AT524542B1 - Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung - Google Patents

Abstract

Differenzdrucksensorvorrichtungen zur Volumenstrombestimmung mit einem Strömungskanal (10), der durch eine Gehäusewand (12) radial begrenzt ist, einem Pitotrohr (14), welches in den Strömungskanal (10) ragt und eine Druckmessöffnung (16) aufweist, die zur Strömung gerichtet ist und zwei Druckmesskanäle (20, 24) aufweist, die im Pitotrohr (14) ausgebildet sind, und mit einem Differenzdruckmessgerät (22) verbunden sind, sind bekannt. Um Eine Eisbildung zuverlässig zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass im in den Strömungskanal (10) ragenden Pitotrohr (14) zumindest ein Heizkanal (26) ausgebildet ist.

Description

Beschreibung

DIFFERENZDRUCKSENSORVORRICHTUNG ZUR VOLUMENSTROMBESTIMMUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung mit einem Strömungskanal, der durch eine Gehäusewand radial begrenzt ist, einem Pitotrohr, welches in den Strömungskanal ragt und eine Druckmessöffnung aufweist, die zur Strömung gerichtet ist und zwei Druckmesskanäle aufweist, die im Pitotrohr ausgebildet sind, und mit einem Differenzdruckmessgerät verbunden sind.

[0002] Derartige Differenzdrucksensorvorrichtungen können mit einer entsprechenden Dichtemessung zur Bestimmung von Massenströmen von Medien verwendet werden, wie beispielsweise in Anodengaskreisläufen zur Bestimmung der Stickstoff- und Wasserstoffmassenströme im Brennstoffzellensystem. Um genaue Messwerte zu liefern, müssen die verwendeten Differenzdrucksensorvorrichtungen bei der Messung von Gasgemischen möglichst unempfindlich gegen die Anwesenheit von Wasser beziehungsweise Wasserdampf und ein mögliches Gefrieren des Wassers sein. Des Weiteren sind durch die Messung auftretende Druckverluste zu minimieren.

[0003] Unter dem Begriff Pitotrohr werden unter anderem Prandtl-Staurohre verstanden, welche eine zur Strömung gewandte Öffnung aufweisen, über die ein Druck, bestehend aus dem Staudruck aufgrund der vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit und dem statischen Druck, zu einem Druckaufnehmer geleitet wird. Dieser misst entweder eine Druckdifferenz zu einem Druck, der über eine Druckmessöffnung an einer Position des Staurohres gemessen wird, die strömungsabgewandt oder senkrecht zur Strömung angeordnet ist und somit zumindest näherungsweise keinem Staudruck unterliegt. Entsprechend wird eine Druckdifferenz zum vorhandenen statischen Druck gemessen. Der Staudruck beziehungsweise dynamische Druck ist somit der Druck, den das strömende Medium durch seine Geschwindigkeit und seine Masse ausübt. Somit bildet die Druckdifferenz zumindest ein Maß für die kinetische Energie des strömenden Mediums. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit desto größer ist entsprechend der Staudruck, so dass dieser ein Maß für den Volumenstrom darstellt. Alternativ werden als Pitotrohre Düsen, insbesondere Venturi- oder Lavaldüsen verwendet, an deren unterschiedlichen Querschnitten die Druckmesskanäle ausgebildet sind, so dass der vorhandene Gesamtdruck sich aus dem statischen und dem dynamischen Druck zusammensetzt. Je nach zur Verfügung stehenden Querschnitt wird der vorhandene statische Druck entsprechend der Kontinuitätsgleichung in einen dynamischen Druck umgewandelt, so dass auf die vorhandenen Strömungsgeschwindigkeiten geschlossen werden kann.

[0004] Zumeist werden solche Differenzdrucksensorvorrichtungen zur Bestimmung eines Massenstroms verwendet, der bestimmt wird, indem zusätzlich die Dichte des Fluids über einen Dichtensensor gemessen wird.

[0005] So sind aus der Zeitschrift Flow Measurement and Instrumentation 19(2008) 17-27 unter dem Titel „Numerical and experimantal research on new cross-sections of averaging Pitot tubes“ verschiedene Pitotrohre zur Differenzdruckmessung bekannt geworden, welche mindestens eine zur Strömung gewandte erste Druckmessöffnung und zwei Druckmesskanäle aufweisen, die mit einem Drucktransmitter verbunden sind, der die anliegende Druckdifferenz misst, die ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und somit für den Volumenstrom ist. Beschrieben werden hier sowohl Prandtl-Staurohre als auch Venturidüsen.

