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Die Erfindung betrifft einen Durchflussmengenmesser zur Bestimmung der Durchflussmenge eines Fluids, das durch einen Messkanal strömt. Der Durchflussmengenmesser umfasst zwei Ultraschallwandler, die entlang des Messkanals im Abstand angeordnet sind, wobei der erste Ultraschallwandler ein Ultraschallsignal in den Messkanal sendet und der zweite Ultraschallwandler das ausgesandte Ultraschallsignal empfängt, und mindestens einen Umlenkspiegel, der im Messkanal angeordnet ist und das Ultraschallsignal vom ersten Ultraschallwandler in Richtung auf den zweiten Ultraschallwandler reflektiert.
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Durchflussmengenmesser werden unter anderem in Wärmezählern verwendet. Mithilfe eines Wärmezählers ist es möglich, die Wärmemenge, welche Verbrauchern beispielsweise über einen Heizkreislauf zugeführt oder Wärmetauschern über einen Kühlkreislauf entnommen wird, zu ermitteln. Hierzu wird das Volumen eines Fluids, das durch einen Messkanal strömt, mithilfe des Durchflussmengenmessers gemessen. Temperaturfühler ermitteln darüber hinaus die Temperaturdifferenz des Fluids zwischen zwei Messpunkten. Basierend auf diesen beiden Messungen kann der Wärmezähler dann die verbrauchte Wärme ermitteln.
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Aus der
EP 2 267 416 A1 ist eine Durchflussmengenmesseinrichtung für fluide Medien, insbesondere in Wärmezählern, bekannt. Ein erster Ultraschallwandler ist in einem Gehäuse der Durchflussmengenmesseinrichtung angeordnet und sendet Ultraschallwellen aus, die sich durch das fluide Medium ausbreiten. Die Ultraschalwellen werden von zwei Umlenkspiegeln derart umgelenkt, so dass sie zu einem zweiten Ultraschallwandler gelangen. Der zweite Ultraschallwandler empfängt die vom ersten Ultraschallwandler ausgesendeten Ultraschallwellen und sendet selbst ebenfalls Ultraschallwellen aus, die sich in entgegengesetzter Richtung durch das fluide Medium ausbreiten. Diese Ultraschallwellen werden vom ersten Ultraschallwandler empfangen. Anhand der Laufzeitdifferenzen der von den zwei Ultraschallwandlern ausgesendeten Ultraschallwellen lässt sich die Durchflussmenge bestimmen.
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Um Reparaturen an der Durchflussmengenmesseinrichtung durchführen zu können, sind die Umlenkspiegel auf einem lösbar im Gehäuse der Durchflussmengenmesseinrichtung befestigten Tragarm angeordnet. Der Tragarm kommt auf der einen Seite zwischen dem Gehäuse und einem im Gehäuse befindlichen Messrohr zur Anlage und wird auf der anderen Seite von Federelementen im Gehäuse der Durchflussmengenmesseinrichtung gehalten. Wird die Durchflussmengenmesseinrichtung über einen längeren Zeitraum betrieben, setzen sich auf den Umlenkspiegeln Ablagerungen ab, wodurch die Messgenauigkeit der Durchflussmengenmesseinrichtung negativ beeinflusst wird.
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Aus der
EP 1 978 337 A1 ist ein Ultraschallzähler zur Bestimmung der Durchflussmenge eines strömenden Mediums bekannt. Hierzu sind zwei Ultraschallwandler und zwei Umlenkspiegel vorgesehen, wobei die Umlenkspiegel Ultraschallwellen von dem ersten Ultraschallwandler zu dem zweiten Ultraschallwandler und umgekehrt lenken. Zur Vermeidung von Ablagerungen auf den Umlenkspiegeln sind Düsen, Leitflügel oder Durchflusskanäle derart angeordnet, dass das Medium beschleunigt über die Oberfläche der Umlenkspiegel strömt. Somit werden Strömungsschatten im Bereich der Umlenkspiegel vermieden und die Umlenkspiegel durch die gezielte Anströmung kontinuierlich gereinigt. Die Umlenkspiegel werden in Umlenkspiegelhalter eingesetzt, welche die Umlenkspiegel über Haltestege am Gehäuse abstützen. Der Ultraschallzähler ist konstruktiv aufwändig gestaltet und teuer in der Herstellung.
