形状的知识，人们可以根据压力差测定流动速度。
这种已知的配置具有的缺点是制造这种具有内含压力测量元件的障碍物非常昂贵。因此需要接连地将各个膜片插入然后还需要将压电棒布置在膜片之间。另外，传感器需要很大的结构空间以至于不能在任何地方使用。
【发明内容】
本发明目的是提供一种改进的流量传感器，这种传感器具有制造成本更低、组装更简单而且应用领域更宽广的优点。
具有权利要求1限定的特征的流量传感器可以实现上述目的。优选实施例的形式可以从从属权利要求得到。
根据本发明的流量传感器包括一个伸进流体内的障碍物和一个测量该障碍物产生的涡流的探测头。测量人员可以根据产生的涡流的特性和该障碍物的已知尺寸测定流体的流动速度。为此可以探测涡流的压差和/或频率。该探测头包括至少一个膜片和一个直接放在膜片上用来探测膜片偏转的测量元件。因为大多数单独的部件不再需要装配，所以这种配置可以使流量传感器具有非常简单的结构。实际上，用来探测膜片偏转地一个或多个测量元件是直接布置在膜片上的，因此带有测量元件的膜片可以作为一个部件与流量传感器组合起来。此外，这样一种结构使得流量传感器的结构更加紧凑，从而应用领域更加广泛。这种流量传感器的灵敏度更高从而可以进行更精确的测量。可以采用一种例如在欧洲专利申请97105396或德国专利申请19614458中作为压力或压差传感器的膜片作为带有直接安放到膜片上的测量元件的膜片。关于膜片的准确结构可以查阅这些专利申请尤其是其中的图1及说明书相关内容。膜片优选平行于流动方向延伸。
障碍物和探测头优选布置在一个导管部件上。该导管部件可以是加热系统中的一段导管或者是专门设计用作测量部件(通道)的导管部件，它可以在一个适当位置处连到例如一加热系统上以便探测流速。
导管部件的直径D优选大于10mm。比如在优选实施例中导管(pipe)直径可以是10、12或16mm。
优选将该障碍物与导管部件设计成为一体。这样，比如该障碍物可以设计成一个翼片，该翼片在导管部件的直径方向上延伸出来。该翼片可以与导管部件或导管一体制造而成，比如喷射注塑而成。当作为铸件进行制造时，障碍物比如可以在一个融化型芯内形成。
优选地是，该膜片可以在一个侧面上受到压力的冲击，以便确定一个绝对压力值。在膜片的另一侧面上存在一个参考压力，需要测量的压力值可依赖该参考压力测量得到。参考压力可以是比如周围环境压力或一个密闭(密封)的参考空腔内的压力。这种布置可以计算在障碍物区域的流体的绝对压力值，从而根据测量技术计算由障碍物引起的涡流。探测到的压力值、已知的环境变量比如管径和障碍物尺寸，都是与流速成比例的特征变量，因此能够计算流速或流过导管部件的流量。
可以选择地是，为了确定压力差，膜片可以在每种情况下(in each case)两面受压力冲击，每一面上有一个压力值。这样能够直接计算由障碍物引起的涡流的压力差，其中通过参考压力以及已知的障碍物和导管尺寸，可以通过涡流存在的压力差确定流速或者流量。根据该实施例的本发明的流量传感器具有只需在流体中直接安放一个薄膜片这样的优点。由于用来确定膜片偏转的一个或多个测量元件是直接布置在膜片上的，因此膜片可以在两个面上直接受到压力的冲击。同时，膜片的设计式样优选与欧洲专利申请97105396.2中公开的那种膜片对应。对于这种膜片，压电阻力分布在膜片表面上的边缘区域，而且它们的电阻根据变形而变化，从而可以计算膜片的偏转。只有一个膜片的设计可以使流量传感器反应更快、灵敏度更高，这将能够更精确地检测流速，尤其是较低的流速。这种设计还能够使只有一个膜片的探测头具有更小的结构尺寸，并且使得流量传感器更小，从而根据本发明的流量传感器几乎可以与需要测量流速的每个装置制成一体。
膜片优选以压力密封的方式固定到一个固定座内，一个电绝缘层直接附着在膜片和布置在其上的测量元件上，其中电绝缘层覆盖有一层至少流体密封的非晶金属层。这种结构对应于欧洲专利申请97105396.2公开的结构。由于电绝缘层的任务只是保证非晶金属层不与布置在膜片上的导体和电子元件发生短路，因此它可以非常的薄。另一方面，由于覆盖物的作用，它可以受到非晶金属层的保护。因为绝缘层和非晶金属层的这种很薄的结构，膜片的偏转继而是测量精度不会显著下降。非晶金属层保证了膜片、设于膜片上的测量元件以及其它根据情况而布置在膜片上的电子元件受到有效的保护。由于金属层呈现出的不是晶体结构，而是也被描述为金属玻璃的非晶结构，因此一方面它可以抗腐蚀，另一方面可以以最小厚度的薄层液体密封或气体密封。这种非晶金属层比如公开在EP0537710A1、DE4216150A1、DE3914444A1。关于膜片的其它结构部分可以参考上面提到的欧洲专利申请97105396.2。
