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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur, vorzugsweise ortsaufgelösten, Messung eines Volumenstroms einer Fluidströmung, eine Messanordnung zur Charakterisierung einer Fluidströmung sowie ein Verfahren zur Charakterisierung einer Fluidströmung.
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Es existieren zahlreiche Möglichkeiten im Stand der Technik zur ortsaufgelösten Durchflussmessung. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Gittersensors, wie etwa gemäß
EP 1 990 612 A1 . Hierbei wird ein Gitter von draht- oder stabförmigen elektrischen Leitern verwendet, wobei die Leiter in mindestens zwei in geringem axialem Abstand zueinander liegenden Ebenen angeordnet sind und die beiden Ebenen in jedem Kreuzungspunkt des Gitters über ein Hitzeelement elektrisch miteinander verbunden sind. Der Durchfluss wird hierbei über die Messung der Veränderung des ohmschen Widerstandes des Hitzeelements aufgrund der konvektiven Kühlung durch das Umgebungsmedium bestimmt. Hierbei besteht vor allem das Problem darin, turbulente Strömungen zu messen. Durch Verwirbelungen innerhalb der Fluidströmung kann es insbesondere zu einer verstärkten Abkühlung des Hitzeelements kommen und somit zu einer Verfälschung der Durchflussmessung.
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Diesbezüglich sind aus dem Stand der Technik Strömungsgleichrichter bekannt, die die Aufgabe haben, turbulente Strömungen in laminare Strömungen zu überführen.
WO 91/12496 A1 beschreibt ein Sensorgitter, welches zwischen zwei Gleichrichtern angeordnet ist, um turbulente Einflüsse zu verhindern. Hierbei hat der Strömungsgleichrichter hinter dem Sensorgitter die Aufgabe, die quer zur zu messenden Durchströmung strömende Luft sowie Rückströmungen abzuschirmen, welche infolge von Druckunterschieden auftreten können. Nachteilig ist anzumerken, dass durch die Vielzahl von kleinen Röhrchen in den Gleichrichtern ein erheblicher Druckverlust bewusst in Kauf genommen wird.
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Weiterhin werden in
US 4 494 406 A und
US 4 581 930 A Herstellungsmethoden zur konstruktiven Fertigung eines Sensorgitters beschrieben, wobei ein Array aus Thermistoren beschrieben wird, die in Reihe geschaltet sind und gegen einen einzelnen, von der Strömung abgeschirmten Thermistor abgeglichen werden, sodass a priori eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird. Diese Messmethode liefert zwar zuverlässige Messergebnisse, allerdings ist eine Auswertung einzelner Messpunkte nicht möglich. Durch diese fehlende Ortsauflösung können Probleme bei der Messung von asymmetrischen Strömungsprofilen auftreten. Zudem beschreibt
US 4 494 406 A als Träger eine Rahmenkonstruktion, in der horizontale und vertikale Streben zu einem Gitter zusammengesetzt sind. Am hinteren Ende (downstream) der vertikalen Enden befinden sich mehrere Nuten, in die Kugelthermistoren eingebracht sind. Dadurch wird die Empfindlichkeit erhöht. Allerdings besteht das Problem, dass es durch die zu erwartenden Wirbel an den Kugelthermistoren zu einer Verfälschung der Messung kommt. Auch spielen hier signifikante Wärmeableitungsverluste eine wichtige Rolle, da die Kugeln in einer Nut eingebracht sind und dadurch eng mit der Trägerkonstruktion verbunden sind. Je höher die Wärmeabgabe durch Wärmeleitung ist, desto weniger Wärme wird durch Wärmekonvektion in die Strömung abgegeben, sodass die Empfindlichkeit einer solchen Messung und damit ihr Auflösungsvermögen abnimmt.
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US 4 581 930 A beschreibt eine Erweiterung von
US 4 494 406 A , wobei die Rahmenkonstruktion in der Weise verändert ist, dass auf die vertikalen Streben Röhrchen in Strömungsrichtung aufgesteckt werden, sodass die Kugelthermistoren am hinteren Ende jeweils mittig im Röhrchen sitzen. Auf eine genaue Beschreibung der Geometrie der Röhrchen, welche allerdings in Bezug auf die Messergebnisse einen erheblichen Einfluss haben, wird verzichtet. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist zudem, dass die Anordnung aufgrund der Verbindung der Kugelthermistoren über dünne Drähte zu den Rändern der Nuten einen hohen Fertigungsaufwand bedeutet und nur schwer automatisiert herstellbar ist.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2019 103 674 A1 zeigt die Möglichkeit, einen Strömungsgleichrichter hinter einer Störstelle im Rohr zu verwenden, um die Einlaufstrecke zu verkürzen. Der Strömungsteiler zeichnet sich durch querschnittsgleiche Teilkanäle aus. Durch die Wahl von relativ kurzen Strömungskanälen wird der Druckverlust reduziert. Allerdings muss perspektivisch bei kleineren Längen auch der Querschnitt der Teilkanäle reduziert werden, um eine ausreichende Beruhigung der Strömung zu gewährleisten. Dies führt wiederum zu einem größeren Druckverlust.
