DE2802830C3

DE2802830C3 - Fluidströmungsmesser

Info

Publication number: DE2802830C3
Application number: DE19782802830
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof. Dr.-Ing. 7080 Aalen Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: MUELLER, GERHARD, PROF. DR.-ING., 7080 AALEN, DE
Priority date: 1978-01-23
Filing date: 1978-01-23
Publication date: 1982-02-11
Also published as: DE2802830B2; DE2802830A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Fluidströmungsmesser mit mindestens einer flexiblen, seitlich in den Strömungsquerschnitt hineinragenden rechteckigen Lamelle, deren Auslenkung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. )5

Aus der GB-PS 8 30 211 und der US-PS 29 43 486 sind Fluidströmungsmesser dieser Art bekannt, die eine rechteckige flexible Lamelle aufweisen, deren Auslenkung mit Dehnungsmeßstreifen gemessen wird. Die rechteckige Form der Lamelle hat den Vorteil, daß die Empfindlichkeit, d. h. die Auslenkung bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit nicht von der absoluten angeströmten Fläche, sondern nur vom Verhältnis von Länge zu Dicke abhängt, so daß die Lamelle bei gleichbleibender Empfindlichkeit extrem schmal ge- 4-, macht werden kann und damit ein vernachlässigbares Strömungshindernis darstellt. Im übrigen ist ein zu einer Faser entarteter, extrem schmaler Strömungsfühler in der Zeitschrift J. S. ei. Instrum., 1965, Vol. 42, Seiten 797 bis 799 beschrieben.

Die Anwendung von Dehnungsmeßstreifen zum Messen der Auslenkung einer solchen rechteckigen Lamelle macht die Herstellung derartiger Lamellen jedoch verhältnismäßig aufwendig, insbesondere wenn die Lamellen zur Verminderung des Strömungswiderstands relativ sehr klein ausgebildet werden sollen, und die Anwendung von Dehnungsmeßstreifen wird unmöglich, wenn diese Lamellen schließlich so klein gemacht werden sollen, daß sie praktisch zu einer Faser entarten.

Weiterhin ist aus der DE-OS 19 43 021 ein Fluidströ- w) mungsmesser bekannt, in dem die Auslenkung von ringförmigen Blenden, die sich im Strömungsquerschnitt befinden, mittels Dehnungsmeßstreifen gemessen wird. Solche ringförmigen Blenden stellen aber, insbesondere für die Messung kleiner Strömungsgeschwindigkeiten, b> ein relativ großes Strömungshindernis dar, dessen wesentliche Fläche im Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeiten liegt, wenn man laminare Strömung voraussetzt, so daß diese Fläche für kleine Strömungsgeschwindigkeiten stark vergrößert werden muß, was wiederum bedeutet, daß die mittige Öffnung geringer werden muß und sich dadurch ein verhältnismäßig großes Strömungshindernis ergibt, wodurch eine rückwirkungsfreie Messung, wie sie z. B. aus physiologischen Gründen bei der Messung der Atemstromgeschwindigkeit gefordert wird, unmöglich wird.

Insbesondere sind aus dem DE-GM 69 23 285 und der US-PS 32 32 288 Fluidströmungsmesser bekannt, in denen in der Mitte sternförmig geschlitzte, kreisrunde Membranen zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen sind, wobei die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch eine Messung der Kapazität zwischen den metallisierten Membransegmenten und stromaufwärts sowie stromabwärts von diesen angeordneten feststehenden, in den Strömungsquerschnitt ragenden Gegenelektroden erfolgt Diese Fluidströmungsmesser haben jedoch insbesondere die folgenden Nachteile: Die Membrane bedeckt den gesamten Strömungsquerschnitt und verursacht so einen großen Strömungswiderstand, der sich vor allem bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten im Sinne einer nicht rückwirkungsfreien Messung störend bemerkbar macht Außerdem muß die Membrane hinreichend steif sein, da sonst von der räumlichen Lage des Fluidströmungsmessers abhängige, unkontrollierbare zusätzliche Kapazitätsänderungen verursacht werden. Bei einer entsprechend steifen Membrane ergeben sich jedoch erhöhte Strömungswiderstände, so daß der Meßbereich nach kleinen Strömungsgeschwindigkeiten hin beschränkt ist Weiterhin ändern sich die Flächen der Membransegmente in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit, was eine zusätzliche Nichtlinearität der Meßwertanzeige zur Folge hat. Schließlich führen bereits geringfügige Verschmutzungen, wie sie z. B. bei der Atemstrommessung durch Sputumteilchen der Atemluft bewirkt werden können, zu einer Verklebung der sternförmigen Schlitze zwischen den Membransegmenten und somit zu unkontrollierbaren, nichtströmungsabhängigen Kapazitätsänderungen, da die einzelnen Membransegmente dann unsymmetrisch ausgelenkt werden und bei wechselnder Strömungsrichtung leicht zum Flattern neigen.

