DE202021002466U1

DE202021002466U1 - Vorrichtung zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, sowie Wärmemengenmessgerät

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Publication number: DE202021002466U1
Application number: DE202021002466.2U
Authority: DE
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Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2031-07-23

Abstract

Vorrichtung (10) zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, in einer Strömungsrichtung durch einen Volumenabschnitt (12a) eines Volumens (12), aufweisend:
das Volumen (12), wobei das Volumen (12) einen Fluideintritt (14) und einen Fluidaustritt (16) aufweist,
einen ersten Ultraschallsensor (22) und einen zweiten Ultraschallsensor (24) zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt (12a), wobei jeder der Ultraschallsensoren (22, 24) ausgebildet ist, um ein Ultraschallsignal auszugeben und um ein Ultraschallsignal zu empfangen, wobei sich das Ultraschallsignal entlang eines Ultraschallsignalweges (23) von dem ersten Ultraschallsensor (22) zu dem zweiten Ultraschallsensor (24) oder umgekehrt, d.h. von dem zweiten Ultraschallsensor (24) zu dem ersten Ultraschallsensor (22) ausbreitet,
ein erstes Reflexionselement (26) und ein zweites Reflexionselement (28), wobei das erste Reflexionselement (26) und das zweite Reflexionselement (28) in dem Ultraschallsignalweg (23) angeordnet sind derart, dass ein von dem ersten Ultraschallsensor (22) ausgesandtes Ultraschallsignal von dem ersten Reflexionselement (26) zu dem zweiten Reflexionselement (28) reflektiert wird und von dem zweiten Reflexionselement (28) zu dem zweiten Ultraschallsensor (24) reflektiert wird, und dass ein von dem zweiten Ultraschallsensor (24) ausgesandtes Ultraschallsignal von dem zweiten Reflexionselement (28) zu dem ersten Reflexionselement (26) reflektiert wird und von dem ersten Reflexionselement (26) zu dem ersten Ultraschallsensor (22) reflektiert wird,
eine Ultraschallsignallaufzeit-Bestimmungsvorrichtung (30) zur Bestimmung einer ersten Ultraschallsignallaufzeit von dem ersten Ultraschallsensor (22) zu dem zweiten Ultraschallsensor (24) und/oder zur Bestimmung einer zweiten Ultraschallsignallaufzeit von dem zweiten Ultraschallsensor (24) zu dem ersten Ultraschallsensor (22), und
eine Durchflussgeschwindigkeits-Bestimmungsvorrichtung (32) zur Bestimmung einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt (12a) unter Verwendung der ersten und/oder der zweiten Ultraschallsignallaufzeit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch ein Volumen, gemäß dem Schutzanspruch 1, sowie ein Wärmemengenmessgerät gemäß dem Schutzanspruch 14.
Aus der DE 20 2020 001 011 U , die auf den Anmelder des bvorliegenden Schutzrechts zurückgeht, ist eine Vorrichtung zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch ein Volumen, bekannt, die Folgendes aufweist:

- das Volumen, wobei das Volumen einen Fluideintritt und einen Fluidaustritt und mehrere zwischen dem Fluideintritt und dem Fluidaustritt angeordnete Volumenabschnitte aufweist, sowie
- zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. Messstrecken zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids wobei die zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. Messstrecken ausgebildet sind, um die Durchflussgeschwindigkeit jeweils in einem dem jeweiligen Ultraschall-Sensor bzw. der jeweiligen Messstrecke zugeordneten Volumenabschnitt des Volumens zu messen, wobei die jeweils einem Ultraschall-Sensor bzw. einer Messstrecke zugeordneten Volumenabschnitte des Volumens seriell, d.h. strömungstechnisch gesehen nacheinander (unmittelbar nacheinander oder aber auch durch Trennvolumina getrennt) angeordnet sind.