[0006] Bei der Verwendung derartiger Differenzdrucksensorvorrichtungen besteht das Problem, dass diese für die Messung von Wasser enthaltenden Gasgemischen nicht geeignet sind, da gefrierendes Wasser die Druckmessöffnungen oder -kanäle verstopfen kann, so dass Messungen in Umgebungen wie dem Anodengaskreislauf einer Brennstoffzelle, in dem Wasser enthalten ist, fehlerbehaftet sind. Hinzu kommt, dass die bekannten Pitotrohre zumeist einen zu großen Druckverlust verursachen, was dazu führt, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sinkt.

[0007] Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung zur Verfügung zu stellen, die unempfindlich gegen gefrierendes Wasser ist, lediglich

einen geringen Druckverlust verursacht und näherungsweise in Echtzeit die Messwerte liefert. Dabei sollen Volumenströme zwischen beispielsweise 10 und 1500l/min mit möglichst großer Genauigkeit bestimmt werden können.

[0008] Diese Aufgabe wird durch eine Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

[0009] Die erfindungsgemäße Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung weist einen Strömungskanal auf, der durch eine Gehäusewand radial begrenzt ist, so dass ein Fluid im Strömungskanal strömen kann. Der Strömungskanal ist beispielsweise rohrförmig. In den Strömungskanal ragt beispielweise senkrecht ein Pitotrohr, welches eine erste Druckmessöffnung aufweist, die zur Strömung gerichtet ist, so dass zumindest unmittelbar hinter der Druckmessöffnung ein Strömungsweg im Pitotrohr gebildet wird, der parallel zur Strömung im Strömungskanal gerichtet ist. Dies hat zur Folge, dass das Fluid mit seiner an dieser Position im Kanal herrschenden vollen Geschwindigkeit gerade durch die Druckmessöffnung und in den Strömungskanal strömt, wodurch der gesamte statische und dynamische Druck im ersten Druckmesskanal herrscht, der sich an die erste Druckmessöffnung anschließt. Des Weiteren weist das Pitotrohr bei Verwendung eines Prandtl-Staurohres eine zweite Druckmessöffnung auf, die nicht zur Strömung gerichtet ist. Diese kann beispielsweise entweder vollständig strömungsabgewandt sein oder im 90° Winkel zur Strömung im Strömungskanal angeordnet werden, wodurch theoretisch kein Fluid mit Geschwindigkeit über die zweite Druckmessöffnung in den zweiten Druckmesskanal einströmt und einen dynamischen Druck verursacht. Alternativ ist die erste Druckmessöffnung mit einem ersten und einem zweiten Druckmesskanal verbunden, die sich von unterschiedlichen Querschnitten einer Venturidüse aus erstrecken. Die vorhandene Druckdifferenz in diesen Druckmesskanälen aufgrund der unterschiedlichen dynamischen und statischen Anteile kann ebenfalls als Maß zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit genutzt werden.

[0010] Die beiden Druckmesskanäle, die im Pitotrohr ausgebildet sind, sind mit einem Differenzdruckmessgerät, wie einem Drucktransmitter verbunden, der beispielsweise einen Spannungswert ausgibt, der ein Maß für die anliegende Druckdifferenz und damit für den dynamischen Druck darstellt, welcher wiederum über die Bernoulli-Gleichung in bekannter Weise in eine Geschwindigkeit und einen Volumenstrom umgerechnet werden kann.

