DE102011110061A1

DE102011110061A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern innerhalb eines Fluids

Info

Publication number: DE102011110061A1
Application number: DE201110110061
Authority: DE
Inventors: Horst Bleckmann; Hendrik Herzog; Adrian Klein
Original assignee: Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
Current assignee: Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern innerhalb eines Fluids (2), mit einem Hohlkörper (1), der von dem Fluid (2) entlang einer Hauptströmungsrichtung (A) durchströmt wird, wobei in dem Hohlkörper (1) entlang der Hauptströmungsrichtung (A) mindestens ein erster und ein zweiter Druckaufnehmer (3a, 3b) zur lokalen Erfassung von Druckschwankungen angeordnet sind und die Druckaufnehmer (3a, 3b) jeweils ein Messsignal liefern, das den zeitlichen Verlauf der örtlichen Druckschwankungen repräsentiert, und wobei eine Differenzierschaltung (7) mit wenigstens einem ersten Differenzbildner (8a) vorhanden ist, der zwei Signaleingänge aufweist, denen die Messsignale zum Erhalt eines nahezu gleichanteilsfreien Ausgangssignals zugeführt sind, und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal auf Druckschwankungsmuster auszuwerten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern innerhalb eines Fluids, mit einem Hohlkörper der von einem Fluid entlang einer Hauptströmungsrichtung durchströmt wird, wobei in dem Hohlkörper entlang der Hauptströmungsrichtung mindestens ein erster und ein zweiter Druckaufnehmer zur lokalen Erfassung von Druckschwankungen angeordnet sind und die Druckaufnehmer jeweils ein Messsignal liefern, das den zeitlichen Verlauf der örtlichen Druckschwankungen repräsentiert.
Bisherige Ansätze charakterisieren strömende Fluide primär durch ihre mittlere Strömungsgeschwindigkeit bzw. ihren Volumen/Massedurchfluss, die eine ”Gleichstromkomponente” im Strömungsgeschehen darstellt. Zur Bestimmung dieser Komponente werden eine Reihe von Messverfahren eingesetzt. Ein Großteil der Messverfahren zur Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit beruht auf der direkten Messung des Gleichstromanteils. Der Gleichstromanteil, nachfolgend auch DC-Anteil genannt, wird beispielsweise mittels rotierender Stromwegmesser, beispielsweise sogenannter Flügelradanemometern, mittels Staurohren oder Sonden oder thermischen Sonden wie beispielsweise sogenannten Hot-Wire-Anemometern, auf direkte Art und Weise bestimmt. Der Volumenstrom wird ergänzend mittels feststehender, kippender oder rotierender Messgefäße sowie Kolbenzählern ermittelt.
Nachteilig bei DC-Messverfahren ist das Auftreten von Drifts der Messwerte, die Notwendigkeit der Kalibrierung jedes Messgerätes zum Erzielen genauer Messergebnisse, sowie die Empfindlichkeit der Messwerte gegen geringste Änderungen der Umgebungsparameter, insbesondere der Temperatur, gegen Vibrationen oder gegen Fremdkörper, sowie die Beeinflussung der Messwerte durch Alterung oder Verschmutzung des Messsystems.
Darüber hinaus sind mechanische DC-Messsysteme meist träge und bilden plötzliche Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit nur unzureichend ab. Sie liefern damit oftmals nur grobe Informationen über das strömende Medium. Zusätzlich existieren eine Reihe von Messverfahren, welche Strömungsinhomogenitäten für die Ermittlung der Geschwindigkeit bzw. des Volumenstromes nutzen. Dazu zählen Dralldurchflussmesser, Wirbeldurchflussmesser, Schwingkörperdurchflussmesser und Fluidic-Zähler.
Weiterhin existieren eine Reihe von optischen Messmethoden zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit wie beispielsweise das Markierung von Strömungen, Schlierenverfahren, holografische Interferometrie, optoelektrische Gitterabtastung, Particle Image Velocimetry (PIV), Laser-Doppler-Anemometry, Laser-2-Fokus Anemometer. Auch magnetisch-induktive Verfahren, sowie Ultraschall-Durchflussmesser werden zur Bestimmung der Geschwindigkeit eingesetzt. Sollen detaillierte räumliche wie auch zeitliche Informationen über die Strömungen gewonnen werden, werden dem strömenden Medium beispielsweise schwebende Partikel (PIV-Systeme) sowie Rauch bzw. Tinte zugesetzt und die Strömung dadurch visualisiert. Da diese Systeme sehr aufwändig sind, eignen sie sich nicht für ein dauerhaftes, routinemäßiges Monitoring, sondern allenfalls für wissenschaftliche Untersuchungen und Entwicklungsaufgaben.
Alternativ können Strömungen auch mittels Sensorarrays, beispielsweise Hot-Wire-Anemometer-Konfigurationen oder Micropillarstrukturen analysiert werden. Auch bei diesen Verfahren verhindert ein komplizierter, fragiler Aufbau sowie aufwändige Steuerelektronik und hohe Kosten eine breite Anwendung im Bereich alltäglicher Mess- und Überwachungsaufgaben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur Überwachung und detaillierten Charakterisierung von strömenden Fluiden zur Verfügung zu stellen, welches die räumlich-zeitlichen Muster der in strömenden Fluiden auftretenden Druckschwankungen auf möglichst einfache und kosteneffiziente Weise zuverlässig erfassen und auswerten kann, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden und darüber hinaus die zeitlichen wie auch räumlichen Muster von Strömungsinhomogenitäten ermittelt werden können sollen. Die Vorteile der bisher bekannten Verfahren sollen kombiniert, die jeweiligen Nachteile umgangen und das Messsystem dadurch für eine Reihe von Anwendungen nutzbar gemacht werden.
Diese Aufgaben werden durch die Messvorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Messsystems und des Verfahrens sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Messvorrichtung zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern innerhalb eines Fluids vorgeschlagen, mit einem Hohlkörper, der von dem Fluid entlang einer Hauptströmungsrichtung durchströmt wird, wobei in dem Hohlkörper entlang der Hauptströmungsrichtung mindestens ein erster und ein zweiter Druckaufnehmer zur lokalen Erfassung von Druckschwankungen angeordnet sind und die Druckaufnehmer jeweils ein Messsignal liefern, das den zeitlichen Verlauf der örtlichen Druckschwankungen repräsentiert, und wobei die Messvorrichtung eine Differenzierschaltung mit wenigstens einem ersten Differenzbildner umfasst, der zwei Signaleingänge aufweist, denen die Messsignale zum Erhalt eines nahezu gleichanteilsfreien Ausgangssignals zugeführt sind, und eine Auswerteeinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal auf Druckschwankungsmuster auszuwerten.
