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Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren für einen Durchflussmesser.
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Aus dem Stand der Technik sind zur Ermittlung eines Volumenstroms Ultraschallsensoren zur Laufzeitmessung bekannt, um beispielsweise in einem Strömungsrohr einen Volumenstroms des darin strömenden Fluids zu bestimmen. Die Ultraschallsensoren sind hierbei üblicherweise weitestgehend unabhängig von einer Dichte des Fluids (Messmediums). Nachteilig bei den Ultraschallsensoren ist, dass sie gegenüber Änderungen eines Strömungsprofils eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Diese Empfindlichkeit kann durch den Einsatz von mehreren Ultraschallsensoren (Mehrstrahlsensoren) gesenkt werden. Hierbei wird eine Strömung des Fluids an mehreren Stellen von den Ultraschallsensoren mit Ultraschall beschallt, so dass sich mehrere Schallausbreitungswege im Fluid bilden, die zur Identifikation des Strömungsprofils angewendet werden können. Alleine die Verwendung von zwei Ultraschallsensoren kann einen zu erwartenden Approximationsfehler im Vergleich zu einer Einpunkt-Integralmessung deutlich reduzieren.
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Ein Durchflussmesser mit Ultraschallsensoren ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2010 040 396 A1 bekannt, wobei hier zusätzlich ein Wirkdrucksensor vorgesehen ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Durchflussmesser zu schaffen, mit dem auf vorrichtungstechnisch einfache Weise ein Volumenstrom mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit bestimmbar ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für einen Durchflussmesser zu schaffen, mit dem auf einfache Weise ein Volumenstrom mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit bestimmbar ist.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Durchflussmessers wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Erfindungsgemäß ist ein Durchflussmesser zur Bestimmung eines, insbesondere zeitaufgelösten, Volumenstroms vorgesehen. Der Durchflussmesser hat ein Strömungsrohr, in dem ein Drosselabschnitt vorgesehen ist. Zur Bestimmung des Volumenstroms eines das Strömungsrohr durchströmenden Fluids sind zumindest zwei zusammenwirkende Ultraschallsensoren zur Durchführung einer Laufzeitmessung vorgesehen. Des Weiteren ist ein Wirkdrucksensor zur Druckmessung vorgesehen. Vorzugsweise ist einer der Ultraschallsensoren stromaufwärts eines engsten Querschnitts des Drosselabschnitts und einer der Ultraschallsensoren stromabwärts des engsten Querschnitts des Drosselabschnitts angeordnet.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass durch die erhöhte Geschwindigkeit des Fluids in der Drossel das tatsächlich vorliegende Geschwindigkeitsprofil des Fluids besser abgeschätzt werden kann. Dies führt dazu, dass bei einer Auswertung der im Bereich des Drosselabschnitts von den Ultraschallsensoren ermittelten Messwerten eine Genauigkeit des ermittelten Volumenstroms deutlich erhöht ist. Mit den angeführten Sensoren kann eine kombinierte Messung eines, insbesondere statischen, Drucks und eines Volumenstroms in Fluiden, wie Flüssigkeiten oder Gasen, bei einer gleichzeitigen Minimierung von das Messergebnis verfälschenden Quereinflüssen durch ein Strömungsprofil, durch eine Fluidviskosität, durch eine Dichte und durch externe Vibrationen erreicht werden.
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Ultraschallsensoren zur Laufzeitmessung sind dafür bekannt, dass deren Empfindlichkeit durch ungleichförmige Strömungsprofile zunimmt. Der erfindungsgemäße Durchflussmesser ermöglicht eine auf Ultraschall basierende Messung des Volumenstroms, die robuster gegenüber Änderungen des Strömungsprofils ist.
