DE102004021303A1

DE102004021303A1 - Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102004021303A1
Application number: DE200410021303
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Lutz; Daniel Dr.sc.nat. Matter; Beat Dipl.-Ing. Kramer
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2005-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussrate eines Fluides in einem Hauptströmungsrohr mittels einem in einem Bypass angeordneten Durchflusssensor, bei dem, angetrieben durch eine Druckdifferenz DELTAp zwischen einer Bypassein- und Austrittsöffnung, von dem zu messenden Hauptstrom ein Teilstrom durch einen Bypasskanal geleitet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen des Bypasskanals teilweise an oder in einem mit der Wand des Hauptströmungsrohres verbundenen Kanalträgerteil und teilweise an oder in der Wand des Hauptströmungsrohres verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussrate eines Fluides in einem Hauptströmungsrohr mittels eines in einem Bypass angeordneten Durchflusssensors, bei dem, angetrieben durch eine Druckdifferenz Δp zwischen einer Bypassein- und Austrittsöffnung, von dem zu messenden Hauptstrom ein Teilstrom durch einen Bypasskanal geleitet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die gemessene Durchflussrate ist dabei primär der Volumenstrom, ausgedrückt in Volumen pro Zeit. Bei Kenntnis der Dichte des fluiden Mediums und der Rohrleitungsgeometrie kann daraus auch der Massenstrom, ausgedrückt in Masse pro Zeit, errechnet werden.

Durchflussmessgeräte dienen dazu, den Durchfluss eines fluiden Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases, in einem Hauptströmungsrohr zu messen. Der eigentliche Messvorgang ist dabei die Wandlung der physikalischen Größe Durchfluss in ein technisch weiterverwertbares Signal einer anderen physikalischen Größe, beispielsweise in eine elektrische Spannung oder in eine Frequenz. Diese Wandlung geschieht in einem Durchflusssensor, welcher in einer verbreiteten Art von Durchflussmessern in einem Bypass zum Hauptströmungsrohr angeordnet ist.

Dabei wird an einer Bypasseingangsöffnung von dem Hauptstrom ein Teilstrom abgezweigt und durch eine Bypassleitung über die Bypassaustrittsöffnung stromabwärts wieder dem Hauptstrom zugeführt. Die Antriebskraft für den Teilstrom-Durchfluss ist eine Druckdifferenz Δp zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung.

In der EP 1 119 744 B1 ist ein Gaszähler für den Haushaltsbereich beschrieben, bei dem ein thermischer Strömungssensor in einem Bypasskanal eines Bypassrohres angeordnet ist, mit einer Blendenanordnung im Hauptströmungsrohr. Der Bypass ist dabei aus einem Rohr gebildet, das an der Bypassein- und Austrittsöffnung mit dem Hauptströmungsrohr verbunden ist.

Bypass-basierte Durchflussmessgeräte sind in der Herstellung recht aufwändig, weil eine Vielzahl von Fertigungsschritten nötig ist. Unter anderem wird das Bypassrohr zunächst als separates Bauteil gefertigt und muß dann mit dem Hauptströmungsrohr an der Bypassein- und Austrittsöffnung mechanisch verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen. Dann werden der Strömungssensor im und die Auswerteelektronik am Bypassrohr angebracht, und am Schluss wird noch ein Bypassgehäuse mit den Anschluss- und gegebenenfalls Anzeigeeinrichtungen an dem Hauptströmungsrohr angebracht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Durchflussmessgerät zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere einfacher und kostengünstiger zu fertigen ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Durchflussmessgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Eine weitere Lösung der Aufgabe ist durch ein Durchflussmessgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 15 gegeben.

Erfindungsgemäß also verlaufen die Begrenzungsflächen des Bypasskanals teilweise an oder in einem mit der Wand des Hauptströmungsrohres verbundenenl, Kanalträgerteil und teilweise an oder in der Wand des Hauptströmungsrohres.

Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass die Wand des Hauptströmungsrohres in die Bildung des Bypasskanales mit einbezogen ist. Der Bypass ist also kein separates Bauteil, das an das Hauptströmungsrohr angesetzt und mit diesem verbunden wird, sondern die Wand des Hauptströmungsrohres ist integraler Bestandteil des Bypasses. Ergänzt wird der an oder in der Wand des Hauptströmungsrohres verlaufende Teil des Bypasskanales durch ein Kanalträgerteil, das mit der Wand des Hauptströmungsrohres verbunden wird. Der Bypasskanal entsteht also im Moment des Verbindens von Kanalträgerteil und Hauptströmungsrohr. Die Ferti gungsschritte „Erzeugen eines Bypasskanals" und „Anbringen des Bypasskanals an dem Hauptströmungsrohr" fallen zusammen, insgesamt wird also die Fertigung einfacher.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Bypasskanal aus einer rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen korrespondierenden, Ausnehmung in dem Kanalträgerteil und dem bei Befestigung des Kanalträgerteils auf dem Hauptströmungsrohr mit der Ausnehmung korrespondierenden Teil der Wand des Hauptströmungsrohres gebildet.