Durch die Bildung der Differenz der Messsignale der Druckaufnehmer in dem ersten Differenzbildner wird der zeitgleich an den zwei längs der Hauptströmungsachse angeordneten Druckaufnehmern anliegende Gleichanteil, der der statischen Druckkomponente im Fluiddruck entspricht, sowie Wechseldruckschwankungen, die zeitgleich an beiden Druckaufnehmern anliegen, wie beispielsweise Vibrationen und aufgrund ihrer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit (V > 300 m/s) auch Schallwellen, weitestgehend aus den Messsignalen eliminiert, zumindest stark reduziert, so dass ausschließlich die zeitlichen Druckschwankungen, d. h. der AC-Anteil des Drucks des strömenden Fluids, der die Information über die Strömungsinhomogenitäten (Fluktuationen) des Fluids trägt, in dem Ausgangssignal des Differenzbildners vorliegen.
Erfindungsgemäß kann dann eine Charakterisierung der Druckschwankungen anhand deren Muster durchgeführt werden, d. h. es erfolgt eine Analyse der AC-Komponente im Strömungsgeschehen bzw. im Messsignal. Diese AC-Komponente kann vielfältige Informationen über das Fluid liefern. Beispielsweise kann sie als Indikator für Verwirbelungen in Rohrleitungen bei überkritischen Strömungsgeschwindigkeiten genutzt werden. Dadurch lassen sich Transportvorgänge von Fluiden hinsichtlich Energieeffizienz und Vermeidung von Lärmemissionen optimieren. Weiterhin kann mittels veränderter Strömungsbedingungen auf das Vorhandensein von Störungen im Betriebsablauf, Defekten und vermutlich sogar auf krankhafte Veränderungen des menschlichen Körpers im Bereich der medizinischen Diagnostik und akuten Überwachung geschlossen werden, vgl. 4.
Das vorgeschlagene Messsystem zeichnet sich durch folgende Vorteile aus

– Robustheit und Toleranz gegenüber Fremdkörpern,
– einfaches Anpassen der Messeinheit an die jeweilige Messanforderung,
– kosteneffiziente Produktion sowie geringe Unterhaltskosten,
– hohe Sensitivität für Nutzsignale,
– geringe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störfaktoren
– geringe Trägheit und hohe Bandbreite
– geringer Platzbedarf einzelner Sensoren für eine gute räumliche Auflösung

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Messvorrichtung kann diese zumindest einen dritten Druckaufnehmer und einen zweiten Differenzbildner mit zwei Signaleingängen aufweisen. Der dritte Druckaufnehmer kann in einer Reihe mit den beiden anderen Druckaufnehmern angeordnet sein, und die Messsignale des zweiten und des dritten Drucksensors können jeweils auf einen Signaleingang des zweiten Differenzbildners geführt sein. Auf diese Weise werden entlang der Hauptströmungsrichtung des Fluids zwei Ausgangssignale ohne DC-Anteil gebildet, wobei das Ausgangssignal, das aus den Messsignalen des zweiten und dritten Druckaufnehmers ermittelt wird, einem räumlich dem ersten Ausgangssignal nachgelagerten (fiktiven) Messort entspricht. Druckmuster, die sich in dem Ausgangssignal des ersten Differenzbildners auffinden lassen, werden zeitverzögert in dem Ausgangssignal des zweiten Differenzbildners auftreten. Dies ermöglicht vielfältige Auswertungsmöglichkeiten, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Druckaufnehmern entlang der Hauptströmungsrichtung in einer Reihe angeordnet sind, wobei die Messsignale von jeweils zwei der Druckaufnehmer jeweils einem Differenzbildner zugeführt sind. Bei einer Mehrzahl kann es sich beispielsweise um vier, fünf, sechs oder auch acht oder zehn Druckaufnehmer handeln.
In einer Weiterbildung des Messsystems können in dem Hohlkörper sogar eine Vielzahl von Druckaufnehmern angeordnet sein. Dies kann insbesondere matrixförmig erfolgen. Dies bedeutet, dass die Druckaufnehmer ein Array bilden, d. h. jeweils beabstandet zueinander in Reihen und Spalten angeordnet sind, wobei im Falle eines zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen Hohlkörpers die Druckaufnehmer über den Umfang des Hohlkörpers verteilt sind, so dass die Spalten quasi Ringe bilden. Jeweils zwei benachbarte Druckaufnehmer können dann mit den Signaleingängen eines Differenzbildners verbunden sein, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, eine Korrelation der Ausgangssignale der Differenzbildner festzustellen und daraus eine vektorielle Strömungsrichtung des Fluids zu ermitteln.
Dadurch, dass die Drucksignale einer Vielzahl von Druckaufnehmern differenziert werden, werden gleichzeitig an zwei oder mehr Druckaufnehmern anliegende Druckänderungen wie beispielsweise Schall relativ zum Nutzsignal der Druckschwankungen in Strömungsrichtung gedämpft. Denn Vibrationen und Schallsignale liegen durch ihre hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit und verhältnismäßig große Wellenlänge nahezu zeitgleich an den Sensoren an. Dadurch werden diese bei Differenzierung stark gedämpft bzw. herausgefiltert. Die Differenzierung wirkt als Gleichtaktfilter.
Der Hohlkörper kann beispielsweise durch eine geschlossene zylindrische, insbesondere kreiszylindrische Wand einer bestimmten axialen Länge gebildet sein. In dieser Gestalt kann der Hohlkörper gut in fluidführende Rohre, Kanäle oder Gefäße eingesetzt werden. Die Druckaufnehmer können längs der Strömungsrichtung in die Wand des Hohlkörpers integriert sein, wobei die Aufnahmeseite der Druckaufnehmer in das zu vermessende, strömende Fluid ragt oder zumindest zeigt. Mehrere räumliche Anordnungen der Druckaufnehmer sind möglich, wie nachfolgend erläutert wird.
Beispielsweise können in der Innenwand des Hohlkörpers Poren vorgesehen sein, in die jeweils ein Druckaufnehmer eingesetzt ist. Diese Poren können sich radial zur Hohlkörperachse erstrecken und in das Innere des Hohlkörpers öffnen. Sie sind bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet, so dass die Poren eine Reihe bilden. In den Poren eingesetzt, können die Druckaufnehmer im Wesentlichen mit der fluidüberströmten Innenseite der Wand des Hohlkörpers abschließen.
Des Weiteren können in der Hohlkörperwand Kanalstrukturen ausgebildet sein, die sich an die Poren anschließen, wobei die Druckaufnehmer in diesen Kanalstrukturen eingesetzt sein können. Mittels der Kanalstrukturen und Poren bzw. schlitzförmigen Öffnungen, über die die Kanalstrukturen mit dem strömenden Fluid verbunden sind, wird ebenfalls eine räumliche Integration der Messsignale über dem Querschnitt des strömenden Fluids erreicht. Zusätzlich wird eine mechanische Filterung des gemessenen Drucks erreicht.
Es ist von Vorteil, wenn zwischen einem Druckaufnehmer und dem Fluid eine Membran liegt. Diese kann einen entsprechenden Druckaufnehmer dichtend abdecken. Insbesondere kann sie die Grenzfläche zum Fluid bilden und ist somit fluidüberströmt. Neben der Dichtwirkung hat diese Membran den Vorteil, dass der Drucksensor von im Fluid mittransportierten Fremdstoffen wie im Fluid enthaltene Feststoffe, Flüssigkeiten insbesondere Kondenswasser, oder auch korrosive Substanzen nicht verunreinigt bzw. beschädigt wird. Sie schützt vor Verschmutzung und ferner vor übermäßiger Druckbelastung, sowie chemischen Reaktionen. Des Weiteren wird mittels der Membran das gemessene Druckschwankungssignal frequenzspezifisch gefiltert, wobei die Frequenzfilterung abhängig von der Dicke und Flexibilität der Membran ist.