Durch eine derartige Vorrichtung lassen sich die Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids und somit bei bekannten geometrischen Verhältnissen auch Durchflussmengen eines Fluids präzise bestimmen. Es gibt jedoch Anwendungen, in denen möglichst kleine bzw. kompakte Vorrichtungen erwünscht sind.Der Miniaturisierung sind beim Gegenstand der DE 20 2020 001 011 U alleine durch die Notwendigkeit, mehrere Volumenabschnitte bzw. Messstrecken zu implementieren, Grenzen gesetzt.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung anzugeben, die mit hoher Präzision bei möglichst kleinen Abmessungen eine Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch ein Volumen, messen kann. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Wärmemengenmessgerät anzugeben, das mit hoher Präzision bei möglichst kleinen Abmessungen eine Wärmemenge messen bzw. bestimmen kann, die durch ein Fluid, das durch die Vorrichtung strömt, beispielsweise bei einem Durchströmen eines der Vorrichtung vorgeschalteten oder nachgeschalteten Wärmetauschers abgibt oder aufnimmt.
Der erste Aspekt der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, der zweite Aspekt durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demnach wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit in einer Strömungsrichtung des Fluids durch einen Volumenabschnitt eines Volumens, gelöst, die Folgendes aufweist:

- das Volumen, wobei das Volumen einen Fluideintritt und einen Fluidaustritt aufweist,
- einen ersten Ultraschallsensor und einen zweiten Ultraschallsensor zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt, wobei jeder der Ultraschallsensoren ausgebildet ist, um ein Ultraschallsignal auszugeben und um ein Ultraschallsignal zu empfangen, wobei sich das Ultraschallsignal entlang eines Ultraschallsignalweges von dem ersten Ultraschallsensor zu dem zweiten Ultraschallsensor oder umgekehrt, d.h. von dem zweiten Ultraschallsensor zu dem ersten Ultraschallsensor ausbreitet,

- ein erstes Reflexionselement und ein zweites Reflexionselement, wobei das erste Reflexionselement und das zweite Reflexionselement in dem Ultraschallsignalweg angeordnet sind derart, dass ein von dem ersten Ultraschallsensor ausgesandtes Ultraschallsignal von dem ersten Reflexionselement zu dem zweiten Reflexionselement reflektiert wird und von dem zweiten Reflexionselement zu dem zweiten Ultraschallsensor reflektiert wird und dass ein von dem zweiten Ultraschallsensor ausgesandtes Ultraschallsignal von dem zweiten Reflexionselement zu dem ersten Reflexionselement reflektiert wird und von dem ersten Reflexionselement zu dem ersten Ultraschallsensor reflektiert wird,
- eine Ultraschallsignallaufzeit-Bestimmungsvorrichtung zur Bestimmung einer ersten Ultraschallsignallaufzeit von dem ersten Ultraschallsensor zu dem zweiten Ultraschallsensor und/oder zur Bestimmung einer zweiten Ultraschallsignallaufzeit von dem zweiten Ultraschallsensor zu dem ersten Ultraschallsensor, und
- eine Durchflussgeschwindigkeits-Bestimmungsvorrichtung zur Bestimmung einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt unter Verwendung der ersten und/oder der zweiten Ultraschallsignallaufzeit.

Eine Vorrichtung mit den vorstehend genannten Merkmalen kann bei hoher Messgenauigkeit sehr kompakt ausgeführt werden.
In einer möglichen Ausführungsform weist der Ultraschallsignalweg einen ersten Ultraschallsignalweg-Abschnitt, der sich um einem Winkel, insbesondere um in etwa 90°, geneigt zu der Strömungsrichtung erstreckt, einen zweiten Ultraschallsignalweg-Abschnitt, der sich parallel zu der Strömungsrichtung erstreckt, und einen dritten Ultraschallsignalweg-Abschnitt auf, der sich um einem Winkel, insbesondere um in etwa 90°, geneigt zu der Strömungsrichtung erstreckt. Dadurch ist ein kompakter Aufbau bei möglichst ungehindertem Durchströmen der Vorrichtung durch das Fluid möglich.
In einer optionalen Ausgestaltung ist/sind der erste Ultraschallsensor und/oder der zweite Ultraschallsensor derart angeordnet und ausgebildet, dass ein vom jeweiligen Ultraschallsensor ausgegebenes Ultraschallsignal sich initial, genauer gesagt bis zu einer ersten Reflexion, in etwa senkrecht zu der Strömungsrichtung ausbreitet. In diesem Zusammenhang ist/sind der erste Ultraschallsensor und/oder der zweite Ultraschallsensor optional derart angeordnet, dass der jeweilige Ultraschallsensor zur Erfassung eines sich in etwa senkrecht zu der Strömungsrichtung ausbreitenden Ultraschallsignals ausgebildet ist, d.h. ein entsprechend ausgerichtetes bzw. propagierendes Signal aufnimmt. Auch dies trägt zu einer kompakten Konstruktion bei.
