DE102013217382A1

DE102013217382A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Messung eines Massenstroms eines Fluids

Info

Publication number: DE102013217382A1
Application number: DE102013217382.2A
Authority: DE
Inventors: Oroitz Elgezabel Gómez
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung eines Massenstroms eines strömenden Fluids, mit einem Messkörper, der von dem Fluid umströmbar ist, mindestens zwei Drucksensoren, die in einer Strömungsrichtung des Fluids hintereinander angeordnet sind, und einer Auswertungsvorrichtung zum Auswerten von Messwerten der mindestens zwei Drucksensoren, zum Berechnen einer Anströmgeschwindigkeit des den Messkörper umströmenden Fluids anhand der ausgewerteten Messwerte, und zum Berechnen des Massenstroms des den Messkörper umströmenden Fluids anhand der berechneten Anströmgeschwindigkeit des Fluids.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung eines Massenstroms eines strömenden Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Messung eines Massenstroms eines strömenden Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
Für die Regelung von Verbrennungsprozessen, insbesondere von Verbrennungsprozessen in Verbrennungskraftmaschinen, werden häufig Messvorrichtungen zur Messung eines Massenstroms eingesetzt, um die dem Verbrennungsprozess pro Zeiteinheit zugeführte Luftmasse zu bestimmen. Mit diesem Wert kann dann beispielsweise die dem Verbrennungsprozess pro Zeiteinheit zugeführte Kraftstoffmenge einstellt werden.
In derartigen Messvorrichtungen werden häufig Hitzdrähte als Sensoren eingesetzt. Ein solcher Hitzdraht-Sensor ist beispielsweise aus der EP 0 177 632 B1 bekannt. Dabei wird ein temperaturabhängiger Widerstandsdraht innerhalb einer Leitung befestigt und mittels eines Steuergeräts durch einen Stromfluss auf einer konstanten Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur gehalten. Je nach der Stärke des Massenstroms wird der Hitzdraht durch die vorbeiströmende Luft gekühlt. Über den zum Aufrechterhalten der konstanten Temperatur nötigen Stromfluss lässt sich auf den Massenstrom schließen.
Derartige Hitzdraht-Sensoren sind allerdings empfindlich und eignen sich nicht für raue Einsatzbedingungen. Überdies sind zum Erreichen der in vielen Einsatzbereichen geforderten Messgenauigkeit komplexe Regressionsalgorithmen notwendig, die eine aufwendige Auswertungsvorrichtung erfordern.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Messvorrichtung zur Messung eines Massenstroms zu schaffen, die auch unter rauen Einsatzbedingungen und ohne Verwendung von komplexen Regressionsalgorithmen präzise Messwerte liefern kann.
Dieses Problem wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach umfasst eine Messvorrichtung zur Messung eines Massenstroms eines strömenden Fluids einen Messkörper, der von dem Fluid umströmbar ist, mindestens zwei Drucksensoren, die in einer Strömungsrichtung des Fluids hintereinander angeordnet sind, und eine Auswertungsvorrichtung zum Auswerten von Messwerten der mindestens zwei Drucksensoren, zum Berechnen einer Anströmgeschwindigkeit des den Messkörper umströmenden Fluids anhand der ausgewerteten Messwerte, und zum Berechnen des Massenstroms des den Messkörper umströmenden Fluids anhand der berechneten Anströmgeschwindigkeit des Fluids.
Eine derartige Messvorrichtung kann zur Messung von Massenströmen von Fluiden im Allgemeinen, also von gasförmigen und flüssigen Medien verwendet werden. Hierbei kann die Messvorrichtung durch ein ruhendes Fluid bewegt werden, es kann sich das Fluid durch eine ruhende Messvorrichtung bewegen oder es kann die Messvorrichtung durch ein bewegtes Fluid bewegt werden. Die Messung erfolgt dabei bezogen auf die Relativbewegung zwischen der Messvorrichtung und dem Fluid.
Ein Messwert eines Drucksensors kann dabei unter anderem beispielsweise in Form eines Widerstandswertes, eines Spannungswertes, eines Stromwertes, in Form eines Datensignals oder eines digitalen Datensignals vorliegen.
Die Berechnung des Massenstroms durch die Auswertungsvorrichtung erfolgt dabei derart, dass zunächst anhand von mindestens jeweils einem Messwert von zumindest zwei Drucksensoren eine Anströmgeschwindigkeit des den Messkörper umströmenden Fluids bestimmt wird und daraufhin mit der Anströmgeschwindigkeit des Fluids der Massenstrom des Fluids berechnet wird. Hierzu kann es notwendig sein, die Dichte des Fluids und den Querschnitt der Durchtrittfläche, auf die der Massenstrom bezogen wird, zu bestimmen. Dies kann mit geeigneten Mitteln erfolgen. Die Dichte kann beispielsweise mittels eines Absolutdruckmessers bestimmt werden. Falls die Messvorrichtung beispielsweise zur Messung eines Luft-Massenstroms in einem Kraftfahrzeug oder in einem Flugzeug eingesetzt wird, kann auch beispielsweise anhand von der Höhe der aktuellen Position des Kraftfahrzeugs oder Flugzeugs auf die Dichte des Fluids – in diesem Fall der Luft – geschlossen werden.
Für die Bestimmung der Anströmgeschwindigkeit mittels der Messvorrichtung gibt es mehrere Möglichkeiten. So kann die Auswertungsvorrichtung die Anströmgeschwindigkeit des den Messkörper umströmenden Fluids über eine Verteilung von Messwerten von mindestens zwei entlang der Strömungsrichtung angeordneten Drucksensoren berechnen.
Beispielsweise bei laminaren Strömungen, die den Messkörper symmetrisch umströmen, kann dementsprechend die Druckverteilung entlang der Oberfläche des Messkörpers in Strömungsrichtung verwendet werden, um die Anströmgeschwindigkeit zu bestimmen. Entsprechend der jeweiligen Kontur des Messkörpers entlang der Strömungsrichtung übt das anströmende Fluid auf jeden Punkt auf der Kontur des Messkörpers einen bestimmten Druck aus. Einem Fachmann sind die hierbei relevanten Beziehungen bekannt. Hierzu müssen Messwerte von mindestens zwei entlang der Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Drucksensoren verwendet werden; insbesondere können hierzu auch Messwerte von allen Drucksensoren der Messvorrichtung verwendet werden.
