DE102004055101B4

DE102004055101B4 - Baueinheit aus einem Strömungssensor, einem Durchlaßkanal und einem innerhalb des Durchlaßkanals angeordneten Meßkanal

Info

Publication number: DE102004055101B4
Application number: DE102004055101A
Authority: DE
Inventors: Thomas Theuer
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2024-11-16
Also published as: DE102004055101A1

Abstract

Baueinheit aus einem Strömungssensor (1), einem Durchlaßkanal (2) und einem innerhalb des Durchlaßkanals (2) angeordneten Meßkanal (3), wobei der Strömungssensor (1) einen Meßkopf (4) mit einem Meßgehäuse (5) und mindestens einem Meßelement (6, 7) und ein direkt oder indirekt mit dem Meßkopf (4) verbundenes, eine Steuer- und Auswerteelektronik (8) aufweisendes Sensorgehäuse (10) aufweist, wobei das Meßelement (6, 7) innerhalb des Meßkanals (3) angeordnet ist bzw. in den Meßkanal (3) hineinragt, und wobei der Meßkanal (3) einen relativ kleinen Durchmesser D_M von beispielsweise 1/5 bis 1/3 des Durchmessers D_D des Durchlaßkanals (2) aufweist, außermittig im Durchlaßkanal (2), unmittelbar an der Innenwand (11) des Durchlaßkanals (2) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teilbereich (12) der Innenwand (13) des Meßkanals (3) von der Innenwand (11) des Durchlaßkanals (2) gebildet ist, und
daß der Meßkanal (3) einen im wesentlichen elliptischen oder augenförmigen Querschnitt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baueinheit aus einem Strömungssensor, einem Durchlaßkanal und einem innerhalb des Durchlaßkanals angeordneten Meßkanal, wobei der Strömungssensor einen Meßkopf, mit einem Meßgehäuse und mindestens einem Meßelement und ein direkt oder indirekt mit dem Meßkopf verbundenes, eine Steuer- und Auswerteelektronik aufweisendes Sensorgehäuse aufweist, wobei das Meßelement innerhalb des Meßkanals angeordnet ist bzw. in den Meßkanal hineinragt, und wobei der Meßkanal einen relativ kleinen Durchmesser D_M von beispielsweise 1/5 bis 1/3 des Durchmessers D_D des Durchlaßkanals aufweist und außermittig im Durchlaßkanal, unmittelbar an der Innenwand des Durchlaßkanals angeordnet ist.
Ein wesentlicher Bestandteil der eingangs genannten Baueinheit ist ein Strömungssensor. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei der Begriff ”Strömungssensor” ganz allgemein verstanden; umfaßt werden soll sowohl eine Ausführungsform, bei der eine Strömung lediglich kontrolliert wird, bei der also lediglich das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer bestimmten Strömung festgestellt wird, als auch eine Ausführungsform, bei der eine Strömung gemessen wird, d. h. ein der Strömung entsprechender analoger oder digitaler Meßwert gewonnen wird. Derartige Strömungssensoren werden häufig auch als Strömungswächter, als Durchflußmesser oder aufgrund ihres Funktionsprinzips als Wärmeübergangsmeßgerät bezeichnet.
Die in Rede stehenden Strömungssensoren arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei dem Temperaturänderungen aufgrund des in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit auftretenden Wärmetransports bestimmt werden. Im allgemeinen arbeitet man mit einer Differenztemperaturmessung. Ein erstes Meßelement erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung und mißt die eigentliche Meßtemperatur, wobei sich die Meßtemperatur aus der Heizleistung des Meßelementes, der Temperatur des strömenden Mediums und der strömungsabhängigen Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums ergibt. Weiter mißt häufig ein zweites Meßelement eine Referenztemperatur.
Entsprechend ihrer Funktion wird das erste Meßelement häufig auch als Heizelement und das zweite Meßelement als Temperaturmeßelement bezeichnet.
Für die Lehre der Erfindung ist die Messung der Referenztemperatur nicht zwingend erforderlich; sie kann entfallen, wenn die Temperatur des strömenden Mediums bekannt ist. Somit ist auch ein zweites Meßelement nicht zwingend erforderlich.
