DE2802830A1 - Fluid-stroemungsmesser - Google Patents

Description

• F L U I D - S T R O M U N G S M E S S E R
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids durch Ermittlung der Verformung bzw. Auslenkung kleiner Lamellen bzw. elastisch gehalteter Blenden.
• Nach dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids auf der Grundlage der unterschiedlichsten physikalischen Effekte bekannt.
• Zum Beispiel ist aus DT OS 1817500 und DT Gbm 1876734 bekannt, die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids durch die Abkühlung von Heißleitern od. Hitzdrahtsonden zu bestimmen. Diese Methode ist empfindlich gegen Verschmutzung. Die Strömungsrichtung läßt sich nur dann bestimmen, wenn mindestens zwei solcher Elemente im Bereich einer Drosselstelle angeordnet sind. Eine solche Drosselstelle ist jedoch ein Strömungshindernis, daß in.vielen Fällen nicht toleriert werden kann.
• Aus DBP 2211694, DBP 2318279 und DBP 2407353 ist bekannt, die Strömungsgeschwindigkeit durch messen des Temeperaturgraaienten im Bereich einer Drosselstelle zu bestimmen. Auch hier ist als Nachteil das Auftreten einer Drosselstelle ZU erwähnen, außerdem versagt die Methode für kleine Strömungsgeschwindigkeiten.
• Aus DT OS 1523260 ist ein Verfahren zur Strömungsmessung mittels Laufzeitmessung von Ultraschall bekannt. Diese Methode ist apparativ außerordentiich aufwendig und zudem für kleine Strömungsgeschwindigkeiten sehr ungenau.
• A#us DT AS 2356 725 ist ein Strömungsmesser mit kontinuierlich einstellbarer Drosselöffnung bekannt. Ein ähnliches Prinzip, nur mit zusätzlicher Linearisierung der Kennlinie ist aus DTOS 2030775 bekannt. Bei beiden wird das Me'3s:'gna ourch Bestimmen des Differenzdruckes an der Drosselstelle gewonnen. Bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten wird jedoch in beiden Fällen, wenn man den Strömungswiderstand nicht stark vergrößert, die Differenzdruckmessung ungenau.
• In der Literatur sind noch eine Vielzahl weiterer Verfahren bekannt, wie z.B. Laser-Doppler-Anamometrie, Staurohre, Turbinen meßgeräte und Injektionsverfahren (Markierungsmethode). Diese sind aber jeweils nur für relativ enge Anwendungsbereiche geeignet. Eine zus#mmenfassende Darstellung und kritische Diskussion dieser Verfahren ist in /1/ und /2/ zu finden Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, speziell für die Messung der Atemstromgeschwindligkeit ein möglichst empfindliches, störungsfreies und kostengünstiges Verfahren ZU entwickeln, daß die Nachteile der bekannten Methoden vermeidet.
• Erfindungsgemäß wir dies erreicht, indem die Verformung bzw.
• Auslenkung kleiner Lamellen bzw. Blenden im Strömungsquerschnitt des Fluids bestimmt wird.
• Nach bekannter Theorie ist die Kraft F, die auf einen umströmen Körper ausgeübt wird, gegeben durch mit w= Widerstandsbeiwert, = Dichte des Fluids, v= Strömungsgeschwindigkeit und A= angeströmte Fläche.
• Das heißt die auf den Probekörper, Lamelle bzw. Blende, wirkende Kraft F ist proporional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit.
• Dabei ist die Strömungsgeschwindigkeit über die Fläche des Probekörpers als konstant angenommen, was sich aber durch geeignete Dimensionierung praktisch immer erreichen läßt. Weiterhin ist vorausgesetzt, daß sich unter der wirkenden Kraft P der Probekörper nur geringfügig verformt und somit die Fläche A konstant bleibt.
• Figur 1 zeigt die prinzipielle Anordnung für eine Lamelle (2) in Halterung (5) und für eine kreisförmige Blende (3) mit elastischer Halterung (4) in einem durchströmten Rohr (1).
• Die Auslenkung wird nun mittels Dehnungsmeßstreifen (DSS) oder kapazitiv gemessen.
• Die Applikation der DMS'n erfolgt direkt auf die Oberfläche der Lamelle (2) oder der elastischen Halterung (4) der Blende (3).
• Die bei Verformung oder Auslenkung auftretenden Dehnungen der jeweiligen Materialoberfläche führt ZU einer Widerstandsänderung im DES. Diese kann nach dem Stand der Technik mit Gleichstrom oder Trägerfrequenzmeßbrücken bestimmt werden und ist für kleine Dehnungen (Gültigkeit des Book'schen Gesetzes) direkt proportional zu Pfund somit Zu V2.
• Faßt man die Lamelle als einseitig eingespannte Blattfeder auf, so ergibt sich für die relative Längenänderung der Oberfläche bei einer gleichmäßig über die rechteckige Lamelle verteilten Anströmung: L - Länge der Lamelle, d - Dicke der Lamelle, AL - Dehnung der Lamellenoberfläche, E - Elastizitätsmodul des Lamellen materials.
• Das heißt die Dehnung und somit die Meßgröße der DMS ist unabhängig von der angeströmten Fläche und hängt nur von dem Verhältnis von Länge zu Dicke der Lamelle ab. Das bedeutet gegenüber den bisher bekannten Verfahren mit Drosselstellen, daX in dem hier beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren, die Größe des Strömungshinder nisses nur noch von der minimal nach dem Stand der Technik erreichbaren Größe des DMS abhängig ist und somit außerordentlich klein gehalten werden kann.
• Bei der kapazitiven Meßmethode (siehe Figur 2 ) bilden die Lamelle (2) und eine feste Platte (6) gleicher Größe einen Kondensator.
• Ändert sich nun der Abstand a zwischen der Lamelle (2) und der Platte (6) so ändert sich auch die Kapazität dieses Kondensators.
• Auch diese Abstandsänderung hängt nicht von der Größe der angeströmten Fläche ab, sondern wie oben bereits ausgeführt nur von Länge und Dicke der Lamelle und somit ist die Größe der Lamelle in diesem Fall nur abhän#ig von den nach dem Stand der Technik noch meßbaren Kapazitätsänderungen. Da dies aber mit der Genauigkeit von Frequenzmessungen möglich ist können in diesem Fall die Lamellen extrem klein gehalten werden und praktisch Zu Fasern entarten.
• Da die Kapazität aber auch von der Dielektrizitäts#onstante (DK) des Fluids abhängt und die DK des Fluids wiederum von dessen Dichte 9 , ist es notwendig einen zweiten Kondensator (gebildet aus den Platten (6) und (7)) mit strömungsunabhängigem Abstand vorzusehen, um so von den Eigenschaften des Fluids unabhängig zu weraen. Als Meßgröße dient dann die relative Kapazitätsänderung zwischen den Kondensatoren (2) (6) und (6) (7; Im Fall der Verwendung einer Blende (3) anstatt der Lamelle (2) geht man analog vor: (9) und (10) sind die ortsfesten Kondensatorplatten, die durch eine starre Halterung (8) fixiert sind. Die variable Kapazität wird durch (3) (9) und die feste durch (9) (10) gebildet und wiederum dient nur die relative Kapazitätsänderung als Meßsignal.
• Die geschilderten Meßverfahren, DXS und Kapasitätsänderung sind äußerst empfindlich und gestatten die vorzeichenrichtige Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit.
• In der beschriebenen Form ist das Verfahren jedoch, je nach Anwendungagebiet, noch störanfällig gegen mechanische Erschütterungen. Erfindurigsgemäß wird dies durch die nach dem Stand der Technik bekannte Korrelationsmeßtechnik vermieden (siehe Figur 3 und 4). Verwendet man zwei oder mehr Lamellen (2) bzw. Strömungsblenden (3) unterschiedlicher Sigenfreqúenz und Dämpfung, so sind die bei mechanischen Erschütterungen auftretenden Signale der einzelnen Lamellen bzw. Blenden nicht korreliert.
• Erst bei Beaufschlagung des Strömungsmessers mit einer Strömung treten korrelierte Signale auf.
• Die beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren sind weitestgehend unempfindlich gegen Verschmutzung.
• Erfindungsgemäß ist ebenfalls die Bestimmung der Verformung bzw.
• Auslenkung der Lamellen bzw. Blenden mittels optischer Verfahren, wie z.B. Ablenkung eines Lichtstrahls oder Detektion der Änderung von Moires.
• Literatur: /1/ M. Franetzki Die elastische Blende als Atemstromrezeptor" Dissertation, Karlsruhe 1975 /2/ K. W. Bonfig "Technische Durchflußmessung" 1977, Vulkan Verlag, Essen

