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Die Erfindung betrifft ein thermisches Anemometer zum Charakterisieren von in Fluidströmungen vorliegenden Strömungsgeschwindigkeiten.
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Das Erfassen der Strömungsgeschwindigkeiten von Fluidströmungen ist in vielen Bereichen der Industrie und Wissenschaft von Bedeutung, so z.B. beim Mischen zweier Fluidströme zum Sicherstellen der Einhaltung eines vorgegebenen Mischungsverhältnisses. Derartige Strömungsgeschwindigkeiten können z.B. mittels thermischer Anemometer erfasst werden. Thermische Anemometer nutzen den Wärmeaustrag aus einem elektrisch beheizten Sensorelement, das z.B. in Form eines Hitzdrahtes oder Hitzfilmes ausgebildet ist, in die umgebende Fluidströmung. Aus dem Wärmeaustrag kann bei Kenntnis des Fluids mittels Einbeziehung der stoffabhängigen Parameter des Fluids (z.B. der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekapazität des Fluids sowie der Wärmeübergangszahl an der Grenzfläche zwischen dem Sensorelement und dem Fluid) die Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung ermittelt werden. Einen Überblick zum Thema thermische Anemometrie erhält man z.B. aus dem Artikel „Hot-film anemometry in liquid flows“ (H.H. Brunn, Measurement Science and Technology 7, 1996, S. 1301 ff.).
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Aufgrund der Sensitivität thermischer Anemometer gegenüber den stoffabhängigen Parametern des Strömungsfluids sind herkömmliche thermische Anemometer nicht zum Charakterisieren der Strömungsgeschwindigkeiten mehrphasiger Fluidströmungen mit flüssigen und gasförmigen Anteilen geeignet. So unterscheiden sich als Beispiel bei einer zweiphasigen Fluidströmung mit einer flüssigen Phase (z.B. Wasser) und einer gasförmigen Phase (z.B. Luft) die stoffabhängigen Parameter dieser beiden Phasen sehr stark, oftmals um Größenordnungen. Dabei weist die flüssige Phase z.B. eine wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität auf als die gasförmige Phase, sodass die zuverlässige Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit in der flüssigen Phase eine höhere Heizleistung erfordert als in der gasförmigen Phase. Daher ist z.B. ein für die Charakterisierung der flüssigen Phase ausgelegtes Anemometer nicht zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit der gasförmigen Phase geeignet bzw. liefert bei Verwendung in der gasförmigen Phase keine korrekten Strömungsgeschwindigkeiten (und umgekehrt). Zudem kann es, wenn ein für die flüssige Phase ausgelegtes Anemometer in der gasförmige Phase betrieben wird, aufgrund der für die gasförmige Phase zu hohen Heizleistung zu einer Austrocknung des umgebenden Flüssigkeitsfilms und einer Überhitzung und Schädigung des Anemometersensors kommen.
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Die
US 5 929 342 A beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zum Überwachen mehrphasiger Fluidströmungen in einer Leitung unter Verwendung einer Kombination von Strömungssensoren, insbesondere unter Verwendung von ringförmigen Kapazitätsdetektoren und Sensorringen zum Erfassen von Phasengrenzflächen.
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Die
WO 2008/ 113 375 A1 beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere Hitzdrahtanemometer, sowie Verfahren zur Kalibrierung solcher Vorrichtungen.
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Die
WO 2013/ 076 479 A1 beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen von Fluidarten und Strömungsgeschwindigkeiten in einer Fluidströmung.
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Die
CA 2 514 712 A1 beschreibt einen kapazitiv-thermischen Hybridsensor zum Überwachen mehrphasiger Fluidströmungen.
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Durch die Erfindung soll ein thermisches Anemometer bereitgestellt werden, mittels dessen die Strömungsgeschwindigkeit einer mehrphasigen Fluidströmung mit einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase sowohl in der flüssigen Phase als auch in der gasförmigen Phase zuverlässig erfassbar ist.
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Gemäß der Erfindung wird eine Anemometervorrichtung (im Folgenden auch kurz als Anemometer oder thermisches Anemometer bezeichnet) zum Erfassen der Strömungscharakteristik einer mehrphasigen Fluidströmung, die eine flüssige erste Fluidphase und eine gasförmige zweite Fluidphase als Bestandteile aufweist, bereitgestellt. Die Fluidströmung ist bevorzugt eine zweiphasige Fluidströmung, die ausschließlich aus der flüssigen ersten Phase und der gasförmigen zweiten Phase besteht. Je nach Verwendung und geforderter Messgenauigkeit kann die Fluidströmung jedoch auch mehrere flüssige und/oder mehrere gasförmige Phasen aufweisen.
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Das Anemometer weist ein (d.h. mindestens ein) elektrisch beheizbares Sensorelement auf, wobei das Anemometer (z.B. mittels einer entsprechend konfigurierten Steuereinheit) zum Betreiben des Sensorelements mit einer elektrischen Heizleistung ausgebildet ist, sodass von dem Sensorelement die Heizleistung abgegeben wird. Das Sensorelement ist zum Einbringen in die zu charakterisierende Fluidströmung und Erzeugen eines Wärmetransports bzw. Wärmeübertrags von dem Sensorelement in die Fluidströmung vorgesehen, wobei das Anemometer (z.B. mittels einer entsprechend konfigurierten Auswerteeinheit) zum Charakterisieren der an dem Sensorelement anliegenden Fluidströmung mittels Auswertens dieses Wärmeübertrags konfiguriert ist. Wie erwähnt, kann das Anemometer zum Ansteuern seiner unterschiedlichen Komponenten eine Steuereinheit und zum Auswerten der erfassten Messwerte eine Auswerteeinheit aufweisen, wobei die Steuereinheit und die Auswerteeinheit auch in einer einzigen Steuer- und Auswerteeinheit zusammengefasst sein können.
