DE102018119805A1

DE102018119805A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem Hohlkörper

Info

Publication number: DE102018119805A1
Application number: DE102018119805.1A
Authority: DE
Inventors: Bastian Wilke
Original assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Current assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2038-08-16
Also published as: CN110836980B; US20200056913A1; US10942049B2; CN110836980A; DE102018119805B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem Hohlkörper (1), umfassend mindestens eine in dem Hohlkörper (1) angeordnete Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) und mindestens einen in Strömungsrichtung gesehen der Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) mit einem bestimmten Abstand nachgeordneten Sensor (15, 25, 35, 45, 55) zur Ermittlung von Störungen, die durch die Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) in die Strömung induziert worden sind, wobei die Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) Mittel zur Erzeugung von veränderbaren Störungen in dem Fluidstrom aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits eine Vorrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem Hohlkörper, umfassend mindestens eine in einem Hohlkörper angeordnete Störeinrichtung und mindestens einen in Strömungsrichtung gesehen der Störeinrichtung mit einem bestimmten Abstand nachgeordneten Sensor zur Ermittlung von Störungen, die durch die Störeinrichtung in die Strömung induziert worden sind sowie andererseits ein Verfahren zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem Hohlkörper.
Aus dem Stand der Technik sind die unterschiedlichsten Verfahren zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit eines Fluids oder des Volumenstroms in einem Hohlkörper bekannt. So ist beispielsweise ein sogenannter Wirbelzähler bekannt, also ein Vortexdurchflussmesser, der allerdings den Nachteil hat, dass hier die Messung stark abhängig von der Viskosität des Fluids ist, wobei die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit bei Flüssigkeiten mit kleiner Reynoldszahl und einer hohen kinematischen Viskosität nicht oder nur schwer zu realisieren ist. Bekannt sind darüber hinaus Ultraschallmessgeräte, die allerdings hohe Anforderungen an die Auswerteelektronik stellen, da durch hohe Schallgeschwindigkeiten nur geringe Laufzeitunterschiede der Schallsignale unter Nutzung des Dopplereffekts auftreten.
Auch ist bekannt, mittels Turbinen den Volumenstrom in einem Hohlkörper zu bestimmen. Turbinen haben allerdings eine Vielzahl an beweglichen Teilen, was zu einem entsprechenden Verschleiß führt, wobei darüber hinaus aufgrund des Einsatzes der Turbine in dem Strömungsmedium es zu Druckverlusten kommt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, z. B. einer Flüssigkeit in einem Hohlkörper bereitzustellen, wobei sowohl die Vorrichtung als auch das Verfahren im Wesentlichen unabhängig von der Viskosität des Fluids sind, und insofern auch bei einem Fluid mit kleiner Reynoldszahl, das heißt einer hohen Viskosität oder geringen Strömungsgeschwindigkeit, der Volumenstrom unter Berücksichtigung des Durchmessers des Hohlkörpers bestimmbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Störeinrichtung Mittel zur Erzeugung von veränderbaren Störungen in dem Volumenstrom aufweist. Der Kern der Erfindung besteht darin, Störungen in dem Volumenstrom zu erzeugen, wobei beispielsweise die Stärke des Impulses zur Erzeugung einer Störung in Abhängigkeit von der Viskosität des Fluids in dem Hohlkörper gewählt werden kann. Vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist insbesondere nach einer ersten Ausführungsform vorgesehen, dass die Störeinrichtung einen Störkörper umfasst, der der Erzeugung von Störungen in dem Volumenstrom bzw. dem strömenden Fluid dient. Im Einzelnen kann in diesem Zusammenhang des Weiteren vorgesehen sein, dass der Störkörper mindestens ein in den Volumenstrom ragendes Störelement aufweist, dessen Störfläche veränderbar ist. Insofern besteht durch das mindestens eine Störelement die Option, Impulse an das Fluid abzugeben, und mithin Störungen in dem Fluid zu erzeugen, deren Größe abhängig ist von z. B. der Viskosität des Fluids. Dies vor dem Hintergrund, dass schlussendlich Störungen, insbesondere Wirbel, in das Fluid bzw. den Fluidstrom induziert werden müssen, die auch von dem mindestens einen Sensor ermittelt werden können. Naturgemäß ist es bei hochviskosen Fluiden schwieriger und energetisch aufwendiger, eine durch den Sensor ermittelbare Störung, insbesondere Wirbel, zu erzeugen, als bei niedrigviskosen Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser.