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Durch Messung eines Druckverlusts über den Drosselabschnitt durch den Wirkdrucksensor kann ein Volumenstrom ermittelt werden, der zur Plausibilisierung des durch die Laufzeitmessung ermittelten Volumenstroms verwendet werden kann. Durch die Kombination dieser Messergebnisse ist die Genauigkeit des gemessenen Volumenstroms erhöht und zusätzlich kann ein Systemdruck gemessen werden. Die Erfindung basiert somit auf einer kombinierten Messung des Volumenstroms mit Ultraschallsensoren zur Laufzeitmessung und einem Wirkdrucksensor unter gleichzeitiger Bestimmung eines statischen Drucks.
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Durch die Kombinationsmessung werden Unsicherheiten und Quereinflüsse durch die Form des Strömungsprofils reduziert und der Durchflussmesser ist robuster und unabhängiger gegenüber Profilanforderungen und folglich auch gegenüber Anforderungen an eine Einbausituation des Durchflussmessers.
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Da die Ultraschallsensoren stromaufwärts und stromabwärts des engsten Querschnitts angeordnet sind, kann sich ein Ultraschallpfad für einen von den Ultraschallsensoren oder von beiden Ultraschallsensoren emittierten Ultraschall durch den Drosselabschnitt erstrecken.
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Zur Ermittlung des Volumenstroms können mit einem Auswertealgorithmus, der insbesondere in einem Prozessor ausgeführt wird, Messwerte des Wirkdrucksensors und Messwerte der Ultraschallsensoren korreliert sein. Hierdurch kann auf einfache Weise der tatsächliche Volumenstrom ermittelt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der über die Ultraschallsensoren ermittelte Volumenstrom durch die Messwerte des Wirkdrucksensors plausibilisiert sein, womit eine Abschätzung einer Genauigkeit des von den Ultraschallsensoren ermittelten Volumenstroms auf einfache Weise abgeschätzt werden kann. Die Plausibilisierung erfolgt hierbei durch den einen oder einen weiteren Auswertealgorithmus.
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Mit Vorteil ist der Durchflussmesser kalibriert.
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Zur Kalibrierung des Durchflussmessers kann ein Korrekturfaktor (K-Faktor), insbesondere zur Herauskalibrierung von Profilunförmigkeiten, für die Messwerte der Ultraschallsensoren ermittelt werden. Der Korrekturfaktor betrifft hierbei bei vorbestimmten Zuströmbedingungen in das Strömungsrohr eine Abweichung des Strömungsprofils von einem Blockprofil. Bei einem Blockprofil handelt es sich vorzugsweise um eine laminare Strömung ohne Wandreibung oder um eine hochturbulente Strömung. Dieser Korrekturfaktor kann dann bei der Ermittlung des Volumenstroms, insbesondere durch den Auswertealgorithmus, berücksichtigt werden, was die Genauigkeit des ermittelten Volumenstroms weiter erhöht.
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Vorzugsweise wird der Korrekturfaktor bei der Ermittlung des Volumenstroms basierend auf den Messergebnissen der Ultraschallsensoren berücksichtigt. Der sich daraus ergebende Volumenstrom kann durch den Volumenstrom auf Basis des Messergebnisses des Wirkdrucksensors plausibilisiert sein.
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Bevorzugterweise sind mit dem Auswertealgorithmus unterschiedliche Strömungsprofile, beispielsweise ein Strömungsprofil nach einer Umlenkung und ein ausgebildetes Strömungsprofil ohne Umlenkung, mit einem gleichen Volumenstrom eindeutig einem Wertepaar, das einen bestimmten Messwert des Wirkdrucksensors und einen bestimmten Messwert der Ultraschallsensoren aufweist, zugewiesen.
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Zur Absicherung der Eindeutigkeit der Zuweisung der unterschiedlichen Strömungsprofile mit gleichem Volumenstrom zu dem Wertepaar kann vorgesehen sein, eine Temperatur des Fluids zu berücksichtigen. Die Temperatur liegt hierbei durch den Einsatz von Ultraschallsensoren intrinsisch vor, da eine Laufzeit einer Schallwelle direkt mit einer Schallgeschwindigkeit im Fluid korreliert, die stark von der Temperatur abhängig ist. Somit kann auf einfache Weise die Temperatur bestimmt werden.