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US 5 861 556 A zeigt eine mit einem Gittersensor vergleichbare Anordnung, die die mittlere Strömungsgeschwindigkeit an den einzelnen Messpunkten berechnet. Durch den großen Querschnitt des Sensorträgers wird allerdings der Druckverlust erhöht.
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US 4 542 650 A offenbart einen Träger mit sehr kleinen, sechseckigen Strömungsöffnungen, die durch Übereinanderlegen von zwei Substratplatten entstehen. Zwischen den Substratplatten sind die jeweiligen Sensoren angeordnet. Durch die sehr kleinen Öffnungen können Partikel die Kanäle verstopfen und in großen Messkanälen stellt die Anordnung einen erheblichen Strömungswiderstand da.
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In
US 4 280 360 A wird eine weitere Konstruktion und Anordnung von Strömungsgleichrichtern mit geringem Druckverlust beschrieben.
EP 0 717 270 A1 offenbart einen thermischen Sensor vergleichbar mit einem Chip-Thermistor. Hierbei ist kein Strömungsgleichrichter vorgesehen, wodurch der Druckverlust maßgeblich reduziert wird. Dennoch ist fraglich, ob turbulente Strömungen gerade hinter Rohrkrümmungen allein dadurch beherrschbar werden, dass mehrere Messstellen im Querschnitt befindlich sind und über einen Algorithmus der durchschnittliche Gesamtfluss bestimmt wird.
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Außerdem wird in
US 2006 0090 573 A1 ein aus Hitzedrähten gebildetes Gitter beschrieben, wobei das Gitter an einem Rahmen befestigt ist. Diese Anordnung weist eine geringe Robustheit der Hitzedrähte auf und aufgrund des Fehlens eines Strömungsgleichrichters kommen Ungenauigkeiten bei der Messung von turbulenten Strömungen dazu.
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In
DE 20 2011 105 805 U1 wird eine Vorrichtung zur Messung des Massestroms eines Gases offenbart, bei der zwei Strömungselemente vorgesehen sind, wobei im Zentrum mindestens eines Strömungselements ein Sensor angeordnet ist, der den Massestrom des vorbeiströmenden Gases misst. Hierbei wird lediglich auf die Verwendung eines einzelnen Sensorelements abgestellt, wodurch eine ortsaufgelöste Messung nicht möglich ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung eines Volumenstroms einer Fluidströmung, eine Messanordnung zur Charakterisierung einer Fluidströmung sowie ein Verfahren zur Charakterisierung einer Fluidströmung bereitzustellen, die die genannten Nachteile vermeidet. Dabei soll die Anordnung bzw. die Messanordnung besonders bei turbulenten Strömungen möglichst eine ausreichende Hemmung von Wirbeln bzw. Drall bewirken, sodass laminare Strömungen an den Messpunkten vorherrschen. Außerdem soll insbesondere eine ortsaufgelöste Messung des Volumenstroms ermöglicht werden, wobei minimale Druckverluste entstehen und darüber hinaus die Anordnung leicht automatisierbar gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung nach Anspruch 1, einer Messanordnung nach Anspruch 8 und einem Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine Anordnung zur Volumenstrommessung, vorzugsweise zur ortsaufgelösten Volumenstrommessung, einer Fluidströmung, d. h. einer Gas oder einer Flüssigkeitsströmung, weist einen Strömungsteiler auf, der als Gitterstruktur zum Gleichrichten der Fluidströmung mit mindestens einem Gitterelement ausgebildet ist, wobei das Gitterelement mindestens drei Streben aufweist. Die Streben sind derart ausgebildet, dass das Gitterelement mindestens einen ersten Teilkanal und mindestens einen zweiten Teilkanal aufweist, wobei der mindestens eine erste Teilkanal und der mindestens eine zweite Teilkanal identische Kanallängen aufweisen. Allerdings weist der mindestens eine erste Teilkanal eine größere Querschnittsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids auf als der mindestens eine zweite Teilkanal. Zusätzlich weist die Anordnung ein gitterförmiges Element auf, welches mit mindestens einem Sensorelement ausgebildet ist, wobei das gitterförmige Element in unmittelbarem deckungsgleichen oder im Wesentlichen deckungsgleichen Kontakt mit dem Strömungsteiler ausgebildet und ausgerichtet ist, sodass das mindestens eine Sensorelement den Querschnitt des mindestens einen zweiten Teilkanals senkrecht zur Strömungsrichtung überbrückt. Dabei liegt die Anzahl der Sensorelemente zwischen eins und kleiner gleich der Anzahl der zweiten Teilkanäle, wobei jeweils genau ein Sensorelement den Querschnitt genau eines zweiten Teilkanals senkrecht zur Strömungsrichtung überbrückt.
