DE102011103454A1

DE102011103454A1 - Strömungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102011103454A1
Application number: DE201110103454
Authority: DE
Inventors: Andreas Dickhoff
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Es wird eine Strömungsmesseinrichtung (1) vorgeschlagen, die über eine Messeinheit (4) verfügt, welche ein von einem Messkanal (8) durchsetztes Gehäuse (7) und ein Strömungsmesselement (6) aufweist. Das Strömungsmesselement (6) enthält einen eine Messzone (28) definierenden Messabschnitt (32), der innerhalb des Messkanals (8) zwischen der Eintrittsöffnung (38) und der Austrittsöffnung (39) des Messkanals (8) angeordnet ist. Eine Besonderheit des Messkanals (8) besteht darin, dass er stromab und/oder stromauf des Messabschnittes (32) eine drosselnd wirkende Engstelle (43, 43') aufweist, die eine Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Messkanals (8) zur Folge hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmesseinrichtung, mit einer Messeinheit, die ein eine Messzone aufweisendes Strömungsmesselement und ein von einem Messkanal durchsetztes Gehäuse umfasst, wobei ein die Messzone aufweisender Messabschnitt des Strömungsmesselementes innerhalb des Messkanals zwischen einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung des Messkanals angeordnet ist, so dass ein zu messendes, den Messkanal in einer Strömungsrichtung von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung durchströmendes Fluid an der Messzone vorbeiströmen kann.
Eine aus der DE 600 30 333 T2 bekannte Strömungsmesseinrichtung dieser Art enthält ein plattenförmiges Strömungsmesselement, das gemeinsam mit einem Trägerkörper zu einer Messeinheit zusammengefasst ist und das mittels des Trägerkörpers derart an einer Anwendungskomponente montiert ist, dass es in einen von der Anwendungskomponente definierten Hauptströmungskanal hineinragt. Auf diese Weise befindet sich ein eine Messzone definierender Messabschnitt des Strömungselementes zur Gänze innerhalb eines in dem Hauptströmungskanal strömenden Gasstromes, dessen Strömung gemessen werden soll, um beispielsweise die Strömungsrate beziehungsweise die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln. In der Messzone enthält das Strömungsmesselement ein von einem Wärmeerzeugungswiderstand gebildetes Heizelement und einen von einem Temperaturmesswiderstand gebildeten Temperatursensor, an denen der zu messende Gasstrom unter Abgabe von Wärmeenergie vorbeiströmen kann. Die Messzone ist allerdings nicht dem gesamten Gasstrom ausgesetzt, sondern lediglich einem Teilstrom desselben, da sie von einem Gehäuse des Trägerkörpers umgeben ist, das einen als Unterdurchgang bezeichneten Messkanal ausbildet, in den der Messabschnitt des Strömungsmesselementes hineinragt. Mithin gelangt die Messzone nur mit demjenigen Teilstrom des zu messenden Fluides in Kontakt, der den Messkanal in einer Strömungsrichtung von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung durchströmt.
Strömungsmesseinrichtungen unterliegen oftmals der Problematik, dass sie lediglich innerhalb eines Teilbereiches ihres Messbereiches über eine ausreichende Sensibilität verfügen. Ein zur Messung in einem bestimmten Durchflussbereich ausgelegtes Strömungsmesselement wird meist umso unsensibler, je weiter sich der tatsächliche Durchflusswert nach oben von demjenigen Durchflussbereich entfernt, auf dessen Messung es spezifisch ausgelegt ist. Diese Abhängigkeit der Messsensibilität vom Durchfluss beziehungsweise von der Geschwindigkeit des zu messenden Fluides hat zur Folge, dass je nach Anwendungsfall in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des zu messenden Fluides unterschiedlich ausgelegte Strömungsmesselemente zur Verfügung gestellt werden müssen, um präzise Messergebnisse zu erhalten. Dies ist mit nicht unerheblichen Kosten verbunden.
Die EP 1 431 718 A2 offenbart ein in Dünnfilmtechnik realisiertes Strömungssensorelement, das mit einem Heizelement und einem Temperaturmesselement ausgestattet ist, wobei diese Komponenten zwischen zwei Keramikfolien angeordnet sind.
Aus der DE 40 17 877 A1 ist ein Messfühler zur Durchflussüberwachung eines strömenden Mediums bekannt, der über einen rohrförmigen Messkörper verfügt, auf den Temperaturmesselemente aufgeklebt sind. Eines der Temperaturmesselemente kann mit einem Heizstrom beaufschlagt werden, um eine Temperaturdifferenz zu erzeugen und darauf basierend die Strömungsgeschwindigkeit eines vorbeiströmenden Mediums zu bestimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konzept für eine Strömungsmesseinrichtung zu schaffen, das kostengünstig eine Strömungsmessung in einem weiten Durchfluss- beziehungsweise Geschwindigkeitsbereich des zu messenden Fluides ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass der durch das Gehäuse definierte Messkanal bezogen auf die Strömungsrichtung des zu messenden Fluides stromauf und/oder stromab des Messabschnittes eine drosselnd wirkende Engstelle aufweist.