Bei einer solchen Ausführungsform ist von Vorteil, dass die Wand des Hauptströmungsrohres wenig bearbeitet werden muß, allenfalls muß sie möglicherweise geglättet werden. Eine Rinne in einem Kanalträgerteil ist, beispielsweise durch Fräsen, recht einfach und präzise herstellbar. Zur Herstellung des Bypasskanal benötigt man bei einem erfindungsgemäßen Aufbau des Durchflussmessers im wesentlichen nur zwei Arbeitsschritte, nämlich erstens das Herstellen der Rinne im Kanalträgerteil, und zweitens das Verbinden des Kanalträgerteils mit der Wand des Hauptströmungsrohres an der entsprechenden Stelle.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Bypasskanal aus einer ersten, rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen korrespondierenden, Ausnehmung in der Wand des Hauptströmungsrohres und einer bei Befestigung des Kanalträgerteils auf dem Hauptströmungsrohr mit dieser ersten Ausnehmung korrespondierenden zweiten, rinnenförmigen, Ausnehmung in dem Kanalträgerteil gebildet. Hier wird der Querschnitt des Bypasskanals durch die beiden Teil-Querschnitte der Kanalteile in der Wand der Hauptströmungsrohres und im Kanalträgerteil bestimmt, was zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Bypasskanalquerschnittes eröffnet.

In einer dritten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Bypasskanal aus einer rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen korrespondierenden, Ausnehmung in der Wand des Hauptströmungsrohres und dem bei Befestigung des Kanalträgerteils auf dem Hauptströmungsrohr mit dieser Ausnehmung korrespondierenden Teil des Kanalträgerteils gebildet. Vorteilhaft ist hierbei, dass das Kanalträgerteil im Bereich des Bypasskanals nicht oder nur wenig bearbeitet werden muß, allenfalls muß es möglicherweise geglättet werden.

Die Außenwand des Hauptströmungsrohres kann in einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform im Bereich des Bypasskanals abgeflacht sein. Dann ist auch die korrespondierende Teilfläche des Kanalträgerteils dort entsprechend flach. Das Einbringen von rinnenartigen Vertiefungen, wie oben beschrieben, in flache Teilflächen ist besonders einfach und effizient auf herkömmlichen Werkzeugmaschinen durchführbar. Auch das passgenaue Aneinanderfügen bei der Befestigung des Kanalträgerteils auf der Wand des Hauptströmungsrohres ist einfacher, wenn korrespondierende Teilflächen flach sind. Dann kann nämlich wesentlich leichter eine – für die Entstehung des Bypasskanales wichtige – gasdichte Verbindung zwischen dem Kanalträgerteil und der Wand des Hauptströmungsrohres hergestellt werden als zwischen gewölbten Flächen.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal aus einer rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen korrespondieren, Ausnehmung in einem mit der Wand des Hauptströmungsrohres verbundenem Kanalträgerteil und einer Rinnenabdeckung gebildet ist. Bei dieser Lösung ist die Wand des Hauptströmungsrohres nicht an der Bildung des Bypasskanales beteiligt, folglich sind überhaupt keine besonderen Anforderungen an ihre Oberflächenbeschaffenheit zu stellen.

Das Kanalträgerteil kann eine der Oberflächenkontur des Hauptströmungsrohres angepasste Befestigungsseite und eine dieser gegenüberliegende, die rinnenartige Ausnehmung aufnehmende, Kanalseite aufweisen. In dieser Ausführungsform ist die Verbindung zwischen dem Kanalträgerteil und dem Hauptströmungsrohr auf einfache Weise durch Formschluss herstellbar.

Außerdem kann der Bypasskanal durch ein an die Wand des Hauptströmungsrohres oder das Kanalträgerteil angeformtes Trennelement zumindest bereichsweise in nebeneinander verlaufende Teilkanäle unterteilt sein. Dies ist bei manchen Durchflusssensorausführungsformen vorteilhaft, insbesondere bei solchen, die eine Mess- und eine Referenzstrecke benötigen. Die Referenzstrecke kann dann durch einen mittels eines Trennelementes abgetrennten Teil des Bypasskanals gebildet sein. Die vorteilhafte Funktion der Teilkanäle kann auch in strömungsmechanischer Hinsicht darin be stehen, dass im Bereich der Teilkanäle die Bypassströmung so geformt wird, dass die Messung mit dem thermischen Strömungssensor optimal vorgenommen werden kann. Insbesondere können die Teilkanäle laminierend auf die Bypassströmung wirken. Der Strömungssensor kann dann in nur einem der Teilkanäle oder vor oder nach dem Bereich der Teilkanäle angeordnet sein.

