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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Staudrucksonde, durch welche der Staudruck
eines strömenden, mit Fremdstoffen durchsetzten Mediums
gemessen wird.
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Stand der Technik
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Aus
der
WO2007/009409 ist
eine Staudrucksonde mit einem strömungsmechanischen Differenzdruckerhöher
bekannt, welche aufgrund konstruktiver Ausgestaltung in gewissem
Masse bereits unempfindlich ist gegenüber in der Strömung
mitgeführten Fremdstoffen.
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Es
hat sich gezeigt, dass beim Einsatz der bekannten Staudrucksonde
in stärker mit Fremdstoffen durchsetzten Medien, sich diese
Fremdstoffe unter Umstanden dennoch im Bereich der Staufläche am
Differenzdruckerhöher ansammeln können.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Staudrucksonde, welche nach dem
Prinzip des Staudruckerhöhers arbeitet zu schaffen, wobei
diese Staudrucksonde noch unempfindlicher gegenüber in
der Strömung mitgeführten Fremdstoffen ist.
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Technische Lösung
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Die
Erfindung macht sich die Erkenntnis zu eigen, dass die Fremdstoffe
eine sehr geringe Trägheit aufweisen und daher der Strömung
direkt folgen, ein Verhalten, welche in der Fachwelt unter dem Begriff
Partikelfolgeverhalten bekannt ist.
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Unter
Anwendung dieser Erkenntnis wurde in erfinderischer Weise die Sonde
so ausgestaltet, dass die Strömungsrichtung im Nahfeld
des Differenzdruckerhöhers nicht senkrecht zur Staufläche verläuft.
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Die
erfindungsgemäße Sonde hat einen Differenzdruckerhöher
besonderer Ausgestaltung mit einer schrägen Anlauffläche,
auf welche die Strömung trifft und abgelenkt wird.
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Der
durch diese Ablenkung resultierende Richtungsvektor der Strömung
im Nahfeld des Differenzdruckerhöher setzt sich zusammen
aus einem Anteil senkrecht zur Staufläche und einem Anteil
tangential zur Staufläche.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Der
tangential verlaufende Anteil bewirkt, dass Fremdstoffe, welche
stets der Strömung folgen an der Staufläche des
Differenzdruckerhöhers vorbeigeführt werden. Eine
Gefahr von Ablagerungen wird hierdurch vorteilhaft reduziert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird anhand von mehreren Figuren näher erläutert,
es zeigen:
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1 die
Staudrucksonde in Seitenansicht, quer zur Strömung,
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2 die
Staudrucksonde in Seitenansicht, längs zur Strömung
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3 die
Staudrucksonde von unten betrachtet,
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4 einen
Schnitt durch die Staudrucksonde gemäß 2
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5 eine
weitere Ausgestaltung der Staudrucksonde
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6 den
Strömungsverlauf an der Staudrucksonde im Detail
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Die
Seitenansicht der Sonde 1 in 1 ist quer
zur Strömungsrichtung S gewählt. Die Sonde 1 ist über
Befestigungselemente 2 an einem hier nicht gezeichneten
Rohr so befestigbar, dass die Staufläche 3a des
Differenzdruckerhöhers 3 in Richtung der Strömung
S zeigt.
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Die
Anlauffläche 3a des Differenzdruckerhöhers 3 hat
einen rampenartigen Verlauf. Im Bereich der Anlauffläche 3 befindet
sich eine in dieser Darstellung nicht sichtbare Öffnung.
Diese Öffnung ist das Ende eines Kanals, der durch eine
Verlängerung 4 nach oben in den Kopf 5 der
Sonde 1 verläuft.
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Auf
der von der Strömung abgewandten Seite des Differenzdruckerhöhers 3 befindet
sich ebenfalls eine Fläche, in der ebenfalls eine Öffnung
und Bohrung vorhanden ist, die bis in den Kopf 5 der Sonde 1 führt.
Die strömungsabgewandte Seite des Differenzdruckerhöhers
ist in dieser Darstellung nicht sichtbar, Details hierzu sind in
der 3 zu sehen.
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Durch
die Wirkung des Differenzdruckerhöhers 3 entsteht
in Abhängigkeit von der Strömung S ein Differenzdruck
zwischen den beiden Öffnungen der Bohrungen.
