DE102015100213B3 - Arrangement for detecting the flow rate field of a fluid flow in a flow cross-section - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit einer Fluidströmung in einem Strömungsquerschnitt, aufweisend ein Sensorelement, eine Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung und eine Auswerteeinrichtung, wobei das Sensorelement mehrere unter Ausbildung von Kreuzungspunkten gitterartig angeordnete Elektroden und Gegenelektroden mit dazwischen angeordneten schwingfähigen Körpern aufweist, wobei die Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Elektrode und die Gegenelektrode der einzelnen Kreuzungspunkte ausgebildet ist, sodass das dadurch hervorgerufene elektrische Feld bei in die Fluidströmung eingebrachtem Sensorelement durch die strömungsinduzierte Schwingung der schwingfähigen Körper variiert wird, und wobei die Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten an den einzelnen Kreuzungspunkten mittels Auswertens der zugehörigen Feldvariation ausgebildet ist.The invention relates to an arrangement for detecting the flow velocity of a fluid flow in a flow cross-section, comprising a sensor element, a voltage application device and an evaluation device, wherein the sensor element has a plurality of formation of crossing points lattice-like electrodes and counter electrodes with interposed vibratable bodies, wherein the voltage application Device for applying an electrical voltage between the electrode and the counter electrode of the individual intersection points is formed, so that the electric field caused thereby is varied by the flow-induced vibration of the oscillatory body when introduced into the fluid flow sensor element, and wherein the evaluation device for determining the local flow velocities is formed at the individual intersection points by evaluating the associated field variation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen des Strömungsgeschwindigkeits-Feldes einer Fluidströmung über einen Strömungsquerschnitt hinweg. Die Anordnung kann z. B. zur Untersuchung von Gas- und Flüssigkeitsströmungen in Strömungskanälen verwendet werden.The invention relates to an arrangement for detecting the flow velocity field of a fluid flow across a flow cross-section. The arrangement may, for. B. are used for the investigation of gas and liquid flows in flow channels.

In vielen Bereichen ist die Kenntnis der über den Strömungsquerschnitt hinweg vorliegenden räumlichen Strömungsgeschwindigkeits-Verteilung von Fluidströmungen relevant. Die Vermessung von Geschwindigkeitsfeldern in Strömungen kann z. B. mit laseroptischen Messverfahren, wie Particle Image Velocimetry oder Laser-Doppler-Anemometrie, aber auch mit schallbasierten Verfahren, wie der Ultraschall-Doppler-Velozimetrie, vorgenommen werden. Diese Messverfahren erfordern jedoch einen optischen bzw. akustischen Zugang zu der Strömung sowie klare Fluide, die mit einer ausreichenden Anzahl kleiner auftriebsneutraler Fremdpartikel beladen sein müssen. Dies ist nicht immer möglich, vor allem nicht in vielen realen Prozessanwendungen.In many areas, knowledge of the spatial flow velocity distribution of fluid flows across the flow area is relevant. The measurement of velocity fields in flows can, for. B. with laser-optical measurement methods such as particle image velocimetry or laser Doppler anemometry, but also with sound-based methods, such as the ultrasonic Doppler velocimetry, are made. However, these measurement methods require an optical or acoustic access to the flow as well as clear fluids, which must be loaded with a sufficient number of small buoyancy-neutral foreign particles. This is not always possible, especially not in many real process applications.

Die Druckschriften DE 10 2007 019 927 B3 , US 4 339 661 A , DE 10 2009 043 345 A1 , DE 10 2010 018 494 A1 , US 5 922 970 A , US 4 397 192 A , DE 10 2010 060 131 A1 und AT 505 522 A1 betreffen Messungen in Strömungsfeldern mit Gittern, die Druckschriften US 4 592 240 A , US 5 109 704 A , DE 690 02 249 T2 , FR 2 587 481 A1 , US 2012/0 325 014 A1 und US 2002/0 020 225 A1 betreffen Strömungsgeschwindigkeitserfassung auf Grund von in einem Strömungsfeld erzeugten Wirbeln mittels eines schwingfähigen Körpers.The pamphlets DE 10 2007 019 927 B3 . US 4,339,661 A . DE 10 2009 043 345 A1 . DE 10 2010 018 494 A1 . US Pat. No. 5,922,970 A . US 4,397,192 A. . DE 10 2010 060 131 A1 and AT 505 522 A1 concern measurements in flow fields with grids, the pamphlets US Pat. No. 4,592,240 . US 5 109 704 A . DE 690 02 249 T2 . FR 2 587 481 A1 . US 2012/0 325 014 A1 and US 2002/0 020 225 A1 pertain to flow velocity detection due to eddies generated in a flow field by means of a vibratory body.

Durch die Erfindung wird eine unkomplizierte Sensoranordnung bereitgestellt, mittels derer das Strömungsgeschwindigkeits-Feld (d. h. die räumliche Strömungsgeschwindigkeits-Verteilung) einer Fluidströmung über einen Strömungsquerschnitt der Fluidströmung hinweg erfassbar ist, wobei die Anordnung auch zur Charakterisierung trüber Fluide einsetzbar ist und ohne den Einsatz von Fremdpartikeln auskommt. Die Sensoranordnung kann zudem robust gegen heiße und aggressive Fluide ausgebildet sein und mit einem effizienten, unkomplizierten elektronischen Schema realisiert werden. Die Sensoranordnung eignet sich zur Untersuchung von Fluidströmungen, z. B. Flüssigkeitsströmungen, Gasströmungen, aber auch Mehrphasenströmungen.The invention provides an uncomplicated sensor arrangement by means of which the flow velocity field (ie the spatial flow velocity distribution) of a fluid flow over a flow cross-section of the fluid flow can be detected, wherein the arrangement can also be used to characterize turbid fluids and without the use of foreign particles gets along. The sensor arrangement can also be designed robust against hot and aggressive fluids and can be realized with an efficient, uncomplicated electronic scheme. The sensor arrangement is suitable for the investigation of fluid flows, for. B. liquid flows, gas flows, but also multi-phase flows.

Gemäß der Erfindung wird eine Anordnung zum Erfassen des in einem Strömungsquerschnitt vorliegenden Strömungsgeschwindigkeits-Feldes einer Fluidströmung bereitgestellt (auch als „Sensoranordnung” oder „Sensorvorrichtung” bezeichnet).According to the invention, there is provided an arrangement for detecting the flow velocity field of fluid flow present in a flow section (also referred to as "sensor array" or "sensor device").

Die Sensoranordnung weist ein Sensorelement mit mehreren Elektroden, mehreren Gegenelektroden und mehreren schwingfähigen Körpern auf. Die Elektroden sind in einer ersten Ebene verlaufend angeordnet, die Gegenelektroden sind in einer zweiten Ebene verlaufend angeordnet, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind und in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Elektroden und die Gegenelektroden sind unter Ausbildung von Kreuzungspunkten gitterartig angeordnet (daher werden die aus den Elektroden und den Gegenelektroden gebildete gitterartige Struktur auch als „Elektrodengitter” und das Sensorelement auch als „Gittersensor” bezeichnet), wobei sich an jedem Gitterkreuzungspunkt eine der Elektroden und eine der Gegenelektroden des Elektrodengitters kreuzen.The sensor arrangement has a sensor element with a plurality of electrodes, a plurality of counterelectrodes and a plurality of oscillatable bodies. The electrodes are arranged running in a first plane, the counter electrodes are arranged to extend in a second plane, wherein the first and the second plane are parallel to each other and are arranged at a distance from one another. The electrodes and the counterelectrodes are arranged like a lattice with the formation of crossing points (therefore, the lattice-like structure formed of the electrodes and the counterelectrodes is also referred to as "electrode lattice" and the sensor element also as "lattice sensor"), whereby at each lattice crossing point one of the electrodes and Cross one of the counter electrodes of the electrode grid.

Bevorzugt sind sowohl die Elektroden als auch die Gegenelektroden geradlinig verlaufend bzw. stabförmig ausgebildet, wobei alle Elektroden parallel zueinander in der ersten Ebene entlang einer ersten Längsrichtung verlaufen, alle Gegenelektroden parallel zueinander in der zweiten Ebene entlang einer zweiten Längsrichtung verlaufen, und wobei die erste Längsrichtung nicht parallel zu der zweiten Längsrichtung ist. Bevorzugt bilden die erste und die zweite Längsrichtung einen Winkel von 90°. Die erste bzw. zweite Ebene werden auch als erste bzw. zweite Gitterebene bezeichnet.Preferably, both the electrodes and the counterelectrodes are rectilinear or rod-shaped, with all the electrodes running parallel to one another in the first plane along a first longitudinal direction, all counterelectrodes being parallel to each other in the second plane along a second longitudinal direction, and the first longitudinal direction not parallel to the second longitudinal direction. Preferably, the first and the second longitudinal direction form an angle of 90 °. The first and second levels are also referred to as the first and second lattice planes.

Die Elektroden und die Gegenelektroden können z. B. in einem Sensorrahmen derart befestigt sein, dass sie gegeneinander und gegen das Erdpotenzial elektrisch isoliert sind. Der Sensorrahmen kann z. B. in Form eines Flansches ausgeführt sein, der in eine zur Führung der Fluidströmung dienende Rohrleitung montiert werden kann.The electrodes and the counter electrodes can, for. B. be mounted in a sensor frame such that they are electrically isolated from each other and against the ground potential. The sensor frame can, for. B. in the form of a flange which can be mounted in a serving to guide the fluid flow pipe.

Jeder der schwingfähigen Körper ist an einem der Kreuzungspunkte des Elektrodengitters zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode des Kreuzungspunktes angeordnet, sodass die schwingfähigen Körper zwischen der ersten und der zweiten Gitterebene angeordnet sind. Dabei sind mit der Elektrode und der Gegenelektrode eines Kreuzungspunktes diejenige Elektrode und Gegenelektrode bezeichnet, die sich an diesem Kreuzungspunkt kreuzen. Die Elektrode und die Gegenelektrode jedes Kreuzungspunktes bilden ein diesem Kreuzungspunkt zugeordnetes Elektrodenpaar.Each of the vibratable bodies is disposed at one of the crossing points of the electrode grid between the electrode and the counter electrode of the crossing point, so that the vibratable bodies are arranged between the first and second lattice planes. In this case, the electrode and the counterelectrode of a crossing point denote that electrode and counterelectrode which intersect at this point of intersection. The electrode and the counterelectrode of each intersection point form an electrode pair associated with this intersection point.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass an jedem der Kreuzungspunkte des Gittersensors ein derartiger schwingfähiger Körper angeordnet ist. Die schwingfähigen Körper werden auch als Schwingkörper bezeichnet.In particular, provision may be made for such a vibratable body to be arranged at each of the intersection points of the grating sensor. The oscillatory bodies are also referred to as vibrating bodies.