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Das Sensorelement kann z.B. ein oder mehrere Widerstandselemente aufweisen, deren elektrischer Widerstand mit der Temperatur variiert, wobei das Sensorelement mittels Beaufschlagens der Widerstandselemente mit einer Gleichspannung (bzw. einem dadurch hervorgerufenen Gleichstrom) erhitzt werden kann, sodass die Widerstandselemente im Folgenden auch als Heizwiderstände bezeichnet werden. Ein solcher Heizwiderstand wird auch als Hitzelement bezeichnet und kann z.B. in Form eines Hitzdrahtes oder Hitzfilms vorliegen. Durch die Umströmung des Sensorelements mit dem Strömungsmedium findet ein Wärmeübertrag von dem Sensorelement bzw. dessen Heizwiderständen in das Strömungsmedium statt, wobei sich dieser Wärmeübertrag mit der Strömungsgeschwindigkeit ändert. Mittels Erfassens der elektrischen Parameter des Sensorelements bzw. der Heizwiderstände kann somit – in für thermische Anemometer an und für sich bekannter Weise und ggf. unter Einbeziehung weiterer Parameter (z.B. der Temperatur der Fluidströmung) – die Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung erfasst werden. Das Sensorelement fungiert somit als Strömungssensorelement, wobei das Anemometer ein einziges oder mehrere solcher Sensorelemente aufweisen kann. Das Anemometer kann in bekannter Art und Weise z.B. zum Betreiben des Sensorelements im Konstantstrommodus (englisch „constant current anemometry“) oder im Konstanttemperaturmodus (englisch „constant temperature anemometry“) ausgebildet sein. Das Anemometer ist zum Charakterisieren der an dem Sensorelement anliegenden Fluidströmung ausgebildet, insbesondere zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit dieser Fluidströmung entlang mindestens einer Raumdimension (d.h. entlang einer, zweier oder dreier Raumdimensionen, abhängig von der Anzahl und Ausgestaltung der Sensorelemente).
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Das Anemometer weist zudem eine Impedanzmessvorrichtung auf, die zum Erfassen der Impedanz (d.h. des Wechselstromwiderstandes) eines an das Sensorelement angrenzenden Raumvolumens, das bei in die Fluidströmung eingebrachtem Sensorelement von der Fluidströmung durchströmt wird, ausgebildet ist. Dieses Raumvolumen wird im Folgenden auch als „Erfassungsvolumen“ bezeichnet. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass das Sensorelement eine Sensorfläche aufweist, die zum Kontaktieren der zu charakterisierenden Fluidströmung bzw. des die Fluidströmung bildenden mehrphasigen Strömungsmediums vorgesehen ist, und die bei in die Fluidströmung eingebrachtem Sensorelement von dem Strömungsmedium kontaktiert wird, wobei das Erfassungsvolumen ein an diese Sensorfläche angrenzendes Raumvolumen ist.
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Die Impedanzmessvorrichtung kann z.B. eine Elektrode und eine Gegenelektrode aufweisen, die in einem Abstand zueinander derart angeordnet sind, dass sie bei in die Fluidströmung eingebrachtem Sensorelement jeweils einen Randbereich des zur Impedanzmessung vorgesehenen Erfassungsvolumens kontaktieren (wobei das erfasste Raumvolumen eben mittels der Elektrode und der Gegenelektrode definiert ist). Das Anemometer kann zum Anlegen einer Wechselspannung zwischen die Elektrode und die Gegenelektrode und zum Erfassen der zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode vorliegenden, mit der Wechselspannung einhergehenden Impedanz ausgebildet sein (z.B. indem der von der Wechselspannung verursachte Wechselstrom gemessen wird und die Impedanz als Quotient zwischen der Wechselspannung und dem Wechselstrom ermittelt wird). Als Wechselspannung dient bevorzugt eine Hochfrequenz-Spannung.
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Das Anemometer ist zudem derart ausgebildet, dass von ihm in Abhängigkeit von der erfassten Impedanz des Erfassungsvolumens die Heizleistung des Sensorelements eingestellt bzw. variiert wird.
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Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Anemometers kann mittels der Impedanzmessvorrichtung die Impedanz des von dem Strömungssensorelement kontaktierten Teils des Strömungsmediums erfasst werden. Bei Anliegen der flüssigen ersten Fluidphase an dem Sensorelement weist die (komplexwertige) Impedanz des Erfassungsvolumens (hinsichtlich Betrag und/oder Lage in der komplexen Ebene) einen anderen Wert auf als bei Anliegen der gasförmigen zweiten Fluidphase an dem Sensorelement, sodass mittels Erfassens der Impedanz Rückschlüsse auf die zum jeweiligen Zeitpunkt an dem Sensorelement anliegende Fluidphase möglich sind.
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So weisen z.B. elektrisch leitfähige Flüssigphasen einen hohen Realanteil und einen demgegenüber kleineren Imaginäranteil der Impedanz auf, wohingegen elektrisch isolierende Gasphasen einen hohen Imaginäranteil und einen demgegenüber kleineren Realanteil der Impedanz aufweisen. Anhand der Lage der erfassten Impedanzwerte in der komplexen Ebene kann (z.B. aufgrund der unterschiedlichen Dielektrizitätswerte von Flüssigkeiten und Gasen) zudem zwischen einer elektrisch isolierenden Flüssigphase und einer elektrisch isolierenden Gasphase unterschieden werden.
