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Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser zur Messung von Fluidströmen.
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Im Bereich der Mikrofluidik gibt es einen großen Bedarf an Strömungs- bzw. Durchflusssensoren, die den niedrigen ml/min- und gesamten µl/min-Durchflussbereich abdecken.
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Üblicherweise werden in diesem Bereich vor allem thermische Sensoren verwendet, die mit einem Heizer und einem Temperaturfühler die Geschwindigkeit des Fluids ermitteln. Dabei steht der Heizer entweder direkt mit dem Fluid in Kontakt, was bei chemisch aggressiven bzw. hochreinen Medien problematisch ist, oder der Heizer ist durch eine Membran vom Fluid getrennt, was eine langsamere Ansprechzeit aufgrund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit der Membran nach sich zieht.
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Es ist auch bekannt, die Strömung eines Fluids mittels Ultraschall, Coriolissensoren, Differenzdrucksensoren und elektro-aktiven Polymerelementen zu messen. Diese Verfahren sind jedoch teuer, in ihrer Anwendung eingeschränkt oder wenig erprobt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Strömungsmesser bereitzustellen, der zuverlässig und kostengünstig auch Strömungen unter anderem im µl/min-Bereich erkennen kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Strömungsmesser mit mindestens einem strömungsaktiven Messfühler, mindestens einem Sensorkörper, der aus einem dielektrischen, elastisch verformbaren Material besteht, und mindestens zwei Elektroden, die am Sensorkörper angebracht sind und einen Kondensator definieren.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, zur Messung die Änderung der Kapazität eines Kondensators zu verwenden. Da die Änderung der Kapazität eines Kondensators sehr präzise bestimmt werden kann, kann mit derselben hohen Genauigkeit eine Strömungsmessung vorgenommen werden, wenn am Sensorkörper ein Kondensator definiert wird, dessen Kapazität sich bei mechanischer Belastung des Sensorkörpers durch das strömende Fluid, vorzugsweise durch eine Verbiegung des Sensorkörpers, verändert. Bei konstanter und bekannter Dichte des Fluids kann aus diesem Massendurchfluss auch direkt auf den Volumenfluss sowie auf die Masse- bzw. Volumenströmungsgeschwindigkeit geschlossen werden. Somit eignet sich der Strömungsmesser zur Bestimmung des Massendurchflusses und des Volumenflusses des Fluids sowie zur Bestimmung der Massen- oder Volumenströmungsgeschwindigkeit des Fluids.
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Vorzugsweise ist der Sensorkörper Teil des Messfühlers, sodass der Sensorkörper direkt der zu messenden Strömung ausgesetzt ist, wodurch eine sehr präzise Messung der Strömung ermöglicht wird. Ferner ergibt sich ein einfacher Aufbau.
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Alternativ ist auch möglich, den Messfühler auslenkbar an einem Träger anzubringen und mit dem Sensorkörper so zu koppeln, dass eine Auslenkung des Messfühlers auf den Sensorkörper übertragen wird und diesen verformt. Auf diese Weise muss der Sensorkörper nicht in Kontakt mit dem Fluid stehen, was insbesondere bei chemisch aggressiven Substanzen von Vorteil ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind genau zwei Elektroden vorgesehen, die auf entgegengesetzten Seiten des Sensorkörpers angeordnet sind und diese zumindest größtenteils abdecken, wodurch der gesamte Sensorkörper als Kondensator ausgebildet ist, was die Messgenauigkeit weiter erhöht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind auf wenigstens einer der Seiten des Sensorkörpers mindestens zwei Elektroden angeordnet, was eine differenzierte Analyse der Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht, da auf diese Weise auch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten entlang des Sensorkörpers erfasst werden können. Diese würden beispielsweise zu einer ersten Auslenkung im Bereich eines ersten Elektrodenpaares und zu einer zweiten, andern Auslenkung im Bereich eines zweiten Elektrodenpaares führen. Mittels einer geeigneten Interpolation kann dann auf den Gesamtvolumenstrom geschlossen werden.
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Vorzugsweise sind der Sensorkörper und die Elektroden von einer Schutzschicht umgeben, sodass der Sensorkörper und die Elektroden vor dem Fluid geschützt sind.
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Beispielsweise wird die Steifigkeit des Sensorkörpers durch eine Veränderung seiner Geometrie, insbesondere des Verhältnisses seiner Breite zu seiner Dicke, oder des Materials der Schutzschicht eingestellt, wodurch der Messbereich des Strömungsmessers eingestellt und für unterschiedliche Messbereiche die gleiche Auswerteeinheit verwendet werden kann.
