DE202023107020U1 - Sound speed sensor - Google Patents
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Abstract
Schallgeschwindigkeitssensor (10) für ein Fluid (FL), mit mindestens einer Messkammer (11), in welcher mindestens ein Schallwandler (14, 15) angeordnet ist, wobei zu der Messkammer (11) mindestens eine Eintrittsöffnung (12) und mindestens eine Austrittsöffnung (13) führt und die Messkammer (11) von dem Fluid (FL) zur Realisierung einer Messung befüllbar/durchströmbar ist, wobei der Schallgeschwindigkeitssensor (10) in einer von dem Fluid (FL) durchströmten Fluidleitung (1) angeordnet ist und von Fluid (FL) umströmt ist. Sound velocity sensor (10) for a fluid (FL), with at least one measuring chamber (11) in which at least one sound transducer (14, 15) is arranged, wherein at least one inlet opening (12) and at least one outlet opening (13) lead to the measuring chamber (11) and the measuring chamber (11) can be filled/flowed through by the fluid (FL) to realize a measurement, wherein the sound velocity sensor (10) is arranged in a fluid line (1) through which the fluid (FL) flows and around which fluid (FL) flows.
Description
Die Erfindung betrifft einen Schallgeschwindigkeitssensor nach dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs.The invention relates to a sound velocity sensor according to the preamble of the first claim.
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Der entscheidende Nachteil dieser Sensoren besteht darin, dass diese nicht platzsparend und meist außerhalb der Fluidleitungen angeordnet sind.The decisive disadvantage of these sensors is that they do not save space and are usually arranged outside the fluid lines.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Schallgeschwindigkeitssensor zu entwickeln, der platzsparend angeordnet ist. Darüber hinaus soll eine Prozessintegration zur Prozessüberwachung realisierbar sein.The object of the invention is therefore to develop a sound velocity sensor that is arranged in a space-saving manner. In addition, process integration for process monitoring should be possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst.This object is achieved according to the invention with the features of the first claim.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Der erfindungsgemäße Schallgeschwindigkeitssensor für ein Fluid weist mindestens eine Messkammer auf, in welcher mindestens ein Schallwandler angeordnet ist, wobei zu der Messkammer mindestens eine Eintrittsöffnung und mindestens eine Austrittsöffnung führen und die Messkammer von dem Fluid zur Realisierung einer Messung befüllbar/durchströmbar ist, wobei der Schallgeschwindigkeitssensor in einer von dem Fluid durchströmten Fluidleitung angeordnet ist und von Fluid bevorzugt gleichmäßig umströmt ist.The sound velocity sensor for a fluid according to the invention has at least one measuring chamber in which at least one sound transducer is arranged, wherein at least one inlet opening and at least one outlet opening lead to the measuring chamber and the measuring chamber can be filled/flowed through by the fluid in order to realize a measurement, wherein the sound velocity sensor is arranged in a fluid line through which the fluid flows and is preferably evenly flowed around by the fluid.
Durch diese In-Line Anordnung des Schallgeschwindigkeitssensors direkt in der Fluidleitung wird eine platzsparende Ausgestaltung möglich und es können zuverlässige Messungen realisiert werden.This in-line arrangement of the sound velocity sensor directly in the fluid line enables a space-saving design and reliable measurements can be realized.
Vorzugsweise ist der Messkammer mindestens ein erster Schallwandler und mindestens ein zweiter Schallwandler angeordnet, wobei der erste und der zweite Schallwandler jeweils mit einer Mess-/Auswerteeinheit verbunden sind.Preferably, at least one first sound transducer and at least one second sound transducer are arranged in the measuring chamber, wherein the first and the second sound transducer are each connected to a measuring/evaluation unit.
Die Trennung der Schallwandler zur Messkammer erfolgt bevorzugt durch einen Deckel in Form eines Diaphragmas. Im Deckel ist eine Senkung, der Boden der Senkung fungiert als Diaphragma mit dem angeklebten Schallwandler. In diesem Deckel befinden sich die Löcher, seitlich vom Schallwandler sowie seitlich zur Senkung, durch welche das Fluid strömen kann.The separation of the sound transducers from the measuring chamber is preferably done by a cover in the form of a diaphragm. In the cover there is a sensor kung, the bottom of the depression acts as a diaphragm with the sound transducer glued to it. In this cover are the holes, to the side of the sound transducer and to the side of the depression, through which the fluid can flow.
Vorteilhafter Weise ist die Messkammer in einem diese umfangsseitig umhüllenden Mantel axial verschiebbar und drehfest angeordnet und der Mantel in der Fluidleitung gestellfest und für einen geringen Strömungsverlust bevorzugt mittig positioniert.Advantageously, the measuring chamber is arranged in a casing that surrounds it on the circumference so that it can be axially displaced and is rotationally fixed, and the casing is fixed to the frame in the fluid line and is preferably positioned centrally to minimize flow loss.