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Insbesondere kann das Anemometer derart ausgebildet sein, dass von ihm anhand der erfassten Impedanz des Erfassungsvolumens ermittelt wird, ob die flüssige erste Fluidphase oder die gasförmige zweite Fluidphase an dem Sensorelement anliegt. Demgemäß kann das Anemometer ferner derart ausgebildet sein, dass von ihm das Sensorelement bei Vorliegen der flüssigen ersten Phase mit einer größeren Heizleistung betrieben wird als bei Vorliegen der gasförmigen zweiten Phase an dem Sensorelement. Insbesondere kann vorgesehen sein, das Sensorelement mit einer ersten Heizleistung zu betreiben, wenn das Vorliegen der flüssigen ersten Fluidphase in dem Erfassungsvolumen detektiert wird, und das Sensorelement mit einer zweiten Heizleistung zu betreiben, wenn das Vorliegen der gasförmigen zweiten Fluidphase in dem Erfassungsvolumen detektiert wird, wobei die erste Heizleistung größer ist als die zweite Heizleistung. Diesbezüglich kann aufgrund der stark unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten von Flüssigkeiten einerseits und Gasen andererseits z.B. die bei Vorliegen der flüssigen ersten Fluidphase verwendete erste Heizleistung um einen Faktor von mindestens 10 (zehn), bevorzugt um einen Faktor von mindestens 100 (einhundert), größer sein als die bei Vorliegen der gasförmigen zweiten Fluidphase verwendete zweite Heizleistung.
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Zusammenfassend können von dem Anemometer zeitgleich die Impedanz und die Strömungscharakteristik der an dem Strömungssensorelement anliegenden Fluidströmung erfasst werden, wobei von dem Anemometer anhand der erfassten Impedanz zwischen dem Vorliegen der flüssigen ersten Phase und der gasförmigen zweiten Phase an dem Sensorelement unterschieden und die Heizleistung des Sensorelements an die vorliegende Fluidphase angepasst werden kann.
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Indem die Heizleistung des Strömungssensorelements des Anemometers an die von dem Strömungssensorelement aktuell erfasste Fluidphase angepasst werden kann, kann das Anemometer sowohl bei Anliegen der flüssigen ersten Phase als auch bei Anliegen der gasförmigen zweiten Phase an dem Sensorelement schadlos betrieben werden und zudem in beiden Fällen korrekte Messwerte bzw. Strömungsgeschwindigkeiten liefern.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Impedanzmessvorrichtung (wie oben erläutert) eine Elektrode und eine Gegenelektrode auf, wobei das Anemometer zum Zweck des Erfassens der Impedanz des an dem Sensorelement anliegenden Fluidvolumens zum Anlegen einer Wechselspannung zwischen die Elektrode und die Gegenelektrode ausgebildet ist. Die Elektrode der Impedanzmessvorrichtung wird im Folgenden auch als „Primärelektrode“ bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist das Sensorelement zudem einen oder mehrere Heizwiderstände auf, wobei jeder der Heizwiderstände eine erste und eine zweite Kontaktierungselektrode zum elektrischen Kontaktieren und Beaufschlagen des jeweiligen Heizwiderstands mit einer Heizspannung bzw. einem Heizstrom aufweist. Die erste Kontaktierungselektrode jedes Heizwiderstandes ist elektrisch leitfähig mit der Primärelektrode (d.h. der Elektrode der Impedanzmessvorrichtung) verbunden, wobei das Anemometer zum Anlegen einer Gleichspannung zwischen die Primärelektrode und die zweite Kontaktierungselektrode eines jeden Heizwiderstandes ausgebildet ist.
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Gemäß dieser Ausführungsform erfüllt die Primärelektrode somit eine Doppelfunktionalität, indem einerseits zwischen die Primärelektrode und die Gegenelektrode eine Wechselspannung und andererseits zwischen die Primärelektrode und die zweiten Kontaktierungselektroden der Heizwiderstände jeweils eine Gleichspannung angelegt wird, sodass an der Primärelektrode ein Wechselspannungs-Potential und ein Gleichspannungs-Potential überlagert werden. Mittels dieser Doppelfunktionalität kann das Anemometer mit einem unkomplizierten, kompakten Aufbau realisiert werden. Von der Elektronik des Anemometers wird somit einerseits ein oszillierendes, hochfrequentes Messsignal für die Impedanzmessung an der Primärelektrode zur Verfügung gestellt, wobei an der Primärelektrode gleichzeitig der Heiz-Gleichstrom zum Betreiben der Heizwiderstände eingespeist wird. Die Gleichspannungssignale können mittels einer geeigneten Elektronik von den Wechselspannungssignalen getrennt werden, z.B. indem die Wechselspannungssignale mittels eines Hochpassfilters und die Gleichspannungssignale mittels eines Tiefpassfilters selektiert werden. Die beiden Signale könne z.B. mittels einer induktiven T-Bridge voneinander getrennt werden.
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Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Gegenelektrode elektrisch leitfähig mit dem Massepotential der Schaltung bzw. des Anemometers verbunden ist und die Primärelektrode zum Erzeugen der Wechselspannung mit einem Wechselspannungs-Potential beaufschlagt wird. Analog dazu kann vorgesehen sein, die zweite Kontaktierungselektrode jedes Heizwiderstands mit einem Bezugspotential (z.B. dem Massepotential des Anemometers) zu verbinden und die Primärelektrode zum Erzeugen der Heiz-Gleichspannungen mit einem Gleichspannungs-Potential zu beaufschlagen.
