DE202019101690U1

DE202019101690U1 - Measuring process variables of compressed air

Info

Publication number: DE202019101690U1
Application number: DE202019101690.6U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2029-03-27

Abstract

Sensor (10) zum Messen von Prozessgrößen von Druckluft, die in einer Leitung (12) einer pneumatischen Anlage strömt, mit einer kalorimetrischen Durchflusssonde (16), mit einem Drucksensor (24) sowie mit einer Steuer- und Auswertungseinheit (26) zur Verarbeitung der Signale der Durchflusssonde (16) und des Drucksensors (24), dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusssonde (16), der Drucksensor (24) und die Steuer- und Auswertungseinheit (26) in einem Sensor (10) integriert sind, der somit die Prozessgrößen Druck, Durchfluss und Temperatur der Druckluft bestimmt.

Sensor (10) for measuring process variables of compressed air flowing in a line (12) of a pneumatic system, with a calorimetric flow probe (16), with a pressure sensor (24) and with a control and evaluation unit (26) for processing the Signals of the flow probe (16) and the pressure sensor (24), characterized in that the flow probe (16), the pressure sensor (24) and the control and evaluation unit (26) are integrated in a sensor (10), which thus the process variables Pressure, flow rate and temperature of the compressed air are determined.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen von Prozessgrößen von Druckluft nach dem Oberbegriff von AnspruchThe invention relates to a sensor for measuring process variables of compressed air according to the preamble of claim

Pneumatik wird in verschiedenen industriellen Anwendungen als Antriebstechnologie genutzt. Der Wirkungsgrad der eingesetzten Energie ist jedoch bei Druckluftanlagen weitaus geringer, als wenn direkt elektrischer Strom für Antriebe eingesetzt wird. Um die vergleichsweise hohen Kosten im Griff zu behalten, ist es wichtig, die Energieverluste zu überwachen und dazu die Energie der Druckluft beziehungsweise den Druckluftdurchfluss zu messen, um Kostentreiber innerhalb des pneumatischen Systems aufzufinden.Pneumatics is used as a drive technology in various industrial applications. However, the efficiency of the energy used is far lower in compressed air systems than if electrical power is used directly for drives. In order to keep the comparatively high costs under control, it is important to monitor the energy losses and to measure the energy of the compressed air or the compressed air flow rate in order to find cost drivers within the pneumatic system.

Ein herkömmlicher Ansatz besteht darin, den Stromverbrauch des Kompressors zur Erzeugung der Druckluft zu messen. In Kombination mit der Angabe zum Wirkungsgrad des Kompressors lässt sich daraus die in der Druckluft enthaltene Energie für das Gesamtsystem errechnen. Nun hängt aber der Wirkungsgrad eines Kompressors von etlichen variablen Faktoren ab, wie der Umgebungstemperatur, der Effizienz der Wärmerückgewinnung oder der Lebensdauer des Kompressors. Diese Faktoren sind zumindest nicht alle mit ausreichender Genauigkeit bekannt, und entsprechend unscharf ist die Kenntnis über die in der Druckluft enthaltene Energie. Zudem ist bestenfalls eine globale Information zu erhalten, da einzelne Verbrauchstellen nicht getrennt voneinander betrachtet werden können. Die wesentlichen Kostentreiber in Teilsystemen werden so nicht gezielt aufgespürt.A traditional approach is to measure the power used by the compressor to generate the compressed air. In combination with the information on the efficiency of the compressor, the energy contained in the compressed air can be calculated for the entire system. However, the efficiency of a compressor depends on a number of variable factors, such as the ambient temperature, the efficiency of the heat recovery or the service life of the compressor. At least not all of these factors are known with sufficient accuracy, and knowledge of the energy contained in the compressed air is correspondingly fuzzy. In addition, global information can be obtained at best, since individual consumption points cannot be viewed separately from one another. The main cost drivers in subsystems are not specifically tracked down in this way.

Der Stand der Technik befasst sich manchmal noch mit der Messung thermischer Energie von Flüssigkeiten, Erdgas oder Dampf, nicht jedoch Druckluft. Bei Flüssigkeiten muss jedoch der Einfluss des Drucks nicht berücksichtigt werden. Im Vergleich zu Erdgas hängt die thermodynamische Energie oder pneumatisch nutzbare Energie von Druckluft nicht von der Gaszusammensetzung ab. Derartige Erkenntnisse sind also nicht einfach auf eine pneumatische Anlage übertragbar.The prior art is sometimes still concerned with the measurement of thermal energy of liquids, natural gas or steam, but not compressed air. In the case of liquids, however, the influence of pressure does not have to be taken into account. Compared to natural gas, the thermodynamic energy or pneumatically usable energy of compressed air does not depend on the gas composition. Such findings cannot simply be transferred to a pneumatic system.