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Durch die Verwendung eines Strömungsteilers ist es möglich, turbulente Strömung gleichzurichten. Das bedeutet, es wird ein gleichmäßiger Volumenstrom erzeugt, bei dem Drall und Verwirbelungen reduziert sind. In anderen Worten, die turbulente Fluidströmung wird in Teilen laminarisiert. Hierbei sei angemerkt, dass die Richtung der Fluidströmung stets parallel zur Flächennormalen des Kanals verläuft, wobei hier die Hauptflussrichtung gemeint ist. Das bedeutet, turbulente Strömungen mit Drall und bzw. oder Verwirbelungen sind explizit nicht ausgeschlossen. Durch die Ausbildung von mindestens zwei Teilkanälen, wobei der erste Teilkanal eine größere Querschnittsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids aufweist als der mindestens eine zweite Teilkanal, kommen den Teilkanälen unterschiedliche Funktionen zu. Der mindestens eine erste größere Teilkanal fungiert überwiegend als Stützgeometrie für den mindestens einen zweiten kleineren Teilkanal. Dadurch ist es möglich, den Druckabfall zwischen „upstream“ (der Bereich vor dem Strömungsteiler; am vorderen Ende) und „downstream“ (der Bereich nach dem gitterförmigen Element mit den Sensorelementen; am hinteren Ende) zu verringern. Weiterhin teilt der Strömungsteiler durch den Einsatz von mindestens einem großen Teilkanal die Gesamtströmung im Vergleich zu den Varianten im Stand der Technik in einem deutlich geringeren Maße auf. Dadurch wird nur in dem mindestens einen kleinen Teilkanal der Drall der Strömung lokal signifikant reduziert. Diese Reduzierung ist für die vorgesehene Messung genau dann ausreichend, wenn das mindestens eine Sensorelement genau am hinteren Ende (downstream) bzw. leicht versetzt in upstream-Richtung des mindestens einen zweiten Teilkanals angeordnet ist. Durch die deckungsgleiche oder im Wesentlichen deckungleiche Anordnung, d. h. einer Anordnung, bei der keine vollständige Identität vorliegt, aber die wesentlichen Eigenschaften erreicht werden, des gitterförmigen Elements mit dem Strömungsteiler wird die Strömungsstrecke des Fluids zwischen den besagten Bauteilen verkürzt und somit dem Entstehen von neuem Drall und Verwirbelungen nach der Durchströmung des Strömungsteilers vorgebeugt. Dadurch kann der Messfehler bezüglich des Volumenstroms, der auch als Durchflussrate oder Durchflussmenge bezeichnet werden kann und angibt, wie viel Volumen eines Mediums pro Zeitspanne durch einen festgelegten Querschnitt transportiert wird, weiter reduziert werden. Durch die variable Verwendung der Anzahl an Sensorelementen in Abhängigkeit von der Anzahl der zweiten Teilkanäle ist es möglich, ortsaufgelöste Messungen durchzuführen und somit ein exaktes Geschwindigkeitsprofil der Fluidströmung über den gesamten Querschnitt des durchströmten Strömungsteilers zu bekommen. Hierbei wird der Gesamtquerschnitt durch die Anzahl und die Größe der ersten sowie der zweiten Teilkanäle bestimmt und zusätzlich durch die Breite der Streben. Die Vorrichtung zur typischerweise ortsaufgelösten Fluiddurchflussmessung ermöglicht zusammenfassend die Messung des Volumenstroms einer turbulenten Rohrströmung mit einer kurzen Einlaufstrecke, weist dabei einen geringen Druckverlust auf und kann automatisiert gefertigt werden.
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Zudem kann die Anordnung einen Strömungsteiler mit einer Gitterstruktur aufweisen, welche durch eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten Gitterelementen ausgebildet ist.
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Durch die Verwendung von mehreren Gitterelementen, also zwei, drei oder noch mehr Gitterelementen, und der damit einhergehenden möglichen Platzierung von jeweils einem Sensorelement in einem Bereich hinter einem zweiten Teilkanal kann der Effekt der ortsaufgelösten Messung weiter verstärkt werden. Somit wird die Messung des Volumenstroms der Fluidströmung exakter und Messfehler können weiter reduziert werden. Typischerweise weist bei Vorsehen mehrerer zweiter Teilkanäle jeder dieser Teilkanäle genau ein Sensorelement bzw. Messelement auf.
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Außerdem kann die Querschnittsform des mindestens einen zweiten Teilkanals senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids rechteckig, insbesondere quadratisch, dreieckig oder oval, insbesondere kreisförmig ausgebildet sein. Sofern mehrere Teilkanäle verwendet werden, weisen diese typischerweise alle die gleiche Querschnittsform auf, es kann aber alternativ auch vorgesehen sein, dass zumindest einer der Teilkanäle eine von den anderen Teilkanälen verschiedene Querschnittsform aufweist.
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Durch die Wahl der unterschiedlichen Querschnitte kann die Strömung abermals gezielt verändert werden. In Abhängigkeit der vorliegenden Messaufgabe kann die Geometrie der zweiten Teilkanäle variabel angepasst werden, was der vorliegenden Erfindung ein hohes Maß an Flexibilität verleiht.
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Weiterhin kann der Querschnitt des gitterförmigen Elements dem Querschnitt des Strömungsteilers senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids entsprechen oder dahingehend verändert sein, dass mittig über dem Querschnitt des mindestens einen zweiten Teilkanals senkrecht zur Strömungsrichtung mindestens ein Steg ausgebildet ist, welcher eine Aussparung aufweist.
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Durch die Ausbildung des zusätzlichen Steges über den mindestens einen zweiten Teilkanal wird der Druckabfall gegenüber dem Strömungsteiler nur minimal erhöht und gleichzeitig wird die Möglichkeit geschaffen, auch besonders kleine Sensorelemente schnell und einfach mittig über dem zweiten Teilkanal zu platzieren. Dadurch befänden sich die Sensorelemente in der idealen Position, um den Volumenstrom des Fluids zu messen. Handelt es sich hingegen um längliche Sensorelemente, die länger sind als der Innendurchmesser des mindestens einen zweiten Teilkanals, können diese auch ohne den zusätzlich ausgebildeten Steg mittig platziert werden.
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Das mindestens eine Sensorelement kann auf dem oder in dem mindestens einen Steg des gitterförmigen Elements oder in dem Bereich der Umrandung des mindestens einen zweiten Teilkanals des gitterförmigen Elements in der Weise angeordnet sein, dass die Aussparung oder der gesamte Querschnitt des mindestens einen zweiten Teilkanals überbrückt werden kann. Außerdem kann das mindestens eine Sensorelement in die Aussparung eingebracht werden.
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Durch die Vielzahl der Integrationsmöglichkeiten der Sensorelemente kann die Anordnung an verschiedenste Messaufgaben angepasst werden. Dadurch wird ein hohes Maß an Flexibilität geschaffen. Bei der Aufbringung des mindestens einen Sensorelements auf dem mindestens einen Steg wird erreicht, dass der größte Teil der Oberfläche des mindestens einen Sensorelements in der Strömung liegt und keine Trägergeometrie, abgesehen von den Stegenden, berührt wird. Dadurch kann der Messeffekt maximiert und die Ableitungsverluste in die Trägergeometrie minimiert werden. Zudem ist diese gitterförmige Struktur inklusive des mindestens einen Sensorelements leicht automatisierbar zu fertigen.
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Außerdem kann der Strömungsteiler aus einem sinterbaren Werkstoff, vorzugsweise einen Kunststoff, gefertigt sein bzw. diesen Werkstoff aufweisen.
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Durch die Verwendung von sinterbaren Werkstoffen ist es möglich, den Strömungsteiler mit komplexer Geometrie schnell und einfach herzustellen. Zudem weisen diese Bauteile gute mechanische Eigenschaften auf, die den Anforderungen des vorgesehenen Einsatzbereichs entsprechen. Auch eine flexible Anpassung an die zu erwartende Messaufgabe ist mit der Möglichkeit der Verwendung einer Vielzahl von Werkstoffen möglich.
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Zudem kann das mindestens eine Sensorelement als Thermistor oder Hitzedraht ausgebildet sein.
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Mit dem Einsatz von Thermistoren mit möglichst linearen Temperatur-Widerstands-Kennlinien kann der Volumenstrom anhand der Veränderung des Widerstandswerts, welcher durch die konvektive Kühlung durch die Fluidströmung beeinflusst wird, direkt gemessen werden. Bei der Verwendung von Hitzedrähten wie bei Hitzedrahtanemometern, bei denen ein elektrisch beheizter Draht eine Temperaturänderung durch eine Umströmung und Wärmetransport im Strömungsmedium, d. h. dem Fluid, aufweist, liegt der Vorteil darin, dass der Strömungswiderstand aufgrund des sehr geringen Durchmessers der Drähte klein gehalten werden kann und somit der Druckabfall reduziert wird.
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Weiterhin weist eine Messanordnung zur Charakterisierung einer Fluidströmung einen Messkanal mit einem Messkanalquerschnitt auf. Außerdem ist die zuvor beschriebene Anordnung zur ortsaufgelösten Durchflussmessung einer Fluidströmung, welche in dem Messkanal senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist, verbaut.
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Hierbei kann die Anordnung durch eine der Geometrie der Innenseite des Messkanals angepasste Berandung des Strömungsteilers oder durch offene Strebenenden des Strömungsteilers oder durch mindestens eine Flanschverbindung zwischen dem Strömungsteiler und dem Messkanal in dem Messkanal fixiert sein.