Das Sensorelement fungiert als Messaufnehmer und ist zum Einbringen in die zu untersuchende Fluidströmung derart vorgesehen, dass die Elektroden stromaufwärts der Gegenelektroden angeordnet werden. Somit werden die Elektroden auch als stromaufwärtige Elektroden bezeichnet, die Gegenelektroden auch als stromabwärtige Elektroden. Falls sich nicht aus dem Kontext etwas anderes ergibt, sind im Folgenden mit dem Begriff „Elektroden” die stromaufwärtigen Elektroden und mit dem Begriff „Gegenelektroden” die stromabwärtigen Elektroden bezeichnet.The sensor element acts as a sensor and is provided for introduction into the fluid flow to be examined such that the Electrodes are arranged upstream of the counter electrodes. Thus, the electrodes are also referred to as upstream electrodes, the counter electrodes also as downstream electrodes. Unless the context dictates otherwise, the term "electrodes" hereafter refers to the upstream electrodes and the term "counter electrodes" to the downstream electrodes.

Bei derart in die Fluidströmung eingebrachtem Sensorelement kommt es an den Elektroden zu einer periodischen Bildung und Ablösung von Fluidwirbeln, sodass sich an jeder der Elektroden eine Kármansche Wirbelstraße ausbildet, die in Strömungsrichtung von den Elektroden hin zu den Gegenelektroden verläuft.In such a sensor element introduced into the fluid flow, a periodic formation and detachment of fluid vortices takes place at the electrodes, so that a Karman vortex street is formed on each of the electrodes and extends in the direction of flow from the electrodes to the counterelectrodes.

Für eine vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit ν ist die Wirbelablösefrequenz f proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides, wobei zwischen der Strömungsgeschwindigkeit ν, der charakteristischen Ausdehnung d des wirbelinduzierenden Störkörpers, und der Ablösefrequenz f der Fluidwirbel der Zusammenhang f = Sr / dν (1) mit der Strouhalzahl Sr besteht. Vorliegend ist die charakteristische Ausdehnung d z. B. durch den Durchmesser d der Elektroden gegeben.For a given flow velocity ν, the vortex shedding frequency f is proportional to the flow velocity of the fluid, with the relationship between the flow velocity ν, the characteristic dimension d of the vortex inducing obstruction, and the disengagement frequency f of the fluid vortex f = Sr / dν (1) with the Strouhalzahl Sr consists. In the present case, the characteristic extent d z. B. given by the diameter d of the electrodes.

Somit kann anhand der an einem Kreuzungspunkt vorliegenden lokalen Wirbelablösefrequenz die an diesem Kreuzungspunkt vorliegende lokale Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung ermittelt werden. Aus der Kenntnis der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten an mehreren, über das Elektrodengitter bzw. den Strömungsquerschnitt hinweg verteilten Kreuzungspunkten kann wiederum das über den Strömungsquerschnitt hinweg vorliegende Strömungsgeschwindigkeits-Feld ermittelt werden.Thus, based on the present at a crossing point local vortex shedding frequency present at this intersection point local flow velocity of the fluid flow can be determined. From the knowledge of the local flow velocities at a plurality of crossing points distributed over the electrode grid or the flow cross-section, the flow velocity field present across the flow cross-section can again be determined.

Die sich an den Elektroden ablösenden Fluidwirbel verursachen stromabwärts von diesen, d. h. im Bereich zwischen den Elektroden und den Gegenelektroden, periodische Druckschwankungen in dem Fluid. Diese Druckschwankungen wiederum verursachen eine Schwingung der zwischen der ersten und der zweiten Gitterebene angeordneten schwingfähigen Körper, wobei – da die Wirbelablösefrequenz proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit ist – auch die Schwingfrequenz proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit ist. Somit kann anhand der an einem Kreuzungspunkt vorliegenden lokalen Schwingung (insbesondere der Schwingfrequenz) die an diesem Kreuzungspunkt vorliegende lokale Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ermittelt werden.The fluid vortices detaching from the electrodes cause them downstream of them, i. H. in the region between the electrodes and the counter electrodes, periodic pressure fluctuations in the fluid. These pressure fluctuations, in turn, cause oscillation of the vibratable body disposed between the first and second lattice planes, and since the vortex shedding frequency is proportional to the flow velocity, the oscillation frequency is also proportional to the flow velocity. Thus, based on the present at a crossing point local vibration (in particular the oscillation frequency) present at this intersection point local flow velocity of the fluid can be determined.

Zu diesem Zweck weist die Sensoranordnung eine Einrichtung (auch als Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung bezeichnet) auf, die zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Elektrode und die Gegenelektrode jedes der Kreuzungspunkte mit den Schwingkörpern ausgebildet ist. Die Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass von ihr die Elektrodenpaare der (d. h. aller) Kreuzungspunkte, an denen ein schwingfähiger Körper vorgesehen ist, nacheinander mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, sodass jeweils nur an einem einzigen dieser Kreuzungspunkte ein elektrisches Feld vorliegt.For this purpose, the sensor arrangement has a device (also referred to as a voltage application device) which is designed to apply an electrical voltage between the electrode and the counter electrode of each of the points of intersection with the oscillating bodies. The Spannungsbeaufschlagungs device may in particular be designed such that from her the electrode pairs of (ie all) crossing points at which an oscillating body is provided, are applied successively with an electrical voltage, so that in each case only one of these crossing points an electric field is present ,

Bei Anliegen einer Spannung zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eines der Kreuzungspunkte bildet sich an diesem Kreuzungspunkt zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode ein (lokales) elektrisches Feld aus. Dieses elektrische Feld wird durch die Schwingung des zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode – und somit im Bereich des elektrischen Feldes – angeordneten schwingfähigen Körpers in Abhängigkeit von der an dem Kreuzungspunkt vorliegenden lokalen Strömungsgeschwindigkeit zeitlich periodisch variiert, wobei insbesondere die Variationsfrequenz des elektrischen Feldes durch die Schwingfrequenz des Schwingkörpers bestimmt ist. Diese Variation des elektrischen Feldes wiederum wird mittels eines elektrischen Messverfahrens erfasst und unter Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit ausgewertet.When a voltage is applied between the electrode and the counterelectrode of one of the crossing points, a (local) electric field forms at this point of intersection between the electrode and the counterelectrode. This electric field is periodically varied periodically by the oscillation of the oscillatory body arranged between the electrode and the counterelectrode-and thus in the region of the electric field-as a function of the local flow velocity present at the crossing point, in particular the variation frequency of the electric field due to the oscillation frequency of the vibrating body is determined. This variation of the electric field in turn is detected by means of an electrical measuring method and evaluated by determining the flow velocity.

Dazu weist die Sensoranordnung eine Auswerteeinrichtung auf. Die Auswerteeinrichtung ist mit dem Sensorelement verbunden und derart ausgebildet, dass von ihr für die einzelnen mit den Schwingkörpern versehenen Kreuzungspunkte die zeitliche Variation des elektrischen Feldes erfassbar ist und basierend auf der erfassten zeitlichen Variation die Strömungsgeschwindigkeit ermittelbar ist. Die Auswerteeinrichtung ist somit zum Erfassen der Variation des (lokalen) elektrischen Feldes an jedem dieser Kreuzungspunkte und Ermitteln der (lokalen) Strömungsgeschwindigkeit an jedem dieser Kreuzungskpunkte basierend auf der erfassten zugehörigen Feldvariation ausgebildet, sodass anhand der für die einzelnen Kreuzungspunkte ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten das Strömungsgeschwindigkeits-Feld ermittelbar ist.For this purpose, the sensor arrangement has an evaluation device. The evaluation device is connected to the sensor element and designed such that the temporal variation of the electric field can be detected by it for the individual points of intersection provided with the oscillating bodies and the flow velocity can be determined on the basis of the detected temporal variation. The evaluation device is thus designed to detect the variation of the (local) electric field at each of these intersection points and to determine the (local) flow velocity at each of these intersection points based on the detected associated field variation, so that the flow velocity field can be determined from the flow velocities determined for the individual intersection points can be determined.

Die Auswerteeinrichtung kann z. B. derart ausgebildet sein, dass von ihr die an den unterschiedlichen Kreuzungspunkten vorliegenden lokalen Variationsfrequenzen des elektrischen Feldes erfassbar sind und basierend darauf die an den Kreuzungspunkten vorliegenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten ermittelbar sind.The evaluation can z. B. be formed such that from her present at the different intersection points local variation frequencies of the electric field can be detected and based on the present at the intersection points local flow velocities can be determined.

Somit kann die Sensoranordnung z. B. derart ausgebildet sein, dass mittels der Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung die Elektrodenpaare der einzelnen Kreuzungspunkte sequentiell mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, und mittels der Auswerteeinrichtung die Variation (z. B. die Variationsfrequenz) des elektrischen Feldes an dem jeweils mit der Spannung beaufschlagten Elektrodenpaar erfasst und basierend darauf die an dem zugehörigen Kreuzungspunkt vorliegende lokale Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird, sodass die an den unterschiedlichen Kreuzungspunkten vorliegenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten ermittelt werden können und somit auch das zugehörige Strömungsgeschwindigkeits-Feld.Thus, the sensor arrangement z. B. be designed such that by means of Voltage application means, the electrode pairs of the individual crossing points are sequentially applied with an electrical voltage, and detected by the evaluation device, the variation (eg, the variation frequency) of the electric field at the respective voltage applied to the pair of electrodes and based on that at the associated crossing point present local flow rate is determined so that the present at the different intersection points local flow velocities can be determined and thus also the associated flow velocity field.

Zum Erfassen der zeitlichen Variation des elektrischen Feldes an den einzelnen Kreuzungspunkten kann die Auswerteeinrichtung z. B. zum Erfassen einer elektrischen Messgröße ausgebildet sein, die mit der Variation des elektrischen Feldes variiert, sodass von der Auswerteeinrichtung anhand der Variation der elektrischen Messgröße die an den Kreuzungspunkten mit den schwingfähigen Körpern vorliegenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten ermittelbar sind.For detecting the temporal variation of the electric field at the individual intersection points, the evaluation z. B. for detecting an electrical measurement variable, which varies with the variation of the electric field, so that the local flow velocities present at the intersection points with the oscillatory bodies can be determined by the evaluation device on the basis of the variation of the electrical measured variable.