Der Durchflusssensor kann in besonders vorteilhafter Weise ein flächenhaftes Bauteil umfassen, das in einer entsprechenden Ausnehmung in dem Kanalträgerteil an der Kanalbegrenzungsfläche aufgenommen ist. Dann ist die Montage des Durchflusssensors ebenfalls stark vereinfacht. Das flächenhafte Bauteil wird bei der Montage des Kanalträgeteiles an der Wand des Hauptströmungsrohres mit befestigt. Es entfällt somit die Notwendigkeit eines separaten Arbeitsschrittes zur Montage des Durchflusssensors.

Sehr vorteilhaft ist der Durchflusssensor ein thermischer Strömungssensor.

Die Verbindung des Kanalträgerteils mit der Wand des Hauptströmungsrohres kann durch Verkleben oder Verschrauben erfolgen. Zur sicheren Gewährleistung einer fluiddichten Verbindung zwischen der Wand des Hauptströmungsrohres und dem Kanalträgerteil kann im Bereich der Begrenzungsflächen des Bypasskanals ein zusätzliches Dichtelement angebracht sein. Es kann sich bei dem Dichtelement beispielsweise um einen O-Ring, in einer entsprechenden O-Ring-Nut gehalten, handeln.

Weiterhin kann das Kanalträgerteil mit einem Bypassgehäuse verbunden oder integraler Bestandteil eines Bypassgehäuses sein.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung ist der Bypasskanal aus einer rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen korrespondierenden, Ausnehmung in einem mit der Wand des Hauptströmungsrohres verbundenem Kanalträgerteil und einer Rinnenabdeckung dieser Ausnehmung gebildet.

Das Kanalträgerteil kann vorteilhafterweise eine der Oberflächenkontur des Hauptströmungsrohres angepasste Befestigungsseite und eine dieser gegenüberliegende, die rinnenartige Ausnehmung aufnehmende, Kanalseite aufweisen. Die Kanalseite des Kanalträgerteils ist dabei vorteilhafterweise flach ausgebildet.

Somit kann beispielsweise die Befestigungsseite gewölbt sein mit einer der Außenwölbung des Hauptströmungsrohres angepassten Wölbungskontur, während die Kanalseite flach ist. Das Einbringen der rinnenartigen Ausnehmung in die flache Kanalseite ist mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen sehr einfach möglich.

Mit dem Kanalträgerteil kann ein Bypassgehäuse verbunden oder das Kanalträgerteil kann integrierter Bestandteil eines Bypass-Gehäuses sein.

Auch bei dieser Lösung kann der Bypasskanal durch an die Wand des Kanalträgerteils angeformte Trennelemente in nebeneinander verlaufende Teilkanäle unterteilt sein, und der Durchflusssensor kann in besonders vorteilhafter Weise ein flächenhaftes Bauteil umfassen, das in einer entsprechenden Ausnehmung in der Kanalbegrenzungsfläche aufgenommen ist.

Der Durchflusssensor kann ein thermischer Strömungssensor, insbesondere ein flächenhaft ausgebildeter, mikromechanisch aufgebauter thermischer Strömungssensor sein.

Die Verbindung des Kanalträgerteils mit der Wand des Hauptströmungsrohres kann durch Verkleben oder Verschrauben erfolgen.

