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Die
Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussrate
eines Fluides in einem Hauptströmungsrohr
mittels eines in einem Bypass angeordneten Durchflusssensors, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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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.
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Durchflussmessgeräte dienen
dazu, den Durchfluss eines fluiden Mediums, beispielsweise einer
Flüssigkeit
oder eines Gases, in einem Hauptströmungsrohr zu messen. 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 durch einen im Hauptstrom angebrachten
Wirkdruckerzeuger hervorgerufene Druckdifferenz Δp zwischen der Bypassein- und
Austrittsöffnung.
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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. In gattungsgemäßen Durchflussmessern
werden Durchflusssensoren eingesetzt, die ein strömungssen sitives
Element umfassen und auf einer – Sensorseite
genannten – Seite
eines flächenhaften Bauelementes
angebracht sind. Oft sind die Durchflusssensoren sehr klein und
in Mikrotechnik gefertigt, und das flächenhafte Bauelement dient
als Träger
des mikromechanischen Durchflusssensors. Mikromechanisch gefertigte
Durchflusssensoren haben den Vorteil, dass sie sehr kurze Ansprechzeiten
aufweisen können.
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In
industriellen Applikationen, beispielsweise als Luftströmungsmessgerät in Motorprüfständen, oder
in der chemischen Prozessindustrie, werden gattungsgemäße Durchflussmesser
auch bei höheren
Prozessdrücken
von über
10 bar sowie unter Wechseldruckbelastung eingesetzt. Dabei herrscht im
Bypass annähernd
derselbe Druck wie im Hauptströmungsrohr.
Der geringe Druckabfall über
dem Wirkdruckerzeuger liegt in der Größenordnung von einigen mbar
und ist somit gegenüber
Prozessdrücken
zwischen 1 und mehreren 10 bar vernachlässigbar.
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Der
Strömungssensor
ist bei gattungsgemäßen Durchflussmessern
für industriellen
Einsatz heute so eingebaut, dass er vollständig in den Bypassstrom hineinragt.
Dazu muss eine druckfeste Durchführung
des Sensorträgers
durch die Bypasswand hergestellt und der Sensor im Inneren des Bypasskanals
aufwändig
fixiert werden. Dies ist in der Herstellung kompliziert und teuer.
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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.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Durchflussmessgerät
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß also bildet
ein Begrenzungsabschnitt des flächenhaften
Bauteils wenigstens einen Teil einer sensorseitigen Bypassbegrenzungsfläche, derart
dass in dem Begrenzungsabschnitt das strömungssensitive Element des
Durchflusssensors mit dem Bypassstrom in Verbindung steht und der
Begrenzungsabschnitt des flächenhaften
Bauteils auf der der Sensorseite abwandten Seite einem dem Hauptströmungsrohrinnendruck
entsprechenden Druck ausgesetzt ist. Der Durchflusssensor ist dabei
in vorteilhafter Weise ein mikromechanisch hergestellter thermischer
Durchflusssensor. Solche Durchflusssensoren können heute sehr klein und kostengünstig, bei
gleichzeitig hoher Empfindlichkeit und geringer Leistungsaufnahme
hergestellt werden. Überdies
ermöglichen
thermische Strömungssensoren
bei bekannter Gaszusammensetzung direkt die Erfassung des Massenstromes,
ohne eine fehlerträchtige
Einrechnung eines geometrischen Faktors.
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Der
Vorteil eines erfindungsgemäß aufgebauten
Durchflussmessers besteht darin, dass der Durchflusssensor nicht
mehr inmitten der Bypassströmung
angeordnet ist, sondern auf einem Teil der Begrenzungsfläche des
Bypasskanals. Der Teil der Bypasskanalbegrenzungsfläche, der
den Sensor trägt,
ist erfindungsgemäß durch
einen – Begrenzungsabschnitt
genannten – Teil
des flächenhaften Bauteils,
das den Sensor trägt,
gebildet. Auf dem Begrenzungsabschnitt ist der Sensor erfindungsgemäß so angeordnet,
dass sein strömungssensitives
Element mit dem Bypassstrom in Verbindung steht. Der Sensor benötigt also
keine druckfeste Durchführung durch
die Bypasskanalwand mehr, er ist sozusagen in die Kanalbegrenzungsfläche integriert.
