传感器和形成有传感器的测量系统的制作方法

本发明涉及一种成型传感器，特别是用于检测流动的流体中的压力波动的传感器，并且相应地是涉及形成有该传感器的测量系统。

背景技术：

1、在过程测量和自动化技术中，设计为涡流流量计的测量系统通常用于测量在管子中流动的流体（尤其是高雷诺数（re）的快速流动的并且/或者热的气体和/或流体流）的流动速度，或者与相应的流动速度（u）相对应的体积流率或质量流率。这种测量系统的示例尤其从us-a 2006/0230841、us-a 2008/0072686、us-a 2011/0154913、us-a 2011/0247430、us-a 2016/0123783、us-a 2017/0284841、us-a 2019/0094054、us-a 60 03 384、us-a 6101 885、us-b 63 52 000、us-b 69 10 387或us-b 69 38 496是已知的，并且尤其是也由申请人提供，例如以商标名“prowirl d 200”、“prowirl f 200”、“prowirl o 200”、“prowirlr 200”提供（http://www.de.endress.com/#products/prowirl）。

2、所示的每个测量系统都具有阻力元件，该阻力元件突出到相应管子（即例如，设计为热力供应网络或涡轮回路的系统部件）的内腔中，或者突出到在所述管子的路线中使用的测量管的内腔中，流体顶着所述阻力元件流动，以产生涡流，该涡流排列起来以在直接在阻力元件的下游流动的流体流的部分体积内形成所谓的卡门涡街。众所周知，涡流在阻力元件处以取决于流动速度的分离速率（1/fvtx）产生。此外，测量系统具有集成到阻力元件中或与其连接或在其下游的传感器，即处在所述流体流中的卡门涡街区域中，因此处在伸入的传感器的内腔中，该传感器用于检测在流动的流体中形成的卡门涡街中的压力波动，并将压力波动转换成代表压力波动的传感器信号，即用于提供对应于流体内占优势的压力的信号（这里例如是电信号或光学信号），由于相反的涡流，流体内占优势的压力在阻力元件的下游经受周期性波动，或者具有对应于涡流的分离速率的信号频率（~ fvtx）。

3、为此目的，传感器具有变形元件和从变形元件的基本上平面的表面开始延伸的、通常为杆状的、平面的或楔形的传感器凸耳，并且该传感器被设计用以检测卡门涡街中的压力波动，即，以将压力波动转换成对应于压力波动的变形元件的运动。变形元件具有通常为圆环形的外边缘段，该外边缘段被构造成气密密封（例如一体地结合）到插座，该插座用于将变形元件保持在管的管壁上，使得变形元件覆盖并气密密封设置在管的管壁中的开口，并且使得支撑传感器凸耳的变形元件的那一表面面向测量管或管子的流体输送内腔，因此传感器凸耳突出到所述内腔中。变形元件通常被设计成薄膜，并且被成形为使得至少一个膜厚度（被测量为由上述外边缘段界定的内膜段的最小厚度）远小于膜直径（被测量为由所述外边缘段界定的表面的最大直径）。为了获得尽可能得高的测量灵敏度（即传感器对要检测的压力波动的最高可能的灵敏度），并且同时，为了获得尽可能得高的机械固有频率（其高于所要测量的最高分离速率），对于具有传感器凸耳的变形元件的弯曲振荡模式（其由压力波动强制进行），已建立的测量系统的这种变形元件通常具有大约20∶1的直径-厚度比。如尤其在上述us-a 2016/0123783、us-a 2017/0284841、us-a 2019/0094054或us-b 6352 000中所示，所述类型的传感器有时也可以具有通常杆状的、平面的或套筒状的补偿元件，该补偿元件从变形元件的背对支撑传感器凸耳的那一表面的表面延伸，并且特别用于补偿由传感器组件的运动（例如作为管子振动的结果）所产生的力或力矩，或者用于避免由此产生的传感器凸耳的不期望的运动。

4、为了产生传感器信号，每个传感器还包括（机械-电）换能器元件，该换能器元件通常被配置用以检测变形元件的运动并将所述运动转换成电传感器信号。在从us-a 2017/0284841、us-a 2019/0094054或us-b 63 52 000已知的传感器中，所述换能器元件借助于压电陶瓷（例如以压电盘的形式）形成。