[0011] Erfindungsgemäß ist in dem Pitotrohr, welches in den Strömungskanal ragt, zusätzlich zumindest ein Heizkanal ausgebildet. Dieser dient dazu, das Pitotrohr und insbesondere die beiden darin ausgebildeten Druckmesskanäle so aufzuheizen, dass eine Eisbildung im Bereich der Kanäle oder Öffnungen aufgrund des im Gasgemisch vorhandenen Wassers ausgeschlossen werden kann und somit Fehlmessungen vermieden werden. Durch das Verhindern dieser Eisbildung können auch kleinere Querschnitte des Pitotrohrs verwendet werden, wodurch der durch das Pitotrohr entstehende Druckverlust im Strömungskanal reduziert wird, wodurch bei Verwendung eines solchen Differenzdrucksensors in einem Anodengasrezirkulationskreislauf der Einfluss der Messeinheit auf die Brennstoffzelle reduziert wird, so dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle weitestgehend erhalten bleibt. Auch wird durch entsprechend klein gewählte Querschnitte ein Einströmen größerer Wassertropfen in den Druckmesskanal aufgrund der vorhandenen Oberflächenspannungen der Wassertropfen durch Kohäsions- und Adhäsionskräfte weitestgehend verhindert.

[0012] Vorzugsweise ist der Heizkanal von einem Fluid zur Konditionierung durchströmt. Dies kann beispielsweise ein Kühlmittel eines Kraftfahrzeugs sein, das zum Aufheizen der Druckmesskanäle genutzt wird. Es können jedoch beliebige Fluide verwendet werden, welche eine Temperatur über dem Gefrierpunkt von Wasser aufweisen, wobei die Aufheizwirkung mit der Temperatur des Fluids steigt. So kann eine ausreichende Heizung ohne einen Anschluss an eine Spannungsversorgung hergestellt werden. Des Weiteren findet ein guter Wärmetransport statt, so dass ein schnelles Aufheizen ermöglicht wird. Die Kanäle können sehr klein ausgeführt werden, wodurch auch der Druckverlust im Rohr sinkt, da das Pitotrohr sehr klein ausgeführt werden kann.

[0013] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn an der den Strömungskanal begrenzenden Gehäusewand zumindest ein Fluideinlass und zumindest ein Fluidauslass ausgebildet sind, die mit dem

Heizkanal verbunden sind. Auf diese Weise kann bei der Verwendung einer Heizung über einen Fluidstrom eine einfache Verbindung zu einem Kreislauf erfolgen, in welchem beispielsweise ein Wärmetauscher zum Aufheizen des Fluids angeordnet ist oder der an der Verbrennungskraftmaschine ohnehin ausgebildet ist, wie der Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine.

[0014] In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind im Heizkanal eine elektrische Heizpatrone, ein elektrischer Heizdraht oder ein elektrischer Heizwiderstand angeordnet. Entsprechend wird Wärme durch eine Stromzufuhr zur Heizpatrone oder zum Heizwiderstand eingebracht.

[0015] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Pitotrohr eine zweite, strömungsabgewandte Druckmessöffnung auf, die von der ersten Druckmessöffnung fluidisch getrennt ist und in den zweiten Druckmesskanal mündet. Mit dieser Ausführung wird der Druckverlust am Pitotrohr sehr klein, während sich im Vergleich zu anders ausgeführten Pitotrohren mittelmäßige Druckdifferenzen und mittelmäßige Druckdifferenzunterschiede bei kleinen Volumenströmen von beispielsweise 10l/min und großen Volumenströmen von beispielsweise 1200l/min ergeben.

[0016] Alternativ wird die Außengeometrie des Pitotrohrs im Querschnitt als BrachistochroneKurve ausgebildet. Das Brachistochrone Staurohr besteht aus zwei parallelen in den Kanal ragenden Staurohrkörpern, welche an ihren zueinander weisenden Seiten die Form einer Bahn aufweisen, auf der sich ein Massepunkt unter der Annahme einer Reibungsfreiheit am schnellsten vom höhergelegenen Startpunkt zum tiefergelegenen Endpunkt unter Einfluss der Gravitation bewegen würde. Diese Brachistochronelinien sind zueinander gerichtet, während die voneinander wegweisenden Seiten beispielsweise im Wesentlichen gerade sein können und über eine Kreislinie mit der Brachistochrone verbunden sind. In beiden Körpern erstreckt sich der Druckmesskanal von der Kanalwand des Strömungskanals in das Innere des Kanals und ist über eine Druckmessöffnung mit dem Strömungskanal verbunden. Die Druckdifferenz wird an einer ersten Druckmessöffnung gemessen, die an dem ersten Körper zur Strömung gerichtet ist und an einer zweiten Druckmessöffnung am zweiten Körper, die senkrecht zur Strömung und zum gegenüberliegenden Körper hin gerichtet und zumindest nahe des engsten Abstands zwischen den beiden Körpern angeordnet ist.