Außerdem ist gesagt worden, daß zu dem Strömungssensor eine direkt oder indirekt mit dem Meßkopf verbundene Steuer- und Auswerteelektronik gehört. Sind die Steuer- und Auswerteelektronik, die ggf. noch eine Anzeigeeinrichtung aufweist, direkt mit dem Meßkopf verbunden, so bezeichnet man den Strömungssensor auch als Kompaktgerät, d. h. Meßkopf und Auswerte- bzw. Anzeigeeinheit sind in einem Gerät realisiert. Daneben ist es jedoch auch möglich, daß der Meßkopf und die Auswerte- bzw. Anzeigeeinheit durch zwei – oder drei – separate Geräte gebildet werden, wobei dann der Meßkopf mit der – an einem anderen Ort angeordneten – Auswerteeinheit über ein Kabel verbunden ist.
Ein zuvor beschriebener Strömungssensor ist aus der DE 195 12 111 C2 und der DE 196 10 885 A1 bekannt. Beiden Strömungssensoren ist gemeinsam, daß das Temperaturmeßelement und das Heizelement vollständig innerhalb des Meßgehäuses angeordnet sind und daß das Meßgehäuse jedenfalls teilweise in das strömende Medium, d. h. in das Innere eines Rohres, in dem das strömende Medium geführt wird, hineinragt. Das Meßgehäuse dient dabei zum einen zur Aufnahme und Fixierung des Temperaturmeßelements und des Heizelements, zum anderen zum Schutz der beiden Elemente gegen mechanische Zerstörung.
Bezüglich der Einbautiefe des Meßkopfes in das Rohr gibt es in der Praxis zwei unterschiedliche Varianten. Gemäß einer ersten Variante ragt das Meßgehäuse so weit in das Rohr hinein, daß das Heizelement und das Temperaturmeßelement im wesentlichen in der Mitte des Rohres angeordnet sind. Diese Anordnung wird deshalb gewählt, da die Strömung des zu überwachenden Mediums in der Regel in der Mitte des Rohres am größten ist, so daß dort auch das größte Meßsignal gewonnen werden kann. Bei der zweiten Variante beträgt die Einbautiefe des Meßgehäuses etwa 1/3 des Rohrdurchmessers. Diese Einbaulage hat den Vorteil, daß bei dieser Position innerhalb des Rohres die Strömungsgeschwindigkeit für laminare und für turbulente Strömungen etwa gleich ist.
Aus der DE 203 09 694 U1 ist ein Strömungssensor bekannt, bei dem lediglich das Heizelement und das Temperaturmeßelement in das strömende Medium hineinragen, während das Meßgehäuse nicht in das strömende Medium hineinragt. Bei diesem Strömungssensor wird somit eine Einbautiefe für das Heizelement und das Temperaturmeßelement vorgeschlagen, die von den beiden bisherigen Prinzipien abweicht. Es ist nämlich erkannt worden, daß dadurch, daß zumindest ein Teil des Meßgehäuses in das strömende Medium hineinragt, eine Strömungsabrißkante erzeugt wird, die zu nachteiligen, das Meßergebnis verfälschenden Verwirbelungen bzw. zu Nichtlinearitäten in der Meßkurve führt. Dadurch, daß bei diesem Strömungssensor das Meßgehäuse nicht in das strömende Medium hineinragt, wird die Ausbildung der zuvor beschriebenen Strömungsabrißkante verhindert.
Aus der DE 197 50 594 A1 ist eine Baueinheit aus einem Durchflußmesser, einem Durchlaßkanal und einem innerhalb des Durchlaßkanals angeordneten Meßkanal bekannt, wobei der dort beschriebene Durchflußmesser zum Messen der Ansaugluftmenge eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges dient. Bei der bekannten Baueinheit ist der Meßkanal mittig im Durchlaßkanal angeordnet, wobei plattenartige Richtelemente, die sich parallel zur Mittelachse des Meßkanals erstrecken, zwischen dem Durchlaßkanal und dem Meßkanal angeordnet sind. Der Meßkanal weist einen trichterförmigen Einlauf auf, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Meßkanals erhöht wird.