Zur Erzeugung von Störungen in dem Fluid ist nach der ersten Ausführungsform vorteilhaft vorgesehen, das mindestens eine Störelement quer zur Strömungsrichtung aus dem Störkörper ausfahrbar zu gestalten. Der Störkörper, der insbesondere strömungsgünstig ausgebildet ist, weist beabstandet zu dem mindestens einen Störelement in Strömungsrichtung gesehen den Sensor zur Ermittlung von Störungen auf. Das heißt, dass der Störkörper nicht nur das Störelement zur Erzeugung von Störungen, insbesondere von Wirbeln zeigt, sondern darüber hinaus auch mit dem Sensor zur Ermittlung von Störungen versehen ist, was bedeutet, dass der mindestens eine Sensor zu dem mindestens einen Störelement in Strömungsrichtung gesehen, einen Abstand aufweist.
Nach einer anderen, zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Störkörper mindestens ein flügelähnliches Störelement aufweist, das entgegen der Strömungsrichtung ausschwenkbar ist. Beabstandet zu dem Störkörper ist an dem Hohlkörper ein Sensor zur Detektion der von dem Störelement des Störkörpers erzeugten Störungen, z. B. Wirbel, angeordnet.
Vorteilhaft ist sowohl bei der Ausführungsform, bei der der Störkörper nicht nur das mindestens eine Störelement, sondern auch den Sensor zur Ermittlung von Störungen aufweist, wie auch bei dem mindestens einen flügelähnlichen Störelement, das entgegen der Strömungsrichtung an dem ausschwenkbaren Störkörper angeordnet ist, dass das jeweilige Störelement stufenlos verstellbar ist, also stufenlos in die Fluidströmung einfahrbar ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Größe der Störung zu variieren, und zwar dadurch, dass die in die Strömung als Widerstand eingebrachte Fläche variabel ist.
Eine wiederum dritte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine Störeinrichtung eine Aussparung in der Wandung des Hohlkörpers aufweist, in der ein Verdrängungskörper, z. B. ein Stempel beweglich angeordnet ist. Auch eine Membran ist in diesem Zusammenhang ein Verdrängungskörper. Hierbei ist vorteilhaft der Stempelkopf des Stempels beabstandet zur seitlichen Hohlkörperwandung in der Aussparung angeordnet, wobei der Verdrängungskörper und insbesondere der Stempel parallel oder quer zur Mittellängsachse des Hohlkörpers beweglich in der Aussparung angeordnet ist. Durch mindestens eine solche am Umfang des Rohres befindliche Einrichtung können durch eine gezielte Fluidumwälzung Störungen an der Innenwand des Hohlkörpers erzeugt werden, die durch einen entsprechenden Sensor, der in einem bestimmten Abstand zu der Störeinrichtung an oder in der Wandung des Hohlkörpers angeordnet ist, detektiert werden. Praktisch besteht auch die Möglichkeit, mehrere solcher Störeinrichtungen im Bereich des Innenumfangs des Hohlkörpers anzuordnen, was die Möglichkeit eröffnet, Asymmetrien in der Strömung zu detektieren.