5、在背对流体输送内腔的一侧，传感器还连接到换能器电子系统，该换能器电子系统通常以耐压且抗冲击的方式进行封装，并且可选地是还向外气密密封。适合用于工业应用的测量系统的换能器电子设备通常具有相应的数字测量电路，该数字测量电路经由连接线电连接到换能器元件，可选地是插入了电屏障和/或电绝缘点，用于处理由换能器元件产生的所述至少一个传感器信号，并且用于为每种情况下待检测的测量变量（即流动速度、体积流率和/或质量流率）产生数字测量值。适合用于工业或建立在工业测量技术中的测量系统的换能器电子系统（通常容纳在由金属和/或抗冲击塑料制成的保护壳体中）还通常提供符合工业标准（例如，din iec 60381-1）的外部接口，用于与更高级别的测量和/或调节器系统（regulator systems）通信，其例如通过可编程逻辑控制器（plc）形成。这种外部接口可以被设计为例如双线连接，其可以被引入到电流回路中和/或与已建立的工业现场总线兼容。

6、尤其是因为变形元件的相对较高的直径-厚度比（这是由于测量原理），所讨论类型的常规传感器（甚至当使用高强度镍基合金，诸如：例如inconel 718（特种金属公司）作为材料时）通常具有如下的抗压强度，即最大允许工作压力，在该最大允许工作压力之上，将提供传感器的不可逆的塑性变形或者甚至变形元件的爆裂，该最大允许工作压力对于在某些应用中偶尔实际发生的极高压力或压力冲击来说可能是太低的，或者这种传感器显示出所述抗压强度对工作温度的依赖性（压力-温度曲线），这种依赖性对于这种应用来说太不方便，使得例如，对于在蒸汽温度超过200°c的实际预定的热蒸汽应用中发生的100巴以上的工作压力，偶尔不再能够保证无损阻力，例如，这由于冷凝引起的水锤（ciwh）导致。

7、为了提高传感器的抗压强度，例如，us-a 2016/0123783公开了一种用于变形元件的支撑装置，该支撑装置布置在换能器元件侧上，因此在操作期间不与待测量的流体接触，变形元件在例如高于预定限值40巴以上的静压力下部分地施加在该支撑装置上，使得即使在高达250巴的较高压力下，其中建立的机械应力也可以保持低于指定的最大容许电压（maximum permissible voltage）。然而，这种解决方案的一个缺点是，当超过上述限值时，传感器的灵敏度最初会突然降低，因此传感器对流动速度或体积流率表现出依赖于压力的并且还是非线性的灵敏度。

技术实现思路

1、由此出发，本发明的一个目的是改进传感器，其中换能器元件定位在变形元件上，使得即使在相对简单的机械结构的情况下，传感器也显示出高抗压强度，或者抗压强度对工作温度的依赖性，这将允许传感器甚至在蒸汽温度高于200℃且压力峰值高于100巴的热蒸汽应用中使用。此外，传感器应该能够以简单的方式由各个单个部件组装而成，例如，还为了能够容易地用完整的新换能器元件替换有缺陷的换能器元件。

2、为了实现这个目的，本发明涉及一种传感器，尤其是用于检测在流动的流体中形成的卡门涡街中的压力波动的传感器，该传感器包括：

3、· 变形元件，其是至少部分平坦的，例如是膜状的或盘形的，由例如金属制成，具有平坦的第一表面和相反的平坦的第二表面；

4、· 例如杆状的或平面的或楔形的传感器凸耳，其从变形元件的第一表面开始延伸；

5、· 连接套筒，其从变形元件开始延伸，例如，以导电方式连接到变形元件，例如由金属和/或至少在-10℃和250℃之间的温度范围内具有不小于16 • 10-6k-1并且/或者不大于17•10-6k-1的（线性）热膨胀系数的材料制成；

6、· 换能器元件，其布置在连接套筒内，以第一接触面接触变形元件的第二表面，例如导电地接触变形元件的第二表面，并且其例如为盘形的并且/或者为压电陶瓷，并且例如由至少在-10℃和250℃之间的温度范围内具有不小于-6 • 10-6k-1并且/或者不大于6 •10-6k-1的（线性）热膨胀系数的材料制成，用于产生传感器凸耳的时间变化的（例如，至少暂时周期性的）运动和/或代表变形元件的变形的时间变化的（例如至少暂时周期性的）电传感器信号，并且/或者用于产生引起变形元件变形的力（逆压电效应）；和