Zum Beispiel kann die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet sein, dass von ihr der bei Anliegen einer Spannung zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eines Kreuzungspunktes zwischen denselben fließende elektrische Strom als Messgröße erfasst wird, und dass von ihr anhand der schwingungsinduzierten Modulation des Stromsignals die an dem Kreuzungspunkt vorliegende lokale Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird.For example, the evaluation device can be designed such that the electrical current flowing therefrom when a voltage is applied between the electrode and the counterelectrode of a crossover point is detected as a measured variable, and that from it the oscillation-induced modulation of the current signal is present at the crossover point local flow velocity is determined.

Als ein anderes Beispiel kann die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet sein, dass von ihr die Kapazität des von der Elektrode und der Gegenelektrode eines Kreuzungspunktes gebildeten Kondensators als Messgröße erfasst wird, und dass von ihr anhand der schwingungsinduzierten zeitlichen Modulation des Kapazitätssignals die an dem Kreuzungspunkt vorliegende lokale Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird.As another example, the evaluation device may be designed in such a way that it detects the capacitance of the capacitor formed by the electrode and the counterelectrode of an intersection point as a measured variable, and that it uses it to determine the local flow velocity present at the intersection point on the basis of the vibration-induced temporal modulation of the capacitance signal is determined.

Die Auswerteeinrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass von ihr anhand der erfassten Variation der elektrischen Messgröße die Schwingfrequenz des Schwingkörpers an dem zugehörigen Kreuzungspunkt ermittelt wird und basierend auf der ermittelten Schwingfrequenz die an dem Kreuzungspunkt vorliegende lokale Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird.The evaluation device can in particular be designed such that it determines the oscillation frequency of the oscillating body at the associated intersection point on the basis of the detected variation of the electrical measured variable and determines the local flow velocity present at the intersection point on the basis of the determined oscillation frequency.

Indem mittels der Sensoranordnung die lokale Strömungsgeschwindigkeit an mehreren über das Elektrodengitter und somit über den Strömungsquerschnitt verteilten Messpositionen (nämlich den Kreuzungspunkten mit den schwingfähigen Körpern) ermittelt werden kann, kann das entlang dieses zweidimensionalen Querschnitts vorliegende Strömungsgeschwindigkeits-Feld erfasst werden. Indem das Strömungsgeschwindigkeits-Feld anhand der zeitlichen Variation der lokalen elektrischen Felder erfasst wird, ist die Anordnung auch zur Untersuchung trüber Strömungen geeignet, wobei zudem dem strömenden Medium keine Fremdpartikel beigegeben werden müssen. Durch eine entsprechende Materialwahl kann die Sensoranordnung robust gegen heiße und aggressive Fluide sein. Zudem kann die Sensoranordnung mit einer unkomplizierten elektrischen Beschaltung betrieben werden, wie nachfolgend näher erläutert.By means of the sensor arrangement, the local flow velocity can be determined at a plurality of measuring positions distributed over the electrode grid and thus over the flow cross section (namely the intersection points with the oscillatable bodies), the flow velocity field present along this two-dimensional cross section can be detected. By detecting the flow velocity field on the basis of the temporal variation of the local electric fields, the arrangement is also suitable for investigating turbid flows, wherein in addition no foreign particles have to be added to the flowing medium. By an appropriate choice of material, the sensor arrangement can be robust against hot and aggressive fluids. In addition, the sensor arrangement can be operated with an uncomplicated electrical wiring, as explained in more detail below.

Gemäß einer Ausführungsform ist jeder der Schwingkörper an der Elektrode und/oder an der Gegenelektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes des Elektrodengitters befestigt. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Gittersensor unkompliziert ausgebildet sein, wobei zudem die Beeinflussung der zu charakterisierenden Strömung durch den Gittersensor gering gehalten werden kann.According to one embodiment, each of the oscillating bodies is attached to the electrode and / or to the counter electrode of the associated crossing point of the electrode grid. According to this embodiment, the lattice sensor can be designed uncomplicated, wherein in addition the influence of the flow to be characterized by the lattice sensor can be kept low.

Es kann z. B. vorgesehen sein, dass jeder der Schwingkörper an der Elektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist und mittels eines freien Spaltes von der Gegenelektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes getrennt ist. Analog dazu kann vorgesehen sein, dass jeder der schwingfähigen Körper an der Gegenelektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist und mittels eines freien Spaltes von der Elektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes getrennt ist. Mit anderen Worten gesagt kann also allgemein vorgesehen sein, dass jeder der Schwingkörper an einer der beiden Elektroden des Elektrodenpaares des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist und mittels eines freien Spaltes von der jeweils anderen Elektrode des Elektrodenpaares getrennt ist.It can, for. B. be provided that each of the vibrating body is attached to the electrode of the associated crossing point and is separated by a free gap of the counter electrode of the associated crossing point. Analogously, it can be provided that each of the oscillatory bodies is attached to the counter electrode of the associated crossing point and is separated by means of a free gap of the electrode of the associated crossing point. In other words, it can thus generally be provided that each of the oscillating bodies is fastened to one of the two electrodes of the electrode pair of the associated crossing point and is separated from the respective other electrode of the electrode pair by means of a free gap.

Es kann vorgesehen sein, dass jeder der Schwingkörper aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, z. B. einem Kunststoff.It can be provided that each of the oscillating body consists of an electrically insulating material, for. B. a plastic.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jeder der Schwingkörper eine Oberflächenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material auf oder besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material (derartige Schwingkörper werden im Folgenden auch als „elektrisch leitfähige Schwingkörper” bezeichnet). Gemäß dieser Ausführungsform kann aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Schwingkörpers eine besonders effektive schwingungsinduzierte Variation des elektrischen Feldes ermöglicht werden und somit die Sensitivität der Sensoranordnung erhöht werden.According to a further embodiment, each of the vibrating bodies has a surface layer made of an electrically conductive material or consists of an electrically conductive material (such vibrating bodies are also referred to below as "electrically conductive vibrating bodies"). According to this embodiment, a particularly effective vibration-induced variation of the electric field can be made possible due to the electrical conductivity of the oscillating body, and thus the sensitivity of the sensor arrangement can be increased.

Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Schwingkörper als elektrisch leitfähige Schwingkörper ausgebildet sind, wobei jeder der Schwingkörper derart an einer der beiden Elektroden des Elektrodenpaares des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist, dass er elektrisch leitfähig mit dieser Elektrode verbunden ist, und mittels eines freien Spaltes von der jeweils anderen Elektrode des Elektrodenpaares getrennt ist. Indem der elektrisch leitfähige Schwingkörper elektrisch leitfähig mit einer der beiden Elektroden verbunden ist, wird sozusagen ein Zweielektrodensystem mit einer schwingenden Elektrode gebildet, wodurch die schwingungsinduzierte Variation des elektrischen Feldes noch besser erfassbar ist.It can, for. B. be provided that the vibrating body are formed as electrically conductive vibrating body, wherein each of the vibrating body so on one of the two electrodes of the Pair of electrodes of the associated intersection point is attached, that it is electrically conductively connected to this electrode, and is separated by means of a free gap of the respective other electrode of the electrode pair. By the electrically conductive vibrating body being electrically conductively connected to one of the two electrodes, so to speak a two-electrode system with a vibrating electrode is formed, whereby the oscillation-induced variation of the electric field can be detected even better.

So kann vorgesehen sein, dass die Schwingkörper als elektrisch leitfähige Schwingkörper ausgebildet sind, wobei jeder der Schwingkörper elektrisch leitfähig an der Elektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist und mittels eines Spaltes von der Gegenelektrode des Kreuzungspunktes getrennt ist. Analog kann vorgesehen sein, dass die Schwingkörper als elektrisch leitfähige Schwingkörper ausgebildet sind, wobei jeder der Schwingkörper elektrisch leitfähig an der Gegenelektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist und mittels eines Spaltes von der Elektrode des Kreuzungspunktes getrennt ist.Thus, it can be provided that the oscillating bodies are designed as electrically conductive vibrating bodies, wherein each of the oscillating bodies is fixed in an electrically conductive manner to the electrode of the associated crossover point and is separated from the counterelectrode of the crossing point by means of a gap. Analog can be provided that the vibrating body are formed as electrically conductive oscillating body, each of the vibrating body is electrically conductively attached to the counter electrode of the associated crossing point and is separated by a gap from the electrode of the crossing point.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Sensorelement zum Bündeln der elektrischen Feldlinien an jedem der Kreuzungspunkte mit den schwingfähigen Körpern ein Element (auch als „Feldfokussierkörper” bezeichnet) auf, das eine Oberflächenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist oder aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Indem mittels der Feldfokussierkörper die Feldlinien der jeweiligen lokalen elektrischen Felder gebündelt werden, kann die schwingungsinduzierte Variation dieser elektrischen Felder noch zuverlässiger erfasst werden.According to a further embodiment, the sensor element for bundling the electric field lines at each of the points of intersection with the oscillatory bodies comprises an element (also referred to as a "field focusing body") which has a surface layer of an electrically conductive material or consists of an electrically conductive material. By focusing the field lines of the respective local electric fields by means of the Feldfokussierkörper, the vibration-induced variation of these electric fields can be detected even more reliable.

Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration derart, dass jeder der Schwingkörper an der ersten der beiden Elektroden des Elektrodenpaares des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist und mittels eines Spaltes von der zweiten Elektrode des Elektrodenpaares getrennt ist, kann z. B. vorgesehen sein, dass der Feldfokussierkörper an der spaltseitigen zweiten Elektrode des Elektrodenpaares befestigt ist und elektrisch leitfähig mit derselben verbunden ist, wobei der Feldfokussierkörper derart angeordnet ist, dass er in Richtung zu dem Schwingkörper hin in den Spalt hineinragt.In the configuration described above, such that each of the vibrating bodies is fixed to the first of the two electrodes of the pair of electrodes of the associated crossing point and is separated by a gap from the second electrode of the pair of electrodes, z. B. be provided that the Feldfokussierkörper is attached to the gap-side second electrode of the electrode pair and is electrically conductively connected to the same, wherein the Feldfokussierkörper is arranged such that it protrudes toward the vibrating body in the gap.