In dem Fluidströmungsmesser nach der vorgenannten US-PS 32 32 288 bilden die metallisierten Membransegmente mit dem stromaufwärts davon angeordneten Gegenelektroden einen ersten Kondensator und mit den stromabwärts davon angeordneten Gegenelektroden einen zweiten Kondensator. Diese beiden Kondensatoren sind in einer gemeinsamen Schaltung angeordnet und werden, da einer Kapazitätserhöhung des einen Kondensators notwendigerweise eine Kapazitätsverminderung des anderen Kondensators entspricht, bei der Atemstrommessung dazu benutzt, die Strömungsgeschwindigkeit der Atemluft in beiden Richtungen, d. h. die Strömungsgeschwindigkeit der von der Lunge herkommenden und die Strömungsgeschwindigkeit der zur Lunge hingehenden Atemluft, mit verhältnismäßig hoher Empfindlichkeit unter jeweiliger Ermittlung der Strömungsrichtung zu messen. Eine Kompensation der dielektrischen Eigenschaften des Strömungsmediums erfolgt hierbei nicht.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Fluidströmungsmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, der es ermöglicht, die Lamelle möglichst klein auszubilden und trotzdem eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die flexible Lamelle die eine Platte eines ersten Kondensators bildet, der eine feststehende Lamelle als zweite Kondensatorplatte zugeordnet ist; daß ein zweiter Kondensator vorgesehen ist, der von zwei feststehenden Lamellen gebildet wird; and daß die relative Kapazitätsänderung zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator bestimmt wird.

Auf diese Weise wird im Gegensatz zum oben erörterten Fluidströmungsmesser nach der US-PS 32 32 288 eine Kompensation der dielektrischen Eigenschaften des Fluids durch Normierung des Meßsignals erreicht, so daß es der erfindungsgemäße Fluidströmungsmesser gestattet, bei Lamellen mit vernachlässigbar kleiner angeströmter Fläche praktisch eine beliebig wählbare Empfindlichkeit zu erzielen.

Die beiden feststehenden Lamellen, welche den zweiten Kondensator bilden, können zu den beiden Lamellen, die den ersten Kondensator bilden, vorgesehen sein. Eine besonders einfache Ausbildung des Fluidströmungsmessers ergibt sich jedoch, wenn zusätzlich zu den beiden Lamellen, die den ersten Kondensator bilden, lediglich eine weitere feststehende Lamelle vorgesehen ist, die zusammen mit der feststehenden Lamelle des ersten Kondensators den zweiten Kondensator bildet

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 3 der Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Fluidströmungsmessers nach der Erfindung im Ruhezustand der flexiblen Lamelle,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Fluidströmungsmesser nach Fig. 1,und

F i g. 3 einen der F i g. 1 entsprechenden Schnitt durch den Fluidströmungsmesser bei Vorhandensein einer Strömung und damit einer entsprechenden Auslenkung der flexiblen Lamelle.