Bekannt ist auch noch, Sensoren für die Messgröße Durchfluss, Druck und Temperatur einzeln zu installieren, um den Verbrauch von pneumatischen Teilsystemen zu vergleichen. Die Berechnung des Energieverbrauchs des Teilsystems erfolgt in einer nachgelagerten Berechnung. Das ist aber äußerst aufwändig, weil umfangreiche Hardwareinstallationen an jeder Messstelle notwendig werden, um einzelne Verbraucher getrennt voneinander betrachten zu können. Hinzu kommt noch die anschließende Berechnung des Energieverbrauchs.It is also known to install sensors individually for the measured variables flow, pressure and temperature in order to compare the consumption of pneumatic subsystems. The energy consumption of the subsystem is calculated in a subsequent calculation. However, this is extremely time-consuming because extensive hardware installations are necessary at each measuring point in order to be able to view individual consumers separately from one another. In addition, there is the subsequent calculation of the energy consumption.

Eine auch für Druckluft geeignete bekannte Messtechnik zur Bestimmung des Durchflusses ist die kalorimetrische oder thermische Durchflussmessung. Dabei wird durch Temperaturmessung in einem oder mehreren Temperaturfühlern die einem Heizelement von dem strömenden Medium entzogene Wärmemenge bestimmt, um davon auf die Durchflussgeschwindigkeit zurückzuschließen. Derartige Durchflussmesser liefern aber nicht alle notwendigen Informationen, um den Energieverbrauch in einer pneumatischen Anlage bewerten zu können.A known measuring technique for determining the flow rate, which is also suitable for compressed air, is calorimetric or thermal flow rate measurement. The amount of heat extracted from a heating element by the flowing medium is determined by measuring the temperature in one or more temperature sensors in order to draw conclusions about the flow rate. However, such flow meters do not provide all the information necessary to evaluate the energy consumption in a pneumatic system.

Die US 7 624 632 B1 offenbart einen Durchflusssensor mit einem Heizelement, um das strömende Fluid mit einer fixen Temperaturdifferenz auf eine höhere Temperatur aufzuheizen, wobei aus der dafür benötigten Energie auf den Durchfluss geschlossen wird. Zudem sind ein Drucksensor und Signalverarbeitungsmittel vorgesehen, um digitale Signale für Durchfluss, Druck und Temperatur bereitzustellen. Druckluft ist dabei aber nicht erwähnt.The US 7 624 632 B1 discloses a flow sensor with a heating element in order to heat the flowing fluid with a fixed temperature difference to a higher temperature, the flow being inferred from the energy required for this. In addition, a pressure sensor and signal processing means are provided to provide digital signals for flow, pressure and temperature. Compressed air is not mentioned here.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Überwachung einer pneumatischen Anlage zu vereinfachen.It is therefore the object of the invention to simplify the monitoring of a pneumatic system.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zum Messen von Prozessgrößen von Druckluft nach Anspruch 1 gelöst. Die Druckluft strömt in einer Leitung einer zu überwachenden pneumatischen Anlage. Der Sensor weist eine kalorimetrische Durchflusssonde und einen Drucksensor auf. Eine Steuer- und Auswertungseinheit steuert die Abläufe im Sensor und wertet die Sensorsignale der Durchflusssonde und des Drucksensors auf, um beispielsweise Messwerte nach außen zur Verfügung zu stellen.This object is achieved by a sensor for measuring process variables of compressed air according to claim 1. The compressed air flows in a line of a pneumatic system to be monitored. The sensor has a calorimetric flow probe and a pressure sensor. A control and evaluation unit controls the processes in the sensor and evaluates the sensor signals of the flow probe and the pressure sensor in order to make measured values available externally, for example.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Prozessgrößen Durchfluss, Druck und Temperatur zugleich mit einem einzigen Sensor zu bestimmen. Dabei wird von der kalorimetrischen Durchflusssonde auch deren Temperaturinformation als eigene Messgröße genutzt.The invention is based on the basic idea of determining the process variables flow, pressure and temperature simultaneously with a single sensor. The calorimetric flow probe also uses its temperature information as its own measured variable.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass alle wesentlichen Parameter für eine Überwachung bestimmt werden. Die thermische Durchflussmessung ermöglicht die Messung des Massestroms und stellt ohne besonderen Mehraufwand die zusätzliche Messinformation zur Temperatur der Druckluft zur Verfügung. Da der ergänzende Drucksensor Teil desselben Gesamtsensors ist, bleibt der Montageaufwand gering. Das Messprinzip verursacht einen nur geringen Druckverlust, besonders verglichen mit einem Wirkdruck-Messgerät. Der Energieverbrauch des Pneumatiksystems wird durch die erfindungsgemäßen Messungen nicht wesentlich erhöht. Somit wird die Messung des Energieverbrauchs von Teilsystemen eines pneumatischen Gesamtsystems durch angepasste Energiemessung mit Multiparameterbestimmung in einem Gerät ermöglicht. Das erlaubt das einfache, gezielte Auffinden der wesentlichen Verbraucher und Kostentreiber. Die Energiebilanzierung erfolgt anhand von massenbezogener spezifischer Energie.The invention has the advantage that all essential parameters for monitoring are determined. The thermal flow measurement enables the mass flow to be measured and provides additional measurement information on the temperature of the compressed air without any additional effort. Since the additional pressure sensor is part of the same overall sensor, the installation effort remains low. The measuring principle causes only a small pressure loss, especially compared to a differential pressure measuring device. The energy consumption of the pneumatic system is not significantly increased by the measurements according to the invention. Thus, the measurement of the energy consumption of sub-systems of an overall pneumatic system is carried out through adapted energy measurement Allows multi-parameter determination in one device. This allows the essential consumers and cost drivers to be found easily and specifically. The energy balance is based on mass-related specific energy.