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Die Einbringung des Strömungsteilers über eine angepasste Berandung in den Messkanal zeichnet sich dadurch aus, dass der Außendurchmesser des Strömungsteilers minimal kleiner ausgelegt ist als der Innendurchmesser des Messkanals. Dies erleichtert die typischerweise kraftschlüssige und bzw. oder formschlüssige Montage und spart somit Zeit bei der Integration. Vorteilhaft bei der Einklemmung des Strömungsteilers über offene Strebenenden ist, dass hierbei die elastischen Eigenschaften des Materials optimal ausgenutzt werden können, um eine Federwirkung zu erzeugen, die den Strömungsteiler im Messkanal fixiert. Diese Methode erlaubt einen größeren Toleranzbereich und ist zudem einfach umsetzbar. Bei der Variante der axialen Arretierung über Schweiß- oder Lötpunkte auf der Innenseite des Rohres wird die stabilste der drei Möglichkeiten der Fixierung erreicht, sodass eine hohe Langlebigkeit der Messanordnung erzielt wird.
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Außerdem weist ein Verfahren zur Charakterisierung einer Fluidströmung mit einer Messanordnung die Verfahrensschritte auf, dass ein Fluid durch einen Messkanal strömt, in dem die Anordnung senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist und dabei in einem nächsten parallel ablaufenden Schritt der Volumenstrom des Fluids ortsaufgelöst nach der Durchströmung des Strömungsteilers in dem Bereich der Querschnittsfläche des mindestens einen zweiten Teilkanals mithilfe des mindestens einen Sensorelements gemessen wird.
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Mithilfe dieses Verfahrens ist es möglich, den Volumenstrom ortsaufgelöst zu messen, was dazu führt, dass die Messgenauigkeit signifikant gesteigert wird. Außerdem führt das Gleichrichten der Strömung in nur bestimmten Teilkanälen zu dem Effekt, dass die benötigte Einlaufstrecke des Fluids klein gehalten werden kann und somit der benötigte Bauraum der gesamten Vorrichtung beschränkt bleibt. Gleichzeitig wird der Druckabfall zwischen der vorderen Seite und der hinteren Seite des Messaufbaus reduziert.
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Das beschriebene Verfahren ist dazu ausgebildet, unter Verwendung der bereits beschriebenen Anordnung sowie Messanordnung den Volumenstrom einer Fluidströmung ortsaufgelöst zu messen.
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Ausführungsbeispiele der Anordnung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 5 beschrieben. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 ein Gitterelement mit vier, zu unterschiedlichen Teilkanälen ausgebildeten Streben in Strömungsrichtung;
- 2 die Gitterstruktur eines Strömungsteilers mit offenen Strebenenden;
- 3 eine schematische Platinenumrandung eines zweiten Teilkanals mit einem Steg in Strömungsrichtung;
- 4 eine gitterförmige Struktur mit schematisch jeweils auf den Stegen aufgebrachten Sensorelementen in seitlicher Ansicht; und
- 5 die Anordnung von Strömungsteiler und gitterförmiger Struktur in seitlicher Ansicht.
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1 zeigt ein Gitterelement 1 in Frontansicht, wobei die Ebene, in der die Figur dargestellt ist, senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids liegt. Das Gitterelement 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch vier Streben 2 gebildet, welche in der Weise ausgebildet sind, dass ein erster Teilkanal 4 sowie vier zweite Teilkanäle 5 (schraffierte Bereiche) entstehen. Es sei zur Klarstellung darauf hingewiesen, dass auch in dem schraffierten Bereich kein Material vorhanden ist. Hierbei ist die Querschnittsfläche des ersten Teilkanals 4 deutlich größer gewählt als die Querschnittsfläche von einem der zweiten Teilkanäle 5. Zudem sind die Querschnitte der zweiten Teilkanäle 5 senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids kreisförmig ausgebildet. Zudem weisen die Streben 2 alle die gleiche Dicke auf.
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2 zeigt die Gitterstruktur 3 eines Strömungsteilers 10 als Strömungsgleichrichter, welche aus einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten Gitterelementen 1 nach 1 aufgebaut ist. Zudem weist die Gitterstruktur 3 offene Strebenenden auf.
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Der Vorteil, der sich durch diesen konstruktiven Aufbau des Strömungsteilers 10 basierend auf der Gitterstruktur 3 ergibt, ist der, dass nur in den Bereichen der zweiten Teilkanäle 5 die Fluidströmung gleichgerichtet wird. Dadurch stellt der Strömungsteiler 10 einen deutlich kleineren Strömungswiderstand dar als die Ausführungsvarianten im Stand der Technik mit gleichgroßen Teilkanälen. Dadurch kann der Druckabfall von zulaufseitig, also upstream, zu ablaufseitig, also downstream, maßgeblich verringert werden und trotzdem die Fluidströmung in den zweiten kleineren Teilkanälen 5 ausreichend gleichgerichtet (laminarisiert) werden. Der Gleichrichter weist einen spezifischen Querschnitt auf, in dem die Teilkanäle abweichend vom Stand der Technik gerade nicht alle den gleichen Querschnitt haben, sondern vielmehr eine Mischung aus einem Querschnitt mit großen Teilkanälen und einem Querschnitt mit kleinen Teilkanälen vorliegt.
