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Ausführungsformen betreffen eine Durchflussmessanordnung, insbesondere zur Durchflussmessung in geschlossenen Kanälen, sowie eine strömungstechnische Anordnung.
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Durchflussmessgeräte erfassen die Menge eines Fluids, die pro Zeiteinheit durch einen Messkanal strömt, zum Beispiel den Volumenstrom bzw. den Volumendurchfluss. Thermoelektrische Anemometer messen den Widerstand eines Sensors mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand in einem kälteren, strömenden Medium, wobei das Maß der Abkühlung des Sensors in Relation zur Strömungsgeschwindigkeit steht. Bei bekanntem Strömungsprofil kann aus der Widerstandsänderung des Sensors auf den Volumendurchfluss geschlossen werden. Die
DE 10 2007 019 927 B3 beschreibt eine Messanordnung, bei der eine Mehrzahl von Sensorelementen mit temperaturabhängigem elektrischen Widerstand in einer Querschnittsfläche des Messkanals angeordnet sind und die Strömungsgeschwindigkeit an mehreren Messorten im Messkanal ermittelt werden kann. Der Artikel M. Arlit et al.: „Thermal Anemometry Grid Sensor“ in Sensors 2017, 17, 1663 beschreibt ein Verfahren zur Beaufschlagung der Sensorelemente des Gittersensors mit geeigneten Signalen und die Auswertung der von den Gittersensoren empfangenen Messsignale.
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Es soll eine Durchflussmessanordnung bereitgestellt werden, die möglichst universal einsetzbar ist.
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Eine solche Durchflussmessanordnung wird durch die Ansprüche 1 und 10 bereitgestellt. Eine strömungstechnische Anordnung mit einer solchen Durchflussmessanordnung ergibt sich aus dem Anspruch 11. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Durchflussmessanordnung einen Messkanal auf, in dem ein Anemometrie-Gittersensor sowie ein Strömungsteiler angeordnet sind.
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Der Messkanal ist integraler Bestandteil einer strömungstechnischen Anlage für ein Fluid. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Der Messkanal kann ein Abschnitt eines Flusskanals der strömungstechnischen Anlage sein. Beispielsweise umfasst der Flusskanal ein Rohr oder einen Schlauch und der Messkanal ist ein Abschnitt des Rohrs oder des Schlauchs. Der Messkanal kann ein Zwischenstück, z.B. ein Rohrstück oder ein Schlauchstück sein, das zwischen zwei Teilstücke des Flusskanals eingefügt ist oder das einen Abschnitt des Flusskanals auskleidet.
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Der Anemometrie-Gittersensor ist im Messkanal angeordnet und weist eine Vielzahl von lateral voneinander beabstandeten Sensorelementen mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand auf. Beispielsweise umfassen die Sensorelemente PTC(positive temperature coefficient) oder NTC(negative temperature coefficient)-Widerstände mit vergleichsweise starker Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandswertes. Beispielsweise sind die Sensorelemente PTC-Widerstände mit einem Temperaturkoeffizienten von mindestens 0,001/°K.
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Jedes Sensorelement ist mit mindestens zwei elektrischen Leitungen mit einer Messschaltung verbunden, wobei die Verbindungsleitungen so geführt sind, dass die Sensorelemente jeweils getrennt und unabhängig voneinander ausgewertet werden können. Die Sensorelemente messen die lokale Strömungsgeschwindigkeit ortsaufgelöst in unterschiedlichen Teilbereichen der Querschnittsfläche des Messkanals.
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Der Strömungsteiler ist stromaufwärts vom Anemometrie-Gittersensor im Messkanal angeordnet. Der Strömungsteiler weist eine Vielzahl von Teilkanälen auf, die im Wesentlichen den gleichen Querschnitt und die gleiche Länge aufweisen können. Jeder Teilkanal kann in einem Teilbereich des Messkanalquerschnitts den Drall in einer anflutenden, teilweise turbulenten Strömung dämpfen oder vollständig auslöschen. Beispielsweise können stromaufwärts angeordnete Krümmungen, Einmündungen und/oder Verzweigungen Turbulenzen in der Strömung auslösen. Da der Gittersensor ein ortsaufgelöstes Strömungsprofil erfasst, entfällt die Notwendigkeit für ein voll entwickeltes laminares Strömungsprofil am Messort.
