专利名称：涡流流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡流流量计，其具有测量管、壳体、阻流体和传感器单元，其中传感器单元用于检测由阻流体引起的涡流测量信号。此外，本发明涉及一种用于运行涡流流量计的方法，该涡流流量计具有传感器单元和至少一个惯性传感器。
背景技术：
涡流流量计已公知许久，其中测量原理基于如下事实在流体或气体介质中在被介质绕流的阻流体后会形成涡街，其通过随着流动前进的、与阻流体脱离的漩涡形成。漩涡与阻流体脱离的频率与流动速度有关，其中该相关性在一定的前提条件下近似为线性。在任何情况下，漩涡频率的测量都是对于确定介质流动速度的合适手段，所以间接地(在附加考虑例如压力和温度的情况下)可以通过漩涡频率测量来确定测量流量。在涡街中出现的介质的漩涡导致局部压力波动，其可以由传感器单元(通常为压力传感器)来探测。
由于在涡流流量计中流动速度的确定基于压力波动的测量，所以涡流流量测量对整个设备中的振动敏感，其中振动因而可能影响测量结果的品质。

发明内容
基于上述现有技术，本发明基于的任务是，说明一种涡流流量计和一种用于运行涡流流量计的方法，借助其提高了测量结果的品质。
上述任务在这类涡流流量计方面通过如下方式来解决附加地设置至少一个惯性传感器来检测作用于润流流量计上的干扰振动(Stoerschwingungen)。惯性传感器通常是微电机系统并且由转速传感器、加速度传感器和磁性传感器组成。它们利用质量惯性和/或地磁场来测量运动、取向和位置。通过多个惯性传感器组合成一个惯性测量单元，可以测量在六个运动自由度上的加速度(三个空间轴线上的平移和围绕三个空间轴线的旋转)。在以下谈及惯性传感器时，于是因此始终不仅指的是单个用于检测唯一的运动自由度的惯性传感器而且指的是不同的惯性传感器至用于检测多种运动自由度的惯性测量单元的组合。涡流流量计的用于检测涡流测量信号的传感器单元也称作拾取器(Pickup)。
惯性传感器有利地借助最佳声学耦合器固定在涡流流量计上，使得作用于涡流流量计的干扰振动可以被惯性传感器检测。优选地，根据本发明使用的惯性传感器是加速度传感器，其关于一个或多个、尤其是关于三个正交的空间轴线是敏感的。
从外部作用于涡流流量计的干扰振动例如来自在管道系统中工作的泵、涡轮或阀以及其他流动影响。通过分析惯性传感器或加速度传感器的测量信号可以校正和评估涡流流量计的涡流测量信号，使得可以提高测量结果的品质。
涡流流量计的制造开销根据第一扩展方案被降低，其方式是惯性传感器设置在测量和分析电子装置的电路板上，其中测量和分析电子装置设置在涡流流量计上。由于惯性传感器直接设置在测量和分析电子装置的电路板上，所以该惯性传感器在制造电路板上时优选通过自动化的过程已经固定并且连接在该电路板上，使得惯性传感器的安装开销保持尽可能低。测量和分析电子装置的电路板通常牢固地与涡流流量计的壳体连接，使得由管道系统作用于涡流流量计上的振动也会传播到壳体上并且由此传播到电路板上并且可以被惯性传感器检测。
为了有利地检测作用到涡流流量计的干扰振动，根据另一扩展方案规定，惯性传感器固定在壳体上。通过该扩展方案，干扰振动直接在涡流流量计的与测量管连接的部件上截取并且可以用于修正涡流测量信号。惯性传感器为此刚性地与壳体连接，例如拧上或粘上。对于将惯性传感器固定在壳体上可替选地，根据另一有利的扩展方案规定，惯性传感器直接固定在涡流流量计的测量管上。惯性传感器直接固定在测量管上能够实现直接在测量管上检测尤其是通过管路传播的干扰振动，使得干扰振动不会出现改变，例如由于通过各个部件引起的衰减。[10]根据本发明的一个优选的扩展方案规定，惯性传感器仅关于确定的空间轴线 是敏感的，尤其是关于涡流流量计的传感器单元对于流量测量是敏感的这样的空间轴线。该扩展方案尤其是适于这样的涡流流量计在其中用于检测涡流测量信号的传感器或传感器单元仅关于唯一的空间轴线或关于两个空间轴线是敏感的，使得无需对在非涡流传感器单元检测的空间方向上的干扰振动进行分析；惯性传感器尤其是加速度传感器于是仅关于也被分析以进行测量流量的空间轴线是敏感的。