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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmessvorrichtung zum Messen einer Strömung eines Mediums, wobei die Strömungsmessvorrichtung ein Strömungsrohr zum Führen des Mediums aufweist, dessen Strömung gemessen werden muss, wobei das Strömungsrohr einen Einlass und einen stromaufwärts davon angeordneten Auslass aufweist, wobei die Strömungsmessvorrichtung mit einem ersten Durchflusssensor zum bei einer ersten Position des Strömungsrohrs Messen der Strömung des Mediums versehen ist.
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Eine solche Strömungsmessvorrichtung ist beispielsweise aus der
EP 2 078 936 B1 bekannt. Die bekannte Strömungsmessvorrichtung ist mit einem Systemchip versehen und weist ein Substrat mit einer Öffnung auf, in der ein Siliziumnitrit-Strömungsrohr zum Führen eines Mediums vorgesehen ist, dessen Strömung gemessen werden muss. Das in der
EP 2 078 936 B1 beschriebene Strömungsrohr bildet einen Bestandteil eines Coriolis-Durchflusssensors und ist zum Messen von sehr niedrigen Massenströmen ausgebildet, bis weit unterhalb von 1 Gramm pro Stunde. Bei einer anderen Ausführungsform bildet das Strömungsrohr einen Bestandteil eines sogenannten thermischen Durchflusssensors.
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Die bekannte Strömungsmessvorrichtung ist hinsichtlich des Messbereichs beschränkt, d. h. spezifisch für einen bestimmten Messbereich geeignet. Obwohl die bekannte Strömungsmessvorrichtung die Anforderungen ausgezeichnet erfüllt, besteht Bedarf nach einer Strömungsmessvorrichtung mit einem anderen, vorzugsweise größeren Messbereich, und auch vorzugsweise ohne dadurch die relativ kleinen Abmessungen des Sensors nachteilig zu beeinflussen.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Strömungsmessvorrichtung mit einem angepassten Messbereich zu schaffen.
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Im Lichte dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmessvorrichtung des in der Einleitung genannten Typs, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Strömungsmessvorrichtung mit einem oder mehreren parallel zu dem Durchflusssensor angeordneten weiteren Strömungsrohren versehen ist, das bzw. die in Fluidverbindung steht bzw. stehen mit dem Einlass und dem Auslass des Strömungsrohrs.
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Durch das Bereitstellen von mindestens einem weiteren Strömungsrohr oder Bypasskanal nimmt die Strömung durch den Strömungssensor hindurch ab, und zwar so, dass mit demselben Sensor, vorzugsweise mit denselben kleinen Abmessungen, die Strömung auch bei höheren Durchflussraten der Strömung messbar ist. Durch geschickte Dimensionierung des weiteren Strömungsrohrs ist das Bypassverhältnis – das Verhältnis zwischen der Strömungsmenge des Mediums, die durch das Strömungsrohr strömt, und der Strömungsmenge des Mediums, die durch das eine oder die mehreren weitere(n) Strömungsrohr(e) strömt – und damit der Bereich der Strömungsmessvorrichtung vorab zu gestalten bzw. gestaltbar, ohne dass dadurch die Abmessungen des Durchflusssensors selbst angepasst werden müssen. Mit einem relativ kleinen Durchflusssensor kann damit der Messbereich vergrößert werden. Damit ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst.
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Bei einer Ausführungsform sind die Strömungsrohre rund ausgebildet. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Durchmesser des Strömungsrohrs identisch mit dem Durchmesser von einem oder mehreren weiteren Strömungsrohren. Auf zielführende Weise wird hiermit erreicht, dass das Bypassverhältnis, welches aus der Bernoulligleichung und dem Poissonschen Gesetz für Rohrströmung abgeleitet werden kann, nur von Verhältnissen zwischen den Kanallängen und der Anzahl der Kanäle abhängig ist.