Ferner kann die Auswertungsvorrichtung die Anströmgeschwindigkeit des den Messkörper umströmenden Fluids über die Differenz von Messwerten von mindestens zwei, auf den Umfang des Messkörpers bezogen gegenüberliegenden und/oder auf einer zur Strömungsrichtung (x) vertikalen Achse liegenden Drucksensoren berechnen. Hierbei können auch insbesondere Messwerte von mehr als zwei, beispielsweise von allen Drucksensoren der Messvorrichtung verwendet werden. Hierbei kann bestimmt werden, ob ein endlicher Gesamtdruck auf den Messkörper einwirkt. Dies kann beispielsweise ein statischer Auftrieb durch die Verdrängung eines Fluids durch den Messkörper sein. Des Weiteren kann ein solcher endlicher Gesamtdruck durch ein den Messkörper unsymmetrisch umströmendes Fluid hervorgerufen werden. Anhand der endlichen Zirkulation des Fluidstroms um den Messkörper herum kann über die Differenz von Messwerten von gegenüberliegenden Drucksensoren und/oder einen nicht verschwindenden, auf den Umfang der Messvorrichtung bezogenen und/oder orthogonal zur Strömungsrichtung gerichteten Gesamtdruck eine resultierende Auftriebskraft bestimmt werden. Anhand der Auftriebskraft kann wiederum die Anströmgeschwindigkeit des Fluids berechnet werden. Die Beziehung zwischen der Anströmgeschwindigkeit eines Fluids, der Zirkulation um einen Körper und der damit verbundenen Kraft auf den Körper ist dem Fachmann bekannt.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die Auswertungsvorrichtung anhand von zumindest jeweils einem Messwert von zumindest zwei Drucksensoren einen Staudruck des den Messkörper umströmenden Fluids berechnet und anhand dessen die Anströmgeschwindigkeit des den Messkörper umströmenden Fluids berechnet. Hierzu kann beispielsweise zunächst eine in Strömungsrichtung gerichtete Druckkomponente bestimmt werden. Diese Druckkomponente kann dem Gesamtdruck aus einem dynamischen Druck bzw. Staudruck und einem statischen Druck entsprechen. Durch eine Bestimmung des statischen Drucks über zumindest einen Messwert von zumindest einem der Drucksensoren oder einen externen Drucksensor kann somit der Staudruck bestimmt werden. Da der Staudruck die kinetische Energie des Fluids charakterisiert, kann daraus entsprechend die Anströmgeschwindigkeit des Fluids bestimmt werden.
Anhand des Massenstroms bzw. der Anströmgeschwindigkeit des den Messkörper umströmenden Fluids kann die Auswertungsvorrichtung ferner einen Volumenstrom des den Messkörper umströmenden Fluids berechnen. Für diese Berechnung kann wiederum ein Wert des statischen Drucks verwendet werden, welcher wie oben beschrieben bestimmt werden kann.
Am Messkörper, insbesondere an oder in dessen Oberfläche, kann mindestens ein Temperatursensor angeordnet sein. Dieser mindestens eine Temperatursensor kann dazu geeignet sein, die Temperatur des anströmenden Fluids zu bestimmen.
Je nach Beschaffenheit der Drucksensoren können deren Messwerte eine Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen. Durch eine Änderung der Temperatur kann dadurch ein Messwert des Drucks verfälscht werden. Daher kann der mindestens eine Temperatursensor mit einer Temperaturkompensationsvorrichtung zur Temperaturkompensation zumindest eines Messwerts der Drucksensoren verbunden sein. Die Temperaturkompensationsvorrichtung kann den Temperatursensor auslesen und anhand des ausgelesenen Wertes zumindest ein Temperaturkompensationssignal und/oder zumindest ein temperaturkompensiertes Drucksignal ausgeben. Es können einer, mehrere oder alle Temperatursensoren mit einer Temperaturkompensationsvorrichtung verbunden sein. Ferner kann jeder Temperatursensor mit einer Temperaturkompensationsvorrichtung verbunden sein. Die Temperaturkompensationsvorrichtung kann ferner mit einem oder mehreren der Drucksensoren verbunden sein. Insbesondere können jeweils ein Drucksensor und ein Temperatursensor mit jeweils einer Temperaturkompensationsvorrichtung verbunden sein.
Das von der Temperaturkompensationsvorrichtung ausgegebene mindestens eine Temperaturkompensationssignal und/oder der von der Temperaturkompensationsvorrichtung ausgegebene mindestens eine temperaturkompensierte Druckmesswert kann mittels mindestens einer Signalverstärkungseinrichtung verstärkt werden. Dies kann notwendig sein, wenn das Temperaturkompensationssignal und/oder der temperaturkompensierte Druckmesswert zu schwach sind, um von der Auswertungsvorrichtung ausgewertet zu werden.
Das von der Temperaturkompensationsvorrichtung ausgegebene mindestens eine Temperaturkompensationssignal und/oder der temperaturkompensierte Druckmesswert kann ein Spannungssignal sein. Dieses Spannungssignal kann mittels eines Spannung-zu-Strom-Konverters in ein Stromsignal konvertiert werden. Dies kann sowohl vor der Signalverstärkung durch die Signalverstärkungseinrichtung erfolgen, als auch danach. Somit kann entweder ein Spannungssignal oder ein Stromsignal an die Auswertungsvorrichtung ausgegeben werden. Die Auswertungsvorrichtung kann konfiguriert sein, Spannungssignale, Stromsignale oder sowohl Spannungssignale als auch Stromsignale verarbeiten zu können.
Prinzipiell kann der Messkörper als ein beliebig geformter dreidimensionaler Körper ausgeführt sein. Insbesondere kann der der Messkörper jedoch im Wesentlichen zylinderförmig sein. Der Messkörper kann dann so in dem Fluidstrom ausgerichtet bzw. positioniert werden bzw. das Fluid kann derart an den Messkörper geleitet werden, dass die Strömungsrichtung des Fluids im Wesentlichen rechtwinklig auf die Zylinderachse des Messkörpers der Messvorrichtung stößt.
Je nachdem, welche der beschriebenen Möglichkeiten zur Bestimmung der Anströmgeschwindigkeit bzw. des Massenstroms bzw. des Volumenstroms des den Messkörper umströmenden Fluids angewandt wird, kann die Messung durch eine Vergrößerung der Anzahl der Druck- und/oder Temperatursensoren und/oder des durch diese Sensoren bedeckten Anteils der Oberfläche des Messkörpers verbessert werden. Insbesondere kann ein möglichst großer Anteil der Oberfläche des Messkörpers mit Druck- und/oder Temperatursensoren bedeckt sein.