Bei geöffneter Eintritts- und Austrittsöffnung fließt das Fluid durch die Messkammer.When the inlet and outlet openings are open, the fluid flows through the measuring chamber.
Zur Durchführung einer Messung sind die Eintrittsöffnung/en der Messkammer verschließbar. Dazu ist beispielsweise an dem Mantel wenigstens ein radial nach innen weisender Anschlag vorhanden, mit dem die mindestens eine Eintrittsöffnung/en verschließbar ist/sind.To carry out a measurement, the inlet opening(s) of the measuring chamber can be closed. For this purpose, for example, there is at least one radially inward-pointing stop on the casing, with which the at least one inlet opening(s) can be closed.
Weiterhin sind zur Durchführung der Messungen auch die Austrittsöffnungen der Messkammer verschlossen.Furthermore, the outlet openings of the measuring chamber are also closed in order to carry out the measurements.
Zur Realisierung der geschlossenen ersten Position, in welcher eine Messung erfolgt, liegt die Messkammer an dem radial nach innen weisenden Anschlag des Mantels an und die Eintrittsöffnungen sind verschlossen. Weiterhin verschießt der Mantel umfangsseitig die Austrittsöffnungen.To achieve the closed first position in which a measurement is carried out, the measuring chamber rests against the radially inward-facing stop of the casing and the inlet openings are closed. The casing also closes the outlet openings on the circumference.
Die Messkammer ist in einer zweiten Position, in welcher bevorzugt keine Messung erfolgt, von dem Anschlag beabstandet, so dass die mindestens eine Eintrittsöffnung frei ist. In dieser zweiten Position wurden durch den Mantel auch die mindestens eine Austrittsöffnung der Messkammer freigegeben. Durch die mindestens eine Eintrittsöffnung tritt nun Fluid aus der Leitung in die Messkammer ein und aus der mindestens einen Austrittsöffnung aus der Messkammer in die Leitung aus.In a second position, in which preferably no measurement is carried out, the measuring chamber is spaced from the stop so that the at least one inlet opening is free. In this second position, the at least one outlet opening of the measuring chamber is also freed up by the casing. Fluid now enters the measuring chamber from the line through the at least one inlet opening and exits the measuring chamber into the line through the at least one outlet opening.
Zur Realisierung einer Axialbewegung der Messkammer zu deren Verschieben in Bezug auf den Mantel für das Öffnen und Schließen der Ein- und Austrittsöffnung/en steht die Messkammer mit einem Elektromagneten in Wirkverbindung, bei dessen Betätigung die Messkammer entgegen einer Federkraft einer Feder (bevorzugt eine Druckfeder) aus der geschlossenen ersten (Mess-) Position in die geöffnete zweite (Durchström-) Position innerhalb des Mantels axial verschiebbar ist.In order to realize an axial movement of the measuring chamber to move it in relation to the casing for opening and closing the inlet and outlet opening(s), the measuring chamber is operatively connected to an electromagnet, upon actuation of which the measuring chamber can be axially displaced against a spring force of a spring (preferably a compression spring) from the closed first (measuring) position to the open second (flow-through) position within the casing.
Die Messkammer weist dabei ein Gehäuse mit einem Hohlraum und an ihren beiden Enden Verschlusselemente auf, die an ihren Außenseiten beispielsweise flach (zur Resonanz) ausgebildet ist. Die flache Außenseite mit einer dünnen Trennwand zur Messkammer hin ist notwendig zur Resonanzmessung.The measuring chamber has a housing with a cavity and closure elements at both ends, which are designed to be flat on their outer sides (for resonance). The flat outer side with a thin partition wall towards the measuring chamber is necessary for resonance measurement.
Alternativ kann auch zumindest die in Anströmrichtung des Fluids angeordnete Außenseite des in Anströmrichtung positionierten Verschlusselementes zur Reduzierung des Strömungswiderstandes entsprechend ausgeführt sein, beispielsweise mit einer sphärisch gekrümmten Oberfläche, insbesondere ballig oder in Form eines Kegels. Dabei weist das in Anströmrichtung angeordnete erste Verschlusselement die Eintrittsöffnungen auf.Alternatively, at least the outside of the closure element positioned in the flow direction, which is arranged in the flow direction of the fluid, can be designed accordingly to reduce the flow resistance, for example with a spherically curved surface, in particular spherical or in the shape of a cone. The first closure element arranged in the flow direction has the inlet openings.