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Angesichts dieser Problematik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen Durchflussmengenmesser zur Bestimmung der Durchflussmenge eines Fluids bereitzustellen, bei dem Ablagerungen auf einem Umlenkspiegel vermieden werden und der Messungen mit einer erhöhten Messgenauigkeit ermöglicht.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einem Durchflussmengenmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gelöst wird die Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen konstruktiven Merkmale.
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Bei dem erfindungsgemäßen Durchflussmengenmesser sitzt der mindestens eine Umlenkspiegel auf einem Sockel. Der Sockel ragt in den Messkanal und weist einen Durchflusskanal auf.
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Der Sockel wird von dem Fluid angeströmt. In dem Bereich, in dem die Strömung auf den Sockel auftrifft, bildet sich ein Staudruck. Indem ein großer Teil des Fluids ungehindert durch den Durchflusskanal strömt, wird dieser Staudruck auf ein Minimum reduziert. Insbesondere an dem in den Messkanal hinein ragenden Ende des Sockels bewirkt eine Verringerung des Staudrucks eine bessere Umströmung des Umlenkspiegels. Strömungsschatten im Bereich des Umlenkspiegels werden minimiert, so dass dieser durch das strömende Fluid kontinuierlich gereinigt wird. Ablagerungen auf dem Umlenkspiegel werden somit vermieden.
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Darüber hinaus werden mit Hilfe des Durchflusskanals Coandă-Effekte, also die Tendenz einer Flüssigkeitsströmung, an einer konvexen Oberfläche entlang zu laufen, anstatt sich abzulösen und sich in der ursprünglichen Fließrichtung weiterzubewegen, reduziert. Deshalb zeichnet sich der erfindungsgemäße Durchflussmengenmesser durch ein weitgehend homogenes Strömungsprofil im Messkanal aus, was die Messgenauigkeit beträchtlich erhöht.
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Ein wichtiges optionales Merkmal der Erfindung ist, dass sich der Durchflusskanal parallel zur Strömungsrichtung des strömenden Fluids erstreckt. Indem sich der Durchflusskanal parallel zur Strömungsrichtung erstreckt, kann das Fluid den Sockel möglichst ungehindert passieren. Dadurch wird der Strömungswiderstand des Sockels minimiert und damit der Staudruck des Fluids weiter verringert.
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Bevorzugt ist der Durchflusskanal als Durchgangsbohrung ausgebildet. Somit kann der Durchflusskanal einfach und kostengünstig gefertigt werden.
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Es ist zweckmäßig, den Sockel zylindrisch auszubilden. Beispielsweise ist der Sockel als massives zylindrisches Bauteil ausgeführt. Dadurch wird gewährleistet, dass sich der Sockel in der Strömung nicht bewegt. Somit werden negative Einflüsse auf die Messgenauigkeit vermieden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der Sockel und der Umlenkspiegel aus einem Stück Metall gefertigt. Beispielsweise ist der Umlenkspiegel als eine glatte Fläche des Sockels ausgebildet, die sich an dem in den Messkanal hineinragendem Ende des Sockels befindet. Das Reflexionsvermögen dieser Fläche kann durch zusätzliche Bearbeitungsschritte wie Polieren gesteigert werden. Um einen hohen Reflexionsgrad der Fläche zu gewährleisten, wird ein Metall mit hoher Dichte für den Sockel und den Umlenkspiegel gewählt. Insbesondere Edelstahl ist für den vorliegenden Verwendungszweck sehr gut geeignet. Es sind aber auch alle anderen Metalle denkbar, die ausreichend korrosionsbeständig sind und eine hohe Dichte aufweisen.
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Ein wichtiges optionales Merkmal der Erfindung ist, dass ein zweiter Umlenkspiegel im Messkanal angeordnet ist, wobei der zweite Umlenkspiegel auf einem zweiten Sockel sitzt, der einen Durchflusskanal aufweist. Bevorzugt sind die beiden Durchflusskanäle des in Strömungsrichtung ersten und zweiten Sockels koaxial zueinander angeordnet und weisen den gleichen Durchmesser auf. Der Durchflusskanal des zweiten Sockels minimiert den Außenströmungsschatten in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Sockel. Dies minimiert Verwirbelungen der Strömung in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Sockel.
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Bevorzugt sind die Durchflusskanäle der Sockel koaxial zueinander angeordnet. Dadurch können Verwirbelungen des Fluids im Messkanal und der Strömungswiderstand der beiden Sockel weiter reduziert werden.