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Das Bypassverhältnis liegt bei einer Ausführungsform zwischen 1:5 und 1:100, vorzugsweise zwischen 1:20 und 1:80, noch vorteilhafter zwischen 1:40 und 1:60. Es strömt dann mehr Flüssigkeit durch die weiteren Strömungsrohre als durch das Strömungsrohr mit dem Strömungssensor.
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Bei einer Ausführungsform weist die Strömungsmessvorrichtung Steuer- und/oder Regelmittel bzw. Regeleinrichtungen zum Regeln des Bypassverhältnisses der Strömung auf. Durch Bereitstellen der Steuer- und/oder Regelmittel zum Einstellen des Bypassverhältnisses kann die Strömung durch den Strömungssensors aktiv vergrößert oder verkleinert werden, und zwar so, dass die Strömung durch den Strömungssensor zu dem Messbereich dieses Strömungssensors passt. Der Rest der Strömung strömt dann durch einen oder mehrere Bypasskanäle, die parallel zu dem Strömungssensor geschaltet sind. Die Steuer- und/oder Regelmittel sind bei einer Ausführungsform dazu ausgebildet, das Bypassverhältnis genau einzustellen, wodurch auch unmittelbar klar ist, welcher Teil der Strömung nun tatsächlich gemessen wird und welcher Teil durch die Bypasskanäle strömt. Zu diesem Zweck kann ein ergänzender Durchflusssensor in den Bypasskanälen vorgesehen sein. Die Strömungsmessvorrichtung ist dazu ausgebildet, um den gemessenen Wert des Strömungssensors auf Basis des Bypassverhältnisses anzupassen, um so zu einem tatsächlichen bzw. wirklichen Wert der Strömung zu gelangen. Mittels der Steuer- und/oder Regelmittel mit den Bypasskanälen ist somit ein genauerer, einstellbarer und größerer Messbereich möglich, womit ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht ist.
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In einfacher und effizienter Weise können die Steuer- und/oder Regelmittel ein oder mehrere Ventilorgane aufweisen, wie beispielsweise Mikroventile. Diese ein oder mehrere Ventilorgane können in dem einen oder mehreren weiteren Strömungsrohren (oder Bypasskanälen) vorgesehen sein.
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Es ist insbesondere bevorzugt, wenn der Durchflusssensor dem Coriolis-Typ zuzuordnen ist. Es ist jedoch denkbar, dass andere Strömungssensoren verwendet werden.
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Es ist weiterhin denkbar, dass die Strömungsmessvorrichtung einen weiteren Durchflusssensor aufweist. Dieser kann z. B. für Kalibrationszwecke oder Kontrollzwecke eingesetzt werden, wie vorstehend anhand der Steuer- und/oder Regelmittel bereits beschrieben.
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Bei einer Ausführungsform ist der weitere Durchflusssensor dazu ausgebildet, die Strömung des Mediums bei einer zweiten Position des Strömungsrohrs zu messen. Bei einer anderen Ausführungsform ist der weitere Durchflusssensor dazu ausgebildet, die Strömung des Mediums bei einer Position des weiteren Strömungsrohrs zu messen. Eine Kombination mit zwei weiteren Durchflusssensoren ist natürlich ebenso denkbar.
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Eine Anordnung stromaufwärts oder stromabwärts des ersten Strömungssensors und der Bypasskanäle ist ebenfalls denkbar. Bei dieser Ausführungsform weist die Strömungsmessvorrichtung ein zweites weiteres Strömungsrohr auf, das in Serie zu dem Strömungsrohr und dem weiteren Strömungsrohr angeordnet ist, und wobei das zweite weitere Strömungsrohr mit dem weiteren Durchflusssensor versehen ist.
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Wie bereits angegeben, kann die Strömungsmessvorrichtung Kalibrationsmittel bzw. Kalibrationseinrichtungen zum Kalibrieren des Durchflusssensors auf Basis von zumindest einem durch den weiteren Durchflusssensor ausgegebenen Signal aufweisen.