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Der Wirkdrucksensor ermittelt beispielsweise einen Wirkdruck aus zwei statischen Drücken. Vorzugsweise wird der Druck weiter als Differenz der statischen Drücke berechnet. Der erfasste Druck kann dann vorteilhafterweise nicht nur für den Durchflussmesser, sondern auch für andere Applikationen, beispielsweise beim Einsatz des Durchflussmessers in der Hydraulik vorgesehen sein.
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Vorzugsweise misst der Wirkdrucksensor einen Druckverlust über den Drosselabschnitt, woraus dann auf einfache Weise der Volumenstrom ermittelt werden kann, der wiederum zur Plausibilisierung der Laufzeitmessung eingesetzt ist.
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Mit Vorteil ist der Wirkdrucksensor derart ausgestaltet, dass sich durch diesen vergleichsweise geringe Druckverluste ergeben. Dies resultiert daraus, dass die hohe Messgenauigkeit der Messung des Volumenstroms durch die Ultraschallsensoren durch die Laufzeitmessung erfolgt. Der Wirkdrucksensor kann somit vorrichtungstechnisch vergleichsweise einfach mit vergleichsweise großen Toleranzen ausgebildet sein.
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Der Drosselabschnitt ist beispielsweise als Düse ausgebildet. Bevorzugterweise ist der Drosselabschnitt derart ausgebildet, dass eine Axialgeschwindigkeit des Fluids vergleichsweise unabhängig von einer Länge und Ausgestaltung einer stromaufwärts des Strömungsrohrs liegenden Einlaufstrecke ist.
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Durch eine geeignete Konstruktionsausführung des Drosselabschnitts lässt sich somit in den Durchflussmesser eine Formung und Profilierung einer Axialgeschwindigkeit u(r) vornehmen. Damit kann die Unsicherheit der Messung über die Ultraschallsensoren, deren Ursache in einem Unwissen des tatsächlich vorliegenden Geschwindigkeitsprofils (u(r, t)) liegt, zusätzlich reduziert werden. Zusätzlich verringern sich die strengen Anforderungen an eine Länge und an eine Ausgestaltung einer Einlaufstrecke.
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Mit Vorteil hat die Drossel in einem Längsschnitt, wobei sich der Längsschnitt entlang einer Längsachse des Strömungsrohrs erstreckt, einen ersten Abschnitt, der in Strömungsrichtung gesehen zu einer, insbesondere im Wesentlichen stetigen Verengung eines Strömungsquerschnitts des Strömungsrohrs führt. An den ersten Abschnitt schließt sich ein zweiter Abschnitt an, der zu einer, insbesondere im Wesentlichen stetigen Erweiterung des Strömungsquerschnitts führt. Es hat sich als vorteilhaft bei der Messgenauigkeit des Volumenstroms gezeigt, wenn der zweite Abschnitt in Strömungsrichtung gesehen, kürzer als der erste Abschnitt ist. Beispielsweise beträgt eine Länge des zweiten Abschnitts weniger als eine Hälfte der Länge des ersten Abschnitts in Längsrichtung gesehen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Drossel einfach rotationssymmetrisch ausgestaltet.
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Es hat sich als weiter vorteilhaft gezeigt, wenn die Drossel vorrichtungstechnisch einfach als ein sich vom Wandabschnitt weg erstreckender Vorsprung ausgebildet ist. Des Weiteren können hierbei Strömungsverluste geringer als bei einer rotationssymmetrischen Drossel sein.
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Die Ultraschallsensoren sind beispielsweise V-förmig zueinander angeordnet. Ultraschallwellen können dann an einer Innenwandung des Drosselabschnitts reflektiert sein. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise vorteilhaft bei einer rotationssymmetrischen Drossel.