Dadurch, dass erfindungsgemäß der den
Sensor tragende Begrenzungsabschnitt des flächenhaften Bauteils auf der
der Sensorseite abwandten Seite einem dem Hauptströmungsrohrinnendruck
entsprechenden Druck ausgesetzt ist, wird sichergestellt, dass über dem
flächenhaften
Bauteil keine Druckdifferenz wirksam wird, die, falls vorhanden,
zu Verbiegungen und mechanischer Belastung und damit einhergehender Messwertverfälschung
und Ermüdung
der Befestigung des Sensors auf dem diesen tragenden flächenhaften
Bauteil führen
würde.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Begrenzungsabschnitt
auf der sensorabgewandten Seite des flächenhaften Bauteils von einem
Druckausgleichsgehäuse
umgeben, derart dass in einem Druckausgleichsraum zwischen der sensorabgewandten
Begrenzungsabschnittsseite und dem Druckausgleichsgehäuse ein
dem statischen Innendruck des Hauptströmungsrohres entsprechender
Druck herrscht.
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Der
Druckausgleichsraum ist dabei vorteilhafterweise über eine
Druckausgleichsöffnung
mit dem Inneren des Hauptströmungsrohres
verbunden.
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Die
Druckausgleichsöffnung
kann in der Wand des Hauptströmungsrohres
außerhalb
des Druckausgleichsgehäuses
angebracht sein und die Verbindung zum Druckausgleichsgehäuse dann über eine
Rohrleitung erfolgen.
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Die
Druckausgleichsöffnung
kann aber auch in der Wand des Hauptströmungsrohres außerhalb des
Bypasskanals angebracht und vom Druckausgleichsgehäuse umfasst
sein.
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In
einer weiteren möglichen
Ausführungsform
kann die Druckausgleichsöffnung
das flächenhafte
Bauteil durchdringen, wobei in einer sehr vorteilhaften Variante
die Druckausgleichsöffnung
im Bereich des Bypasskanals in dem flächenhaften Bauteil eingebracht
ist.
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Der
Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des flächenhaften Bauteiles wird über eine Druckausgleichsöffnung hergestellt.
Wenn das fluide Medium, dessen Durchfluss gemessen werden soll, ein
Gas ist, so wird das Gas durch die Druckausgleichsöffnung hindurch
auf die dem Sensor abgewandte Seite des flächenhaften Bauteiles gelangen.
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Wenn
das fluide Medium eine Flüssigkeit, beispielsweise
Wasser ist, so ist es wünschenswert, eine
direkten Kontakt des fluiden Mediums mit der dem Sensor abgewandten
Seite des flächenhaften Bauteiles
zu vermeiden. Dieses Problem wird durch eine weitere Ausführungsvariante
der Erfindung gelöst,
bei der die Druckausgleichsöffnung
zum Hauptströmungsrohr
hin mit einer Membran abgeschlossen und der Druckausgleichsraum
mit einer wenig kompressiblen Flüssigkeit,
beispielsweise Öl,
gefüllt ist.
Die wenig kompressible Flüssigkeit
wirkt als Druckübertragungsmedium,
gleichzeitig schützt
sie die dem Sensor abgewandte Seite des flächenhaften Bauteils vor direktem
Einfluss des fluiden Prozessmediums.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante
der Erfindung kann der Begrenzungsabschnitt des flächenhaften
Bauteils auch derart in der Wand des Hauptströmungsrohres angebracht sein,
dass die Sensorseite des flächenhaften
Bauteils wenigstens einen Teil der Bypassbegrenzungsfläche und
die sensorabgewandte Seite des flächenhaften Bauteils wenigstens
einen Teil der Wand des Hauptströmungsrohres
bildet. Das flächenhafte
Bauteil bildet dann direkt die Grenzfläche zwischen dem Hauptströmungsrohr
und dem Inneren des Bypasskanals. Die Anzahl der für den Aufbau
des Durchflussmessers benötigten
Teile wird dadurch noch einmal verringert.