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Mittels Anlegens einer Gleichspannung zwischen die Primärelektrode und die zweite Kontaktierungselektrode eines jeden Heizwiderstands – und somit zwischen die erste und die zweite Kontaktierungselektrode eines jeden Heizwiderstands – wird in den Heizwiderständen ein als Heizstrom fungierender Gleichstrom hervorgerufen; wobei die Heizleistung des Sensorelements mittels Einstellens der an den einzelnen Heizwiderständen anliegenden Heizspannungen und Heizströme eingestellt werden kann. Das Anemometer kann derart ausgebildet sein, dass von ihm jedes der Heizelemente mit der gleichen Gleichspannug beaufschlagt wird, oder dass von ihm unterschiedliche Heizelemente mit unterschiedlichen Gleichspannungen beaufschlagt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Anemometer eine Nadelsonde auf, wobei die Primärelektrode, die Gegenelektrode und das Sensorelement als Bestandteile der Nadelsonde vorliegen. Die Nadelsonde weist ein Längsende auf, das zum Einbringen in die zu charakterisierende Fluidströmung vorgesehen ist und den Messaufnehmer-Abschnitt der Nadelsonde bildet (im Folgenden auch als das „Messende“, die „Sondenspitze“ oder die „Messspitze“ der Nadelsonde bezeichnet). Gemäß dieser Ausführungsform ist die Primärelektrode stabförmig ausgebildet und entlang der Längsachse der Nadelsonde verlaufend angeordnet (d.h. die Primärelektrode verläuft entlang der Längsrichtung der Nadelsonde und ist zentral in der Nadelsonde angeordnet), wobei die Primärelektrode an der Sondenspitze der Nadelsonde mündet. Gemäß dieser Ausführung ist die Gegenelektrode hohlzylinderförmig ausgebildet und koaxial zu der Primärelektrode angeordnet, sodass die Primärelektrode von der Gegenelektrode ummantelt ist. Die Gegenelektrode kann z.B. mittels eines Isoliermaterials (z.B. mittels eines Isolierkörpers) aus einem elektrisch isolierenden Material von der Primäreelektrode beabstandet sein. Das Sensorelement bzw. die Heizwiderstände des Sensorelements sind ebenfalls an der Sondenspitze der Nadelsonde angeordnet, sodass bei in das Strömungsmedium eingebrachter Sondenspitze das Sensorelement im Kontakt zu dem Strömungsmedium steht und an der Sondenspitze der Nadelsonde ein Wärmeübertrag von dem Sensorelement in das Strömungsmedium erfolgt.
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Indem die Gegenelektrode koaxial zu der zentralen Primärelektrode angeordnet ist, wobei die Primärelektrode und die Gegenelektrode im Bereich der Sondenspitze der Nadelsonde münden, bildet sich bei Anlegen der Wechselspannung an der Sondenspitze ein zylindersymmetrisches, im Wesentlichen kugelförmiges elektrisches Wechselfeld in dem an die Sondenspitze bzw. Messspitze angrenzenden Raumvolumen des Strömungsmediums aus. Da auch das zur Strömungscharakterisierung dienende Sensorelement an der Sondenspitze angeordnet ist, ermöglicht die vorliegende Nadelsonde also eine punktuelle bzw. lokale, orts- und zeitgleiche Messung der Impedanz und der Strömungscharakteristik, da die Impedanzbestimmung am selben Ort erfolgt wie der Wärmeeintrag.
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Gemäß einer Ausführungsform ist jeder der Heizwiderstände des Sensorelements an einer Radialposition (der koaxialen Anordnung aus der Primärelektrode und der Gegenelektrode der Nadelsonde) angeordnet, die zwischen der Primärelektrode und der Gegenelektrode liegt.
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Das zur Impedanzerfassung dienende elektrische Wechselfeld verläuft zwischen der zentralen Primärelektrode und der Gegenelektrode. Indem auch die Heizwiderstände an Radialpositionen zwischen der Primärelektrode und der Gegenelektrode angeordnet sind, sind die Heizwiderstände mitten in dem Erfassungsvolumen angeordnet, dessen Impedanz erfasst wird. Dadurch ist eine besonders gute räumliche Koinzidenz der Impedanzmessung und der Strömungserfassung gegeben.