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In einer Ausführungsvariante der Erfindung kann der Messfühler mit einem Temperaturfühler versehen sein, der insbesondere als Messwiderstand an einer der Elektroden ausgeführt ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass mit dem Strömungsmesser gleichzeitig auch die Temperatur des Fluids bestimmt werden kann, die in die Umrechnung von Kapazitätsänderung des Kondensators in Strömungsgeschwindigkeit einbezogen werden kann, so dass sich die Messgenauigkeit erhöht; Änderungen der Temperatur führen zu einer Änderung der Dichte des zu messenden Fluids und zu einer Änderung der Kennlinie des Sensorkörpers.
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Vorzugsweise ist das dielektrische, elastisch verformbare Material des Sensorkörpers ein Elastomer, wie Silikon oder Acryl, oder ein Kompositmaterial aus elastischem Kunststoff, der mit hochdielektrischen Füllstoffen wie Bariumtitanat oder Polyanilin versetzt ist. Diese Materialien ermöglichen es, die Kapazität des Kondensators und somit die Empfindlichkeit des Strömungsmessers zu erhöhen.
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Beispielsweise weist der Messfühler eine im Wesentlichen rechteckige Grundform und wenigstens einen Messabschnitt auf, in denen die Breite des Messfühlers im Vergleich zu seiner rechteckigen Grundform vergrößert ist. Mittels des Messabschnittes können bestimmte Bereiche der Strömung bei der Messung besonders gewichtet werden. Dabei sind die Messabschnitte beispielsweise kreisförmig.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Strömungsmesser mehrere Messfühler auf, die nebeneinander, in einem Winkel zueinander und/oder in einem Gitter angeordnet sind.
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Beispielsweise verjüngt sich der Messfühler zu seinem unbefestigten Ende hin. Insbesondere läuft er spitz zu. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit weiter verbessert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Strömungsmesser schematisch in Schnittansicht,
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2 einen Sensorkörper samt Elektroden eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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5 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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6 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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7 eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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8 eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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9 eine achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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10 eine neunte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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11 eine zehnte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers schematisch im Schnitt,
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12 eine weitere Ausführungsform einer Elektrode für einen erfindungsgemäßen Strömungsmesser, und
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13 eine weitere Ausführungsform eines Messfühlers für einen erfindungsgemäßen Strömungsmesser.
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In 1 ist ein Strömungsmesser 10 mit einem Messfühler 12 und einem Träger 14 dargestellt.
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Der Träger 14 ist in der gezeigten Ausführungsform Teil eines Rohrabschnittes für das zu messende Fluid.
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Der Messfühler 12 weist in der Ausführungsform gemäß 1 einen Sensorkörper 16 auf, wie er in 2 dargestellt ist.
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Der Sensorkörper 16 besteht aus einem dielektrischen, elastisch verformbaren Material, beispielsweise aus einem Elastomer wie Silikon oder Acryl. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Kompositmaterial, das aus elastischem Kunststoff besteht, welches mit hochdielektrischen Füllstoffen wie Bariumtitanat oder Polyanilin versetzt ist.
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Der Sensorkörper 16 wird auf seinen beiden entgegengesetzten Seiten zumindest größtenteils durch zwei Elektroden 18 abgedeckt.
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Die Elektroden 18 bilden somit einen Kondensator mit der Dicke D, der Breite b und der Länge l, in den der Sensorkörper 16 eingefügt ist.
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Die Elektroden 18 sind mittels elektrischer Leitungen (nicht gezeigt) mit einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) des Strömungsmesser 10 elektrisch verbunden.
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Denkbar ist selbstverständlich auch, dass auf einer oder beiden Seiten des Sensorkörpers mindestens zwei Elektroden angeordnet sind, die jeweils einen Kondensator definieren.
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Um die Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen, kann das Material des Sensorkörpers 16 vorgestreckt sein.
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Der Sensorkörper 16 und die Elektroden 18 sind von einer Schutzschicht 20 umgeben, die beispielsweise aus einem vulkanisierten Elastomer wie FFKM oder FKM oder aus Elastomeren wie Silikon oder einer Kombination aus Perfluoropolyether und Silikon, wie z.B. Shin-Etsu Sifel®, besteht.
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Die Schutzsicht 20 dient dem Schutz der Elektroden 18 und des Sensorkörpers 16 vor dem Fluid und umgibt die Teile des Sensorkörpers 16 bzw. der Elektroden 18, die mit dem Fluid in Berührung kommen. Die Schutzschicht 20 kann jedoch auch bei hochreinen Fluiden das Fluid selbst vor Verunreinigungen schützen.
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Der Sensorkörper 16 ist mit einem seiner Enden 22 am Träger 14 auslenkbar befestigt und erstreckt sich in das fluidführende Rohr 23.
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Der Sensorkörper 16 mitsamt Elektroden 18 und Schutzschicht 20 bildet in der Ausführungsform nach 1 somit einen strömungsaktiven Messfühler 12.