Eine vierte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Störeinrichtung mindestens ein an der Wandung des Hohlkörpers angeordnetes Störelement aufweist, das quer zur Längsachse des Hohlkörpers in den Volumenstrom einfahrbar ist. Vorteilhaft ist auch hier vorgesehen, dass das Störelement stufenlos quer zur Mittellängsachse in das Fluid einfahrbar ist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Sensor zur Ermittlung von Störungen als Drucksensor, insbesondere als Piezokeramiksensor, ausgebildet.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Hohlkörper mit einer Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 15. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Zeitraum zwischen der Erzeugung der Störung durch die Störeinrichtung und der Ermittlung der Störung durch den Sensor bestimmbar ist, sodass bei vorgegebenen Abstand zwischen Störeinrichtung und Sensor die Strömungsgeschwindigkeit ermittelbar ist. In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass durch die Störeinrichtung mindestens ein Impuls oder eine Impulssequenz in das Fluid induziert wird. Die Impulsstärke kann hierbei in Abhängigkeit von insbesondere der Viskosität der Flüssigkeit gewählt werden; dies vor dem Hintergrund, dass möglichst differenzierte Störungen in dem Fluidstrom bereitgestellt werden können, vorteilhaft immer komplette, voneinander getrennte Wirbel.
Vorteilhaft kann auch eine Impulssequenz in den Fluidstrom induziert werden, um schlussendlich ein besseres Signal-Rauschverhältnis zu erhalten. Vorteilhaft ist der Abstand zwischen zwei Impulsen, der Abstand zwischen zwei Impulssequenzen und auch die Länge einer Impulssequenz einstellbar. Dies deshalb, um eine Interaktion zwischen zwei Impulsen bzw. Impulssequenzen zu vermeiden bzw. die Auswirkungen zu minimieren. Das heißt, der Sensor soll in die Lage versetzt werden, klare Signale zu detektieren.
Die Erzeugung mindestens eines Impulses oder mindestens einer Impulssequenz erfolgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch ein MEMS (micro electro-mechanical system), z. B. ein Piezo-Keramikelement als Teil der Störeinrichtung. Hierbei ist vorteilhaft die Frequenz einzelner Impulse oder die Frequenz von Impulssequenzen pro Zeiteinheit steuerbar. Auch die Länge von Impulssequenzen kann einstellbar sein.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.

1a zeigt schematisch eine erste Variante einer ersten Ausführungsform zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Hohlkörper im Schnitt;
1b zeigt schematisch eine zweite Variante der ersten Ausführungsform gemäß 1a;
1c zeigt schematisch eine dritte Variante der ersten Ausführungsform gemäß 1a;
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Hohlkörper im Schnitt;
3a zeigt eine erste Variante der Vorrichtung gemäß 1 und 2 als dritte Ausführungsform;
3b zeigt eine zweite Variante der Vorrichtung gemäß 1 und 2 als dritte Ausführungsform;
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Hohlkörper im Schnitt;
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform, bei der sowohl die Störeinrichtung als auch der Sensor ein Piezoelement aufweisen.

Anhand der 1a bis 5 ist der schematisch dargestellte Hohlkörper mit 1 bezeichnet.
In dem Hohlkörper 1 gemäß 1a (1. Variante) befindet sich die Störeinrichtung 10. Die Störeinrichtung 10 umfasst den Störkörper 11, wobei der Störkörper 11 im Bereich seiner Nase 12, die der Strömung (Pfeil 3) entgegengerichtet ist, auf der Unter- und der Oberseite jeweils ein Störelement 13 aufweist. Das Störelement 13 ist quer zur Mittellängsachse 14 stufenlos aus dem Störkörper 11 ausfahrbar oder ausklappbar, wobei die der Strömung entgegengesetzte Fläche von der momentanen Ausfahrlänge abhängig ist. Die Größe der Fläche beeinflusst hierbei die Größe der in das Fluid abgegebenen Störung, z. B. in Form eines Impulses oder einer Impulssequenz.