Mittels der mindestens einen Engstelle des Messkanals kann die Strömungsgeschwindigkeit des den Messkanal durchströmenden und an der Messzone vorbeistreichenden Fluides so reduziert eingestellt werden, dass sie im optimal sensiblen Bereich des Messbereiches des Sensorelementes liegt. Wenn die eigentliche Strömungsgeschwindigkeit eines zu messenden Fluides relativ hoch ist, kann durch die erfindungsgemäße Maßnahme die um den Messabschnitt des Sensorelementes herum auftretende Strömungsgeschwindigkeit auf einen optimal sensiblen Bereich des Messbereiches des Sensorelementes reduziert werden. Mithin lässt sich eine Strömungsmesseinrichtung kostengünstig zur Messung bei unterschiedlichen Durchflussbereichen auslegen, indem ein und dieselbe Art von Strömungsmesselement wahlweise mit Gehäusen kombiniert wird, deren Messkanäle in Bezug auf die sich ergebende Drosselungsintensität unterschiedlich ausgelegt sind. Da mithin für unterschiedliche Durchflüsse ausgelegte Messeinheiten durch einfache Variation der Kanalgeometrie des Messkanals und unter Beibehaltung des gleichen Strömungsmesselementes zur Verfügung gestellt werden können, lassen sich Messeinheiten für einen weiten Einsatzbereich preisgünstig zur Verfügung stellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Innerhalb des Messkanals kann sich eine für die Drosselung und mithin die Geschwindigkeitsreduzierung des den Messkanal durchströmenden Fluides verantwortliche Engstelle sowohl stromauf als auch stromab des Messabschnittes des Strömungsmesselementes befinden. In diesem Fall ist der Messabschnitt sowohl stromauf als auch stromab von je einer Kanal-Engstelle flankiert. Als besonders vorteilhaft wird es allerdings angesehen, wenn sich entweder nur stromab oder nur stromauf des Messabschnittes eine Engstelle im Messkanal befindet. Besonders zweckmäßig in dieser Hinsicht wird derzeit eine Anordnung erachtet, bei der sich die Engstelle stromab des Messabschnittes befindet. Eine solche stromab angeordnete Engstelle führt zu einem Strömungsstau und mithin zu einer Verlangsamung der Fluidströmung innerhalb des den Messabschnitt aufnehmenden Kanalabschnittes des Messkanals.
Befindet sich eine Engstelle stromab des Messabschnittes, ist diese Engstelle zweckmäßigerweise von der Austrittsöffnung gebildet. In vergleichbarer Weise ist eine eventuell stromauf des Messabschnittes angeordnete Engstelle vorzugsweise unmittelbar von der Eintrittsöffnung gebildet. Derartige Kanalgeometrien können konstruktiv besonders einfach realisiert werden und sind überdies funktionell sehr effektiv.
Der Messkanal weist zweckmäßigerweise in dem den Messabschnitt des Strömungsmesselementes aufnehmenden Längenabschnitt einen maximalen Kanalquerschnitt auf. Im Bereich einer diesem maximalen Kanalquerschnitt vorgelagerten und/oder nachgelagerten Engstelle ist der Kanalquerschnitt entsprechend geringer.
Vorzugsweise hat der Messkanal einen durchgängig linearen Verlauf. Somit kann er von dem zu messenden Fluid optimal geradlinig durchströmt werden. Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung liegen sich bezogen auf die Längsrichtung des Messkanals vorzugsweise mit Abstand gegenüber und sind dabei insbesondere koaxial zueinander ausgerichtet.
Das Strömungsmesselement ragt mit seinem Messabschnitt insbesondere derart, vorzugsweise schwertähnlich, in den Messkanal hinein, dass es selbigen in zwei zueinander parallele Zweigabschnitte unterteilt. Auf diese Weise wird der Messabschnitt auf zwei einander entgegengesetzten Seiten vom zu messenden Fluid passiert. Der Messabschnitt fungiert quasi als Strömungsteiler.
Der Messabschnitt ist vorzugsweise plattenförmig gestaltet und derart im Messkanal ausgerichtet, dass seine Normalenrichtung rechtwinkelig zur Kanallängsrichtung orientiert ist. Vorzugsweise ist das Strömungsmesselement insgesamt lamellenförmig ausgebildet und verfügt über einen Längenabschnitt, der den plattenförmigen Messabschnitt definiert.
Insbesondere bei lamellenförmiger Gestaltung des Strömungsmesselementes ist der die Messzone aufweisende Messabschnitt von einem in der Längsrichtung des Strömungsmesselementes orientierten Endabschnitt des Strömungsmesselementes gebildet. Ein entgegengesetzter Endabschnitt des Strömungsmesselementes definiert zweckmäßigerweise einen zur elektrischen Kontaktierung nutzbaren Anschlussabschnitt, der aus dem den Messkanal definierenden Gehäuse der Messeinheit herausragt.