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Teilkanäle des Strömungsteilers können daher mit vergleichsweise geringem Widerstand ausgeführt werden und/oder der Abstand zwischen Strömungsteiler und Gittersensor kann vergleichsweise klein gewählt werden oder sich vollständig erübrigen. Eine solche Durchfluss-Messanordnung kann vergleichsweise kompakt ausgeführt und benötigt nur einen vergleichsweise kurzen geraden Messkanalabschnitt. Die Durchfluss-Messanordnung mit Strömungsteiler und Anemometrie-Gittersensor kann daher auch in Abschnitten einer strömungstechnischen Anordnung vorgesehen werden, die für eine Messung mit Strömungsgleichrichtern und herkömmlichen Strömungsmesseinrichtungen mit einem einzigen Sensorelement nicht ohne weiteres in Frage kommen. Zudem bewirkt der Strömungsteiler wegen der vergleichsweise kurzen Teilkanäle einen geringeren Druckabfall als übliche Strömungsgleichrichter.
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Die Kanallänge der Teilkanäle kann beispielsweise maximal 100% des Messkanaldurchmessers betragen. Nach einer Ausführungsform beträgt die Kanallänge maximal das 0,5fache des Messkanaldurchmessers.
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Eine Teilkanalquerschnittsfläche eines Teilkanals ist die zur Hauptflussrichtung senkrechte Querschnittsfläche. Die Teilkanalquerschnittsfläche kann rund, oval oder mehreckig sein, beispielweise ein regelmäßiges Sechseck bilden. Eine Teilkanalinnenfläche ist die Fläche der zylindrischen Innenseite eines Teilkanals. Ein Verhältnis der Teilkanalinnenfläche zur Teilkanalquerschnittsfläche kann maximal das 0,5fache eines Mindestverhältnisses betragen, bei dem sich am stromabwärtigen Ende der einzelnen Teilkanäle unter vorgegebenen Betriebsbedingungen eine voll ausgebildete laminare Strömung einstellt.
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Beispielsweise kann bei Teilkanälen mit hexagonaler Querschnittsfläche das Verhältnis der Teilkanalinnenfläche zur Teilkanalquerschnittsfläche einen Wert in einem Bereich größer 4 und kleiner 15, z.B. einen Wert nach 6 annehmen, so dass der Strömungsteiler zwar den anflutenden Gesamtstrom zu laminaren Teilströmungen gleichrichtet, der Einfluss des Strömungsteilers auf die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung im Messkanalquerschnitt aber klein bleibt. Die Teilkanäle des Strömungsteilers können für vergleichbare Betriebsbedingungen, z.B. für denselben Strömungsgeschwindigkeitsbereich oder Volumendurchfluss des Fluids deutlich kürzer sein als die Teilkanäle von Strömungsgleichrichtern, wie sie üblicherweise vor anderen Strömungssensoren zum Auslöschen des Dralls eingebaut werden. Der Strömungsteiler stellt zudem einen geringeren Widerstand für das Fluid dar als ein üblicher Strömungsgleichrichter für die gleichen Randbedingungen, d.h. für das gleiche Fluid und für den gleichen Volumenstrom.
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Die Teilkanäle üblicher Strömungsgleichrichter reduzieren nicht nur den Drall in der Strömung, sondern reduzieren dabei auch höhere Strömungsgeschwindigkeiten stärker als geringere Strömungsgeschwindigkeiten. Bei ausreichend langen Teilkanälen kann sich dabei in jedem Teilkanal eine voll entwickelte laminare Teilströmung einstellen, wobei sich in jedem Teilkanal am stromabwärtigen Ende in etwa die gleiche Maximalgeschwindigkeit einstellt. Am stromabwärtigen Ende eines üblichen Strömungsgleichrichters kann sich eine nahezu gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung und nach einer ausreichend langen Beruhigungsstrecke stromabwärts vom Strömungsgleichrichter im Messkanal ein für laminare Strömungen typisches Strömungsprofil symmetrisch zum Messkanalmittelpunkt einstellen.