Die Störeinrichtung 10 mit dem Störkörper 11 umfasst beabstandet (Abstand X) zu dem Störelement 13 den Sensor 15 zur Ermittlung von durch die Störelemente erzeugten Störungen, und hier insbesondere Wirbeln. über die zeitliche Differenz zwischen der Erzeugung der Wirbel durch die Störelemente an dem einen Ende des Störkörpers 11 der Störeinrichtung 10 und dem Abstand X zwischen den Störelementen 13 und dem Sensor 15 sowie dem Querschnitt des Hohlkörpers kann dann bei bekannten Strömungsverhältnissen der Volumenstrom pro Zeiteinheit bestimmt werden.
1 b zeigt als zweite Variante eine Ausführungsform bei der das Störelement 13 quer zur Mittellängsachse 14 periodisch verschieblich ist, um so Wirbel zu bilden, die dann vor dem Sensor 15 detektiert werden können. Die Störung kann durch einen Impuls oder durch eine Impulssequenz erzeugt werden.
1 c zeigt als dritte Variante einer Ausführungsform bei der das Störelement 13 ähnlich einer Flosse hin- und herbewegt wird.
Im Übrigen sind mit gleichen Bezugszeichen gleiche Gegenstände berechnet.
2 zeigt eine Störeinrichtung 20, mit einem Störkörper 21, wobei der Störkörper an seinem einen Ende und zwar dem der Strömung abgewandten Ende flügelähnliche Störelemente 23 aufweist, die entgegen der Strömungsrichtung ausschwenkbar sind (Pfeil 27). Beabstandet (Abstand X) zu dem Ende des Störkörpers 21 befindet sich der Sensor 25 zur Detektion der durch die Störelemente erzeugten Störungen im Fluid. Gehalten wird der Sensor 25 durch einen strömungsgünstigen Halter 26, der in dem Hohlkörper 1 angeordnet ist.
3a zeigt in einer ersten Variante eine in der Wandung des Hohlkörpers 1 angeordnete Störeinrichtung 30, wobei die Störeinrichtung 30 eine in der Wandung des Hohlkörpers angeordnete Aussparung 32 aufweist, in der ein Stempel 34 als Störelement parallel zur Mittellängsachse 14 des Hohlkörpers in der Aussparung beweglich ist. Der Stempelkopf 34a ist hierbei beabstandet zur seitlichen Hohlkörperwandung in der Aussparung 32 angeordnet. Die Oberseite des Stempelkopfes 34a schließt hierbei mit der Innenwandung des Hohlkörpers 1 ab. Mit dieser Ausführungsform besteht die Möglichkeit, am Umfang des Hohlkörpers eine gezielte Fluidumwälzung zu erzeugen, die Störungen in das den Hohlkörper durchströmende Fluid induziert, beispielsweise in Form von Wirbeln, die durch den mit dem Abstand X zu dem Stempel 34 in der Wandung des Hohlkörpers angeordneten Sensor 35 detektiert werden können. Des Weiteren können mehrere Störeinrichtungen, idealerweise in Umfangsrichtung gleichmäßig über den Umfang verteilt, verwendet werden, sofern asymmetrische Strömungen vorliegen.
3b zeigt als zweite Variante, wie durch eine Bewegung des Störelements 13 in der Wandung des Hohlkörpers in Richtung quer zur Mittellängsachse 14 Wirbel erzeugt werden, die von dem Sensor 15 in der Wandung des Hohlkörpers detektiert werden. Durch die Bewegung oder Bewegungen können Störungen in dem Fluidstrom auch als Fluidimpuls oder als Fluidimpulssequenz erzeugt werden.
Die 4 unterscheidet sich von den vorigen Figuren lediglich dadurch, dass an der Wandung des Hohlkörpers, mindestens ein Störelement angeordnet ist, das quer zur Mittellängsachse des Hohlkörpers in den Volumenstrom einfahrbar ist. Auch hier ist es so, dass das Einfahren des Störelementes 43 quer zur Mittellängsachse 14 des Hohlkörpers Störungen in den Fluidstrom induziert, die durch den Sensor 45 in der Wandung des Hohlkörpers detektiert werden können. Der Sensor ist hierbei beabstandet (Abstand X) zu dem Störelement 43 in der Wandung des Hohlkörpers angeordnet ist.