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In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Wärmezähler zur Durchführung einer Wärmemessung entlang eines Messkanals mit einem erfindungsgemäßen Durchflussmengensensor sowie einem Temperaturfühler, der zumindest teilweise im Messkanal angeordnet ist. Insbesondere durch den Durchflusskanal im Sockel des zweiten Spiegels wird die Anströmung des Temperaturfühlers verbessert, so dass dieser Temperaturänderungen schnell und genau erfassen kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Wärmezähler mit einem Durchflussmengenmesser, der vertikal geschnitten ist;
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2 den Wärmezähler von 1 in einem Horizontalschnitt.
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1 zeigt einen Wärmezähler 1 mit einem Durchflussmengenmesser 2 und einem Temperaturfühler 3.
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Der Durchflussmengenmesser 2 umfasst ein Gehäuse 4 mit einem Messrohr 5, das bevorzugt aus Messing ausgebildet ist. In dem Messrohr 5 ist ein Messkanal 6 angeordnet, durch den Wasser entlang einer Strömungsrichtung 7 strömt. Der Messkanal 6 erstreckt sich über die gesamte Länge des Messrohrs 5.
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Zur Bestimmung der Durchflussmenge des Wassers umfasst der Durchflussmengenmesser 2 einen ersten Ultraschallwandler 8 und einen zweiten Ultraschallwandler 9. Beide Ultraschallwandler 8, 9 sind im Gehäuse 4 entlang des Messkanals 6 voneinander beabstandet angeordnet. Der erste Ultraschallwandler 8 sendet ein Ultraschallsignal in den Messkanal 6, das mit Hilfe eines ersten Umlenkspiegels 10 und eines zweiten Umlenkspiegels 11 zweimal so umgelenkt wird, dass es vom zweiten Ultraschallwandler 9 empfangen werden kann. Auch der zweite Ultraschallwandler 9 sendet ein Ultraschallsignal in Gegenrichtung in den Messkanal 6, das mit Hilfe der Umlenkspiegel 10, 11 umgelenkt und vom ersten Ultraschallwandler 8 empfangen wird. Anhand der Laufzeitunterschiede der beiden Ultraschallsignale kann mit Hilfe von aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren die Durchflussmenge des Fluids berechnet werden.
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Beide Umlenkspiegel 10, 11 sind im Messkanal 6 angeordnet. Der erste Umlenkspiegel 10 sitzt auf einem ersten Sockel 12. Der zweite Umlenkspiegel 11 sitzt auf einem zweiten Sockel 13. Sowohl der erste Umlenkspiegel 10 und der erste Sockel 12 wie auch der zweite Umlenkspiegel 11 und der zweite Sockel 13 sind jeweils aus einem Stück Metall, bevorzugt Edelstahl, gefertigt. Als Umlenkspiegel dienen polierte ebene Flächen 14 der Sockel 12, 13. Die spiegelnden Flächen 14 stehen relativ zu der Längsachse des jeweiligen Sockels 12, 13 um ca. 45 Grad schräg und sind einander spiegelbildlich zugewandt angeordnet.
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Beide Sockel 12, 13 sind in Ausnehmungen 15 des Messrohrs 5 eingesetzt und fest mit diesem verbunden. Sie sind als massive Bauteile ausgeführt und ragen in den Messkanal 6 hinein. Beide Sockel 12, 13 weisen einen Durchflusskanal auf, der bevorzugt als Durchgangsbohrung 16 ausgebildet ist. Der Durchflusskanal kann aber auch als Langloch oder als durchgehende Fräsung mit einem annähernd viereckigen Querschnitt ausgebildet sein.
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Die Durchgangsbohrung 16 erstreckt sich bevorzugt parallel zur Strömungsrichtung 7 des strömenden Fluids. Es ist aber auch denkbar die Durchgangsbohrung 16 in einem Winkel von bis zu ±15° zur Strömungsrichtung im Raum geneigt anzuordnen.
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Gemäß 2 sind beide Sockel 12, 13 bevorzugt zylindrisch ausgebildet. Es versteht sich, dass die Sockel 12, 13 auch rechteckige, ovale oder sonstige, insbesondere strömungsoptimierte, Querschnitte aufweisen können.
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Die Durchgangsbohrungen 16 sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Sie können aber auch zueinander versetzt positioniert sein. Bevorzugt weisen die Durchgangsbohrungen 16 identische Innendurchmesser auf.