Die Durchflussgeschwindigkeits-Bestimmungsvorrichtung kann zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt unter Verwendung der ersten und der zweiten Ultraschallsignallaufzeit, insbesondere unter Verwendung einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Ultraschallsignallaufzeit ausgebildet sein, was eine hohe Präzision bei gleichzeitig geringem Aufwand, insbesondere Rechenaufwand, ermöglicht.
In einer möglichen Ausführungsform ist/sind der erste Ultraschallsensor und/oder der zweite Ultraschallsensor ein Time-of-Flight-Sensor, wobei der erste Ultraschallsensor und/oder der zweite Ultraschallsensor ferner ein piezokeramisches Element aufweisen kann/können. Somit ist eine sichere Messung, insbesondere auf einer Time-of-Flight-Basis sichergestellt.
Um die Vorrichtung überall einsetzen zu können, kann sie wenigstens eine Batterie und/oder wenigstens einen Akku zur Energieversorgung aufweisen. Damit ist eine breitgefächerte Nutzbarkeit in Unabhängigkeit von einer externen Energieversorgung gewährleistet.
Optional weist das erste Reflexionselement eine erste Reflexionsfläche und das zweite Reflexionselement eine zweite Reflexionsfläche auf, wobei der erste Ultraschallsensor eine erste Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche und der zweite Ultraschallsensor eine zweite Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche aufweist, wobei die Ebene, in der sich die die erste Reflexionsfläche erstreckt, und die Ebene, in der sich die erste Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche erstreckt einen Winkel von in etwa 45° einschließen und wobei die Ebene, in der sich die die zweite Reflexionsfläche erstreckt, und die Ebene, in der sich die zweite Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche erstreckt einen Winkel von in etwa 45° einschließen. Ferner kann/können das erste Reflexionselement und/oder das zweite Reflexionselement kreisscheibenförmig ausgebildet sein und wenigstens eine Aussparung aufweisen. Das erste Reflexionselement und/oder das zweite Reflexionselement kann/können in einem Strom des Fluids zwischen dem Fluideintritt und dem Fluidaustritt angeordnet sein. Auch dies sorgt für eine Ermöglichung einer kompakten Bauweise bei guter Durchströmbarkeit der Vorrichtung durch das Fluid.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige von gemessenen oder von der Vorrichtung bestimmten Größen bzw. Daten und/oder eine Datenübertragungsvorrichtung zur, insbesondere drahtlosen, Übertragung von gemessenen oder von der Vorrichtung bestimmten Größen bzw. Daten auf. Auch dies ermöglicht eine universelle Einsetzbarkeit der Vorrichtung in vielen Bereichen.
Der zweite Aspekt der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung wird durch ein Wärmemengenmessgerät gemäß Anspruch 14 gelöst. Das Wärmemengenmessgerät weist eine Vorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist, und einen zweiten Temperatursensor auf. Damit können alle für eine Wärmemengenmessung relevanten Werte bestimmt werden.
In einer möglichen Ausführungsform weist das Wärmemengenmessgerät eine Wärmemengen-Bestimmungsvorrichtung auf, so dass eine abgegebene Wärmemenge oder eine aufgenommene Wärmemenge berechnet werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids in einem Längsschnitt;
2a eine perspektivische Darstellung von Reflexionselementen der Vorrichtung gemäß 1;
2b eine perspektivische Darstellung von piezokeramischen Elementen der Vorrichtung gemäß 1;
2c eine perspektivische Darstellung eines ersten (internen)Temperatursensors der Vorrichtung gemäß 1;
3 eine Draufsicht auf Vorrichtung gemäß 1;
4 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß 1;
5 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 1; und
6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmemengenmessgeräts in einer perspektivischen Ansicht.

In den 1 und 3 bis 5 ist eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch durch einen Volumenabschnitt 12a eines Volumens 12 dargestellt. Die Vorrichtung 10 weist den Volumenabschnitt 12a und das Volumen 12 auf, welche von dem Fluid, dessen Durchflussgeschwindigkeit zu messen ist, in einer Strömungs- bzw. Durchflussrichtung durchströmt werden. Das Volumen weist einen Fluideintritt 14 und einen Fluidaustritt 16 auf. Die Strömungs- bzw. Durchflussrichtung ist durch Pfeile 18 und 20 angedeutet, welche die Strömungs- bzw. Durchflussrichtung als sich vom Fluideintritt 14 zum Fluidaustritt 16 hin erstreckend definieren. Der Volumenabschnitt 12a ist dabei ein Teil des Volumens 12, dessen Erstreckungen untenstehend noch genauer definiert werden.