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Besonders
günstig
sind auch alle diejenigen Varianten der Erfindung, bei denen die
Begrenzungsflächen
des Bypasskanals teilweise durch das flächenhafte Bauteil gebil det
sind und teilweise an oder in der Wand des Hauptströmungsrohres
verlaufen. Dann wird der Bypasskanal sozusagen teilweise in die
Rohrwand des Hauptströmungsrohres
eingebracht, was den Aufbau des gesamten Gerätes und die Fertigungsschritte
weiter vereinfacht.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind
den weiteren Unteransprüchen
zu entnehmen Anhand der Zeichnungen, in denen dreizehn Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie
weitere Vorteile näher
erläutert
und beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
der im Unterschied zu der in 1 gezeigten
einen ölgefüllten Druckausgleichsraum
aufweist,
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3 eine
dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
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4 eine
vierte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
der im Unterschied zu der in 3 gezeigten
einen ölgefüllten Druckausgleichsraum
aufweist,
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5 eine
fünfte
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
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6 eine
sechste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
der im Unterschied zu der in 5 gezeigten
einen ölgefüllten Druckausgleichsraum
aufweist,
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7 eine
siebte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
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8 eine
achte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
der im Unterschied zu der in 7 gezeigten
einen ölgefüllten Druckausgleichsraum
aufweist,
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9 eine
neunte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
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10 eine
zehnte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
der im Unterschied zu der in 9 gezeigten
einen ölgefüllten Druckausgleichsraum
aufweist,
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11 eine
elfte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
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12 eine
Querschnittsansicht der elften Ausführungsform nach 11,
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13 eine
Querschnittsansicht einer zwölften
Ausführungsform, ähnlich der
in 12 gezeigten, die im Unterschied zu der in 12 gezeigten
einen ölgefüllten Druckausgleichsraum
aufweist, und
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14 eine
dreizehnte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers.
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1 also
zeigt ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät 1 mit
einem Hauptströmungsrohr 6 und
einem zwischen einer Bypasseintrittsöffnung 12 und einer
Bypassaustrittsöffnung 14 angebrachten
Bypasskanal 10, der durch eine Bypassrohrleitung gebildet
ist.
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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
strömenden
Fluides durch den Bypasskanal 10 strömt. Die Druckdifferenz Δp liegt üblicherweise
in der Größenordnung
einiger mbar.
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Die
sensorseitige Bypasskanalbegrenzungsfläche 16 ist in einem
Begrenzungsabschnitt 9 unterbrochen und dort durch einen
Begrenzungsabschnitt eines flächenhaften
Bauteils 8 bedeckt. Das flächenhafte Bauteil 8 ist
von oben auf den Bypasskanal 10 aufgelegt, mit Dichtungselementen 11 gegen
den Bypasskanal 10 abgedichtet und auf der Bypasskanalbegrenzungsfläche durch
geeignete Mittel, die hier nicht dargestellt sind, befestigt, beispielsweise
geschraubt, geklebt oder geklammert.
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Auf
der dem Bypasskanal 10 zugewandten Seite 7 trägt das flächenhafte
Bauteil 8 einen mikromechanisch gefertigten, thermischen
Strömungssensor 20 mit
einer sensitiven Zone 21. Auf der dem Sensor 20 abgewandten
Seite 5 des flächenhaften Bauteils 8 sind
elektronische Schaltkreise 31 angebracht, die Teil einer
elektronischen Schaltung zur Sensoransteuerung sind. Das flächenhafte
Bauteil 8 ist beispielsweise eine Leiterplatte, der Sensor 20 und
die elektronischen Baugruppen 31 sind mit in der Leiterplattenfertigung
bekannten Methoden auf der Leiterplatte 8 angebracht. Zwischen
dem Sensor 20 und den elektronischen Bauelementen 31 sind
elektrische Durchkontaktierungen vorhanden, die ebenfalls mit im
Leiterplattenbau bekannten Methoden realisiert sind.