Durch die Anordnung der Richtelemente sollen Strömungen, die nicht parallel zur Mittelachse des Meßkanals verlaufen, zur Mittelachse ausgerichtet werden. Dem gleichen Zweck dient auch ein in Strömungsrichtung des strömenden Mediums vor dem Meßkanal angeordneter Stromgleichrichter, der aus einer Wabenstrukturplatte besteht und im senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums in dem Durchlaßkanal angeordnet ist. Derartige Stromgleichrichter, die auch als Laminatoren bezeichnet werden, haben jedoch den Nachteil, daß sie zum einen relativ teuer sind, zum anderen die Gefahr be steht, daß sich einzelne Bereiche des Stromgleichrichters durch Verschmutzungen zusetzen können, wodurch die gewünschte Funktion der Gleichrichtung der zu messenden Strömung nur noch bedingt erreicht wird. Darüber hinaus kann es auch durch die Anordnung der Gleichrichter zu Verfälschungen des Meßergebnisses kommen.
Um eine hohe Genauigkeit des ermittelten Meßergebnisses zu erreichen, dürfen vor der Meßstelle keine Störstellen vorhanden sein. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß vor der eigentlichen Meßstelle eine entsprechend lange, gerade Einlaufstrecke vorgesehen wird. Innerhalb der Einlaufstrecke kommt es dann zu einer Beruhigung der Strömung, so daß das Meßergebnis weitestgehend frei von lokalen Verwirbelungen oder Nichtlinearitäten ist. Die erforderliche Länge der Einlaufstrecke hängt dabei direkt vom Durchmesser des Durchlaßkanals ab. Um eine ausreichende Beruhigung der Strömung zu gewährleisten, sollte dabei die Länge der Einlaufstrecke etwa das fünfzehnfache des Durchmessers des Durchlaßkanals betragen. Bei einem Durchlaßkanal mit einem Durchmesser von 50 mm wäre somit eine Einlaufstrecke mit einer Länge von 750 mm erforderlich.
Häufig besteht jedoch das Problem, daß der benötigte Platz für eine derartige Einlaufstrecke nicht zur Verfügung steht. Darüber hinaus ergibt sich durch eine relativ langen Einlaufstrecke sowohl eine sehr große und damit schwere Baueinheit als auch eine deutliche Verteuerung der Baueinheit.
Die US 5,596,969 A offenbart einen Luft-Durchflußmesser mit einem Heißdraht-Meßelement, wobei in dem Durchlaßkanal ein zusätzlicher Meßkanal angeordnet ist, in den der Meßkopf mit dem Heißdraht-Meßelement hineinragt. Der Meßkanal ist als eigenständiger, zusätzlicher Kanal ausgebildet und weißt einen runden Querschnitt auf. Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Strömung sind in dem Durchlaßkanal stromaufwärts des Meßkanals gitterförmige Strömungsgleichrichter angeordnet.
Die US 4,905,509 A offenbart einen Luftdurchflußmengenmesser mit dem Heißdraht-Meßelement, wobei bei diesem Durchflußmesser das Heißdraht-Meßelement direkt, d. h. ohne ein Meßgehäuse im Inneren des Meßkanals angeordnet ist. Bei diesem bekannten Luftdurchflußmengenmesser ist der Meß kanal unmittelbar an der Innenwand des Durchflußkanals angeordnet, wobei ein Teilbereich der Innenwand des Meßkanals von der Innenwand des Durchlaßkanals gebildet ist. Der Meßkanal weist ebenso wie der Durchlaßkanal einen kreisförmigen Querschnitt auf. Zur Minimierung von Pulsierungen des Ansaugluftflusses ist auch bei der aus dieser Druckschrift bekannten Baueinheit stromaufwärts des Meßelements ein Richtelement angeordnet.