7、· 紧固装置，其定位于连接套筒内，并且例如以可释放方式机械连接到连接套筒，用于例如以可释放方式将换能器元件固定在连接套筒中。

8、在根据本发明的传感器中，连接套筒在远离变形元件的远端中具有内螺纹，并且紧固装置还包括具有外螺纹的（内）螺纹套筒和圆柱形（例如整体式并/或者盘形的）和/或金属的附加元件，例如，由金属和/或至少在-10℃和250℃之间的温度范围内具有不小于20• 10-6k-1和/或不大于30• 10-6k-1的（线性）热膨胀系数的材料制成。此外，（内）螺纹套筒拧入内螺纹中，并且附加元件定位在（内）螺纹套筒之间，使得用于附加元件的邻接件通过（内）螺纹套筒形成，并且至少附加元件通过施加保持换能器元件压靠变形元件的接触压紧力而弹性变形，或者通过形成将换能器元件和变形元件彼此连接的至少摩擦连接而弹性变形，例如使得作用在附加元件和换能器元件之间或换能器元件和变形元件之间的最小表面压力大于1 mpa，并且/或者作用在附加元件和换能器元件之间或换能器元件和变形元件之间的最大表面压力小于20 mpa，并且/或者使得在换能器元件和变形元件之间形成摩擦连接。

9、此外，本发明还涉及一种借助于根据本发明的传感器形成的测量系统，该测量系统用于检测流动的流体中的压力波动，即：例如用于检测在流动的流体中形成的卡门涡街中的压力波动，该测量系统用于测量在管道中流动的流体的至少一个（例如能够时间变化的）流动参数（例如流动速度和/或体积流率），并且该测量系统还包括与传感器的换能器元件电连接的测量电子系统，该测量电子系统被设计用以接收来自传感器的传感器信号并对其进行处理，即例如，产生代表所述至少一个流动参数的测量值，并且/或者用以将电驱动信号馈入换能器元件中，例如，产生引起变形元件变形的力。根据本发明的测量系统尤其还可以用于测量流体的流动参数，即：例如流动速度和/或体积流率和/或质量流率，该流体例如是蒸汽，其在管道中例如以至少暂时超过200℃的温度流动并且/或者至少暂时以超过100巴的压力作用在传感器的变形元件和/或传感器凸耳上。

10、根据本发明的传感器的第一实施例，规定：换能器元件具有（第一）厚度d12，该（第一）厚度d12例如不小于0.5 mm并且/或者不大于2 mm，其在20℃的温度下作为其第一接触面的法线方向上的最大膨胀测得，并且附加元件具有（第二）厚度d133，该（第二）厚度d133例如不小于1 mm和/或不大于10 mm，其在20℃的温度下作为换能器元件的第一接触面的法线方向上的最大膨胀测得，并且进一步规定，换能器元件和附加元件被设计成使得（传感器的）膨胀差比率δα21/δα31满足取决于（微调）参数k1的条件，所述膨胀差比率δα21/δα31被测量为换能器元件的（材料的）（线性）热膨胀系数α2和连接套筒的（材料的）（线性）热膨胀系数α1之间的差与附加元件的（材料的）（线性）热膨胀系数α3和连接套筒的（材料的）（线性）热膨胀系数α1之间的差的比率，其例如至少在-10℃和250℃之间的温度范围内测得：

11、

12、其中（微调）参数k1不小于0.5且不大于1.5，特别是大于0.7并且/或者小于1.2。作为本发明的该实施例的发展，进一步规定，附加元件的（第一）厚度d113与换能器元件的（第二）厚度d12的（厚度）比d113/d12大于0.5且小于7，例如，即不小于2并且/或者不大于4。

13、根据本发明的传感器的第二实施例，进一步规定，紧固装置包括例如环形的球形盘，该球形盘例如由金属和/或至少在-10℃和250℃之间的温度范围内具有不小于16•10-6k-1并且/或者不大于17•10-6k-1的（线性）热膨胀系数α4的材料制成，并且球形盘定位于螺纹套筒和附加元件之间。作为本发明的该实施例的发展，进一步规定，球形盘至少部分地（例如主要地或完全地）由金属（例如不锈钢或镍基合金）构成，并且/或者规定，至少在-10℃和250℃之间温度范围内，球形盘的（材料的）（线性）热膨胀系数α4与连接套筒的（材料的）（线性）热膨胀系数α1的偏差小于2 • 10-6k-1并且/或者小于连接套筒的（材料的）热膨胀系数α1的10%。