Zur Fixierung des Strömungsmesselementes bezüglich des Gehäuses sind unterschiedliche Maßnahmen denkbar. Als besonders vorteilhaft wird eine Klebeverbindung angesehen, die ohne zusätzliche Abdichtmaßnahmen eine Abdichtung des Messkanals nach außen hin gewährleisten kann.
Vorzugsweise verfügt das Strömungsmesselement in der Messzone über ein elektrisch bestrombares Heizelement und einen Temperatursensor. Im Betrieb der Strömungsmesseinrichtung wird das Heizelement durch das im Messkanal an ihm vorbeiströmende Fluid in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides gekühlt, wobei ihm Wärmeenergie entzogen wird. Diese Abkühlung wird schnell detektiert und der durch das Heizelement fließende elektrische Strom wird so weit erhöht, dass die durch das strömende Fluid bewirkte Abkühlung ausgeglichen wird. Dadurch lässt sich eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und dem benachbart dazu angeordneten, für strömungsbedingte Temperatureffekte nicht oder nur wenig empfänglichen Temperatursensor gewährleistet. Der Heizstrom ist dann ein Maß für den Wärmeentzug und somit für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides. Durch vor dem Erstbetrieb ausgeführte Kalibriermaßnahmen können exakte Rückschlüsse auf die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Fluides außerhalb des Messkanals gezogen werden.
Die Strömungsmesseinrichtung enthält zweckmäßigerweise eine dem Strömungsmesselement zugeordnete elektronische Auswerteeinrichtung, die in der Lage ist, die in der Messzone ermittelten Strömungswerte eines den Messkanal durchströmenden Fluidteilstromes auf Strömungswerte eines außen am Gehäuse der Messeinheit vorbeiströmenden Fluidhauptstromes umzurechnen.
Der Messabschnitt wird zweckmäßigerweise derart in dem Messkanal angeordnet, dass seine Messzone und insbesondere ein eventuell vorhandenes Heizelement möglichst dicht an der Eintrittsöffnung des Messkanals angeordnet ist. Dort ist die Neigung zur Entstehung von Turbulenzen in der Fluidströmung besonders gering und die Messgenauigkeit dementsprechend besonders hoch.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung verfügt die Strömungsmesseinrichtung über einen Kanalkörper, der einen Hauptströmungskanal definiert, der vom zu messenden Fluid durchströmt wird. Eine den Hauptströmungskanal peripher umschließende Kanalwandung des Kanalkörpers weist eine Installationsöffnung auf, in die die Messeinheit derart einsetzbar oder eingesetzt ist, dass sie zumindest mit dem den Messkanal aufweisenden Abschnitt in den Hauptströmungskanal hineinragt und das Fluid durch den als Bypasskanal fungierenden Messkanal mit einem Teilstrom hindurchströmen kann. Die Ausrichtung der Messeinheit bezüglich des Hauptströmungskanals ist hierbei insbesondere so getroffen, dass sowohl die Eintrittsöffnung als auch die Austrittsöffnung des Messkanals in der Längsrichtung des Hauptströmungskanals orientiert sind. Dadurch erfährt das zu messende Fluid beim Hindurchströmen durch den Messkanal keine Änderung in seiner Strömungsrichtung verglichen mit dem außen am Gehäuse vorbeistreichenden Teilstrom des Fluides.
Die Messeinheit verfügt zweckmäßigerweise über einen Trägerkörper, mit dem sie an dem Kanalkörper befestigbar oder befestigt ist. Es ist von Vorteil, wenn der Trägerkörper so ausgebildet ist, dass er unmittelbar auch das den Messkanal definierende Gehäuse bildet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine bevorzugte erste Bauform der erfindungsgemäßen Strömungsmesseinrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
2 eine Draufsicht der Strömungsmesseinrichtung mit Blickrichtung gemäß Pfeil II aus 1,
3 einen Längsschnitt der Strömungsmesseinrichtung gemäß Schnittlinie III-III aus 1 und 4,
4 einen Querschnitt der Strömungsmesseinrichtung gemäß Schnittlinie IV-IV aus 3 und
5 eine Stirnansicht der Strömungsmesseinrichtung mit Blickrichtung gemäß Pfeil V aus 3.
Die insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Strömungsmesseinrichtung enthält in bevorzugter Ausgestaltung einen einen Hauptströmungskanal 2 definierenden Kanalkörper 3 und eine Messeinheit 4 zur Messung der Strömung eines den Hauptströmungskanal 2 gemäß Strömungspfeilen 5 in einer Hauptströmungsrichtung 18 durchströmenden Fluides.