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Das Sensorelement weist bevorzugt mehrere Heizwiderstände auf, wobei die Sondenspitze (d.h. das Messende der Nadelsonde) unterschiedliche Geometrien aufweisen kann und unterschiedliche Anordnungen der Heizwiderstände vorgesehen sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Sondenspitze der Nadelsonde die Gestalt eines Kreiszylinders mit einer seitlichen Mantelfläche und einer frontalen Stirnfläche auf.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere (insbesondere: alle) Heizwiderstände des Sensorelements an der Stirnfläche angeordnet sind. Mittels derart an der Stirnfläche einer zylinderförmigen Sondenspitze angeordneter Heizwiderstände können die parallel zu der Stirnfläche bzw. der Stirnflächen-Ebene verlaufenden Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit erfasst werden, wobei insbesondere eine zweidimensionale Geschwindigkeitserfassung ermöglicht ist.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere (insbesondere: alle) Heizwiderstände des Sensorelements an der Mantelfläche angeordnet sind. Mittels derart an der Mantelfläche einer zylinderförmigen Sondenspitze angeordneter Heizwiderstände kann die Strömungsabschirmung mittels der Sondenspitze zur präzisen Erfassung der parallel zu der Stirnfläche bzw. der Stirnflächen-Ebene verlaufenden Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit beitragen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die Sondenspitze der Nadelsonde die Form eines Kreiskegels mit einer Kegelmantelfläche auf, wobei der Kreiskegel auch abgestumpft sein kann. Es kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere (insbesondere: alle) Heizwiderstände des Sensorelements an der Kegelmantelfläche angeordnet sind. Mittels einer derartigen Kegelgeometrie kann ein störungsarmes Charakterisieren der Strömungscharakteristik ermöglicht werden. Im Falle eines abgestumpften Kreiskegels kann zudem vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Heizwiderstände des Sensorelements an der stirnseitigen Deckfläche des Kegelstumpfs angeordnet sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich die Primärelektrode weiter in Richtung zu der Sondenspitze bzw. dem Messende der Nadelsonde erstreckt als die Gegenelektrode, wobei die Gegenelektrode gegenüber der Primärelektrode eingerückt bzw. zurückgesetzt angeordnet ist. Dadurch kann bei den beschriebenen Geometrien eine seitliche Umströmung von Heizwiderständen, die an einer Radialposition zwischen der Primärelektrode und der Gegenelektrode an einer Kreiszylinder-Mantelfläche oder Kreiskegel-Mantelfläche angeordnet sind, zuverlässig gewährleistet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Sensorelement zwei oder mehr Heizwiderstände auf, die an unterschiedlichen Winkelpositionen (bezüglich der Längsachse der Nadelsonde bzw. bezüglich der stabförmigen Primärelektrode als Drehachse) angeordnet sind. Bevorzugt weist das Sensorelement mindestens drei Heizwiderstände auf, die an unterschiedlichen Winkelpositionen angeordnet sind. Die Heizwiderstände sind zudem bevorzugt in gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet (sodass bei einer Anzahl von N an unterschiedlichen Winkelpositionen angeordneten Heizwiderständen der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Winkelpositionen bzw. Heizwiderständen jeweils 360 ° / N beträgt). Indem zwei oder mehr Heizwiderstände an unterschiedlichen Polarwinkelpositionen (bzw. kurz „Winkelpositionen“) bezüglich der Nadelsonden-Längsachse angeordnet sind, kann eine zumindest zweidimensionale Geschwindigkeitserfassung ermöglicht werden, bei der die Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums entlang von mindestens zwei Raumdimensionen erfasst werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Sensorelement vier Heizwiderstände auf, die an zueinander um jeweils 90° versetzten Winkelpositionen angeordnet sind, wodurch eine zuverlässige zweidimensionale Geschwindigkeitsbestimmung ermöglicht ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Anemometer eine hohlzylinderförmige Schirmelektrode auf, die koaxial zu der Primärelektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist, wobei die Schirmelektrode zwischen der Primärelektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist. Die Schirmelektrode kann mittels eines elektrisch isolierenden Isoliermaterials von der Primärelektrode und der Gegenelektrode beabstandet und elektrisch isoliert sein. Bei Vorhandensein einer Schirmelektrode sind bevorzugt alle Heizwiderstände des Sensorelements an Radialpositionen zwischen der Primärelektrode und der Schirmelektrode angeordnet. Zudem ist bei Vorhandensein einer Schirmelektrode bevorzugt vorgesehen, dass sich die Primärelektrode weiter in Richtung zu der Sondenspitze der Nadelsonde erstreckt als die Schirmelektrode, und sich die Schirmelektrode weiter in Richtung zu der Sondenspitze erstreckt als die Gegenelektrode, sodass die Schirmelektrode gegenüber der Primärelektrode eingerückt bzw. zurückversetzt angeordnet ist und die Gegenelektrode wiederum gegenüber der Schirmelektrode eingerückt bzw. zurückversetzt angeordnet ist. Durch eine derartige Geometrie ist eine störungsarme Umströmung aller Komponenten des Messaufnehmer-Abschnitts der Nadelsonde unterstützt.
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Das Anemometer kann derart ausgebildet sein, dass von ihm die Schirmelektrode mit demselben elektrischen Potential (insbesondere mit demselben Wechselspannungs-Potential) beaufschlagt wird wie die Primärelektrode, sodass die zur Impedanzerfassung verwendete Wechselspannung phasengleich auf der Primärelektrode und der Schirmelektrode anliegt. Dadurch werden die zwischen der Primärelektrode und der Gegenelektrode verlaufenden Feldlinien des elektrischen Wechselfeldes von der Sondengrenzfläche weg und in das angrenzende Fluidvolumen hinein gedrängt. Dadurch können beim Übergang der Sondenspitze von der flüssigen Fluidphase in die gasförmige Fluidphase Kriechströme, die durch auf der Sondenspitze verbleibende Flüssigkeitsschichten zwischen Primärelektrode und Gegenelektrode hervorgerufen werden könnten, zuverlässig unterdrückt werden. Zudem kann sichergestellt werden, dass die Impedanz (und somit auch die Fluidphase) nicht nur in einer zweidimensionalen Flächenschicht an der Randfläche der Sondenspitze, sondern tatsächlich in einem dreidimensionalen Volumenbereich erfasst wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
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1 ein Anemometer gemäß einer Ausführungsform beim Erfassen der Strömungscharakteristik einer zweiphasigen Fluidströmung;
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2A eine Schnittdarstellung einer ersten Nadelsonde;
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2B die erste Nadelsonde in frontaler Draufsicht;
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3A eine Schnittdarstellung einer zweiten Nadelsonde;
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3B die zweite Nadelsonde in frontaler Draufsicht; und
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4 eine Schaltung zur Realisierung eines Anemometers.