Erfindungsgemäße Durchflussmessgeräte können Gas- oder Flüssigkeitsdurchflussmessgeräte sein. Das konkrete Messmedium mit seinen fluiddynamischen Eigenschaften ist für die konkrete Auslegung der Bypasskanal-Geometrie in Verbindung mit der Auswahl eines geeigneten Strömungssensors für den Bypass zu berücksichtigen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen
Anhand der Zeichnungen, in denen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, wobei der Bypasskanal durch eine rinnenartige Ausnehmung in der Wand des Hauptströmungsrohres gebildet ist,
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei der Bypasskanal durch eine rinnenartige Ausnehmung in dem Kanalträgerteil gebildet ist und das Kanalträgerteil integraler Bestandteil des Bypassgehäuses ist,
3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der der Bypasskanal aus einer rinnenartigen Ausnehmung in einem Kanalträgerteil und einer Rinnenabdeckung dieser Ausnehmung gebildet ist,
4 eine Variante der ersten Ausführungsform mit bereichsweise abgeflachtem Hauptströmungsrohr,
5 eine Ausführungsform eines für die dritte Ausführungsform geeigneten Kanalträgerteils.
6 eine weitere Variante der Erfindung, wobei der Bypasskanal durch eine rinnenartige Ausnehmung sowohl in dem Kanalträgerteil als auch in der Wand des Bypassgehäuses gebildet ist,
7 eine Variante der Ausgestaltung des Bypasskanales, und
8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Durchflusssensor auf dem Kanalträgerteil aufgebracht ist.
1 also zeigt ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät 1 mit einem Hauptströmungsrohr 6, in dessen Wand eine Bypasseintrittsöffnung 12 und eine Bypassaustrittsöffnung 14 angebracht sind.
Zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung 12, 14 ist im Hauptströmungsrohr 6 ein Wirkdruckerzeuger 40 eingebracht. Hier ist der Wirkdruckerzeuger ein Bündel von dünnen Röhren, deren Mittelachsen parallel zueinander und parallel zur Längsachse des Hauptströmungsrohres 6 ausgerichtet sind. Der Wirkdruckerzeuger könnte allerdings auch eine Blende sein, oder in einer anderen, hier nicht dargestellten Variante, eine Kombination verschiedener Strömungsformer. Der Zweck des Wirkdruckerzeugers ist es, eine Druckdifferenz Δp zwischen Bypassein- und Austrittsöffnung so aufzubauen, dass durch diese Druckdifferenz Δp ein Teilstrom des im Hauptströmungsrohr strömen den Fluides durch den Bypasskanal 10 strömt. Die Druckdifferenz Δp liegt üblicherweise in der Größenordnung einiger mbar.
Korrespondierend zu und zwischen den Bypassein- und Austrittsöffnungen 12, 14 ist in die Wand des Hauptströmungsrohres 6 eine rinnenartige Ausnehmung 18 eingebracht, beispielsweise eingefräst. Ein Kanalträgerteil 8 in Form einer Platte deckt die Ausnehmung 18 von oben fluiddicht ab, so dass sich zwischen der Ausnehmung 18 in der Außenwand des Hauptströmungsrohres 6 und dem Kanalträgerteil 8 ein geschlossener Bypasskanal 10 ausbildet, dessen obere Kanalbegrenzungsfläche 16 durch einen mit der Ausnehmung 18 korrespondierenden Teil des Kanalträgeteils 8 gebildet ist, und der über die Bypassein- und Ausgangsöffnungen 12, 14 mit dem Hauptstrom im Rohr 6 verbunden ist.
Das Kanalträgerteil 8 ist in dem der Ausnehmung 18 benachbarten Bereich mit der Wand des Hauptströmungsrohres 6 fluiddicht verbunden, hier in der Ausführungsform der 1 beispielsweise verklebt. Die Oberflächen der Rohrwand und des Kanalträgerteils sind dazu im Bereich ihrer Kontaktfläche entsprechend geglättet. In die Wand des Hauptströmungsrohres 6 und das Kanalträgerteil sind außerdem noch Nuten zur Aufnahme eines O-Ringes 9 als ergänzendes Dichtungselement eingebracht. Die Nuten sind in der 1 mit halbrundem Querschnitt dargestellt, sie könnten aber selbstverständlich auch einen rechteckigen Querschnitt haben.
Im Bereich des Bypasskanales 10 ist an der die obere Kanalbegrenzungsfläche bildenden Seite des Kanalträgerteils 8 eine Ausnehmung 19 zur Aufnahme eines flächenhaften Durchflusssensors 20 fluiddicht eingebracht. Bei dem Durchflusssensor 20 handelt es sich hier beispielsweise um einen mikromechanisch gefertigten, planar ausgeführten thermischen Strömungssensorchip auf einer Trägerplatte 22, auch Sensorhalterung genannt. Die geometrischen Abmaße des Sensors 20 und der Ausnehmung 19 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Sensor 20 bei Aufnahme in der Ausnehmung 19 mit der durch das Kanalträgerteil 8 gebildeten oberen Kanalbegrenzungsfläche bündig abschließt, so dass sich insbesondere keine vorstehenden Kanten bilden, an denen sich in der Bypassströmung Wirbel oder Turbulenzen bilden könnten.