Die Drucksensoren können zumindest teilweise als piezoresistive Sensoren ausgeführt sein. Insbesondere können die Drucksensoren zumindest teilweise als piezoresistive Dünnschichtsensoren ausgeführt sein. Diese Sensoren können an der Oberfläche des Messkörpers angeordnet oder aufgebracht werden oder beispielsweise in die Oberfläche eingefasst werden.
Die Messung eines Drucks, dem ein als piezoresistiver Sensor ausgeführter Drucksensor ausgesetzt ist, kann über die Messung des Widerstands des Drucksensors erfolgen. Die Messung des Widerstands eines solchen Drucksensors kann beispielsweise direkt oder mittels einer Brückenschaltung erfolgen. Falls die Messung mittels einer Brückenschaltung erfolgt, kann ein Temperatursensor in die Brückenschaltung einbezogen werden, sodass ein temperaturkompensiertes Signal bereitgestellt werden kann.
Ferner kann an der Oberfläche des Messkörpers eine den Messkörper bzw. die Druck- und/oder Temperatursensoren schützende Schutzschicht vorgesehen sein. Diese kann den Messkörper ganz oder teilweise überdecken. Die Schutzschicht kann aus einem besonders harten und/oder widerstandsfähigen Material wie beispielsweise einem Carbid, wie z. B. Siliziumkarbid gebildet werden. Die Schutzschicht kann beispielsweise durch eine diamantartige Schutzschicht gebildet werden. Die Schutzschicht kann den Messkörper und dessen Bestandteile beispielsweise vor rauen Bedingungen schützen, wie beispielsweise hohen/niedrigen Temperaturen, starken Fluidströmungen, Partikeln, korrosiven Substanzen und ähnlichem. Darüber hinaus kann die Schutzschicht auch eine isolierende Funktion ausüben und beispielsweise Druck- und/oder Temperatursensoren, Leitungen und/oder elektrische Verbindungen thermisch und/oder elektrisch isolieren.
Die Messvorrichtung kann insbesondere als Ersatz für Hitzdraht-Massenstrom-Messvorrichtungen z. B. in der Luftfahrt, im Automobilbau und anderen Einsatzgebieten dienen. Hierbei kann die Messvorrichtung beispielsweise als Luftmassenmesser bzw. Luftmengenmesser eingesetzt werden. Sie hat dabei den Vorteil, dass sie robuster als viele derartige Messgeräte ist und langlebiger sein kann.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Luftzuleitung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine Turbine. Dabei ist vorgesehen, dass die Luftzuleitung mindestens eine Messvorrichtung nach einer oder mehreren beliebigen der hier beschriebenen Ausführungsformen bzw. gemäß einem oder mehreren beliebigen der hier beschriebenen Aspekte umfasst. Mittels der Messvorrichtung kann dann das Kraftstoff-Luft-Mischungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird ebenfalls durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Dieses Verfahren zur Messung eines Massenstroms eines in einer Strömungsrichtung strömenden Fluids unter Verwendung einer Messvorrichtung umfasst die folgenden Schritte: Umströmen eines Messkörpers der Messvorrichtung mit dem Fluid, wobei an dem Messkörper eine Mehrzahl von Drucksensoren derart an, in oder unter der Oberfläche des Messkörpers vorgesehen sind, dass in Strömungsrichtung mindestens einige der Drucksensoren hintereinander angeordnet sind; und Auswerten von Messwerten der Drucksensoren mittels einer Auswertungsvorrichtung. Es ist dabei vorgesehen, dass der Massenstroms des den Messkörper umströmenden Fluids mittels der Auswertungsvorrichtung anhand von mindestens einem Messwert von zumindest einem der Drucksensoren berechnet wird.
Das beschriebene Verfahren zur Messung eines Massenstroms eines in einer Strömungsrichtung strömenden Fluids kann gemäß jedem beliebigen hierin beschriebenen Merkmal oder Aspekt und gemäß jeder beliebigen Kombinationen dieser Merkmale und Aspekte angepasst werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1 eine Messvorrichtung zur Messung eines Massenstroms;
2 einen Messkörper einer Messvorrichtung zur Messung eines Massenstroms;
2A den Messkörper aus 2 in einem Querschnitt entlang einer Längsachse des Messkörpers sowie in einem Querschnitt orthogonal zu dieser Längachse;
3 den von einem Fluid umströmten Messkörper aus 2;
4 den von einem Fluid umströmten Messkörper aus 2 im Querschnitt orthogonal zur Längsachse des Messkörpers;
5 zwei Varianten einer Luftzuleitung mit einem darin angeordneten Messkörper;
6 eine Temperaturkompensationsvorrichtung;
7 eine aufgeschnittene Ansicht der Oberfläche des Messkörpers aus 2.
1 zeigt eine Messvorrichtung 1 zur Messung eines Massenstroms 20 eines strömenden Fluids 2 in einer schematischen Ansicht. Zur Veranschaulichung sind hierbei in 1 beispielhafte Stromlinien 200 des Massenstroms 20 des Fluids 2 dargestellt. Die Messvorrichtung 1 umfasst einen Messkörper 10, der über Leitungen 13 mit einer Auswertungsvorrichtung 14 verbunden ist. Alternativ kann die Messvorrichtung 1 auch mehrere Messkörper 10 und/oder mehrere Auswertungsvorrichtungen 14 umfassen. Die Anzahl der in 1 abgebildeten Leitungen 13 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Je nach Ausführung der Messvorrichtung 1 kann es ausreichen, lediglich eine Leitung 13 vorzusehen oder auch mehr oder deutlich mehr als die abgebildeten. Die Leitungen 13 können der Stromversorgung dienen und/oder dem Auslesen von Messwerten bzw. Übermitteln von Daten.