[11]根据涡流流量计的扩展方案，尤其是根据其壳体和测量管，按照另一扩展方案已证明为有利的是，多个惯性传感器固定在涡流流量计的不同位置上，尤其是其中每个惯性传感器分别仅关于一个确定的空间方向是敏感的。通过涡流流量计的扩展方案可以得到在涡流流量计的不同区域中的干扰振动在不同空间方向上影响极大不同，使得例如有利的是尤其是在相应的振动成分在确定的空间方向上影响特别强的这种位置上安装有加速度传感器，其专门检测该振动成分。[12]在此，例如可以考虑如下涡流流量计，在其测量和分析电子装置的电路板上例如安置有加速度传感器，其在X方向上是敏感的，在涡流流量计的壳体上固定有加速度传感器，其例如在y方向上是敏感的，并且在涡流流量计的测量管上固定有另一加速度传感器，其在Z方向上是敏感的。当然，关于加速度传感器的位置和空间方向的选择可以考虑任意的子组合。此外，例如也规定，在三个上述位置中的每个上分别有一个惯性传感器，其关于所有三个空间方向都是敏感的，使得这三个惯性传感器的测量信号能够彼此校正。[13]根据另一扩展方案已证明为特别有利的是，至少一个惯性传感器设置在围绕涡流流量计的管道系统上。这种的惯性传感器例如借助磁体固定在管道系统上，然而还可以与涡流流量计的测量和分析电子装置通过线缆或无线电相连。此外，以此方式可以将设置在外部的惯性传感器的测量信号用于分析涡流测量信号。此外规定，分别在管道系统的那里的端部上在涡流流量计的两侧上设置有关于所有三个空间方向都敏感的加速度传感器，使得例如可以更为精确地定位干扰振动的来源或不同的干扰振动。[14]此外，开头所述的任务借助用于运行涡流流量计的方法来解决，其方式是通过分析惯性传感器的测量信号来识别作用于涡流流量计的测量信号上的干扰振动，并且至少部分通过所分析的惯性传感器测量信号来控制涡流测量信号的处理。惯性传感器的一个测量信号或惯性传感器的多个测量信号为此通过合适的方法来分析，以便识别作用于涡流流量计上的干扰振动。借助惯性传感器(其优选为加速度传感器)的测量信号的分析可以将干扰振动划分为不同的振动类别，即一方面由短期影响、例如阀的操作引起的这种振动，而另一方面为持续且恒定存在的这种振动、例如由在管道系统上工作的泵和涡轮引起的振动。[15]根据干扰振动的类型基于所分析的惯性传感器测量信号来控制涡流测量信号的进一步处理。例如，与相应的干扰振动叠加的涡流测量信号被舍弃，或(至少部分)通过优选与干扰振动相协调的滤波器来滤除这些干扰振动。[16]根据一个优选的扩展方案，已证明为有利的是，涡流测量信号在自适应滤波器中被处理，其中滤波器参数至少部分根据所分析的惯性传感器的测量信号来导出。对涡流测量信号的处理或再处理因此与惯性传感器的测量信号的特征有关。自适应滤波器的参数因此手动地或自动地单独与相应的干扰振动的类型和特征相匹配，使得始终实现有利的滤波效率。在短期干扰的情况下，例如完全滤除相应的涡流测量信号是合适的，而在长期干 扰振动的情况下选择性地滤除相应的干扰振动信号是必要的。[17]为了确定滤波器的参数，优选的是根据另一扩展方案形成惯性传感器的测量信号的幅度谱，其中借助幅度谱来确定自适应滤波器的滤波器参数。借助通过惯性传感器记录的测量信号的幅度谱例如可以识别出在测量信号中的由连续工作的涡轮和泵引起的干扰振动。惯性传感器的测量信号的幅度谱例如借助快速傅里叶变换或离散傅里叶变换来计算。在此，始终在一个模块中计算所有离散谱分量。[18]例如为了实现在分析时的能量节约和/或存储器节约，例如可以调用非模块方式地工作的算法，因为由此减小了计算上的开销。在此，并非完整的幅度谱都在一个步骤中被计算，而是幅度谱逐步地被确定，使得在一个整个过程之后得到完整的幅度谱。例如，滑动离散傅里叶变换或滑动Goertzel算法适于作为计算算法。借助上述算法来计算各离散谱成分，使得可以频率选择性地进行计算。管道振动通常出现在低频区中，其中频率小于50Hz。[19]在本上下文中，根据该方法的另一扩展方案已证明为有利的是，在幅度谱中出现的尖峰用作自适应滤波器的参数。