Um den Strömungssensor 20 mit der Sensorhalterung 22 fluiddicht in die Ausnehmung 19 des Kanalträgerteils 8 einbringen zu können, ist an der Ausnehmung 19 ein umlau fender Kragen 17 angeformt, gegen den der Strömungssensor 20 mit der Sensorhalterung 22 fluiddicht anliegt und oder auch verklebt ist.
An dem Kanalträgerteil 8 ist ein Bypassgehäuse 4 angebracht, das ein mit dem Strömungssensor 20 verbundenes Elektronik- und Kommunikationsmodul 30 umfasst. Das Elektronik- und Kommunikationsmodul 30 kann einen Mikroprozessor umfassen. Es kann dort eine Sensorsignal-Vorverstärkung, Filterung, Kennlinienlinearisierung, Sensorsignalbewertung (etwa ob ein zulässiger Messbereich überschritten ist, oder ob aus dem Zeitverlauf des Sensorsignals sich durch Vergleich mit – eingespeicherten oder aus einem im Mikroprozessor hinterlegten Modell errechneten –, Referenzwerten Schlussfolgerungen hinsichtlich der Funktionsfähigkeit des Durchflussmessgerätes ziehen lassen, sog. Diagnosefunktion) und eine Übertragung des Sensorsignals und der ggf. aus dem Sensorsignal abgeleiteten Zusatzinformationen über eine Kommunikationsschnittstelle an ein übergeordnetes Prozessleitsystem oder eine Anzeigeeinheit erfolgen.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet sind.
Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist bei dem in der 2 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1a der Bypasskanal 10 durch eine rinnenartige, in Lage und Länge mit den Bypassein- und Austrittsöffnungen 12, 14 korrespondierende Ausnehmung 18a in dem Kanalträgerteil 8 gebildet, und das Kanalträgerteil 8 ist integraler Bestandteil des Bypassgehäuses 4, in dem es die Bodenplatte des Bypassgehäuses 4 bildet.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit denselben Bezugsziffern wie in 2 bezeichnet sind.
Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist bei dem in der 6 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1f der Bypasskanal 10 durch eine, rinnenartige, in Lage und Länge mit den Bypassein- und Austrittsöffnungen 12, 14, korrespondierende erste Ausnehmung 18d in der Wand des Hauptströ mungsrohres 6 und eine, bei Befestigung des Kanalträgerteiles 8 auf dem Hauptströmungsrohr 6 mit dieser ersten Ausnehmung 18d korrespondierenden zweiten, rinnenförmigen Ausnehmung 18a in dem Kanalträgerteil 8 gebildet.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente wieder mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet sind.
Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist bei dem in der 3 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1c der Bypasskanal 10 aus einer rinnenartigen Ausnehmung 18c in einem Kanalträgerteil 8 und einer Rinnenabdeckung 24 dieser Ausnehmung 18c gebildet. Die Ausnehmung 18c befindet sich bei Montage des Kanalträgerteils 8 auf dem Hauptströmungsrohr 6 auf der dem Hauptströmungsrohr 6 abgewandten Seite des Kanalträgerteils 8. Die Vervollständigung der Ausnehmung 18c zu einem geschlossenen Bypasskanal erfolgt hier in diesem Beispiel durch das Anbringen der plattenförmigen Rinnenabdeckung auf dem Kanalträgerteil 8 und der fluiddichten Verbindung mit diesem. Die fluiddichte Verbindung kann hier auch wieder durch Kleben erfolgen.
Der Strömungssensor 20 ist wieder ein planarer thermischer Strömungssensor, der auf einer Trägerplatte 22, auch Sensor-Halterung genannt, fluiddicht in einer Ausnehmung 19c in der die obere Kanalbegrenzungsfläche bildenden Seite der Rinnenabdeckung 24 gehalten ist. Um den Strömungssensor 20 mit der Sensorhalterung 22 fluiddicht in die Ausnehmung 19c der Rinnenabdeckung 24 einbringen zu können, ist an der Rinnenabdeckung 24 ein umlaufender Kragen 17c angeformt, gegen den der Strömungssensor 20 mit der Sensorhalterung 22 fluiddicht anliegt und oder auch verklebt ist.
Eine Ausführungsform nach 3 ist günstig anzuwenden, wenn die Bearbeitung der Wand des Hauptströmungsrohres 6 in der für einen Bypasskanal erforderlichen Oberflächengüte zu aufwändig ist. Denn in dieser Ausführungsform ist die Rohrwand nicht Teil des Bypasskanales.
Eine Ausführungsform nach 1 oder 2 ist insbesondere dann vorteilhaft anzuwenden, wenn eine minimale Anzahl von Bauteilen verwendet werden soll. Denn bei diesen beiden Ausführungsformen entsteht der Bypasskanal direkt durch das Anbringen des Kanalträgerteils 8 auf der Außenfläche der Wand des Hauptströmungsrohres 6, ohne dass ein zusätzliches Abdeckteil erforderlich wäre.