Die Austrittsöffnungen führen bevorzugt axial oder in einem Winkel durch das zweite Verschlusselement und/oder bevorzugt radial durch das Gehäuse.The outlet openings preferably lead axially or at an angle through the second closure element and/or preferably radially through the housing.
Das erste und zweite Verschlusselement weisen in Richtung zum Hohlraum der Messkammer den ersten und zweiten Schallwandler auf. Bevorzugt ist je eine Aussparung in Richtung zum Hohlraum in jedem Verschlusselement vorgesehen, in welchem jeweils ein Schallwandler positioniert ist.The first and second closure elements have the first and second sound transducers in the direction of the cavity of the measuring chamber. Preferably, a recess is provided in the direction of the cavity in each closure element, in which a sound transducer is positioned.
Um einen guten Durchfluss auch bei eventuellen Verschmutzungen des Fluids zu garantieren, weisen die Austrittsöffnungen vorteilhafter Weise einen größeren Durchmesser auf, als die Eintrittsöffnungen.In order to guarantee good flow even if the fluid is contaminated, the outlet openings advantageously have a larger diameter than the inlet openings.
Der erste und der zweite Schallwandler bestehen bevorzugt aus Materialien, die einen piezoelektrischen Effekt aufweisen. Dies können beispielsweise Piezokristalle, Piezokeramik, z.B. technischer Keramik wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder auch Schwingquarze sein. Die Schallwandler sind insbesondere zum Messen und zum Anregen ausgebildet.The first and second sound transducers are preferably made of materials that have a piezoelectric effect. These can be, for example, piezo crystals, piezo ceramics, e.g. technical ceramics such as lead zirconate titanate (PZT) or quartz oscillators. The sound transducers are designed in particular for measuring and for excitation.
Der in eine Fluidleitung integrierte Schallgeschwindigkeitssensor kann beispielsweise zur Bestimmung der Dichte und/oder Wärmekapazität eines Fluids eingesetzt werden. Das Fluid kann beispielsweise ein Wärmeträger oder ein Kältemittel in einem Wärmeträgerkreislauf oder Kältemittelkreislauf sein (oder auch Gas Pipelines, etc.).The sound velocity sensor integrated into a fluid line can be used, for example, to determine the density and/or heat capacity of a fluid. The fluid can, for example, be a heat transfer medium or a coolant in a heat transfer medium circuit or coolant circuit (or gas pipelines, etc.).
De erfindungsgemäße Lösung wird bevorzugt für einphasige, insbesondere gasförmige Medien eingesetztThe solution according to the invention is preferably used for single-phase, in particular gaseous media
Über die Messung der Medien mittels des erfindungsgemäßen Schallgeschwindigkeitssensors als Inline-Variante in der Fluidleitung kann auf einfache und elegante Weise über die Dichte des Fluids auf dessen Wärmekapazität geschlossen werden. Dies ist wiederum ein wichtiger Wert für die Berechnung der Energiebilanz in einem Wärmeträgerkreislauf oder Kältemittelkreislauf.By measuring the media using the sound velocity sensor according to the invention as an inline variant in the fluid line, the density of the fluid can be used to determine its heat capacity in a simple and elegant way. This is in turn an important value for the calculation Calculation of the energy balance in a heat transfer medium circuit or refrigerant circuit.
Es kann in der Leitung zusätzlich ein Zugang für einen Temperatur- und/ Drucksensor (nicht dargestellt) integriert werden.An additional access for a temperature and/or pressure sensor (not shown) can be integrated into the line.
Entgegen der Federkraft wird ein von außen gewickelter (Wicklung nicht dargestellt) Elektromagnet betätigt und dadurch die Messkammer nach Beendigung eines Messvorganges geöffnet, sodass das Fluid durch diese strömen kann.An electromagnet wound from the outside (winding not shown) is actuated against the spring force, thereby opening the measuring chamber after completion of a measuring process so that the fluid can flow through it.
Durch die Messkammer mit kegelförmigen Enden ist es möglich, deren Strömungswiderstand zu reduzieren.The measuring chamber with conical ends makes it possible to reduce its flow resistance.
Bevorzugt umfasst der Eintritt sechs axial verlaufende Eintrittsöffnungen, insbesondere mit einem Durchmesser von 1,5 mm. Austrittsseitig sind bevorzugt zehn gleichmäßig über den Umfang verteilte (im Winkel von 36°) radiale Löcher angeordnet, deren Durchmesser beispielsweise 2 mm beträgt.The inlet preferably comprises six axially extending inlet openings, in particular with a diameter of 1.5 mm. On the outlet side, ten radial holes are preferably arranged, evenly distributed over the circumference (at an angle of 36°), the diameter of which is, for example, 2 mm.