Vorzugsweise sind die Poren an ihrer fluidseitigen Öffnung durch die Membran verschlossen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich eine Pore in Richtung des Fluids trichterförmig öffnet. Dies ermöglicht eine Verstärkung des Druckpegels.
Die verwendeten Druckaufnehmer können prinzipiell beliebig beschaffen sein. Vorzugsweise werden die Druckaufnehmer von Mikrofonkapseln gebildet. Diese zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit, große Signalbandbreite und ausreichende Robustheit aus. Des Weiteren sind sie kostengünstig und besitzen eine kleine Bauform. Als besonders geeignet haben sich für strömende Gase Ekret-Mikrofonkapseln erwiesen. Für strömende Flüssigkeiten eignen sich alternativ Hydrophone besonders gut.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann der Hohlkörper entlang seines Innenumfangs Umfangsnuten aufweisen, die zur Ausbildung von Kammern jeweils durch eine eine Grenzfläche zum Fluid bildende Membran abgedeckt sind, wobei jeder dieser Kammern zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer zumindest ein Druckaufnehmer zugeordnet ist. Die durch die Umfangsnuten und Membran gebildeten Kammern bewirken jeweils eine räumliche Integration des Fluiddrucks über dem Querschnitt des Hohlkörpers.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsvariante kann der Hohlkörper in seiner Wand ringförmige Kammern aufweisen, die über sich nach Innen erstreckende Kommunikationsöffnungen mit dem Fluid in Druck übertragender Verbindung stehen, wobei jeder dieser Kammern zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer zumindest ein Druckaufnehmer zugeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Kammern in der Wand oder am Innenumfang des Hohlkörpers kann der Hohlkörper einen zentralen Einsatz aufweisen, der sich koaxial zur Hohlkörperachse erstreckt und Kammern aufweist, die über sich radial nach Außen erstreckende Kommunikationsöffnungen mit dem Fluid in Druck übertragender Verbindung stehen, wobei jeder dieser Kammern zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer zumindest ein Druckaufnehmer zugeordnet ist. Der besondere Vorteil der koaxialen Ausführung ist es, dass diese Konfiguration dazu geeignet ist, als Messsonde auch zeitlich begrenzt in Rohrleitungssysteme o. ä. eingebracht zu werden und innerhalb des Rohrsystems unterschiedliche Abschnitte beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten zu untersuchen.
Jede der genannten Ausführungsvarianten kann in vorteilhafterweise derart weitergebildet sein, dass jeweils zwei, drei oder mehr Druckaufnehmer parallel geschaltet und derart angeordnet sind, dass sie an gleichmäßig entlang eines Querschnitts des Hohlkörpers verteilten Messpunkten Druckschwankungen erfassen. Auf diese Weise kann beispielsweise das zuvor genannte Array von Druckaufnehmern in dem Hohlkörper realisiert sein. Insbesondere wird durch die Anordnung entlang des Querschnitts aber eine räumliche Integration des Drucks über diesen Querschnitt des strömenden Fluids erreicht.
Vorzugsweise kann vor dem in Strömungsrichtung ersten Druckaufnehmer ein Turbulenzen erzeugendes Mittel oder ein Turbulenzen reduzierendes Mittel angeordnet sein. Als Turbulenzen erzeugende Mittel können beispielsweise Düsen für stoßartige Fluidemissionen von Gas oder Flüssigkeit, Siebplatten, Rillen, eine Stufe oder ein Versatz, bzw. allgemein ein oder mehr scharfkantige Körper verwendet werden. Derartige Körper dienen der gezielten Erzeugung von Verwirbelungen. Für die Druckmustererkennung muss ein ausreichend großer AC-Anteil im Messsignal vorhanden sein. Dies ist der Fall, wenn entsprechende Fluktuationen im Fluid vorliegen. Dies wird durch die Verwendung eines Turbulenzen erzeugenden Mittels vor den Druckaufnehmern gewährleistet, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch dort eingesetzt werden kann, wo allgemein nur laminare Fluidströmungen vorliegen. Ist eine Fluidströmung dagegen zu turbulent, kann ein Turbulenzen reduzierendes Mittel eingesetzt werden. Ein solches kann beispielsweise ein Kollimator sein. Alternativ können Lamellen oder ein oder mehrere Gitter verwendet werden, die vor den Druckaufnehmern in den Strömungsgang eingebracht werden. Derartige Körper dienen der gezielten Reduktion von Verwirbelungen.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung eine autarke Energieversorgung aufweist, d. h. beispielswiese von Batterien, Akkumulatoren oder hoch-kapazitiven Kondensatoren gespeist wird. Dies ist dadurch möglich, dass sie aufgrund der verwendeten Druckaufnehmer nur eine geringe Betriebsspannung von wenigen Volt benötigt. Hierdurch wird eine galvanisch von anderen Einrichtungen getrennte Stromversorgung erreicht, so dass die erfindungsgemäße Messvorrichtung speziell im Bereich der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern innerhalb eines Fluids vorgeschlagen, das in einer Hauptströmungsrichtung durch einen Hohlkörper geleitet wird, der entlang der Hauptströmungsrichtung mindestens einen ersten und einen zweiten Druckaufnehmer zur lokalen Erfassung von Druckschwankungen aufweist, wobei die Drucksensoren jeweils ein Messsignal liefern, das den zeitlichen Verlauf der örtlichen Druckschwankungen repräsentiert, und wobei die Differenz der Messsignale der beiden Druckaufnehmer zum Erhalt eines nahezu gleichanteilsfreien Ausgangssignals gebildet und dieses Ausgangssignal auf Druckschwankungsmuster ausgewertet wird.
Ermittelt werden dabei sowohl die zeitlichen Druckschwankungen an einem Messpunkt, die räumlichen Druckschwankungen längs der Hauptströmungsrichtung des Fluids als auch eine Kombination aus diesen beiden Parametern. Weiterhin kann aus den räumlich-zeitlichen Druckschwankungen die mittlere Geschwindigkeit der Strömung des Fluids, sowie der Grad an Strömungsinhomogenitäten (Fluktuationen) innerhalb der Fluidströmung bestimmt werden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Volumenstroms, also der Strömungsgeschwindigkeit von strömenden Gasen eingesetzt. Dabei kann die Geschwindigkeit und Strömungsrichtung des strömenden Gases mittels unterschiedlicher Verfahren wie Autokorrelation, Kreuzkorrelation, FFT-Analysen, Elementary Motion Detectors (EMDs), analoge und digitale Verzögerungsschaltungen u. ä. bestimmt werden, ohne die DC-Komponente zu messen. Die AC-Anteile können beispielsweise zur Bestimmung des Anteils der Strömungsinhomogenitäten, d. h. der Fluktuationen genutzt werden.