Die Messeinheit 4 ist insbesondere ausgebildet, um die Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise die häufig vereinfacht auch nur als ”Durchfluss” bezeichnete Strömungsrate des in dem Hauptströmungskanal 2 strömenden Fluides ermitteln zu können. Die eigentliche Messung übernimmt ein Strömungsmesselement 6 der Messeinheit 4, das aufgrund einer besonderen Maßnahme dazu geeignet ist, mit hoher Sensibilität auch große Durchflusswerte im Hauptströmungskanal 2 zu ermitteln, obwohl sein optimaler Messbereich bei Durchflusswerten liegt, die geringer sind als diejenigen, die im Hauptströmungskanal auftreten.
Die besondere Maßnahme besteht darin, dass die Messeinheit 4 mit einem Gehäuse 7 versehen ist, das von einem Messkanal 8 durchsetzt ist, der so angeordnet ist, dass er von einem durch einen Pfeil angedeuteten Teilstrom 12 des im Hauptströmungskanal 2 strömenden Fluides durchströmt werden kann, wobei die Strömungsmessung des Strömungsmesselementes 6 in einem Bereich innerhalb des Messkanals 12 stattfindet, in dem aufgrund von Drosselungsmaßnahmen eine geringere Strömungsgeschwindigkeit herrscht als im Hauptströmungskanal 2.
Durch das Strömungsmesselement 6 wird also letztlich die durch die Drosselungsmaßnahmen reduzierte Strömungsgeschwindigkeit des Teilstroms 12 des im Hauptströmungskanal 2 strömenden Fluides gemessen, wobei in einer elektronischen Auswerteeinrichtung 13 anhand zuvor vorgenommener Kalibrierungsmaßnahmen eine Umrechnung auf die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit und/oder den tatsächlichen Durchfluss des im Hauptströmungskanal 2 strömenden Fluides erfolgt. Die elektronische Auswerteeinrichtung 13 kann ein integrierter Bestandteil der Messeinheit 4 sein oder auch eine diesbezüglich separate Einrichtung, die gemäß Ausführungsbeispiel über beispielsweise flexible elektrische Leitermittel 14 an das Strömungsmesselement 6 elektrisch anschließbar oder angeschlossen ist.
Die Drosselung des Teilstromes 12 erfolgt mit derartiger Intensität, dass die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Teilstromes 12 so weit reduziert wird, dass sie sich im optimalen Messbereich des Strömungsmesselementes 6 bewegt, in dem das Strömungsmesselement 6 auch auf geringfügige Durchflussschwankungen sehr sensibel reagiert. Auf diese Weise ist insgesamt eine trotz absolut hoher Strömungsraten im Hauptströmungskanal 2 sehr exakte Durchflusserfassung möglich.
Der Kanalkörper 3, der ein eigenständiger Körper sein kann oder auch unmittelbar eine beliebige Anwendungskomponente, beispielsweise ein Luftansaugrohr in einem Fahrzeug, weist eine den Hauptströmungskanal 2 peripher begrenzende Kanalwandung 15 auf und definiert einen Einlass 16 sowie einen diesbezüglich in einer Hauptströmungsrichtung 18 beabstandeten Auslass 17 für das zu messende Fluid. Vorzugsweise hat der Hauptströmungskanal 2 eine lineare Erstreckung.
Die Kanalwandung ist an einer Stelle von einer im Folgenden als Installationsöffnung 22 bezeichneten Öffnung durchsetzt, die einerseits zu einer Außenfläche 23 der Kanalwandung 15 offen ist und andererseits umfangsseitig in den Hauptströmungskanal 2 einmündet.
Die Messeinheit 4 ist von der Außenseite her in die Installationsöffnung 22 eingesetzt und mittels eines zu der Messeinheit 4 gehörenden Trägerkörpers 24 an dem Kanalkörper 3 bevorzugt lösbar befestigt. Der Trägerkörper 24 kann beispielsweise durch eine Schnappverbindung oder durch eine Klebeverbindung an dem Kanalkörper 3 fixiert sein. Beim Ausführungsbeispiel ist eine Schraubverbindung mittels Befestigungsschrauben 25 illustriert, die allerdings in 4 nur hinsichtlich ihrer Längsachsen angedeutet sind.
Das Strömungsmesselement 6 ist mit dem Trägerkörper 24 zu einer die Messeinheit 4 bildenden Baugruppe zusammengefasst.
Beispielsweise erstreckt sich in dem Trägerkörper 24 eine Aufnahme 26, in die das Strömungsmesselement 6 eingesetzt und insbesondere eingesteckt ist. Das Strömungsmesselement 6 ist in der Aufnahme 26 auf beliebige geeignete Weise und insbesondere unter Abdichtung befestigt, wobei beim Ausführungsbeispiel eine Klebeverbindung realisiert ist. Der hierzu verwendete, zwischen dem Strömungsmesselement 6 und der Wandung der Aufnahme 26 applizierte Klebstoff ist bei 27 angedeutet. Das Strömungsmesselement 6 ist mit einer Messzone 28 versehen, in der sich die bei der Strömungsmessung mitwirkenden Messmittel 29 befinden. Die Messzone 28 befindet sich in einem im Folgenden als Messabschnitt 32 bezeichneten Abschnitt des Strömungsmesselementes 6. Im gebrauchsfertig installierten Zustand der Messeinheit 4 ragt das Strömungsmesselement 6 mit seinem Messabschnitt 32 und mithin mit seiner Messzone 28 von der Seite her in den Hauptströmungskanal 2 hinein.