Claims (6)

1. P A T E tI T A N S P R a C H S 1. Fluidströmungsmesser dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung bzw. Auslenkung kleiner Lamellen bzw. elastisch gehalteter Blenden, die in den Strömungsquerschnitt ragen, zur Anzeige benutzt werden.
2. ?) Pluidströmungsmesser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Indikator für die Verformung bzw. Auslenkung der Lamellen bzw. Blenden Dehnungsmeßstreifen benutzt werden.
3. 3) Fluidströmungsmesser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Indikator ür die Verformung bzw. Auslenkung der Lamellen bzw. Blenden eine optische anzeige benutzt wird.
4. 4) Pluidströmungsmesser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das als Indikator für die Verformung bzw. auslenkung der Lamellen bzw. Blenden die Kapazitätsänderung zwischen einer feststehenden und einer beweglichen Lamelle bzw. Blende gemessen wird.
5. 5) Fluidströmungsmesser nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekenzeichnet, daß zur nriftkompensation und Normierung des Meßsignals zusätzlich zwei feststehende Lamellen bzw.

   Blenden vorgesehen sind.
6. 6) Pluidstrbmungsme#ser nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekenzeichnet, daß zur Unterdrückung von Fehlanzeigen durch mechanische Erschütterungen mehrere Lamellen bzw.

   Blenden unterschiedlicher Bigenfrequenz und Dämpfung verwendet werden, wobei die Signale der einzelnen Lamellen bzw. Blenden korreliert werden.