Die 4 zeigt in einer Explosions-Sprengbild-Darstellung eine Variante der Ausführungsform nach 1, mit bereichsweise abgeflachtem Hauptströmungsrohr, wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet sind.
Derjenige Bereich der Wand des Hauptströmungsrohres 6, in dem korrespondierend zu und zwischen den Bypassein- und Austrittsöffnungen 12, 14 der Bypasskanal 10 als rinnenförmige Ausnehmung 18 von außen eingebracht ist, ist als abgeflachte Zone 35 auf der Rohraußenseite ausgeführt. Eine solche Abflachung kann beispielsweise durch Abfräsen der Rohraußenseite hergestellt werden.
Der Ausnehmung 18 zugeordnet ist in der abgeflachten Zone 35 eine rechteckige Sensor-Aufnahmevertiefung 21 eingebracht. Der Durchflusssensor 20 ist auch hier wieder ein planarer, mikromechanisch hergestellter thermischer Strömungssensor-Chip 20 mit einer Sensor-Halterung 22, die hier einen quaderförmigen Halterungsansatz 22d umfasst, mit dem der Durchflusssensor 20 in der Sensor-Aufnahmevertiefung 21 aufgenommen ist. Die Geometrie des Durchflusssensors 22 ist so ausgelegt, dass die strömungssensitive Zone bei Montage des Sensors über der Ausnehmung 18 zu liegen kommt.
Eine der in 1 gezeigten Ausnehmung 19 in dem Kanalträgerteil 8 entsprechende Ausnehmung zur Aufnahme des Durchflusssensors 20 seitens des Kanalträgerteils 8 ist in dem Kanalträgerteil 8 in 4 auch vorhanden, hier aber nicht sichtbar, da es sich auf der unteren Seite des Kanalträgerteils 8 in der in 4 gezeigten perspektivischen Darstellung befindet.
Eine Anschluss-Ausnehmung 23 in dem Kanalträgerteil 8 dient zur Durchführung der Anschluss- und Verbindungsleitungen von Anschlusspunkten 20a auf dem Sensor-Chip 20 zu einem Elektronik- und Kommunikationsmodul, in 4 nicht dargestellt. Auch das Bypassgehäuse, das mit dem Kanalträgerteil 8 verbunden werden kann, ist in 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Ausnehmung 18 in und die Sensor-Aufnahmevertiefung 21 auf der abgeflachten Zone 35 umgibt eine in die abgeflachte Zone 35 eingebrachte Nut 9a mit geschlossener Umfangskontur zur Aufnahme eines O-Ringes als zusätzliches Dichtungselement.
Durch korrespondierende Befestigungslöcher 11 in dem Kanalträgerteil 8 und der abgeflachten Zone 35 können Befestigungsschrauben geführt sein, um das Kanalträgerteil 8 fluiddicht auf der abgeflachten Zone 35 zu befestigen. Dazu sind dann in den entsprechenden Befestigungslöchern in der abgeflachten Zone 35 Gewindehülsen eingebracht oder direkt Gewinde eingeschnitten. Es könne selbstverständlich auch mehr als die hier gezeigten zwei korrespondierenden Befestigungslöcherpaare 11 vorhanden sein, und die Befestigung kann auch auf andere, dem Fachmann geläufige Art und Weise erfolgen.
Ein Vorteil der Ausführungsform nach 4 ist, dass ein plattenförmiges, flaches Kanalträgerteil 8 sehr einfach und kostengünstig zu fertigen ist, und dieses dann besonders einfach mit der abgeflachten Zone 35 auf der Wand des Hauptströmungsrohres 6 fluiddicht verbunden werden kann.
In einer weiteren Abwandlung der Ausführungsform nach 4, die hier bildlich nicht eigens dargestellt ist, ist der Strömungssensor 20 ein mikrotechnisch gefertigtes, sehr flaches Bauteil, und das Kanalträgerteil 8 umfasst eine Trägerplatte 22 mit elektronischen Schaltkreisen und/oder einem thermischen Durchflusssensor 20.
Eine Variante eines Kanalträgerteils 8d zur Verwendung mit der Ausführungsform nach 3 ist in 5 dargestellt. Gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente tragen dieselben Bezugsziffern wie in den 3 und 4.
Die Befestigungsseite 40 des Kanalträgerteils 8d ist an die gebogene Oberflächenkontur des Hauptströmungsrohres 6 angepasst, so dass das Kanalträgerteil 8d passgenau auf die Wand des Hauptströmungsrohres 6 aufgesetzt werden kann.
Die der Befestigungsseite 40 gegenüberliegende Oberseite 41 des Kanalträgerteils 8d, in der korrespondierend zu und zwischen den Bypassein- und Austrittsöffnungen 12, 14 der Bypasskanal 10 als rinnenförmige Ausnehmung 18c eingebracht ist, ist planar ausgeführt, so dass eine planare Rinnenabdeckung einfach angebracht und mittels der Befestigungslöcher 11', die ein Innengewinde tragen, auf dem Kanalträgerteil 8d fluiddicht verschraubt werden kann.