Die kalorimetrische Durchflusssonde weist bevorzugt einen Temperaturfühler und ein Heizelement auf. Es sind Ausführungsformen mit einem oder mehreren Temperaturfühlern in verschiedener örtlicher Beziehung zueinander und zu dem Heizelement möglich.The calorimetric flow probe preferably has a temperature sensor and a heating element. Embodiments with one or more temperature sensors in different spatial relationships to one another and to the heating element are possible.

Das Druckmesselement weist bevorzugt eine Druckmesszelle mit einem SMD-bestückbaren Sensorelement auf. Damit lässt sich der Drucksensor besonders einfach und kompakt in den Sensor integrieren.The pressure measuring element preferably has a pressure measuring cell with a sensor element that can be fitted with an SMD. The pressure sensor can thus be integrated into the sensor in a particularly simple and compact manner.

Bevorzugt ist ein Druckkanal von der Leitung zu der Druckmesszelle vorgesehen, der senkrecht zur Strömungsrichtung der Druckluft in der Leitung ausgerichtet ist. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass die Strömung möglichst geringe Störeinflüsse auf die Bestimmung des Drucks hat.A pressure channel is preferably provided from the line to the pressure measuring cell, which is oriented perpendicular to the direction of flow of the compressed air in the line. This arrangement ensures that the flow has the least possible interference with the determination of the pressure.

Der Drucksensor ist bevorzugt bezogen auf die Strömungsrichtung vor der Durchflusssonde angeordnet. An dieser Stelle ist die Strömung noch weitgehend unbeeinflusst durch die Durchflusssonde, und daher ist eine besonders ungestörte Druckmessung möglich.The pressure sensor is preferably arranged upstream of the flow probe in relation to the direction of flow. At this point the flow is still largely unaffected by the flow probe, and therefore a particularly undisturbed pressure measurement is possible.

Der Drucksensor ist alternativ auf Höhe der Durchflusssonde angeordnet. Damit erhält man direkt vergleichbare Messungen von Druck und Durchfluss. Das ist beispielsweise in einigen noch vorzustellenden Ausführungsformen von Vorteil, in denen die Druckmessung für Verbesserungen der Durchflussmessung genutzt wird.The pressure sensor is alternatively arranged at the level of the flow probe. This provides directly comparable measurements of pressure and flow. This is advantageous, for example, in some embodiments yet to be presented in which the pressure measurement is used to improve the flow measurement.

Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, mittels der Druckmessung eine Veränderung des Durchflusses zu erfassen und damit die kalorimetrische Durchflussmessung zu modifizieren. Dabei wird die schnelle, mit kurzen Zyklen verfügbare Druckmessung genutzt, um Veränderungen des Durchflusses zu erfassen. Das geht dann in die langsamere kalorimetrische Durchflussmessung ein, insbesondere während des Zeitintervalls, bis dort ein neuer Messwert bereitgestellt wird. Für dieses Vorgehen eignet sich insbesondere die Anordnung des Drucksensors vor der Durchflusssonde.The control and evaluation unit is preferably designed to detect a change in the flow by means of the pressure measurement and thus to modify the calorimetric flow measurement. The rapid pressure measurement available with short cycles is used to record changes in the flow. This is then included in the slower calorimetric flow measurement, in particular during the time interval until a new measured value is provided there. The arrangement of the pressure sensor in front of the flow probe is particularly suitable for this procedure.

Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, den Durchfluss durch Kombination einer kalorimetrischen Durchflussmessung mit der Durchflusssonde und eine Wirkdruckmessung mit dem Drucksensor zu bestimmen. Die kalorimetrische Durchflussmessung ist besonders sensitiv bei geringem Durchfluss, das Wirkdruckprinzip komplementär bei hohem Durchfluss. Deshalb ist eine Messbereichserweiterung der kalorimetrischen Durchflussmessung durch Ausnutzung des Wirkdruckmessprinzips unter Annahme konstanten Drucks möglich. Für dieses Vorgehen eignet sich insbesondere die Anordnung des Drucksensors auf Höhe der Durchflusssonde.The control and evaluation unit is preferably designed to determine the flow rate by combining a calorimetric flow rate measurement with the flow sensor and an effective pressure measurement with the pressure sensor. The calorimetric flow measurement is particularly sensitive at low flow rates, the differential pressure principle is complementary at high flow rates. It is therefore possible to extend the measuring range of the calorimetric flow measurement by utilizing the differential pressure measuring principle assuming constant pressure. The arrangement of the pressure sensor at the level of the flow probe is particularly suitable for this procedure.

Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine Gewichtung von Messungen des Durchflusses auf Basis der Durchflusssonde und auf Basis des Drucksensors in Abhängigkeit von dem Durchfluss und/oder dessen Änderung vorzunehmen. Wie in den vorigen Absätzen diskutiert, gibt der Druck bei geringem Durchfluss beziehungsweise bei geringer Änderung des Durchflusses keine gute Auskunft über den Durchfluss. Dementsprechend wird das Gesamtergebnis der Durchflussmessung verbessert, wenn die kalorimetrische Messung in ihrem Regime übergewichtet oder allein genutzt wird und Zusatzmessinformationen aus dem Druck nur bei höherem Durchfluss beziehungsweise größeren Änderungen des Durchflusses eingehen.The control and evaluation unit is preferably designed to weight measurements of the flow on the basis of the flow probe and on the basis of the pressure sensor as a function of the flow and / or its change. As discussed in the previous paragraphs, the pressure does not provide good information about the flow at a low flow rate or if the flow rate changes slightly. Accordingly, the overall result of the flow measurement is improved if the calorimetric measurement is overweighted in its regime or used alone and additional measurement information from the pressure is only received with a higher flow or larger changes in the flow.

Die Steuer- und Auswertungseinheit erhält vorzugsweise eine Messinformation über den Druck an anderer Stelle der Leitung als dem Montageort des Sensors. Die Quelle dieser Druckinformation ist beispielsweise ein baugleicher oder ähnlicher weiterer Sensor oder ein zusätzlicher Drucksensor. Mit der zusätzlichen Druckinformation ist eine Messung nach dem Wirkdruckprinzip nicht mehr an die Bedingung gebunden, dass der Druck in der pneumatischen Anlage konstant ist.The control and evaluation unit preferably receives measurement information about the pressure at a point on the line other than the installation location of the sensor. The source of this pressure information is, for example, a structurally identical or similar further sensor or an additional pressure sensor. With the additional pressure information, a measurement based on the differential pressure principle is no longer tied to the condition that the pressure in the pneumatic system is constant.

Der Sensor weist bevorzugt eine Schnittstelle für einen Datenaustausch auf, insbesondere gemäß IO-Link, MQTT oder OPC UA. Das sind in der Prozessmesstechnik gut nutzbare Standards. Eine derartige Schnittstelle lässt sich insbesondere nutzen, um mehrere Sensoren in einer pneumatischen Anlage miteinander oder mit einer übergeordneten Steuerung zu vernetzen. Insbesondere lässt sich auf diesem Weg eine Druckinformation über den Druck an einer anderen Stelle als derjenigen des Sensors selbst übertragen.The sensor preferably has an interface for data exchange, in particular in accordance with IO-Link, MQTT or OPC UA. These are standards that can be used well in process measurement technology. Such an interface can be used in particular to network several sensors in a pneumatic system with one another or with a higher-level controller. In particular, pressure information about the pressure can be transmitted in this way at a point other than that of the sensor itself.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine dreidimensionale Ansicht eines Sensors zur kalorimetrischen Durchflussmessung mit integrierter Druckmessung;
2 eine Schnittdarstellung zu 1 mit qualitativer Darstellung des Verlaufs einiger strömungsmechanischer Größen;
3 eine qualitative Darstellung der Genauigkeit einer kalorimetrischen Durchflussmessung in Abhängigkeit vom Durchfluss;
4 eine qualitative Darstellung der Genauigkeit einer Durchflussmessung nach dem Wirkdruckprinzip in Abhängigkeit vom Durchfluss; und
5 ein beispielhafter Signalflussplan zur Anpassung einer Durchflussmessung durch eine Schätzung aus dem gemessenen Druck.

The invention is explained in more detail below also with regard to further features and advantages by way of example using embodiments and with reference to the accompanying drawing. The figures in the drawing show in:

1 a three-dimensional view of a sensor for calorimetric flow measurement with integrated pressure measurement;
2 a sectional view too 1 with qualitative representation of the course of some fluid mechanical quantities;
3 a qualitative representation of the accuracy of a calorimetric flow measurement as a function of the flow;
4th a qualitative representation of the accuracy of a flow measurement based on the differential pressure principle as a function of the flow; and
5 an exemplary signal flow diagram for adapting a flow measurement by means of an estimate from the measured pressure.