Die Vorrichtung 10 weist einen ersten Ultraschallsensor 22 und einen zweiten Ultraschallsensor 24 zum Messen der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt 12a auf, wobei der erste Ultraschallsensor 22 und der zweite Ultraschallsensor 24 jeweils ausgebildet sind, um ein Ultraschallsignal auszugeben und um ein Ultraschallsignal zu empfangen.
Das Ultraschallsignal, das der erste Ultraschallsensor 22 ausgibt, breitet sich entlang eines Ultraschallsignalweges 23 von dem ersten Ultraschallsensor 22 zu dem zweiten Ultraschallsensor 24 aus und wird von dem zweiten Ultraschallsensor 24 empfangen. Das Ultraschallsignal, das der zweite Ultraschallsensor 24 ausgibt, breitet sich entlang des Ultraschallsignalweges 23 von dem zweiten Ultraschallsensor 24 zu dem ersten Ultraschallsensor 22 aus und wird von dem ersten Ultraschallsensor 22 empfangen.
In anderen Worten gesagt, durchläuft das Ultraschallsignal, das der erste Ultraschallsensor 22 ausgibt, den Ultraschallsignalweg 23 in einer ersten Richtung, wohingegen das Ultraschallsignal, das der zweite Ultraschallsensor 24 ausgibt, den Ultraschallsignalweg 23 in einer zweiten Richtung durchläuft, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Zum Senden bzw. Emittieren eines jeweiligen Ultraschallsignals weisen der erste Ultraschallsensor 22 eine erste Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche 22a und der zweite Ultraschallsensor 24 eine zweite Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche 24a auf.
Die Vorrichtung 10 weist weiterhin ein erstes Reflexionselement 26 und ein zweites Reflexionselement 28 auf. Das erste Reflexionselement 26 und das zweite Reflexionselement 28 sind in dem Ultraschallsignalweg 23 derart angeordnet, dass ein von dem ersten Ultraschallsensor 22 ausgesandtes Ultraschallsignal von dem ersten Reflexionselement 26 zu dem zweiten Reflexionselement 28 reflektiert wird und von dem zweiten Reflexionselement 28 zu dem zweiten Ultraschallsensor 24 reflektiert wird. Das erste Reflexionselement 26 und das zweite Reflexionselement 28 sind in dem Ultraschallsignalweg 23 ferner derart angeordnet, dass ein von dem zweiten Ultraschallsensor 24 ausgesandtes Ultraschallsignal von dem zweiten Reflexionselement 28 zu dem ersten Reflexionselement 26 reflektiert wird und von dem ersten Reflexionselement 26 zu dem ersten Ultraschallsensor 22 reflektiert wird.
Eine Ultraschallsignallaufzeit-Bestimmungsvorrichtung 30 zur Bestimmung einer ersten Ultraschallsignallaufzeit von dem ersten Ultraschallsensor 22 zu dem zweiten Ultraschallsensor 24 und zur Bestimmung einer zweiten Ultraschallsignallaufzeit von dem zweiten Ultraschallsensor 24 zu dem ersten Ultraschallsensor 22 ist in der Vorrichtung 10 angeordnet bzw. integriert, ebenso wie eine Durchflussgeschwindigkeits-Bestimmungsvorrichtung 32 zur Bestimmung einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt 12a unter Verwendung der ersten und der zweiten Ultraschallsignallaufzeit.
Dies heißt in anderen Worten gesagt, dass die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt 12a unter Verwendung einer ersten Ultraschallsignallaufzeit eines Signals des ersten Ultraschallsensors 22, das vom zweiten Ultraschallsensor 24 empfangen wird, und unter Verwendung eines Signals entgegengesetzter Laufrichtung, nämlich eines Signals des zweiten Ultraschallsensors 24, das vom ersten Ultraschallsensor 22 empfangen wird, ermittelt wird. Nochmals in anderen Worten ausgedrückt wird die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt 12a unter Verwendung einer ersten Ultraschallsignallaufzeit eines Signals, das sich im Volumenabschnitt 12a in der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitet und unter Verwendung einer zweiten Ultraschallsignallaufzeit eines Signals, das sich im Volumenabschnitt 12a entgegen der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitet, ermittelt. Dies führt zu einer hohen Messgenauigkeit und einer relativ unaufwändigen Berechnung der Durchflussgeschwindigkeit.
In alternativen Ausführungsformen ist es denkbar, nur die erste Ultraschallsignallaufzeit oder nur die zweite Ultraschallsignallaufzeit zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt 12a zu verwenden. In diesem Fall kann ein vorab ermittelter Korrekturwert für die Durchflussgeschwindigkeit Verwendung finden, um die Laufzeitdifferenz zwischen dem Signal, das sich im Volumenabschnitt 12a in der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitet und dem Signal, das sich im Volumenabschnitt 12a entgegen der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitet, in der Ermittlung der Durchflussgeschwindigkeit zu kompensieren. Auch eine vorab-Kalibrierung der Vorrichtung 10 unter Berücksichtigung des Verwendung findenden Fluids kann eine hohe Präzision bei Verwendung nur einer Ultraschallsignallaufzeit sicherstellen.
Der Ultraschallsignalweg 23 weist einen ersten Ultraschallsignalweg-Abschnitt 23a, der sich um einem Winkel, insbesondere um in etwa 90°, geneigt zu der Strömungsrichtung erstreckt, einen zweiten Ultraschallsignalweg-Abschnitt 23b, der sich parallel zu der Strömungsrichtung erstreckt, und einen dritten Ultraschallsignalweg-Abschnitt 23c auf, der sich um einem Winkel, insbesondere um in etwa 90°, geneigt zu der Strömungsrichtung erstreckt. Der erste Ultraschallsignalweg-Abschnitt 23a erstreckt sich von dem ersten Ultraschallsensor 22 bis zu dem ersten Reflexionselement 26. Der zweite Ultraschallsignalweg-Abschnitt 23b erstreckt sich von dem ersten Reflexionselement 26 bis zu dem zweiten Reflexionselement 28. Der dritte Ultraschallsignalweg-Abschnitt 23c erstreckt sich von dem zweiten Reflexionselement 28 bis zu dem zweiten Ultraschallsensor 24. Durch diese Konstruktion können sowohl der erste Ultraschallsensor 22 als auch der zweite Ultraschallsensor 24 außerhalb des Strömungsweges des Fluids angeordnet sein, was zu einer kompakten Bauweise beiträgt.
Demnach sind der erste Ultraschallsensor 22 und der zweite Ultraschallsensor 24 derart angeordnet und ausgebildet, dass ein vom ersten Ultraschallsensor 22 ausgegebenes Ultraschallsignal sich in etwa senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitet und dass ein vom zweiten Ultraschallsensor 24 ausgegebenes Ultraschallsignal sich in etwa senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitet. Der erste Ultraschallsensor 22 und der zweite Ultraschallsensor 24 sind ebenfalls derart angeordnet und ausgebildet, dass der erste Ultraschallsensor 22 zur Erfassung eines sich in etwa senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitenden Ultraschallsignals ausgebildet ist und dass der zweite Ultraschallsensor 24 zur Erfassung eines sich in etwa senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitenden Ultraschallsignals ausgebildet ist.
Der erste Ultraschallsensor 22 und der zweite Ultraschallsensor 24 sind jeweils ein Time-of-Flight-Sensor Damit ist der Ultraschallsignalweg 23, der die Messstrecke für die vorliegended Vorrichtung bildet, eine Time-of-Flight-Messstrecke. Dies sorgt für eine hohe Präzision der Messung bei relativ niedrigen Kosten für die Vorrichtung und relativ niedrigem Berechnungsaufwand zur Geschwindigkeitsbestimmung. Alternativ hierzu könnte die Messstrecke bzw. könnten der erste Ultraschallsensor 22 und/oder der zweite Ultraschallsensor 24 auf dem Sing-around-Prinzip oder dem Ultraschalldoppler-Prinzip basiert sein.