Nach bekannter Theorie ist die Kraft F, die auf einen umströmten Körper ausgeübt wird, gegeben durch

_{F = W}.£-.J . A

w = Widerstandsbeiwert,

ρ = Dichte des Fluids,

ν = Strömungsgeschwindigkeit und

A = angeströmte Fläche.

Das heißt die auf eine Lamelle wirkende Kraft Fist proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit. Dabei ist die Strömungsgeschwindigkeit über die Fläche des Probekörpers als konstant angenommen, was sich aber durch geeignete Dimensinnierung

praktisch immer erreichen IaRt Weiterhin ist vorausgesetzt daß sich unter der wirkenden Kraft F der Probekörper nur geringfügig verformt und somit die Fläche A konstant bleibt

Faßt man die Lamellr 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 Lamellenmaterials.

Das heißt, die Defining und somit die Meßgröße ist unabhängig von der angeströmten Fläche und hängt nur von dem Verhältnis von Länge zu Dicke der Lamelle ab.

Die F i g. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung des Fluidströmungsmessers, wonach in einem Rohr 1, in dem die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids gemessen werden soll, eine flexible Lamelle 2 in einer Halterung 5 angebracht ist Diese flexible Lamelle 2 bildet die Platte eines ersten Kondensators, der eine feststehende Lamelle 6 als zweite Kondensatorplatte zugeordnet ist. Ändert sich nun der Abstand a zwischen der flexiblen Lamelle 2 und der feststehenden Lamelle 6 aufgrund einer Fluidströmung V (siehe Fig.3), so ändert sich auch die Kapazität dieses Kondensators. Diese Abstandsänderung hängt nicht von der Größe der angeströmten Fläche ab, sondern wie oben bereits ausgeführt, nur von Länge und Dicke der flexiblen Lamelle, und somit ist die Größe der Lamelle in diesem Fall nur abhängig von den nach dem Stand der Technik noch meßbaren Kapazitätsänderungen. Da dies aber mit der Genauigkeit von Frequenzmessungen möglich ist, kann in diesem Fall die flexible Lamelle extrem klein gehalten werden und praktisch zur Faser entarten.

Da die Kapazität aber auch von der Dielektrizitätskonstante des Fluids abhängt und die Dielektrizitätskonstante des Fluids wiederum von dessen Dichte ρ, ist ein zweiter Kondensator mit strömungsunabhängigem Abstand vorgesehen, um so von den Eigenschaften des Fluids unabhängig zu werden. Dieser zweite Kondensator wird von der feststehenden Lamelle 6 und einer weiteren feststehenden Lamelle 7 gebildet Als Meßgröße dient dann die relative Kapazitätsänderung zwischen dem erster, und zweiten Kondensator.

Der Fluidströmungsmesser nach der Erfindung ist äußerst empfindlich sowie gegen Verschmutzung weitgehend unempfindlich und gestattet die vorzeichenrichtige Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit. Er ermöglicht die Messung der Atemstromgeschwindigkeit in störungsfreier und kostengünstiger Weise.

Hierzu 1 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

ί. Fluidströmungsmesser mit mindestens einer flexiblen, seitlich in den Strömungsquerschnitt hineinragenden rechteckigen Lamelle, deren Auslenkung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Lamelle (2) die eine Platte eines ersten Kondensators bildet, der eine feststehende Lamelle (6) als zweite Kondensatorplatte zugeordnet ist; daß ι ο ein zweiter Kondensator vorgesehen ist, der von zwei feststehenden Lamellen (6, 7) gebildet wird; und daß die relative Kapazitätsänderung zwischen dem ersten und zweiten Kondensator bestimmt wird.
2. Fluidströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden feststehenden Lamellen, welche den zweiten Kondensator bilden, zusätzlich zu den beiden Lamellen (2, 6), die den ersten Kondensator bilden, vorgesehen sind.
3. Fluidströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den beiden Lamellen (2, 6), die den ersten Kondensator bilden, eine weitere feststehende Lamelle (7) vorgesehen ist, die zusammen mit der feststehenden Lamelle (6) des ersten Kondensators den zweiten Kondensator bildet