1 zeigt eine aufgeschnittene dreidimensionale Ansicht eines Sensor 10 zur kalorimetrischen Durchflussmessung mit integrierter Druckmessung. Der Sensor weist einen in eine Leitung einzubauenden Messkanal 12 auf, in dem Druckluft in der mit einem Pfeil bezeichneten Richtung 14 strömt. Eine Durchflusssonde 16 ragt in den Messkanal 12 hinein. Sie ist rechts in 1 nochmals in einer Ausschnittvergrößerung dargestellt und weist ein Heizelement 18 und einen Temperaturfühler 20 auf. Bezogen auf die Strömungsrichtung vor der Durchflusssonde 16 ist ein Druckkanal 22 oder Kanal zur Druckentnahme vorgesehen, der zu einer Druckmesszelle 24 mit einem beispielsweise SMD-bestückbaren Drucksensorelement führt. Auf einer Leiterplatte befindet sich eine Steuer- und Auswertungseinheit 26, die mit dem Heizelement 18, dem Temperaturfühler 20 und der Druckmesszelle 24 verbunden ist. 1 Figure 10 shows a cut-away three-dimensional view of a sensor 10 for calorimetric flow measurement with integrated pressure measurement. The sensor has a measuring channel to be built into a line 12th on, in the compressed air in the direction indicated by an arrow 14th flows. A flow probe 16 protrudes into the measuring channel 12th inside. She is right in 1 again shown in an enlarged section and has a heating element 18th and a temperature sensor 20th on. In relation to the direction of flow in front of the flow probe 16 is a pressure channel 22nd or channel for pressure extraction is provided, leading to a pressure measuring cell 24 with a pressure sensor element that can be fitted with an SMD, for example. A control and evaluation unit is located on a circuit board 26th that came with the heating element 18th , the temperature sensor 20th and the pressure measuring cell 24 connected is.

Die Ausgestaltung der kalorimetrischen Durchflusssonde 16 ist rein beispielhaft zu verstehen. Das kalorimetrische Messprinzip an sich ist bekannt und wurde einleitend kurz beschrieben. Es sind verschiedene Anzahlen und Positionen von Temperaturfühlern 20 sowie Anordnungen der Temperaturfühler 20 untereinander und bezüglich des Heizelements 18 und des Messkanals 12 denkbar.The design of the calorimetric flow probe 16 is to be understood purely as an example. The calorimetric measuring principle is known per se and was briefly described in the introduction. There are different numbers and positions of temperature sensors 20th and arrangements of the temperature sensors 20th with each other and with respect to the heating element 18th and the measuring channel 12th conceivable.

Die Druckmesszelle 24 ergänzt den Sensor 10. Die Druckmessung findet bevorzugt relativ zur Umgebung statt, da diese Druckdifferenz bei der Expansion der Druckluft in Form der Arbeitsverrichtung für den Energiegehalt verantwortlich ist. Daraus resultiert die Forderung nach einem Druckkanal 22 von der Druckentnahmestelle zur Leiterplatte der Steuer- und Auswertungseinheit 26. Zudem hat vorzugsweise der Innenraum, in dem die Steuer- und Auswertungseinheit 26 untergebracht ist, einen ausreichend gut funktionierenden Druckausgleich zur Umgebung, beispielsweise mittels eines Druckausgleichselements. Die Ausgestaltung des Druckkanals 22 wird durch die Dynamik der Druckmessung, Festigkeit gegen Druckschläge und der Beständigkeit gegenüber Verunreinigungen bestimmt. Der Druckkanal 22 ist bevorzugt senkrecht zur Richtung 14 des Durchflusses ausgerichtet, um Einflüsse der Strömung auf die Druckmessung zu minimieren.The pressure measuring cell 24 complements the sensor 10 . The pressure measurement preferably takes place relative to the environment, since this pressure difference is responsible for the energy content during the expansion of the compressed air in the form of the work performed. This results in the requirement for a pressure channel 22nd from the pressure tapping point to the circuit board of the control and evaluation unit 26th . In addition, the interior space in which the control and evaluation unit is preferably located 26th is housed, a sufficiently well functioning pressure equalization to the environment, for example by means of a pressure equalization element. The design of the pressure channel 22nd is determined by the dynamics of pressure measurement, resistance to pressure shocks and resistance to contamination. The pressure channel 22nd is preferably perpendicular to the direction 14th of the flow in order to minimize the influence of the flow on the pressure measurement.

Insgesamt ist damit der Sensor 10 für eine integrierte Durchfluss-, Druck- und Temperaturmessung ausgebildet und stellt so alle für eine Energieverbrauchsbilanzierung notwendigen Größen bereit.So overall that's the sensor 10 designed for integrated flow, pressure and temperature measurement and thus provides all the variables required for energy consumption accounting.

2 zeigt den Sensor 10 nochmals in einer Schnittdarstellung, um im unteren Teil der 2 den Verlauf von strömungsmechanischen Größen qualitativ längs des Messkanals 12 zu illustrieren, nämlich des Durchflusses 28, des statischen Drucks 30 und der Turbulenzen 32. Erkennbar erhöht sich der Durchfluss 28 lokal an der durch die Durchflusssonde 16 erzeugten Engstelle, während sich der statische Druck 30 in allerdings übertriebener Darstellung verringert. Die Turbulenzen 32 werden hinter der Engstelle vergrößert, was aber auch bereits Einflüsse in den Bereich vor der Durchflusssonde 16 hinein zeigt. 2 shows the sensor 10 again in a sectional view to show in the lower part of the 2 the course of fluid mechanical variables qualitatively along the measuring channel 12th to illustrate, namely the flow 28 , static pressure 30th and the turbulence 32 . The flow increases noticeably 28 locally at the by the flow probe 16 generated bottleneck while the static pressure 30th reduced in an exaggerated representation. The turbulence 32 are enlarged behind the constriction, which also influences the area in front of the flow probe 16 shows into it.