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Die
Sonde 1 ist im Bereich des Differenzdruckerhöhers 3 auf
der zur Strömung S zeigenden Seite und auf der von der
Strömung abgewandten Seite in etwa symmetrisch aufgebaut.
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Dieser
symmetrische Aufbau hat den Vorteil, dass mit der Sonde 1 eine
Strömung gemessen werden kann, egal aus welcher Richtung
die Strömung kommt. Es ist mit dieser Sonde 1 daher
auch sehr gut möglich Strömungen zu messen, die
mit wechselnder Richtung in einem Rohr pulsieren.
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Ebenso
ist es natürlich auch möglich, den Aufbau asymmetrisch
zu gestalten. Durch die asymmetrische Gestaltung ist es möglich
die Anlauffläche optimiert für eine bevorzugte
Strömungsrichtung zu gestalten.
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Im
Kopf 5 der Sonde 1 können auch Drucksensoren
untergebracht sein, ebenso ist es möglich, vom Kopf 5 aus über
Leitungen eine Verbindung zu Drucksensoren herzustellen.
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Die
Verlängerung 4 ist so gewählt, dass sich der
Differenzdruckerhöher 3 und damit die Anlauffläche 3a in
einem Bereich des Rohres befinden, in welchem keine Randeffekte
der Rohrwandung mehr vorhanden sind. Die Verlängerung 4 kann
je nach Einsatztort der Sonde 1 unterschiedlich lang ausgestaltet
sein.
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Die
Verlängerung 4 ihrerseits ist so ausgestaltet,
dass sie geringen Strömungswiderstand aufweist.
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Die
Strömung S trifft nicht senkrecht sondern schräg
auf die Anlauffläche 3a und wird hierdurch abgelenkt.
Im Bereich der Öffnung zu dem Kanal setzt sich der Richtungsvektor
der Strömung zusammen aus einem Anteil tangential zur Anlauffläche 3a und einem
Anteil, der weiter in Richtung der ursprünglichen Strömung
S verläuft.
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Dieser
gerade verlaufende Anteil tritt in die Öffnung ein.
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Die 2 zeigt
die aus 1 bekannte Situation in Strömungsrichtung
betrachtet. In der Anlauffläche 3 erkennt man
nun die Öffnung, welche über den Kanal 6 in
der Verlängerung 4 zum Kopf 5 der Sonde 1 führt.
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Aufgrund
des schrägen Verlaufes der Anlauffläche 3 ergibt
die zylindrische Bohrung des Kanals 6 eine ovale Öffnung.
Der schraffiert dargestellte Bereich ist die Innenwand 6a des
Kanals 6.
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Diese
Innenwand 6a ist bezogen auf die Anlauffläche 3a zurückversetzt.
Fremdstoffe, welche sich im strömenden Medium befinden
haben kaum die Möglichkeit bis an die zurückversetzte
Innenwand 6a zu gelangen, denn der Strömungsanteil
der tangential zur Anlauffläche 3a strömt
wirkt wie eine Barriere für diese Fremdstoffe.
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Die
Fremdstoffe haben eine geringe Masse und bringen nicht die kinetische
Energie mit, die notwendig wäre, um diese Strömungsbarriere
zu durchbrechen um dann auf die Innenwand 6a zu gelangen.
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Die
Sonde 1 ist bevorzugt so eingebaut, dass die Öffnungen
nach unten zeigen, wodurch die auf die Fremdkörper wirkende
Schwerkraft und die tangential zur Anlauffläche 3a verlaufende
Strömungskraft in eine annähernd gleiche Richtung
wirken. Hierdurch ist es noch unwahrscheinlicher, dass ein Fremdkörber
bis an die Wandung 6a gelangt.
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In
der Ansicht nach 2 ist die schmale Vorderkante 4a der
Verlängerung 4 zu sehen. Die Verlängerung 4 hat
einen strömungsoptimierten Querschnitt mit einem der Strömung
zugewandten spitzen Vorderteil 4a. Anschließend
weitet sich der Querschnitt, um ausreichend Platz für die
Bohrungen zu bieten und zur strömungsabgewandten Seite
hin verjüngt sich der Querschnitt wieder zu einem spitzen Endteil.
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Die
Schnittlinie IV-IV bezieht sich auf die Darstellung in 4.