Die Fluidleitung kann mithilfe von Flanschen oder anderen passenden Verbindungen mechanisch an ein System, welches von dem Fluid durchströmt wird, angeschlossen werden.The fluid line can be mechanically connected to a system through which the fluid flows by means of flanges or other suitable connections.
Der vordere Kegel besitzt axial symmetrische Löcher über die das Fluid hereinströmen kann.The front cone has axially symmetrical holes through which the fluid can flow.
Beide Schallwandler sind über feine Kabel (z.B. IEC 60228 Klasse 6, VDE 0295) mit einem nicht dargestellten Lock-In Verstärker verbunden, der als Oszillator sowie zur Frequenzmessung verwendet wird.Both transducers are connected via fine cables (e.g. IEC 60228 Class 6, VDE 0295) to a lock-in amplifier (not shown), which is used as an oscillator and for frequency measurement.
Die Fluidströmung verläuft im geöffneten Zustand des Schallgeschwindigkeitssensors durch den vorderen Kegel hin zu den radialen Austrittlöchern vor dem hinteren Kegel.When the sound velocity sensor is open, the fluid flow passes through the front cone to the radial outlet holes in front of the rear cone.
Bei einem deaktivierten Elektromagneten schließt durch die Rückstellkraft der Feder die Messkammer, ohne elektrische Störfelder oder Signale zu erzeugen.When an electromagnet is deactivated, the restoring force of the spring closes the measuring chamber without generating electrical interference fields or signals.
Der entsprechend ausgelegte Elektromagnet (abhängig von Dichte und Geschwindigkeit öffnet die Messkammer bei dessen Betätigung entgegen der Federkraft der Rückstellfeder vor einem Messvorgang. Die Feder wird dabei nach Dichte und Geschwindigkeit ausgelegt und der Elektromagnet entsprechend der Feder mit einer größeren Kraft als die Kraft der Feder.The appropriately designed electromagnet (depending on density and speed) opens the measuring chamber when it is activated against the spring force of the return spring before a measuring process. The spring is designed according to density and speed and the electromagnet corresponds to the spring with a force greater than the force of the spring.
Es ist möglich, zur Anpassung der Federkraft, bei veränderlicher Dichte vom Fluid noch eine Spindel zusätzlich zur Feder zu integrieren, wie bei Sicherheitsventilen bereits angewandt.It is possible to integrate a spindle in addition to the spring to adjust the spring force when the density of the fluid changes, as is already done with safety valves.
Die Messkammer ist zur Realisierung der Axialbewegung für den Öffnungsvorgang und den Schließvorgang in dem (rohrförmigen) Mantel gelagert, so dass der radial nach innen weisende Anschlag auch zur Dichtung der Eintrittsöffnungen beim Messvorgang verwendet wird.The measuring chamber is mounted in the (tubular) casing to realize the axial movement for the opening and closing process, so that the radially inward-pointing stop is also used to seal the inlet openings during the measuring process.
Nachfolgend wird das Messprinzip erläutert:The measuring principle is explained below:
Die Schallwandler sind bevorzugt identische Piezokeramiken mit festgelegten Maßen. Beide Schallwandler können zum Messen als auch zum Anregen verwendet werden. Der erste Schallwandler wird bei mit Fluid gefüllter und geschlossener Messkammer mit hochfrequenten Spannungen im mV-Bereich beaufschlagt und regt das Diaphragma (nicht dargestellt des ersten Schallwandlers an. Die Schallwandler haben beispielsweise folgende Spezifikation: K350 PZT Disc Diameter 10mm x 0.4mm thick gold plated.The transducers are preferably identical piezoceramics with fixed dimensions. Both transducers can be used for measuring and for excitation. The first transducer is subjected to high-frequency voltages in the mV range in a closed measuring chamber filled with fluid and excites the diaphragm (not shown) of the first transducer. The transducers have the following specifications, for example: K350 PZT Disc Diameter 10mm x 0.4mm thick gold plated.
Das Diaphragma besteht bevorzugt aus einem leitenden metallischen Werkstoff, der entsprechend des Fluid korrosionsbeständig ist, damit der Werkstoff seine Oberflächenbeschaffenheit nicht verliert, insbesondere aus Edelstahl. Es ist aber auch ein anderer Werkstoff, bevorzugt ein leitender metallischer Werkstoff möglich, der entsprechend des Fluids korrosionsbeständig ist, damit der Werkstoff seine Oberflächenbeschaffenheit nicht verliert.The diaphragm preferably consists of a conductive metallic material that is corrosion-resistant according to the fluid so that the material does not lose its surface quality, in particular stainless steel. However, another material is also possible, preferably a conductive metallic material that is corrosion-resistant according to the fluid so that the material does not lose its surface quality.