Bevorzugt kann die Empfindlichkeit der Druckaufnehmer aktiv mittels eines Schallerzeugers, insbesondere eines Lautsprechers, aneinander angepasst, insbesondere kalibriert werden. Der vorgeschlagene Lautsprecher kann beispielsweise ein kleiner Piezoschallerzeugersein, der möglichst mit gleichem Abstand zu jedem Sensor innerhalb des Messsystems angeordnet ist. Er erzeugt, bevorzugt gesteuert durch die Auswerteelektronik, ein kurzes Referenzsignal, beispielsweise einen Rechteckimpuls (d. h. ein Knacken, Rauschen, Sinus o. ä.). Für die vorgeschlagene Kalibrierung werden anschließend entweder die Ausgangssignale der Druckaufnehmer vor der Differenzierung zeitgleich gemessen und aneinander angepasst (elektrische Dämpfung bzw. Verstärkungsfaktor), oder das differenzierte Signal wird gemessen und mittels Änderung der Dämpfung bzw. Verstärkung vor der Differenzierung minimiert, da der Schall nahezu zeitgleich und gleich laut an allen Sensoren anliegt. Die Kalibrierung sollte selbstverständlich ohne strömendes Fluid vorgenommen werden beispielsweise nach der Fertigung oder bei Wartungsarbeiten im System.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Druckaufnehmer mit einer amplitudenmodulierten Spannung einer bestimmten Trägerfrequenz versorgt werden, und die Trägerfrequenz anschließend aus den Messsignalen herausgefiltert wird. Hierdurch kann bei den Druckaufnehmern die Aufnahme von Druckschwankungen bis nahe dem DC-Bereich erweitert werden.
Ferner kann der Schallanteil (AC-Anteil) des strömenden Fluids durch sich an der Grenzfläche des strömenden Fluids befindliche absorbierende Materialien oder einem Helmholtzabsorber reduziert werden.
Des Weiteren kann eine optische, kapazitive, induktive oder ähnliche galvanische Entkopplung der Messsignale vorgesehen sein, so dass ein gefahrloser Umgang mit der Messvorrichtung erreicht wird. Dies ist besonders für die Verwendung im medizinischen Bereich von Vorteil. Prinzipiell kann die elektrische Entkopplung nahezu beliebig zwischen allen Stufen angeordnet werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch die Entkopplung erst in der letzten „Station” des Signals nach erfolgter Verstärkung, Differenzierung Filterung usw. durchzuführen. Der Vorteil dabei ist es das Messsignal möglichst wenig zu verfälschen. Notwendig ist die Entkopplung nur falls besondere Vorschriften einzuhalten sind beispielsweise im Bereich der Medizingeräte. Die Entkopplung ist nur nötig, falls beispielsweise ein PC mit normalem Netzkontakt zur Auswertung verwendet wird und der Patient oder sonstiger Nutzer vor dem Kontakt mit gefährlichen Spannungen geschützt werden muss/soll oder sonstige Gründe, z. B. Brummschleifen in großen Industrieanlagen durch verschiedene Bezugspotentiale o. ä., dies erfordern.
Vorzugsweise wird die spektrale Energieverteilung des Ausgangssignals ermittelt und daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bestimmt. Die Energieverteilung kann beispielsweise durch eine Fourieranalyse erfolgen, wobei diejenige Frequenz mit der höchsten Energie der Strömungsgeschwindigkeit entspricht, siehe 5. Mit dieser Methode kann die Strömungsgeschwindigkeit geschätzt werden. Der zugrunde liegende Gedanke ist dabei, dass Fluide hoher Strömungsgeschwindigkeit einen höheren Turbulenzgrad aufweisen als langsamströmende. Kennzeichnend dafür ist die sogenannte Reynolds-Zahl. Nimmt diese zu, so wird die Strömung von einer laminaren zu einer zunehmend turbulenteren Strömung. Damit steigt der Grad an Verwirbelungen, welche wir durch die Amplituden der Fluktuationen messen können. Zusätzlich erhöht sich der Anteil höhere Frequenzen. Dadurch lassen sich charakteristische für bekannte Strömungsgeschwindigkeiten und Fluide erstellen. Anhand dieser bekannten Vergleichswerte lässt sich die ungefähre Strömungsgeschwindigkeit abschätzen, um beispielsweise das Zeitfenster für die präzisere Kreuzkorrelation sinnvoll zu wählen.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Autokorrelation des Ausgangssignals durchgeführt werden, wobei aus der Autokorrelation die Ablösefrequenz von Wirbeln und aus dieser Frequenz die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bestimmt werden kann. Mittels der Autokorrelation können sich wiederholende Druckmuster in einem Ausgangssignal erkannt werden, die sich ständig neu bildenden und vom Messort ablösenden Wirbeln entsprechen. Aus der Wiederholrate, d. h. dem zeitlichen Abstand zweier solcher Druckmuster kann dann die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Diese Technik wird bei Wirbeldurchflussmessern benutzt. Dabei wird ein zylinderförmiger Körper in die Strömung eingebracht. Hinter dem Körper bildet sich unter bestimmten Strömungsbedingungen durch regelmäßiges Ablösen der Grenzschicht des Körpers eine Kárman'sche Wirbelstraße aus. Typisch dafür sind sehr regelmäßige Wirbel, die sich abwechselnd von beiden Seiten ablösen und mit der Strömung fortgetragen werden. Die Häufigkeit der Ablösung dieser Wirbel (Wirbelablösefrequenz) ist bei Beibehaltung bestimmter Randbedingungen (Reynolds-Zahl > ca. 50 jedoch nicht turbulent) direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Wenn die Wirbelfrequenz mit dem erfindungsgemäßen Messsystem bestimmt wird, kann die Geschwindigkeit errechnet werden, wenn einige Randparameter wie beispielsweise Beschaffenheit des Mediums und des eingebrachten Körpers errechnet werden. Die Wirbelablösefrequenz lässt sich aus den Messsignalen beispielsweise durch Autokorrelation, d. h. anhand der Zeit, in der sich das zeitlich verschobene Signal zum ersten Mal erneut (erstes Mal = 0 s Zeitversatz) maximal ähnelt, was einer Periode der Wirbelstraße entspricht, oder alternativ durch eine FFT ermitteln, wobei die Frequenz maximaler Energie bestimmt wird, d. h. dort, wo ein erster Peak liegt.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann alternativ oder zusätzlich die Strömungsgeschwindigkeit aus der zeitlichen Verzögerung eines bestimmten Druckschwankungsmusters in dem Ausgangssignal des ersten Differenzbildners zu einem identischen oder zumindest ähnlichen Druckschwankungsmuster in dem Ausgangssignal des zweiten Differenzbildners ermittelt werden. Hierfür kann eine Kreuzkorrelation des Ausgangssignals des ersten Differenzbildners mit dem Ausgangssignal des zweiten Differenzbildners ausgeführt werden, wodurch identisch oder zumindest ähnliche Druckschwankungsmuster erkannt werden. Alternativ zur Kreuzkorrelation können digitale oder analogen Verzögerungsglieder (Delaylines) verwendet werden. Das mathematische Verfahren der Kreuzkorrelation bestimmt hierbei die Ähnlichkeit zweier Signalverläufe, wenn diese um einen bestimmten Betrag zeitlich verschoben werden. Der Zeitpunkt, zu welchem sich die Signale zum ersten Mal ähneln, entspricht dem von der Fluktuation benötigten Zeit um die Strecke zwischen zwei Messuntereinheiten zurückzulegen. Daraus kann bei bekanntem Sensorabstand die Geschwindigkeit bestimmt werden (V = f(s, t)). Alternativ dazu ist es möglich den zeitlichen Versatz der beiden Signalformen über eine Art elektronisches Jeffres Modell zu bestimmen, ähnlich wie unser Gehör Richtungen von Schallquellen lokalisiert. Dabei wird eines der Signale oder beide unterschiedlich stark um einen bestimmten zeitlichen Betrag verzögert. Dies kann beispielsweise mittels analoger Allpass-Schaltungen oder digital durch zwischenspeichern des Signals geschehen. Anschließend werden beide Signale in Echtzeit entweder subtrahiert oder addiert. Entspricht die künstlich eingesetzte Verzögerung exakt dem Gegenteil des tatsächlichen Laufzeitunterschiedes der Signale so sind die Signale nun zeitgleich und löschen sich aus (Subtraktion) oder werden maximal (Addition). Wird eine Vielzahl von Verzögerungsgliedern verwendet, so ist es möglich, viele Laufzeitunterschiede zu generieren und durch den Vergleich der einzelnen Verzögerungssubtraktions- oder -additionskombinationen die Latenz des Laufzeitunterschiedes zu bestimmen.