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Nach einer Ausführungsform kann ein Teilkanaldurchmesser der Teilkanäle maximal das 0,2fache des Messkanaldurchmessers und die Kanallänge maximal das 15fache des Teilkanaldurchmessers betragen. Die Teilkanäle sind damit kürzer als die Teilkanäle eines üblichen Strömungsgleichrichter, deren Kanallänge mindestens das 20fache des Teilkanaldurchmessers betragen soll.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann ein Abstand zwischen dem Anemometrie-Gittersensor und dem Strömungsteiler kleiner oder gleich dem Messkanaldurchmesser sein. Dabei kann jedes Sensorelement in der geradlinigen Verlängerung eines Teilkanals angeordnet sein, z.B. zentriert zur Verlängerung der Mittelachse des Teilkanals.
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Der Strömungsteiler erzeugt laminare Teilströmungen, so dass die Strömung im Messkanal stromabwärts vom Strömungsteiler überwiegend nur eine Richtungskomponente längs zur Symmetrieachse des Messkanals aufweist ist. Da der Anemometrie-Gittersensor das gesamte Strömungsgeschwindigkeitsfeld mit ausreichender Genauigkeit erfasst, können die Sensorelemente sehr nahe an den Strömungsteiler gebracht werden, ohne dass die Genauigkeit der Durchflussmessung signifikant abnimmt. Der Anemometrie-Gittersensor löst die laterale Geschwindigkeitsverteilung im Messkanal lateral auf und ermöglicht so eine präzise Messung des Durchflusses für beliebige Geschwindigkeitsverteilungen im Messkanal.
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Insbesondere entfällt die Notwendigkeit für eine Beruhigungsstrecke, wie sie beispielsweise die DIN EN ISO 5167 üblicherweise für valide Messungen zwischen Strömungsgleichrichter und Durchfluss-Sensor vorsieht, weil der Einsatz eines üblichen Durchfluss-Sensors typischerweise eine voll entwickelte laminare Strömung mit zum Mittelpunkt des Messkanals symmetrischer Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit voraussetzt. Dazu sind vergleichsweise lange Beruhigungsstrecken zwischen dem Durchfluss-Sensor und dem stromaufwärts letzten Störungselement, zum Beispiel einer Rohrkrümmung, erforderlich. Ein Strömungsgleichrichter mit verhältnismäßig langen Teilkanälen ermöglicht kürzere Beruhigungsstrecken, die aber typischerweise noch im Bereich eines Mehrfachen des Messkanaldurchmessers liegen.
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Demgegenüber ermöglicht die Kombination des Anemometrie-Gittersensors mit dem Strömungsteiler eine noch kompaktere Bauform.
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Nach einer Ausführungsform können die Sensorelemente direkt angrenzend an den Strömungsteiler angeordnet sein. Beispielsweise können die Sensorelemente am Strömungsteiler befestigt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Sensorelemente innerhalb von Teilkanälen des Strömungsteilers angeordnet sein, wodurch sich ein Platzbedarf für die Durchflussmessanordnung weiter reduziert.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Sensorelemente in einer zum Messkanal orthogonalen Fläche angeordnet sein. Beispielsweise können die Sensorelemente PTC-Widerstände oder NTC-Widerstände sein, die auf eine gitterförmig ausgebildete Leiterplatte aufgelötet sind, wobei die Leiterplatte quer zum Messkanal eingebaut wird.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Sensorelemente auf einem oder mehreren konzentrischen Ringen um einen Mittelpunkt einer Querschnittsfläche des Messkanals angeordnet sein, wodurch der Anemometrie-Gittersensor für verschiedenste Strömungsprofile eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Sensorelemente auf den konzentrischen Ringen jeweils einen gleichen Winkelabstand aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Messkanal mit der Durchflussmessanordnung in eine strömungstechnische Anordnung integriert. Die strömungstechnische Anordnung kann eine Pumpenvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das Fluid mit einem Volumendurchsatz in einem vorgegebenen Volumendurchsatzbereich durch den Messkanal zu treiben.