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1 zeigt ein thermisches Anemometer 1 gemäß einer Ausführungsform beim Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit einer zweiphasigen Fluidströmung 3 mit einer flüssigen Fluidphase 5 und einer gasförmigen Fluidphase 7, wobei die globale Strömungsrichtung der Fluidströmung durch den Pfeil 9 veranschaulicht ist. Das Anemometer 1 weist eine Nadelsonde 11 mit einer als Messaufnehmer-Abschnitt fungierenden Sondenspitze 13 zum Erfassen der erforderlichen Messwerte auf. Die Nadelsonde 1 weist ferner eine Steuer- und Auswerteeinheit 15 zum Ansteuern der Nadelsonde 11 und Auswerten der von der Nadelsonde 11 erfassten Messwerte auf.
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Die 2A und 2B zeigen das als Messaufnehmer-Abschnitt fungierende Längsende bzw. die Sondenspitze 13 einer Nadelsonde 11 gemäß einer ersten Ausgestaltung. Die Nadelsonde 11 weist eine stabförmige, entlang der Längsachse der Nadelsonde 11 verlaufende Primärelektrode 17 auf, die zentral in einem Formkörper 18 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist und an der Vorderseite der Sondenspitze 13 mündet. Die Nadelsonde 11 weist zudem eine koaxial zu der Primärelektrode 17 angeordnete, hohlzylinderförmige Gegenelektrode 19 auf. Zwischen der Primärelektrode 17 und der Gegenelektrode 19 und koaxial zu denselben ist eine hohlzylinderförmige Schirmelektrode 21 angeordnet. Die Schirmelektrode 21 ist mittels eines elektrischen Isolators 23 von der Primärelektrode 17 bzw. dem Formkörper 18 isoliert und beabstandet, die Gegenelektrode 19 ist mittels eines elektrischen Isolators 25 von der Schirmelektrode 21 isoliert und beabstandet.
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Das Anemometer 1 ist mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 15 zum Anlegen einer Wechselspannung zwischen die Primärelektrode 17 und die Gegenelektrode 19 ausgebildet, wobei die Gegenelektrode 19 elektrisch leitfähig mit dem Massepotential des Anemometers 1 verbunden ist und die Primärelektrode 17 mit einem Wechselspannungs-Potential beaufschlagt wird. Das Anemometer 1 ist zudem zum Erfassen der Impedanz ausgebildet, die zwischen der Primärelektrode 17 und der Gegenelektrode 19 vorliegt, wenn diese beiden Elektroden mit der Wechselspannung beaufschlagt werden.
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Das Anemometer 1 ist zudem derart ausgebildet, dass die Schirmelektrode 21 mit demselben elektrischen Wechselspannungs-Potential beaufschlagt wird wie die Primärelektrode 17. Aufgrund der phasengleichen Ansteuerung der Primärelektrode 17 und der Schirmelektrode 21 werden die Feldlinien des elektrischen Wechselfeldes 35, das durch die Wechselspannung zwischen der Primärelektrode 17 und der Gegenelektrode 19 hervorgerufen wird, an der Sondenspitze 13 der Nadelsonde 11 in das Strömungsmedium 3 hinein gedrängt und durchsetzen somit ein die Sondenspitze 13 kontaktierendes Teilvolumen des Strömungsmediums 3, sodass von dem Anemometer 1 die Impedanz dieses Teilvolumens erfasst wird, welches daher vorliegend auch als Erfassungsvolumen bezeichnet wird.
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Die Nadelsonde 11 weist zudem ein Strömungssensorelement 27 mit vier Heizwiderständen 29 auf. Die Heizwiderstände 29 sind an der seitlichen Mantelfläche des kreiszylinderförmigen Endabschnitts des Formkörpers 18 an der Sondenspitze 13 angeordnet, wobei die Heizwiderstände 29 an zueinander bezüglich der Nadelsonden-Längsachse um jeweils 90° versetzten Winkelpositionen angeordnet sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Heizwiderstände 29 an der Stirnfläche des kreiszylinderförmigen Endabschnitts des Formkörpers 18 anzuordnen. Die Heizwiderstände 29 können z.B. jeweils durch eine auf dem Formkörper 18 abgeschiedene Schicht eines Materials mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand gebildet sein, wobei das Material z.B. Platin oder Wolfram sein kann.
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Jeder der Heizwiderstände 29 weist eine erste Kontaktierungselektrode 31 und eine zweite Kontaktierungselektrode 33 auf, mittels derer er elektrisch kontaktiert und mit einem Heizstrom beaufschlagt werden kann. Zwar sind in den Figuren zur besseren Übersichtlichkeit die ersten und die zweiten Kontaktierungselektroden 31, 33 in einem Abstand zu dem Formkörper 18 dargestellt, jedoch können die Kontaktierungselektroden 31, 33 kontaktierend an dem Formkörper 18 angeordnet sein (z.B. auf demselben abgeschieden sein).
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Die erste Kontaktierungselektrode 31 jedes der Heizwiderstände 29 ist elektrisch leitfähig mit der Primärelektrode 17 verbunden. Das Anemometer 1 ist zum Anlegen einer Gleichspannung zwischen die erste 31 und die zweite 33 Kontaktierungselektrode jedes Heizwiderstandes 29 ausgebildet, wobei die Primärelektrode 17 mit einem (dem Wechselspannungs-Potential überlagerten) Gleichspannungs-Potential beaufschlagt wird und die zweite Kontaktierungselektrode 33 eines jeden Heizwiderstandes 29 mit einem jeweiligen elektrischen Bezugspotential verbunden bzw. beaufschlagt wird. Mittels Anlegens der Gleichspannungen an die Heizwiderstände 29 des Strömungssensorelements 27 wird in den Heizwiderständen 29 ein Heiz-Gleichstrom hervorgerufen, sodass das Anemometer 1 zum Betreiben des Sensorelements 27 mit einer Heizleistung ausgebildet ist.