Das Strömungsmesselement 6 hat zweckmäßigerweise eine längliche Gestalt. Es ist insbesondere lamellenförmig ausgebildet und verfügt über zwei einander entgegengesetzte stirnseitige Endabschnitte, von denen der eine Endabschnitt den Messabschnitt 32 bildet. Der diesbezüglich entgegengesetzte zweite Endabschnitt ist vorzugsweise als Anschlussabschnitt 33 konzipiert und ragt aus der Aufnahme 26 heraus, so dass an ihm angeordnete Kontaktmittel 34 zugänglich sind, an denen die zu der externen elektronischen Auswerteeinrichtung 13 führenden elektrischen Leitermittel 14 elektrisch leitend anbringbar oder angebracht sind.
Vorzugsweise bildet der Trägerkörper 24 unmittelbar das von dem Messkanal 8 durchsetzte Gehäuse 7. Das Gehäuse 7 ist insbesondere von einem rechtwinkelig zur Längsachse 35 des Hauptströmungskanals 2 in den Hauptströmungskanal 2 hineinragenden Endabschnitt des Trägerkörpers 24 gebildet. Die Aufnahme 26 mündet peripher in den Messkanal 8, wobei das Strömungsmesselement 6 so in den Trägerkörper 24 eingesetzt ist, dass es mit seinem Messabschnitt 32 seitlich, insbesondere schwertähnlich, in den Messkanal 8 hineinragt.
Die Integration des Gehäuses 7 in den Trägerkörper 24 ist aus fertigungstechnischer Sicht besonders vorteilhaft. Der Trägerkörper 24 kann insbesondere einstückig ausgebildet sein und dabei zum einen einen zur Fixierung an dem Kanalkörper 3 geeigneten Befestigungsabschnitt 36 und zum anderen das vom Messkanal 8 durchsetzte Gehäuse 7 bilden. Gleichwohl ist auch eine Bauform möglich, bei der das Gehäuse 7 unabhängig von einem eventuell vorhandenen Trägerkörper 24 ausgebildet und angeordnet ist. Es besteht auch die Möglichkeit, die Messeinheit 4 gänzlich ohne Trägerkörper 24 auszustatten und die in diesem Fall zweckmäßigerweise lediglich aus dem Strömungsmesselement 6 und dem Gehäuse 7 bestehende Messeinheit 4 direkt über das Strömungsmesselement 6 an einem Kanalkörper 3 zu fixieren. Unabhängig davon jedoch, welche Befestigungsmaßnahme gewählt wird, ist es zweckmäßig, im Bereich der Installationsöffnung 22 zwischen der Kanalwandung 15 und der Messeinheit 4 wirkende Abdichtmittel 37 vorzusehen.
Das Gehäuse 7, das vorzugsweise aus Kunststoffmaterial besteht, kann unabhängig davon, ob es nun eine individuelle Komponente ist oder als Bestandteil eines Trägerkörpers 24 ausgebildet ist, direkt im Rahmen einer Spritzgießherstellung außen an das Strömungsmesselement 6 angeformt werden.
Im installierten Zustand der Messeinheit 4 ragt das Gehäuse 7 in den Hauptströmungskanal 2 hinein. Dementsprechend befindet sich auch der Messkanal 8 direkt im Innern des Hauptströmungskanals 2.
Der Messkanal 8 verfügt über eine Eintrittsöffnung 38 und eine diesbezüglich beabstandete Austrittsöffnung 39. Der durch das Strömungsmesselement 6 hinsichtlich seiner Strömungsrate beziehungsweise Geschwindigkeit zu messende Teilstrom 12 des zu messenden Fluides tritt an der Eintrittsöffnung 38 in den Messkanal 8 ein, durchströmt den Messkanal in einer durch einen Pfeil angedeuteten Strömungsrichtung 42 und verlässt den Messkanal 8 schließlich wieder durch die Austrittsöffnung 39 hindurch.
Das Strömungsmesselement 6 ragt mit seinem Messabschnitt 32 zwischen der Eintrittsöffnung 38 und der Austrittsöffnung 39 in den Messkanal 8 hinein. Das durch den Messkanal 8 hindurchströmende Fluid streicht somit unter Berührung am Messabschnitt 32 des Strömungsmesselementes 6 vorbei. Dabei wird durch die in der Messzone 28 angeordneten Messmittel 29 die gewünschte Strömungsmessung vorgenommen.