Der Messkörper 10 umfasst einen zylinderförmigen Abschnitt, an dem eine Vielzahl von Drucksensoren 11 angeordnet ist. Auf den Aufbau des Messkörpers 10 wird im Zusammenhang mit den folgenden Figuren näher eingegangen werden. Der Messkörper 10 wird von einem Fluid 2 umströmt. Stromlinien 200 des strömenden Fluids 2 sind in 1 beispielhaft dargestellt. Die Vielzahl von Drucksensoren liefert hierbei stetig oder zu diskreten Zeitpunkten Messdaten des lokalen Drucks. Lokal bedeutet hier der Ort des jeweiligen Drucksensors. Die Messdaten können dabei in Form eines Widerstands vorliegen, der gemessen werden kann und beispielsweise über Kennwerte mit dem vorliegenden Druck in Beziehung gebracht werden kann. Die Messdaten können jedoch auch in Form von Spannungs- oder Stromsignalen oder auch in Form von optischen Signalen vorliegen. Ein solches Signal kann direkt von dem jeweiligen Drucksensor 11 ausgegeben werden, es kann jedoch hierzu auch z. B. eine Vorrichtung am oder im Messkörper 10 bzw. an den einzelnen Drucksensoren 11 vorgesehen sein, welche den Drucksensor ausliest, also beispielsweise einen elektrischen Widerstand von einem oder mehreren der Drucksensoren 11 misst und ein der Höhe des Widerstands entsprechendes Spannungs- oder Stromsignal ausgibt. Alternativ kann eine solche Vorrichtung die Messwerte der Drucksensoren 11 auch in Form von digitalen Daten an die Auswertungsvorrichtung 14 bereitstellen. Die Anordnung der Auswertungsvorrichtung 14 kann entweder getrennt von dem Messkörper 10 erfolgen, so wie in 1 dargestellt, alternativ kann die Auswertungsvorrichtung 14 aber auch im oder am Messkörper 10 angeordnet sein. Die Auswertungsvorrichtung 14 kann durch eine elektronische Schaltung verwirklicht werden. Zumindest teilweise kann die Auswertungsvorrichtung 14 jedoch auch durch ein Programm einer Datenverarbeitungsvorrichtung verwirklicht werden.
Die Auswertungsvorrichtung kann beispielsweise über eine Leitung 13 oder über ein Paar von Leitungen 13 mit jedem einzelnen der Drucksensoren verbunden sein. Alternativ können auch mehrere Drucksensoren miteinander verschaltet werden, beispielsweise in Reihe geschaltet werden und so mit der Auswertungsvorrichtung 14 über eine oder mehrere Leitungen 13 verbunden werden. Es kann auch eine Vorrichtung im oder am Messkörper 10 vorgesehen sein, welche mit einem, mehreren oder allen Drucksensoren 11 verbunden ist, diese ausliest und über Leitungen 13 Messdaten an die Auswertungsvorrichtung 14 ausgibt.
Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine besonders hohe Anzahl von Drucksensoren 11 am Messkörper 10 vorgesehen ist.
2 zeigt den Messkörper 10 der Messvorrichtung 1 im Detail. Der Messkörper weist einen zylindrischen Abschnitt 101 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form mit einem im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf. Im Allgemeinen kann der Messkörper bzw. der in 2 zylindrisch ausgeführte Abschnitt 101 aber auch in einer anderen Form ausgeführt sein. So kann der Messkörper z. B. einen ovalen, elliptischen, rechteckigen, quadratischen, drei- oder vieleckigen oder sonstigen Querschnitt aufweisen. Der Messkörper 10 hat eine entlang einer Achse z längs erstreckte Form, wobei die Zylinderachse des zylindrischen Abschnitts 101 des Messkörpers 10 aus 2 mit der Achse z zusammenfällt. Allerdings muss der Messkörper 10 auch nicht zwingend eine längliche Form aufweisen und kann stattdessen auch beispielsweise in einer Kugel-, Würfel-, Ikosaeder-, oder Ringform ausgeführt sein. Ferner kann der Messkörper 10 auch gebogen oder derart ausgebildet sein, dass er sich entlang einer Achse, beispielsweise entlang der Achse z verbreitert oder verjüngt.
Der Messkörper 10 weist eine Vielzahl von Drucksensoren 11 auf, welche an, in oder unter der Oberfläche 100 des zylindrischen Abschnitts 101 des Messkörpers vorgesehen sind. In 2 sind die Drucksensoren 11 auf der Oberfläche 100 des zylindrischen Abschnitts 101 angeordnet. Die Drucksensoren 11 weisen vorliegend eine längliche Form auf und erstrecken sich längs entlang der Zylinderachse des zylindrischen Abschnitts 101. Diese Konfiguration ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. So können die einzelnen Drucksensoren 11 auch entlang der Zylinderachse des zylindrischen Abschnitts 101 auch unterteilt sein, sodass entlang dieser Richtung mehrere Drucksensoren benachbart zueinander angeordnet sind. Es sind jedoch auch noch weiter abweichende Anordnungen möglich. Beispielsweise können die Drucksensoren 11 auch versetzt zueinander angeordnet werden oder in verschiedenen Formen ausgeführt sein. Ferner kann jede beliebige Anzahl von Drucksensoren 11 an einem Messkörper 10 vorgesehen werden. Die Drucksensoren 11 können im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des vorgesehenen Umströmungsverlaufs ausgerichtet werden. Sie können auch in Richtung des vorgesehenen Umströmungsverlaufs eine geringere Breite aufweisen wie senkrecht dazu.
Die in 2 dargestellten Drucksensoren 11 sind vom Typ der piezoresistiven Drucksensoren. Alternativ können auch andere Arten von Drucksensoren verwendet werden; die Messvorrichtung 1 ist nicht auf die Verwendung von piezoresistiven Drucksensoren 11 beschränkt. Ferner können auch mehrere verschiedene Arten von Drucksensoren 11 eingesetzt werden. Insbesondere können beispielsweise auch piezoelektrische Drucksensoren eingesetzt werden. Diese können, wie auch piezoresistive Drucksensoren, in Dünnschichttechnik ausgeführt bzw. auf den Messkörper 10 aufgebracht werden. Ferner können beispielsweise auch kapazitive oder induktive Drucksensoren als Drucksensoren 11 der Messvorrichtung 1 verwendet werden.
Aufgrund des direkten Zusammenhangs von Druck und der auf eine Fläche einwirkenden Kraft werden hierin allgemein sowohl Drucksensoren als auch Kraftsensoren unter dem Begriff Drucksensoren zusammengefasst. Demnach können entsprechend auch Kraftsensoren als Drucksensoren 11 der Messvorrichtung eingesetzt werden.