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Weitere Merkmale und Vorteile des offenbarten Gegenstands erschließen sich dem Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die beigefügten Zeichnungen vermitteln ein tiefergehendes Verständnis von Ausführungsbeispielen für eine Durchflussmessanordnung und eine strömungstechnische Anordnung, sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen lediglich Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern deren Prinzipien. Die hier beschriebene Durchflussmessanordnung und die strömungstechnische Anordnung sind durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele nicht auf diese beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele und beabsichtigte Vorteile ergeben sich aus dem Verständnis der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus Kombinationen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele, selbst wenn diese nicht explizit beschrieben sind. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
- 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Flusskanal mit einer Durchflussmessanordnung gemäß einem Vergleichsbeispiel.
- 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Flusskanal mit einer Durchflussmessanordnung mit Strömungsteiler und Anemometrie-Gittersensor gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt eine Durchflussmessanordnung gemäß einer Ausführungsform mit einem Strömungsteiler und einem Anemometrie-Gittersensor sowie Sensorelementen, die zu Teilkanälen eines Strömungsteilers ausgerichtet sind.
- 4 zeigt eine Durchflussmessanordnung gemäß einer Ausführungsform mit Sensorelementen, die teilweise in Teilkanälen eines Strömungsteilers angeordnet sind.
- 5A-5B zeigen schematische Darstellungen des Anemometrie-Gittersensors gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
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DETAILBESCHREIBUNG
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In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele einer Durchflussmessanordnung und einer strömungstechnischen Anordnung gezeigt sind. Die Existenz weiterer Ausführungsbeispiele versteht sich von selbst. Ebenso versteht es sich von selbst, dass an den Ausführungsbeispielen strukturelle und/oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei von dem durch die Patentansprüche Definierten abgewichen wird. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist insoweit nicht begrenzend. Insbesondere können Merkmale von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Merkmalen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
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Die 1 zeigt eine Durchflussmessanordnung nach einem Vergleichsbeispiel mit einem Strömungsmessgerät 950, das die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids an genau einem Punkt in einem Messkanal 100 mit einem Messkanaldurchmesser D0 misst. Stromaufwärts von dem Strömungsmessgerät 950 und stromabwärts von einer Kanalkrümmung 940 ist ein Strömungsgleichrichter 930 in den Messkanal 100 eingepasst. Der Strömungsgleichrichter 930 weist eine Vielzahl gleichartiger Teilkanäle 931 auf, die Geschwindigkeitskomponenten im Fluid quer zur Hauptfließrichtung und damit Drallstörungen auslöschen und so die Strömung im Messkanal 100 laminarisieren.
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Die Teilkanäle 931 können z.B. so ausgeführt sein, dass sich für einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich des Fluids am stromabwärtigen Ende des Strömungsgleichrichters 930 in jedem Teilkanal 931 eine vollständig entwickelte laminare Strömung mit rotationssymmetrischer, parabolischer Geschwindigkeitsverteilung einstellt. Die dafür erforderliche Teilkanallänge LA der Teilkanäle 931 längs der Hauptfließrichtung hängt u.a. von der Querschnittsfläche der Teilkanäle 931, deren Querschnittsform, der Rauigkeit der Innenwände der Teilkanäle 931 und dem Messkanaldurchmesser D0 ab. Die Teilkanallänge LA kann für die jeweilige Anwendung z.B. empirisch bestimmt werden.
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Für manche Anwendungen werden die Teilkanäle
931 des Strömungsgleichrichters
930 anhand von Faustregeln dimensioniert. Beispielsweise beschreibt die
US 3,964,519 , dass für einen Strömungsgleichrichter für Luft das Verhältnis der Innenfläche eines Teilkanals
931 zu dessen Querschnittsfläche etwa 30 betragen soll. W. Kümmel; „Technische Strömungsmechanik“; B.G. Teubner, 2001 gibt für einen Teilkanaldurchmesser D1 runder Teilkanäle
931 mit D1 ≤ 0,2*D0 eine Teilkanallänge LA von mindestens 20*D1 an.