Neben der Analyse der Ausgangssignale der Differenzbildner können weitere Informationen über das strömende Fluid durch die zusätzliche Analyse der undifferenzierten Rohmesssignale der Druckaufnehmer gewonnen werden. Beispielsweise kann der Turbulenzgrad mittels frequenzbasierter Analyse, beispielsweise einer FFT oder mittels Autokorrelation, oder anhand der Amplitudenstärke aus den gemessenen Signalen der Druckaufnehmer bestimmt werden. Insbesondere kann der aktuelle Zustand des strömenden Fluids dadurch analysiert werden, dass die in dem Ausgangssignal enthaltenen Druckschwankungsmuster mittels Clusteranalysen mit bereits bekannten Mustern verglichen werden. Dieses Verfahren zielt darauf ab, Strömungsmuster wiederzuerkennen. Dabei wird vorher eine Art Datenbank erstellt, in der die typischen Strömungsparameter wie Strömungsgeschwindigkeit, Änderung der Geschwindigkeit über im zeitlichen Verlauf, Fluktuationsamplituden sowie deren Änderung, Frequenzspektrum über Messort und zeitlichen Verlauf sowie Änderung des Spektrums über die Zeit usw., beispielsweise für eine Störung im Betriebsablauf durch ein defektes Ventil oder eine krankhafte Veränderung der Lunge gespeichert werden. Mit dieser Datenbank können durch Clusteranalysen oder auch eine Support-Vector-Machine typische Indikatoren als Referenz bestimmt werden. Durch die Kenntnis dieser typischen Indikatoren (z. B. Support-Vectoren) lässt sich das Mess- und Analysesystem nun zur Diagnose einsetzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Gasströmungen jeglicher Art Verwendung finden. Vorzugsweise kann das Verfahren im Bereich der medizinischen Diagnostik, insbesondere zur akuten Überwachung der Lungenfunktion verwendet werden, vgl. 4. Es sind jedoch auch eine Vielzahl anderer Anwendungsgebiete denkbar, wie beispielsweise in Klimaanlagen oder Gasversorgungsleitungen.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Messvorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1A–1D: vier Ausführungsvariante der Messvorrichtung in Querschnittansicht (links) und Längsschnittansicht (rechts)
2: elektrisches ersatzschaltbild einer beispielhaften Differenzierschaltung
3: Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Luft mittels Kreuzkorrelation
4: FFT-Signatur eines Ausatemstoßes
5: Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mittels Amplituden und spektraler Zusammensetzung der Fluktuationen
1A bis 1D zeigen vier verschiedene beispielhafte Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern Innerhalb eines Fluids 2. Diese Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens ist gekennzeichnet durch einen kreiszylindrischen Hohlkörper 1, der durch eine geschlossene Wand 1a gebildet ist. Der Durchmesser des Hohlkörpers 1 beträgt wenige Zentimeter und ist entsprechend der konkreten Anwendung zu bemessen. So kann er beispielsweise auch 300 mm betragen. Durch den Hohlkörper 1 fließt entlang einer Hauptströmungsrichtung A das zu untersuchende, strömende Fluid 2. In dem Hohlkörper 1 sind entlang der Hauptströmungsrichtung A Druckaufnehmer 3a, 3b, 3c zur lokalen Erfassung von Druckschwankungen angeordnet.
In dem Beispiel gemäß 1A sind rein exemplarisch drei dieser Druckaufnehmer 3a, 3b, 3c dargestellt. Sie sind äquidistant in einem geringen Abstand von einem bis wenigen Zentimetern voneinander in einer Reihe angeordnet und liegen in Poren ein, die in der Wand 1a des Hohlkörpers 1 ausgebildet sind. Die Poren sind in der Art von Bohrungen ausgeführt. Die Druckaufnehmer 3a, 3b, 3c liegen derart in den Poren ein, dass sie im Wesentlichen bündig mit der Innenseite der Wand 1a abschließen. Sie sind jeweils von einer Membran 4 abgedeckt, die zwischen ihnen und dem Fluid liegt und eine Grenzfläche zum Fluid 2 bildet. Die Druckaufnehmer 3a, 3b, 3c liefern jeweils ein Messsignal, das den zeitlichen Verlauf der örtlichen Druckschwankungen repräsentiert.
Die Messvorrichtung umfasst des Weiteren eine in 2 näher dargestellte Differenzierschaltung 7, die im Einklang mit dem Beispiel in 1A mit drei Druckaufnehmern 3a, 3b, 3c einen ersten Differenzbildner 8a und einen zweiten Differenzbildner 8b umfasst. Jeder dieser Differenzbildner 8a, 8b besitzt zwei Signaleingänge, denen die Messsignale der Druckaufnehmer 3a, 3b, 3c nach ihrer Verstärkung zum Erhalt eines nahezu gleichanteilsfreien Ausgangssignals zugeführt sind. Dabei sind die Messsignale des ersten Druckaufnehmers 3a und des zweiten Druckaufnehmers 3b dem ersten Differenzbildner 8a zugeführt, und die Messsignale des zweiten Druckaufnehmers 3b und des dritten Druckaufnehmers 3c dem zweiten Differenzbildner 8a zugeführt sind. Jeder der beiden Differenzbildner 8a, 8b liefert ein differentielles Ausgangssignal, das in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgewertet wird. Durch diese messtechnische Anordnung wird der zeitgleich an mindestens zwei längs der Hauptströmungsrichtung A befindlichen Druckaufnehmern 3a, 3b, 3c anliegende Gleichanteil (DC-Anteil statische Komponente bspw. der mittlerer Druck innerhalb einer Versorgungsleitung sowie AC-Anteil (Schall und Vibrationen) allerdings kein Nutzsignal. Da dies etwa zeitgleich an beiden Sensoren anliegt, wird dies größtenteils entfernt. Der DC-Anteil wird im Beispiel mittels des R/C Hochpasses entfernt) der Druckschwankungen, der Schall und Vibrationen entspricht, durch Bildung der Differenz der gemessenen Signale möglichst eliminiert bzw. stark reduziert. Es verbleibt dann ein AC-Anteil, der im Frequenzbereich von 25, 50 Hz bis einigen Kilohertz liegt.