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Strömt nun ein Fluid durch das Rohr 23 bzw. den Träger 14, trifft das Fluid auf den Messfühler 12 und leitet somit eine Kraft in diesen ein. Dabei kommt es zu einer Verformung des Messfühlers 12 und somit des Sensorkörpers 16 und den aufgebrachten Elektroden 18.
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Diese Formänderung führt zu einer Verringerung der Dicke D und zu einer Vergrößerung der Länge l und Breite b des Sensorkörpers 16. Hierdurch ändert sich der Abstand, also die Dicke D, zwischen den beiden Elektroden 18, wodurch sich die Kapazität des Kondensators verändert. Diese Veränderung der Kapazität des Kondensators kann durch die Auswerteeinheit ermittelt werden, woraus auf den Massendurchfluss des Fluids durch das Rohr 23 geschlossen werden kann.
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Dabei gilt, dass ein größerer Massendurchfluss eine stärkere Auslenkung des Messfühlers 12 und somit eine stärkere Veränderung der Kapazität des Kondensators mit sich bringt, sodass das Messsignal in erster Näherung proportional zum Massendurchfluss ist.
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Das Messsignal ist dabei durch die rechteckige Form des Messfühlers 12 ein Mittelwert aus den entlang der Länge l auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids.
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Werden entlang der Länge des Messfühlers 12 mehrere Kondensatorpaare verwendet, kann die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Rohres näherungsweise in Einzelwerte auf unterschiedlichen radialen Positionen aufgelöst werden.
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Die Sensitivität des Strömungsmessers 10, d.h. seinen Messbereich, kann zum einen über seine Geometrie, insbesondere über das Verhältnis der Breite b zur Dicke D des Sensorkörpers 16 eingestellt werden. Die Auswerteeinheit ist dann ebenfalls auf die neuen Dimensionen und somit auf die veränderte Kapazität einzustellen.
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Zum anderen ist es möglich, die Sensitivität des Strömungsmessers 10 über die Steifigkeit der Schutzschicht 20 zu beeinflussen, sodass zur Auslenkung des Sensorkörpers 16 eine größere oder kleinere Strömung notwendig ist.
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Wird die Sensitivität des Strömungsmessers 10 allein durch die Steifigkeit der Schutzschicht 20, z. B. durch Veränderung ihrer Dicke, eingestellt, bleibt das Verhältnis der Breite b zur Dicke D des Sensorkörpers 16 konstant. In diesem Falle muss die Auswerteeinheit also nicht auf die neuen Dimensionen eingestellt werden, wodurch die Anpassung der Sensitivität stark vereinfacht wird.
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In den übrigen Figuren sind weitere Ausführungsformen des Strömungsmessers 10 dargestellt, die im Wesentlichen der Ausführungsform nach 1 entsprechen. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen, wobei gleiche und funktionsgleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen werden.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Strömungsmessers 10. Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 ist der Messfühler 12, also der Sensorkörper 16 mitsamt Elektroden 18 und Schutzschicht 20, beidseitig am Träger 14 befestigt. Dies führt dazu, dass der Messfühler 12 und somit der Strömungsmesser 10 unempfindlicher gegenüber Vibrationen und Stößen werden.
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In 4 ist eine dritte Ausführungsform des Strömungsmessers 10 dargestellt, in der zwei Messfühler 12 vorgesehen sind, die um einen Winkel, hier 90°, versetzt zueinander am Träger 14 befestigt sind. Die beiden Messfühler 12 sind beide mit derselben Auswerteeinheit oder jeweils mit separaten Auswerteeinheiten elektrisch verbunden, wodurch das Profil der Strömung genauer gemessen werden kann.
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In 5 ist eine vierte Ausführungsform gezeigt, die wiederum nur einen Messfühler aufweist. Die strömungsaktive Oberfläche des Messfühlers, d. h. die Oberfläche, die senkrecht zur Strömung des Fluids steht, weicht von der rechteckigen Grundform der vorhergehenden Ausführungsformen ab.
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Der Messfühler 12 weist, neben der rechteckigen Grundform der Breite b, einen Messabschnitt 26 auf, der mit einer Breite b' breiter ausgeführt ist, als die übrigen Teile des Messfühlers 12.
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Der Messabschnitt 26 kann dadurch gebildet werden, dass der Sensorkörper 16 allein oder zusammen mit den Elektroden 18 breiter ausgeführt ist. Denkbar ist jedoch auch, dass lediglich die Schutzschicht 20 breiter ausgeführt ist oder dass der Messabschnitt 26 durch ein weiteres Element gebildet wird.
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Der Messabschnitt 26 ist beispielsweise kreisförmig ausgeführt.
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In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der Messabschnitt 26 in der Nähe des Rands des Rohres 23 angeordnet, wodurch im Messsignal des Strömungsmessers 10 der Teil der Strömung des Fluids stärker gewichtet wird, der im Randbereich des Rohres 23 liegt.