Die Schwingungen werden hierbei auf das Fluid (z. B. Gas) in der Messkammer zwischen den Schallwandlern übertragen. Die Schwingungen verursachen eine Resonanzfrequenz im Fluid, die von der Zusammensetzung des Fluids (z. B. Gas) abhängt. Aufgrund der geringen Spannung in Höhe von z.B. nur 1V werden Spannungsspitzen beim zweiten Schallwandler explizit bei Resonanzfrequenzen, die sich in Schwingungsmoden äußern, gemessen und ausgewertet.The vibrations are transmitted to the fluid (e.g. gas) in the measuring chamber between the transducers. The vibrations cause a resonance frequency in the fluid, which depends on the composition of the fluid (e.g. gas). Due to the low voltage of only 1V, for example, voltage peaks in the second transducer are explicitly measured and evaluated at resonance frequencies, which manifest themselves in vibration modes.
Das spezifische Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Innenraumes (Hohlraumes, z. B. 4/3 für Gase) der Messkammer ermöglicht die Isolierung der zweiten longitudinalen Mode, sodass keine Interferenzen mit anderen Moden oder Resonanzen entstehen. (Beispielsweise bei einem gewählten Innendurchmesser von 24mm ergibt sich eine Innenlänge von 32mm des Hohlraumes der Messkammer.) Folglich kann allein die Resonanzfrequenz der isolierten Mode gemessen werden. Das Grundrauschen kann dadurch deutlich vom Peak unterschieden werden.The specific ratio of length to diameter of the interior (cavity, e.g. 4/3 for gases) of the measuring chamber enables the second longitudinal mode to be isolated so that no interference with other modes or resonances occurs. (For example, with a selected inner diameter of 24mm, the inner length of the cavity of the measuring chamber is 32mm.) Consequently, only the resonance frequency of the isolated mode can be measured. The background noise can thus be clearly distinguished from the peak.
Eine Minimierung des Grundrauschens würde erfolgen, wenn Störgrößen, wie Bohrungen kleiner werden oder Mehrphasen vermieden werden.The background noise would be minimized if disturbances such as boreholes were made smaller or multiphases were avoided.
Die Frequenzmessung und -auswertung kann entsprechend der geforderten Unsicherheit angepasst werden.The frequency measurement and evaluation can be adapted according to the required uncertainty.
Die Frequenz steht hierbei im direkten physikalischen mathematisch beschreibbaren Zusammenhang zur Schallgeschwindigkeit.The frequency is in direct physical and mathematically describable relationship to the speed of sound.
Beschreibung des Messvorgangs:Description of the measuring process:
Der Elektromagnet öffnet bei dessen Betätigung entgegen der Federkraft der Rückstellfeder die Eintrittsöffnungen und die Austrittsöffnungen durch entsprechendes Verschieben der Messkammer. Dadurch kann das Fluid die Messkammer durchströmen. Wird der Elektromagnet deaktiviert, wirkt die Kraft der Rückstellfeder und die Messkammer wird in ihre geschlossene Position zurückgeschoben, bei welcher die Eintrittsöffnungen und bevorzugt auch die Austrittsöffnungen verschlossen sind. Das Fluid ist nun in der Messkammer eingeschlossen.When the electromagnet is activated, it opens the inlet and outlet openings by moving the measuring chamber against the spring force of the return spring. This allows the fluid to flow through the measuring chamber. If the electromagnet is deactivated, the force of the return spring takes effect and the measuring chamber is pushed back into its closed position, in which the inlet openings and preferably also the outlet openings are closed. The fluid is now enclosed in the measuring chamber.
Die eingetragene Schwingung über den ersten Schallwandler erzeugt nun eine stehende Welle, die einen Peak bei der gesuchten longitudinalen Mode besitzt. Hierzu wird die Frequenz über ein breites Spektrum eingetragen und beim zweiten Schallwandler kontinuierlich gemessen.The vibration introduced via the first transducer now generates a standing wave that has a peak in the desired longitudinal mode. To do this, the frequency is introduced over a broad spectrum and continuously measured at the second transducer.
Der mit dem ersten und zweiten Schallwandler gekoppelte Lock-In Verstärker verstärkt das erhaltene Signal bzw. die Signale und vergleicht/„locked“ dieses/diese mit einem Referenzsignal des Erregersignals (z. B. des Erregersignals des ersten Schallwandlers), sodass die gesuchte Frequenz auch phasenverschoben gemessen werden kann. In:
Die gemessene Resonanzfrequenz wird zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit rechnerisch ausgewertet.The measured resonance frequency is mathematically evaluated to determine the speed of sound.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.