Eine alternative Ausgestaltung des Bypasskanales ist in 7 dargestellt. 7 zeigt eine Aufsicht auf die abgeflachte Zone 35 auf der Rohraußenseite, entsprechend der Ausführungsform nach 4. Es könnte auch eine Aufsicht auf ein Kanalträgerteil nach 5 sein. Gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente tragen dieselben Bezugsziffern wie in den 5 und 4. Der Bypasskanal 10 ist durch ein Trennelement 10b in seinem der Bypasseintrittsöffnung 12 zugewandtem Bereich in zwei nebeneinander verlaufende Teilkanäle 10b und 10c unterteilt. Das Trennelement 10a ist beispielsweise als Steg an die Wand des Hauptströmungsrohres 6 oder an das Kanalträgerteil 8d angeformt. Der Strömungssensor 20 ist so angeordnet, dass er nur im Bereich des Teilkanals 10c mit dem Bypassstrom in Berührung kommt. Im Bereich der Teilkanäle wird die Bypassströmung so geformt, dass die Messung mit dem thermischen Strömungssensor optimal vorgenommen werden kann. Hier wirkt die Unterteilung in Teilkanäle insbesondere laminierend auf die Bypassströmung.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche oder gleichwirkende Bauteile oder Elemente mit denselben Bezugszeichen und -Ziffern wie in 1 bezeichnet sind. Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform ist der Durchflusssensor 20 ein mikromechanisch hergestellter, thermischer Strömungssensor. Er ist in der Form eines sehr flachen Bauteils ausgeführt und direkt auf dem Kanalträgerteil 8 aufgebracht. Das Kanalträgerteil 8 ist hier eine Leiterplatte, wie sie bei der Fertigung von elektronischen Baugruppen benutzt wird. Ihre der Bypassströmung zugewandte Seite, die die Kanalbegrenzungsfläche 16 bildet, ist mit einer schützenden Lackschicht bedeckt. Elektrische Durchführungen führen von dem Durchflusssensor 20 zu weiteren elektronischen Bauteilen 31 auf der dem Bypasskanal abgewandten Seite des Kanalträgerteils 8. Die weiteren elektronischen Bauteile 31 sind als gedruckte Schaltung auf der Leiterplatte aufgebracht und mit dem elektronik- und Kommunikationsmodul 30 verbunden. Der Vorteil der Ausführungsform nach 8 liegt darin, dass der Aufbau und damit die Herstellung des Durchflussmessgerätes nochmals vereinfacht sind. Das Kanalträgerteil 8 übernimmt hier neben seiner Funktion der Bypasskanalbegrenzung gleichzeitig noch die Funktion des Sensorträgerteils. Ein separates Sensorträgerteil, wie in 1 das Sensorträgerteil 22, wird nicht mehr benötigt.
Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 8 haben gezeigt, dass bezüglich der Bypassgestaltung und -Geometrie dem Fachmann aufgrund der Erfindung eine ganze Reihe denkbarer Varianten zur Verfügung stehen. Die konkrete Dimensionierung des Bypasskanals, etwa nach Länge, Tiefe, Breite und Durchmesser der Bypasszu- und -Abgangsöffnungen, wird der Fachmann dabei durch einfache Versuchsreihen und bekannte Optimierungsverfahren ermitteln.
Bei Hauptströmungsrohren mit Innendurchmessern im Bereich zwischen 25mm und 200mm werden sehr gute Ergebnisse erzielt, wenn die Bypasslänge zwischen 50 und 100mm beträgt, die Bypasstiefe zwischen 1 mm und 3mm und die Bypassbreite bei einem einkanaligen Bypass zwischen 2mm und 4mm. Für den Durchmesser der Bypassein- und -Austrittsöffnungen hat sich ein Bereich zwischen 1 mm und 5mm als sehr vorteilhaft erwiesen.
Bei der Ausführungsform nach 7 ist eine Stegbreite von etwa 1 mm vorteilhaft. Die beiden Teilkanäle haben Breiten, die vorteilhafterweise im Bereich jeweils zwischen 0,5mm und 4mm liegen.
Eine günstige Dimensionierung des Bypasses beispielsweise für einen Gas-Durchflussmesser kann also beispielsweise so aussehen, ohne die vorteilhaft ausführbaren Varianten darauf zu beschränken: Die Länge des Bypasskanals beträgt 70mm, die Tiefe des Bypasskanals 1,6mm, die Breite des Bypasskanals 2,8mm und der Durchmesser der Bypassein- und -Austrittsöffnungen beträgt jeweils 3mm.
Bezüglich des Materials ist es sehr vorteilhaft, wenn der Bypass aus einem Kunststoffgefertigt ist, da er dann beispielsweise günstig durch Gusstechnik hergestellt werden kann. Aber auch eine Fertigung aus Keramik ist sehr günstig.
Schließlich ist auch eine Fertigung des Bypasses aus Metall denkbar, dann ist insbesondere die Verbindung mit dem Hauptströmungsrohr einfach herzustellen und es wird zu nur sehr geringen Unterschieden in der Wärmeausdehnung zwischen dem Hauptströmungsrohr und dem Bypass kommen, was insbesondere für einen Einsatz des Durchflussmessgerätes unter starken Temperaturwechselbedingungen hinsichtlich der Langzeitstabilität günstig ist.