Aus der 5 ergibt sich eine Störeinrichtung 50 mit einem Störkörper 51, der ein Piezoelement 52 aufnimmt. Beabstandet zu dem Störkörper 51 mit dem Piezoelement 52 befindet sich ein Sensor 55, der ebenfalls mit einem Piezoelement 52 ausgestattet ist, um die durch die Störeinrichtung 50 durch das Piezoelement 52 in das Fluid induzierten Störungen zu detektieren. Auch der Sensor 55 ist von dem Störkörper 51 beabstandet (Abstand X) angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Hohlkörper
10: Störeinrichtung
11: Störkörper
12: Nase
13: Störelement
14: Mittellängsachse
15: Sensor
20: Störeinrichtung
21: Störkörper
23: flügelähnliches Störelement
25: Sensor
26: strömungsgünstiger Halter
27: Pfeil
30: Störeinrichtung
32: Aussparung
34: Stempel
34a: Stempelkopf
35: Sensor
43: Störelement
45: Sensor
51: Störkörper
55: Sensor

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem Hohlkörper (1), umfassend mindestens eine in dem Hohlkörper (1) angeordnete Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) und mindestens einen in Strömungsrichtung gesehen der Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) mit einem bestimmten Abstand nachgeordneten Sensor (15, 25, 35, 45, 55) zur Ermittlung von Störungen, die durch die Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) in die Strömung induziert worden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) Mittel zur Erzeugung von veränderbaren Störungen in dem Fluidstrom aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störeinrichtung (10, 20, 50) einen Störkörper (11, 21, 51) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (11, 21) mindestens ein in den Volumenstrom ragendes Störelement (13, 23) aufweist, dessen Störfläche veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Störelement (13, 23) quer zur Strömungsrichtung aus dem Störkörper (11, 21) ausfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (11), der das mindestens eine Störelement (13) aufnimmt, strömungsgünstig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (11) beabstandet zu dem mindestens einen Störelement (13) in Strömungsrichtung gesehen, den mindestens einen Sensor (15) zur Ermittlung von Störungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (21) mindestens ein flügelähnliches Störelement (23) aufweist, das entgegen der Strömungsrichtung ausschwenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Störeinrichtung (30) eine Aussparung (32) in der Wandung des Hohlkörpers (1) aufweist, in der ein Verdrängungskörper beweglich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper als Stempel (34) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempelkopf (34a) des Stempels (34) beabstandet zur seitlichen Hohlkörperwandung in der Aussparung (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (34) parallel zur Längsachse des Hohlkörpers (1) beweglich in der Aussparung (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (34) quer zur Längsachse des Hohlkörpers (1) beweglich in der Aussparung (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störeinrichtung (40) mindestens ein an der Wandung des Hohlkörpers angeordnetes Störelement (43) aufweist, das quer zur Mittellängsachse (14) des Hohlkörpers (1) in den Fluidstrom einfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Störelement (13, 23, 43) stufenlos verstellbar in den Fluidstrom einfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15, 25, 35, 45, 55) zur Ermittlung von Störungen als Drucksensor, insbesondere als Piezo-Keramik-Sensor, ausgebildet ist.
Verfahren zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit eines Fluids in einem Hohlkörper (1) mit einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum zwischen der Erzeugung der Störung durch die Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) und der Ermittlung der Störung durch den Sensor (15, 25, 35, 45, 55) bestimmbar ist, sodass bei vorgegebenen Abstand zwischen Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) und Sensor (15, 25, 35, 45, 55) die Fließgeschwindigkeit ermittelbar ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Störeinrichtung (10, 20, 30, 40, 50) mindestens einen Impuls oder eine Impulssequenz in den Fluidstrom induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Impuls oder die mindestens eine Impulssequenz durch ein Piezoelement erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz einzelner Impulse oder die Frequenz von Impulssequenzen steuerbar ist.