Weiterhin umfasst der Messkörper 10 aus 2 mehrere Temperatursensoren 12. Diese sind vorliegend, bezogen auf die Zylinderachse des zylindrischen Abschnitts 101 des Messkörpers 10 neben den Drucksensoren 11 angeordnet. Wie bei den Drucksensoren 11 gilt auch für die Temperatursensoren 12, dass deren in 2 dargestellte Form, Größe, Anzahl und Anordnung lediglich beispielhaft zu verstehen sind. So können die Temperatursensoren 12 auch kleiner oder größer, an einer anderen Stelle des zylindrischen Abschnitts 101 und von einer anderen Form ausgeführt werden. Damit Drucksensoren 11 und Temperatursensoren 12 stets eine möglichst ähnliche bzw. näherungsweise die gleiche Temperatur aufweisen, können die Temperatursensoren 12 möglichst nah an den Drucksensoren 11 gelegen vorgesehen sein. Die Temperatursensoren 12 können auch in einer derartigen Entfernung zu den Drucksensoren 11 angeordnet werden, dass sie möglichst wenig Druckeinwirkung durch das Fluid 2 erfahren. Es kann ferner eine Anordnung gewählt werden, in der die Temperatursensoren 12 gerade so weit von den Drucksensoren 11 entfernt vorgesehen sind, dass sie kaum oder keine Druckeinwirkung durch das Fluid 2 erfahren, jedoch noch nah genug an den Drucksensoren 11 gelegen sind, um insbesondere im Gebrauch der Messvorrichtung 1 stets eine möglichst ähnliche bzw. näherungsweise die gleiche Temperatur aufweisen wie die Drucksensoren 11. Es kann ausreichend sein, lediglich einen Temperatursensor 12 vorzusehen, oder deutlich mehr als die dargestellte Anzahl. Die Anzahl von Temperatursensoren kann an die Anzahl von Drucksensoren gekoppelt werden. Auch die Anordnung von Temperatursensoren 12 kann an die Anordnung von Drucksensoren 11 gekoppelt werden. So können beispielsweise jeweils ein oder jeweils mehrere Temperatursensoren 12 neben einem Drucksensor 11 angeordnet werden. Dabei können Drucksensoren 11 und Temperatursensoren 12 so angeordnet werden, dass sie entlang der Zylinderachse des zylindrischen Abschnitts 101 nebeneinander angeordnet sind. Die Drucksensoren 11 und die Temperatursensoren 12 können auch vertauscht angeordnet werden oder einander abwechseln. Dabei können die Temperatursensoren 12 insbesondere derart angeordnet, geformt und/oder beschaffen sein, dass das Fluid 2 die Temperatur der Temperatursensoren 12 in etwa gleichermaßen beeinflusst, wie die Temperatur der Drucksensoren 11, d. h. dass alle oder einzelne Temperatursensoren 12 stets in etwa dieselbe Temperatur aufweisen wie alle oder einzelne Drucksensoren 11.
Der Messkörper 10 umfasst ferner ein Befestigungsmittel, vorliegend eine Mutter 102 und ein Gewinde 103. So kann der Messkörper 10 beispielsweise mit dem Gewinde 103 in eine entsprechende Gewindebohrung eingeschraubt und mittels der Mutter 102 festgezogen werden. Es sind jedoch auch andere Formen von Befestigungsmitteln zur Befestigung des Messkörpers 10 denkbar. Beispielsweise kann der Messkörper 10 auch ein Innengewinde zur Befestigung mittels einer Schraube oder an einer Schraube aufweisen. Der Messkörper kann auch mit entsprechenden Mitteln festgeklemmt werden. Weiterhin kann der Messkörper auch an beiden Enden des zylindrischen Abschnitts 101 ein Befestigungsmittel aufweisen oder nur ein Befestigungsmittel in der Mitte des zylindrischen Abschnitts 101, entlang dessen Zylinderachse gesehen.
2A zeigt den Messkörper 10 aus 2 links in einem Querschnitt durch den zylindrischen Abschnitt 101 und rechts in einem Querschnitt entlang der Zylinderachse des zylindrischen Abschnitts 101. Hierbei sind einige Merkmale des Messkörpers 1 entsprechend der Beschreibung der 2 zu erkennen, auf welche hier Bezug genommen wird. Insbesondere in einer in der Darstellung des Querschnitts durch den zylindrischen Abschnitt 101 gezeigten vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts der Oberfläche 100 des zylindrischen Abschnitts 101 ist zu erkennen, dass die Drucksensoren 11, aber auch die Temperatursensoren 12 nicht nur an sondern auch in der Oberfläche 100 eingefasst vorgesehen sein können.
Der Messkörper 10 kann hohl, beispielsweise als Hohlzylinder ausgeführt sein. Auch der Abschnitt des Messkörpers 10, an dem das Gewinde 103 oder sonstige Befestigungsmittel vorgesehen ist, kann hohl sein. Dies kann beispielsweise der Durchführung von Anschlusskabeln wie den in 1 gezeigten Leitungen 13 dienen.
3 zeigt den Messkörper 10 aus 2, dieser ist hierbei von einem Fluid 2 umströmt. Dabei ist der Messkörper 10 so ausgerichtet, dass er derart von dem Fluid 2 umströmt wird, dass mehrere der Drucksensoren 11 in einer Strömungsrichtung x hintereinander angeordnet sind. Die Strömung des Fluids 2 ist hierbei schematisch durch mehrere beispielhaft eingezeichnete Strömungslinien 200 dargestellt. Dabei übt das Fluid 2, während es den Messkörper 10, bzw. konkret die am Messkörper 10 angeordneten Drucksensoren 11, umströmt, eine Kraft bzw. einen Druck auf die Drucksensoren 11 aus. Durch die Anordnung der Drucksensoren 11 passiert das Fluid 2 hierbei mehrere Drucksensoren 11 entlang der Strömungsrichtung x.
Die Höhe bzw. Stärke des Drucks bzw. der Kraft, die das Fluid auf jeden einzelnen Drucksensor 11 ausübt, ist dabei von einer Reihe von Faktoren abhängig. Einerseits spielt die Form des Messkörpers eine Rolle; je nach der Form, insbesondere der Form des Querschnitts des Abschnitts des Messkörpers 10 an dem die Drucksensoren angeordnet sind, also hier des zylindrischen Abschnitts 101, übt das Fluid 2 einen unterschiedlichen Druck auf die Oberfläche 100 bzw. die Drucksensoren 11 aus. Weiterhin ist auch von Bedeutung, aus welcher Richtung das Fluid 2 auf den Messkörper 10 auftrifft. Aus diesem Grund kann der Messkörper weitgehend rotationssymmetrisch ausgestaltet sein, wodurch eine gleichbleibende Messqualität für alle Anströmwinkel des Fluids 2 sichergestellt werden kann. Dabei kann es vorteilhaft sein, den Messkörper 10 so in dem vorbeiströmenden Fluid 2 auszurichten, dass die Zylinderachse des zylindrischen Abschnitts 101, die in 3 parallel zur Achse z verläuft, orthogonal zur Strömungsrichtung x ausgerichtet wird. Gleichermaßen kann auch das Fluid 2 entsprechend an den Messkörper geleitet werden. Je nach Verteilung des Drucks, d. h. der Höhe des Drucks an den Orten der verschiedenen Drucksensoren 11 relativ zueinander, kann die Strömungsrichtung des den Messkörper 10 umströmenden Fluids 2 bestimmt werden. Insbesondere ist die Höhe des Drucks bzw. die Stärke der Kraft, die das Fluid 2 auf den Messkörper ausübt, von der Anströmgeschwindigkeit v_∞ des Fluids 2 abhängig, worauf in der folgenden Figur näher eingegangen werden wird.