探测头优选放在一个外壳内，外壳插进导管部件的一个开口中。该开口可以设计成与导管一体，作为探测头的标准接纳部件，从而带探测头的外壳只需插入开口内并用没有规定和/或规定的配合方式固定住。此外，为了使外壳关于导管部件密封还提供有一个合适的密封元件。这样一种外壳比如公开在EP02008386中并表示为外壳22。关于这一点，可以参考该欧洲专利申请的图8和相关说明。外壳和安装座以及装置的全部结构优选对应于EP02008386中公开的装置。
探测头也优选与障碍物制成一体。因为不需要将流体中的测量装置另外安放到障碍物上，因此按照这种方式制造出的流量传感器可以非常小巧。此外可以将障碍物和探测头同时装配在一起作为一个构件并且需要时可以更换损坏的元件。
可选择地是，探测头可以布置在流动方向上的障碍物的后方。比如障碍物可以设计成一个翼片，该翼片与导管成一体，在流动方向上位于该翼片的后面可以设置一个开口用来将探测头插入导管内。然后可以简单地将探测头插进该开口内。同时，探测头可以是能够用于各种场合的标准件。关于探测头，比如可以是专利申请EP02008386中公开的一种压力传感器。这样可以使用任何形式的压力传感器，同样也可以用来测量导管部件内的流量。因为压力传感器可以设计成一个绝对压力传感器，通过该压力传感器技术人员同时可以测量流体的绝对压力。在设计流体传感器时，由于可以借助使用标准件，而且只需要将一个合适的障碍物安放在流体的横截面上或者流动通道内，因此将已有的压力传感器用到流量传感器中可使流量传感器具有极其经济的结构。根据本发明，除了该障碍物和安放在导管上的合适容纳部件的现有压力传感器之外，对于流体传感器的设计不再需要其它部件。可选择地是，障碍物可以形成为探测头外壳的一部分或者与之形成为一体，以使流量传感器可以作为一个部件放到导管内。
优选地是，障碍物的前边在流动方向上与探测头中心相距X，布置有障碍物的导管部件的直径是D，其中比值X/D介于1和2之间。优选地是，比值X/D介于1.25和1.5之间，特别优选为1.3。
另外，优选地是，障碍物的前边在流动方向上与探测头中心相距X，而且障碍物在相对于流动方向的横向上的宽度是d，其中比值X/d介于2.4和10之间。比值X/d特别优选地介于3.96和4.55之间。
障碍物在流动方向上的长度优选是L，在相对于流动方向的横向上的宽度是d，其中比值L/d介于1和2之间。比值L/d特别优选地为1.57或1.67。
障碍物在流动方向上的长度优选是L，布置有障碍物的导管横截面的直径是D，其中比值L/D介于0.4和10之间。比值特别优选地介于2.5和10之间。
障碍物在相对于流动方向的横向上的宽度优选是d，布置有障碍物的导管部件的横截面直径是D，其中比值d/D介于0.2和0.4之间。该比值特别优选地为0.28或0.33。
为了获得最佳的测量结果，障碍物在流动方向上优选位于其内布置有该障碍物的导管部件弯曲部分的后面并与之相距距离L1，其中L1＝4*D，D是导管部件横截面直径。通过在导管最后一个弯曲部分的后面的障碍物的距离L1，可以保证该导管弯曲部分不产生影响在障碍物后的涡流的测量结果的漩涡。
【附图说明】
下面结合附图作为示例描述本发明，其中：
图1是安装有根据本发明的流量传感器的导管部件的剖面透视图；
图2是根据图1导管纵向剖开的导管部件剖面图；
图3是沿图2中的III-III线剖开的根据图2的导管部件的剖面图。
其中，附图标记说明如下：
2弯管 4，6端部 8障碍物 10探测头
11延伸部 12膜片 14开口 16紧固弓形件
18密封环 20端部 22凹槽 24前边
S流动方向
【具体实施方式】
图1所示的透视剖面图示出了一个根据本发明的流量传感器的优选实施例形式。根据图1的实施例中的流量传感器安放在一弯管2内。弯管2构成一个导管部件(pipe conduit section)，在它的两端部4和6有用来连接到其它导管(pipe)上的连接件，比如连接到加热设备上。弯管2可以设计为塑料或金属管。弯管2具有U形结构，其中在弯管2的中段(middle limb)有一个规定形状的障碍物8作为流道中一个限定的阻力。像翼片一样的障碍物穿过弯管2内部沿直径方向延伸。从而该障碍物形成一个横穿导管延伸的杆。