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Ein Strömungsprofil 939 in einer Querschnittsebene A1 am stromabwärtigen Ende des Strömungsgleichrichters 931 kann sich aus einer Anzahl von parabolischen Teilströmungsprofilen 938 mit der Querschnittsfläche der Teilkanäle 931 zusammensetzen, wobei die Anzahl von parabolischen Teilströmungsprofilen 938 der Anzahl der Teilkanäle 931 entspricht und die Maximalgeschwindigkeiten der Teilströmungsprofile 938 in etwa gleich sein können.
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Eine Beruhigungsstrecke 940 zwischen dem Strömungsgleichrichter 930 und einer Strömungsmesseinrichtung 950 wird in der Regel so bemessen, dass sich innerhalb der Beruhigungsstrecke 940 ein voll entwickeltes, symmetrisches Strömungsprofil 949 mit einer Maximalgeschwindigkeit in der Mitte der Messkanalquerschnittsfläche aufbauen kann und damit das Strömungsprofil in einer Querschnittsfläche A2 am Ende der Beruhigungsstrecke 940 qualitativ bekannt ist. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit an einem einzigen Ort im Messkanal 100 reicht dann aus, um auf den Gesamtdurchfluss schließen zu können.
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Die Mindestlänge LB der Beruhigungsstrecke 940 ergibt sich in der Regel aus Faustregeln. Beispielsweise soll die Mindestlänge LB mindestens das 3fache des Messkanaldurchmessers D0 betragen.
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Die 2 zeigt eine Durchflussmessanordnung für ein Fluid nach einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Anemometrie-Gittersensor 500 in einem Messkanal 100 mit einem Messkanaldurchmesser D0. Der Messkanal 100 ist beispielsweise eine Rohrleitung. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein.
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Stromaufwärts von dem Anemometrie-Gittersensor 500 und stromabwärts von einer Quelle für Strömungsasymmetrien, z.B. einer Rohrkrümmung 400 ist ein Strömungsteiler 300 in den Messkanal 100 eingepasst. Andere Quellen für Strömungsasymmetrien sind zum Beispiel Rohrknie, T-Verzweigungen und ähnliche. Der Strömungsteiler 300 kann eine Vielzahl gleichartiger Teilkanäle 310 aufweisen, die Geschwindigkeitskomponenten des Fluids quer zur Hauptfließrichtung und damit Drallstörungen auslöschen und so die Strömung laminarisieren. Die Kanallänge L1 der Teilkanäle 310 kann deutlich kleiner sein als eine Länge, bei der sich bei vorgegebenen Randbedingungen, z.B. für einen vorgegebenen Bereich für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Messkanal 100, am stromabwärtigen Ende des Strömungsteilers 300 gerade eine voll entwickelte laminare Strömung einstellt. Beispielsweise beträgt die Kanallänge L1 der Teilkanäle 310 maximal 100% des Messkanaldurchmessers D0, beispielsweise maximal 0,5 × D0 oder maximal 0,2 × D0. Der Widerstand des Strömungsteilers 300 und der Druckabfall über den Strömungsteiler 300 können damit deutlich geringer sein als im Falle des Strömungsgleichrichters 930 nach 1.
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Die Teilkanäle 310 können insbesondere so ausgeführt sein, dass die Drallstörungen in den Teilkanälen 310 am stromabwärtigen Ende des Strömungsteilers 300 in jedem Teilkanal 310 für einen Grenzfall des nominellen Betriebsbereichs gerade ausgelöscht sind und sich in jedem Teilkanal 310 eine vollständig laminare Strömung mit einer einzigen Geschwindigkeitskomponente parallel zur Hauptflussrichtung einstellt.
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Alternativ dazu können die Teilkanäle 310 so ausgeführt sein, dass sich für einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich des Fluids in jedem der Teilkanäle 310 eine vollständig turbulente Strömung einstellt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zwei Betriebsbereiche der Durchfluss-Messanordnung ausgewertet, wobei am Ausgang des Strömungsteilers 300 sich in einem ersten Betriebsbereich eine rein laminare Strömung und im zweiten Betriebsbereich eine rein turbulente Strömung einstellt.