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Mit Vorteil können die Ultraschallsensoren auch auf einer gemeinsamen Achse liegen. Hierbei kann der stromaufwärtige Ultraschallsensor benachbart zur als Vorsprung ausgebildeten Drossel angeordnet sein. Ultraschallwellen der Ultraschallsensoren können hierbei direkt ausgetauscht werden. Der Ultraschall kann sich dann des Weiteren beispielsweise diagonal zur das Strömungsrohr und durch die Drossel erstrecken.
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Es hat sich gezeigt, dass der Durchflussmesser sowohl für hydraulische Systeme als auch für pneumatische Systeme geeignet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Durchflussmesser im Wesentlichen geradlinig. Die Erstreckung des Durchflussmessers in Längsrichtung erfolgt hierbei derart, dass vorzugsweise eine im Wesentlichen laminare Strömung ausgebildet ist.
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Durch den Durchflussmesser ist ein kombinierter Sensor ausgebildet, der sowohl die Laufzeit einer Ultraschallwelle im Fluid misst, den Druck im Fluid messen kann, die Druckdifferenz an der Drossel messen kann und die Medientemperatur messen kann.
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Der Durchflussmesser bildet eine kombinierte Messeinheit zur Bestimmung des zeitaufgelösten Volumenstroms und des Systemdrucks für hydraulische und pneumatische Systeme.
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Es ist eine Kombination aus einer ultraschallbasierten Laufzeitmessung und einer Messung auf Basis von Wirkdruck geschaffen, die zur Ermittlung eines Volumenstroms dient und robust gegen veränderliche Strömungsprofile ist.
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Vorteilhafterweise kann die Ausführung der Volumenstrommessung mittels Wirkdruck mit geringen Druckverlusten erfolgen, da die hohe Messgenauigkeit der Volumenstrommessung durch die Laufzeitmessung erzielt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für einen Durchflussmesser, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Aspekte, sind folgende Schritte vorgesehen:
- – Durchführung einer Laufzeitmessung mit Ultraschallsensoren in einem Strömungsrohr, in dem eine Querschnittsverengung vorgesehen ist. Ein Ultraschallpfad der Ultraschallsensoren erstreckt sich hierbei durch die Querschnittsverengung zumindest abschnittsweise, um den Volumenstrom zu ermitteln;
- – Vor, nach oder gleichzeitig mit der Durchführung der Laufzeitmessung wird eine Druckmessung mit einem Wirkdrucksensor, insbesondere im Bereich der Querschnittsverengung, vorgenommen, um daraus einen Volumenstrom zu berechnen.
- – Aus dem durch die Laufzeitmessung ermittelten Volumenstrom und aus dem durch die Druckmessung ermittelten Volumenstrom wird ein genauer Volumenstrom anhand eines Algorithmus entwickelt.
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Des Weiteren kann bei der Bestimmung des genauen Volumenstroms ein Kalibrierfaktor für den durch die Laufzeitmessung ermittelten Volumenstrom berücksichtigt sein.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Durchflussmesser gemäß einer ersten Ausführungsform und
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2 in einem Längsschnitt den Durchflussmesser gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Gemäß 1 ist schematisch ein Durchflussmesser 1 dargestellt. Dieser weist ein, insbesondere zylindrisches Strömungsrohr 2 auf. Das Strömungsrohr 2 ist von einem Fluid etwa in der in 1 gezeigten Strömungsrichtung durchströmbar. In dem Strömungsrohr 2 ist eine Drossel 6 in Form einer Düse ausgebildet. Zur Messung eines Volumenstroms sind Ultraschallsensoren 8 und 10 und ein Drucksensor in Form eines Wirkdrucksensors 12 vorgesehen.