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In 6 ist eine fünfte Ausführungsform dargestellt, die der Ausführungsform nach 5 stark ähnelt, wobei hier der Messabschnitt 26 zentral im Rohr angeordnet ist, um den Kanalmittendurchfluss stärker im Signal des Strömungsmessers 10 zu gewichten.
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In den 7 und 8 sind zwei weitere Ausführungsformen des Strömungsmessers 10 dargestellt, bei dem mehrere Messfühler 12 vorgesehen sind.
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In der Ausführungsform nach 7 sind diese Messfühler 12 nebeneinander angeordnet, wohingegen die Messfühler 12 gemäß 8 in einem Gitter angeordnet sind.
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Diese Anordnungen dienen zur möglichst lückenlosen Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.
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In 9 ist eine achte Ausführungsform des Strömungsmessers 10 dargestellt, wobei in dieser Ausführungsform das fluidführende Rohr 23 einen rechteckigen Querschnitt hat.
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Es sind zwei Messfühler 12 vorgesehen, wobei einer der Messfühler 12 mittig im Rohr 23 und der andere Messfühler 12 am Rand des Rohres 23 vorgesehen ist.
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Diese Ausführungsform soll beispielhaft verdeutlichen, dass der erfindungsgemäße Strömungsmesser 10 in Leitungen mit beliebigen Querschnitten eingesetzt werden kann.
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Der Strömungsmesser 10 kann auch in offenen Gewässern, Kanälen oder Behältern eingesetzt werden. Hierzu wird der Träger als separates Bauteil ausgeführt, das mittels einer Halterung geeignet so montiert wird, dass der Messfühler 12 an der Messstelle in das Fluid hineinragt.
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In den 10 und 11 sind eine neunte und zehnte Ausführungsform des Strömungsmessers 10 dargestellt, die sich stärker von der ersten Ausführungsform unterscheiden.
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Die Strömungsrichtung R in den 10 und 11 liegt nun in der Zeichenebene und nicht wie bei den vorhergehenden Figuren senkrecht zur Zeichenebene.
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Beim Strömungsmesser gemäß 10 ist der Messfühler 12 getrennt vom Sensorkörper 16 und den Elektroden 18 angeordnet.
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Der Messfühler 26 ist beispielsweise als Hebel ausgeführt, dessen Schwenkachse A innerhalb des fluidführenden Rohres 23 vorgesehen ist. Die Schwenkachse A ist dabei von einem Dichtelement 28 umgeben.
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Der Messfühler 12 ist fest mit dem Sensorkörper 16 verbunden, der weiterhin am Träger 14 angebracht ist, sodass eine Auslenkung des Messfühlers 12 auf den Sensorkörper 16 übertragen wird und diesen verformt.
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Diese Verformung kann wiederum zur Bestimmung des Massendurchflusses herangezogen werden.
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Um Strömungen in beide Richtungen zu messen, kann der Sensorkörper 16 vorgespannt sein.
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Diese Ausführungsform eignet sich besonders zur Messung von aggressiven chemischen Medien, da der Messfühler 12 beispielsweise aus einem resistenten Edelstahl hergestellt sein kann.
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In der Ausführungsform nach 11 ist ein weiterer Sensorkörper 16' mit Elektroden 18' vorgesehen, der auf der zum ersten Sensorkörper 16 gegenüberliegenden Seite des Hebels angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich sehr präzise Strömungen in beide Richtungen im Rohr 23 messen.
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In 12 ist eine weitere Ausführungsform einer Elektrode 18 dargestellt. An der Elektrode 18 ist ein Temperatursensor 30 in Form eines Messwiderstands vorgesehen.
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Dieser Messwiderstand ist separat mit der Auswerteeinheit verbunden und kann zur Temperaturmessung des Fluids mittels Widerstandsmessung eingesetzt werden.
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Mithilfe einer Elektrode 18 gemäß dieser Ausführungsform kann somit der Messfühler 12 auf einfache Weise auch mit einem Temperatursensor 30 versehen sein.
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In 13 ist eine weitere Ausführungsform eines Messfühlers 12 im Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung R dargestellt. In dieser Ausführungsform verjüngt sich der Messfühler 12 zu seinem unbefestigten Ende 32 hin. Insbesondere läuft dieses Ende des Messfühlers 12 spitz zu, d.h. es weist beispielsweise einen spitzen Querschnitt auf.
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Das verjüngte, unbefestigte Ende 32 hat im Vergleich mit dem übrigen Messfühler 12 eine verringerte Steifigkeit, sodass es sich leichter verbiegt. Dies führt dazu, dass Strömungsabrisse und Wirbel im Fluid vermindert und dadurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
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Selbstverständlich lassen sich die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen nahezu beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere kann der Temperatursensor 30 bei jeder der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 9 am Messfühler 12 verwendet werden.