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Vorzugsweise liegt der Durchmesser für die zweiten Teilkanäle 5 in einem Bereich von 6 - 9 mm. Der Außendurchmesser der Gitterstruktur 3 bzw. des Strömungsteilers 10 ist in dieser Ausführungsvariante so gewählt, dass dieser dem Innendurchmesser des vorgesehen Messkanals entspricht. Eine Montage des Strömungsgitters 10 in dem Messkanal erfolgt hierbei durch die Erzeugung von Federkräften, die durch die leichte Verbiegung der elastischen Strebenenden entstehen. In anderen Ausführungsvarianten kann eine Integration des Strömungsteilers 10 in den Messkanal auch über eine zusätzliche Berandung des Strömungsteilers 10 vorgesehen sein oder auch über einzelne Schweiß- oder Lötpunkte innerhalb des Messkanals. Somit richtet sich der Außendurchmesser des Strömungsteilers 10 bevorzugt nach dem Innendurchmesser des Messkanals. In einer alternativen Ausführungsform kann die Gitterstruktur 3 bzw. der Strömungsteiler 10 separat in einem eigenen Messkanalstück bzw. Rohrstück gefertigt fertigen. Hierbei würde das betreffende Stück an beiden Enden Flanschverbindungen vorsehen, durch die der Anschluss an die vorgesehene Messstelle erfolgen kann. Dies ist prinzipiell auch bei dünnwandigen Rohren denkbar. Bei Wickelfalzrohren kann die Verbindung beispielsweise in einem Bundkragen bestehen. Dabei würde es genügen, die Flanschverbindung für den schmalen Bereich des gitterförmigen Elements 7 vorzusehen, dessen elektrische Kontakte nach außen zu der Auswerteeinheit geführt werden müssen. Gegebenenfalls kann das als Strömungsgleichrichter wirkende Strömungsgitter 10 auch in eine bestehende Rohrverbindung als Messkanal eingeschoben werden.
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Beispielhaft beträgt der Druckabfall bei einem Durchfluss von 80 m3/h durch die Gitterstruktur 3 mit einem Außendurchmesser von 119 mm und Durchmessern von 6 mm bzw. 9 mm für die zweiten Teilkanäle 5 und einer Tiefe der Gitterstruktur 3, also der Teilkanäle 4, 5, von 25 mm bzw. 50 mm jeweils weniger als 2 Pa. Diese Ergebnisse wurden sowohl in einem geraden Messkanal als auch hinter einer 90°- Messkanalkrümmung gemessen. Vergleichbare Ergebnisse werden im Stand der Technik erst bei Teilkanaldurchmessern von 12,6 mm erreicht. Ein Durchmesser oberhalb 12 mm würde nach den unten dargestellten Auslegungskriterien für einen Strömungsteiler mit hinreichender Drallreduzierung jedoch eine Teilkanallänge von 100 mm erfordern. Für die Realisierung von vergleichbar geringen Druckverlusten mit denselben Teilkanaldurchmessern, wie sie in der vorliegenden Erfindung erreicht werden, würde die Stegbreite 0,05 mm betragen. Dies entspricht im Stand der Technik einer denkbaren Stegbreite bei Aluminium-Wabengleichrichtern. Bei dieser Stegbreite wäre ein späteres Fügen des Strömungsteilers 10 mit dem gitterförmigen Element 7 und den Sensorelemente 8 kaum möglich. Zudem ist bei geringen Stegbreiten der Streben 2 ein mittiges Platzieren der Sensorelemente 8 auf der Mittelachse der zweiten Teilkanäle 5 schwierig, da die extrem dünnen Stege ein elastisches Verformen des Strömungsgitters 10 auch nach dem Einbau bedingen würden, sodass eine Vielzahl von Sensorelementen 8 sich nicht mehr in der Mitte des Bereichs hinter den zweiten Teilkanälen 5 befinden würde. Somit liegt ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass durch größere Stegbreiten der Streben 2 des Strömungsteilers, der Einbau des Strömungsteilers 10 in den Messkanal präziser erfolgen kann. Zudem wird durch die reduzierte elastische Verformung des Strömungsteilers 10 sichergestellt, dass die Sensorelemente 8 immer mittig über den zweiten Teilkanälen 5 liegen, sodass Messfehler bezüglich des Volumenstroms minimiert werden können.
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Dadurch, dass der Strömungsteiler Teilkanäle 4, 5 mit unterschiedlichen Grö-ßen aufweist, wird die Gesamtströmung nicht in einem erheblichen Maß aufgeteilt. Lediglich in den Bereichen hinter den zweiten Teilkanälen 5 wird der Drall der Strömung lokal signifikant reduziert. Durch die geschickte Platzierung der Sensorelemente 8, die auch als Detektorelemente bezeichnet werden können, genau in diesem Bereich reicht diese Reduzierung allerdings aus, um exakte Messungen ohne große Messfehler durch Drall oder Verwirbelungen der Strömung zu erhalten.