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Der
Bypasskanal 10 mit der Leiterplatte 8 ist von
einem mit der Außenwand
des Hauptströmungsrohres
fest verbundenen, beispielsweise dort angeschweißten, Druckausgleichsgehäuse 4 umgeben. Der
Druckausgleichsraum 3 ist über eine Druckausgleichsöffnung 22 mit
dem Inneren des Hauptströmungsrohres 6 verbunden.
Die Druckausgleichsöffnung 22 ist
in der Wand des Hauptströmungsrohres 6 außerhalb
des Bypasskanals 10 angebracht und vom Druckausgleichsgehäuse 4 umfasst.
Somit wird der Druckausgleichraum 3 bei bestimmungsgemäßem Einsatz
des Durchflussmessers 1 von dem gleichen Prozessmedium,
wie es im Hauptströmungsrohr 6 fließt, angefüllt, und
weist denselben Druck p1 auf, wie er im Hauptströmungsrohr 6 herrscht. Über der
Leiterplatte 8 herrscht keine Druckdifferenz, denn auch
im Bypasskanal 10 herrscht der Prozessdruck p1. Auch bei
hohen Prozessdrücken
p1, die bei manchen Applikationen weit über 10 bar liegen können, und
bei Druckwechsel im Hauptströmungsrohr 6 wird die
Leiterplatte 8 nicht mechanisch durch Druck belastet. Es
findet keine druckbedingte Verbiegung der Leiterplatte statt. Dies
ist wichtig, da bei den empfindlichen elektronischen Schaltungen
und dem mikromechanischen Aufbau des Drucksensors 20 solche Durchbiegungen
insbesondere rund um den Sensorchip zu Messfehlern führen können. Außerdem kann bei
mechanischen Verspannungen langfristig die Qualität der Verbindung
zwischen dem Sensor und der Leiterplatte beeinträchtigt werden. Der Sensor ist üblicherweise
auf die Leiterplatte aufgeklebt, und die Qualität von Klebeverbindungen wird
bekanntermaßen
von mechanischen Verspannungen und Druckwechselbelastungen negativ
beeinflusst.
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Im
Innern des Druckausgleichsraumes 3 ist weiterhin ein mit
dem Strömungssensor 20 und
den weiteren elektronischen Schaltkreisen 31 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.
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Die
Verbindung nach außen
erfolgt über
Kabel, die durch eine druckfeste Durchführung 45 nach außen geführt sind.
Die Verbindung nach außen könnte, bei
entsprechend geeigneter Materialwahl und Gestaltung des Druckausgleichsgehäuses, auch drahtlos
erfolgen, beispielsweise über
eine Infrarot-Schnittstelle oder eine induktive Kopplung. In letzterem
Falle könnte
auch die elektrische Energie, die zum Betrieb des Sensors 20 und
der elektronischen Schaltung benötigt
wird, induktiv eingekoppelt werden.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung, wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente
mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet
sind.
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Im
Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 2 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1b die
Druckausgleichsöffnung 22 zum Hauptströmungsrohr 6 hin
mit einer Membran 24 abgeschlossen, und der Druckausgleichsraum 3 ist
mit Öl
gefüllt.
Das Öl
ist eine wenig kompressible Flüssigkeit
und wirkt als Druckübertragungsmedium, gleichzeitig
schützt
es die dem Sensor abgewandte Seite der Leiterplatte und das Elektronik-
und Kommunikationsmodul 30 vor direktem Einfluss des fluiden
Prozessmediums.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente
mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "c" versehen.
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Im
Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 3 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1c die
Druckausgleichsöffnung 22 in
der Wand des Hauptströmungsrohres 6 außerhalb
des Druckausgleichsgehäuses 4c angebracht.
Die Verbindung zum Druckausgleichsgehäuse. 4c erfolgt über eine
Rohrleitung 23. Das Druckausgleichsgehäuse 4c ist mit der
Leiterplatte 8 verbunden, es überdeckt nur die Leiterplatte 8.