Einen ähnlichen Luftdurchflußmesser offenbart auch die US 6,568,261 B1 . Hier weist das Meßelement zusätzlich zu dem Heißdraht noch einen Kaltdraht auf, die beide direkt im Inneren des Meßkanals angeordnet ist. Der Meßkanal, der als eigenständiger, zusätzlicher Kanal ausgebildet ist, weist ebenso wie der Durchlaßkanal einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Schließlich offenbart die DE 31 03 170 A1 noch eine Luftstromdurchsatz-Meßvorrichtung für Brennkraftmaschinen, mit einem Luftstromsensor und einem Temperatursensor, die nebeneinander in einem Bypass-Kanal angeordnet sind, durch den ein Teil der durch eine Hauptventuridüse strömenden Einlaßluft geführt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baueinheit aus einem Strömungssensor, einem Durchlaßkanal und einem Meßkanal zur Verfügung zu stellen, mit der mit möglichst einfachen Mitteln eine möglichst hohe Meßgenauigkeit des Strömungssensors erreicht werden kann. Dabei soll eine Verfälschung des Meßergebnisses sowie eine Erhöhung des Strömungswiderstandes dadurch verhindert werden, daß auf die Anordnung von Richtelementen bzw. Strömungsgleichrichtern im Durchlaßkanal verzichtet wird.
Die zuvor genannte Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Baueinheit erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teilbereich der Innenwand des Meßkanals von der Innenwand des Durchlaßkanals gebildet ist, und daß der Meßkanal einen im wesentlichen elliptischen oder augenförmigen Querschnitt aufweist.
Durch die Trennung von Meßkanal und Durchlaßkanal und die bewußte Wahl eines relativ kleinen Durchmessers D_M für den Meßkanal läßt sich eine deutliche Reduzierung der Baulänge der Baueinheit erzielen, wobei dennoch die für die Beruhigung der Strömung notwendige Länge der Einlaufstrecke realisiert werden kann. Durch die Abtrennung des Meßkanals ist für die Dimensionierung der Einlaufstrecke und damit auch für die Dimensionierung der Baueinheit insgesamt nur noch der relativ kleine Durchmesser D_M des Meßkanals und nicht mehr der wesentlich größere Durchmesser D_D des Durchlaßkanals ausschlaggebend. Der Durchmesser D_M des Meßkanals kann dabei beispielsweise 1/5 bis 1/3 des Durchmessers D_D des Durchlaßkanals betragen, so daß dann auch die Baueinheit nur noch 1/5 bis 1/3 der herkömmlichen Länge aufweisen muß.
Durch die Anordnung des Meßkanals außermittig im Durchlaßkanal ergibt sich zwingend, daß auch der Meßkopf außermittig im Durchlaßkanal angeordnet ist. Abweichend von der aus der DE 197 50 594 A1 bekannten Baueinheit wird damit die Strömung bewußt nicht dort ermittelt, wo sie – über den Querschnitt des Durchlaßkanals gesehen – am größten ist. Es ist nämlich erkannt worden, daß die Strömung am Randbereich des Durchlaßkanals einerseits zwar geringer ist als die Strömung entlang der Mittelachse, andererseits jedoch repräsentativer für die Gesamtströmung des strömenden Mediums ist. Bei der erfindungsgemäßen Baueinheit kann somit auf die Verwendung von Stromgleichrichtern oder Richtelementen verzichtet werden.
Dadurch, daß der Meßkanal unmittelbar an der Innenwand des Durchlaßkanals angeordnet ist, wobei erfindungsgemäß ein Teilbereich der Innenwand des Meßkanals von der Innenwand des Durchlaßkanals gebildet wird, kann der Meßkanal beispielsweise einfach an der Innenwand des Durchlaßkanals angeschweißt werden. Eine derartige Anordnung des Meßkanals hat darüber hinaus den Vorteil, daß der für das strömende Medium zur Verfügung stehende freie Querschnitt des Durchlaßkanals nur geringfügig verkleinert wird, so daß durch die Baueinheit nur ein sehr geringer Druckabfall in einem vorhandenen Rohrsystem entsteht. Außerdem hat die Anordnung des Meßkanals an der Innenwand des Durchlaßkanals den Vorteil, daß kein zusätzlicher Störkörper im Durchlaßkanal angeordnet ist.