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Beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Anemometers 1 findet somit ein Wärmeübertrag von dem Sensorelement 27 (bzw. dessen Heizwiderständen 29) in das Strömungsmedium 3 statt, wobei das Anemometer 1 zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung 3 anhand dieses Wärmeübertrags ausgebildet ist. Da die Heizwiderstände 29 in dem (bzw. angrenzend an das) Erfassungsvolumen angeordnet sind, das von den Feldlinien des zur Impedanzerfassung verwendeten elektrischen Wechselfeldes 35 durchsetzt ist, werden die Impedanz und die Strömungsgeschwindigkeit orts- und zeitgleich erfasst.
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Das Anemometer 1 ist mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 15 zudem derart ausgebildet, dass von ihm die Heizleistung des Sensorelements 27 in Abhängigkeit von der erfassten Impedanz eingestellt wird. Insbesondere ist das Anemometer 1 derart konfiguriert, dass von ihm anhand der erfassten Impedanz ermittelt wird, ob zum jeweiligen Zeitpunkt die flüssige Phase 5 oder die gasförmige Phase 7 in dem Erfassungsvolumen an der Sondenspitze 13 vorliegt, und dass bei Vorliegen der flüssigen Phase 5 an der Sondenspitze 13 das Strömungssensorelement 27 (bzw. dessen Heizwiderstände 29) mit einer größeren Heizleistung betrieben wird als bei Vorliegen der gasförmigen Phase 7 an der Sondenspitze. Als Beispiel wird das Strömungssensorelement 27 bei Vorliegen der flüssigen Phase 5 mit einer Heizleistung betrieben, die um mindestens den Faktor zehn größer ist als die Heizleistung, mit der das Strömungssensorelement 27 bei Vorliegen der gasförmigen Phase 7 betrieben wird.
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Jeder der Heizwiderstände 29 ist an einer Radialposition zwischen der Primärelektrode 17 und der Gegenelektrode 19, insbesondere an einer Radialposition zwischen der Primärelektrode 17 und der Schirmelektrode 21, angeordnet. Die Elektrodenanordnung aus der Primärelektrode 17, der Schirmelektrode 21 und der Gegenelektrode 19 bildet eine gestufte Anordnung, wobei die Schirmelektrode 21 kürzer ist als die Primärelektrode 17, und wobei die Gegenelektrode 19 wiederum kürzer ist als die Schirmelektrode 21.
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Die 3A und 3B zeigen das als Messaufnehmer-Abschnitt fungierende Längsende bzw. die Sondenspitze 13 einer Nadelsonde 11 gemäß einer zweiten Ausgestaltung, wobei die Nadelsonde 11 einen Formkörper 37 mit einem kegel(stumpf)förmigen Endabschnitt aufweist und die vier Heizwiderstände 29 an der Kegelmantelfläche des kegel(stumpf)förmigen Endabschnitts des Formkörpers 37 angeordnet sind. Der Formkörper 37 ist als Fünf-Loch-Isolationskörper ausgeführt, d.h. besteht aus einem elektrisch isolierenden Material (hier als Beispiel einer Keramik) und weist fünf entlang der Nadelsonden-Längsachse verlaufende Längslöcher auf, wobei die Primärelektrode 17 sowie die vier zweiten Kontaktierungselemente 33 der vier Heizwiderstände 29 jeweils in einem der fünf Längslöcher verlaufend angeordnet sind.
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Ansonsten ist die Ausgestaltung des Anemometers 1 und der Nadelsonde 11 gemäß den 3A, 3B identisch zu derjenigen gemäß den 2A, 2B; wobei insbesondere die Funktionalität und die Anbindung der einzelnen Bestandteile der Nadelsonde an die Steuer- und Auswerteeinheit 15 identisch ist und somit diesbezüglich auf die Erläuterungen mit Bezug auf die 2A, 2B verwiesen wird.
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4 zeigt schematisch eine mögliche elektrische Schaltungsanordnung zur Realisierung des Anemometers 1 gemäß den 2A, 2B oder gemäß den 3A, 3B, wobei in 4 zur Veranschaulichung lediglich ein einziger der vier Heizwiderstände 29 mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand dargestellt ist und die Schirmelektrode 21 nicht dargestellt ist.
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Die Schaltung weist eine als Wechselstromquelle wirkende Wechselspannungsquelle 39 zum Anlegen einer Wechselspannung zwischen die Primärelektrode 17 und die Gegenelektrode 19 auf, wobei die Gegenelektrode 19 elektrisch leitfähig mit dem Massepotential 40 des Anemometers 1 verbunden ist.
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Die Schaltung weist zudem eine als Gleichstromquelle wirkende einstellbare Gleichspannungsquelle 41 zum Anlegen einer Gleichspannung zwischen die Primärelektrode 17 und die zweite Kontaktierungselektrode 33 des Heizwiderstands 29, und somit auch zwischen die erste 31 und die zweite 33 Kontaktierungselektrode des Heizwiderstands 29, auf.
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Die Schaltung weist ferner einen Summator 47 auf, wobei die Wechselspannungsquelle 39 über einen Hochpassfilter 45 mit dem Summator 27 verbunden ist und die Gleichspannungsquelle 41 mittels eines ersten Tiefpassfilters 42 mit dem Summator 47 verbunden ist, sodass die von der Wechselspannungsquelle 39 bereitgestellte Wechselspannung und die von der Gleichspannungsquelle 41 bereitgestellte Gleichspannung (bzw. die zugehörigen elektrischen Potentiale) von dem Summator 47 summiert bzw. überlagert und auf die Primärelektrode 17 gegeben werden.