Somit sollte die Druckentnahmeposition, also der Ort des Druckkanals 22 im Messkanal 12 bezüglich der Position der Durchflusssonde 16, sorgfältig gewählt werden. Dabei gibt es zwei alternative bevorzugte Ausführungsformen. In einer ersten Variante wird der Druckkanal 22 auf Höhe der Durchflusssonde 16 angeordnet. In einer zweiten Variante wird der Druckkanal 22 wie in 1 und 2 oberhalb der Durchflusssonde 16 angeordnet, gegen die Richtung 14 der Strömung, wo die strömungsmechanischen Größen noch unbeeinflusst von der Durchflusssonde 16 sind. Außerdem ist es vorteilhaft, den Druckkanal 22 bezüglich der Schwerkraft oben anzubringen, um Auswirkungen durch Verschmutzung, Betauung und dergleichen zu vermeiden.The pressure removal position, i.e. the location of the pressure channel, should therefore be 22nd in the measuring channel 12th regarding the position of the flow probe 16 be chosen carefully. There are two alternative preferred embodiments. In a first variant, the pressure channel 22nd at the level of the flow probe 16 arranged. In a second variant, the pressure channel 22nd as in 1 and 2 above the flow probe 16 arranged against the direction 14th of the flow, where the fluid mechanical quantities are still unaffected by the flow probe 16 are. It is also advantageous to use the pressure channel 22nd to be attached at the top with respect to gravity in order to avoid effects from contamination, condensation and the like.

Beide Varianten ermöglichen vorteilhafte Kombinationen der Druck- und Durchflussmessung, um die Durchflussmessung zusätzlich zu verbessen. In der ersten Variante, wo sich also anders als in den 1 und 2 der Druckkanal 22 auf Höhe der Durchflusssonde 16 befindet, lässt sich besonders gut der Bernoulli-Effekt zur Messbereichserweiterung und/oder zur Reduktion der Messunsicherheit bei großem Durchfluss nutzen.Both variants enable advantageous combinations of pressure and flow measurement in order to additionally improve the flow measurement. In the first variant, where different from the 1 and 2 the pressure channel 22nd at the level of the flow probe 16 is located, the Bernoulli effect can be used particularly well to expand the measuring range and / or to reduce the measurement uncertainty at high flow rates.

Dazu zeigen die 3 und 4 zum besseren Verständnis qualitativ die Genauigkeit einer Durchflussmessung in Abhängigkeit vom Durchfluss nach dem kalorimetrischen Messprinzip beziehungsweise nach dem Wirkdruckprinzip. Bei der kalorimetrischen oder thermischen Durchflussmessung wird der Durchfluss als Funktion des Quotienten aus von der Druckluft abgetragener Heizleistung und Temperaturdifferenz vom Heizelement 18 zur Druckluft bestimmt, wie auf der X-Achse in 3 dargestellt. Somit ergibt sich eine hohe Sensitivität und damit Messgenauigkeit für geringen Durchfluss und eine geringere Messgenauigkeit für hohen Durchfluss, da im oberen Durchflussmessbereich eine große Durchflussänderung nur noch eine geringe Änderung der Größe Heizleistung/Temperaturdifferenz bewirkt.Show the 3 and 4th for a better understanding qualitatively the accuracy of a flow measurement depending on the flow according to the calorimetric measuring principle or according to the differential pressure principle. In calorimetric or thermal flow measurement, the flow is determined as a function of the quotient of the heating power removed by the compressed air and the temperature difference from the heating element 18th intended for compressed air as on the X-axis in 3 shown. This results in a high sensitivity and thus measurement accuracy for a low flow rate and a lower measurement accuracy for a high flow rate, since in the upper flow rate measurement range a large change in flow only causes a small change in the size of the heating power / temperature difference.

Wirkdruckmessverfahren andererseits messen den Durchfluss in Abhängigkeit der Druckdifferenz von einer strömungsmechanischen Verengung zum Nennquerschnitt. Der Durchfluss hat einen zur Kalorimetrie komplementären Verlauf, wie in 4 gezeigt. Hier ergibt sich demnach eine hohe Sensitivität und Messgenauigkeit bei hohem Durchfluss und eine nur geringe Sensitivität bei geringem Durchfluss, da im unteren Durchflussmessbereich eine große Durchflussänderung eine geringe Änderung der Größe Differenzdruck bewirkt. Differential pressure measurement methods, on the other hand, measure the flow as a function of the pressure difference from a fluid mechanical constriction to the nominal cross section. The flow has a complementary course to calorimetry, as in 4th shown. This results in high sensitivity and measurement accuracy at high flow rates and only low sensitivity at low flow rates, since a large flow rate change in the lower flow rate measurement range causes a small change in the variable differential pressure.