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Somit ist für eine optimale Auslegung des Strömungsteilers 10 respektive der Gitterstruktur 3 wichtig, den Durchmesser der zweiten Teilkanäle 5 sowie die Länge der Teilkanäle 5 präzise festzulegen, um eine lokale Drallreduzierung zu erreichen. Eine vollständige Beruhigung der Strömung ist nicht notwendig. Allerdings gilt hier der Grundsatz, dass je kürzer der Strömungsteiler 10 sein soll, desto kleiner müssen die Innendurchmesser der zweiten Teilkanäle 5 ausgelegt werden.
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Hierbei können verschiedene Kriterien berücksichtigt werden. Beispielsweise kann das Kriterium sein, dass die sich bildende laminare oder turbulente Grenzschicht am Eingang der zweiten Teilkanäle 5 (upstream) nach festzulegender Länge der Teilkanäle 5 (und damit nach der Länge des Strömungsteilers 10 in Strömungsrichtung) mittig zusammenläuft. Ein weiteres Kriterium wäre das mittige Zusammenlaufen der viskosen Unterströmung bei ausgebildeter, turbulenter Strömung. Auch könnte die rechnerische hydrodynamische Einlaufstrecke ein Kriterium bei der Auslegung sein. Beispielhafte, nicht abschließende Kombinationsmöglichkeiten zwischen Teilkanallänge L und Teilkanaldurchmesser B der zweiten Teilkanäle 5 sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
| | B1 | B2 | B3 |
| L1 = 25 mm | 9 mm | 6 mm | 2,5 mm |
| L2 = 50 mm | 12 mm | 9 mm | 3,5 mm |
| L3 = 100 mm | 17 mm | 12 mm | 5 mm |
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Diese Kombinationsmöglichkeiten sind insofern nicht abschließend, als prinzipiell auch noch kleiner Innendurchmesser B und noch größere Kanallängen L einbezogen werden könnten.
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Zudem weist der Strömungsgleichrichter 10 den Vorteil auf, dass dieser automatisiert beispielsweise mittels selektivem Lasersintern aus Kunststoff (z.B. Polyamid) oder einem anderen sinterbaren Werkstoff hergestellt werden kann.
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In 3 ist eine schematische Platinenumrandung 6 eines zweiten Teilkanals 5 mit einem Steg 11 mit einer Aussparung 9 und einem die Aussparung 9 überbrückenden Sensorelement 8 in Strömungsrichtung dargestellt.
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Durch die breiten Stege 11 ist es möglich, die Sensorelemente 8 in einfacher Art und Weise präzise mittig über den Bereichen der zweiten Teilkanäle 5 zu platzieren. Zudem ist eine einfache elektrische Kontaktierung der Sensorelemente 8 sowie die Verbindung der Sensorelemente 8 zu einer Auswerteeinheit leicht realisierbar.
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In 4 ist das gitterförmige Element 7, welches dem Querschnitt des Strömungsteilers 10 entspricht bzw. nahezu entspricht, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das gitterförmige Element 7 aus einer Platine gefertigt. Das gitterförmige Element 7 weist, wie schon in 3 gezeigt, zusätzliche Stege 11 mit den jeweiligen Aussparungen 9 auf. Dadurch wird sichergestellt, dass jedes verbaute Sensorelement 8 sich mittig über in dem Bereich der zweiten Teilkanäle 5 befindet.
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Durch diese Ausführungsvariante des gitterförmigen Elements 7 wird der Druckabfall gegenüber dem Strömungsteiler 10 nur minimal erhöht. Durch die überlagerten Querschnitte von Strömungsteiler 10 und gitterförmigen Elemente 7 kann ein Druckabfall minimiert werden.
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Da die zusätzlichen Stege 11 nicht durchgehend sind, sondern mittig unterbrochen und eine Aussparung 9 aufweisen, liegt der Großteil der Oberfläche der Sensorelemente 8 in der Strömung und berührt zudem keine Trägergeometrie. Dies maximiert den Messeffekt und minimiert zugleich die Ableitverluste in die Trägergeometrie. Somit können Messfehler weiter reduziert werden.
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Dennoch ist das gitterförmige Element 7 mit den Sensorelementen 8 leicht automatisierbar herstellbar. Beispielsweise kann das gitterförmige Element 7 als Platine ausgebildet sein, wobei die Platinengeometrie vollautomatisiert geschnitten werden kann. Die Sensorelemente 8 können beispielsweise als Chip-Widerstände in die Ausführung der Platinen aufgelötet werden, wobei jeweils zwei Lötkontaktflächen vorbereitet sind. Diese Aufgabe kann durch übliche SMD-Platinenbestückung (surface mounted device) und anschließendes Verbacken vollautomatisiert gelöst werden. Generell kann hierbei der Querschnitt der Platine dem Querschnitt des Strömungsteilers bzw. Strömungsgitters 10 entsprechen oder zumindest weitestgehend entsprechen, d. h. insbesondere eine prinzipiell identische Form aufweisen, wobei die Dicken der Streben um maximal 5 Prozent von den Dicken der Streben des Strömungsteilers abweicht.