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Die im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltete Drossel 6 erstreckt sich in Strömungsrichtung mit einem ersten Drosselabschnitt 14, der derart ausgestaltet ist, dass ein Querschnitt des Strömungsrohrs 2 im Wesentlichen stetig verkleinert wird. Im Anschluss an den ersten Drosselabschnitt 14 erstreckt sich in Strömungsrichtung 4 ein zweiter Drosselabschnitt 16, der derart ausgestaltet ist, dass sich ein Querschnitt des Strömungsrohrs 2 im Wesentlichen stetig erweitert. Ein Strömungsquerschnitt des Strömungsrohrs 2 stromaufwärts und stromabwärts der Drossel 6 ist hierbei im Wesentlichen gleich. Eine Länge L1 des Drosselabschnitts 14 in Längsrichtung des Strömungsrohrs 2 gesehen ist hierbei größer als eine Länge L2 des zweiten Drosselabschnitts 16. Die Drosselabschnitte 14 und 16 weisen jeweils eine etwa kegelstumpfförmige Innenwandung auf, die im Verbindungsbereich zueinander über einen gekrümmten Verbindungsabschnitt 18 verbunden sind. Durch die geringere Länge L2 des Drosselabschnitts 16 wird das Strömungsrohr 2 in Strömungsrichtung 4 gesehen über einen deutlich kürzeren Weg erweitert.
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Die zumindest zwei Ultraschallsensoren
8 und
10 sind auf übliche Weise ausgestaltet, weswegen für nähere Erläuterungen beispielsweise auf den eingangs genannten Stand der Technik
DE 10 2010 040 396 A1 verwiesen wird. Die Ultraschallsensoren
8 und
10 sind gemäß
1 etwa V-förmig zueinander angeordnet. Der Ultraschallsensor
8 ist hierbei stromaufwärts der Blende
6 und der Ultraschallsensor
10 stromaufwärts der Blende
6 angeordnet. Eine Anordnung erfolgt hierbei in oder am Wandlungsbereich des Strömungsrohrs
2. Ein Ultraschallpfad
20 erstreckt sich V-förmig zwischen den Ultraschallsensoren
8 und
10. Eine Reflektion von Ultraschallwellen des Ultraschallpfads
20 erfolgt im Wesentlichen an einer Innenwandung der Drossel
6. insbesondere erfolgt die Reflektion an der Innenwandung des Verbindungsabschnitts
18 beziehungsweise im Bereich des engsten Querschnitts. Mit den Ultraschallsensoren
8 und
10 wird über eine Laufzeitmessung ein Volumenstrom in dem Strömungsrohr
2 gemessen. Es hat sich gezeigt, dass durch die Erstreckung des Ultraschallpfads durch den Drosselabschnitt, insbesondere durch den von der Innenwandung der Drossel
6 begrenzten Bereich des Strömungsrohrs
2, die Messung des Volumenstroms zu deutlich genaueren Ergebnissen selbst bei sich verändernden oder unterschiedlichen Strömungsprofilen führt.
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Um die Messgenauigkeit der Messung des Volumenstroms weiter zu erhöhen, ist zusätzlich der Wirkdrucksensor 12 in 1 vorgesehen. Dieser ist hierbei nur schematisch aufgezeigt. Dieser ist generell auf übliche Weise ausgestaltet, weswegen für nähere Informationen auf die vorstehend in der Figurenbeschreibung angeführte Druckschrift verwiesen wird. Der Wirkdrucksensor 12 ermittelt einen Volumenstrom aufgrund einer Druckdifferenz, die durch die Drossel 6 hervorgerufen ist. Der über den Wirkdrucksensor 12 ermittelte Volumenstrom wird zur Plausibilisierung des von den Ultraschallsensoren 8 und 10 ermittelten Volumenstroms herangezogen. Bei der Ermittlung des von den Ultraschallsensoren erfassten Volumenstroms wird zusätzlich ein Korrekturfaktor herangezogen, der bei einer Kalibrierung des Durchflussmessers 1 ermittelt wurde. Aus der Korrelation des auf den Ultraschallsensoren 8, 10 basierenden Volumenstroms und des auf dem Wirkdrucksensor 12 basierenden Volumenstroms wird ein Volumenstrom über einen Auswertealgorithmus errechnet, dessen Wert recht nahe an dem Wert des tatsächlichen Volumenstroms herankommt oder sogar diesem entspricht.