Somit kann anhand der Information des Druckwerts zum Zeitpunkt hoher Durchflüsse und des Druckwerts zum Zeitpunkt geringerer und keiner Durchflüsse sowie der Annahme, dass der Druck im Pneumatiksystem konstant ist, der Messbereich durch Ausnutzung des Wirkdruckmessprinzips erweitert werden.Thus, based on the information of the pressure value at the time of high flow rates and the pressure value at the time of low and no flow rates as well as the assumption that the pressure in the pneumatic system is constant, the measuring range can be expanded by utilizing the differential pressure measuring principle.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor 10 mit einem Dateneingang beispielsweise über IO-Link, MQTT oder OPC UA ausgerüstet sein und so einen Druckwert von einer weiteren Druckmessstelle erhalten. Dann muss die Bedingung konstanten Drucks in der Anlage nicht mehr gestellt werden, sondern der Wirkdruck kann auch bei sich änderndem Druck im Pneumatiksystem verarbeitet werden, um den Durchfluss zu bestimmen.In a further embodiment, the sensor 10 be equipped with a data input, for example via IO-Link, MQTT or OPC UA, and thus receive a pressure value from another pressure measuring point. Then the condition of constant pressure in the system no longer has to be set, but the differential pressure can also be processed in the pneumatic system when the pressure changes in order to determine the flow.

Während sich für die beschriebene Kombination von Durchflussmessung nach dem kalorimetrischen Prinzip und dem Wirkdruckprinzip besonders die Positionierung des Druckkanals 22 an der Position der Durchflusssonde 16 eignet, hat auch die zweite Variante mit einem Druckkanal 22 stromaufwärts der Durchflusssonde 16 ihre Vorteile. Dann gibt es einen nur geringen Einfluss der Turbulenz 32, und der interessierende statische Druck 30 wird am Querschnitt des repräsentativen Rohrdurchmessers des Messkanals 12 abgegriffen.While for the described combination of flow measurement according to the calorimetric principle and the differential pressure principle, the positioning of the pressure channel 22nd at the position of the flow probe 16 also has the second variant with a pressure channel 22nd upstream of the flow probe 16 their advantages. Then there is little influence of the turbulence 32 , and the static pressure of interest 30th is based on the cross section of the representative pipe diameter of the measuring channel 12th tapped.

Diese Anordnung eignet sich besonders, um den Druckwert dafür zu verwenden, die Ansprechzeit der Durchflussmessung zu verkürzen. Es ist nämlich so, dass die Druckmessung typischerweise wesentlich schneller ist als die rein thermische Durchflussmessung. Beispielsweise liegt ein aktueller Druckmesswert alle 2 ms vor, während die Ansprechzeit für die Messung des thermischen Durchflussmesswerts 500 ms beträgt. Sofern sich in dieser längeren Ansprechzeit die Durchflussgeschwindigkeit ändert, so muss das mit einer inhärent abhängigen direkten Änderung des Drucks einhergehen. Andernfalls besteht auch kein Handlungsbedarf, da der zuletzt thermische Durchflussmesswert noch gültig ist.This arrangement is particularly suitable for using the pressure value to shorten the response time of the flow measurement. The fact is that the pressure measurement is typically much faster than the purely thermal flow measurement. For example, a current pressure measurement is available every 2 ms, while the response time for measuring the thermal flow measurement is 500 ms. If the flow rate changes in this longer response time, this must be accompanied by an inherently dependent direct change in pressure. Otherwise there is no need for action, as the last thermal flow rate measured value is still valid.

5 zeigt einen beispielhaften Signalflussplan für diese Art von kombinierter Messung, bei welcher die Druckmessung die Durchflussmessung insbesondere für den Fall schneller Änderungen des Durchflusses modifiziert. Der auszugebende Durchflussmesswert wird aus der kalorimetrischen Durchflussmessung und aus der Druckmessung bestimmt und jeweils mit einem Faktor w₁, w₂ gewichtet. Die Gewichtung wiederum hängt von dem gemessenen Durchfluss beziehungsweise dessen Änderung ab. Dabei liefert bevorzugt die Druckmessung im statischen Fall, also bei konstanten Verhältnissen, keinen Beitrag w₂ oder nur einen geringen Beitrag w₂ für die Bestimmung des Durchflusses, während sich ihr Gewicht w₂ bei sich änderndem Druck verändert und die Druckmessung somit gegenüber der kalorimetrischen Durchflussmessung mit Gewicht w₁ stärker in die Bestimmung des Durchflusses einfließt. 5 shows an exemplary signal flow diagram for this type of combined measurement in which the pressure measurement modifies the flow measurement in particular for the case of rapid changes in the flow. The measured flow value to be output is determined from the calorimetric flow measurement and from the pressure measurement and each weighted with a factor w ₁ , w ₂ . The weighting in turn depends on the measured flow rate or its change. In the static case, i.e. with constant conditions, the pressure measurement preferably provides no contribution w ₂ or only a small contribution w ₂ for the determination of the flow, while its weight w _{2 changes} with changing pressure and the pressure measurement thus compared to the calorimetric flow measurement with weight w _{1 has a} greater influence on the determination of the flow.