Erfindungsgemäß weist der Meßkanal außerdem einen im wesentlichen elliptischen oder augenförmigen Querschnitt auf. Insbesondere ein Meßkanal mit einem augenförmigen Querschnitt, der an den Seiten ”harte” Kanten aufweist, hat dabei den Vorteil, daß in dem strömenden Medium vorhandene Verwirbelungen schneller beruhigt werden als in einem Meßkanal mit einem kreisförmigen Querschnitt. Insbesondere ein spiralförmig ausgebildeter Wirbel, ein sogenannter Rotor, wird durch die ”harten” Kanten eines Meßkanals mit einem augenförmigen Querschnitt schneller eliminiert. Dadurch kann die Meßgenauigkeit weiter erhöht oder – bei Bedarf – die Länge des Meßkanals – und damit die Länge der Baueinheit – weiter verringert werden.
Eine weitere bevorzugte Maßnahme zur Erhöhung der Meßgenauigkeit besteht darin, daß lediglich die Meßelemente in das strömende Medium hineinragen, während das Meßgehäuse nicht in das strömende Medium hineinragt. Dadurch wird die Ausbildung einer Stromabrißkante durch das in das strömende Medium hineinragende Meßrohr verhindert, wodurch eine weitere Ursache für Verwirbelungen ausgeschlossen wird. Dabei kann das Meßgehäuse entweder bündig mit dem Meßkanal bzw. dem Durchlaßkanal oder, bezogen auf das strömende Medium, nach hinten versetzt in dem Meßkanal bzw. dem Durchlaßkanal eingebaut sein. Ist das Meßgehäuse nach hinten versetzt in dem Meßkanal bzw. dem Durchlaßkanal angeordnet, so kann der Meßkanal einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der Durchmesser des Meßkopfes ist.
Zum mechanischen Schutz der Meßelemente beim Zusammenbau und beim Einbau des Strömungssensors sind die Meßelemente vorzugsweise von einem in Strömungsrichtung offenen Schutzelement umgeben. Das Schutzelement, das beispielsweise aus Kunststoff oder aus Metall besteht, ist etwa ringförmig ausgebildet, so daß das strömende Medium in Strömungsrichtung vor den Meßelementen durch das Schutzelement nicht beeinträchtigt wird. Weist das Schutzelement eine Breite auf, die etwas größer als die Breite der Meßelemente ist, so bewirkt das Schutzelement einen ausreichenden mechanischen Berührschutz, durch den eine mechanische Beschädigung der Meßelemente sicher verhindert wird.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Baueinheit auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch die nach folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen:
1 Eine vereinfachte Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Baueinheit,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Baueinheit, von vorne,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baueinheit, von vorne,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Baueinheit, von vorne, und
5 eine perspektivische Darstellung der Baueinheit gemäß 4.
Die Figuren zeigen eine Baueinheit aus einem Strömungssensor 1, einem Durchlaßkanal 2 und einem innerhalb des Durchlaßkanals 2 angeordneten Meßkanal 3. Der Strömungssensor 1 dient dabei zur Überwachung bzw. Messung eines durch den Durchlaßkanal 2 strömenden Mediums, bei dem es sich entweder um eine Flüssigkeit oder um ein Gas, insbesondere um Druckluft handeln kann. Der Durchlaßkanal 2 wird dabei in eine Rohrleitung integriert, wobei die Rohrleitung vorzugsweise den gleichen Durchmesser wie der Durchlaßkanal 2 aufweist, so daß der Einbau des Durchlaßkanals 2 in die Rohrleitung möglichst nicht zu einer Beeinträchtigung der Strömung des strömenden Mediums in der Rohrleitung führt.