Es zeigen:
-
1 Prinzipskizze der Anordnung des Schallgeschwindigkeitssensors, -
2 Prinzipskizze eines Schallgeschwindigkeitssensors, der in einer Leitung angeordnet ist in einer geschlossenen Position (Messposition), -
3 Schallgeschwindigkeitssensor gemäß 2 in geschlossener Position, -
4 Darstellung einer weiteren Ausführung eines Schallgeschwindigkeitssensors in einer Leitung.
-
1 Schematic diagram of the arrangement of the sound velocity sensor, -
2 Schematic diagram of a sound velocity sensor arranged in a pipe in a closed position (measuring position), -
3 Sound velocity sensor according to2 in closed position, -
4 Illustration of another design of a sound velocity sensor in a pipe.
Der Schallgeschwindigkeitssensor 10 (siehe auch
In bzw. an dem ersten Verschlusselement 11.3 ist in Richtung zum Hohlraum 11.2 ein erster Schallwandler 14 (nicht näher dargestellt) und in bzw. an dem zweiten Verschlusselement 11.4 ist ebenfalls in Richtung zum Hohlraum 11.2 ein zweiter Schallwandler 15 angeordnet (ebenfalls nicht näher dargestellt). Die Messkammer 11 ist axial verschiebbar und drehfest in einem bevorzugt zylindrischen Mantel 16 gelagert. Der Mantel 16 weist auf der Seite des ersten Verschlusselements 11.3 einen radial nach innen weisenden Anschlag 16.1 auf, der in der dargestellten geschlossenen Position die Eintrittsöffnungen 12 verschließt. Weiterhin weist der Mantel 16 eine Länge auf, durch welche er die im Gehäuse 11.1 vorhandenen radialen Austrittsöffnungen 13 in der dargestellten Position verschließt.In or on the first closure element 11.3, a first sound transducer 14 (not shown in detail) is arranged in the direction of the cavity 11.2 and in or on the second closure element 11.4, a
Zur Realisierung der Axialbewegung zum Öffnen und Schließen der Ein- und Austrittsöffnungen 12, 13 weist die Messkammer 11 an ihrem zweiten Verschlusselement 11.4 einen im Wesentlichen in Richtung der Längsachse Ader Messkammer 11 angeordneten und nach außen ragenden Stößel 17 auf. Dieser ist endseitig mit einem Elektromagneten 18, von dem hier nur der Eisenkern dargestellt ist, der im Weiteren als Elektromagnet 18 bezeichnet wird, fest verbunden, gegen welchen eine Feder 19 (insbesondere eine Druckfeder) wirkt. Im deaktivierten Zustand des Elektromagneten 18 wird dieser, und über den Stößel 17 auch die Messkammer 11, in Richtung des radial nach innen weisenden Anschlags 16.1 des Mantels 16 gedrückt (hier nach links). Mit Anliegen des ersten Verschlusselementes 11.3 am radial nach innen weisenden Anschlag 16.1 des Mantels 16 sind die Eintrittsöffnungen 12 des ersten Verschlusselementes verschlossen und auch der axial verlaufende Mantel 16 greift über die Austrittsöffnungen 13 des Gehäuses 11.1 der Messkammer 11. Dadurch sind die Eintrittsöffnungen 12 und die Austrittsöffnungen 13 der Messkammer 11 geschlossen. Das Fluid FL ist in dieser ersten Position in Form der Messposition in der Messkammer 11 eingeschlossen und mit dem ersten und zweiten Schallwandler 14, 15 können nun die erforderlichen Messungen erfolgen (siehe auch
Zum Öffnen der Eintrittsöffnungen 12 und der Austrittsöffnungen 13 wird der Eisenkern/Elektromagnet 18 aktiviert, so dass sich dieser gegen die Federkraft der Feder 19 hier nach rechts bewegt. Dadurch wird auch die Messkammer 11 über den Stößel 17 in dem Mantel 16 nach rechts bewegt und die Eintrittsöffnungen 12 sowie die Austrittsöffnungen 13 freigegeben (siehe
Der Elektromagnet 18 und die Feder 19 sitzen beispielsweise in einer Ausstülpung 20 der Fluidleitung 1.The
Der bewegte Kern vom Elektromagneten 18 ist bevorzugt ein Kern eines von außen gewickelter Elektromagnet 18, wobei die Wicklungen hier nicht dargestellt sind.The moving core of the
Obwohl nur der Kern des Elektromagneten 18 dargestellt ist, wird für diesen nachfolgend weiter die Bezeichnung Elektromagnet 18 verwendet.Although only the core of the
Der Elektromagnet 18 bzw. dessen Kern und die Feder 19 bewirken das Öffnen und Schließen der Messkammer 11 durch deren axiales Verschieben entsprechend des Doppelpfeils (
Die drehfeste axiale Verschiebbarkeit der Messkammer 11 im Mantel 16 wird beispielsweise durch ineinandergreifende Formelemente realisiert (nicht dargestellt). Zum Beispiel kann ein radial nach außen weisender Vorsprung am zylinderartigen Gehäuse 11.1 vorgesehen sein, der in eine Nut des Mantels 16 eingreift oder der Mantel 16 besitzt einen radial nach innen weisenden Vorsprung, der mit einer Nut im Gehäuse 11.1 korrespondiert (nicht dargestellt).The rotationally fixed axial displacement of the measuring
Bei den Varianten gemäß
Bei den Varianten der
Die Fluidleitung 1 weist gemäß der
Weiterhin kann zu der Fluidleitung 1 gemäß der
Die
Es ist aus
Dadurch liegen die Eintrittsöffnungen 12 und die Austrittsöffnungen 13 frei und das Fluid FL strömt aus der Fluidleitung 1 durch die Eintrittsöffnungen 12 in die Messkammer 11 und durch die Austrittsöffnungen 13 aus der Messkammer 11 in die Fluidleitung 1. Weiterhin strömt Fluid FL um den Schallgeschwindigkeitssensor 10 herum. In dieser Position erfolgt bevorzugt keine Messung.As a result, the
Gemäß
Das Fluid FL ist nun in der Messkammer 11 eingeschlossen. Das eingeschlossene Fluid FL ist hier zur Verdeutlichung in kurzen Strichen schräg schraffiert.The fluid FL is now enclosed in the measuring
In
Entsprechend ist auch der Anschlag 16.1 ausgebildet. Zusätzlich ist eine Dichtung 25 zwischen dem Kegel 22 des ersten Verschlusselements 11.3 und dem Anschlag 16.1 vorgesehen.The stop 16.1 is also designed accordingly. In addition, a seal 25 is provided between the cone 22 of the first closure element 11.3 and the stop 16.1.
Ansonsten entspricht der Aufbau des Schallgeschwindigkeitssensors nach
Der Schallgeschwindigkeitssensor 10 ist gemäß
Es ist aus den
Die Schallwandler 14, 15 sind jeweils an einen nicht bezeichneten Deckel montiert, welcher an der in Richtung zum Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 weisenden Stirnseite (nicht bezeichnet) des jeweiligen Verschlusselementes 11.3, 11.4 befestigt ist, so dass die Schallwandler 14, 15 in die Aussparungen 23, 24 ragen.The sound transducers 14, 15 are each mounted on a cover (not designated) which is fastened to the front side (not designated) of the respective closure element 11.3, 11.4 pointing in the direction of the cavity 11.2 of the measuring
Weiterhin ist es wichtig zu erwähnen, dass der feste Kontakt mit dem Metall (Diaphragma) als elektrische Leitung genutzt wird, sodass ein elektrisches Signal angelegt werden kann. Die Messkammer dient dabei als Leiter.It is also important to mention that the solid contact with the metal (diaphragm) is used as an electrical conductor so that an electrical signal can be applied. The measuring chamber serves as a conductor.
Wichtig ist die elektrisch leitende und schwingfeste Verbindung der Schallwandler mit der Messkammer über den Hohlraum bzw. die Senkung im Deckel.It is important that the sound transducers are electrically conductive and vibration-resistant and that they are connected to the measuring chamber via the cavity or recess in the lid.
Die PZT (piezoelektrische Ultraschallwandler) werden hierbei so fest aufgedrückt, sodass feinste Oberflächen-Spitzen im Metall / Diaphragma durch die Rauheit mit der leitenden goldbeschichteten Oberfläche des Piezokeramischen Materials (PZT) in Kontakt treten. The PZT (piezoelectric ultrasonic transducers) are pressed so firmly that the finest surface peaks in the metal / diaphragm come into contact with the conductive gold-coated surface of the piezoceramic material (PZT) due to the roughness.
Erstreckten sich die Deckel bis zum nicht bezeichneten Außendurchmesser der Verschlusselemente 11.3, sind auch in den Deckel auf der Eintrittsseite des Fluids Löcher integriert, die das Durchströmen des Fluids FL ermöglichen.If the covers extend to the non-designated outer diameter of the closure elements 11.3, holes are also integrated into the cover on the inlet side of the fluid, which allow the fluid FL to flow through.
Zwischen den Aussparungen 23, 24 der Verschlusselemente 11.3, 11.4 ist in Richtung Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 eine dünne trennende Wand vorhanden, die zur Bildung der Messkammer bzw. des Hohlraums der Messkammer dient.Between the
Diese dünne trennende Wand ist ein Diaphragma als Grenze zum Hohlraum 11.2 der Messkammer 11, welches bevorzugt aus Edelstahl oder einem anderen geeigneten leitenden Werkstoff besteht.This thin separating wall is a diaphragm as a boundary to the cavity 11.2 of the measuring
Dabei befindet sich zwischen der ersten Aussparung 23 und dem Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 ein erstes Diaphragma 23.1 und zwischen der zweiten Aussparung 24 und dem Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 ein zweites Diaphragma 24.1. Diese sind an Deckeln befestigt. Die Deckel sind in den
Nicht bezeichnete Durchgangsöffnungen in den Verschlusselementen 11.3, 11.4 führen die Anschlussleitungen (ebenfalls nicht bezeichnet) durch die Kabelführungen K1, K2 zu den Schallwandlern 14, 15 in den Aussparungen 23, 24 (siehe ebenfalls
Durch den Einsatz des Schallgeschwindigkeitssensors als In-Line Sensor innerhalb einer Fluidleitung entstehen nur geringe Druckverluste. Es sind damit Fluide in Form von Gasgemischen, Reingase, und ggf. auch mehrphasige Gemische prüfbar. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auch die individuelle mechanische Einbindung in Rohrsysteme, z.B. über geeignete Flanschverbindungen wie spezielle Industrieflansche. Die erfindungsgemäße Lösung besitzt einen robusten Aufbau und ist durch die In-Line-Anordnung vor äußeren mechanischen Beschädigungen geschützt. Vorteilhafter Weise ist der erfindungsgemäße Schallgeschwindigkeitssensor auch für hohe und niedrige Temperaturen einsetzbar.By using the sound velocity sensor as an in-line sensor within a fluid line, only minimal pressure losses occur. This means that fluids in the form of gas mixtures, pure gases and possibly also multi-phase mixtures can be tested. The solution according to the invention also enables individual mechanical integration into pipe systems, e.g. via suitable flange connections such as special industrial flanges. The solution according to the invention has a robust structure and is protected from external mechanical damage by the in-line arrangement. The sound velocity sensor according to the invention can also be used for high and low temperatures.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- FluidleitungFluid line
- 22
- erster Zugangfirst access
- 33
- zweiter Zugangsecond access
- 44
- dritter Zugangthird access
- 55
- vierter Zugangfourth access
- 66
- erster Befestigungsflanschfirst mounting flange
- 77
- BohrungenDrilling
- 88th
- zweiter Befestigungsflanschsecond mounting flange
- 99
- BohrungenDrilling
- 1010
- SchallgeschwindigkeitssensorSound speed sensor
- 1111
- MesskammerMeasuring chamber
- 11.111.1
- Gehäuse der MesskammerHousing of the measuring chamber
- 11.211.2
- Hohlraum der MesskammerCavity of the measuring chamber
- 11.311.3
- erstes Verschlusselementfirst closure element
- 11.411.4
- zweites Verschlusselementsecond locking element
- 1212
- EintrittsöffnungEntrance opening
- 1313
- AustrittsöffnungOutlet opening
- 1414
- erster Schallwandlerfirst sound transducer
- 1515
- zweiter Schallwandlersecond transducer
- 1616
- MantelCoat
- 16.116.1
- radial nach innen weisender Anschlagradially inward pointing stop
- 1717
- StößelPestle
- 1818
- ElektromagnetElectromagnet
- 1919
- FederFeather
- 2020
-
Ausstülpung der Fluidleitung 1Protrusion of
fluid line 1 - 2121
- BefestigungsmittelFasteners
- 2222
- Kegelcone
- 2323
- erste Aussparungfirst recess
- 23.123.1
- erstes Diaphragmafirst diaphragm
- 2424
- zweite Aussparungsecond recess
- 24.124.1
- zweites Diaphragmasecond diaphragm
- 2525
- DichtringSealing ring
- AA
- LängsachseLongitudinal axis
- ABAWAY
- AbströmrichtungFlow direction
- ANAT
- AnströmrichtungFlow direction
- FLFL
- FluidFluid
- K1K1
- erste Kabelführungfirst cable routing
- K2K2
- zweite Kabelführungsecond cable routing
- ss
- StellwegTravel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 3613125 A1 [0007]DE 3613125 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Jonas Herick „Aufbau eines F-Praktikum-Versuchs: Lock-In-Verstärker mit computergestützter Signalverarbeitung in Lab VIEW, Bachelor-Arbeit an der Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum, 2007“ wird auf Seite 8 [0054]Jonas Herick “Setting up an F-practical experiment: Lock-in amplifier with computer-aided signal processing in Lab VIEW, Bachelor thesis at the Faculty of Physics and Astronomy at the Ruhr University Bochum, 2007” is on page 8 [0054]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |