DE202006007237U1

DE202006007237U1 - Kalorimetrischer Durchflusssensor

Info

Publication number: DE202006007237U1
Application number: DE200620007237
Authority: DE
Original assignee: Honsberg & Co KG
Current assignee: GHM MESSTECHNIK GMBH, DE
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2016-05-06

Abstract

Durchflusssensor (10) zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums, mit einem Messrohr (12), welches eine Messzone (14) aufweist, in der auf dem Messrohr (12) ein Heizelement (24) und ein Temperatursensor (26) zur Registrierung eines Anteils der von dem Heizelement (24) abgegebenen Wärmeenergie angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) stromaufwärts der Messzone (14) eine Mischzone (16) aufweist, welche ausgebildet ist, um eine Durchmischung des Mediums vor Eintritt in die Messzone (14) sicherzustellen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das technische Gebiet der Durchflussmessung in Rohrleitungen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Durchflusssensor, der unter Anwendung eines kalorimetrischen Messprinzips arbeitet und mit dem sich die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit von Durchflussmessungen gegenüber herkömmlichen kalorimetrischen Durchflusssensoren steigern lässt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kalorimetrische Durchflusssensoren zur Bestimmung des Durchflusses bzw. der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums sind grundsätzlich bekannt und weisen in aller Regel ein metallisches Messrohr mit einer Messzone auf, in der auf dem Messrohr ein Heizelement und ein dem Heizelement normalerweise gegenüberliegender Temperatursensor zur Registrierung eines Anteils der von dem Heizelement abgegebenen Heizenergie angeordnet ist. An dieser Stelle sei bemerkt, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff "Medium" sowohl gasförmige wie auch flüssige Medien verstanden werden sollen.
Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses bei bekanntem Durchflussquerschnitt wird das Heizelement beheizt und der Temperatursensor misst die über das Medium zu ihm übertragene Wärmemenge. So wird bei stehendem Medium eine verhältnismäßig große Wärmemenge zu dem Temperatursensor übertragen, wohingegen bei einem fließenden Medium infolge des Abtransports eines Anteils der eingespeisten Wärme eine geringere Wärmemenge zu dem Temperatursensor übertragen wird. Auf diese Weise kann unmittelbar ein Rückschluss hinsichtlich der aktuellen Strömungsgeschwindigkeit gezogen werden.
Die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der mit diesen herkömmlichen kalorimetrischen Durchflusssensoren erzielbaren Durchflussmessungen ist allerdings begrenzt, da die Strömungseigenschaften des zu messenden Mediums unter anderem von der Einbauposition des Durchflusssensors abhängen, was wiederum unmittelbaren Einfluss auf die von dem Temperatursensor registrierte Wärmemenge hat. Es werden daher verhältnismäßig lange Einlaufstrecken stromaufwärts des Durchflusssensors erforderlich, um eine Reduzierung dieser Einflüsse zu erreichen.
Darüber hinaus verfälschen unerwünschte und meist unerkannte Wärmequellen in der Nähe des Durchflusssensors die Messergebnisse, wodurch ebenfalls die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messergebnisse verringert wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von den soeben aufgezeigten Problemen hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der mit einem herkömmlichen kalorimetrischen Durchflusssensor erzielbaren Messergebnisse, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung unter anderem darin, einen kalorimetrischen Durchflusssensor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem sich die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit von Durchflussmessungen steigern lässt.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit einem Durchflusssensor gelöst, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Es wird somit ein speziell ausgebildeter kalorimetrischer Durchflusssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums bzw. des Durchflusses bei bekanntem Durchflussquerschnitt vorgeschlagen, welcher ein Messrohr mit einer Messzone aufweist, in der auf dem Messrohr ein Heizelement und ein dem Heizelement in aller Regel gegenüberliegender Temperatursensor zur Registrierung eines Anteils der von dem Heizelement abgegebenen Heizenergie angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist das Messrohr des Durchflusssensors nun stromaufwärts der Messzone eine Mischzone auf, welche ausgebildet ist, um eine Durchmischung des Mediums vor Eintritt in die Messzone sicherzustellen. Auf diese Weise kann eine Richtungsänderung der Strombahnen des zu messenden Mediums erzielt werden, so dass das Medium im Falle, dass es beispielsweise einen laminaren Strömungszustand aufweisen sollte, stets vermischt in die Messzone eintritt, wodurch äußere Einwirkungen, wie beispielsweise die Einbauposition des Durchflusssensors in einem Rohrsystem, keinen oder zumindest nur noch einen geringen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Durchflussmessungen haben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Zeichnungen sowie in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Auf diese weiteren Ausführungsformen soll im Folgenden eingegangen werden.