Um die weiter oben erwähnte Drosselungsmaßnahme hervorzurufen, die dazu führt, dass der Teilstrom 12 beim Vorbeistreichen an der Messzone 28 eine geringere Strömungsgeschwindigkeit aufweist als das im Hauptströmungskanal 2 strömende Fluid, weist der Messkanal 8 beim Ausführungsbeispiel eine mit Bezug zur Strömungsrichtung 42 des Teilstromes 12 stromab des Messabschnittes 32 liegende Engstelle 43 auf. Der Querschnitt des Messkanals 8 ist an dieser Engstelle 43 kleiner als in einem entgegen der Strömungsrichtung 42 vorgeordneten Längenabschnitt des Messkanals 8, der einen Aufnahmeabschnitt 44 bildet, indem er den Messabschnitt 32 aufnimmt.
In dem vorgenannten Aufnahmeabschnitt 44 verfügt der Messkanal 8 zweckmäßigerweise über einen maximalen Kanalquerschnitt. An der Engstelle 43 ist der Kanalquerschnitt diesbezüglich geringer. Vorzugsweise ist der dem Teilstrom 12 innerhalb des Aufnahmeabschnittes 44 zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt trotz des sich in dem Aufnahmeabschnitt 44 befindenden Messabschnittes 32 größer als der durch die Engstelle 43 definierte Strömungsquerschnitt.
Insbesondere wenn das Strömungsmesselement 6 lamellenförmig ausgebildet ist, verfügt der Messabschnitt 32 vorzugsweise über eine plattenförmige Gestalt. Die Orientierung des Strömungsmesselementes 6 bezüglich des Messkanals 8 ist in diesem Zusammenhang insbesondere so gewählt, dass die Normalenrichtung des plattenförmigen Messabschnittes 32 rechtwinkelig zur Kanallängsrichtung 45 des Messkanals 8 orientiert ist. Vorzugsweise verläuft die Plattenebene des plattenförmigen Messabschnittes 32 in einer die vorgenannte Kanallängsrichtung 45 enthaltenden Radialebene.
Bei einem derart ausgebildeten und ausgerichteten Messabschnitt 32 wird der Messkanal 8 von dem sich in ihm erstreckenden Messabschnitt 32 zweckmäßigerweise in zwei zueinander parallele Zweigabschnitte 8a, 8b unterteilt. Der Messabschnitt 32 bildet quasi eine Trennebene zwischen diesen beiden Zweigabschnitten 8a, 8b. Das den Messkanal 8 durchströmende Fluid strömt somit an den beiden einander entgegengesetzten großflächigen Oberflächen des plattenförmigen Messabschnittes 32 vorbei.
Das Strömungsmesselement 6 taucht zweckmäßigerweise so weit in den Messkanal 8 hinein, dass es diesen in seiner Querrichtung vollständig durchsetzt. Denkbar wäre aber beispielsweise auch eine Ausführungsform, bei der der Messabschnitt 32 stirnseitig frei endend in den Messkanal 8 hineinragt.
Der Messkanal 8 ist vorzugsweise mit durchgängig linearem Verlauf konzipiert. Sowohl seine Eintrittsöffnung 38 als auch seine Austrittsöffnung 39 sind zweckmäßigerweise in Achsrichtung der Längsachse 35 des Hauptströmungskanals 2 ausgerichtet. Das gemäß Strömungspfeilen 5 in dem Hauptströmungskanal 2 strömende Fluid kann somit direkt in die ihm zugewandte Eintrittsöffnung 38 hineinströmen. In gleicher Weise kann der Teilstrom 12 die Austrittsöffnung 39 mit gleicher Strömungsrichtung wie die Hauptströmung im Hauptströmungskanal 2 wieder verlassen. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der die Eintrittsöffnung 38 und die Austrittsöffnung 39 koaxial zueinander angeordnet sind. zweckmäßigerweise ist sowohl die Eintrittsöffnung 38 als auch die Austrittsöffnung 39 kreisförmig konturiert.
Vorzugsweise ist die dem Messabschnitt 32 bezogen auf die Strömungsrichtung 42 stromab nachgeordnete Engstelle 43 direkt von der Austrittsöffnung 39 gebildet, die über einen entsprechend kleinen Querschnitt verfügt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Gestaltung des Messkanals 8 und gestattet außerdem die Realisierung einer kurzen Kanallänge, was kompakte Außenabmessungen der Messeinheit 4 zulässt.
In 3 ist bei 43 schematisch angedeutet, dass eine Engstelle des Messkanals 8 bezogen auf die Strömungsrichtung 42 auch stromauf des Messabschnittes 32 des Strömungsmesselementes 6 angeordnet sein kann. Insgesamt besteht also die Möglichkeit, sowohl stromauf als auch zusätzlich stromab des Messabschnittes 32 eine Engstelle 43', 43 anzuordnen oder aber nur eine einzige Engstelle 43 oder 43' vorzusehen, die entweder stromab oder stromauf des Messabschnittes 32 angeordnet ist. Als besonders vorteilhaft wird das Ausführungsbeispiel angesehen, bei dem eine einzige Engstelle 43 vorhanden ist, die dem Messabschnitt 32 in der Strömungsrichtung 42 nachgelagert ist.