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Die zweite Kontaktierungselektrode 33 des Heizwiderstands 29 ist über einen zweiten Tiefpassfilter 43 und eine Messbrücke 51 mit einem elektrischen Bezugspotential (z.B. dem Massepotential) 52 verbunden. Der erste 42 und der zweite 43 Tiefpassfilter sind derart konfiguriert, dass sie von der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 41 hervorgerufene Gleichstromanteile bzw. Gleichstromsignale passieren lassen und von der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 39 hervorgerufene Wechselstromanteile bzw. Wechselstromsignale blocken. Mittels der Messbrücke 51 (die z.B. als Verstimmungsbrücke bzw. Wheatstonesche Messbrücke ausgeführt ist) wird der aktuell vorliegende elektrische Widerstand des Heizwiderstandes 29 erfasst und basierend darauf ein Ausgangssignal 57 generiert, das ein Maß für den Wärmestrom darstellt, der von dem Heizwiderstand 29 an die Fluidströmung 3 abgegeben wird. Anhand dieses Ausgangssignals 57 kann auf bekannte Art und Weise die Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung 3 ermittelt werden.
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Ein Strommesser 55 ist zwischen die Wechselspannungsquelle 39 und den Hochpassfilter 45 geschaltet und mit der Steuer- und Auswerteeinheit 15 (hier als Beispiel mit einem Mikrocontroller µC als Bestandteil der Steuer- und Auswerteeinheit 15) verbunden. Der Hochpassfilter 45 ist so konfiguriert, dass er von der Wechselspannung hervorgerufene Wechselstromanteile bzw. Wechselstromsignale, die die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle 39 bereitgestellten Wechselspannung aufweisen, passieren lässt und von der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 41 hervorgerufene Gleichstromanteile bzw. Gleichstromsignale blockt. Somit ist mittels des Strommessers 55 der durch die Wechselspannung zwischen der Primärelektrode 17 und der Gegenelektrode 19 hervorgerufene elektrische Strom erfassbar. Der von dem Strommesser 55 erfasste Strom wird als Messwert an die Steuer- und Auswerteeinheit 15 gegeben, wobei die Einheit 15 basierend auf diesem erfassten Stromwert zum Ermitteln der zwischen der Primärelektrode 17 und der Gegenelektrode 19 vorliegenden Impedanz ausgebildet ist (z.B. indem mittels der Einheit 15 die Impedanz als Quotient zwischen der von der Wechselspannungsquelle 39 bereitgestellten Wechselspannung und dem von dem Strommesser 55 erfassten Strom gebildet wird).
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Die Steuer- und Auswerteeinheit 15 ist mit der Gleichspannungsquelle 41 verbunden und derart konfiguriert, dass von ihr die einstellbare Gleichspannungsquelle 41 in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanz angesteuert wird, sodass die von der Gleichspannungsquelle 41 bereitgestellte Gleichspannung – und somit auch die Heizleistung des Heizwiderstandes 29 des Strömungssensorelements 27 – in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanz eingestellt bzw. variiert wird.
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Somit wird die Messspitze 13 des Anemometers 1 an ihrer Primärelektrode 17 über den Hochpass 45 mit einem hochfrequenten Wechselstrom aus der Wechselstromquelle 39 beaufschlagt. Der von der Impedanz im elektrischen Feld 35 zwischen der Primärelektrode 17 und der Gegenelektrode 19 bestimmte Stromfluss wird im Strommesser 55 gemessen und zur Phasenerkennung genutzt. Der über die Tiefpässe 42, 43 eingekoppelte Heizstrom fließt durch den als Hitzelement fungierenden Heizwiderstand 29 und führt zu einer Verstimmung der Messbrücke 51.
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Aus der Verstimmung resultiert das Heißfilmanemometersignal 57, welches zur Geschwindigkeitsbestimmung in der momentanen Phase genutzt wird. Der mittels des Strommessers 55 ermittelte Strom dient zur Steuerung des aus der Gleichspannungsquelle 41 eingespeisten Gleichheizstroms mittels des Mikrokontrollers µC.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- thermisches Anemometer
- 3
- Fluidströmung / Strömungsmedium
- 5
- flüssige Phase
- 7
- gasförmige Phase
- 9
- globale Strömungsrichtung
- 11
- Nadelsonde
- 13
- Messaufnehmer-Abschnitt / Sondenspitze der Nadelsonde
- 15
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 17
- Elektrode / Primärelektrode
- 18
- elektrisch isolierender Formkörper
- 19
- Gegenelektrode
- 21
- Schirmelektrode
- 23, 25
- elektrischer Isolator
- 27
- elektrisch beheizbares Sensorelement / Strömungssensorelement
- 29
- Heizwiderstand / Hitzelement
- 31
- erste Heizwiderstand-Kontaktierungselektrode
- 33
- zweite Heizwiderstand-Kontaktierungselektrode
- 35
- elektrisches Wechselfeld zwischen Elektrode und Gegenelektrode
- 37
- Fünf-Loch-Isolationskörper mit kegel(stumpf)förmigem Endabschnitt
- 39
- Wechselspannungsquelle
- 40
- Massepotential
- 41
- einstellbare Gleichspannungsquelle
- 42, 43
- Tiefpassfilter
- 45
- Hochpassfilter
- 47
- Summator
- 51
- Messbrücke
- 52
- elektrisches Bezugspotential
- 55
- Strommesser
- 57
- Ausgangssignal
- µC
- Mikrocontroller