Der Sensor 10 stellt also die Größen Durchfluss, Druck und Temperatur bereit, mit denen eine Energieüberwachung ermöglicht wird. Die Energie lässt sich beispielsweise berechnen als $E_{g e s} = \frac{u^{2}}{2} + P + V,$

mit

\frac{u^{2}}{2}

spezifische Geschwindigkeitsenergie, P spezifische Lageenergie und V spezifische Enthalpie. Bei der arbeitsverrichtenden Expansion von Druckluft findet näherungsweise eine isentrope Zustandsänderung statt, da praktisch eine Wärmezufuhr von außen an die Druckluftmaschine und an die durchströmende Luft nicht möglich ist.The sensor 10 thus provides the quantities flow, pressure and temperature with which energy monitoring is made possible. The energy can be calculated as, for example

E_{G e s} = \frac{u^{2}}{2} + P + V,

With

\frac{u^{2}}{2}

specific velocity energy, P specific position energy and V specific enthalpy. During the work-performing expansion of compressed air, there is an approximately isentropic change in state, since it is practically impossible to supply heat from the outside to the compressed air machine and to the air flowing through it.

Die Enthalpieänderung bei isentroper Zustandsänderung entspricht $Δ V = \frac{κ}{κ - 1} * \frac{p_{0}}{ρ_{0}} * [{(\frac{p}{p_{0}})}^{\frac{κ}{κ - 1}} - 1] .$

The enthalpy change with isentropic change of state corresponds to

Δ V = \frac{κ}{κ - 1} * \frac{p_{0}}{ρ_{0}} * [{(\frac{p}{p_{0}})}^{\frac{κ}{κ - 1}} - 1] .

Die Lageenergie muss bei der Berechnung vernachlässigt werden, da die Potentialunterschiede nicht vom Sensor 10 gemessen werden können. Da Druckluft im Endeffekt auf Umgebungsbedingungen expandiert, wird die Enthalpiedifferenz zur definierten Umgebungsbedingungen herangezogen. Damit ist nun möglich, die thermodynamische Energie zu berechnen, die verbraucht wird, wenn Luft mit dem gemessenen statischen Druck, dem gemessenen Durchfluss entsprechenden Massenstrom und der gemessenen Temperatur den Zustand auf Normalbedingungen der Umgebung ändert.The positional energy must be neglected in the calculation, since the potential differences are not from the sensor 10 can be measured. Since compressed air ultimately expands to ambient conditions, the enthalpy difference is used to the defined ambient conditions. It is now possible to calculate the thermodynamic energy that is consumed when air changes its state to normal ambient conditions with the measured static pressure, the mass flow corresponding to the measured flow rate and the measured temperature.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 7624632 B1 [0007]

Claims

Sensor (10) for measuring process variables of compressed air flowing in a line (12) of a pneumatic system, with a calorimetric flow probe (16), with a pressure sensor (24) and with a control and evaluation unit (26) for processing the Signals of the flow probe (16) and the pressure sensor (24), characterized in that the flow probe (16), the pressure sensor (24) and the control and evaluation unit (26) are integrated in a sensor (10), which thus the process variables Pressure, flow rate and temperature of the compressed air are determined.

Sensor (10) Claim 1 wherein the calorimetric flow probe (16) has a temperature sensor (20) and a heating element (18).

Sensor (10) Claim 1 or 2 , wherein the pressure measuring element (24) has a pressure measuring cell with an SMD-mountable sensor element.

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein a pressure channel (22) is provided from the line (12) to the pressure measuring cell (24) which is oriented perpendicular to the flow direction (14) of the compressed air in the line (12).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the pressure sensor (24) is arranged in front of the flow probe (16) in relation to the flow direction (14).

Sensor (10) after one of the Claims 1 to 4th , wherein the pressure sensor (24) is arranged at the level of the flow probe (16).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the control and evaluation unit (26) is designed to detect a change in the flow by means of the pressure measurement and thus to modify the calorimetric flow measurement.

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the control and evaluation unit (26) is designed to determine the flow rate by combining a calorimetric flow rate measurement with the flow sensor (16) and an effective pressure measurement with the pressure sensor (24).

Sensor (10) Claim 7 or 8th , wherein the control and evaluation unit (26) is designed to weight measurements of the flow on the basis of the flow probe (16) and on the basis of the pressure sensor (24) as a function of the flow and / or its change.

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the control and evaluation unit (26) receives measurement information about the pressure at another point on the line than the installation location of the sensor (10).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, which has an interface for data exchange, in particular in accordance with IO-Link, MQTT or OPC UA.