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Die dazu erforderlichen Kanallängen L1 der Teilkanäle 310 hängen u.a. von der Querschnittsfläche der Teilkanäle 310, deren Querschnittsform und der Rauigkeit der Innenwände der Teilkanäle 310 ab und können für die jeweilige Anwendung z.B. empirisch bestimmt oder anhand von Faustregeln festgelegt werden. Beispielsweise beträgt die Kanallänge L1 der Teilkanäle 310 maximal 50% der Teilkanallänge LA der Teilkanäle 931 des Strömungsgleichrichters 930 für eine Strömungsmessung nach dem Prinzip der 1.
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Beispielsweise beträgt für einen Strömungsteiler für Luft das Verhältnis der Innenfläche eines Teilkanals 310 zu dessen Querschnittsfläche maximal 6. Nach einem anderen Beispiel beträgt für einen Teilkanaldurchmesser D1 runder Teilkanäle 310 mit D1 ≤ 0,2*D0 die Kanallänge L1 höchstens 15*D1.
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Das Strömungsprofil 309 in einer Querschnittsebene A1 unmittelbar am stromabwärtigen Ende des Strömungsteilers 310 kann sich aus einer Anzahl von laminaren Teilströmungsprofilen 318 mit der Querschnittsfläche der Teilkanäle 310 zusammensetzen, wobei die Anzahl laminarer Teilströmungsprofilen 318 der Anzahl der Teilkanäle 310 entspricht und die Maximalgeschwindigkeiten der Teilströmungsprofile 318 deutlich voneinander abweichen können. Die durch die Rohrkrümmung 400 bewirkte Strömungsgeschwindigkeitsasymmetrie bleibt im Wesentlichen erhalten.
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Ein Abstand L2 zwischen dem Strömungsgleichrichter 930 und dem Anemometrie-Gittersensor 500 kann so bemessen sein, dass sich über die Querschnittfläche des Messkanals 100 gerade ein geglättetes Strömungsprofil 409 einstellt, in dem eine Rasterung durch die Teilkanäle 310 nicht mehr erkennbar ist.
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Der Abstand L2 ist deutlich kleiner, entspricht z.B. maximal 50% einer Strecke, nach der sich im Messkanal 100 ein voll entwickeltes, symmetrisches, z.B. parabolisches Strömungsprofil mit einem einzigen Geschwindigkeitsmaximum in der Mitte der Messkanalquerschnittsfläche einstellt, wie es für die Querschnittsfläche A2 in 1 dargestellt ist und wie es sich im Fall der 2 weiter stromabwärts einstellen kann.
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Das Strömungsprofil 409 in der Querschnittsebene A2 ist typischerweise kein voll entwickeltes Strömungsprofil, sondern kann ein asymmetrisches Strömungsprofil mit einer Maximalgeschwindigkeit im Abstand zum Mittelpunkt der Querschnittsebene A2 sein.
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Der Anemometrie-Gittersensor 500 ist im Messkanal 100 angeordnet und weist eine Vielzahl von lateral voneinander beabstandeten Sensorelementen 510 mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand auf. Beispielsweise umfassen die Sensorelemente 510 PTC- oder NTC-Widerstände mit vergleichsweise starker Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandswertes. Beispielsweise sind die Sensorelemente 510 PTC-Widerstände mit einem Temperaturkoeffizienten von mindestens 0,001/°K. Die PTC-Widerstände können Platin, Titan, Nickel, Wolfram oder eine Legierung enthalten, die mindestens eines der genannten Elemente enthält.
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Jedes Sensorelement 510 ist mit mindestens zwei elektrischen Leitungen mit einer Messschaltung verbunden, wobei die Verbindungsleitungen so geführt sein können, dass die Sensorelemente 510 jeweils getrennt und unabhängig voneinander ausgewertet werden können. Die Sensorelemente 510 messen die lokale Strömungsgeschwindigkeit in unterschiedlichen Teilbereichen der Querschnittsfläche A2 des Messkanals 100.
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Aus der Lage der Sensorelemente 510 in der Querschnittsfläche und den lokalen Strömungsgeschwindigkeiten lässt sich das gesamte Strömungsprofil für die Querschnittsfläche A2 mit ausreichender Genauigkeit schätzen und darauf aufbauend der aktuelle Durchfluss bestimmen.