Dieses erzeugt zwar deutlich höhere Druckverluste, da zwei Staurohrkörper in den Strömungskanal ragen, jedoch sind die gemessenen Druckdifferenzen zwischen dem dynamischen Druck und dem statischen Druck auch bei geringen Volumenströmen sehr hoch, sodass sich eine sehr gute Auflösung der Messergebnisse ergibt und damit sehr genaue Massenströme berechnet werden können.

[0017] In einer wiederum alternativen Ausbildung wird das Pitotrohr als Lavaldüsenrohr ausgebildet. Dieses erzeugt zwar einen geringfügig höheren Druckverlust als das Pitotrohr, jedoch zumindest in Bereichen von beispielsweise über 100l/min Volumenstrom höhere Druckdifferenzen und somit genauere Messergebnisse. In einem Lavaldüsenrohr zweigen die Druckmesskanäle am ersten weiten Querschnitt der Lavaldüse und am engsten Querschnitt der Lavaldüse ab.

[0018] Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Gehäusewände mit dem Pitotrohr einstückig durch 3D-Druck hergestellt werden. Auf diese Weise lassen sich sehr enge Durchströmungsquerschnitte für die Druckmesskanäle und die Heizkanäle herstellen. Somit benötigt auch das Pitotrohr einen sehr geringen Bauraum, wodurch die Druckverluste wesentlich reduziert werden können.

[0019] So wird es möglich, dass die Druckmesskanäle und der zumindest eine Heizkanal nur einen Durchmesser von 0,5 bis 2mm aufweisen. Dies ermöglicht eine Erwärmung des Heizkanals mit sehr geringen Fluidmengen, die umgewälzt werden müssen. Des Weiteren kann durch die sehr kleinen Kanäle ein Eindringen von Wasser und ein vollständiges Zusetzen der Druckmesskanäle weitestgehend vermieden werden, da die Oberflächenspannungen des Wassers so groß sind, dass das Wasser zumindest im flüssigen Zustand zwischen den Messungen nicht in die Kanäle eindringt.

[0020] Der zumindest eine Heizkanal ist vorzugsweise parallel zu den Druckmesskanälen ange-

ordnet, wodurch diese über ihre gesamte Länge erwärmt werden und somit eine Eisbildung in den Druckmesskanälen verhindert wird.

[0021] Der Heizkanal wird vorzugsweise so ausgeführt, dass er einen vom Fluideinlass in das Pitotrohr ragenden Zulaufkanal und einen zum Fluidauslass führenden Ablaufkanal aufweist, die miteinander verbunden sind. So kann auf einfache Weise ein Kreislauf zur Erwärmung des Probengases, insbesondere des Mischgases aus Stickstoff und Wasserstoff hergestellt werden.

[0022] Dabei sollte insbesondere der Zulaufkanal im Pitotrohr parallel zu den Druckmesskanälen angeordnet sein, da dieser das wärmere Fluid beinhaltet und somit eine größere Wärmeleistung an das Medium im Druckmesskanal abgeben kann.

[0023] Entsprechend ist vorteilhafterweise der Zulaufkanal zwischen dem Druckmesskanal und dem Ablaufkanal ausgebildet und somit näher zum Druckmesskanal angeordnet als der Ablaufkanal. Dies erhöht den Wärmeübergang zum Druckmesskanal und verhindert das durch das abgekühlte, über den Ablaufkanal zurückgeführte Fluid, eine Kühlwirkung auf das Medium im Druckmesskanal ausgeübt wird.

[0024] Eine noch größere Heizwirkung wird erreicht, wenn der Zulaufkanal im Pitotrohr zumindest einen der Druckmesskanäle spiralförmig umgibt, da auf diese Weise allseitig Wärme zugeführt werden kann und sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Druckmesskanal ergibt.