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4 zeigt
eine vierte Ausführungsform
der Erfindung, wobei wieder gleiche oder gleichwirkende Bau- oder
Funktionselemente mit denselben Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet
sind.
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Im
Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 4 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1b die
Druckausgleichsöffnung 22 zum Hauptströmungsrohr 6 hin
mit einer Membran 24 abgeschlossen, und der Druckausgleichsraum 3 einschließlich der
Rohrleitung 23 ist mit Öl
gefüllt.
Das Öl
wirkt als Druckübertragungsmedium,
gleichzeitig schützt
es die dem Sensor abgewandte Seite der Leiterplatte und das Elektronik-
und Kommunikationsmodul 30 vor direktem Einfluss des fluiden
Prozessmediums.
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5 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
der Erfindung, wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente
mit denselben Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "e" versehen.
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Die
Ausführungsform
nach 5 ähnelt
bezüglich
der Leiterplatte 8, dem Druckausgleichsgehäuse 4e und
der Lage und Anbindung der Druckausgleichsöffnung 22 derjenigen
Ausführungsform nach 3.
Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 5 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1e der
Bypasskanal 10 nicht in einem mit dem Hauptströmungsrohr 6 verbundenen
Rohrstück
ausgebildet. Vielmehr ist bei der Ausführungsform nach 5 zwischen
der Bypassein- und Austrittsöffnung 12, 14 in
der Außenseite
des Hauptströmungsrohres 6 eine
längliche
Ausnehmung eingebracht, welche den Bypasskanal 10 bildet.
Die Begrenzungsfläche
des Bypasskanales 10 verläuft somit teilweise in der
Wand des Hauptströmungsrohres 10.
Die in die Außenseite
des Hauptströmungsrohres 6 eingebrachte
längliche
Ausnehmung wird von oben durch das flächenhafte Bauteil 8,
hier wieder eine Leiterplatte, gasdicht abgedeckt, so dass ein geschlossener
Bypasskanal 10 entsteht. Die Sensorseite 7 der
Leiterplatte 8 bildet also die obere Begrenzungsfläche des
Bypasskanals 10. Die Ausführungsform nach 5 bringt
Vorteile in der Fertigung, da das Anschweißen des Bypassrohres entfällt, stattdessen
muß nur
die Leiterplatte 8 von oben auf die Ausnehmung in der Außenwand
des Hauptströmungsrohres 6 aufgelegt
und gasdicht verbunden werden.
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6 zeigt
als sechste Ausführungsform
der Erfindung eine Variante der in 5 gezeigten
Ausführungsform,
wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit
denselben Bezugsziffern wie in 5 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "f" versehen.
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Im
Unterschied zu dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 6 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1f die
Druckausgleichsöffnung 22 zum Hauptströmungsrohr 6 hin
mit einer Membran 24 abgeschlossen, und der Druckausgleichsraum 3 und die
Rohrleitung 23 sind mit Öl gefüllt. Das Öl wirkt als Druckübertragungsmedium,
gleichzeitig schützt
es die dem Sensor abgewandte Seite der Leiterplatte und das Elektronik-
und Kommunikationsmodul 30 vor direktem Einfluss des fluiden
Prozessmediums.
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7 zeigt
als siebte Ausführungsform
der Erfindung eine weitere Variante der in 5 gezeigten
Ausführungsform,
wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit
denselben Bezugsziffern wie in 5 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "g" versehen.
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Im
Unterschied zu dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 7 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1g der
Bypasskanal 10 mit der ihn abdeckenden Leiterplatte 8 von
einem mit der Außenwand des
Hauptströmungsrohres
fest verbundenen, beispielsweise dort angeschweißten, Druckausgleichsgehäuse 4g umgeben.
Der Druckausgleichsraum 3 ist über eine Druckausgleichsöffnung 22 mit
dem Inneren des Hauptströmungsrohres 6 verbunden.