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Dabei reicht der Durchfluss-Messanordnung mit Strömungsteiler 300 und Anemometrie-Gittersensor 400 ein vergleichsweise kurzer, gerader Messkanalabschnitt aus. Strömungsteiler 300 und Anemometrie-Gittersensor 400 können daher auch in Abschnitten einer strömungstechnischen Anordnung vorgesehen werden, die für eine Messung mit Strömungsgleichrichtern und herkömmlichen Strömungsmesseinrichtungen mit einem einzigen Sensorelement nicht ohne weiteres in Frage kommen. Zudem bewirkt der Strömungsteiler 300 wegen der kürzeren Teilkanäle 310 einen geringeren Druckabfall als der Strömungsgleichrichter 930 der 1.
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Der Anemometrie-Gittersensor 500 kann auch in einer Querschnittsebene A2 angeordnet sein, in der die Rasterung des Strömungsprofils durch den Strömungsteiler 300 noch erkennbar ist. Beispielsweise ist ein Abstand L2 zwischen dem stromabwärtigen Ende des Strömungsteilers 300 und den Sensorelementen 510 kleiner als der Messkanaldurchmesser D0 oder kleiner als der Teilkanaldurchmesser D1.
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Das Strömungsprofil 409 in der Querschnittsebene A2 kann dann noch weitgehend dem Strömungsprofil 309 in der Querschnittsebene A1 entsprechen. Es hat sich gezeigt, dass sich auch für diesen Fall aus den Messergebnissen der Sensorelemente 510 das Gesamtströmungsprofil noch soweit annähern lässt, dass der Gesamtdurchfluss durch den Messkanal 100 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Gemäß 3 ist der Anemometrie-Gittersensor 500 unmittelbar stromabwärts von dem Strömungsteiler 300 angeordnet, so dass die Querschnittsebene A2, in der die Sensorelemente 310 angeordnet sind, unmittelbar an das stromabwärtige Ende der Teilkanäle 310 anschließt. Jedes Sensorelement 510 kann jeweils in der direkten Verlängerung eines der Teilkanäle 310 und zentriert zu dessen Längsachse angeordnet sein. Eine Querschnittsfläche der Teilkanäle 310 kann größer sein als eine Querschnittsfläche der Sensorelemente 510 quer zur Hauptflussrichtung, bzw. quer zur Messkanallängsachse.
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In 4 ist der Anemometrie-Gittersensor 500 so positioniert, dass die Querschnittsebene A2, in der die Sensorelemente 310 angeordnet sind, im Strömungsteiler 300 liegt. Jedes Sensorelement 510 kann jeweils teilweise, bspw. zu mindestens 50% oder vollständig innerhalb eines der Teilkanäle 310 angeordnet sein.
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Mit den Durchflussmessanordnungen der 3 und 4 lässt sich jeweils aus der Lage der Sensorelemente 510 in der Querschnittsfläche und den lokalen Strömungsgeschwindigkeiten an den Sensorelementen 510 das gesamte Strömungsprofil für die Querschnittsfläche A2 mit großer Genauigkeit schätzen und darauf aufbauend der aktuelle Durchfluss bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Sensorelemente 510 zwischen zwei Strömungsteilern 300 oder in der auf die Längsausdehnung der Teilkanäle 310 längs der Hauptflussrichtung bezogenen Mitte eines Strömungsteilers 300 angeordnet sein und so eine bidirektionale Durchflussmessung ermöglichen.
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5A und 5B zeigen Beispiele für die Anordnung der Sensorelemente 510 in der Messkanalquerschnittsfläche.
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In 5A sind 16 Sensorelemente 510 an Knotenpunkten eines Gitters mit quadratischen Maschen angeordnet.
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5B zeigt eine Anordnung von 16 Sensorelementen 510 auf zwei konzentrischen Kreisen mit dem gemeinsamen Mittelpunkt auf der Mittelachse des Messkanals 100. Die Sensorelemente 510 können auf den konzentrischen Kreisen jeweils im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sein. Die Sensorelemente 510 auf beiden konzentrischen Kreisen können jeweils auf gleichen Radien liegen oder auf gegeneinander versetzten Radien.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007019927 B3 [0002]
- US 3964519 [0031]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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