4 zeigt die von dem in Strömungsrichtung x strömenden Fluid 2 umströmten Messkörper 10 in einem Querschnitt durch die Zylinderachse des zylindrischen Abschnitts 101 des Messkörpers 10. Die Strömung des Fluids 2 ist hierbei wieder anhand von Strömungslinien 200 dargestellt.
In diesem Beispiel umströmt das Fluid 2 den Messkörper 10 symmetrisch. D. h. auf einen geschlossenen Weg auf der Oberfläche 100 entlang des Umfangs des Messkörpers 10 bezogen ergibt sich eine verschwindende Strömung, d. h. keine Zirkulation um den Messkörper. Hierbei ist dann der Druckverlauf an der oberen Hälfte (in Richtung der Achse y gesehen) der Oberfläche 100 des Messkörpers 10 in Strömungsrichtung x gleich dem Druckverlauf an der unteren Hälfte der Oberfläche 100 des Messkörpers 10. Mittels der an der Oberfläche 100 vorgesehenen, in 4 nicht dargestellten Drucksensoren 11 kann dieser Druckverlauf gemessen werden. Aus dem gemessenen Druckverlauf kann dann die Anströmgeschwindigkeit v_∞ des Fluids 2 berechnet werden, welche hier durch einen Pfeil symbolisch dargestellt ist.
Im Fall einer hier nicht dargestellten unsymmetrischen Umströmung des Messkörpers 10 durch das Fluid 2 erfolgt eine endliche Strömung bezogen auf einen geschlossenen Weg auf der Oberfläche 100 entlang des Umfangs des Messkörpers 10, d. h. eine Zirkulation von Fluid 2 um den Messkörper 10. Aus einer solchen Zirkulation ergibt sich bekanntermaßen ein Auftrieb, der sich in einer Kraft äußert, die auf den Messkörper 10 einwirkt. Mittels der Drucksensoren 11 an der Oberfläche 100 des Messkörpers 10 kann diese Kraft bestimmt werden. Insbesondere können hierzu die Differenz der gemessenen Werte des Drucks mittels an der Oberfläche 100 gegenüberliegenden Drucksensoren 11 bestimmt werden und/oder ein auf alle Drucksensoren bezogener endlicher Gesamtdruck.
Ferner ist es auch möglich, den Druck, den das anströmende Fluid 2 in Strömungsrichtung x auf den Messkörper 10 ausübt, zu messen und daraus die Anströmgeschwindigkeit v_∞ zu bestimmen.
5 zeigt im linken Teil die Anordnung aus 4, welche in einem Kanal 3, insbesondere einem von Begrenzungen 30 begrenzten Strömungskanal angeordnet ist. Hier wird auf die Ausführungen zu der vorstehenden 4 verwiesen. Aus der mittels der Messvorrichtung 1 bestimmbaren Anströmgeschwindigkeit v_∞ des Fluids 2 kann ein Massenstrom 20 des Fluids 2 bestimmt werden. Da der Durchmesser des Kanals 3, bzw. die Querschnittsfläche des Kanals 3 bekannt ist oder gemessen werden kann, kann der Massenstrom 20 des Fluids 2 bzw. der damit in Beziehung stehende Volumenstrom 21 des Fluids 2 auf den Querschnitt des Kanals 3 bezogen werden. Somit kann bestimmt werden, wie viel Volumen bzw. Masse des Fluids 2 pro Zeiteinheit durch den Kanal 3 strömt.
Im rechten Teil der 5 ist ein Messkörper 10 derart in der Begrenzung 30 des Kanals 3 angeordnet, dass lediglich eine, hier die obere Hälfte (in Richtung der Achse y gesehen) der Oberfläche 100 von dem Fluid 2 umströmt wird. Es kann ausreichend sein, eine Messung des Massenstroms 20 eines den Messkörper 10 umströmenden Fluids 2 nach einer der hierin beschriebenen Methoden auf Basis von Messwerten von nur einem Teil der Drucksensoren 11 der Messvorrichtung 1 durchzuführen. Daher kann es ebenfalls ausreichend sein, nur einen Teil der Oberfläche 100 mit Drucksensoren 11 zu versehen und/oder den Messkörper 10 so anzuordnen, dass nur ein Teil der Oberfläche des Messkörpers 10 von dem Fluid 2 umströmt wird, wie im Beispiel aus dem rechten Teil der 5. Gleichermaßen könnte der Messkörper hierbei statt einem kreisförmigen Querschnitt, so wie er im rechten Teil der 5 gezeigt ist, auch einen halbkreisförmigen oder beliebigen anderen Querschnitt aufweisen. Ferner kann bei einer derartigen Ausführung des Messkörpers 10 auch die Befestigung des Messkörpers 10 anders gestaltet sein als mittels eines beispielsweise gemäß 2 ausgeführten Gewindes 103 und der Mutter 102. Je nach dem genauen Einsatzort der Messvorrichtung 1, bzw. insbesondere des Messkörpers 10, können die Form und die Anordnung der Messvorrichtung 1 entsprechend angepasst werden.
Der Kanal 3 kann eine Luftzuleitung einer Verbrennungskraftmaschine sein. Insbesondere kann der Kanal 3 auch ein Teil einer Turbine, insbesondere einer Flugzeugturbine sein.
Je nachdem, welche Art von Drucksensoren 11 in der Messvorrichtung 1 eingesetzt werden, können die Messwerte der Drucksensoren 11 eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Im Beispiel der piezoresistiven Drucksensoren 11 kann dabei der Widerstand der Sensoren eine Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen. Es kann daher hilfreich oder notwendig sein, dass die Messwerte der Drucksensoren 11 mittels einer Temperaturkompensationsvorrichtung 15 bezüglich der jeweiligen aktuellen Temperatur korrigiert werden. Hierzu kann eine elektronische Schaltung gemäß dem Schaltdiagramm aus 6 eingesetzt werden.
Darin stellt R_F den Widerstand eines piezoresistiven Drucksensors 11 dar, R_T den Widerstand eines Temperatursensors 12. Dabei kann der Temperatursensor 12 entweder ein druckunabhängiger aber temperaturabhängiger Widerstand sein oder ebenfalls ein piezoresistiver Drucksensor, der allerdings durch geeignete Maßnahmen nicht dem Massenstrom 20 des den Messkörper 10 umströmenden Fluids 2 ausgesetzt ist, d. h. auf den das Fluid 2 keinen Druck ausübt.