So ist das Messrohr des erfindungsgemäßen Durchflusssensors gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform in der Mischzone derart ausgebildet, um stets einen turbulenten Strömungszustand des Mediums sicherzustellen. Die Einstellung eines turbulenten Strömungszustands in der Mischzone erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil eine besonders effektive Durchmischung des Mediums stattfindet. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass Strömungseinflüsse stromaufwärts des Mischzone, wie sie beispielsweise durch Krümmer, Ventile oder beliebige andere Regelorgane hervorgerufen werden können, beseitigt werden, so dass das Medium in der stromabwärts der Mischzone befindlichen Messzone immer konditioniert, d.h. einheitlich durchmischt ist und somit quasi kein Strömungsgedächtnis mehr besitzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung lässt sich dieser turbulente Strömungszustand beispielsweise dadurch erzeugen, dass das Messrohr in der Mischzone einen sich mehrfach oder wiederholt verändernden Durchflussquerschnitt aufweist.
Eine derartige Veränderung des Durchflussquerschnitts kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dadurch erzeugt werden, dass das Messrohr in der Mischzone an einer Mehrzahl von Stellen mit Einquetschungen versehen ist, wobei die einzelnen Einquetschungen das Messrohr in unterschiedlichen Richtungen quer zu seiner Längsrichtung verjüngen. Unter derartigen Einquetschungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Querschnittsverjüngungen des Messrohres zu verstehen, welche beispielsweise erzeugt werden können, indem das Messrohr im Bereich der Messzone an mehreren Stellen durch zwei sich gegenüberliegende Stempel gequetscht wird. Durch die Tatsache, dass die einzelnen Einquetschungen unterschiedliche Richtungen quer zur Längsrichtung des Rohrs aufweisen, wird das Medium beim Durchfließen der Mischzone mehrfach verwirbelt, so dass in der gewünschten Weise ein turbulenter Strömungszustand sichergestellt werden kann.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform lassen sich die einzelnen Einquetschungen so ausbilden und orientierten, dass sie sich in unterschiedliche Gruppen einteilen lassen. So kann das Messrohr in der Mischzone eine erste Gruppe von Einquetschungen und eine zweite Gruppe von Einquetschungen aufweisen, wobei die einzelnen Einquetschungen der ersten Gruppe jeweils abwechselnd zu den einzelnen Einquetschungen der zweiten Gruppe angeordnet sind. Die einzelnen Einquetschungen der ersten Gruppe weisen dabei eine andere Ausrichtung als die Einquetschungen der zweiten Gruppe in Bezug auf die Längsrichtung des Messrohrs auf, was sich wiederum positiv auf das gewünschte turbulente Strömungsresultat auswirkt.
Beispielsweise können die einzelnen Einquetschungen der ersten Gruppe eine um 90° abweichende Orientierung gegenüber den Einquetschungen der zweiten Gruppe aufweisen, wobei selbstverständlich jedoch auch davon abweichende Orientierungen der Einquetschungen der beiden Gruppen möglich sind. Fernerhin lassen sich auch mehr als nur zwei Gruppen an unterschiedlich orientierten Einquetschungen in das Messrohr einbringen. So kann das Messrohr beispielsweise auch drei (oder noch mehr Gruppen an Einquetschungen aufweisen, welche jeweils eine um 60° voneinander abweichende Orientierung aufweisen.
Damit im Anschluss an die Mischzone keine Beruhigung des durchmischten Mediums stattfindet, grenzt die Messzone unmittelbar stromabwärts an die Mischzone an, wobei das Messrohr in der Messzone zwei abgeflachte, sich gegenüberliegende Umfangsabschnitte zur Befestigung des Heizelements und des Temperatursensors aufweist. Die beiden abgeflachten, sich gegenüberliegenden Umfangsabschnitte stellen somit eine weitere Einquetschung des Messrohres dar, womit auch in der Messzone selbst einem unerwünschten Strömungsübergang in den laminaren Bereich wirksam entgegengewirkt werden kann. Die beiden Einquetschungen in der Messzone können sich fernerhin dadurch als vorteilhaft erweisen, als dass sich dadurch der Temperatursensor und das Heizelement in einer Weise auf dem Messrohr befestigen, beispielsweise auflöten oder ankleben lassen, so dass sie keine oder eine nur unwesentliche Aufdickung für das Rohr darstellen.
Da die Messergebnisse eines kalorimetrischen Durchflusssensors nicht nur durch stromaufwärts befindliche Regelorgane sondern auch durch unerwünschte und meist unerkannte Wärmequellen in der Nähe des Durchflusssensors verfälscht werden können, wird gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, das Messrohr zumindest im Bereich der Mischzone gegen externe Temperatureinflüsse zu isolieren. Beispielsweise kann das Messrohr vollständig mit einem Isoliermaterial wie beispielsweise einem Polystyrol-Schaum oder einer einfachen Gummihülle oder einem Gummischlauch ummantelt werden, so dass derartige Temperatureinflüsse sich nicht mehr oder zumindest nur noch unwesentlich bemerkbar machen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Messrohr im Bereich der Mischzone spiralförmig verformt sein und insbesondere spiralförmig angeordnete Einquetschungen aufweisen. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit im radial äußeren Bereich des Rohrquerschnitts erhöht, so dass die Wechselwirkung zwischen dem Medium und den Sensoren verbessert werden kann, was insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten vorteilhaft sein kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines rein exemplarischen Ausfüh rungsbeispiels beschreiben. Dieses Ausführungsbeispiel dient lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und darf insbesondere nicht als den Schutzbereich einschränkend aufgefasst werden. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Messrohr;