Zu dem Strömungssensor 1 gehört ein Meßkopf 4, mit einem Meßgehäuse 5 und zwei Meßelementen, nämlich einem Heizelement 6 und ein Temperaturmeßelement 7. Darüber hinaus gehört zu dem Strömungssensor 1 noch ein eine Steuer- und Auswerteelektronik 8 und eine Anzeigeeinrichtung 9 aufweisendes Sensorgehäuse 10. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Meßkopf 4 direkt mit der Steuer- und Auswerteelektronik 8 bzw. dem Sensorgehäuse 10 verbunden. Daneben ist es jedoch auch möglich, was hier jedoch nicht dargestellt ist, daß der Strömungssensor 1 nicht als Kompaktmodul ausgebildet ist, sondern daß der Meßkopf 4 und die Steuer- und Auswerteelektro nik 8 bzw. das Sensorgehäuse 10 voneinander getrennt sind, wobei dann der Meßkopf 4 mittels eines Kabels mit der Steuer- und Auswerteelektronik 8 verbunden ist.
Aus den Figuren ist ersichtlich, daß der Meßkanal 3 – relativ zum Durchlaßkanal 2 – einen relativ kleinen Durchmesser D_M aufweist und außermittig im Durchlaßkanal 2 angeordnet ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 ist dabei der Meßkanal 3 unmittelbar an der Innenwand 11 des Durchlaßkanals 2 angeordnet, so daß ein Teilbereich 12 der Innenwand 13 des Meßkanals 3 von der Innenwand 11 des Durchlaßkanals 2 gebildet ist. Der 2 ist dabei entnehmbar, daß der Querschnitt des Meßkanals 3 näherungsweise elliptisch, jedenfalls nicht kreisrund ist. Durch die ”harten” Kanten 16 am Rand des Meßkanals 3, d. h. am Übergang des Durchlaßkanals 2 zum Meßkanal 3, werden im strömenden Medium vorhandene Wirbel schneller eliminiert.
Im Unterschied dazu ist bei der Baueinheit gemäß den 4 und 5 der Meßkanal 3 zwar ebenfalls außermittig im Durchlaßkanal 2, jedoch auch mit einem geringen Abstand von der Innenwand 11 des Durchlaßkanals 2 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ragt dann ein Teil des Meßgehäuses 5 in den Durchlaßkanal 2 hinein.
Allen Ausführungsformen ist jedoch gemeinsam, daß lediglich das Heizelement 6 und das Temperaturmeßelement 7 – nicht dagegen das Meßgehäuse 5 – in den Meßkanal 3 und damit auch nicht in das durch den Meßkanal strömende Medium hineinragen. Dadurch ist sichergestellt, daß sich an der Unterkante des Meßgehäuses 5 keine Strömungsabrißkante bildet, die zu das Meßsignal verfälschenden Verwirbelungen innerhalb des Meßkanals 3 führen könnte.
Durch die Anordnung des Meßkanals 3 in dem Durchlaßkanal 2 entstehende Verwirbelungen führen nicht zu einer Beeinträchtigung des Meßergebnisses, da sich derartige Strömungen oder Verwirbelungen im wesentlichen nur außerhalb des Meßkanals 3 auswirken. Für die Meßgenauigkeit des Strömungssensors 1 ausschlaggebend ist jedoch lediglich die Strömung innerhalb des Meßkanals 3. Da die Länge der Einlaufstrecke vom Durchmesser D_M des Meßkanals 3 und nicht vom Durchmesser D_D des Durchlaßkanals 2 abhängt, ist somit eine Baueinheit mit einer insgesamt relativ geringen Baulänge möglich. Aufgrund des relativ geringen Durchmessers D_M des Meßkanals 3 ist somit auch bei einem Durchlaßkanal 2 mit einem sehr großen Durchmesser D_D eine Einlaufstrecke mit einer – relativ zum Durchmesser D_D des Durchlaufkanals 2 – geringen Länge zur Beruhigung der Strömung ausreichend. Weist der Durchlaßkanal 2 beispielsweise einen Durchmesser D_D = 50 mm auf, so wäre normalerweise eine Einlaufstrecke mit einer Länge L_E = 750 mm erforderlich, um eine ausreichende Beruhigung der Strömung zu gewährleisten. Wird nun erfindungsgemäß innerhalb des Durchlaßkanals 2 ein Meßkanal 3 mit beispielsweise einem Durchmesser D_M = 12 mm verwendet, so kann die Einlaufstrecke auf eine Länge L_E = 180 mm verringert werden. Es ist somit eine Reduzierung der Baulänge von gut 75% erreichbar.