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In einer andern Ausführungsform können die Chip-Widerstände seitlich genau in die Aussparungen 9 eingelötet werden (automatisiertes Side Plating). In einer weiteren Ausführungsform werden die Chip-Widerstände seitlich und zusätzlich um 90° gedreht eingelötet, sodass die hauptsächliche wärmeübertragende Oberfläche überströmt und nicht wie in den bereits beschriebenen Ausführungsvarianten umströmt wird. Bei kleinen SMD-Bauarten ist auch diese Fertigung automatisiert und ohne Stützgeometrie möglich, weil die Breite der Chips geringer ist als die Dicke der Platine.
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Die Chip-Widerstände sind Thermistoren mit möglichst linearer Temperatur-Widerstands-Kennlinie genormter SMD-Bauart in möglichst kleiner Bauart, bspw. Platin-SMDs 0603. In einer anderen Ausführungsvariante handelt es sich, sofern Platin-SMDs nicht in kleinere Bauart verfügbar sind, um exponentielle Thermistoren (PTC (positive temperature coefficient, also Kaltleiter) oder NTC (negative temperature coefficient, also Heißleiter)) in noch kleinerer SMD-Bauart, bspw. Nichrom-SMDs 0201.
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In einer weiteren Ausführungsvariante weisen die Chip-Widerstände keine genormte Geometrie auf, sondern sind Sonderanfertigungen, insbesondere mit minimiertem Volumen. Insbesondere können diese länglich und schmal ausgeführt sein und dadurch einem Heizdraht am nächsten kommen. Dabei entfallen ggf. die zusätzlichen Stege und die Chip-Widerstände werden direkt auf die Platinenumrandung 6 der zweiten Teilkanäle 5 gelötet.
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Außerdem können die Sensorelemente 8 als robuste Hitzedrähte ausgebildet sein, welche in automatisierten Verfahren direkt auf die Platinenumrandung 6 der zweiten Teilkanäle 5 aufgebracht sind. Auch in dieser Ausführungsform entfallen die zusätzlichen Stege 11. Es kann sich bei den verwendeten Drähten um Platindrähte oder platinierte Wolframdrähte mit deutlich größerem Durchmesser als 5 µm handeln. Die Integration kann auch hier durch automatisiertes Bonden oder Löten oder ähnlichen Verfahren erfolgen.
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Eine weitere Möglichkeit der Ausführung des gitterförmigen Elements 7 stellt die Möglichkeit dar, dass sowohl das gitterförmige Element 7 als auch die Sensorelemente 8 mittels Dünnschicht- oder Dickschichttechnik hergestellt werden können. Hierbei werden z.B. mehrere keramische Folien übereinander gestapelt und verbacken, wobei in jeder Zwischenschicht spezifische Pasten, wie etwa Widerstandspasten aus Platin, eingebracht werden können. Das Verfahren kann besonders bevorzugt für die Anfertigung einzelner Sensorelemente 8 angewendet werden.
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5 zeigt die Anordnung 12 mit dem Strömungsteiler 10 sowie dem gitterförmigen Element 7. Diese Anordnung 12 weist alle zuvor genannten Vorteile der einzelnen Komponenten auf, sodass mithilfe dieser Anordnung 12 ortsaufgelöste Volumenstrommessungen mit einem geringen Druckverlust bei einer reduzierten Einlauflänge möglich sind. In dieser Ausführungsvariante ist der Strömungsteiler 10 mit dem gitterförmigen Element 7 gefügt, z.B. durch Kleben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 12 einen Durchmesser von 119 mm und eine Länge von 26 mm auf.
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Werden die SMDs herkömmlich auf die Platine gefügt (kein Side Plating), stehen sie in der seitlichen Ansicht hervor. Dies kann dahingehend ausgenutzt werden, dass die überwiegend wärmeübertragende Oberfläche der SMDs in upstream-Richtung ausgerichtet wird, sodass beim Fügen der Platine an den Strömungsteiler 10 die SMDs nicht direkt am hinteren Rand, sondern leicht nach upstream versetzt in den zweiten Teilkanälen 5 befindlich sind. Dadurch werden Quer- und Rückströmungen, die direkt am hinteren Ende der Platine auftreten können, von den Sensoren ferngehalten.
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Zur noch weiteren Verbesserung der Unterdrückung von radialen Strömungsanteilen und lokalen Rückströmungen kann downstream des gitterförmigen Elements 7 ein weiterer, sehr kurzer Strömungsteiler mit identischem Querschnitt zum ersten Strömungsteiler 10, angebracht sein.