Die Druckausgleichsöffnung 22 ist
in der Wand des Hauptströmungsrohres 6 außerhalb
des Bypasskanals 10 angebracht und vom Druckausgleichsgehäuse 4g umfasst.
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8 zeigt
als achte Ausführungsform
der Erfindung eine Variante der in 7 gezeigten
Ausführungsform,
wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit
denselben Bezugsziffern wie in 7 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "h" versehen.
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Im
Unterschied zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 8 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1h die
Druckausgleichsöffnung 22 zum Hauptströmungsrohr 6 hin
mit einer Membran 24 abgeschlossen, und der Druckausgleichsraum 3 und die
Rohrleitung 23 sind mit Öl gefüllt. Das Öl wirkt als Druckübertragungsmedium,
gleichzeitig schützt
es die dem Sensor abgewandte Seite der Leiterplatte und das Elektronik-
und Kommunikationsmodul 30 vor direktem Einfluss des fluiden
Prozessmediums.
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9 zeigt
als neunte Ausführungsform
der Erfindung eine Variante der in 7 gezeigten
Ausführungsform,
wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit
denselben Bezugsziffern wie in 7 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "i" versehen.
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Im
Unterschied zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 8 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1i die
Druckausgleichsöffnung 22i in
dem flächenhaften
Bauteil 8, welches hier wieder eine Leiterplatte ist, angebracht.
Die Druckausgleichsöffnung 22i verbindet
den Druckausgleichsraum 3 hier mit dem Bypasskanal 10.
In dem Beispiel der 9 liegt die Druckausgleichsöffnung in
der Nähe
der Bypassaustrittsöffnung 14,
wodurch eine Störung
der Bypassströmung
im Bereich des strömungssensitiven Elementes 21 gering
gehalten wird. Die Ausführungsvariante
nach 9 bringt eine weitere Fertigungsvereinfachung,
da hier keine zusätzliche
Bohrung im Hauptströmungsrohr
eingebracht werden muss. Die Druckausgleichsöffnung 22 in der Leiterplatte 8 kann
bei der Leiterplattenfertigung gleich mit eingeprägt werden.
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10 zeigt
als zehnte Ausführungsform der
Erfindung eine Variante der in 9 gezeigten Ausführungsform,
wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionsele mente mit
denselben Bezugsziffern wie in 9 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "j" versehen.
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Im
Unterschied zu dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 10 gezeigten Beispiel eines
erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1j die
Druckausgleichsöffnung 22j zum Bypasskanal 10 hin
mit einer Membran 24 abgeschlossen, und der Druckausgleichsraum 3 ist
mit Öl gefüllt. Das Öl wirkt
als Druckübertragungsmedium, gleichzeitig
schützt
es die dem Sensor abgewandte Seite der Leiterplatte und das Elektronik-
und Kommunikationsmodul 30 vor direktem Einfluss des fluiden
Prozessmediums.
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11 zeigt
als elfte Ausführungsform
der Erfindung eine Variante der in 7 gezeigten
Ausführungsform,
wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit
denselben Bezugsziffern wie in 7 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "k" versehen.
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Im
Unterschied zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel
befindet sich bei dem in der 11 gezeigten
Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1k die
Druckausgleichsöffnung 22k im
Bereich des Bypasskanals 10, aber außerhalb desselben. Sie ist
als Durchbohrung durch die Wand des Hauptströmungsrohres 6 im Bereich
der Kanalausnehmung und die Leiterplatte 8k ausgeführt. 12 zeigt
im Querschnitt in der Schnittebene S die räumliche Lage der Druckausgleichsöffnung 22k relativ
zu dem Bypasskanal 10k Das Druckausgleichsgehäuse 4k ist
durch Schrauben 35 mit der Leiterplatte 8k und
dem Hauptströmungsrohr 6 verbunden.
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13 zeigt
als zwölfte
Ausführungsform der
Erfindung eine Variante der in 12 gezeigten Ausführungsform,
wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit
denselben Bezugsziffern wie in 12 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "l" versehen.