Die Widerstände R_F und R_T werden jeweils mit einem weiteren Widerstand in Reihe geschaltet. In Reihe mit dem Widerstand R_F wird ein trimmbarer, d. h. einstellbarer Widerstand R_trimm geschaltet, ein fester Widerstand R_e in Reihe mit dem Widerstand R_T. Beide Reihen werden parallel an eine Spannungsquelle U angeschlossen. Anstelle einer Spannungsquelle U kann auch eine Stromquelle eingesetzt werden. An den beiden Abgriffen 150, 151 zwischen den jeweils zwei in Reihe geschalteten Widerständen kann dann eine Spannung gemessen werden, es sei denn, der trimmbare Widerstand R_trimm wird so eingestellt, dass die beiden Verhältnisse der Widerstandswerte der in Reihe geschalteten Widerstände jeweils gleich sind. eine derartige Einstellung kann einmalig in einem Zustand durchgeführt werden, in dem der Drucksensor 11 mit dem Widerstand R_F nicht von einem Fluid umströmt wird. Hierbei kann der Widerstand R_trimm auch derart eingestellt werden, dass die Spannung zwischen den beiden Abgriffen 150, 151, auch als Querspannung bezeichnet, gerade verschwindet.
Wird nun ein Druck auf den Drucksensor mit dem Widerstand R_F ausgeübt, ändert sich der Wert dieses Widerstands. Daraus resultiert eine endliche Querspannung, deren Höhe ein Maß für die Änderung des Widerstands und damit für die Stärke des auf den Sensor ausgeübten Drucks ist. Ändert sich hingegen die Temperatur, so ändern sich die Widerstandswerte beider Widerstände R_F und R_T. Sind der zugehörige Drucksensor 11 und der zugehörige Temperatursensor 12 beide vom gleichen Sensortyp, so ist die temperaturbedingte relative Widerstandsänderung für R_F und R_T gleich, sodass sich die Querspannung und damit ein Messwert zur Bestimmung des Drucks, der auf den zugehörigen Drucksensor 11 wirkt, trotz Temperaturänderung nicht ändert. Falls der zugehörige Temperatursensor 12 von einem anderen Typ sein sollte wie der zugehörige Drucksensor, kann die Schaltung aus 6 entsprechend angepasst werden.
Die Querspannung an den Abgriffen 150, 151 kann direkt mit einer Auswertungsvorrichtung 14 verbunden werden, die anhand der Querspannung den auf den entsprechenden Drucksensor 11 wirkenden Druck bestimmt. Die Temperaturkompensationsvorrichtung 15 kann dabei entweder eine von der Auswertungsvorrichtung 14 separate Vorrichtung sein. Alternativ kann die Temperaturkompensationsvorrichtung 15 auch als ein Teil der Auswertungsvorrichtung 14, d. h. der Auswertungsvorrichtung 14 zugehörig ausgebildet sein.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit kann es notwendig sein, die Querspannung, die sich durch einen auf den Drucksensor 11 mit dem Widerstand R_F ausgeübten Druck einstellt, zu verstärken, bevor sie ausgelesen wird. Im Beispiel aus 6 ist hierzu eine Signalverstärkungseinrichtung 16, vorliegend beispielsweise ein entsprechend geschalteter Operationsverstärker, an die Abgriffe 150, 151 geschaltet. Die Signalverstärkungseinrichtung 16 kann mit der Auswertungsvorrichtung 14 verbunden werden und kann die Querspannung mit einem bestimmten Faktor verstärkt ausgeben.
Im Beispiel aus 6 ist mit dem Ausgang der Signalverstärkungseinrichtung 16 ein Spannung-zu-Strom-Konverter 17 verbunden. Dieser wandelt das von der Signalverstärkungseinrichtung 16 ausgegebene Spannungssignal in ein entsprechendes Stromsignal um. Dieses Stromsignal kann dann an die Auswertungsvorrichtung 14 ausgegeben werden. Alternativ kann der Spannung-zu-Strom-Konverter 17 auch direkt an die Abgriffe 150, 151 zur Wandlung der Querspannung in einen entsprechenden Strom angeschlossen werden. Der Spannung-zu-Strom-Konverter 17 kann eine standardisierte Schnittstelle zur Verfügung stellen, insbesondere eine standardisierte Schnittstelle zu industriellen Instrumentierungssystemen. Ferner kann der Spannung-zu-Strom-Konverter 17 dazu beitragen, Joule-Verluste, d. h. Leistungsverluste, zu verringern oder zu vermeiden sowie EMV-Störungen zu verringern. Eine derartige Schaltung kann dazu beitragen, die Messgenauigkeit zu verbessern, da die Spannungssignale in einem Klein- oder Kleinst-Spannungsbereich liegen können und bereits durch eine geringe Störung bzw. durch ein geringes Rauschen empfindlich gestört werden können. Mit der beschriebenen Schaltung kann ein derartiges Verhältnis zwischen Signal und Rauschen erzielt werden, das eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.
Wie in 6 durch eine gestrichelte Umrandung schematisch dargestellt, können die Signalverstärkungseinrichtung 16 und der Spannung-zu-Strom-Konverter 17 als eine Einheit ausgebildet werden, bzw. als eine Komponente ausgeführt werden. Ferner können diese Komponenten als separate Teile ausgeführt werden, sowie auch in die Auswertungsvorrichtung 14 integriert werden und somit ein Teil der Auswertungsvorrichtung 14 darstellen.
7 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht der Oberfläche des Messkörpers aus 2 im Bereich eines als piezoresistiver Sensor ausgeführten Drucksensors 11 bzw. Temperatursensors 12. Dabei ist eine piezoresistive Sensorschicht 105 auf dem als Substrat dienenden Oberflächenbereich 104 der Oberfläche 100 des Messkörpers 10 aufgebracht. Auf dieser piezoresistiven Sensorschicht 105 sind mehrere Elektroden 107 zur Messung eines Drucks, bzw. einer Kraft und/oder einer Temperatur bzw. zur Temperaturkompensation angeordnet. Die piezoresistive Sensorschicht 105 kann beispielsweise aus einer reinen oder amorphen Kohlenstoffschicht oder einer dotierten oder undotierten Kohlenwasserstoffschicht bestehen, wobei als Dotierungsmaterialien z. B. Metalle wie Gold, Platin, Silber, Titan, Wolfram oder Chrom eingesetzt werden können. Die Elektroden 107 können aus einer dünnen Metallschicht bestehen, beispielsweise aus Titan oder Chrom oder aus einer Chrom-Nickel-Verbindung.