Der erste Ultraschallsensor 22 weist ein erstes piezokeramisches Element 34 auf und der zweite Ultraschallsensor 24 weist ein zweites piezokeramisches Element 36 auf. Das erste piezokeramische Element 34 und das zweite piezokeramische Element 36 sind in einer Detailansicht in 2b dargestellt, der man entnehmen kann, dass sowohl das erste piezokeramische Element 34 als auch das zweite piezokeramische Element 36 kreisscheibenartig ausgebildet sind.
Das erste Reflexionselement 26 weist eine erste Reflexionsfläche 26a auf und das zweite Reflexionselement 28 weist eine zweite Reflexionsfläche 28a auf. Die Ebene, in der sich die die erste Reflexionsfläche 26a erstreckt, und die Ebene, in der sich die erste Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche 22a erstreckt, schließen einen Winkel von in etwa 45° ein. Die Ebene, in der sich die die zweite Reflexionsfläche 28a erstreckt, und die Ebene, in der sich die zweite Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche 24a erstreckt, schließen ebenfalls einen Winkel von in etwa 45° ein.
Das erste Reflexionselement 26 und das zweite Reflexionselement 28 ist jeweils im Fluidstrom zwischen dem Fluideintritt 14 und dem Fluidaustritt 16 angeordnet und das erste Reflexionselement 26 und das zweite Reflexionselement 28 begrenzen den zweiten Ultraschallsignalweg-Abschnitt 23b. Die jeweilige Begrenzung des zweiten Ultraschallsignalweg-Abschnitts 23b bilden die Stellen des ersten Reflexionselements 26 und die Stelle des zweiten Reflexionselements 28, an denen das Ultraschallsignal reflektiert wird. Das erste Reflexionselement 26 und das zweite Reflexionselement 28 ist jeweils kreisscheibenförmig ausgebildet und weist jeweils eine Aussparung 26b, 28b auf, die ein Hindurchtreten des Fluids ermöglicht.
Die Vorrichtung 10 weist zur Ermittlung der Durchflussmenge des Fluids einen Temperatursensor 38 auf, der vorzugsweise in die Vorrichtung 10 integriert, d.h. eingebaut ist. Der Temperatursensor 38 ist in einer Detaildarstellung in 2b gezeigt. Zum Schutz weist der Temperatursensor 38 eine Hülse 39 auf, die in der Vorrichtung 10 befestigt ist. Durch die Messung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids mittels des ersten Ultraschallsensors 22 und des zweiten Ultraschallsensors 24 und der Temperatur des Fluids mittels des Temperatursensors 38 lässt sich über die Dichte des Fluids, die als temperaturabhängige Größe für das jeweilige die Vorrichtung 10 durchströmende Fluid bekannt ist, eine Durchflussmenge des Fluids durch die Vorrichtung 10 ermitteln.
Um eine möglichst breite Einsatzmöglichkeit zu schaffen, weist die Vorrichtung 10 zwei Batterien 40, alternativ hierzu einen oder mehrere Akkus zur Energieversorgung derselben auf. Selbstverständlich ist es, je nach Bedarf denkbar, dass die Vorrichtung 10 eine oder mehrere Batterien 40 und/oder einen oder mehrere Akkus aufweist.
Zur Anzeige der Messdaten und/oder anderweitiger Informationen weist die Vorrichtung 10 eine Anzeigevorrichtung 42, beispielsweise zur Anzeige von gemessenen oder von der Vorrichtung bestimmten Größen bzw. Daten auf. Ferner weist die Vorrichtung 10 eine Datenübertragungsvorrichtung 44 zur, insbesondere drahtlosen Übertragung von gemessenen oder von der Vorrichtung bestimmten Größen bzw. Daten auf. Die Anzeigevorrichtung 42 oder die Datenübertragungsvorrichtung 44 können in alternativen Ausführungsformen entfallen.