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Im
Unterschied zu dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 13 gezeigten Beispiel eines
erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1l die
Druckausgleichsöffnung 22l zum Inneren
des Hauptströmungsrohres 6 hin
mit einer Membran 24l abgeschlossen, und der Druckausgleichsraum 3 ist
mit Öl
gefüllt.
Das Öl
wirkt als Druckübertragungsmedium,
gleichzeitig schützt
es die dem Sensor abgewandte Seite der Leiterplatte und das Elektronik-
und Kommunikationsmodul 30 vor direktem Einfluss des fluiden
Prozessmediums.
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14 zeigt
als dreizehnte Ausführungsform
der Erfindung eine Variante der in 1 gezeigten
Ausführungsform,
wobei gleiche oder gleichwirkende Bau- oder Funktionselemente mit
denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet
sind, gegebenenfalls mit dem Zusatzbuchstaben "m" versehen.
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Bei
dem in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes 1m ist
das flächenhafte
Bauteil 8m in der Wand des Hauptströmungsrohres 6 angebracht.
Im Bereich des Begrenzungsabschnittes 9m des flächenhaften
Bauteils 8m ist die Wand des Hauptströmungsrohres 6 unterbrochen.
Das flächenhafte
Bauteil 8m ist so angebracht, dass in diesem Bereich die sensorabgewandte
Seite 13 des flächenhaften
Bauteils 8m die Rohrwand bildet. Das Druckausgleichsgehäuse 4m ist
mittels Schrauben 35 mit der Wand des Hauptströmungsrohres 6 verbunden
und deckt über
der Bypassein- und Austrittsöffnung 12, 14 die Rohrwand
und das flächenhafte
Bauteil 8m ab. Auf diese Weise bildet die Sensorseite 7m des
flächenhaften
Bauteils 8m einen Teil der Bypassbegrenzungsfläche, und
die Innenseite des Druckausgleichsgehäuses 4m bildet zusammen
mit Teilen der Rohrwand des Hauptströmungsrohres die restliche Bypasskanalbegrenzungsflächen. Der
Druckausgleich zwischen der Sensorseite 7m und der sensorabgewandten
Seite 5m des flächenhaften
Bauteils 8m erfolgt dadurch, dass die sensorabgewandte
Seite 5m im Bereich des Begrenzungsabschnittes 9m direkt
dem Druck im Hauptströmungsrohr 6 ausgesetzt
ist.
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Das
flächenhafte
Bauteil 8m ist hier wieder eine Leiterplatte, die auf der
Sensorseite 7m einen Durchflusssensor 20 mit einem
strömungssensitiven Bereich 21 und
weiteren elektronischen Schaltkreisen oder Bauelementen 31 trägt. Der
Energie- und Signaltransfer zwischen dem Durchflusssensor und der
Umgebung erfolgt hierbei entweder drahtlos, beispielsweise optisch
oder durch induktive Kopplung, oder kabelgebunden, wobei die Kabel
hier nicht dargestellt sind. Sie verlaufen beispielsweise in Umfangsrichtung
aus dem Bereich des Bypasskanals 10m heraus, bis sie dann
an der Außenseite
der Rohrwand des Hauptströmungsrohres 6 aufgenommen
und weitergeführt
werden können.
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Die
Ausführungsbeispiele
der 1 bis 14 haben gezeigt, dass bezüglich der
Bypassgestaltung und -Geometrie, sowie der Anordnung und Gestaltung
des Druckausgleichsraums und der Druckausgleichsöffnung 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 12, 14,
sowie der Druckausgleichsöffnung 22 wird
der Fachmann dabei durch einfache Versuchsreihen und bekannte Optimierungsverfahren
ermitteln.
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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 1mm und 3mm und die Bypassbreite zwischen 2mm
und 4mm. Für
den Durchmesser der Bypassein- und -Austrittsöffnungen hat sich ein Bereich
zwischen 1mm und 5mm als sehr vorteilhaft erwiesen.
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Eine
günstige
Dimensionierung des Bypasses beispielsweise für einen Gasdurchflussmesser 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.
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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.
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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 Abweichungen
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.