2 eine Seitenansicht des Messrohrs der 1;
3 eine perspektivische Ansicht des Messrohrs der 1 und 2; und
4 eine perspektivische Ansicht eines Durchflusssensors.
In allen Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird zunächst unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 das Messrohr des erfindungsgemäßen Durchflusssensors 10 beschrieben. Das Messrohr 12 weist im Wesentlichen zwei unterschiedliche Bereiche, nämlich eine Messzone 14 und eine Mischzone 16 auf, wobei beabsichtigt ist, das Messrohr 12 mit einem Medium in einer Richtung so zu durchströmen, dass sich die Messzone 14 stromabwärts der Mischzone 16 befindet. Diese Strömungsrichtung ist in sämtlichen Figuren durch einen Pfeil Q angedeutet. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das Medium zunächst in der Mischzone 16 durchmischt und vorzugsweise in einen turbulenten Strömungszustand überführt wird, bevor dessen Strömungs geschwindigkeit bzw. sein Durchfluss in der Messzone 14 ermittelt wird. Das Messrohr 12 selbst kann beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff wie Kupfer, Messing oder aber auch aus einem Edelstahl gefertigt sein.
Wie anschaulich einer Zusammenschau der 1 bis 3 entnommen werden kann, ist das Messrohr 12 mit einer Mehrzahl von Einquetschungen 18, 20, 22 versehen. So ist das Messrohr 12 in der Mischzone 16 mit einer ersten Gruppe von Einquetschungen 18 und einer zweiten Gruppe von Einquetschungen 20 versehen, wobei die ersten Einquetschungen 18 um 90° verdreht zu den zweiten Einquetschungen orientiert sind, so dass das Messrohr 12 in Ansicht und Draufsicht eine wiederkehrende diaboloartige Gestalt zeigt. Mit anderen Worten verläuft die Oberfläche des Messrohres 12 in Draufsicht und in Seitenansicht annähernd wellenförmig, wobei die Berge und Täler dieser Wellen Draufsicht und in Seitenansicht um 180° phasenverschoben sind. Durch eine derartige Anordnung der Einquetschungen 18, 20 wird eine mehrfache Querschnittsänderung des Durchflussquerschnitts des Messrohrs 12 erzeugt, wodurch das Medium beim Durchfließen der Mischzone 16 mehrfach verwirbelt wird, so dass in der gewünschten Weise ein turbulenter Strömungszustand sichergestellt werden kann.
Wie am besten der 1 entnommen werden kann, grenzt die Messzone 14 unmittelbar stromabwärts an die Mischzone 16 an, so dass zwischen der Mischzone 16 und der Messzone 14 keine Beruhigung des vermischten Mediums eintreten kann. Um der Neigung des Mediums sich zu beruhigen oder gar in den laminaren Strömungszustand zurückzukehren weiter entgegenzuwirken, weist das Messrohr 12 in der Messzone 14 zwei abgeflachte, sich gegenüberliegende Umfangsabschnitte 22 auf, im Bereich derer ein Heizelement 24 und ein zugehöriger Temperatursensor 26 an dem Messrohr 12 beispielsweise angelötet oder angeklebt sein können. Die beiden abgeflachten, sich gegenüberliegende Umfangsabschnitte 22 stellen somit eine weitere Einquetschung 22 des Messrohres 12 dar, womit auch in der Messzone 14 selbst einem unerwünschten Strömungsübergang in den laminaren Bereich wirksam entgegengewirkt werden kann.
Wie der 4 entnommen werden kann, ist das Messrohr 12 im Bereich des Mischzone 16 und im Bereich der Messzone 14 gegen externe Temperatureinflüsse mittels einer Ummantelung 28 in Form eines Isolierschlauchs isoliert, wobei sich diese Isolierung auch noch ein Stück weit stromabwärts der Messzone 14 erstreckt, um einer Wärmeleitung von einer etwaigen stromabwärts befindlichen Wärmequelle entgegenzuwirken. Die Messzone 14 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Messgehäuse 30 umkapselt, in dem zum einen das Heizelement 24 sowie der Temperatursensor 26 und zum andern eine elektronische Auswerteeinheit zur Auswertung der Messdaten untergebracht sind.
Abschließend wird nun die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Durchflusssensors beschrieben. Das Messrohr 12 wird mit einem fließenden Medium in Richtung Q so beaufschlagt, dass zunächst die Mischzone 16 und anschließend die Messzone 14 von dem Medium durchströmt wird. In der Mischzone 16 wird das Medium in Folge der speziellen Ausbildung der Mischzone 16 in der gewünschten Weise verwirbelt und in einen turbulenten Strömungszustand überführt, so dass der Strömungszustand stromabwärts der Mischzone 16 unabhängig von unterschiedlichen stromaufwärts befindlichen Regelorganen oder dergleichen stets derselbe ist, wodurch die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messergebnisse verbessert werden kann.
Das auf diese Weise verwirbelte Medium tritt anschließend in die Messzone 14 ein, wo seine Strömungsgeschwindigkeit bzw. sein Durchfluss mittels eines kalorimetrischen Messprinzips unter Einsatz des Heizelements 24 und des Temperatursensors 26 ermittelt wird. Hierzu wird das Heizelement 24 vorzugsweise konstant beheizt, wobei ein gewisser Anteil der mit dem Heizelement 24 in das strömende Medium eingespeisten Wärmemenge mit dem strömenden Medium stromabwärts abtransportiert wird, so dass dieser Anteil der Wärmemenge nicht mehr von dem Temperatursensors 26 registriert werden kann. Der Temperatursensor 26 misst somit mit immer größer werdender Strömungsgeschwindigkeit eine immer geringere Temperatur oder stellt eine immer größer werdende Temperaturdifferenz gegenüber dem Heizelement 24 fest, so dass ein Rückschluss hinsichtlich der aktuellen Strömungsgeschwindigkeit gezogen werden kann.