14、根据本发明的传感器的第三实施例，进一步规定，紧固装置包括特别是环形的绝缘盘（135），该绝缘盘（135）特别是由陶瓷和/或塑料制成并且/或者由至少在-10℃和250℃之间的温度范围内具有不小于30 • 10-6k-1并且/或者不大于50• 10-6k-1的（线性）热膨胀系数α5的材料制成，并且绝缘盘定位于换能器元件和附加元件之间。作为本发明的该实施例的发展，进一步规定，绝缘盘至少部分地（例如也是主要地或完全地）由塑料（特别是由聚酰亚胺（kapton））构成，特别是由耐高温并且/或者至少在-10℃和250℃之间的温度范围内具有不小于20 • 10-6k-1并且/或者不大于40• 10-6k-1的（线性）热膨胀系数α5的塑料制成，并且/或者规定，至少在-10℃和250℃之间的温度范围内，绝缘盘的（材料的）（线性）热膨胀系数α5与附加元件的（材料的）（线性）热膨胀系数α2相差小于20•10-6k-1并且/或者小于附加元件的（材料的）（线性）热膨胀系数α2的50%。可选地是或附加地是，绝缘盘也可以具有（第三）厚度，该（第三）厚度在20℃的温度下作为换能器元件的第一接触面的法线方向上的最大延伸测得，该厚度不小于0.05 mm并且/或者不大于0.5 mm。

15、根据本发明的传感器的第四实施例，进一步规定，变形元件和传感器凸耳彼此一体地结合，即例如彼此熔焊或钎焊到一起。

16、根据本发明的传感器的第五实施例，进一步规定，换能器元件和变形元件不彼此一体地结合。

17、根据本发明的第六实施例，进一步规定，换能器元件和附加元件不彼此一体地结合。

18、根据本发明的传感器的第七实施例，进一步规定，附加元件和变形元件由不同的材料构成。

19、根据本发明的传感器的第八实施例，进一步规定，附加元件由铝合金构成，例如（标准化）类型en aw-6061（almg1sicu）、en aw-6082、en aw-7075或en aw-5052的铝-镁-硅合金（almgsi）或锻造铝合金。

20、根据本发明的传感器的第九实施例，进一步规定，附加元件由金属（例如铝或铝合金）构成。

21、根据本发明的传感器的第十实施例，进一步规定，变形元件至少部分地（例如主要地或完全地）由金属（例如不锈钢或镍基合金）构成。

22、根据本发明的传感器的第十一实施例，进一步规定，传感器凸耳至少部分地（例如主要地或完全地）由金属（例如不锈钢或镍基合金）构成。

23、根据本发明的传感器的第十二实施例，进一步规定，连接套筒至少部分地（例如主要地或完全地）由金属（例如不锈钢或镍基合金）构成。

24、根据本发明的传感器的第十三实施例，进一步规定，变形元件和传感器凸耳（例如连接套筒、变形元件和传感器凸耳）由相同的材料构成。

25、根据本发明的传感器的第十四实施例，进一步规定，变形元件和传感器凸耳（例如连接套筒、变形元件和传感器凸耳）是同一个整体模制件的部件。

26、根据本发明的传感器的第十五实施例，进一步规定，作用在附加元件和换能器元件之间或者换能器元件和变形元件之间的最小表面压力，特别是在高于-50℃并且低于250℃的温度下，大于1 mpa，例如，甚至大于3 mpa。

27、根据本发明的传感器的第十六实施例，进一步规定，作用在附加元件和换能器元件之间或者换能器元件和变形元件之间的最大表面压力，特别是在高于-50℃并且低于250℃的温度下，小于20 mpa，例如，甚至小于15 mpa。

28、根据本发明的传感器的第十七实施例，进一步规定，换能器元件以导电方式接触变形元件和/或连接套筒。

29、根据本发明的传感器的第一发展，传感器还包括金属箔，例如银箔。

30、根据本发明的传感器的第二发展，传感器还包括例如从变形元件的第二表面延伸的、杆状的或平面的或套筒状的补偿元件，用于补偿由变形元件和传感器凸耳的共同运动而产生的力和/或扭矩。