[0025] Eine besonders gute Wärmeverteilung und vollständige Verhinderung einer Kondensation wird dadurch erreicht, dass beiden Druckmesskanälen jeweils ein Heizkanal mit einem Zulaufkanal und einem Ablaufkanal zugeordnet sind. Somit können die Heizkanäle so platziert werden, dass beide Druckmesskanäle unmittelbar benachbart zu dem jeweiligen, ihm zugeordneten Heizkanal angeordnet sind. Durch die so herstellbaren sehr kleinen Abstände wird ein sehr großer Wärmeübergang und damit ein sehr schnelles Auflösen von Vereisungen ermöglicht. Dies ist insbesondere bei dem Pitotrohr vom Brachistochrone-Typ sinnvoll, da dieses zwei getrennte Staurohrkörper benötigt, in denen jeweils einer der Druckmesskanäle angeordnet sind.

[0026] Vorzugsweise ist zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass ein Wärmetauscher geschaltet, über den das Fluid vom Fluidauslass zurück zum Fluideinlass strömt und über den somit der Heizfluidkreis geschlossen wird. Uber den Wärmetauscher kann dann immer neu Wärme in das System und zu den Druckmesskanälen eingebracht werden.

[0027] Es wird somit eine Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung geschaffen, die dadurch unempfindlich gegen gefrierendes Wasser wird, dass sowohl ein Eindringen von Wasser in die Druckmesskanäle vermieden wird, als auch vorhandenes Eis schnell abgetaut wird. Der vorhandene Druckverlust wird durch Minimierung der Strömungswiderstände verringert. Des Weiteren wird eine gute Auflösung der zu messenden Volumenströme erreicht, so dass Messungen beispielsweise zwischen 10 und 1500l/min mit großer Genauigkeit durchgeführt werden können.

[0028] Drei Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Differenzdrucksensorvorrichtungen zur Volumenstrombestimmung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

[0029] Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung in einen Strömungskanal, in dem eine Druckdifferenz gemessen werden soll.

[0030] Die Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht in einen Strömungskanal mit aufgeschnittener Gehäusewand.

[0031] Die Figur 3 zeigt eine Seitenansicht einer ersten erfindungsgemäßen Differenzdrucksensorvorrichtung entsprechend Figur 2 in geschnittener Darstellung.

[0032] Die Figur 4 zeigt eine Seitenansicht einer alternativen zweiten erfindungsgemäßen Differenzdrucksensorvorrichtung in geschnittener Darstellung.

[0033] Die Figur 5 zeigt eine Seitenansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Differenzdrucksensorvorrichtung in geschnittener Darstellung.

[0034] Die erfindungsgemäße Differenzdrucksensorvorrichtung besteht aus einem Strömungskanal 10, der durch eine Gehäusewand 12 radial begrenzt wird und in dem ein Fluid strömt, dessen Volumenstrom bestimmt werden soll, indem der dynamische Anteil des wirkenden Druckes beziehungsweise der Staudruck bestimmt wird, über den bei bekannter Dichte über die Formel

Dstau = Sy? die mittlere Geschwindigkeit berechnet werden kann, welche wiederum mit dem

Querschnitt des Strömungskanals über die Formel Q = v: A in einen Volumenstrom umgerechnet werden kann, der bestimmt werden soll, oder über die Dichte in einen Massenstrom umgerechnet werden kann.

[0035] Um diesen Differenzdruck zu bestimmen ragt in den Strömungskanal 10 ein Pitotrohr 14. Dieses weist eine erste Druckmessöffnung 16 auf, die zur Strömung gerichtet ist, also über ihren gesamten Öffnungsquerschnitt orthogonal angeströmt wird. Bei der Ausführung des Pitotrohres als Staurohr weist dieses eine zweite Druckmessöffnung 18 auf, die entweder strömungsabgewandt angeordnet ist, oder einen OÖffnungsquerschnitt aufweist, der senkrecht zur Strömung liegt. In beiden Fällen liegt an der zweiten Druckmessöffnung 18 lediglich ein statischer Druck an, während an der ersten Druckmessöffnung 16 der Gesamtdruck, der aus dem statischen und dem dynamischen Anteil besteht, anliegt. Die gemessene Druckdifferenz ergibt entsprechend ein Maß für den dynamischen Anteil des Druckes beziehungsweise den Staudruck im Strömungskanal 10 und somit ein Maß für die Geschwindigkeit der Strömung im Strömungskanal 10. Bei der Ausführung des Pitotrohres als Düse weist diese eine strömungszugewandte erste Druckmessöffnung und eine strömungsabgewandte Öffnung auf, an der die Düse endet.