Ist eine dem Messabschnitt 32 stromauf vorgeordnete Engstelle 43' vorhanden, wird selbige zweckmäßigerweise direkt von der mit einem entsprechend reduzierten Querschnitt versehenen Eintrittsöffnung 38 gebildet.
Der Übergang zwischen dem den Messabschnitt 32 aufnehmenden Aufnahmeabschnitt 44 des Messkanals 8 und der Engstelle 43, 43' ist zweckmäßigerweise durch eine Abstufung realisiert. Auf diese Weise stellt sich eine besonders ausgeprägte Drosselwirkung ein.
Zweckmäßigerweise verfügt das Strömungsmesselement 6 als Messmittel 29 über ein Heizelement 29a und einen Temperatursensor 29b. Diese Komponenten sind über elektrisch leitende Verbindungsleiter 46 an die Kontaktmittel 34 angeschlossen. Das Heizelement 29a ist insbesondere in der Form eines Heizwiderstandes realisiert. Gleiches gilt für den Temperatursensor 29b.
Heizelement 29a und Temperatursensor 29b sind derart in der Messzone 28 platziert, dass sie beide von dem den Messkanal 8 durchströmenden Teilstrom 12 des zu messenden Fluides 5 angeströmt werden. Das Heizelement 29a ist dabei zweckmäßigerweise dem Temperatursensor 29b entgegen der Strömungsrichtung 42 vorgelagert.
Vorzugsweise ist die Messzone 28 so angeordnet, dass sie möglichst nahe bei der Eintrittsöffnung 38 liegt. Sie liegt insbesondere näher bei der Eintrittsöffnung 38 als bei der Austrittsöffnung 39.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn das gegebenenfalls vorhandene Heizelement 29a möglichst nahe bei der Eintrittsöffnung 38 und in diesem Zusammenhang zweckmäßigerweise näher bei der Eintrittsöffnung 38 als bei der Austrittsöffnung 39 angeordnet ist.
Eine Platzierung der Messzone 28 oder zumindest des Heizelementes 29a in der Nähe der Eintrittsöffnung 38 hat den Vorteil, dass der Teilstrom 12 dort noch keine störenden Turbulenzen ausbildet, so dass ein optimaler Wärmeübergang möglich ist.
Das Strömungsmesselement 6 verfügt zweckmäßigerweise über eine für die Lamellenstruktur verantwortliche längliche Trägerplatte 47, die die Messmittel 29 und die elektrischen Verbindungsleiter 46 trägt. Die Trägerplatte 47 besteht insbesondere aus Metall und ist mit einer Isolierschicht beschichtet, auf der die Messmittel 29 und die Verbindungsleiter 46 zweckmäßigerweise in sogenannter Dünnschichttechnik als elektrisch leitende Strukturen realisiert sind.
Im Betrieb der Strömungsmesseinrichtung 1 liegt sowohl am Heizelement 29a als auch an dem Temperatursensor 29b eine elektrische Spannung an. Während das Heizelement 29a so aufgebaut ist, dass es nicht nur auf die statische Temperatur des an ihm vorbeiströmenden Fluides reagiert, sondern auch die strömungsabhängige Temperaturkomponente wahrnimmt, ist der Temperatursensor 29b weniger empfindlich konzipiert und reagiert im Wesentlichen nur auf die statische Fluidtemperatur. Letzteres erreicht man insbesondere dadurch, dass der Temperatursensor 29b über einen hohen Widerstand verfügt und eine gute thermische Anbindung an die metallische Trägerplatte 47 aufweist.
Durch das im Betrieb der Strömungsmesseinrichtung 1 an beiden Messmitteln 29, 29a, 29b vorbeiströmende Fluid werden sowohl das Heizelement 29a als auch der Temperatursensor 29b gekühlt, wobei die dynamische Temperaturkomponente des Fluides allerdings nur bei dem Heizelement 29a zum Tragen kommt. Durch eine Erhöhung des Heizstromes wird die durch das strömende Fluid bewirkte Abkühlung ausgeglichen. Dadurch wird eine konstante Temperaturdifferenz zwischen Heizelement 29a und dem diesem benachbarten Temperatursensor 29b gewährleistet. Der Heizstrom ist mithin ein Maß für den Wärmeentzug und somit für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides. Durch Vergleich mit dem dem Temperatursensor 29b zuzuführenden Strom lassen sich die stationären Temperatureinflüsse ausschließen, so dass der unmittelbar von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides abhängende dynamische Temperaturanteil ermittelbar ist, woraus sich die Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise die Strömungsrate des Fluides errechnen lässt.