So kann z. B. bei einer Konfiguration derart, dass jeder der Schwingkörper an der Elektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist und mittels eines Spaltes von der Gegenelektrode getrennt ist, vorgesehen sein, dass der Feldfokussierkörper elektrisch leitfähig an der Gegenelektrode befestigt ist und in den Spalt hineinragt. Analog dazu kann bei einer Konfiguration derart, dass jeder der Schwingkörper an der Gegenelektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes befestigt ist und mittels eines Spaltes von der Elektrode getrennt ist, vorgesehen sein, dass der Feldfokussierkörper elektrisch leitfähig an der Elektrode befestigt ist und in den Spalt hineinragt.So z. B. in a configuration such that each of the vibrating body is attached to the electrode of the associated crossing point and is separated by a gap from the counter electrode, provided that the Feldfokussierkörper is electrically conductively attached to the counter electrode and protrudes into the gap. Similarly, in a configuration such that each of the vibrating bodies is fixed to the counterelectrode of the associated crossing point and is separated from the electrode by means of a gap, it can be provided that the field focusing body is electrically conductively attached to the electrode and protrudes into the gap.

Gemäß einer Ausführungsform sind die schwingfähigen Körper dadurch schwingfähig, dass sie elastisch verformbar sind (z. B. indem sie aus einem elastisch verformbaren Material bestehen). Dadurch ist auf unkompliziert Art und Weise die Schwingfähigkeit ermöglicht.According to one embodiment, the vibratable bodies are vibratable by being elastically deformable (eg by being made of an elastically deformable material). As a result, the vibration capability is made possible in a straightforward manner.

Gemäß einer anderen Ausführungsformsind die schwingfähigen Körper dadurch schwingfähig, dass sie schwingfähig gelagert bzw. befestigt sind (z. B. wie vorstehend erläutert an der Elektrode und/oder der Gegenelektrode des zugehörigen Kreuzungspunktes), wobei die schwingfähigen Körper gemäß dieser Ausführungsform auch starre Körper sein können (z. B. indem sie aus einem starren bzw. unelastischen Material bestehen). Dadurch kann die Schwingfähigkeit auch bei Verwendung fester und somit haltbarer Materialien gewährleistet werden.According to another embodiment, the vibratable bodies are oscillatable in that they are oscillatably mounted (eg as explained above on the electrode and / or the counterelectrode of the associated crossing point), wherein the vibratable bodies according to this embodiment are also rigid bodies can be (for example, by being made of a rigid or inelastic material). As a result, the ability to vibrate can be ensured even when using solid and therefore durable materials.

Zum Charakterisieren der Fluidströmung wird das Sensorelement derart in dieselbe eingebracht, dass sich die in der ersten Gitterebene angeordneten Elektroden stromaufwärts der in der zweiten Gitterebene angeordneten Gegenelektroden befinden, wobei die Strömungsrichtung der Fluidströmung senkrecht zu der ersten (und somit auch zu der zweiten) Gitterebene ist.To characterize the fluid flow, the sensor element is introduced into the same in such a way that the electrodes arranged in the first lattice plane are located upstream of the counterelectrodes arranged in the second lattice plane, the flow direction of the fluid flow being perpendicular to the first (and thus also to the second) lattice plane ,

Die Schwingkörper können z. B. ebene Plättchen sein (z. B. aus einem elastischen Material), die derart angeordnet sind, dass die Plättchenebene parallel zu der Längsrichtung der (stromaufwärtigen) Elektroden und senkrecht zu der ersten Gitterebene (d. h. parallel zur Normalenrichtung der ersten Gitterebene) ist. Da sich die Fluidwirbel stets abwechselnd beidseitig der Elektroden bilden, ermöglicht diese Konfiguration eine besonders effektive Schwingungsanregung durch die Fluidwirbel.The vibrating body can z. Flat platelets (eg of an elastic material) arranged such that the platelet plane is parallel to the longitudinal direction of the (upstream) electrodes and perpendicular to the first lattice plane (i.e., parallel to the normal direction of the first lattice plane). Since the fluid vortices always form alternately on both sides of the electrodes, this configuration enables a particularly effective vibration excitation by the fluid vortices.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die Elektroden einen sich in Richtung zu den Gegenelektroden hin verjüngenden Querschnitt auf. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass jede der Elektroden eine Flachseite aufweist, die parallel zu der ersten Gitterebene ist, wobei diese Flachseite stromaufwärts weist und somit von der Fluidströmung senkrecht angeströmt wird. Des Weiteren kann der Querschnitt der Elektroden, ausgehend von dieser Flachseite, einen Abschnitt aufweisen, der sich in Richtung zu den Gegenelektroden hin symmetrisch verjüngt, wobei dieser Abschnitt z. B. dreieckig oder trapezförmig sein kann (z. B. die Form eines gleichschenkligen Dreiecks oder gleichschenkligen Trapezes aufweisen kann). In diesem Fall liegt die Wirbelablösezone weitestgehend unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit stets an derselben Stelle des Elektrodenquerschnitts, so dass die Strouhalzahl sich nur leicht mit der Reynoldszahl der Strömung ändert und damit als konstant betrachtet werden kann, was den Prozess der Rückrechnung von Wirbelfrequenz auf Strömungsgeschwindigkeit vereinfacht.According to one embodiment, the electrodes have a cross-section that tapers in the direction of the counterelectrodes. It can, for. B. be provided that each of the electrodes has a flat side which is parallel to the first lattice plane, said flat side facing upstream and thus is flowed perpendicular to the fluid flow. Furthermore, the cross-section of the electrodes, starting from this flat side, may have a section which tapers symmetrically in the direction towards the counterelectrodes, this section being, for. B. may be triangular or trapezoidal (for example, may have the shape of an isosceles triangle or isosceles trapezoid). In this case, the vortex shedding zone is largely independent of the Flow rate always at the same point of the electrode cross-section, so that the Strouhalzahl changes only slightly with the Reynolds number of flow and thus can be regarded as constant, which simplifies the process of recalculation of vortex frequency flow velocity.

Die Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung kann zum Beaufschlagen der (aus der Elektrode und der Gegenelektrode eines jeweiligen Kreuzungspunktes gebildeten) Elektrodenpaare mit einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung ausgebildet sein.The voltage application device can be designed to apply a DC voltage or an AC voltage to the electrode pairs (formed from the electrode and the counterelectrode of a respective intersection point).

Bei Verwendung der Sensoranordnung zur Untersuchung elektrisch leitfähiger Fluidströmungen bzw. Strömungsfluide kann die Anregung mittels einer Gleichspannung erfolgen. Jedoch kann im Fall elektrisch leitfähiger Fluide auch vorgesehen sein, alternativ eine Bipolarpuls-Anregung oder eine Wechselspannungsanregung zu verwenden.When using the sensor arrangement for the investigation of electrically conductive fluid flows or flow fluids, the excitation can be effected by means of a DC voltage. However, in the case of electrically conductive fluids, it may also be contemplated to alternatively use bipolar pulse excitation or AC excitation.

Bei Verwendung der Sensoranordnung zur Untersuchung von Strömungen nicht elektrisch leitfähiger (d. h. elektrisch isolierender) Fluide kann die Anregung mittels einer Wechselspannung erfolgen. Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit z. B. mittels der vorstehend erläuterten kapazitiven Messung ermittelt werden, z. B. indem das Elektrodenpaar eines jeweiligen Kreuzungspunktes in einem kurzen Zeitintervall (Pulszeit) mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt wird.When using the sensor arrangement to investigate flows of non-electrically conductive (i.e., electrically insulating) fluids, the excitation may be by means of an AC voltage. In this case, the flow rate z. B. by means of the capacitive measurement described above, z. B. by the electrode pair of a respective crossing point in a short time interval (pulse time) is applied with an AC signal.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, hierbei zeigen schematisch:The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying figures, wherein the same or similar features are provided with the same reference numerals, which show schematically:

1 ein Sensorelement mit einem Elektrodengitter, 1 a sensor element with an electrode grid,

2 eine Darstellung zweier Gitterkreuzungspunkte mit Schwingkörpern, 2 a representation of two grid intersection points with oscillating bodies,

3 eine Schnittdarstellung eines Abschnitts des Sensorelements, und 3 a sectional view of a portion of the sensor element, and

4 eine exemplarische elektronische Beschaltung des Sensorelements. 4 an exemplary electronic circuit of the sensor element.

1 zeigt ein Sensorelement 1 einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform. Das Sensorelement 1 weist ein Elektrodengitter 3 mit mehreren stabförmigen Elektroden 5 und mehreren stabförmigen Gegenelektroden 7 auf, wobei gemäß 1 die Elektroden 5 senkrecht und die Gegenelektroden 7 horizontal verlaufen, sodass die Längsrichtung der Elektroden 5 einen Winkel von 90° zu der Längsrichtung der Gegenelektroden 7 aufweist. Somit sind von den Elektroden 5 und den Gegenelektroden 7 mehrere Kreuzungspunkte 9 gebildet, wobei jeder Kreuzungspunkt 9 durch die Kreuzung einer der Elektroden 5 und einer der Gegenelektroden 7 definiert ist. In 1 ist exemplarisch einer der Kreuzungspunkte 9 gekennzeichnet. 1 shows a sensor element 1 a sensor arrangement according to an embodiment. The sensor element 1 has an electrode grid 3 with several rod-shaped electrodes 5 and a plurality of rod-shaped counter electrodes 7 on, according to 1 the electrodes 5 perpendicular and the counter electrodes 7 horizontally, so that the longitudinal direction of the electrodes 5 an angle of 90 ° to the longitudinal direction of the counter electrodes 7 having. Thus, of the electrodes 5 and the counter electrodes 7 several crossing points 9 formed, with each crossing point 9 by crossing one of the electrodes 5 and one of the counter electrodes 7 is defined. In 1 is an example of one of the crossing points 9 characterized.

Das Sensorelement 1 weist zudem einen Sensorrahmen 11 auf, wobei die Elektroden 5 und die Gegenelektroden 7 in dem Sensorrahmen 11 gegeneinander und gegen das Erdpotenzial elektrisch isoliert befestigt sind.The sensor element 1 also has a sensor frame 11 on, with the electrodes 5 and the counter electrodes 7 in the sensor frame 11 are secured against each other and against the ground potential electrically isolated.