[0036] Die erste Druckmessöffnung 16 führt im Falle des Staurohres in einen ersten, sich orthogonal zur Druckmessöffnung 16 und somit entlang der Länge des Pitotrohres 14 und orthogonal zur Mittelachse des Strömungskanals 10 erstreckenden Druckmesskanal 20, der an einem Differenzdruckmessgerät 22 mündet. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Drucktransmitter oder Druckmessumformer handeln, an dem der im Druckmesskanal 20 wirkende Druck in eine Messkammer wirkt, die durch eine Membran begrenzt ist, die durch den auf sie wirkenden Druck ausgelenkt wird, wobei die Auslenkung in eine Spannung umgewandelt wird, die wiederum ein Maß für den anliegenden Druck ist.

[0037] Die zweite Druckmessöffnung 18 führt in einen zweiten, sich ebenfalls orthogonal zur Druckmessöffnung 18 und somit entlang der Länge des Pitotrohres 14 und orthogonal zur Mittelachse des Strömungskanals 10 erstreckenden Druckmesskanal 24, der somit parallel zum ersten Druckmesskanal 20 verläuft und ebenfalls am Differenzdruckmessgerät 22 mündet. Bei Verwendung eines Drucktransmitters kann der Druck aus dem zweiten Druckmesskanal 24 beispielweise in eine zweite Messkammer geleitet werden, die ebenfalls durch die Membran begrenzt ist, jedoch an der gegenüberliegenden Seite der Membran wirkt, so dass die Auslenkung der Membran ein Maß für die anliegende Druckdifferenz ist. Selbstverständlich können aber auch andere Druckmessgeräte 22 verwendet werden.

[0038] Im Falle der Düse als Pitotrohr erstrecken sich die Druckmesskanäle 20, 24 aus dem vorderen weiten Querschnitt und dem engsten Querschnitt der Düse jeweils orthogonal zur Mittelachse der Düse.

[0039] Die Gehäusewand 12 wird mit dem Pitotrohr und den darin ausgestalteten Druckmesskanälen 20, 24 durch 3D-Druck hergestellt, wodurch Kanäle mit einem Durchmesser von lediglich 1 mm hergestellt werden. Durch diese sehr kleinen Druckmessöffnungen und Druckmesskanäle wird der Strömungswiderstand im Strömungskanal 10 minimiert und die Wahrscheinlichkeit eines Eindringens von Wasser in die Druckmesskanäle deutlich reduziert, da die Oberflächenspannungen des Wassers überwunden werden müssten. Um jedoch auch eine Eisbildung an den Druckmessöffnungen 16, 18 oder in den Druckmesskanälen 20, 24 durch kondensierenden Wasserdampf und gefrierendes Wasser zu verhindern, wie es beispielsweise beim Ausschalten einer Brennstoffzelle im Wasserstoff- /Stickstoffgemisch auftreten kann, ist im Prandtl-Rohr 14 zusätzlich zumindest ein Heizkanal 26 vorgesehen.

[0040] In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2 und 3 ist das Pitotrohr 14 als Brachistochrone-Staurohr 14.1 ausgeführt. Dabei erstrecken sich in die Kanalmitte des Strömungskanals

10 zwei parallele schmale Staurohrkörper 28, 30, die über ihre Erstreckung einen im Wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt aufweisen, wobei die zueinander gewandten Seitenwände die Form einer Brachistochrone-Kurve 32 aufweisen. Am ersten Staurohrkörper 28 befindet sich die erste Druckmessöffnung 16 strömungszugewandt, während am zweiten Staurohrkörper 30, die zweite Druckmessöffnung 18 orthogonal zur Strömung im engsten Abstand zwischen den beiden Brachistochrone-Linien 32 ausgebildet ist. Entsprechend wirkt an der ersten Druckmessöffnung 16 der dynamische und der statische Druck und an der zweiten Druckmessöffnung 18 lediglich der statische Druck. Durch beide Staurohrkörper 28, 30 erstreckt sich zur Gehäusewand 12 jeweils ein Druckmesskanal 20, 24. Die beiden Druckmesskanäle 20, 24 münden an Druckmessstutzen 34, 36, die mit dem Differenzdruckmessgerät 22 verbunden sind.