10: Durchflusssensor
12: Messrohr
14: Messzone
16: Mischzone
18: Einquetschung
20: Einquetschung
22: Einquetschung
24: Heizelement
26: Temperatursensor
28: Isolierung/Ummantelung
30: Gehäuse
Q: Strömungsrichtung

Claims

Durchflusssensor (10) zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums, mit einem Messrohr (12), welches eine Messzone (14) aufweist, in der auf dem Messrohr (12) ein Heizelement (24) und ein Temperatursensor (26) zur Registrierung eines Anteils der von dem Heizelement (24) abgegebenen Wärmeenergie angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) stromaufwärts der Messzone (14) eine Mischzone (16) aufweist, welche ausgebildet ist, um eine Durchmischung des Mediums vor Eintritt in die Messzone (14) sicherzustellen.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) in der Mischzone (16) ausgebildet ist, um einen turbulenten Strömungszustand des Mediums sicherzustellen.
Durchflusssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) in der Mischzone (16) einen sich wiederholt verändernden Durchflussquerschnitt aufweist.
Durchflusssensor nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) in der Mischzone (16) an einer Mehrzahl von Stellen mit Einquetschungen (18, 20) versehen ist, wobei die einzelnen Einquetschungen (18, 20) das Messrohr (12) in unterschiedlichen Richtungen quer zu seiner Längsrichtung verjüngen.
Durchflusssensor nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) in der Mischzone (16) eine erste Gruppe von Einquetschungen (18) und eine zweite Gruppe von Einquetschungen (20) aufweist, wobei die einzelnen Einquetschungen (18) der ersten Gruppe jeweils abwechselnd zu den einzelnen Einquetschungen (20) der zweiten Gruppe angeordnet sind und eine andere Ausrichtung als die Einquetschungen der zweiten Gruppe in Bezug auf die Längsrichtung des Messrohrs (12) aufweisen.
Durchflusssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Einquetschungen (18) der ersten Gruppe eine um 90° abweichende Orientierung gegenüber den Einquetschungen (20) der zweiten Gruppe aufweisen.
Durchflusssensor nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) in der Messzone (14) zwei abgeflachte, sich gegenüberliegende Umfangsabschnitte (22) zur Befestigung des Heizelements (24) und des Temperatursensors (26) aufweist.
Durchflusssensor nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) zumindest im Bereich der Mischzone (16) gegen externe Temperatureinflüsse isoliert ist.
Durchflusssensor nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) im Bereich der Mischzone (16) spiralförmig verformt ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) zumindest im Bereich der Mischzone (16) spiralförmig angeordnete Einquetschungen aufweist.