Claims

Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussrate eines Fluides in einem Hauptströmungsrohr (6) mittels eines in einem Bypass angeordneten Durchflusssensors (20), bei dem, angetrieben durch eine Druckdifferenz Δp zwischen einer Bypassein- und Austrittsöffnung (12, 14), von dem zu messenden Hauptstrom ein Teilstrom durch einen Bypasskanal (10) geleitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen des Bypasskanals (10) teilweise an oder in einem mit der Wand des Hauptströmungsrohres (6) verbundenem Kanalträgerteil (8) und teilweise an oder in der Wand des Hauptströmungsrohres (6) verlaufen.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (10) aus einer rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen (12, 14) korrespondierenden, Ausnehmung (18a, 18c) in dem Kanalträgerteil (8) und dem bei Befestigung des Kanalträgerteils (8) auf dem Hauptströmungsrohr (6) mit der Ausnehmung (18a, 18c) korrespondierenden Teil der Wand des Hauptströmungsrohres (6) gebildet ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (10) aus einer ersten, rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen (12, 14) korrespondierenden, Ausnehmung (18d) in der Wand des Hauptströmungsrohres (6) und einer bei Befestigung des Kanalträgerteils auf dem Hauptströmungsrohr mit dieser ersten Ausnehmung (18d) korrespondierenden zweiten, rinnenförmigen, Ausnehmung (18a) in dem Kanalträgerteil (8) gebildet ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (10) aus je einer rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen (12, 14) korrespondieren, Ausnehmung (18) in der Wand des Hauptströmungsrohres und dem bei Befestigung des Kanalträgerteils (8) auf dem Hauptströmungsrohr (6) mit dieser Ausnehmung (18) korrespondierenden Teil des Kanalträgerteils (8) gebildet ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Hauptströmungsrohres (6) im Bereich des Bypasskanals (10) abgeflacht ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (10) durch ein die Wand des Hauptströmungsrohres oder das Kanalträgerteil angeformtes Trennelement (10a) zumindest bereichsweise in nebeneinander verlaufende Teilkanäle (10b, 10c) unterteilt ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (20) ein flächenhaftes Bauteil auf einem Sensorträgerteil (22) umfasst, das in einer entsprechenden Ausnehmung (19) in der Kanalbegrenzungsfläche (16) aufgenommen ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (20) ein flächenhaftes Bauteil und auf dem Kanalträgerteil 8 aufgebracht ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (20) ein thermischer Strömungssensor ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalträgerteil (8) mit der Wand des Hauptströmungsrohres (6) verklebt ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalträgerteil (8) mit der Wand des Hauptströmungsrohres (6) verschraubt ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wand des Hauptströmungsrohres (6) und dem Kanalträgerteil (8) im Bereich der Begrenzungsflächen (16) des Bypasskanals ein Dichtelement (9) angebracht ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalträgerteil (8) mit einem Bypassgehäuse (4) verbunden oder integraler Bestandteil eines Bypassgehäuses (4) ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalträgerteil (8) oder die Sensorträgerplatte (22) elektronische Schaltkreise umfasst.
Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussrate eines Fluides in einem Hauptströmungsrohr (6) mittels eines in einem Bypass angeordneten Durchflusssensors (20), bei dem, angetrieben durch eine Druckdifferenz Δp zwischen einer Bypassein- und Austrittsöffnung (12, 14), von dem zu messenden Hauptstrom ein Teilstrom durch einen Bypasskanal (10) geleitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (10) aus einer rinnenartigen, in Lage und Länge mit den Bypassein- und -Austrittsöffnungen korrespondieren, Ausnehmung (18c) in einem mit der Wand des Hauptströmungsrohres (6) verbundenen Kanalträgerteil (8c, 8d) und einer Rinnenabdeckung (24) gebildet ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalträgerteil (8c, 8d) eine der Oberflächenkontur des Hauptströmungsrohres angepasste Befestigungsseite (40) und eine dieser gegenüberliegende, die rinnenartige Ausnehmung (10) aufnehmende, Kanalseite (41) aufweist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalseite (41) des Kanalträgerteils (8d) flach ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalträgerteil (8c) integrierter Bestandteil eines Bypass-Gehäuses (4) ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kanalträgerteil (8c, 8d) ein Bypassgehäuse (4) verbunden ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (10) durch ein in dem Kanalträgerteil (8d) ange formtes Trennelement zumindest bereichsweise in nebeneinander verlaufende Teilkanäle (10b, 10c) unterteilt ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (20) ein flächenhaftes Bauteil auf einem Sensorträgerteil (22) ist, das in einer entsprechenden Ausnehmung (19c) in der Kanalbegrenzungsfläche (16) angebracht ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (20) ein flächenhaftes Bauteil und auf der Rinnenabdeckung (24) aufgebracht ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (20) ein thermischer Strömungssensor ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalträgerteil (8c, 8d) mit der Wand des Hauptströmungsrohres (6) verklebt ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalträgerteil (8c, 8d) mit der Wand des Hauptströmungsrohres verschraubt ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinnenabdeckung (24) eine Trägerplatte (22) mit elektronischen Schaltkreisen und/oder einem thermischen Durchflusssensor (20) umfasst.
Gasdurchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 256
Durchflussmessgerät für Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 28.