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
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
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:
Das Sensorelement
Jeder der Schwingkörper
Des Weiteren weist das Sensorelement
Das Sensorelement
Die sich an den (stromaufwärtigen) Elektroden
Durch die Anströmung einer der stromaufwärtigen Elektroden
Die Sensoranordnung weist zusätzlich zu dem Sensorelement
Die Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung
In jedem Kreuzungspunkt bilden die zugehörige Elektrode
Die Auswerteeinrichtung
Die Auswerteeinrichtung
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
Case 1: The flowing fluid is electrically conductive (conductivity σ fluid ). The vibrating
Fall 2: Das strömende Fluid ist elektrisch leitfähig. Die Schwingplättchen
Fall 3: Das strömende Fluid ist elektrisch nicht leitfähig. Die Schwingplättchen
Fall 4: Das strömende Fluid ist elektrisch nicht leitfähig. Die Schwingplättchen
Gemäß
Gemäß
Mittels der Auswerteeinrichtung
Somit kann bei Verwendung einer Gleichspannung die Sensoranordnung (mittels entsprechender Ausbildung der Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung
Bei Verwendung einer Wechselspannung kann die Sensoranordnung (mittels entsprechender Ausbildung der Spannungsbeaufschlagungs-Einrichtung
Die Schwingplättchen
Gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsformen erfolgt die Spannungsanregung an den stromaufwärtigen Elektroden
Gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsformen sind die Schwingplättchen
Durch die beschriebene sukzessive Erfassung der Änderungen des elektrischen Feldes in den Kreuzungspunkten
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
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-
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