Daraus wird vorzugsweise die Geschwindigkeit und Strömungsrichtung des strömenden Gases ermittelt, was mittels unterschiedlicher Verfahren wie Autokorrelation, Kreuzkorrelation, FFT-Analysen, analoge und digitale Verzögerungsschaltungen, Elementary Motion Detector s (EMDs) u. ä. erfolgen kann, ohne die DC-Komponente zu messen. Die AC-Anteile können beispielsweise zur Bestimmung des Anteils der Strömungsinhomogenitäten, d. h. der Fluktuationen genutzt werden.
1B zeigt eine zweite Ausführungsvariante der Messvorrichtung. In dieser sind jeweils vier Druckaufnehmer 3a1, 3a2, 3a3, 3a4 elektrisch parallel geschaltet und derart angeordnet, dass sie an gleichmäßig entlang eines Querschnitts des Hohlkörpers 1 verteilten Messpunkten Druckschwankungen erfassen. Dies bedeutet, dass die Druckaufnehmer jeweils zu Gruppen von vier Sensoren zusammengeschlossen sind, die äquidistant entlang eines Querschnitts des Hohlkörpers verteilt sind, so dass sich jeweils zwei Druckaufnehmer gegenüberliegen. Hierdurch wird eine Mittelung des zu messenden Drucks erreicht.
1C zeigt eine dritte Ausführungsvariante der Messvorrichtung. In dieser sind in der Wand 1a des Hohlkörpers 1 ringförmige Kammern 5 ausgebildet, die über sich radial nach Innen erstreckende Kommunikationsöffnungen 6 mit dem Fluid 2 in Druck übertragender Verbindung stehen. Jeder dieser Kammern 5 sind zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer 5 vier Druckaufnehmer 3a1, 3a2, 3a3, 3a4 zugeordnet, die entlang des Querschnitts des Hohlkörpers 1 derart angeordnet sind, dass sie in eine Kammer 5 hineinragen.
Schließlich zeigt 1D zeigt eine vierte Ausführungsvariante der Messvorrichtung. In dieser Variante weist der Hohlkörper 1 einen zentralen Einsatz 1b auf, der sich koaxial zur Hohlkörperachse erstreckt und Kammern 5 besitzt, die über sich radial nach Außen erstreckende Kommunikationsöffnungen 6, die durch die Wand 6a des Einsatzes 1b voneinander getrennt sind, mit dem Fluid 2 in Druck übertragender Verbindung stehen. Jeder dieser Kammern 5 ist zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer 5 genau ein Druckaufnehmer 3a, 3b, 3c zugeordnet. Diese Druckaufnehmer 3a, 3b, 3c sind radial hintereinanderliegend in dem Einsatz 1b angeordnet. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann ein Einsatz 1b, wie er in 1D gezeigt ist, auch bei einer der Ausführungsvarianten der 1A, 1B oder 1C vorgesehen werden. Diese Ausführungsvariante ist besonders Vorteilhaft um als Messsonde für Wartungsarbeiten beweglich innerhalb von Rohrleitungen und Rohrleitungssystemen eingesetzt zu werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die in den 1A bis 1D dargestellten Ausführungsvarianten lediglich beispielhaft zu verstehen sind. Gegenüber den dort in axialer Richtung vorgesehenen drei Druckaufnehmerreihen, können auch eine Mehrzahl von Druckaufnehmern eine Reihe bilden. Auch können eine Vielzahl Druckaufnehmer mehrere Reihen bilden, so dass diese dann matrixförmig über den Umfang des Hohlkörpers verteilt sind. 1A zeigt eine einfache mögliche Umsetzung der vorgeschlagenen Messvorrichtung, wohingegen 1B bis 1D komplexere räumlichen Anordnungen zeigen, welche primär der räumlichen Integration der Messsignale über dem Querschnitt des Hohlkörpers 1 dienen.
Die Auswertung der Messsignale der Druckaufnehmer 3a, 3b, 3c kann beispielsweise durch die in 2 dargestellte analoge Differenzierschaltung 7 erfolgen. Dort sind als Druckaufnehmer Ekret-Mikrofone 3a, 3b, 3c verwendet. Diese bilden hochsensible Druckaufnehmer mit einer Messgenauigkeit im mPa-Bereich.
Die Messvorrichtung umfasst eine Entkopplungsschaltung in Gestalt eines R/C-Hochpasses bei Kondensator 13, um das Signal vom Gleichspannungsanteil des gemessenen Drucksignals zu befreien. Dieser Hochpass bewirkt, dass die Übersteuerung des Verstärkers, durch das sehr viel größere, für die Messungen entbehrliche DC-Signal vermieden wird und nur die kleinen Fluktuationen stark verstärkt werden können. Die Messvorrichtung umfasst weiter eine Differenzierschaltung 7 zur Entfernung bzw. starken Reduktion des Gleichanteils von mehreren längs der Hauptströmung befindlichen Sensoren.
Die schaltungstechnische Gesamtanordnung besteht aus zwei Stufen 10, 11. In der ersten Stufe 10 wird jeder der drei Mikrofonkanäle mittels einer Mikrofonverstärkungsschaltung mit veränderlichem Verstärkungsfaktor amplifiziert. Der Verstärkungsfaktoren können über veränderliche Widerstände 14 eingestellt werden. Die Mikrofonverstärkungsschaltung besteht aus einem Operationsverstärker 12, einer Gleichspannungsentkopplung des Eingangs mittels Kondensator 13 sowie einer DC-Versorgungsspannung (Vmic+) für das jeweilige Mikrofon 3a, 3b, 3c. Der veränderliche Verstärkungsfaktor dient dazu, die Empfindlichkeit und weitere Eigenschaften der einzelnen Mikrofone 3a, 3b, 3c möglichst ähnlich zu wählen. Ein Anpassen der Verstärkungsfaktoren der einzelnen Signalkanäle kann hierbei helfen.
Alle drei Verstärkerausgänge, Ausgang1, Ausgang2 und Ausgang3 stehen für die Analyse der zeitlichen Druckänderungen, d. h. für den Schallanteil, sowie für die räumlichen Druckänderungen an den Messpunkten der Druckaufnehmer, d. h. die Fluktuationen längs des Hohlkörpers 1, zur Verfügung. Diese Signale sind jedoch aufgrund des vorhandenen Störanteils nicht für eine Analyse zu empfehlen.