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Dabei ist es weiterhin denkbar, dass der Strömungssensor dazu ausgebildet ist, die Strömung innerhalb eines ersten Messbereichs zu messen, und dass der weitere Strömungssensor dazu ausgebildet ist, die Strömung innerhalb eines zweiten Messbereichs zu messen. Auf diese Weise wird der Bereich des Sensors weiter vergrößert.
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Es ist möglich, die Strömung eines Mediums unter Einsatz einer Strömungsmessvorrichtung gemäß der Erfindung zu ermitteln, wobei das Bypassverhältnis der Strömung mit den Regelmitteln geregelt wird.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung genauer erläutert werden, unter Bezugnahme auf die nachfolgende Figur, die eine schematische Übersicht einer Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die Figur zeigt eine Strömungsmessvorrichtung 1 zum Messen einer Strömung eines Mediums. Die Strömungsmessvorrichtung 1 weist ein Strömungsrohr 11, 21, 12 zum Führen des Mediums auf, dessen Strömung gemessen werden soll. Das Strömungsrohr 11, 21, 12 definiert einen Einlass A und einen stromabwärts davon angeordneten Auslass B. Die Strömungsmessvorrichtung 1 ist mit einem ersten Durchflusssensor 2 versehen, bei der gezeigten Ausführungsform ein Durchflusssensor 2 des Coriolis-Typs, der für sich genommen dem Fachmann bekannt ist. Der Coriolis-Strömungssensor weist ein U-förmiges Rohr auf. Eine Strömung durch das Rohr wird eine Vibration des Rohrs auslösen, die mittels insgesamt drei Auslesesensoren 31, 32, 33 messbar ist. Mit dem Durchflusssensor kann die Strömung des Mediums somit bei einer ersten Position des Strömungsrohrs gemessen werden.
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Gemäß einer bekannten Ausführungsform des Coriolis-Strömungssensors bildet dieser einen Bestandteil eines Systemchips und weist dieser ein Substrat mit einer Öffnung auf, mit einem Siliziumnitrit-Strömungsrohr darin zum Führen des Mediums, dessen Strömung gemessen werden soll. Dieser bekannte Strömungssensor ist zum Messen von sehr niedrigen Massenströmen geeignet, und weist einen Messbereichsendwert bzw. einen Skalenendwert („full-scale range”) von 0.3 mg/s (1 Gramm pro Stunde) auf.
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Um den Messbereichsendwert bzw. Skalenendwert dieses bekannten Strömungssensors zu vergrößern ist die Strömungsmessvorrichtung gemäß der Erfindung mit einem oder mehreren parallel zu dem Durchflusssensor 2 angeordneten weiteren Strömungsrohren (im Allgemeinen mit „22” bezeichnet) versehen, die mit dem Einlass A und dem Auslass B des Strömungsrohrs 11, 12 in Fluidverbindung stehen. Die weiteren Strömungsrohre 22 verbinden daher die Strömungsrohrteile 11, 12 des Einlasses A und des Auslasses B, so dass diese weiteren Strömungsrohre 22 parallel zu dem Rohrteil 21 mit dem Durchflusssensor 2 angeordnet sind. Flüssigkeit, die in den Einlass A hineingelangt, kann somit entweder über den Rohrteil 21 mit dem Durchflusssensor 2 strömen oder über das eine oder die mehreren weiteren Strömungsrohre 22. Hierdurch wird eine für den Durchflusssensor 2 eingestellte Durchflussrate durch den Durchflusssensor 2 und ein Rest durch die weiteren Strömungsrohre 22 strömen, die auch als Bypassrohre bezeichnet werden. Die Gesamtdurchflussrate durch den Strömungssensor 1 kann durch Bereitstellen der Bypassrohre somit erhöht werden, ohne dass die Eigenschaften und/oder Abmessungen des Durchflusssensors 2 verändert werden müssen.
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Bei der gezeigten Ausführungsform sind insgesamt 3 weitere Strömungsrohre 22 vorgesehen. Es ist jedoch denkbar, dass mehr oder weniger weitere Strömungsrohre 22 verwendet werden, abhängig von dem gewünschten Messbereich des Strömungssensors 1.