Die Sensorschicht 105 und die Elektroden 107 sind mit einer Schutzschicht 106 überzogen, welche die Sensorschicht 105 und die Elektroden 107 schützt und/oder isoliert. Eine solche Schutzschicht 106 kann den Messkörper, d. h. insbesondere die Drucksensoren 11 und Temperatursensoren 12 besonders robust und geeignet für raue Einsatzbedingungen machen. So kann die Schutzschicht aus einem Material bestehen, das beständig ist gegenüber besonders hohen oder besonders niedrigen Temperaturen und/oder gegen korrosive, stark reaktive, saure und/oder ätzende Fluide. Dies kann beispielsweise ein diamantartiges Material sein, ein Carbid oder beispielsweise Galliumorthophosphat, Aluminiumnitrid, Langasit oder Langatat oder auch beispielsweise aus einer siliziumdotierten Kohlenwasserstoffschicht. Alternativ können auch Kohlenwasserstoffschichten eingesetzt werden, die mit Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und/oder Silizium und Sauerstoff dotiert sind.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch bei gänzlich anders gearteten Ausführungsformen verwirklichen.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
10: Messkörper
100: Oberfläche
101: zylindrischer Abschnitt
102: Mutter
103: Gewinde
104: Oberflächenbereich
105: Sensorschicht
106: Schutzschicht
107: Elektroden
11: Drucksensoren
12: Temperatursensoren
13: Leitungen
14: Auswertungsvorrichtung
15: Temperaturkompensationsvorrichtung
150, 151: Abgriff
16: Signalverstärkungseinrichtung
17: Spannung-zu-Strom-Konverter
2: Fluid
20: Massenstrom
21: Volumenstrom
200: Stromlinien
3: Kanal
30: Begrenzung
U: Spannungsquelle
R_F, R_T, R_trimm, R_e: Widerstände
x: Strömungsrichtung
v_∞: Anströmgeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0177632 B1 [0003]

Claims

Messvorrichtung zur Messung eines Massenstroms (20) eines strömenden Fluids (2), mit: – einem Messkörper (10), der von dem Fluid (2) umströmbar ist, – mindestens zwei Drucksensoren (11), die in einer Strömungsrichtung (x) des Fluids (2) hintereinander angeordnet oder im Betrieb hintereinander anordbar sind, und – einer Auswertungsvorrichtung (14) zum Auswerten von Messwerten der mindestens zwei Drucksensoren (11), zum Berechnen einer Anströmgeschwindigkeit (v_∞) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) anhand der ausgewerteten Messwerte, und zum Berechnen des Massenstroms (20) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) anhand der berechneten Anströmgeschwindigkeit (v_∞) des Fluids (2).
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsvorrichtung (14) die Anströmgeschwindigkeit (v_∞) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) über eine Verteilung von Messwerten von mindestens zwei entlang der Strömungsrichtung (x) angeordneten Drucksensoren (11) berechnet.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsvorrichtung (14) die Anströmgeschwindigkeit (v_∞) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) über die Differenz von Messwerten von mindestens zwei, auf den Umfang des Messkörpers (10) bezogen gegenüberliegenden und/oder auf einer zur Strömungsrichtung (x) vertikalen Achse liegenden Drucksensoren (11) berechnet.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsvorrichtung (14) anhand von zumindest jeweils einem Messwert von zumindest zwei Drucksensoren (11) einen Staudruck des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) berechnet und anhand dessen die Anströmgeschwindigkeit (v_∞) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) berechnet.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsvorrichtung (14) anhand des Massenstroms (20) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) einen Volumenstrom (21) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) berechnet.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Messkörper (10) mindestens ein Temperatursensor (12) angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Temperatursensor (12) mit einer Temperaturkompensationsvorrichtung (15) zur Temperaturkompensation eines Messwerts des zumindest einen Drucksensors (11) verbunden ist, wobei die Temperaturkompensationsvorrichtung (15) zumindest ein Temperaturkompensationssignal und/oder zumindest ein temperaturkompensiertes Drucksignal ausgibt.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Temperaturkompensationsvorrichtung (15) ausgegebene mindestens eine Temperaturkompensationssignal und/oder mindestens eine temperaturkompensierte Drucksignal mittels mindestens einer Signalverstärkungseinrichtung (16) verstärkt wird.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Temperaturkompensationsvorrichtung (15) ausgegebene mindestens eine Temperaturkompensationssignal bzw. mindestens eine temperaturkompensierte Drucksignal ein Spannungssignal ist, welches in einem Spannung-zu-Strom-Konverter (17) in ein Stromsignal konvertiert wird.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (10) im Wesentlichen zylinderförmig ist.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse des Messkörpers (10) im Wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung (x) ausgerichtet wird.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein möglichst großer Anteil der Oberfläche (100) des Messkörpers (10) mit Drucksensoren (11) und/oder Temperatursensoren (12) bedeckt ist.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoren (11) zumindest teilweise als piezoresistive Sensoren ausgeführt sind.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche (100) des Messkörpers (10) eine den Messkörper (10) schützende Schutzschicht (106) vorgesehen ist.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) als Ersatz für Hitzdraht-Massenstrom-Messvorrichtungen z. B. in der Luftfahrt, im Automobilbau und anderen Einsatzgebieten dient.
Luftzuleitung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuleitung mindestens eine Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst, mittels der das Kraftstoff-Luft-Mischungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden kann.
Verfahren zur Messung eines Massenstroms (20) eines strömenden Fluids (2) unter Verwendung einer Messvorrichtung (1), mit den folgenden Schritten: – Umströmen eines Messkörpers (10) der Messvorrichtung (1) mit dem Fluid (2), wobei an dem Messkörper (10) mindestens zwei Drucksensoren (11) in einer Strömungsrichtung (x) des Fluids hintereinander angeordnet sind, – Auswerten von Messwerten der mindestens zwei Drucksensoren (11) mittels einer Auswertungsvorrichtung (14), – Berechnen einer Anströmgeschwindigkeit (v_∞) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) mittels der Auswertungsvorrichtung (14) und anhand der ausgewerteten Messwerte, und – Berechnen des Massenstroms (20) des den Messkörper (10) umströmenden Fluids (2) mittels der Auswertungsvorrichtung (14) und anhand der berechneten Anströmgeschwindigkeit (v_∞) des Fluids (2).