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Die 3 zeigt
einen Blick von unten auf die Sonde 1. In dieser Ansicht
ist der symmetrische Aufbau erkennbar. Die Anlauffläche 3a des
Differenzdruckerhöhers 3 ist breiter als die Verlängerung 4.
Von der Verlängerung 4 ist das spitze Vorderteil 4a und das
ebenfalls spitze Endteil 4b sichtbar.
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Auf
der strömungsabgewandten Seite des Differenzdruckerhöhers 3 befindet
sich der Kanal 7.
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Der
Bereich der Verlängerung 4, in welchem die Kanäle 6 und 7 verlaufen
ist in dieser Ansicht durch die Anlauffläche 3 und
die Unterdruckseite 3a des Differenzdruckerhöhers 3 verdeckt.
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Der
Winkel mit dem die Aussenflächen am Vorderteil 4a zusammentreffen
beträgt ca. 22 Grad, der Winkel mit dem die Aussenflächen 4b am
Endteil auslaufen beträgt ebenfalls etwa 22 Grad.
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Die 4 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 2. Der Querschnitt
der Verlängerung 4 ist nur unwesentlich dicker
als die Bohrlochweite der Kanäle 6 und 7.
Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Sonde 1 einen
geringen Strömungswiderstand bietet und nur in dem Bereich
der Sonde, in welchem ein Strömungswiderstand für
die Funktion der Sonde notwendig ist, tritt der durch den Differenzdruckerhöher
hervorgerufene Staudruck auf.
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Die 5 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Die Ansicht ist in Strömungsrichtung gewählt.
Bei dieser Ausführung ist die rampenartige Anlauffläche 3a des
Differenzdruckerhöhers 3 breiter gestaltet. Hierdurch
ergibt sich ein größerer tangential zur Anlauffläche 3a verlaufender
Strömungsanteil.
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Wie
bereits weiter oben beschrieben wirkt dieser tangential verlaufende
Strömungsanteil als Barriere für in der Strömung
mitgeführte Fremdstoffe. Eine stärkere Strömung
stellt nun auch eine stärkere Barriere dar, die dann wieder
geeignet ist, Fremdstoffe mit höherer kinetischer Energie
abzuhalten.
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Die 6 zeigt
eine Seitenansicht der Sonde 1 mit den Strömungslinien
S.
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Durch
die Anlauffläche 3a wird ein Teil S1 der Strömung
S abgelenkt und verläuft als Strömung S1 im wesentlichen
tangential zur Anlauffläche 3a. Der abgelenkte
Teil S1 der Strömung trifft in einem Winkel, der im wesentlichen
dem Neigungswinkel der Anlauffläche 3a entspricht
auf die nicht abgelenkte Strömung S. Die nicht abgelenkte
Strömung S bietet dem abgelenkten Anteil S1 der Strömung
einen Widerstand.
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Die
Folge ist eine Verminderung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit
und die Erhöhung des örtlichen Druckes im Bereich 3b.
In diesem Bereich 3b befindet sich die Öffnung
des Kanals 6.
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Diese
erfinderische Ausgestaltung der Anlauffläche 3a und
das dadurch erreichte, den örtlichen Druck erhöhende
Strömungsverhalten im Bereich 3b trägt
zur gesamten Wirkung des Differenzdruckerhöhers 3 bei.
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Die
Dimensionierung der Anlauffläche ist so auf den jeweiligen
Anwendungsfall abstimmbar. Bei Messungen in einem Medium, das nur
kleine Fremdstoffe mitführt ist eine kleine Anlauffläche
notwendig. Eine kleine Anlauffläche hat den Vorteil eines
geringeren Strömungswiderstandes.
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Eine
größere Anlauffläche wird immer dann zum
Einsatz kommen, wenn die vorteilhafte Eigenschaft einer stärkeren
Barrierewirkung gewünscht wird, um auch größere
Fremdstoffe abzuweisen.
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Zusätzlich
zu den auf Strömungsmechanik basierenden Maßnahmen
ist es optional möglich, die Oberfläche der Sonde
mit einer Fremdstoffe abweisenden Schicht, etwa sogenannten Nanoteilen
auszustatten. Sollte dann doch der eine oder andere Fremdkörper
die Wand 6a erreichen, so ist die Gefahr verringert, dass
dieser Fremdstoff an der Sonde haften bleibt.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die
Erfindung ist gewerblich anwendbar im Bereich der Strömungsmessung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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