确定滤波器的参数或者手动地通过由操作员设置滤波器参数的方式来进行，或自动地通过测量和分析电子装置来进行。例如带阻滤波器尤其是陷波滤波器适于作为涡流测量信号的滤波器，该带阻滤波器将根据幅度谱确定的干扰振动频率(干扰频率)从涡流测量信号中滤除，使得(清除了干扰振动的)涡流测量信号可以被转发。[20]在此可以区分干扰频率是否在涡流测量信号的测量频率范围中或干扰频率是否在涡流测量信号的频率之外。在测量频率的范围中的干扰尽管原理上也可以被滤除，但存在如下风险有用信号即涡流测量信号具有相同的频率并且(至少部分)也被滤除。如果涡流测量信号和干扰振动在过窄的频率范围中叠加，则例如会输出相应的信号报
生口 o[21]为了识别和分类例如由阀的操作引起的短期干扰振动，根据另一扩展方案规定，为了分析而确定惯性传感器的测量信号的幅度变化曲线，并且对幅度变化曲线求微分，使得可以识别出突然的变化。根据幅度调制过的惯性传感器测量信号，优选借助解调器首先确定惯性传感器的测量信号的幅度变化曲线，其中接着关于时间求幅度变化曲线的微分，使得借助对微分后的幅度变化曲线的分析可以识别和评估干扰振动的突然的变化。借助分析所识别的干扰振动例如可以引起所属的涡流测量信号通过测量和分析电子装置被舍弃或被自适应滤波器滤除。涡流测量信号在此情况下于是并不与干扰振动分离而是舍弃，因为反正是涡流测量信号的仅为短期的干扰。[22]对于涡流测量信号的舍弃附加地或可替选地，根据另一扩展方案规定，生成和输出信号报告，其指示“例如目前不能测量”。涡流测量信号的舍弃或滤除或信号报告的输出优选一直进行，只要微分过的幅度信号达到、优选超过预先确定的阈值。[23]此外，根据下一个扩展方案规定，为了分析确定惯性传感器的测量信号的幅度变化曲线，并且在预先确定的时段上尤其是滑动(gleitenden)时段上确定平均幅度。幅度变化曲线又优选根据惯性传感器的幅度调制的测量信号通过解调器来确定。预先确定的时间段优选是滑动时段，即不断步进的幅度信号分别在数值上相同的时段上向后地被分析 和求平均，使得获得平均幅度的值。其中，平均幅度的值的决定性改变是存在干扰振动的征兆。[24]根据本发明的另一扩展方案规定，当平均幅度达到预先确定的阈值时，生成信号报告和/或舍弃涡流测量信号。涡流测量信号为此例如通过测量和分析电子装置来舍弃或通过自适应滤波器来滤除。可选的信号报告说明，例如在相应时刻不能测量有效力的涡流测量信号，因为存在干扰振动。优选地，涡流测量信号一直被移除或滤波，只要平均幅度达到预先给定的阈值。[25]优选地，惯性传感器的测量信号的分析同时借助三个所述的分析方法中的至少两种来进行，即，例如对幅度谱的分析与对微分过的幅度变化曲线的分析并行、或对幅度谱的分析与对平均幅度的分析并行、或对平均幅度的分析与对微分过的幅度变化曲线的分析并行。完全优选地，同时借助所有三种分析方法进行分析。[26]详细而言，现在存在许多如下可能性以构建和改进根据本发明的涡流流量计和根据本发明的用于运行涡流流量计的方法。为此不仅参照从属于权利要求I和6的权利要求而且参照结合附图对优选的实施例的如下描述。


[27]在附图中示出[28]图la-d在部分剖切的侧视图中示出了流量计的实施例，[29]图2在部分剖切的侧视图中示出了流量计的一个实施例，[30]图3示出了用于运行涡流流量计的方法的一个实施例的流程图，以及[31]图4示出了用于运行涡流流量计的方法的另一实施例的流程图。
具体实施例方式[32]图Ia至Id示出了带有测量管2和壳体3的涡流流量计I。在测量管2内，在该实施例中延伸通过整个直径的阻流体4居中地设置在测量管2的流动通道5中。在介质在流动通道5内流动时，阻流体4在阻流体4的侧面处引起漩涡形成，其中漩涡的频率通过传感器单元6可检测并且根据漩涡频率形成涡流测量信号。在该实施例中，传感器单元6由压电元件构成并且在阻流体4的背离流动方向的侧上持续地固定在其上。