31、根据本发明的第一发展的第一实施例，进一步规定，补偿元件延伸穿过附加元件，例如使得补偿元件的惯性主轴线（即例如纵向轴线）和附加元件的惯性主轴线（即例如纵向轴线）彼此平行延伸，即例如是重合的，并且/或者使得附加元件和补偿元件不相互接触。

32、根据本发明的第一发展的第二实施例，进一步规定，变形元件和补偿元件彼此一体地结合，即例如彼此熔焊或钎焊到一起。

33、根据本发明的第一发展的第三实施例，进一步规定，传感器凸耳和补偿元件彼此对齐布置。

34、根据本发明的第一发展的第四实施例，进一步规定，补偿元件和变形元件相对于彼此定位和对准，使得变形元件的惯性主轴线延伸成平行于补偿元件的惯性主轴线的延伸，即例如与之重合。

35、根据本发明的第一发展的第五实施例，进一步规定，变形元件和补偿元件是同一个整体模制件的部件，例如使得传感器凸耳、变形元件和补偿元件并且/或者使得连接套筒、变形元件和补偿元件是所述模制件的部件。

36、根据本发明的第一发展的第六实施例，进一步规定，补偿元件至少部分地（例如主要地或完全地）由金属（例如不锈钢或镍基合金）构成。

37、根据本发明的第一发展的第七实施例，进一步规定，变形元件和补偿元件由相同的材料构成，例如，使得传感器凸耳、变形元件和补偿元件和/或连接套筒、变形元件和补偿元件由相同的材料构成。

38、根据本发明的测量系统的发展，测量系统还包括能够插入所述管道的路线中的管，并且该管具有被设计用以引导管道中流动的流体的内腔。

39、根据本发明的测量系统的发展的第一实施例，进一步规定，传感器插入所述管中，使得变形元件的第一表面面向管的内腔，并且传感器凸耳突出到所述内腔中。

40、根据本发明的测量系统的发展的第二实施例，进一步规定，在管的管壁中形成了开口，特别是具有用于将变形元件保持在管壁上的插座的开口，并且规定，传感器插入到所述开口中，使得变形元件覆盖（特别是气密地密封）开口，并且规定，变形元件的第一表面面向管的内腔，因此传感器凸耳突出到所述内腔中。

41、根据本发明的测量系统的发展的第三实施例，进一步规定，传感器凸耳具有长度，该长度被测量为传感器凸耳的近端一直到传感器凸耳的远端之间的最小距离，该近端毗邻变形元件，该远端远离变形元件或其表面，该长度对应于小于管的口径的95%并且/或者大于所述口径的一半。

42、根据本发明的测量系统的发展的第四实施例，进一步规定，测量系统进一步具有布置在管的内腔中（例如，布置在上游，即在传感器上游的（主要）流动方向上）的阻力元件，该阻力元件被设计用以在流动的流体中产生卡门涡街，其中该传感器被配置用以检测卡门涡街中的周期性压力波动，并将压力波动转换成传感器信号，例如使得传感器信号具有与阻力元件上的涡流的分离速率相对应的信号频率，该涡流形成卡门涡街。

43、本发明的基本思想是，通过借助于（内）螺纹套筒和（盘形或套筒形的）附加元件（例如以（铝）垫圈的形式）将布置在变形元件上的换能器元件在相对较宽的温度范围（例如从-10℃到250 ℃）内连续地以合适的（即对于测量原理来说，既足够又兼容的）表面压力保持压靠变形元件，实现了传感器所需的高标称耐压性（尤其是包括在超过200℃的高工作温度下），或者实现了传感器组件的耐压性对工作温度的依赖性（传感器组件的压力-温度曲线）的所需的改善。本发明的优点之一不仅在于它可以导致所讨论类型的传感器的标称抗压强度或压力-温度曲线的显著改善，而且这是在不会显著降低测量灵敏度（即传感器对于实际要检测的压力波动的灵敏度）的情况下实现的。本发明的另一个优点还可以从以下事实中看出，利用根据本发明的传感器，有缺陷的部件（例如换能器元件或紧固装置）可以非常容易地被替换，例如，甚至可以在现场进行替换。