2 zeigt im Detail die Ausgestaltung zweier Gitterkreuzungspunkte 9 des Elektrodengitters 3. Die Elektroden 5 sind in einer ersten Ebene verlaufend angeordnet, die Gegenelektroden 7 sind in einer zweiten Ebene verlaufend angeordnet, wobei die erste und die zweite Gitterebene parallel zueinander sind und einen (geringen) Abstand zueinander aufweisen. Das Sensorelement 1 weist zudem mehrere schwingfähige Körper 13 auf (auch als Schwingkörper 13 bezeichnet). Jeder der Schwingkörper 13 ist an einem der Kreuzungspunkte 9 zwischen der Elektrode 5 und der Gegenelektrode 7 des Kreuzungspunktes angeordnet. Vorliegend ist als Beispiel an jedem der Kreuzungspunkte 9 des Elektrodengitters 3 ein derartiger Schwingkörper 13 vorgesehen. 2 shows in detail the embodiment of two grid crossing points 9 of the electrode grid 3 , The electrodes 5 are arranged extending in a first plane, the counter electrodes 7 are arranged running in a second plane, wherein the first and the second lattice plane are parallel to each other and have a (small) distance from each other. The sensor element 1 also has several oscillatory bodies 13 on (also as oscillating body 13 designated). Each of the vibrating bodies 13 is at one of the crossing points 9 between the electrode 5 and the counter electrode 7 arranged the crossing point. The present example is at each of the crossing points 9 of the electrode grid 3 such a vibrating body 13 intended.

Jeder der Schwingkörper 13 ist als ein ebenes Plättchen 13 ausgebildet, das an der Elektrode 5 des zugehörigen Kreuzungspunktes 9 befestigt ist und sich in Richtung zu der Gegenelektrode 7 des Kreuzungspunktes 9 hin erstreckt. Die Abmessungen des Plättchens 13 sind derart bemessen, dass ein freier Spalt zwischen dem freien Ende des Plättchens 13 und der Gegenelektrode 7 verbleibt. Die Plättchen 13 können aus einem starren Material bestehen und schwingfähig an den Elektroden 5 gelagert sein. Vorliegend sind die Plättchen 13 jedoch als elastische Plättchen 13 ausgebildet (z. B. indem sie aus einem elastisch verformbaren Material bestehen). Bei einer Schwingung ähnelt die Schwingbewegung der Plättchen 13 daher der Bewegung einer schwingenden Fahne, sodass die Plättchen 13 im Folgenden auch als fahnenartige Plättchen, Schwingplättchen oder Fahnen 13 bezeichnet werden. Die ebenen Plättchen 13 sind derart an den Elektroden 5 befestigt, dass die Plättchenebene parallel zu der Längsrichtung der Elektroden 5 und senkrecht zu der ersten Gitterebene ist. Die Schwingplättchen 13 können aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen oder als elektrisch leitfähige Schwingplättchen ausgebildet sein (d. h. eine elektrisch leitfähige Oberflächenschicht aufweisen oder einem elektrisch leitfähigen Material bestehen).Each of the vibrating bodies 13 is as a flat tile 13 formed on the electrode 5 the associated crossing point 9 is attached and towards the counter electrode 7 of the crossing point 9 extends. The dimensions of the plate 13 are dimensioned such that a free gap between the free end of the plate 13 and the counter electrode 7 remains. The tiles 13 can be made of a rigid material and vibrate on the electrodes 5 be stored. Here are the tiles 13 however as elastic platelets 13 formed (for example, by being made of an elastically deformable material). In a vibration, the oscillatory motion of the platelets resembles 13 hence the movement of a swinging flag, so the tiles 13 in the following also as flag-like platelets, swinging platelets or flags 13 be designated. The flat tiles 13 are so on the electrodes 5 attached that platelet plane parallel to the longitudinal direction of the electrodes 5 and perpendicular to the first lattice plane. The vibrating plates 13 may consist of an electrically insulating material or be formed as electrically conductive vibrating plates (ie have an electrically conductive surface layer or an electrically conductive material).

Des Weiteren weist das Sensorelement 1 an jedem Gitterkreuzungspunkt 9 ein als Feldfokussierkörper bezeichnetes Element 15 aus einem elektrisch leitfähigen Material auf, das elektrisch leitfähig mit der Gegenelektrode 7 verbunden ist und dem Schwingplättchen 13 gegenüberstehend angeordnet ist. Jeder Feldfokussierkörper 15 ist vorliegend eine ebene Platte 15, deren Plattenebene parallel zu der Längsrichtung der Elektroden 5 und senkrecht zu der ersten Gitterebene ist, sodass die Plattenebene der Feldfokussierkörper 15 in derselben Ebene liegt wie die Plättchenebene des zugehörigen Schwingplättchens 13. Somit ragt der Feldfokussierkörper 15 mit seiner Schmalseite in den freien Spalt hinein, der zwischen dem Schwingplättchen 13 und der Gegenelektrode 7 ausgebildet ist, sodass bei Anliegen eines elektrischen Feldes zwischen der Elektrode 5 und der Gegenelektrode 9 die elektrischen Feldlinien an der Schmalseite des Feldfokussierkörpers 15 gebündelt werden, wodurch die Sensitivität der Messanordnung erhöht wird.Furthermore, the sensor element 1 at each grid crossing point 9 an element called field focuser 15 from an electric conductive material that is electrically conductive with the counter electrode 7 is connected and the vibrating plate 13 is arranged opposite. Each field focuser 15 is present a flat plate 15 whose plate plane is parallel to the longitudinal direction of the electrodes 5 and is perpendicular to the first lattice plane, so that the plate plane of Feldfokussierkörper 15 in the same plane as the platelet plane of the associated vibrating plate 13 , Thus, the Feldfokussierkörper protrudes 15 with its narrow side into the free gap, between the swinging plate 13 and the counter electrode 7 is formed so that upon application of an electric field between the electrode 5 and the counter electrode 9 the electric field lines on the narrow side of Feldfokussierkörpers 15 be bundled, whereby the sensitivity of the measuring arrangement is increased.

Das Sensorelement 1 ist zum Einbringen in die zu untersuchende Fluidströmung derart vorgesehen, dass die Elektroden 5 stromaufwärts der Gegenelektroden 7 angeordnet sind und die Fluidströmung somit von den Elektroden 5 in Richtung zu den Gegenelektroden 7 hin verläuft. Bei derart in die Fluidströmung eingebrachtem Sensorelement 1 bilden sich an den (stromaufwärtigen) Elektroden 5 Fluidwirbel 17, die sich ablösen und eine in Richtung zu den Gegenelektroden 7 hin verlaufende Kármansche Wirbelstraße bilden.The sensor element 1 is provided for introduction into the fluid flow to be examined such that the electrodes 5 upstream of the counter electrodes 7 are arranged and the fluid flow thus from the electrodes 5 towards the counter electrodes 7 goes. With such incorporated in the fluid flow sensor element 1 form at the (upstream) electrodes 5 fluid vortex 17 which peel off and one towards the counter electrodes 7 forming a Kárman vortex street.

Die sich an den (stromaufwärtigen) Elektroden 5 ablösenden Fluidwirbel 17 verursachen hinter diesen periodische Druckschwankungen. Diese sollen in jedem Kreuzungspunkt des Elektrodengitters 3 mittels der Schwingplättchen 13 vermessen werden. Die Schwingplättchen 13 bestehen aus einem elastischen Material, wobei Material und Dicke der Schwingplättchen 13 so gewählt sind, dass diese frei in der Strömung seitlich hin und her schwingen können und diese Schwingung möglichst wenig durch ihre Materialsteifigkeit gedämpft wird.Adjacent to the (upstream) electrodes 5 detaching fluid vortex 17 cause behind these periodic pressure fluctuations. These should be in every crossing point of the electrode grid 3 by means of the vibrating plates 13 be measured. The vibrating plates 13 consist of an elastic material, with material and thickness of the vibrating plates 13 are chosen so that they can swing freely back and forth in the flow and this vibration is minimized as little as possible by their material stiffness.

Durch die Anströmung einer der stromaufwärtigen Elektroden 5 an einem Kreuzungspunkt 9 lösen sich an dieser Fluidwirbel 17 mit einer Frequenz ab, welche proportional zur lokalen Strömungsgeschwindigkeit ist. Durch die Fluidwirbel 17 bilden sich in Strömungsrichtung hinter der Elektrode 5 Druckschwankungen im strömenden Fluid aus, welche das an dem Kreuzungspunkt 9 angeordnete Schwingplättchen 13 synchron in Schwingung versetzen, wie in 3 mittels des Doppelpfeils 19 angedeutet. 3 veranschaulicht eine Schnittdarstellung eines Abschnitts des Sensorelements 1 in Draufsicht, wobei die Strömungsrichtung der zu untersuchenden Fluidströmung durch den Pfeil 21 veranschaulicht ist.By the flow of one of the upstream electrodes 5 at a crossroads 9 dissolve at this fluid vortex 17 with a frequency which is proportional to the local flow velocity. Through the fluid vortex 17 form in the flow direction behind the electrode 5 Pressure fluctuations in the flowing fluid, which at the crossing point 9 arranged vibrating plates 13 to vibrate synchronously, as in 3 by means of the double arrow 19 indicated. 3 illustrates a sectional view of a portion of the sensor element 1 in plan view, wherein the flow direction of the fluid flow to be examined by the arrow 21 is illustrated.

Die Sensoranordnung weist zusätzlich zu dem Sensorelement 1 eine Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung 23 und eine Auswerteeinrichtung 25 auf.The sensor arrangement has in addition to the sensor element 1 a voltage application device 23 and an evaluation device 25 on.

Die Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung 23 ist derart ausgebildet, dass von ihr die Elektrodenpaare der unterschiedlichen Kreuzungspunkte 9 nacheinander bzw. sequentiell mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind (wobei das Elektrodenpaar eines Kreuzungspunktes aus der Elektrode 7 und der Gegenelektrode 9 besteht, die sich an diesem Kreuzungspunkt kreuzen). Je nach Verwendungszweck kann die Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung 23 zum Beaufschlagen der Elektrodenpaare mit einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung ausgebildet sein, wie nachstehend näher erläutert.The voltage application device 23 is formed such that from it the electrode pairs of the different crossing points 9 successively or sequentially be acted upon by an electrical voltage (wherein the electrode pair of a crossing point of the electrode 7 and the counter electrode 9 exists that intersect at this crossing point). Depending on the purpose, the voltage application device 23 be designed for applying the electrode pairs with a DC voltage or an AC voltage, as explained in more detail below.

In jedem Kreuzungspunkt bilden die zugehörige Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 ein Zweielektrodensystem. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen stromaufwärtige Elektrode 5 und stromabwärtige Gegenelektrode 7 formt sich zwischen beiden ein konzentriertes lokales elektrisches Feld 27 aus. Durch die wirbelinduzierte Schwingung des Schwingplättchens 13 ändert sich das elektrische Feld 27 zwischen der Elektrode 5 und der Gegenelektrode 7 periodisch.At each crossing point form the associated electrode 5 and counter electrode 7 a two-electrode system. When applying an electrical voltage between the upstream electrode 5 and downstream counter electrode 7 forms a concentrated local electric field between the two 27 out. Through the vortex-induced vibration of the vibrating plate 13 the electric field changes 27 between the electrode 5 and the counter electrode 7 periodically.