[33]为了检测作用于涡流流量计上的干扰振动，在根据图Ia的实施例中附加地设置有惯性传感器7，用于检测干扰振动。根据图la，惯性传感器7是加速度传感器，其关于三个空间轴线是敏感的。惯性传感器7设置在测量和分析电子装置8的电路板上并且与其连接。[34]根据图Ib的实施例，惯性传感器7固定在涡流流量计I的壳体3上。在根据图Ic的实施例中，惯性传感器7固定在涡流流量计I的测量管2上。在根据图Id的实施例中，设置有两个惯性传感器7，其中在涡流流量计I的侧上各一个惯性传感器7固定在围绕的管道系统9上。[35]惯性传感器7在根据图Ia至Id的所有四个实施例中关于所有三个空间轴线是敏感的，使得可以对作用于涡流流量计I上的干扰振动进行详细分析。此外，所有惯性传 感器7与涡流流量计I的测量和分析电子装置8相连，使得惯性传感器7的测量信号在那里可被分析。此外，涡流流量计I的传感器单元6也与测量和分析电子装置8连接，始终用于传输测量信号。[36]图2示出了涡流流量计I的另一实施例，其在基本构造方面基本上对应于根据图Ia至Id的实施例，其中在该实施例中三个惯性传感器7a、7b、7c设置在涡流流量计I上的三个不同的位置上，即测量和分析电子装置8的电路上设置第一惯性传感器7a、在壳体3上设置第二惯性传感器7b以及在测量管2上设置第三惯性传感器7c。惯性传感器7a、7b,7c分别仅对一个空间方向是敏感的，其中惯性传感器7a对z方向z敏感，惯性传感器7b对y方向y敏感而惯性传感器7c对x方向敏感。惯性传感器7a、7b、7c的三个测量信号被组合并且共同由测量和分析电子装置8来分析。惯性传感器7a、7b、7c的分离的布置具有如下优点惯性传感器7a、7b、7c的每个都设置在一个位置上，其对于针对其相应空间方向的干扰振动的检测是最佳的。[37]图3示出了用于运行涡流流量计的方法的流程图的一个实施例。在涡流流量计运行中，借助传感器单元6来检测叠加有干扰振动101的涡流测量信号100。同时，惯性传感器7单独地检测测量信号102，该测量信号基本上对应于干扰振动101。在测量信号102通过惯性传感器7检测之后，从测量信号102中识别出103干扰振动101的类型，使得根据干扰振动101的类型可以导出相应的滤波器参数103。[38]滤波器参数104用于确定自适应滤波器105的参数，其基于滤波器参数104将涡流测量信号100与干扰振动101分离并且接着输出清洁过的涡流信号100，其中滤波器参数从测量信号102并且由此从干扰振动101中获得。在仅短期出现干扰振动101的情况下，涡流测量信号100本身优选被舍弃或完全被滤除，使得例如仅输出信号报告106，该信号报告说明，由于干扰振动101而不能输出涡流测量信号100。[39]根据图4的、示出用于运行涡流流量计的方法的另一实施例的流程图基本上对应于根据图3的流程图，其中识别103划分成至少两个同时运行的分析过程。一方面，形成由惯性传感器7检测的测量信号102的幅度谱107，其中根据幅度谱107导出滤波器参数104。尤其是，由幅度谱107导出的滤波器参数104是陷波滤波器的相应滤波器频率，其从在幅度谱107中出现的尖峰来导出。[40]此外，形成通过惯性传感器7检测的测量信号102的幅度变化曲线108。随后，对幅度变化曲线108微分，其中求导109能够实现识别出测量信号102的突然变化并且由此识别出干扰振动101。在测量信号102的可从求导109中识别的、跳跃式的变化的情况下，例如在超过预先给定的阈值时通过求导109形成相应的滤波器参数104，其完全滤除所属的涡流测量信号100，只要所述求导109超过预先确定的阈值。[41]此外，在预先确定的时段上从幅度变化曲线108中形成平均幅度110。如果平均幅度110超过预先确定的阈值或经受显著变化，则由此导出另一滤波器参数104，其优选完全滤除相应的涡流测量信号100。在完全滤除涡流测量信号100的情况下(例如通过由求导109或由平均幅度110确定的滤波器参数104)，优选也输出信号报告106，其说明在相应的时刻不能输出涡流测量信 号100。
权利要求
1.一种涡流流量计(I)，其具有测量管(2)、壳体(3)、阻流体(4)和传感器单元￠)，其中传感器单元(6)用于检测通过阻流体(4)引起的涡流测量信号， 其特征在于， 附加地设置至少一个惯性传感器(7)，用于检测作用于涡流流量计(I)上的干扰振动。