In 6 ist ein Wärmemengenmessgerät 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es weist eine Vorrichtung 10 zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, wie sie vorstehend beschrieben ist, und einen zweiten Temperatursensor 102 auf. Der zweite Temperatursensor 102 ist außerhalb der Vorrichtung 10 angeordnet und dazu vorgesehen, die Temperatur des Fluids nach dem Durchströmen der Vorrichtung 10 an einer Temperaturmessstelle außerhalb der Vorrichtung 10, beispielsweise einer Rohrleitung, insbesondere Rückleitung oder dgl. nach Abgabe einer Wärmemenge oder auch nach Aufnahme einer Wärmemenge, beispielsweise nach Durchströmen eines Heizkörpers oder eines anderweitigen Wärmetauschers, zu messen. Mittels des Temperaturunterschiedes ΔT zwischen der Temperatur des Fluids in der Vorrichtung 10 und der Temperatur des Fluids nach Durchströmen des Wärmetauschers, lässt sich mittels des Durchflussvolumens, das die Vorrichtung 10 ermittelt, die abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge Q nach der Formel Q = m*c_p(T_e-T_a) berechnen, wobei Q die abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge, m die Masse des Fluids, das durch die Vorrichtung 10 und somit den Wärmetauscher geströmt ist, cp die spezifische Wärmekapazität des Fluids, T_e die Endtemperatur des Fluids, d.h. die Temperatur des Fluids am zweiten Temperatursensor 102 und T_a die anfängliche Temperatur, d.h. die Temperatur am ersten Temperatursensor 38 repräsentiert.
Es sei erwähnt, dass die Vorrichtung 10 des Wärmemengenmessgeräts 100 auch in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher angeordnet sein kann und der zweite Temperatursensor dann derart angeordnet ist, dass er die anfängliche Temperatur des Fluids misst. In diesem Fall ist T_e die Temperatur des Fluids am ersten Temperatursensor 38 und T_a die Temperatur am zweiten Temperatursensor 102. Zur Bestimmung der abgegebenen oder aufgenommenen Wärmemenge weit das Wärmemengenmessgerät 100 eine Wärmemengen-Bestimmungsvorrichtung 104 auf.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit festen Merkmalskombinationen beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids
12: Volumen
12a: Volumenabschnitt
14: Fluideintritt
16: Fluidaustritt
18: Pfeil
20: Pfeil
22: erster Ultraschallsensor
22a: erste Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche
23: Ultraschallsignalweg
23a: erster Ultraschallsignalweg-Abschnitt
23b: zweiter Ultraschallsignalweg-Abschnitt
23c: dritter Ultraschallsignalweg-Abschnitt
24: zweiter Ultraschallsensor
24a: zweite Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche
26: erstes Reflexionselement
26a: erste Reflexionsfläche
26b: Aussparung
28: zweites Reflexionselement
28a: zweite Reflexionsfläche
28b: Aussparung
30: Ultraschallsignallaufzeit-Bestimmungsvorrichtung
32: Durchflussgeschwindigkeits-Bestimmungsvorrichtung
34: erstes piezokeramisches Element
36: zweites piezokeramisches Element
38: erster Temperatursensor
39: Hülse
40: Batterie
42: Anzeigevorrichtung
44: Datenübertragungsvorrichtung
100: Wärmemengenmessgerät
102: zweiter Temperatursensor
104: Wärmemengen-Bestimmungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202020001011 U [0002, 0003]

Claims

Vorrichtung (10) zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, in einer Strömungsrichtung durch einen Volumenabschnitt (12a) eines Volumens (12), aufweisend: das Volumen (12), wobei das Volumen (12) einen Fluideintritt (14) und einen Fluidaustritt (16) aufweist, einen ersten Ultraschallsensor (22) und einen zweiten Ultraschallsensor (24) zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt (12a), wobei jeder der Ultraschallsensoren (22, 24) ausgebildet ist, um ein Ultraschallsignal auszugeben und um ein Ultraschallsignal zu empfangen, wobei sich das Ultraschallsignal entlang eines Ultraschallsignalweges (23) von dem ersten Ultraschallsensor (22) zu dem zweiten Ultraschallsensor (24) oder umgekehrt, d.h. von dem zweiten Ultraschallsensor (24) zu dem ersten Ultraschallsensor (22) ausbreitet, ein erstes Reflexionselement (26) und ein zweites Reflexionselement (28), wobei das erste Reflexionselement (26) und das zweite Reflexionselement (28) in dem Ultraschallsignalweg (23) angeordnet sind derart, dass ein von dem ersten Ultraschallsensor (22) ausgesandtes Ultraschallsignal von dem ersten Reflexionselement (26) zu dem zweiten Reflexionselement (28) reflektiert wird und von dem zweiten Reflexionselement (28) zu dem zweiten Ultraschallsensor (24) reflektiert wird, und dass ein von dem zweiten Ultraschallsensor (24) ausgesandtes Ultraschallsignal von dem zweiten