[0041] Insbesondere in der Figur 2 ist zu erkennen, dass sich parallel zum Druckmesskanal 20 der Heizkanal 26 erstreckt. Dieser ist im vorliegenden Fall als Fluidheizkanal ausgebildet und weist einen ersten Fluideinlass 38 auf, der sich durch die Gehäusewand 12 erstreckt und von dem aus sich ein Zulaufkanal 40 durch den ersten Staurohrkörper 28 erstreckt. Im Endbereich des Staurohrkörpers 28 weist der Heizkanal 26 eine Umkehrung auf und geht in einen ersten Ablaufkanal 42 über, der wiederum mit einem ersten Fluidauslass 44 verbunden ist, der sich ebenfalls durch die Gehäusewand 12 nach außen erstreckt und dort über einen Wärmetauscher 46 mit dem ersten Fluideinlass 38 verbunden ist. Somit kann über den Wärmetauscher 46, den ersten Zulaufkanal 40 und den ersten Ablaufkanal 42 Heizfluid im Kreis geführt werden und diesem über den Wärmetauscher 46 stetig Wärme zugeführt werden. Diese Wärme wird im Staurohrkörper zum ersten Druckmesskanal 20 weitergeleitet und verhindert dort eine Eisbildung oder löst eine solche auf.

[0042] In der Figur 1 ist zu erkennen, dass an der Gehäusewand 12 noch ein zweiter Fluideinlass 48 und ein zweiter Fluidauslass 50 ausgebildet sind, die ebenfalls mit dem Wärmetauscher 46 verbunden sind und in einen zweiten Zulaufkanal 52 und in einen zweiten Ablaufkanal 54 münden, die wiederum miteinander verbunden sind und zwar im zweiten Staurohrkörper 30. Der zweite Zulaufkanal 52 erstreckt sich auch hier parallel zum zweiten Druckmesskanal 24 und in unmittelbarer Nähe von diesem, so dass ein guter Wärmetransport besteht. Der zweite Zulaufkanal 52 erstreckt sich entsprechend zwischen dem zweiten Ablaufkanal 54 und dem zweiten Druckmesskanal 20, wie in Figur 3 ersichtlich ist.

[0043] Eine alternative Ausgestaltung ist in der Figur 4 zu erkennen. Das Pitotrohr 14 ist hier als Staurohr 14.2 mit einem sich in den Kanal erstreckenden Staurohrkörper 28 ausgebildet, der eine zur Strömung gewandte ersten Druckmessöffnung 16 und eine abgewandte Druckmessöffnung 18 aufweist, die in die entsprechenden Druckmesskanäle 20, 24 münden und keine fluidische Verbindung zueinander aufweisen. In dieser Ausführung ist zwischen den beiden Druckmesskanälen 20, 24 ein Heizkanal 26 ausgebildet, in dem eine Heizpatrone 56 oder ein Heizwiderstand angeordnet ist. Dieser wird elektrisch beheizt und sorgt ebenfalls über Wärmeleitung dafür, dass sich in den Druckmesskanälen 20, 24 kein Eis bilden kann, beziehungsweise dieses vor dem Starten der Messungen aufgelöst werden kann.

[0044] Eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung ist in der Figur 5 dargestellt. Das Pitotrohr ist hier als Laveldüsenrohr ausgebildet, so dass der erste Druckmesskanal 20 aus dem ersten Abschnitt mit weitem Querschnitt in der Lavaldüse 58 abzweigt und der zweite Druckmesskanal 24 aus dem engsten Querschnitt der Lavaldüse 58 abzweigt, so dass sich zwischen den beiden Druckmesskanälen 20, 24 in bekannter Weise eine Druckdifferenz des gemessenen statischen Drucks ergibt, die ein Maß für den dynamischen Druck ist. Beide Druckmesskanäle sind von einem spiralförmigen Heizkanal 26 umgeben. Hierbei handelt es sich jeweils um einen ersten spiralförmigen Zulaufkanal 40, der den ersten Druckmesskanal 20 umgibt und einen zweiten spiralförmigen Zulaufkanal 52, der den zweiten Druckmesskanal 24 umgibt. Der erste Zulaufkanal 40 mündet in den ersten Ablaufkanal 42, der zum Fluidauslass 44 führt und der zweite Zulaufkanal 52 mündet am zweiten Fluidauslass 50, die wiederum mit dem Wärmetauscher 46 und über diesen mit den Fluideinlässen 38, 48 verbunden sind.