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Zwischen den beiden Sockeln 12, 13 ist im Messkanal 6 ein Einsatz 17 angeordnet, der entlang der Strömungsrichtung 7 den Strömungsquerschnitt des Messkanals 6 verengt. Der Einsatz 17 ist derart ausgebildet, dass er Ultraschallwellen absorbiert, so dass im Bereich des Einsatzes 17 keine ungewollten Reflexionen entstehen können. Der Einsatz 17 besteht aus einem unpolarem Werkstoff, insbesondere Kunststoff, der sich bei Temperaturänderungen, die beim Betrieb des Durchflussmengenmessers 2 auftreten können, nicht oder nur sehr gering verformt.
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In Strömungsrichtung 7 vor dem ersten Sockel 12 ist ein Strahlrichter 18 im Messkanal 6 angeordnet, der eine eventuell turbulente, in den Messkanal 6 hinein strömende Strömung richtet, so dass diese ein über den Strömungsquerschnitt gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil aufweist.
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Nach dem in Strömungsrichtung 7 zweiten Sockel 13 ragt der Temperaturfühler 3 in den Messkanal 6 hinein. Das Messrohr 5 weist in diesem Bereich einen Schrägstutzen 19 auf, in den der Temperaturfühler 3 eingesteckt und befestigt wird.
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Im Folgenden soll anhand der 1 und 2 erläutert werden, wie das Wasser, dessen Durchflussmenge zu bestimmen ist, durch den Messkanal 6 strömt.
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In den Messkanal 6 einströmendes Wasser wird, wie oben beschrieben, mit Hilfe des Strahlrichters 18 derart gerichtet, dass sich eine über den Strömungsquerschnitt möglichst gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung ergibt. Das strömende Wasser trifft sodann auf den ersten Sockel 12 und umströmt diesen. Dabei strömt ein Teil des Wassers direkt durch die Durchgangsbohrung 16 und damit durch den ersten Sockel 12 hindurch. Dadurch wird der Staudruck der auf den ersten Sockel 12 treffenden Strömung im Bereich des ersten Sockels 12 verringert. Dies bewirkt, dass im Bereich des ersten Umlenkspiegels 10 Strömungsschatten weitgehend vermieden werden. Somit ist der erste Umlenkspiegel stets vollständig von Wasser umspült, so dass sich praktisch keine Ablagerungen auf dem Umlenkspiegel 10 bilden können.
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In Strömungsrichtung 7 hinter dem ersten Sockel 12 mit Umlenkspiegel 10 strömt das Wasser durch den Einsatz 17, der den Querschnitt des Messkanals 6 verringert. Dadurch wird die Strömung beschleunigt und ein über den Strömungsquerschnitt noch konstanteres Geschwindigkeitsprofil erzeugt. Durch die höhere Geschwindigkeit der Strömung im Bereich des Einsatzes 17 können selbst geringe Durchflussmengen exakt bestimmt werden. Der Einsatz 17 absorbiert dabei auftreffende Ultraschallwellen, so dass keine ungewollten Reflexionen entstehen.
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Nach Austritt aus dem Einsatz 17 trifft das strömende Wasser auf den zweiten Sockel 13, dessen schräge Fläche 14 als zweiter Umlenkspiegel 11 dient. Der zweite Sockel 13 wird vollständig umspült, wobei das Wasser zu einem großen Teil ungehindert durch die Durchgangsbohrung 16 des zweiten Sockels 13 fließt. Die Durchgangsbohrung 16 ermöglicht, dass Außenströmungsschatten hinter dem in Strömungsrichtung 7 zweiten Sockel 13 minimiert werden. Somit wird der Temperaturfühler 3, der in Strömungsrichtung 7 hinter dem zweiten Sockel 13 angeordnet ist, sehr gleichmäßig angeströmt. Deshalb können auch geringe Temperaturänderungen vom Temperaturfühler 3 zuverlässig gemessen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmezähler
- 2
- Durchflussmengenmesser
- 3
- Temperaturfühler
- 4
- Gehäuse (Durchflussmengenmesser)
- 5
- Messrohr
- 6
- Messkanal
- 7
- Strömungsrichtung
- 8
- erster Ultraschallwandler
- 9
- zweiter Ultraschallwandler
- 10
- erster Umlenkspiegel
- 11
- zweiter Umlenkspiegel
- 12
- erster Sockel
- 13
- zweiter Sockel
- 14
- Flächen (Sockel)
- 15
- Ausnehmungen (Gehäuse)
- 16
- Durchgangsbohrung (Durchflusskanal)
- 17
- Einsatz
- 18
- Strahlrichter
- 19
- Schrägstutzen (Gehäuse)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2267416 A1 [0003]
- EP 1978337 A1 [0005]