2.根据权利要求I所述的涡流流量计(I)，其特征在于，所述惯性传感器(7)设置在测量和分析电子装置(8)的电路板上，该测量和分析电子装置(8)设置在涡流流量计(I)上。
3.根据权利要求I所述的涡流流量计(I)，其特征在于，所述惯性传感器(7)固定在壳体⑶上。
4.根据权利要求I所述的涡流流量计(I)，其特征在于，所述惯性传感器(7)固定在测量管⑵上。
5.根据权利要求I至4之一所述的涡流流量计(I)，其特征在于，所述惯性传感器(7)仅关于确定的空间轴线(x,y,z)是敏感的,尤其是关于如下这样的空间轴线(x,y,z)是敏感的为了流量测量所述涡流流量计(I)的传感器单元(6)也对所述空间轴线是敏感的。
6.根据权利要求I至4之一所述的涡流流量计(I)，其特征在于，多个惯性传感器(7a，7b, 7c)固定在涡流流量计(I)的不同位置上，尤其是其中每个惯性传感器(7a，7b，7c)分别仅关于一个确定的空间方向(X, y, z)是敏感的。
7.根据权利要求I至6之一所述的涡流流量计(I)，其特征在于，所述至少一个惯性传感器(7)设置在围绕涡流流量计(I)的管道系统(9)上。
8.一种用于运行涡流流量计的方法，尤其是用于运行根据权利要求I至5之一所述的涡流流量计的方法，该涡流流量计具有传感器单元(6)和至少一个惯性传感器(7)， 其特征在于， 通过分析所述惯性传感器(7)的测量信号(102)来识别出作用于涡流流量计的测量信号(100)上的干扰振动(101)，以及至少部分通过所述惯性传感器(7)的所分析的测量信号(102)来控制涡流测量信号(100)的处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，涡流测量信号(100)在自适应滤波器(105)中被处理，其中滤波器参数(104)至少部分从所述惯性传感器(7)的所分析的测量信号(102)中导出。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，形成所述惯性传感器的测量信号(102)的幅度谱(107)，其中根据幅度谱(107)确定自适应滤波器(105)的滤波器参数(104)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于， 在幅度谱(107)中出现的尖峰用作自适应滤波器(105)的滤波器参数(104)。
12.根据权利要求8至11之一所述的方法，其特征在于，为了分析而确定所述惯性传感器⑵的测量信号(102)的幅度变化曲线(108)，以及将所述幅度变化曲线(108)微分，使得能够识别出突然的变化。
13.根据权利要求8至12之一所述的方法，其特征在于，为了分析而确定所述惯性传感器(7)的测量信号(102)的幅度变化曲线(108)，并且在预先确定的时段上尤其是在滑动的时段上确定平均幅度(110)。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当微分过的幅度变化曲线(109)达到预先确定的阈值时，生成信号报告(106)和/或舍弃涡流测量信号(100)。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当平均幅度(110)达到预先确定的阈值时，生成信号报告(106)和/或舍弃涡流测量信号(100)。
全文摘要
本发明涉及一种涡流流量计(1)，其具有测量管(2)、壳体(3)、阻流体(4)和传感器单元(6)，其中传感器单元(6)用于测量通过阻流体(4)引起的涡流测量信号。涡流流量计(1)通过附加地设置至少一个惯性传感器(7)来检测作用于涡流流量计(1)上的干扰振动的方式来实现，其中测量结果的品质提高。
文档编号G01F1/32GK102680030SQ20121007242
公开日2012年9月19日 申请日期2012年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者K·戈斯纳 申请人:克洛纳测量技术有限公司