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Bei einer besonderen Ausführungsform weist die Strömungsmessvorrichtung 1 Regelmittel zum Regeln des Bypassverhältnisses der Strömung auf. Zu denken ist beispielsweise an Regelmittel in der Form von einem oder mehreren Ventilorganen, die jeweils ein oder mehrere der weiteren Strömungsrohre 22 schließen oder öffnen können. Bei einer Ausführungsform sind die Ventilorgane in den weiteren Strömungsrohren 22 vorgesehen.
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Damit wird es möglich, die Strömung eines Mediums zu bestimmen, wobei das Bypassverhältnis der Strömung mit den Regelmitteln eingestellt wird, wonach anschließend die Strömung gemessen wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Bypassverhältnis denkbar, das zwischen 1:5 und 1:100, vorzugsweise zwischen 1:20 und 1:80, noch bevorzugter zwischen 1:40 und 1:60 liegt.
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Des Weiteren ist in der Figur noch zu erkennen, dass die Strömungsmessvorrichtung 1 bei einer Ausführungsform einen weiteren Durchflusssensor 4 aufweist. Dieser weitere Durchflusssensor 4 kann dazu ausgebildet sein, die Strömung des Mediums bei einer zweiten Position des Strömungsrohrs zu messen. Der hier gezeigte Durchflusssensor 4 ist in Serie mit dem Strömungsrohr 21 mit dem Durchflusssensor 2 und mit dem weiteren Strömungsrohr 22 angeordnet. Der Strömungsrohrteil 11 ist daher als ein weiteres zweites Strömungsrohr 11 zu verstehen.
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Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ist ein weiterer Durchflusssensor vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, die Strömung des Mediums bei einer Position des weiteren Strömungsrohrs 22 zu messen.
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Zum Abschluss werden noch einzelne Beispiele der Erfindung erläutert.
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Beispiel 1
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Bei dem ersten Beispiel ist ein gewünschter Vollbereich-Massenstrom von 6 mg pro Sekunde gewünscht (20 g pro Stunde). Die bekannte Strömungsmessvorrichtung (ohne Bypass) weist einen Messbereichsendwert bzw. Skalenendwert von 0.3 mg pro Sekunde (1 Gramm pro Stunde) auf. Daher muss der Messbereichsendpunkt bzw. Skalenendwert der bekannten Strömungsmessvorrichtung um einen Faktor 20 erhöht werden.
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Beispiel 2
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Bei einem zweiten Beispiel sind insgesamt vier Strömungsrohre vorgesehen, bei denen für jedes ein Vollbereich-Massenstrom von 6 mg pro Sekunde erwünscht ist, wodurch somit ein gewünschter Vollbereich-Massenstrom von 24 mg pro Sekunde erwünscht ist (80 Gramm pro Stunde).
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Das benötigte Bypassverhältnis für die vorstehend skizzierten zwei Beispiele und damit die Abmessungen für die ein oder mehrere weitere Strömungsrohre (Bypasskanäle) sind aus der Bernoulligleichung für die Zweigstellen und aus dem Poissonschen Gesetz für Rohrströmungen von sowohl dem Strömungsrohr als auch den ein oder mehreren weiteren Strömungsrohren ableitbar. Durch Bereitstellen von runden Strömungsrohren und durch Bereitstellen von Strömungsrohren mit identischen Durchmessern ist das Bypassverhältnis lediglich von Verhältnissen zwischen den Kanallängen (von Strömungsrohr und einem oder mehreren weiteren Strömungsrohren) und der Anzahl an Strömungsrohren abhängig.
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Es sollte für den Fachmann klar sein, dass die Erfindung vorstehend anhand einzelner möglicher Ausführungsformen beschrieben wurde, die den Vorzug genießen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Im Rahmen der Erfindung sind viele Abwandlungen denkbar. Der ersuchte Schutz wird durch die anhängten Ansprüche bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2078936 B1 [0002, 0002]