Bei dem zu messenden Fluid kann es sich um jedwedes Strömungsmedium handeln, ob flüssig oder gasförmig. Besonders zweckmäßig ist ein Einsatz der Strömungsmesseinrichtung 1 zur Messung von strömender Luft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 60030333 T2 [0002]
EP 1431718 A2 [0004]
DE 4017877 A1 [0005]

Claims

Strömungsmesseinrichtung, mit einer Messeinheit (4), die ein eine Messzone (28) aufweisendes Strömungsmesselement (6) und ein von einem Messkanal (8) durchsetztes Gehäuse (7) umfasst, wobei ein die Messzone (28) aufweisender Messabschnitt (32) des Strömungsmesselementes (6) innerhalb des Messkanals (8) zwischen einer Eintrittsöffnung (38) und einer Austrittsöffnung (39) des Messkanals (8) angeordnet ist, so dass ein zu messendes, den Messkanal (8) in einer Strömungsrichtung (42) von der Eintrittsöffnung (38) zur Austrittsöffnung (39) durchströmendes Fluid an der Messzone (28) vorbeiströmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der (durch das Gehäuse (7)?) definierte) Messkanal (8) bezogen auf die Strömungsrichtung (42) des zu messenden Fluides stromauf und/oder stromab des Messabschnittes (32) eine drosselnd wirkende Engstelle (43, 43') aufweist.
Strömungsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (8) entweder lediglich stromab oder lediglich stromauf des Messabschnittes (32) eine Engstelle (43, 43') aufweist.
Strömungsmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine stromab des Messabschnittes (32) angeordnete Engstelle (43) des Messkanals (8) von der Austrittsöffnung (39) des Messkanals (8) gebildet ist.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine stromauf des Messabschnittes (32) angeordnete Engstelle (43') des Messkanals (8) von der Eintrittsöffnung (38) des Messkanals (8) gebildet ist.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (8) in dem den Messabschnitt (32) enthaltenden Längenabschnitt einen Kanalquerschnitt aufweist, der größer ist als der Kanalquerschnitt des Messkanals (8) im Bereich der mindestens einen Engstelle (43, 43').
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (8) einen durchgängig linearen Verlauf hat.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Eintrittsöffnung (38) und die Austrittsöffnung (39) mit Bezug auf die Längsrichtung des Messkanals (8) mit untereinander gleicher Ausrichtung mit Abstand gegenüberliegen, wobei sie zweckmäßigerweise koaxial zueinander angeordnet sind.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (8) von dem Messabschnitt (32) in zwei zueinander parallele Zweigabschnitte (8a, 8b) unterteilt ist, derart, dass das den Messkanal (8) durchströmende Fluid auf zwei einander entgegengesetzten Seiten an dem Messabschnitt (32) vorbeistreicht.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messabschnitt (32) plattenförmig gestaltet ist, wobei er derart bezüglich des Messkanals (8) ausgerichtet ist, dass seine Mormalenrichtung rechtwinkelig zur Kanallängsrichtung (45) des Messkanals (8) orientiert ist.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmesselement (6) lamellenförmig ausgebildet ist und/oder über einen zu seiner elektrischen Kontaktierung nutzbaren Anschlussabschnitt (33) verfügt, der aus dem Gehäuse (7) herausragt.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmesselement (6) durch eine Klebeverbindung an dem Gehäuse (7) befestigt ist.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmesselement (6) in der Messzone (28) mindestens ein auf das vorbeiströmende Fluid ansprechendes Messmittel (29) aufweist, wobei als Messmittel (29) insbesondere ein elektrisch bestrombares Heizelement (29a) und ein Temperatursensor (29b) vorhanden sind.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzone (28) mindestens ein auf das vorbeistreichende Fluid ansprechendes Messmittel (29, 29a) aufweist, das im Bereich der Eintrittsöffnung (38) und/oder näher bei der Eintrittsöffnung (38) als bei der Austrittsöffnung (39) des Messkanals (8) angeordnet ist.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) ein bevorzugt einstückiger Bestandteil eines auch zur Befestigung der Messeinheit (4) dienenden Trägerkörpers (24) ist.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine dem Strömungsmesselement (6) zugeordnete elektronische Auswerteeinrichtung (13) enthält, die ausgebildet ist, um die ermittelten Strömungswerte des den Messkanal (8) durchströmenden Fluides auf Strömungswerte eines außen am Gehäuse (7) der Messeinheit (4) vorbeiströmenden Fluides umzurechnen.
Strömungsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen einen Hauptströmungskanal (2) definierenden Kanalkörper (3) aufweist, wobei eine den Hauptströmungskanal (2) peripher umschließende Kanalwandung (15) des Kanalkörpers (3) eine Installatiansöffnung (22) aufweist, in die die Messeinheit (4) derart einsetzbar oder eingesetzt ist, dass der Messabschnitt (32) und zumindest ein die Eintrittsöffnung (38) und die Austrittsöffnung (39) des Messkanals (8) aufweisender Abschnitt des Gehäuses (7) in den Hauptströmungskanal (2) hineinragt, wobei zweckmäßigerweise sowohl die Eintrittsöffnung (38) als auch die Austrittsöffnung (39) des Messkanals (8) in der Längsrichtung des Hauptströmungskanals (2) orientiert sind und wobei das Gehäuse (7) vorzugsweise Bestandteil eines Trägerkörpers (24) ist, über den die Messeinheit (4) an dem Kanalkörper (3) befestigbar oder befestigt ist.