探测头10在流动方向S上布置在障碍物8的后面。探测头10用来测量障碍物8在流动中引起的涡流。探测头10同时探测产生的涡流内部的读数偏差。由于障碍物8的形状是确定的，因此测量人员可以利用测量技术，通过适当的计算方式从改变的测量压力和/或频率来推导出弯管2中的流速或流量。按这种方式探测流速从所谓的涡流流量传感器得知。
根据本发明的探测头10正是这样一种探测头，它包括至少一个膜片和一个直接布置在膜片上用来探测膜片偏转的测量元件。根据欧洲专利申请97105396.2，这种膜片已经用到压力或压差传感器上。该专利申请特别是图1和相关的说明书描述涉及到了该膜片的具体结构。其上直接布有测量元件并且有一个电绝缘套以及一个将绝缘套覆盖在外部的非晶金属层的膜片具有这样的优点，即大大降低了膜片厚度，从而大大提高了传感器的测量灵敏度和反应速度。在一个涡流流量传感器中，当测量涡流尤其是该涡流中出现的压力波动频率时，膜片的快速反应能力是极其有利的。这种膜片结构使得流量传感器具有更紧凑的结构，尤其是可以更准确地测量流速；尤其是较低的流速。
正如欧洲专利申请EP02008386的图2，3，8以及说明书相关部分所公开的那样，具有所示实施例中的膜片的探测头10布置在一个外壳内作为一个结构部件。关于该外壳以及其中的膜片布置情况可以查阅该专利申请中公开的内容。外壳的前端包括一个锥形的、手指状的延伸部11，膜片12布置在该延伸部11内。优选地是，只设置一个两面都受到压力冲击的膜片12，并且测量人员可以以这种方式非常简单地确定障碍物8后面的涡流的压差。膜片12同时也布置在流体中，从而膜片的表面平行于流动方向延伸。
探测头10以这样一种方式插入弯管2的一个开口内，使得在流动方向S上看延伸部11在障碍物8后面的区域伸进弯管2的内部空间。开口14被设计成为探测头10的容纳部与弯管2成一体。探测头10由一个紧固弓形件16锁紧在开口14内。一个密封环18设置在探测头10的外壳上，该环将开口14和插进的探测头10密封起来。探测头10的端部包括需要的电连接件或者与电线连接。
图2示出了根据图1所示截面的平面图。障碍物8放在弯管2内或导管上，从而顺着流动方向S看位于前面的障碍物8的一个边与前述管子的弯曲部分相距L1。正如图2中看到的，探测头10的延伸部11又横穿整个横截面11延伸进入一个适合的凹槽22中，该凹槽是在与开口14相对的弯管2的那个侧面上。
图3示出了沿图2中的III-III线的剖面图。根据本发明的装置的优选尺寸由图3表示。导管部件，即其内设有障碍物8和探测头10的弯管2的截面直径为D。横截面为三角形的障碍物8在流动方向S上的长度为L。障碍物在相对于流动方向S的横向上的底部，即在流动方向S上位于前端的边24的宽度为d。障碍物从前端的边开始沿流动方向蔓延成为尖角或三角形的形式。如图3所示，障碍物的整个延伸部在穿过弯管2的导管直径方向上的横截面是不变的。同时障碍物8还居中布置在弯管2的管内侧。
障碍物8的前边或前向边24在流动方向S上与布置有膜片12的探测头10的中心相距X。
距离L、距离L1(参见图2)、直径D、距离X、宽度d以及它们之间的相互关系的优选值列于下表中。其中也列入了个别变量的优选最小值和最大值。栏A，B，C中还列出了三个具体实施例，其中列出了流量传感器的各优选实施例的尺寸。 区间 A B C最小值最大值管径D(mm)10 12 16 10 -障碍物宽度d(mm)3.3 3.3 5.3 - -障碍物长度L(mm)5.5 5.5 8.3 - -直径比d/D0.33 0.28 0.33 0.20 0.40L/dL/d1.67 1.67 1.57 1.00 2.00L/DL/D0.55 0.46 0.52 2.5 10.00障碍物前边与探测头中心的距离X(mm)15.0 15.0 21.0 - -X/DX/D1.50 1.25 1.31 1.00 2.00X/dX/d4.55 4.55 3.96 2.5 10.0障碍物到弯管的距离L14D 4D 4D 4D -最小雷诺数RE-低[-]2546 3006 3979 2500 -最大雷诺数RE-高[-]42441 44210 39789 - 50000
表格的最后两栏列出了各个变量的最小值或最大值。依据这一构思，设计人员可以获得在2500和50000之间的雷诺数。