In der zweiten Verstärkerstufe 11 werden die bereits vorverstärkten Mikrofonsignale benachbarter Mikrofone 3a, 3b, 3c mittels Instrumentenverstärkern als Differenzbildner 8a, 8b voneinander subtrahiert. Dadurch werden zwei pseudodifferenzielle Ausgangssignale entlang der Hauptströmungsrichtung A erzeugt. Diese zweite Stufe 11 dient der Trennung des Schallanteils, der dem statischen Druckanteil, d. h. dem DC-Anteil des strömendem Mediums 2 entspricht, von der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit (Fluktuationen) entlang der Strömungsrichtung A, die den dynamischen Druckanteil bilden. Der zeitgleich an zwei Mikrofonen 3a, 3b, 3c anliegende Druck (Schall) wird dabei egalisiert, wobei der Schallanteil aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeit in Luft, dem geringen Abstand der Mikrofone 3a, 3b, 3c von einander sowie der Möglichkeit, die Empfindlichkeit der Mikrofone 3a, 3b, 3c aneinander anzupassen, stark reduziert wird. Damit können diese Ausgangssignale zur Analyse der Strömungsfluktuationen (AC-Anteil) entlang der Hauptströmungsrichtung A, d. h. der räumlich-zeitlichen Druckschwankungen genutzt werden. Aus diesen Informationen lassen sich im Anschluss in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit mit verschiedenen mathematischen Verfahren wertvolle Informationen über das räumlich-zeitliche Fluktuationsmuster in den Ausgangssignalen gewinnen.
Zwei Mikrofone 3a, 3b samt nachgeschalteter Verstärkerschaltungen und einem Differenzbildner 8a bilden eine schaltungstechnische Grundeinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Diese Grundeinheit kann nun mehrfach oder gar vielfach verwendet sein, um die Messsignale eines ganzen Array aus einer Vielzahl von Mikrofonen durch entsprechende Kombination mehrerer Grundeinheiten oder durch Aneinanderreihen zu verarbeiten.
3 zeigt die mittels Kreuzkorrelation und einem nach 1A gefertigten Messrohr bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit des Luftstromes.
Der Luftstrom wurde mittels eines Ventilators erzeugt. Dabei wurde die Strömungsgeschwindigkeit (linke Ordinate) durch Anpassung der Betriebsspannung (Abszisse) des Ventilators und damit der Rotationsgeschwindigkeit des Ventilators (kurzgestrichelte Linie und rechte Ordinate) variiert und zusätzlich mit einem Flügelradanemometer (Langgestrichelte Linie) als Referenzmesssystem gemessen. Die mittels Kreuzkorrelation ermittelten Geschwindigkeiten (Durchgezogenen Linie) liegen überwiegend innerhalb der Herstellerangaben des Referenzsystems, wobei im Bereich niedriger Geschwindigkeiten das Referenzmesssystem (vermutlich aufgrund von Reibungsverlusten) nicht mehr messen kann. Im Gegensatz dazu, kann mit dem vorgeschlagenen Messsystem auch bei niedrigen Geschwindigkeiten gemessen werden. Die berechneten Geschwindigkeiten sind in hohem Maße reproduzierbar, erkennbar an den sehr geringen Standardabweichung bei 5 Messungen.
In 4 sind zwei mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1D (3 Druckaufnehmer) Rohsignalverläufe in (E), sowie darüber deren mittels FFT bestimmten spektralen Komponenten (A bis D) dargestellt. Gemessen wurden zwei Luftstöße, welche durch Ausatmen erzeugt wurden (a bzw. c von 5,8 bis 7,2 s und b bzw. d von 9 bis 10,5 s). Für die spektralen Analysen wurden jeweils die in (E) mit korrespondierenden Kleinbuchstaben eingezeichneten Signalkanäle und angegebene Zeitfenster verwendet. Aus den mit hohem Signal-Rauchverhältnis gemessenen Signalen können detaillierte Informationen über den zeitlichen Verlauf der Druckschwankungen gewonnen werden. Bei Verwendung von mind. zwei sensorischen Grundeinheiten können zusätzlich örtliche Informationen entlang des Sensorarrays gewonnen werden.
In 5 sind exemplarisch für 4 Ventilatorbetriebsspannungen (A = 12 V, B = 9 V, C = 6 V, D = 3 V) die mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1D unter Versuchsbedingungen des in 3 beschriebenen Experiments gemessenen Rohsignalverläufe (links) und die daraus mittels FFT berechneten Energiespektren (rechts) dargestellt. Bei höheren von dem erfindungsgemäßen Messsystem bestimmten Geschwindigkeiten (A = 12 V ~ 1,57 m/s, B = 9 V ~ 1,45 m/s, C = 6 V ~ 0,90 m/s, D = 3 V ~ 0,32 m/s) nehmen die Amplituden der Fluktuationen im Messsignal (links) zu und die Spektrale Energieverteilung verschieben sich zu höheren Frequenzen (rechts).
Das erfindungsgemäße Messverfahren ermöglicht durch die hohe Sensitivität und gute Signalqualität die Messung winzigster Strömungsinhomogenitäten und die Nutzung dieser Strömungsinhomogenitäten unter anderem zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit und damit des Volumenstromes von Gasen. Weiterhin können detaillierte Informationen über die strömungsdynamischen Vorgänge gewonnen werden, die sich auch für eine weitergehende Charakterisierung des strömenden Mediums eignen, wie beispielsweise den Turbulenzgrad zu bestimmen.
Die Messvorrichtung kann sehr einfach, schnell und preiswert produziert und mit Niederspannung, beispielsweise Batterien, betrieben werden. Außerdem kann die Messvorrichtung vom strömenden Gas isoliert und dadurch vor Verschmutzung und Beschädigung geschützt werden. Die Verwendung von pseudodifferenziellen Differenzdrucksensoren ermöglicht es, die für die Differenzierung genutzten örtlichen Messpunkte nahezu frei zu wählen und insbesondere während der Messung adaptiv zu wählen (statt 2-1 kann beispielsweise bei digitaler Subtraktion bei bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten auch 3-1 sinnvoll sein). Somit kann das Messsystem relativ einfach an die jeweiligen Messaufgaben angepasst werden. Für die gebotene Sensitivität sind die Druckaufnehmer sehr robust. Der hohe Dynamikbereich und das große Signal-Rausch-Abstand (Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal) sorgen dafür, dass eine Reihe von Kosten erhöhenden Maßnahmen wie Abschirmung oder Nachprozessierung zur Reinigung der Messsignale eingespart werden können. Zur Erhöhung des Verhältnisses von Nutzsignal zu Störsignal kann das Messsignal zusätzlich analog oder digital gefiltert werden. Die hohe nutzbare Bandbreite macht sinnvolle Anwendungen in strömenden Gasen erst möglich.
Untersuchungen haben ergeben, dass für eine effektive Bestimmung der Geschwindigkeit mit geringem Messintervall hochfrequente Fluktuationen benötigt, und dass diese anschließend auch gemessen können werden müssen. Dies wird durch die hier vorgeschlagene Messvorrichtung und das vorgeschlagene Messverfahren erreicht.