Wie insbesondere aus der 2 ersichtlich ist, sind das Heizelement 6 und das Temperaturmeßelement 7 von einem ringförmigen Schutzelement 14 umgeben, wobei das Schutzelement 14 so ausgebildet und angeordnet ist, daß es in Strömungsrichtung des strömenden Mediums offen ist, so daß es nicht zu einer die Strömung S vor dem Heizelement 6 und dem Temperaturmeßelement 7 beeinträchtigenden Strömungsabrißkante kommt. Das Schutzelement 14 dient dabei in erster Linie zum Schutz des Heizelements 6 und des Temperaturmeßelements 7 bei der Montage und beim Einbau des Strömungssensors 1, wozu die Breite des Schutzelements 14 etwas größer ist als die Breite des Heizelements 6 und des in Strömungsrichtung S des strömenden Mediums daneben angeordneten Temperaturmeßelements 7. Der Durchmesser des Schutzelements 14 ist geringfügig kleiner als der Durchmesser D_M des Meßkanals 3. Ebenso wie der Meßkanal 3 kann dabei auch das Schutzelement 14 einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweisen.
Die Baueinheit gemäß 2 weist zusätzlich zu dem Strömungssensor 1, dem Durchlaßkanal 2 und dem Meßkanal 3 noch einen Adapter 15 auf, mit dessen Hilfe der Strömungssensor 1 an dem Durchlaßkanal 2 befestigbar ist. Der Adapter 15 ist dabei beispielsweise mittels Schrauben druckdicht und druckfest auf dem Durchlaßkanal 2 fixierbar, wobei der Adapter 15 eine Durchführungsöffnung und der Durchlaßkanal 2 und der Meßkanal 3 jeweils eine Einführöffnung für den Meßkopf 4 des Strömungssensors 1 aufweisen, durch die das Heizelement 6 und das Temperaturmeßelement 7 in das Innere des Meßkanals 3 einführbar sind. Hinsichtlich der bevorzugten Ausführung des Adapters wird auf die DE 203 09 694 U verwiesen. Insbesondere kann zur druckdichten Verbindung zwischen dem Strömungssensor 1 bzw. dem Adapter 15 und dem Durchlaßkanal 2 in dem Durchlaßkanal 2 eine Nut ausgebildet sein, wobei die Nut so angeordnet ist, daß sie die Einführöffnung umschließt. Die druckdichte Verbindung zwischen dem Adapter 15 und dem Durchlaßkanal 2 kann dann dadurch realisiert werden, daß in die Nut ein Dichtelement, beispielsweise ein O-Ring, eingelegt wird, wobei der Querschnitt des Dichtelements etwas größer als die Tiefe der Nut ist.
Durch die zuvor anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele im einzelnen beschriebene Anordnung des Meßkanals 3 innerhalb des Durchlaßkanals 2 kann eine Baueinheit zur Verfügung gestellt werden, die bei gleicher oder höherer Meßgenauigkeit eine deutlich kürzere Baulänge und damit auch ein deutlich geringeres Gewicht aufweist als herkömmliche Baueinheiten. Außerdem kann auf die Verwendung von Stromgleichrichtern und Richtelementen innerhalb des Durchlaßkanals 2 verzichtet werden. Dadurch wird der innerhalb des Durchlaßkanals 2 für das strömende Medium zur Verfügung stehende freie Querschnitt nur geringfügig verringert, so daß auch die Strömung und der Druck des strömenden Mediums in einer Rohrleitung, in der die Baueinheit eingesetzt ist, nur geringfügig beeinträchtigt werden.