Die Auswerteeinrichtung 25 ist zum Erfassen dieser Änderung des elektrischen Feldes 27 mittels eines elektrischen Messverfahrens und Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit basierend auf der erfassten Feldänderung ausgebildet. Vorliegend erfolgt dies mittels Messens des elektrischen Stromes, der zwischen der Elektrode 5 und der Gegenelektrode 7 des jeweils spannungsbeaufschlagten Elektrodenpaares fließt. Indem die periodische Änderung des lokalen elektrischen Feldes 27 an einem Kreuzungspunkt 9 erfasst wird, kann die lokale Schwingfrequenz des Schwingplättchens 13 an diesem Kreuzungspunkt erfasst werden, woraus wiederum – da die lokale Schwingfrequenz proportional zur lokalen Strömungsgeschwindigkeit ist – die lokale Strömungsgeschwindigkeit an dem Kreuzungspunkt ermittelbar ist.The evaluation device 25 is to detect this change in the electric field 27 formed by an electrical measuring method and determining the flow velocity based on the detected field change. In the present case this is done by measuring the electric current between the electrode 5 and the counter electrode 7 of each voltage-loaded electrode pair flows. By the periodic change of the local electric field 27 at a crossroads 9 is detected, the local oscillation frequency of the vibrating plate 13 are detected at this crossing point, which in turn - since the local oscillation frequency is proportional to the local flow velocity - the local flow velocity at the crossing point can be determined.

Die Auswerteeinrichtung 25 ist also zum Messen des zwischen der Elektrode 5 und der Gegenelektrode 7 des jeweils spannungsbeaufschlagten Elektrodenpaares fließenden elektrischen Stromes ausgebildet, wobei es sich bei dem elektrischen Strom je nach angelegter Spannung um einen Gleichstrom oder Wechselstrom handelt. Die Auswerteeinrichtung 25 ist zudem zum Erfassen der zeitlichen Modulation des erfassten Stromsignals und Ermitteln der an dem zugehörigen Kreuzungspunkt vorliegenden lokalen Strömungsgeschwindigkeit basierend auf der erfassten Modulation des Stromsignals ausgebildet.The evaluation device 25 So is to measure the between the electrode 5 and the counter electrode 7 formed of the respective voltage-loaded electrode pair flowing electric current, wherein the electric current is depending on the applied voltage to a DC or AC. The evaluation device 25 is also designed to detect the temporal modulation of the detected current signal and determine the present at the associated intersection point local flow velocity based on the detected modulation of the current signal.

Die Modulation des Stromsignals erfolgt durch Änderung des elektrischen Feldes entsprechend folgender möglicher Varianten:
Fall 1: Das strömende Fluid ist elektrisch leitfähig (Leitfähigkeit σFluid). Die Schwingplättchen 13 sind elektrisch leitfähig mit einer Leitfähigkeit σFahne, wobei σFahne » σFluid. Liegen stromaufwärtige Elektrode 5 und stromabwärtige Gegenelektrode 7 auf um die Spannung U verschiedenen elektrischen Potenzialen, dann ergibt sich über das Ohmsche Gesetz die elektrische Stromstärke zu I(t) = U / R(t) = UσFluid/K(t). Hierbei ist K(t) der sich infolge der Bewegung der Schwingplättchen 13 zeitlich ändernde Geometriefaktor der Elektrodenanordnung.
The modulation of the current signal takes place by changing the electric field according to the following possible variants:
Case 1: The flowing fluid is electrically conductive (conductivity σ fluid ). The vibrating plates 13 are electrically conductive with a conductivity σ vane , where σ vane »σ fluid . Lie upstream electrode 5 and downstream counter electrode 7 on to the voltage U different electrical potentials, then there is the Ohm's law, the electric current to I (t) = U / R (t) = Uσ fluid / K (t). Here, K (t) is due to the movement of the vibrating plates 13 time-varying geometry factor of the electrode arrangement.

Fall 2: Das strömende Fluid ist elektrisch leitfähig. Die Schwingplättchen 13 sind elektrisch nicht leitfähig. In diesem Fall bleibt der Geometriefaktor zeitlich unverändert, da sich die Geometrie der leitfähigen Elektrodenbestandteile nicht ändert. Allerdings wird durch die Bewegung der Schwingplättchen 13 im Kreuzungspunkt der Gesamtwiderstand des strömenden Mediums zwischen der Elektrode 5 und der Gegenelektrode 7 verändert, da sich elektrisch leitfähige Volumina (Fluid) und elektrisch nicht leitfähige Volumina (Schwingplättchen 13) in ihren Anteilen zeitlich verändern. Es gilt somit I(t) = UR / (t). Case 2: The flowing fluid is electrically conductive. The vibrating plates 13 are electrically non-conductive. In this case, the geometry factor remains unchanged in time, since the geometry of the conductive electrode components does not change. However, by the movement of the vibrating plates 13 at the crossing point, the total resistance of the flowing medium between the electrode 5 and the counter electrode 7 changed, since electrically conductive volumes (fluid) and electrically non-conductive volumes (vibrating plates 13 ) in their shares change over time. It therefore applies I (t) = UR / (t).

Fall 3: Das strömende Fluid ist elektrisch nicht leitfähig. Die Schwingplättchen 13 sind elektrisch leitfähig. Für nichtleitfähige Fluide ist ein Wechselstrommessverfahren mittels Anlegens einer Wechselspannung anzuwenden. Die Elektrode 5, die Gegenelektrode 7 und das Fluid bilden einen Kondensator mit der Kapazität C = ε0εr,FluidK. Hierbei ist K wieder ein Geometriefaktor, der Fläche und Abstand zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 berücksichtigt, ε0 ist die Vakuumpermittivität und εr,Fluid die relative Permittivität des Fluides (beispielsweise εr,Fluid ≈ 1 für Gase oder εr,Fluid ≈ 2 für Öl). Infolge der Schwingbewegung der Schwingplättchen 13 ändert sich der Geometriefaktor zeitlich. Wird zwischen stromaufwärtiger Elektrode 5 und stromabwärtiger Gegenelektrode 7 eine hochfrequente Wechselspannung der Kreisfrequenz ω angelegt, so ergibt sich ein Wechselstromsignal I(ω) = jωC(t)U(ω) = jωε0εr,FluidK(t)U(ω). Bei einer Messung ist die elektrische Anregungsfrequenz ω deutlich oberhalb der höchsten zu erwartenden strömungsinduzierten Schwingungsfrequenz (ω » 2πf) zu wählen.Case 3: The flowing fluid is electrically non-conductive. The vibrating plates 13 are electrically conductive. For non-conductive fluids, use an alternating current measurement method by applying an alternating voltage. The electrode 5 , the counter electrode 7 and the fluid form a capacitor with the capacity C = ε 0 ε r, fluid K. Here, K is again a geometry factor, the area and distance between the electrode 5 and counter electrode 7 ε 0 is the vacuum permittivity and ε r, fluid is the relative permittivity of the fluid (for example ε r, fluid ≈ 1 for gases or ε r, fluid ≈ 2 for oil). As a result of the oscillatory movement of the vibrating plates 13 the geometry factor changes in time. Is between upstream electrode 5 and downstream counter electrode 7 a high-frequency alternating voltage of the angular frequency ω applied, the result is an AC signal I (ω) = jωC (t) U (ω) = jωε 0 ε r, fluid K (t) U (ω). During a measurement, the electrical excitation frequency ω must be chosen clearly above the highest expected flow-induced oscillation frequency (ω »2πf).

Fall 4: Das strömende Fluid ist elektrisch nicht leitfähig. Die Schwingplättchen 13 sind elektrisch nicht leitfähig. Das Messverfahren entspricht Fall 3. Unterscheidet sich die relative Permittivität εr des Materials der Schwingplättchen 13 von der des Fluids (εr,Fluid ≠ εr,Fahne), dann verursacht eine strömungsinduzierte Bewegung der Schwingplättchen 13 ebenfalls eine Veränderung der Wechselstromstärke. Hier allerdings nicht durch eine Änderung des Geometriefaktors der Elektrodenanordnung, sondern durch eine analog zu Fall 2 sich zeitlich verändernde effektive Permittivität des Volumens zwischen der Elektrode 5 und der Gegenelektroden 7, da sich die Volumenanteile von Fluid und Schwingplättchen 13 im Bereich zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 zeitlich ändern.Case 4: The flowing fluid is not electrically conductive. The vibrating plates 13 are electrically non-conductive. The measurement method corresponds to case 3. Differs the relative permittivity ε r of the material of the vibrating plates 13 from the fluid (εr, fluid ≠ ε r, flag ), then causes a flow-induced movement of the vibrating plates 13 also a change in the alternating current. Here, however, not by a change in the geometry factor of the electrode assembly, but by an analogous to Case 2, time-varying effective permittivity of the volume between the electrode 5 and the counter electrodes 7 , as the volume fractions of fluid and vibrating plates 13 in the area between electrode 5 and counter electrode 7 change over time.

4 zeigt eine exemplarische Ausgestaltung der Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung 23 und der Auswerteeinrichtung 25. 4 shows an exemplary embodiment of the voltage application device 23 and the evaluation device 25 ,

Gemäß 4 weist die Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung 23 eine Spannungssignalquelle 29 und eine Schalteinrichtung mit mehreren Analogschaltern 31 auf. Die quasisynchrone und schnelle Messung der Fluidgeschwindigkeit im gesamten Querschnitt erfolgt durch ein spezielles Multiplex-Messverfahren. Dazu werden die Elektroden 5 der ersten Gitterebene nacheinander über die Analogschalter 31 mit einem Spannungssignal aus der Spannungssignalquelle 29 beaufschlagt. Bei leitfähigem Fluid (Fall 1 und 2) kann die Anregung durch ein Gleichspannungssignal bzw. einen Gleichspannungspuls erfolgen. Zur Vermeidung elektrochemischer Reaktionen an den Elektroden 5 und Gegenelektroden 7 bei Messung in schwach leitfähigen Flüssigkeiten kann alternativ ein Bipolarpuls-Anregungsschema oder ein Wechselspannungsanregungsschema angewendet werden. Für kapazitive Messungen (Fall 3 und 4) werden die Elektroden 5 der ersten Gitterebene in einem kurzen Zeitintervall (Pulszeit) nacheinander mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt. Die dazu notwendigen Ausführungen der Elektronik werden als dem Fachmann geläufig vorausgesetzt.According to 4 has the voltage application device 23 a voltage signal source 29 and a switching device with a plurality of analog switches 31 on. The quasi-synchronous and rapid measurement of the fluid velocity in the entire cross section is carried out by a special multiplex measuring method. These are the electrodes 5 the first grid level in succession via the analogue switches 31 with a voltage signal from the voltage signal source 29 applied. With conductive fluid (case 1 and 2), the excitation can be done by a DC voltage signal or a DC pulse. To avoid electrochemical reactions at the electrodes 5 and counter electrodes 7 when measured in low conductivity liquids, alternatively, a bipolar pulse excitation scheme or an AC excitation scheme may be employed. For capacitive measurements (case 3 and 4) the electrodes become 5 the first lattice plane in a short time interval (pulse time) applied sequentially with an AC signal. The necessary designs of the electronics are assumed to be familiar to the person skilled in the art.