[0045] In allen Ausgestaltungen kann den Druckmesskanälen und Druckmessöffnungen so viel

Wärme zugeführt werden, dass eine Eisbildung verhindert werden, beziehungsweise vorhandenes Eis aufgelöst werden kann. So kann die erfindungsgemäße Differenzdrucksensorvorrichtung auch bei niedrigen Temperaturen und sowohl als stationäre, als auch als mobile Vorrichtung beispielswiese an Brennstoffzellen und zur Messung von Gasgemischen wie Wasserstoff und Stickstoff genutzt werden.

[0046] Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere können neben verschiedenen weiteren möglichen Formen zur Ausführung des Pitotrohres auch die verschiedenen Heizkanäle mit den verschiedenen Pitotrohren frei kombiniert werden.

Claims (17)

Patentansprüche

1. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung mit einem Strömungskanal (10), der durch eine Gehäusewand (12) radial begrenzt ist, einem Pitotrohr (14), welches in den Strömungskanal (10) ragt und eine Druckmessöffnung (16) aufweist, die zur Strömung gerichtet ist und zwei Druckmesskanäle (20, 24) aufweist, die im Pitotrohr (14) ausgebildet sind, und mit einem Differenzdruckmessgerät (22) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im in den Strömungskanal (10) ragenden Pitotrohr (14) zumindest ein Heizkanal (26) ausgebildet ist.

2, Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (26) von einem Fluid zur Konditionierung durchströmt ist.

3. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gehäusewand (12) zumindest ein Fluideinlass (38; 48) und zumindest ein Fluidauslass (44; 50) ausgebildet sind, die mit dem Heizkanal (26) verbunden sind.

4. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizkanal (26) eine elektrische Heizpatrone (56), ein elektrischer Heizdraht oder ein elektrischer Heizwiderstand angeordnet sind.

5. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pitotrohr (14) ein Staurohr (14.2) ist und eine zweite, strömungsabgewandte DruckmessÖffnung (18) aufweist, die von der ersten Druckmessöffnung (16) fluidisch getrennt ist und in den zweiten Druckmesskanal (24) mündet.

6. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außengeometrie des Pitotrohrs im Querschnitt als Brachistochrone-Kurve ausgebildet ist.

7. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pitotrohr (14) als Lavaldüsenrohr (14.3) ausgebildet ist.

8. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (12) mit dem Pitotrohr (14) einstückig durch 3D-Druck hergestellt sind.

9. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesskanäle (20, 24) einen Durchmesser von 0,5 bis 2mm aufweisen.

10. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (26) einen Durchmesser von 0,5 bis 2mm aufweist.

11. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Heizkanal (26) parallel zu den Druckmesskanälen (20, 24) angeordnet ist.

12. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Heizkanal (26) je einen vom zumindest einen Fluideinlass (38; 48) in das Pitotrohr (14) ragenden Zulaufkanal (40; 52) und je einen zum zumindest einen Fluidauslass (44; 50) führenden Ablaufkanal (42; 54) aufweist, die miteinander verbunden sind.

13. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (40; 52) im Pitotrohr (14) parallel zu den Druckmesskanälen (20, 24) angeordnet ist.

14. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (40; 52) zwischen dem Druckmesskanal (20; 24) und dem Ablaufkanal (42; 54) ausgebildet ist.

15. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (40; 52) im Pitotrohr (14) zumindest einen der Druckmesskanäle (20, 24) spiralförmig umgibt.

16. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beiden Druckmesskanälen (20, 24) jeweils ein Heizkanal (26) mit einem Zulaufkanal (40, 52) und einem Ablaufkanal (42, 54) zugeordnet sind.

17. Differenzdrucksensorvorrichtung zur Volumenstrombestimmung nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fluideinlass (38; 48) und dem Fluidauslass (44; 50) ein Wärmetauscher (46) geschaltet ist, über den das Fluid vom Fluidauslass (44; 50) zurück zum Fluideinlass (38; 48) strömt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen