DE10044659A1

DE10044659A1 - Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten

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Publication number: DE10044659A1
Application number: DE2000144659
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-02
Filing date: 2000-09-02
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2020-09-03
Also published as: DE10044659B4

Abstract

Mit dem neuen Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten lassen sich ohne Auswertung eines Differenzdruckes der öl- und wasserhydraulische Volumenstrom und seine überlagerten Volumenpulsationen direkt in einer Rohrleitung messen. Der Volumenstromsensor besteht aus einem Sensorblock mit zwei Adaptern, an die die auszumessende Rohrleitung angepasst wird. Eine im Sensorblock befindliche Rohrbohrung ist mit mindestens einem in senkrechter Richtung zum Duchfluss befindlichen Hohlröhrchen mit Schlitzöffnung und mit mindestens einer radial mündenden Randdrucköffnung verbunden. Beide Öffnungen werden über Kanäle von beiden Seiten mit einem Messkörper verbunden, der sich in einer Spule gleitend bewegen kann und der kraftschlüssig eingespannt ist. Der Durchfluss erzeugt durch die Kraftwirkung der Druckdifferenz eine Auslenkung des Messkörpers, dessen Weg mit einem Wegsensor gemessen wird und ein Maß für den Volumenstrom darstellt. Der überlagerte axial pulsierende Volumenstrom bringt kontinuitätsbedingt den Messkörper deswegen unverfälscht synchron zum volumenproportionalen Pulsieren, weil die Fluidpulsation dem Durchfluss radial wieder zugemischt wird.

Description

Volumenstromsensoren für Druckflüssigkeiten werden in der Öl- und Wasserhydraulik zur Messung des Volumenstromes und in seltenen Fällen auch zur Messung der ihm überlagerten Volumenpulsationen eingesetzt.

Mit dem seit etwa einhundert Jahren bekannten Prandtl'schen Staurohr, beschrieben z. B. in der Literatur von W. Bohl "Technische Strömungslehre", Vogelverlag 1991, ist die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids z. B. in einem Rohr aus der Messungen des Staudruckes in Axialrichtung und des statischen Druckes an der Rohrwand möglich. Die Differenz zwischen Staudruck und statischem Druck ergibt bekanntlich nach Bernoulli den dynamischen Druck, der identisch ist mit dem Quadrat der gesuchten Geschwindigkeit, geteilt durch den Faktor zwei und durch die Fluiddichte. Der Volumenstrom und seine überlagerten Pulsationen müssen durch ein schrittweises Abtasten mit dem Prandtl'schen Staurohr des im Rohrquerschnitt vorhandenen Geschwindigkeitsprofils bestimmt werden. Wird diese beschriebene Messmethode in der Öl- und Wasserhydraulik bei Druckflüssigkeiten angewendet, dann sind zur Bestimmung des Volumenstromes ein im Rohr druckfest radial verstellbares Prandtl'sches Staurohr und ein ebenfalls druckfestes Differenzdruckmanometer mit Magnetkolbenmesswerk zum direkten Messen des dynamischen Druckes erforderlich.

Da in der Öl- und Wasserhydraulik Betriebsdrücke bis zu 400 bar und mehr technisch beherrscht werden müssen, die meist verwendeten Rohrleitungsdurchmesser aber im Bereich zwischen nur etwa 4 bis 50 mm liegen, bedeutet die mit dem Prandtl'schen Staurohr beschriebene prinzipiell einfache Messmethode durch die geforderte radiale Abtastung und die technisch relativ aufwendige Differenzdruckmessung einen sehr unpraktischen Eingriff in das Leitungssystem. Zusätzlich müssen aus bei verschiedenen Entfernungen vom Rohrmittelpunkt gemessenen Druckdifferenzen die zugehörigen Profilgeschwindigkeiten berechnet und durch Integration dieses so bestimmten gemessenen Geschwindigkeitsprofils wiederum der Volumenstrom berechnet werden. Außerdem macht die notwendige Zeit für die radiale Abtastung eine Momentanmessung des Volumenstromes und damit auch die Messung des in der Regel kurzzeitig pulsierenden Volumenstromes unmöglich. Wird auf das Abtasten verzichtet, kann nur an einer Stelle, in der Regel in Achsmitte, der dynamische Druck gemessen werden. Seine überlagerte Pulsation läßt sich mit den viel zu masseträgen Magnetkolbenmesswerken nicht erfassen. Druckfeste preiswerte industrielle hochdynamische Druckdifferenzmesser sind nicht bekannt.

Aus den Mängeln ergeben sich folgende technische Aufgabenstellungen. Die relativ kleinen Rohrleitungsdurchmesser zwischen 4 und 50 mm verlangen eine miniaturisierte Entnahme des Gesamtdruckes innerhalb des Rohrquerschnittes, ohne diesen wesentlich zu verengen. Um die aufwendigen Berechnungen des Volumenstromes aus den radial abgetasteten Differenzdrücken, deren Umrechnung auf die radienabhängigen Einzelgeschwindigkeiten, deren Integration über dem Querschnitt und schließlich daraus die Berechnung des Volumenstromes zu vermeiden, soll der Volumenstrom möglichst direkt messbar werden. Nur wenn es gelingt, den Volumenstrom direkt und momentan zu messen, wird prinzipiell auch eine direkte Messung der überlagerten Volumenstrompulsation möglich. Die Konstruktion soll eine aufwendige Differenzdruckmessung vermeiden und direkt ein Messsignal für den Volumenstrom und die überlagerten Pulsationen liefern. Der Durchflusssensor soll druckfest sein und problemlos in Druckleitungen eingebaut werden können.

Die Erfindung läßt sich wie folgt beschreiben:
Kernstück des Sensors für Druckflüssigkeiten sind ein schmales Hohlröhrchen mit axialer Schlitzfläche und radial mündende Randdrucköffnungen, die beide über Kanäle und einen gleitend beweglichen und kraftschlüssig eingespannten Körper verbunden sind.

In mindestens einer radialen Achse des Rohrleitungsquerschnittes wird ein möglichst schmales hohles Röhrchen gesetzt. Der zu messende Volumenstrom trifft auf dieses und erzeugt entlang der gesamten radialen Achse einen über diese gemittelten Gesamtdruck. Das Röhrchen wird längs der gesamten radialen Achse mit einem Schlitzquerschnitt versehen, so dass der gemittelte Gesamtdruck des Fluids auch im Inneren des Röhrchens wirkt und an mindestens einem seiner Enden entnommen werden kann. Möglichst nahe an der Ebene des Röhrchens ist auch mindestens eine Entnahmestelle am Rohrrand für den statischen Druck vorzusehen. Der zwischen den beiden Entnahmestellen für den Gesamtdruck und für den statischem Druck herrschende Differenzdruck wird verursacht durch eine im Schlitzquerschnitt über das gesamten Geschwindigkeitsprofil automatisch gemittelte Geschwindigkeit.

Diese Betrachtungsweise überwindet herkömmliche Fachvorstellungen von einem Staurohr, da bei diesem immer eine zentrierte Messbohrung vorausgesetzt wird.

Das mit einem Schlitzquerschnitt versehene Röhrchen misst bereits automatisch entlang der Achse den der mittleren Geschwindigkeit entsprechenden Gesamtdruck. Aus der Differenz zwischen Gesamtdruck und statischem Druck ließe sich nach der Bernoulligleichung aus dem quadratischem Zusammenhang zur mittleren Geschwindigkeit direkt der Volumenstrom ohne umständliche Profilabtastung berechnen. Die Entnahmestelle für den gemittelten Gesamtdruck und die Entnahmestelle für den statischen Druck sind im Inneren des Sensors über Kanäle so miteinander verbunden, dass auch dieser Umweg eingespart werden kann. Um einen hydraulischen Kurzschluss zu vermeiden, wird ein Messkanal zwischengeschaltet, in dem sich ein dicht abschließender aber trotzdem leicht verschiebbarer kleiner Messkörper mit kleinem Querschnitt und sehr geringer Masse kraftschlüssig z. B. zwischen zwei Federn eingespannt befindet, der die beiden Entnahmestellen voneinander fluidisch trennt.

Diese Trennung beider Kanäle durch eine bewegliche Doppelfläche hat den Effekt, dass der vom Schlitzquerschnitt des Messröhrchens gestaute Volumenstromanteil über die mit der axial zur Anströmrichtung gerichteten Entnahmestelle den Gesamtdruck über den Verbindungskanal auf die diesem zugewandte Fläche des Messkörpers leitet. Die entgegengesetzte Fläche des Messkörpers ist über den anderen Kanal mit der radial, also senkrecht zur Strömung gerichteter Entnahmestelle des statischen Druckes verbunden.

Eine axiale Pulsation des Volumenstromes in der Rohrleitung bewirkt, dass das axial in die Schlitzfläche des Röhrchens eintretende pulsierende Volumen auf die zugewandte kleine Fläche des Messkolbens trifft und diesen überraschend plausibel nach der Kontinuitätsbeziehung in eine genau proportional zur Volumenpulsation pulsierende Messbewegung versetzt. Die gegenüberliegende ebenso kleine Fläche des pulsierenden Messkolbens verdrängt die Flüssigkeit im radial auslaufenden Kanal synchron pulsierend. Da diese Pulsationen aber radial am Rohrand und dadurch ausreichend entfernt von der aufnehmenden Schlitzfläche nur in die Randströmung austreten, ist eine Rückkopplung auf die zu messende axiale Volumenpulsation nicht feststellbar. Die Amplituden der Volumenpulsation und damit auch die des Messkolbenweges und damit auch die Messverstärkung wachsen mit dem Verhältnis von Schlitzquerschnitt des Messröhrchen zum Messquerschnitt des Messkolbens und ebenso mit geringer werdender Einspannkraft und ebenfalls mit geringerer Reibung des Messkörpers.

Die zeitliche Ableitung des Pulsationsweges kann als Pulsationsgeschwindigkeit des z. B. als Permanentmagnet ausgeführten Messkolbens berührungslos über Induktionsspulen in messbare Induktionsspannungen umgewandelt werden. Damit läßt sich die gesuchte Volumenstrompulsation sehr einfach direkt messen.

Der mittlere Volumenstrom, also nicht die überlagerte Pulsation, verursacht nach dem Gesetz von Bernoulli den mittleren Differenzdruck zwischen der axialen und der radialen Druckentnahme. Nach dem Pascalschen Gesetzt erzeugt der Gesamtdruck an der zugewandten Fläche des Messkolbens die Gesamtdruckkraft und der statische Druck an der anderen Fläche des Messkolbens die statische Druckkraft. Der Differenzdruck erzeugt also eine Kraftdifferenz, die den Messkolben mit wachsendem Volumenstrom zunehmend gegen die einspannende Kraft bewegt. Dieser Messkolbenweg ist ein Maß für den Volumenstrom und er kann berührungslos z. B. mit magnetoresistiven Magneten gemessen werden. Die Messverstärkung ist umso größer, je größer die Stirnflächen des Messkolbens und je kleiner die Einspannkraft des Kolbens ist.

Um die Messversärkung sowohl für die Messung der Volumenpulsation als auch für die Messung des Volumenstromes selbst groß zu halten, sollten der Messkolben möglichst leicht und die Einspann- und Reibkräfte möglichst klein gehalten werden. Bei Vorrang der Pulsationsmessung sind auch die Flächen des Messkolbens möglichst klein zu halten. Sollte im selben Sensor zusätzlich eine Volumenstrommessung erforderlich sein, kann ein zweiter Messkörper radial versetzt in der selben Ebene angeordnet werden mit einem Messkolben mit entsprechend größeren Stirnflächen.

Die verbindenden Kanäle zu den axialen und radialen Druckentnahmestellen erlauben im Bedarfsfall das zusätzliche Anbringen von externen Sensoren zur Messung von Druck und Temperatur z. B. zum Zwecke der Kalibrierung.

Folgende Vorteile lassen sich durch die Erfindung realisieren:
Durch die Verwendung eines hohlen Röhrchens, das auf der Zuströmseite mit einer Schlitzfläche versehen ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit verblüffend einfach automatisch über den Querschnitt gemittelt. Durch die Verwendung eines Messeinsatzes mit einem beweglichen kraftschlüssig eingespannten Messkolben mit zwei konstruktiv vertretbar kleinen voneinander getrennten Stirnflächen kann nach dem Kontinuitätsprinzip die Volumenpulsation direkt in eine messbare Pulsation des Kolbens gewandelt werden. Ein gleicher Messeinsatz mit zwei konstruktiv vertretbar größeren voneinander getrennten Stirnflächen nutzt die Wirkung des Pascalschen Gesetzes durch Wandlung der Druckdifferenz in eine Kraftdifferenz, die den Messkolben gegen die Einspannkraft um ein Wegstück verschiebt. Diese Wegänderung ist ein Maß für den Volumenstrom.

Die Konstruktion erlaubt den Einbau des neuen Sensors problemlos und drucksicher auch bei kleineren in der Öl- und Wasserhydraulik üblichen Rohrdurchmessern. Durch die automatische Mittelung des Strömungsprofils entfällt die Notwendigkeit der Abtastung des Strömungsprofiles. Die Nutzung eines Messeinsatzes, bestehend aus einem kraftschlüssig eingespannten frei beweglichen Messkörper, erübrigt die Verwendung eines Differenzdruckmessers. Da Volumenpulsationen und der Volumenstrom mit dem Messeinsatz direkt gemessen werden können, entfällt die aufwendige Umrechnung von Druck in Geschwindigkeit und weiter in den Volumenstrom, ganz davon abgesehen, dass die Messung der Volumenpulsationen mit dem Prandtl'schen Staurohr wegen der zugehörigen Profilabtastung praktisch nicht möglich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand des in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles eines Volumenstromsensors für Druckflüssigkeiten näher erläutert.

Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Rohrbohrung 20 in einem Sensorblock 2, der über zwei Adapter 1 in eine Rohrleitung eingebaut werden kann. Als wesentliche Einbauteile im Sensorblock 2 sind ein Hohlröhrchen 3 mit axialer Schlitzfläche 4 und ein Messeinsatz zu erkennen. Der Messeinsatz besteht aus der Spule 8, auf der sich außen Induktionswindungen 9 und magnetoresistive Wegaufnehmer 16 befinden und die innen einen Kanal 10 enthält, in dem sich ein zwischen zwei Federn 11 kraftschlüssig eingespannter formschlüssig axial bewegbarer Permanentmagnet 14 befindet. Die beiden Federn 11 stützen sich gegen zwei an der Spule 8 befestigte Scheiben 12 ab.

Über die beiden Adapter 1 wird der Sensorblock 2 in eine Rohrleitung eingebaut, in der eine Druckflüssigkeit von links nach rechts axial in Pfeilrichtung fließt. Es soll der Volumenstrom und die diesem überlagerte Volumenstrompulsation gemessen werden. Ein in senkrechter Richtung geschlitztes Hohlröhrchen 3 ist mit der Schlitzöffnung 4 auf die Strömung gerichtet, so dass die auf die Schlitzfläche 4 wirkende automatisch gemittelte mittlere Geschwindigkeit im Röhrchen einen mittleren Gesamtdruck erzeugt. Dieser wird in den Kanal 5 geleitet. In möglichst geringer Entfernung vom Hohlröhrchen 3 ist am Rohrrand, wo die Strömungsgeschwindigkeit den Wert Null annimmt, eine Randdrucköffnung 19 mit einem Kanal 6 verbunden.

Eine größere Bohrung 7 ermöglicht den Einschub der zum beschriebenen Messeinsatz gehörenden Spule 8, auf der Induktionswindungen 9 aufgebracht sind. Außerdem befinden sich in der Spulenmitte magnetoresistive Wegaufnehmer 16. Ein Kanal 10 im Innern der Spule nimmt formschlüssig den Permanentmagneten 14 auf, der zwischen zwei Federn 11 kraftschlüssig eingespannt ist und die beiden Stirnflächen 17 und 18 besitzt. Beide Federn werden von zwei abnehmbaren Scheiben 12 mit je einem kurzen Kanal 13 zentriert. Die linke Stirnfläche 17 des Permanentmagneten 14 ist über die Kanalstücke 15 und 5 mit der axial beaufschlagten Schlitzöffnung 4 verbunden, die vom automatisch gemittelten Gesamtdruck beaufschlagt wird. Die rechte Stirnfläche 18 des Permanentmagneten 14 ist über die Kanäle 13 und 6 mit der radialen Randdrucköfihung 19 verbunden, an der der statische Druck anliegt. Mit wachsendem Volumenstrom wächst die Differenz zwischen dem Gesamtdruck in der axialen Schlitzöffnung 4 und dem statischen Druck an der radialen Randdrucköfihung 19, so dass über die Stirnflächen 17 und 18 des Permanentmagnet 14 nach dem Gesetz von Pascal auch die Differenzkraft größer wird, so daß sich der Permanentmagneten 14 nach rechts gegen die Kraft der Federn 11 bewegt. Der zurückgelegte Weg ist ein Maß für den Volumenstrom, der durch Spannungsänderung am magnetoresistiven Wegaufnehmer 16 berührungslos bestimmt werden kann.

Ist der Volumenstrom von Pulsationen überlagert, dann bewirkt das Kontinuitätsgesetz ein Pulsieren des zwischen der Schlitzöffnung 4 in den Kanälen 5 und 1 5 bis zur Stirnfläche 17 eingeschlossenen Volumens ein synchrones Mitpulsieren des Permanentmagneten 14. Dieser induziert berührungslos in den Induktionswindungen 9 proportional zu seiner Pulsations geschwindigkeit eine Messspannung, die der zu messenden Volumenstrompulsation genau proportional ist.

Der die Induktionswindungen 9, den magnetoresistiven Wegaufnehmer 16 und den Permanentmagneten 14 enthaltende Messeinsatz ermöglicht es, sowohl den Volumenstrom als auch eine überlagerte Volumenpulsation mit überraschend geringem Aufwand auf ungewohnte Weise zu messen. Er ist leicht austauschbar und daher zur Anpassung an geänderte Versuchsbedingungen gut geeignet. Die Kanäle 5 und 6 sind mit Verschlüssen 21 verschließbar, die der Entlüftung dienen und die auch durch Druck oder Temperatursensoren ersetzt werden können. Die Messsignalleitungen 22 lassen sich an eine Auswertungseinheit 23 wie z. B. einen PC anschließen.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Adapter

2

Sensorblock

3

Hohlröhrchen

4

Schlitzfläche

5

Kanal

6

Kanal

7

Bohrung

8

Spule

9

Induktionswindungen

10

Kanal

11

Feder

12

Scheibe

13

Kanal

14

Permanentmagnet

15

Kanal

16

Magnetoresistiver Wegaufnehmer

17

Stirnfläche

18

Stirnfläche

19

Randdrucköffnung

20

Rohrbohrung

21

Verschluss

22

Messsignalleitung

23

Auswertungseinheit

Claims

1. Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten insbesondere für die Öl- und Wasserhydraulik, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstromsensor aus einem über Adaptern (1) an die auszumessende Rohrleitung anzupassenden Sensorblock (2) mit mindestens einem in senkrechter Richtung zum Durchfluss befindlichen Hohlröhrchen (3) mit Schlitzöfihung (4) und mindestens einer radial mündenden Randdrucköffnung (19), die über Kanäle (5), (13), (15) und einen gleitend beweglichen und kraftschlüssig eingespannten Körper verbunden sind, bestehen.

2. Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzöfihung (4) das Hohlröhrchen (3) eine vom Rechteck abweichende Form hat.

3. Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randdrucköffnungen (19) zum Hohlröhrchen (3) in geringster Entfernung am Rohrrand angeordnet sind.

4. Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzöffnung (4) des Hohlröhrchen (3) und die Randdrucköffnung (19) über den beweglichen Körper mit einer Meßwerte aufnehmenden Auswertungseinheit (23) verbunden sind.