Reflexionselement (28) zu dem ersten Reflexionselement (26) reflektiert wird und von dem ersten Reflexionselement (26) zu dem ersten Ultraschallsensor (22) reflektiert wird, eine Ultraschallsignallaufzeit-Bestimmungsvorrichtung (30) zur Bestimmung einer ersten Ultraschallsignallaufzeit von dem ersten Ultraschallsensor (22) zu dem zweiten Ultraschallsensor (24) und/oder zur Bestimmung einer zweiten Ultraschallsignallaufzeit von dem zweiten Ultraschallsensor (24) zu dem ersten Ultraschallsensor (22), und eine Durchflussgeschwindigkeits-Bestimmungsvorrichtung (32) zur Bestimmung einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt (12a) unter Verwendung der ersten und/oder der zweiten Ultraschallsignallaufzeit.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsignalweg (23) einen ersten Ultraschallsignalweg-Abschnitt (23a), der sich um einem Winkel, insbesondere um in etwa 90°, geneigt zu der Strömungsrichtung erstreckt, einen zweiten Ultraschallsignalweg-Abschnitt (23b), der sich parallel zu der Strömungsrichtung erstreckt, und einen dritten Ultraschallsignalweg-Abschnitt (23c) aufweist, der sich um einem Winkel, insbesondere um in etwa 90°, geneigt zu der Strömungsrichtung erstreckt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Ultraschallsensor (22) und/oder der zweite Ultraschallsensor (24) derart angeordnet und ausgebildet ist/sind, dass ein vom jeweiligen Ultraschallsensor (22, 24) ausgegebenes Ultraschallsignal sich in etwa senkrecht zu der Strömungsrichtung ausbreitet.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Ultraschallsensor (22) und/oder der zweite Ultraschallsensor (24) angeordnet ist/sind, dass der jeweilige Ultraschallsensor (22, 24) zur Erfassung eines sich in etwa senkrecht zu der Strömungsrichtung ausbreitenden Ultraschallsignals ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Durchflussgeschwindigkeits-Bestimmungsvorrichtung (32) zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch den Volumenabschnitt (12a) unter Verwendung der ersten und der zweiten Ultraschallsignallaufzeit, insbesondere unter Verwendung einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Ultraschallsignallaufzeit ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Ultraschallsensor (22) und/oder der zweite Ultraschallsensor (24) ein Time-of-Flight-Sensor ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Ultraschallsensor (22) und/oder der zweite Ultraschallsensor (24) ein piezokeramisches Element (34, 36) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) einen ersten Temperatursensor (38), insbesondere einen integrierten Temperatursensor aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) wenigstens eine Batterie (40) und/oder wenigstens einen Akku zur Energieversorgung derselben aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Reflexionselement (26) eine erste Reflexionsfläche (26a) und das zweite Reflexionselement (28) eine zweite Reflexionsfläche (28a) aufweist und wobei der erste Ultraschallsensor (22) eine erste Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche (22a) und der zweite Ultraschallsensor (24) eine zweite Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche (24a) aufweist, wobei die Ebene, in der sich die die erste Reflexionsfläche (26a) erstreckt, und die Ebene, in der sich die erste Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche (22a) erstreckt, einen Winkel von in etwa 45° einschließen und wobei die Ebene, in der sich die die zweite Reflexionsfläche (28a) erstreckt, und die Ebene, in der sich die zweite Ultraschall-Sende- und -empfangsfläche (24a) erstreckt einen Winkel von in etwa 45° einschließen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Reflexionselement (26) und/oder das zweite Reflexionselement (28) kreisscheibenförmig ausgebildet ist und wenigstens eine Aussparung (26b, 28b) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Reflexionselement und/oder das zweite Reflexionselement in einem Strom des Fluids zwischen dem Fluideintritt und dem Fluidaustritt angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige von gemessenen oder von der Vorrichtung (10) bestimmten Größen bzw. Daten und/oder eine Datenübertragungsvorrichtung zur, insbesondere drahtlosen, Übertragung von gemessenen oder von der Vorrichtung (10) bestimmten Größen bzw. Daten aufweist.
Wärmemengenmessgerät (100) aufweisend: - eine Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche und - einen zweiten Temperatursensor (102).
Wärmemengenmessgerät (100) nach Anspruch 14, wobei das Wärmemengenmessgerät (100) eine Wärmemengen-Bestimmungsvorrichtung (104) aufweist.