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Der erfindungsgemäße Durchflussmesser ist somit äußerst robust bei der Bestimmung des Volumenstroms gegenüber Änderungen des Strömungsprofils aufgrund einer Kombination des ultraschallbasierten Laufzeitmessverfahrens, des Wirkdruckverfahrens, des Auswertealgorithmus und der vorausgehenden Kalibrierung der Einheit. Zusätzlich erfolgt die Messung des Volumenstroms im Bereich der Drossel 6.
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Gemäß 2 hat der Durchflussmesser 1 im Unterschied zur Ausführungsform aus 1 eine nicht rotationssymmetrische Drossel 22. Im Längsschnitt ist diese ähnlich wie die Drossel 6 aus 1 ausgebildet, wobei deren Länge geringer ist. Die Drossel 22 erstreckt sich vorsprungartig an einer Innenwandung 24 des Strömungsrohrs 2.
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Die Ultraschallsensoren 8 und 10 erstrecken sich gemäß der Ausführungsform in 2 auf einer gemeinsamen Achse, die das Strömungsrohr 2 etwa diagonal durchsetzt. Der stromaufwärts zur Drossel 22 angeordnete Ultraschallsensor 8 ist hierbei benachbart zur Drossel 22 vorgesehen. Der stromabwärts der Drossel angeordnete Ultraschallsensor 10 ist hierbei auf der zum Ultraschallsensor 8 gegenüberliegenden Seite des Strömungsrohrs 2 angeordnet. Ein Ultraschallpfad 26 erstreckt sich ausgehend von dem Ultraschallsensor 8 entlang der Drossel 22 bis zum Ultraschallsensor 10 (und umgekehrt). Der Ultraschallpfad 26 ist hierbei etwa parallel zur Außenmantelfläche des Drosselabschnitt 14 der Drossel 22 vorgesehen. Er kann sich auch ausgehend von dem Ultraschallsensor 8 leicht von dem Drosselabschnitt 14 beziehungsweise von der Drossel 22 entfernen. Denkbar wäre auch, dass sich der Ultraschallpfad 26 ausgehend vom Ultraschallsensor 8 bei seiner Erstreckung hin zum Ultraschallsensor 10 der Drossel 22 annähert.
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Des Weiteren ist gemäß 2 der Wirkdrucksensor 12 im Bereich der Drossel 22 vorgesehen.
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Offenbart ist ein Durchflussmesser zur Bestimmung eines zeitaufgelösten Volumenstroms. Dieser hat zwei Ultraschallsensoren zur Laufzeitmessung, die in oder an einem Strömungsrohr angeordnet sind. Zwischen diesen ist eine Drossel in Form einer Düse oder Blende vorgesehen. Zusätzlich weist der Durchflussmesser einen Wirkdrucksensor auf. Vorteilhafterweise befindet sich die Blende in Strömungsrichtung betrachtet im Bereich eines Schallwegs der Ultraschallsensoren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Durchflussmesser
- 2
- Strömungsrohr
- 4
- Strömungsrichtung
- 6
- Drossel
- 8
- Ultraschallsensor
- 10
- Ultraschallsensor
- 12
- Wirkdrucksensor
- 14
- Drosselabschnitt
- 16
- Drosselabschnitt
- 18
- Verbindungsabschnitt
- 20
- Ultraschallpfad
- 22
- Drossel
- 24
- Innenwandung
- 26
- Ultraschallpfad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010040396 A1 [0003, 0043]