Dadurch, daß der Durchmesser D_M des Meßkanals 3 deutlich geringer als der Durchmesser D_D des Durchlaßkanals 2 ist, kann für unterschiedliche Durchlaßkanäle 2 mit verschiedenen Durchmessern D_D derselbe Meßkanal 3 verwendet werden, wodurch sich die Anzahl der benötigten Komponenten verringert. Ist der Meßkanal 3 – gemäß den 4 und 5 – nicht unmittelbar an der Innenwand 11 des Durchlaßkanals 2 angeordnet, so kann ein Strömungssensor 1 mit einem zugeordneten Meßkanal 3 für verschiedene Durchlaßkanäle 2 verwendet werden.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Strömungssensors 1 sind vorzugsweise das Heizelement 6 und das Temperaturelement 7 jeweils plättchenförmig ausgebildet, wobei das Heizelement 6 durch einen auf einem Substrat angeordneten Pt 2000 Widerstand und das Temperaturmeßelement 7 durch einen eben falls auf einem Substrat angeordneten Pt 100 Widerstand gebildet wird. Vorzugsweise wird dabei als Substrat ein Zirkonoxid-Substrat verwendet und ist auf der Oberfläche des Heizelements 6 und des Temperaturmeßelements 7 eine dünne Schutzschicht aus Glas oder Platin aufgebracht.

Claims

Baueinheit aus einem Strömungssensor (1), einem Durchlaßkanal (2) und einem innerhalb des Durchlaßkanals (2) angeordneten Meßkanal (3), wobei der Strömungssensor (1) einen Meßkopf (4) mit einem Meßgehäuse (5) und mindestens einem Meßelement (6, 7) und ein direkt oder indirekt mit dem Meßkopf (4) verbundenes, eine Steuer- und Auswerteelektronik (8) aufweisendes Sensorgehäuse (10) aufweist, wobei das Meßelement (6, 7) innerhalb des Meßkanals (3) angeordnet ist bzw. in den Meßkanal (3) hineinragt, und wobei der Meßkanal (3) einen relativ kleinen Durchmesser D_M von beispielsweise 1/5 bis 1/3 des Durchmessers D_D des Durchlaßkanals (2) aufweist, außermittig im Durchlaßkanal (2), unmittelbar an der Innenwand (11) des Durchlaßkanals (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilbereich (12) der Innenwand (13) des Meßkanals (3) von der Innenwand (11) des Durchlaßkanals (2) gebildet ist, und daß der Meßkanal (3) einen im wesentlichen elliptischen oder augenförmigen Querschnitt aufweist.
Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkanal (3) an den Seiten harte Kanten (16) aufweist, so daß in dem strömenden Medium vorhandene Verwirbelungen schneller beruhigt werden.
Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Meßkopf (4) zwei Meßelemente, nämlich ein Heizelement (6) und ein Temperaturmeßelement (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich das Heizelement (6) und das Temperaturmeßelement (7) in den Meßkanal (3) hineinragen, während das Meßgehäuse (5) nicht in den Meßkanal (3) hineinragt.
Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Meßkopf (4) neben dem Heizelement (6) auch ein Temperaturmeßelement (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) und das Temperaturmeßelement (7) von einem in Strömungsrichtung S offenen Schutzelement (14) umgeben sind.
Baueinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) und das Temperaturmeßelement (7) bezogen auf die Strömungsrichtung S des strömenden Mediums nebeneinander angeordnet sind.
Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adapter (15) vorgesehen ist, wobei der Strömungssensor (1) mittels des Adapters (15) an dem Durchlaßkanal (2) befestigbar ist.
Baueinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Adapter (15) druckdicht und druckfest auf dem Durchlaßkanal (2) fixierbar, insbesondere aufschraubbar ist, und daß der Adapter (15) eine Durchführungsöffnung und der Durchlaßkanal (2) eine Einführöffnung für den Meßkopf (4) aufweisen, durch die das Heizelement (6) und ggf. das Temperaturmeßelement (7) in das Innere des Meßkanals (3) einführbar sind.
Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D_M des Meßkanals (3) für verschiedene Durchlaßkanäle (2) mit unterschiedlichen Durchmessern D_D gleich ist.
Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) einen Pt 2000 Widerstand oder einen Pt 4000 Widerstand und das Temperaturmeßelement (7) einen Pt 100 Widerstand oder einen Pt 50 Widerstand aufweist.