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern innerhalb eines Fluids (2), mit einem Hohlkörper (1), der von dem Fluid (2) entlang einer Hauptströmungsrichtung (A) durchströmt wird, wobei in dem Hohlkörper (1) entlang der Hauptströmungsrichtung (A) mindestens ein erster und ein zweiter Druckaufnehmer (3a, 3b) zur lokalen Erfassung von Druckschwankungen angeordnet sind und die Druckaufnehmer (3a, 3b) jeweils ein Messsignal liefern, das den zeitlichen Verlauf der örtlichen Druckschwankungen repräsentiert, gekennzeichnet durch – eine Differenzierschaltung (7) mit wenigstens einem ersten Differenzbildner (8a), der zwei Signaleingänge aufweist, denen die Messsignale zum Erhalt eines nahezu gleichanteilsfreien Ausgangssignals zugeführt sind, und – eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal auf Druckschwankungsmuster auszuwerten.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest einen dritten Druckaufnehmer (3c) und einen zweiten Differenzbildner (8b) mit zwei Signaleingängen aufweist, wobei der dritte Druckaufnehmer (3c) in einer Reihe mit den beiden anderen Druckaufnehmern (3a, 3b) angeordnet ist, die Messsignale des zweiten und des dritten Druckaufnehmers (3b, 3c) jeweils auf einen Signaleingang des zweiten Differenzbildners (8b) geführt sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Druckaufnehmern (3a, 3b, 3c) entlang der Hauptströmungsrichtung (A) in einer Reihe angeordnet sind, wobei die Messsignale von jeweils zwei der Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) jeweils einem Differenzbildner (8a, 8b) zugeführt sind.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlkörper (1) ein Vielzahl von Druckaufnehmern (3a, 3b, 3c), insbesondere matrixförmig angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) mit den Signaleingängen eines Differenzbildners (8a, 8b) verbunden sind und die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, eine Korrelation der Ausgangssignale zweier oder mehr Differenzbildner (8a, 8b) festzustellen und daraus eine Strömungsrichtung des Fluids (2) zu ermitteln.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) und dem Fluid (2) eine diesen Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) dichtend abdeckende Membran (4) liegt.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) in jeweils einer Pore einliegen, die in einer den Hohlkörper (1) bildenden Wand (1a) ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren an ihrer fluidseitigen Öffnung durch die Membran (4) verschlossen sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eine der Poren in Richtung des Fluids (2) trichterförmig öffnet.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) von Mikrofonkapseln, insbesondere Ekret-Mikrofonen gebildet sind.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) entlang seines Innenumfangs Umfangsnuten aufweist, die zur Ausbildung von Kammern jeweils durch eine eine Grenzfläche zum Fluid (2) bildende Membran abgedeckt sind, wobei jeder dieser Kammern zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer zumindest ein Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) zugeordnet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) ringförmige Kammern (5) aufweist, die über sich nach Innen erstreckende Kommunikationsöffnungen (6) mit dem Fluid (2) in Druck übertragender Verbindung stehen, wobei jeder dieser Kammern (5) zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer (5) zumindest ein Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) zugeordnet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) einen zentralen Einsatz (1b) aufweist, der sich koaxial zur Hohlkörperachse erstreckt und Kammern (6) aufweist, die über sich nach Außen erstreckende Kommunikationsöffnungen (6) mit dem Fluid (2) in Druck übertragender Verbindung stehen, wobei jeder dieser Kammern (5) zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer (5) zumindest ein Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) zugeordnet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei, drei oder mehr Druckaufnehmer (3a1, 3a2, 3a3, 3a4) parallel geschaltet und derart angeordnet sind, dass sie an gleichmäßig entlang eines Querschnitts des Hohlkörpers (1) verteilten Messpunkten Druckschwankungen erfassen.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem in Hauptströmungsrichtung (A) ersten Druckaufnehmer (3a) ein Turbulenzen erzeugendes Mittel oder ein Turbulenzen reduzierendes Mittel angeordnet ist.
Verfahren zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern innerhalb eines Fluids (2), das in einer Hauptströmungsrichtung (A) durch einen Hohlkörper (1) geleitet wird, der entlang der Hauptströmungsrichtung (A) mindestens einen ersten und einen zweiten Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) zur lokalen Erfassung von Druckschwankungen aufweist, wobei die Druckaufnehmer jeweils ein Messsignal liefern, das den zeitlichen Verlauf der örtlichen Druckschwankungen repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Messignale der beiden Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) zum Erhalt eines nahezu gleichanteilsfreien Ausgangssignals gebildet und dieses Ausgangssignal auf Druckschwankungsmuster ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit der Druckaufnehmer (3a, 3b) aktiv mittels eines Schallerzeugers, insbesondere eines Lautsprechers, aneinander angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) mit einer amplitudenmodulierten Spannung einer bestimmten Trägerfrequenz versorgt werden, und die Trägerfrequenz anschließend aus den Messsignalen herausgefiltert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Energieverteilung des Ausgangssignals ermittelt und daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Autokorrelation des Ausgangssignals durchgeführt wird, daraus die Ablösefrequenz von Wirbeln und aus dieser Frequenz die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der Hohlkörper (1) zumindest einen dritten Druckaufnehmer (3c) und einen zweiten Differenzbildner (8b) mit zwei Signaleingängen aufweist, wobei der dritte Druckaufnehmer (3c) in einer Reihe mit den beiden anderen Druckaufnehmern (3a, 3b) angeordnet ist und die Messsignale des zweiten und des dritten Druckaufnehmers (3b, 3c) jeweils auf einen Signaleingang des zweiten Differenzbildners (8b) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit aus der zeitlichen Verzögerung eines bestimmten Druckschwankungsmusters in dem Ausgangssignal des ersten Differenzbildners (8a) zu einem identischen oder zumindest ähnlichen Druckschwankungsmuster in dem Ausgangssignal des zweiten Differenzbildners (8b) ermittelt wird.
Zentraler Einsatz (1a) zur Bestimmung von räumlich-zeitlichen Druckschwankungsmustern innerhalb eines Fluids (2) und zum Einsetzen in einen Hohlkörper (1), der von dem Fluid (2) entlang einer Hauptströmungsrichtung (A) durchströmt wird, wobei in dem Einsatz (1a) entlang der Hauptströmungsrichtung (A) mindestens ein erster und ein zweiter Druckaufnehmer (3a, 3b) zur lokalen Erfassung von Druckschwankungen angeordnet sind und die Druckaufnehmer (3a, 3b) jeweils ein Messsignal liefern, das den zeitlichen Verlauf der örtlichen Druckschwankungen repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass er sich koaxial zur Hohlkörperachse erstreckt und Kammern (6) aufweist, die über sich nach Außen erstreckende Kommunikationsöffnungen (6) mit dem Fluid (2) in Druck übertragender Verbindung stehen, wobei jeder dieser Kammern (5) zur Messung des Drucks in der jeweiligen Kammer (5) zumindest ein Druckaufnehmer (3a, 3b, 3c) zugeordnet ist.