Gemäß 4 weist die Auswerteeinrichtung 25 mehrere Strom-Spannungs-Wandler 33, mehrere Demodulatoren 35, mehrere Analog-Digital-Wandler 37 sowie einen Messrechner 39 auf; wobei jeder Gegenelektrode 7 nacheinander ein Strom-Spannungs-Wandler 33, ein Demodulator 35 und ein Analog-Digital-Wandler 37 nachgeschaltet ist.According to 4 has the evaluation device 25 several current-voltage converters 33 , several demodulators 35 , several analog-to-digital converters 37 as well as a measuring computer 39 on; wherein each counter electrode 7 successively a current-voltage converter 33 , a demodulator 35 and an analog-to-digital converter 37 is downstream.

Mittels der Auswerteeinrichtung 25 wird gleichzeitig zur Anregung der entsprechenden Elektroden 5 an jeder Gegenelektrode 7 der zweiten Gitterebene der durch den aktuell spannungsbeaufschlagten Kreuzungspunkt fließende elektrische Gleich- oder Wechselstrom mit Hilfe des der Gegenelektrode 7 nachgeschalteten Strom-Spannungs-Wandlers 33 in ein Spannungssignal gewandelt. Aus dem analogen Spannungssignal wird mit Hilfe des nachgeschalteten Demodulators 35 eine charakteristische Größe ermittelt. Dies kann bei Wechselspannungsanregung z. B. der Effektivwert, der Spitzenwert oder die Phasenlage des Wechselspannungssignals im Anregungszeitfenster sein. Bei Gleichspannungsanregung wird die Signalamplitude nach einer festgelegten Einschwingzeit des Strom-Spannungs-Wandlers mittels einer Sample&Hold-Schaltung generiert. Das durch den Demodulator 35 generierte Analogsignal wird anschließend mit dem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 37 digitalisiert und dem Messrechner 39 zur Auswertung zugeführt. Zur schnellen und kontinuierlichen Messung können die Signale an der Empfängerseite parallel gewandelt und der Messwertverarbeitung zugeführt werden. Weiterhin wird als bekannt vorausgesetzt, dass die Signaldemodulation, die in dieser Ausführungsvariante durch eine Demodulatorschaltung erfolgt, ebenso durch Software im Messrechner 39 bewerkstelligt werden kann. In diesem Fall ist das Ausgangssignal der Strom-Spannungs-Wandler 33 mit entsprechend hoher Rate durch die Analog-Digital-Wandler 37 direkt abzutasten.By means of the evaluation device 25 becomes simultaneously the excitation of the corresponding electrodes 5 at each counter electrode 7 the second lattice plane of the current through the currently voltage-loaded intersection point flowing direct or alternating electric current with the aid of the counter electrode 7 downstream current-voltage converter 33 converted into a voltage signal. From the analog voltage signal is with the help of the downstream demodulator 35 a characteristic size determined. This can be at AC voltage excitation z. B. the RMS value, the peak value or the phase position of the AC signal in the excitation time window. For DC excitation, the signal amplitude is after a determined settling time of the current-voltage converter by means of a sample and hold circuit generated. That through the demodulator 35 Generated analog signal is then connected to the downstream analog-to-digital converter 37 digitized and the measuring computer 39 supplied for evaluation. For fast and continuous measurement, the signals can be converted in parallel on the receiver side and fed to the measured value processing. Furthermore, it is assumed to be known that the signal demodulation, which in this embodiment is performed by a demodulator circuit, also by software in the measuring computer 39 can be accomplished. In this case, the output signal is the current-to-voltage converter 33 with a correspondingly high rate through the analog-to-digital converters 37 to scan directly.

Somit kann bei Verwendung einer Gleichspannung die Sensoranordnung (mittels entsprechender Ausbildung der Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung 23 und der Auswerteeinrichung 25) derart ausgebildet sein, dass die Spannungsquelle 29 eine Gleichspannung an die Analogschalter 31 anlegt; die Analogschalter 31 das Gleichspannungssignal nacheinander auf die einzelnen stromaufwärtigen Elektroden 5 schalten; die den stromabwärtigen Gegenelektroden 7 nachgeschalteten Strom-Spannungs-Wandler 33 den in den Kreuzungspunkten 9 des Elektrodengitters 3 fließenden Gleichstrom in eine Spannung wandeln; die den Strom-Spannungs-Wandlern 33 nachgeschalteten Demodulatoren 35 die Amplitude des Gleichspannungssignals zu einem festgelegten Abtastzeitpunkt im Anregungszeitfenster als Signal bereitstellen; und die den Demodulatoren 35 nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 37 die Signalspannung digitalisieren und die digitalisierte Signalspannung dem Messrechner 39 als Ausgangssignal übergeben.Thus, when using a DC voltage, the sensor arrangement (by means of appropriate design of the voltage application device 23 and the evaluation device 25 ) be designed such that the voltage source 29 a DC voltage to the analogue switches 31 applies; the analog switches 31 the DC signal successively to the individual upstream electrodes 5 switch; the downstream counterelectrodes 7 downstream current-voltage converter 33 in the crossing points 9 of the electrode grid 3 convert flowing DC into a voltage; the current-voltage converters 33 downstream demodulators 35 provide the amplitude of the DC signal as a signal at a predetermined sampling instant in the excitation window; and the demodulators 35 downstream analog-to-digital converter 37 Digitize the signal voltage and the digitized signal voltage to the measuring computer 39 passed as output signal.

Bei Verwendung einer Wechselspannung kann die Sensoranordnung (mittels entsprechender Ausbildung der Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung 23 und der Auswerteeinrichung 25) derart ausgebildet sein, dass die Spannungsquelle 29 eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz mindestens das Halbe der Abtastfrequenz der Analog-Digital-Wandler 37 beträgt; die Analogschalter 31 eine ganzzahlige Periodenanzahl der Wechselspannung der Spannungsquelle 29 nacheinander auf die stromaufwärtigen Elektroden 5 schalten; die den stromabwärtigen Gegenelektroden 7 nachgeschalteten Strom-Spannungs-Wandler 33 den in den Kreuzungspunkten 9 des Elektrodengitters 3 fließenden Wechselstrom in eine Wechselspannung wandeln; und die den Strom-Spannungs-Wandlern 33 nachgeschalteten Demodulatoren 35 durch analoge Signalverarbeitung eine charakteristische Signalgröße, wie Effektivwert, Spitzenwert oder Phasenlage des Wechselspannungssignals als Ausgangssignal bereitstellen.When using an AC voltage, the sensor arrangement (by means of appropriate design of the voltage application device 23 and the evaluation device 25 ) be designed such that the voltage source 29 generates an AC voltage whose frequency is at least half the sampling frequency of the analog-to-digital converter 37 is; the analog switches 31 an integer number of periods of the AC voltage of the voltage source 29 successively on the upstream electrodes 5 switch; the downstream counterelectrodes 7 downstream current-voltage converter 33 in the crossing points 9 of the electrode grid 3 convert alternating current into an alternating voltage; and the current-voltage converters 33 downstream demodulators 35 provide by analog signal processing a characteristic signal magnitude, such as RMS value, peak value or phase position of the AC signal as an output signal.

Die Schwingplättchen 13 werden aufgrund der wirbelinduzierten Druckschwankungen in eine seitliche Schwingung versetzt, deren Frequenz proportional zur Anströmgeschwindigkeit des Fluides ist, wobei das elektrische Feld 27 in den Kreuzungspunkten 9 des Elektrodengitters 3 zeitlich mit der Schwingfrequenz der Schwingplättchen 13 verändert wird. Mittels des Messrechners 39 der Auswerteeinrichtung 25 wird durch Zeitreihenanalysen der jeweiligen Ausgangssignale für jeden Kreuzungspunkt die Schwingfrequenz des Schwingplättchens 13 bestimmt und daraus die zugehörige lokale Strömungsgeschwindigkeit ermittelt.The vibrating plates 13 are due to the vortex-induced pressure fluctuations in a lateral vibration whose frequency is proportional to the flow velocity of the fluid, wherein the electric field 27 in the crossing points 9 of the electrode grid 3 temporally with the oscillation frequency of the vibrating plates 13 is changed. By means of the measuring computer 39 the evaluation device 25 By time series analysis of the respective output signals for each crossing point, the oscillation frequency of the vibrating plate 13 determines and determines the associated local flow rate.

Gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsformen erfolgt die Spannungsanregung an den stromaufwärtigen Elektroden 5 und die Signalerfassung an den stromabwärtigen Gegenelektroden 7. Analog dazu kann vorgesehen sein, dass die Spannungsanregung an den stromabwärtigen Gegenelektroden 7 erfolgt und die Signalerfassung an den stromaufwärtigen Elektroden 5 erfolgt.According to the embodiments explained above, the voltage excitation occurs at the upstream electrodes 5 and the signal detection at the downstream counter electrodes 7 , Similarly, it can be provided that the voltage excitation at the downstream counter electrodes 7 takes place and the signal detection at the upstream electrodes 5 he follows.

Gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsformen sind die Schwingplättchen 13 an den stromaufwärtigen Elektroden 5 befestigt und erstrecken sich von diesen in Richtung zu den stromabwärtigen Gegenelektroden 7 hin, wobei die Schwingplättchen 13 mittels eines freien Spaltes von den Gegenelektroden 7 getrennt sind. Analog dazu kann vorgesehen sein, dass die Schwingplättchen 13 an den stromabwärtigen Gegenelektroden 7 befestigt sind und sich von diesen in Richtung zu den stromaufwärtigen Elektroden 5 hin erstrecken, wobei die Schwingplättchen 13 mittels eines freien Spaltes von den Elektroden 5 getrennt sind.According to the embodiments explained above, the vibrating plates are 13 at the upstream electrodes 5 attached and extend from these toward the downstream counter electrodes 7 out, with the vibrating plates 13 by means of a free gap from the counterelectrodes 7 are separated. Similarly, it can be provided that the vibrating plates 13 at the downstream counter electrodes 7 are attached and extending from these towards the upstream electrodes 5 extend, wherein the vibrating plates 13 by means of a free gap from the electrodes 5 are separated.

Durch die beschriebene sukzessive Erfassung der Änderungen des elektrischen Feldes in den Kreuzungspunkten 9 des Elektrodengitters 3 ergibt sich ein Datenstrom von digitalen Messwerten in Form von Zeitreihen ui,j(k) für jeden Kreuzungspunkt (Indizes i, j, zeitlicher Index k). Wie aus den obigen Erklärungen hervorgeht, bildet sich das strömungsinduzierte Schwingen der Schwingplättchen 13 in den Kreuzungspunkten 9 als Modulation der Messwertamplitude der erfassten Messgröße ab. Die Frequenz der Modulation ist proportional zur lokalen Strömungsgeschwindigkeit (νi,j ~ fi,j). Die Frequenz der Modulation kann z. B. durch eine Frequenzanalyse für jede Zeitreihe ui,j(k) mittels des Messrechners 39 erfasst werden. Im Allgemeinen wird dazu mittels eines gleitenden Fensters eine Teilsequenz der Serie ui,j(k) ausgewählt und einer Fourier-Transformation unterzogen. Diese zeigt bei der vorherrschenden Modulationsfrequenz ein Maximum des Leistungsspektrums, welches durch Maximalwertermittlung bestimmt wird. Anhand der erfassten lokalen Modulationsfrequenz an einem Kreuzungspunkt 9 wird mittels des Messrechners 39 die an diesem Kreuzungspunkt vorliegende lokale Strömungsgeschwindigkeit berechnet.By the described successive detection of the changes in the electric field in the crossing points 9 of the electrode grid 3 the result is a data stream of digital measured values in the form of time series u i, j (k) for each crossing point (indices i, j, temporal index k). As can be seen from the above explanations, the flow-induced vibration of the vibrating plates is formed 13 in the crossing points 9 as modulation of the measured value amplitude of the detected measured variable. The frequency of the modulation is proportional to the local flow velocity (ν i, j ~ f i, j ). The frequency of the modulation can be z. B. by a frequency analysis for each time series u i, j (k) by means of the measuring computer 39 be recorded. In general, a partial sequence of the series u i, j (k) is selected by means of a sliding window and subjected to a Fourier transformation. This shows at the prevailing modulation frequency, a maximum of the power spectrum, which is determined by maximum value determination. Based on the detected local modulation frequency at a crossing point 9 is by means of the measuring computer 39 calculates the local flow velocity present at this intersection.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Sensorelementsensor element
33
Elektrodengitterelectrode grid
55
(stromaufwärtige) Elektrode(upstream) electrode
77
(stromabwärtige) Gegenelektrode(downstream) counter electrode
99
Kreuzungspunkt/GitterkreuzungspunktIntersection / grid intersection
1111
Sensorrahmensensor frame
1313
schwingfähiger Körper/Schwingplättchenoscillating body / vibrating plate
1515
FeldfokussierkörperFeldfokussierkörper
1717
Fluidwirbelfluid vortex
1919
Schwingbewegungoscillating movement
2121
Strömungsrichtung der FluidströmungFlow direction of the fluid flow
2323
Spannungsbeaufschlagungs-EinrichtungSpannungsbeaufschlagungs facility
2525
Auswerteeinrichtungevaluation
2727
lokales elektrisches Feldlocal electric field
2929
Spannungsquelle/SpannungssignalquellePower source / voltage source
3131
Analogschalteranalog switches
3333
Strom-Spannungs-WandlerCurrent-voltage converter
3535
Demodulatordemodulator
3737
Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
3939
Messrechnermeasuring computer

Claims (10)

Anordnung zum Erfassen des Strömungsgeschwindigkeits-Feldes einer Fluidströmung in einem Strömungsquerschnitt, aufweisend: – ein Sensorelement (1) mit einem Elektrodengitter (3) und mehreren schwingfähigen Körpern (13), wobei das Elektrodengitter (3) mehrere in einer ersten Ebene verlaufende Elektroden (5) und mehrere in einer zweiten Ebene verlaufende Gegenelektroden (7) aufweist, die unter Ausbildung von Kreuzungspunkten (9) gitterartig angeordnet sind, wobei jeder der schwingfähigen Körper (13) an einem der Kreuzungspunkte (9) zwischen der Elektrode (5) und der Gegenelektrode (7) des Kreuzungspunktes angeordnet ist, und wobei das Sensorelement (1) zum Einbringen in die Fluidströmung derart ausgebildet ist, dass die Elektroden stromaufwärts der Gegenelektroden angeordnet sind, sodass sich an den Elektroden in Abhängigkeit von der lokalen Strömungsgeschwindigkeit Fluidwirbel (17) ausbilden, die eine Schwingung (19) der schwingfähigen Körper (13) hervorrufen, – eine Einrichtung (23) zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Elektrode (5) und die Gegenelektrode (7) jedes der Kreuzungspunkte (9) mit den schwingfähigen Körpern (13), sodass sich dazwischen ein elektrisches Feld (27) ausbildet, das durch die Schwingung (19) des schwingfähigen Körpers (13) zeitlich variiert wird, und – eine Auswerteeinrichtung (25), die mit dem Sensorelement (1) verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass von ihr für jeden der Kreuzungspunkte (9) mit den schwingfähigen Körpern (13) die zeitliche Variation des elektrischen Feldes (27) erfassbar und basierend darauf die lokale Strömungsgeschwindigkeit an dem Kreuzungspunkt (9) ermittelbar ist.Arrangement for detecting the flow rate field of a fluid flow in a flow cross section, comprising: a sensor element ( 1 ) with an electrode grid ( 3 ) and several oscillatory bodies ( 13 ), wherein the electrode grid ( 3 ) a plurality of electrodes extending in a first plane ( 5 ) and a plurality of counter electrodes extending in a second plane ( 7 ), which, with the formation of crossing points ( 9 ) are arranged like a lattice, each of the oscillatable bodies ( 13 ) at one of the crossing points ( 9 ) between the electrode ( 5 ) and the counter electrode ( 7 ) of the crossing point, and wherein the sensor element ( 1 ) is designed for introduction into the fluid flow such that the electrodes are arranged upstream of the counter electrodes, so that at the electrodes depending on the local flow velocity fluid vortices ( 17 ) that form a vibration ( 19 ) of the oscillatory body ( 13 ), - a facility ( 23 ) for applying an electrical voltage between the electrode ( 5 ) and the counterelectrode ( 7 ) each of the crossing points ( 9 ) with the oscillatory bodies ( 13 ), so that there is an electric field ( 27 ) formed by the vibration ( 19 ) of the oscillatory body ( 13 ) is varied over time, and - an evaluation device ( 25 ) connected to the sensor element ( 1 ) and is designed in such a way that, for each of the crossing points ( 9 ) with the oscillatory bodies ( 13 ) the temporal variation of the electric field ( 27 ) and based thereon the local flow velocity at the crossing point ( 9 ) can be determined. Anordnung nach Anspruch 1, wobei jeder der schwingfähigen Körper (13) an der Elektrode (5) und/oder der Gegenelektrode (7) des zugehörigen Kreuzungspunktes (9) befestigt ist.Arrangement according to claim 1, wherein each of the oscillatable bodies ( 13 ) on the electrode ( 5 ) and / or the counterelectrode ( 7 ) of the associated crossing point ( 9 ) is attached. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der schwingfähigen Körper (13) an der Elektrode (5) des zugehörigen Kreuzungspunktes (9) befestigt ist und mittels eines freien Spaltes von der Gegenelektrode (7) des zugehörigen Kreuzungspunktes getrennt ist, oder wobei jeder der schwingfähigen Körper (13) an der Gegenelektrode (7) des zugehörigen Kreuzungspunktes (9) befestigt ist und mittels eines freien Spaltes von der Elektrode (5) des zugehörigen Kreuzungspunktes getrennt ist.Arrangement according to claim 1 or 2, wherein each of the oscillatable bodies ( 13 ) on the electrode ( 5 ) of the associated crossing point ( 9 ) is attached and by means of a free gap from the counter electrode ( 7 ) of the associated crossing point is separated, or wherein each of the oscillatory bodies ( 13 ) at the counter electrode ( 7 ) of the associated crossing point ( 9 ) and by means of a free gap from the electrode ( 5 ) of the associated crossing point is separated. Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Sensorelement (1) an jedem der Kreuzungspunkte (9) mit den schwingfähigen Körpern (13) zum Bündeln der elektrischen Feldlinien spaltseitig einen Feldfokussierkörper (15) aufweist, der in Richtung zu dem schwingfähigen Körper (13) hin in den Spalt hineinragt, wobei der Feldfokussierkörper eine Oberflächenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist oder aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.Arrangement according to claim 3, wherein the sensor element ( 1 ) at each of the crossing points ( 9 ) with the oscillatory bodies ( 13 ) for bundling the electric field lines on the gap side a Feldfokussierkörper ( 15 ), which in the direction of the oscillatory body ( 13 ) projects into the gap, wherein the Feldfokussierkörper has a surface layer of an electrically conductive material or consists of an electrically conductive material. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die schwingfähigen Körper (13) aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.Arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the oscillatory body ( 13 ) consist of an electrically insulating material. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die schwingfähigen Körper (13) eine Oberflächenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweisen oder aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen.Arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the oscillatory body ( 13 ) have a surface layer of an electrically conductive material or consist of an electrically conductive material. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die schwingfähigen Körper (13) elastisch verformbar sind.Arrangement according to one of claims 1 to 6, wherein the oscillatory bodies ( 13 ) are elastically deformable. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die schwingfähigen Körper starre Körper sind und schwingfähig gelagert sind.Arrangement according to one of claims 1 to 6, wherein the oscillatory bodies are rigid bodies and are mounted oscillatably. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die elektrische Spannung eine Gleichspannung ist.Arrangement according to one of claims 1 to 8, wherein the electrical voltage is a DC voltage. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die elektrische Spannung eine Wechselspannung ist.Arrangement according to one of claims 1 to 8, wherein the electrical voltage is an AC voltage.
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