DE68904365T2 - Fluessigkeitsdurchflusssensor. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft einen Fluiddurchflußsensor zum Messen des Flusses von Fluiden, insbesondere einen Luftdurchflußsensor für Kühlsysteme mit einer hohen Empfindlichkeit bei geringen Luftfließgeschwindigkeiten.
• Viele der in der modernen Industrie verwendeten komplexen Maschinen haben viele hochentwickelte Komponenten, die Wärme erzeugen, aber leicht zerstört werden können, wenn die Temperatur der Komponente zu hoch ist. Automatische Kühlung wird umfassend in solchen Maschinen verwendet, um einen Temperaturanstieg zu verhindern.
• Durchflußsensoren werden in einer Vielzahl von Systemen zum Messen, Steuern oder Regeln des Durchflusses von Fluiden verwendet. Eine wichtige Anwendung solcher Sensoren ist es sicherzustellen, daß der Durchfluß von Kühlfluiden zu einer empfindliche Komponente nicht auf einen Wert abfällt, bei dem die Komponente beschädigt wird. Solch ein Fluiddurchflußsensor würde deshalb die Fließgeschwindigkeit messen und mit einem voreingestellten Schwellwert vergleichen. Wenn die Fließgeschwindigkeit unter den Schwellwert abfällt, wird ein elektrisches Signal zu den Regelungen des Systems gesendet, um eine vorbestimmte Korrektur vorzunehmen, bevor ernste Beschädigung auftritt. In hochentwickelten Maschinen ist Platz ein wichtiger Aspekt. Derartige Sensoren müssen klein, preiswert, robust und empfindlich gehalten werden.
• Aus dem Stand der Technik sind Durchflußsensoren bekannt, die Kugeln innerhalb von transparenten Röhren verwenden. Der Luftstrom in der Röhre muß aufwärts gerichtet sein, um der Schwerkraft entgegenzuwirken. Die Kugel ruht auf einer Stütze, wenn keine oder geringe Strömung vorhanden ist. Eine ausreichende Fließgeschwindigkeit verursacht ein Ansteigen der Kugel auf eine Höhe, in der die Position der Kugel durch eine Lichtquelle und einen Lichtsensor erfaßt wird. Dieser Sensortyp ist groß, zerbrechlich und zum Gebrauch in nur einer Position geeignet.
• Ein anderer Sensortyp verwendet einen an einer Feder befestigten Magneten innerhalb der Luft-Strömungsröhre. Ein Reed-Schalter außerhalb der Röhre nimmt die Bewegung des Magneten aufgrund von einer Änderung in der Strömung auf. Reibung zwischen dem Magneten und den Wandungen der Röhre verursacht ein Abweichen der Fließgeschwindigkeit, bei der der Schalter geschlossen wird, von der Fließgeschwindigkeit, bei der er geöffnet ist, um 50%.
• Im Stand der Technik gibt es auch Klappenschalter, die eine schwenkbare Klappe innerhalb der Strömung verwenden, um einen Mikroschalter auszulösen. Wieder verursacht die mechanische Verbindung Reibung, die große Unterschiede zwischen der Fließgeschwindigkeit, bei der der Schalter geöffnet wird, und der Fließgeschwindigkeit, bei der er geschlossen wird, verursacht.
• FR-A-1308963 offenbart ein gerades, flexibles Blatt, das sich über den Strömungskanal erstreckt und von der Strömung verbogen wird, um elektrische Kontakte herzustellen und zu unterbrechen, wie es in dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 dargelegt ist. DE-A-26 20 460 offenbart ein weiteres gerades, flexibles Blatt, das sich neben einem Haupt-Strömungskanal erstreckt, in dem eine Ablenkvorrichtung Strömung in einen Nebenpfad, über den sich das Blatt erstreckt, ablenkt, um die Strömung abzulenken, wie es bei der französischen Entgegenhaltung der Fall ist. Die Erfindung weist ein flexibles Blatt auf, welches in seiner Ruhelage gebogen ist, wie in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegt ist.
• Der Sensor kann durch Dünnhalten des flexiblen Materials empfindlich, aber durch Dicker- und Schwerermachen des äußeren Randbereiches des Blattes unempfindlich gegen Schwingungen gemacht werden. Dieser Sensor kann ganz klein, weniger als 5 cm an seiner längsten Seite, und ganz empfindlich gemacht werden, weniger als 10 % Abweichung der Strömung zwischen Unterbrechung und wieder erfolgtes Berühren oder Schließen wird verlangt, gehalten werden. Der Sensor weist außerdem einen sehr geringen Druckverlust auf, ungefähr 7000 Pa, und arbeitet in jeder Richtung. Der Sensor kann in einem Bereich geringer Strömung, 0,14 bis 1,4 m3/h, bei Standardteinperatur und -druck und bei laminarer Strömung gut arbeiten und ist robust und preisgünstig.
• Beispiele der Erfindung werden jetzt unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Draufsicht des Sensors mit einem Teilschnitt.
• Fig. 2 eine Seitenansicht des Sensors aus Fig. 1.
• Fig. 3 eine Frontansicht des Sensors aus den Figuren 1 und 2.
• Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Blattes des Sensors.
• Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführung des Sensors.
• Der dargestellte Sensor hat ein bevorzugt aus einem transparenten Hartplastik hergestelltes Gehäuse 10 und einen Deckel 12 aus dem gleichen Material. Der Deckel 12 ist an dem Gehäuse 10 mit ungefähr sechs Schrauben 14 befestigt. Die Befestigung ist ausreichend fest, um eine luftdichte Dichtung zu bilden. In dem Gehäuse 10 ist ein länglicher Hohlraum l6 ausgebildet, der ungefähr rechteckig ist. An den gegenüberliegenden Enden des Hohlraums 16 sind eine Eingangsöffnung 18 und eine Ausgangsöffnung 20 mit passenden Anschlüssen zur Befestigung an eine Luft- Strömungsleitung (nicht dargestellt) vorgesehen.
• In dem Hohlraum 16 ist eine Blattanordnung 22 aus dünnem geschweißten Metall mit Schrauben 24 und Muttern 26 an dem Gehäuse 10 befestigt. Eine erste elektrische Anschlußlasche 28 ist an einer der Schrauben 24 an der Außenseite des Gehäuses 10 befestigt, um einen elektrischen Anschlußpunkt für die Blattanordnung 22 vorzusehen. Die Löcher in dem Gehäuse, durch die die Schrauben 24 geführt sind, sind ausreichend groß, um Zwischenraum zu den Gewinden der Schrauben 24 zu schaffen.
• Eine Einstellschraube 30 ist durch eine Gewindebohrung an dem Gehäuse befestigt. Eine zweite elektrische Anschlußlasche 32 wird an der Einstellschraube 30 mit einer Mutter 34 gehalten. Im Betrieb ist der Sensor in Reihe in eine Strömungsleitung für Fluid geschaltet. Eine Pumpeinrichtung (nicht dargestellt) pumpt Fluid durch die Strömungsleitung für Fluid und den Sensor. Wird die Fließgeschwindigkeit durch den Sensor von Null ausgehend gesteigert, wird sie an einem ersten Grenzwert, der als Fließgeschwindigkeit beim Schließen (oder als Fließgeschwindigkeit beim wieder erfolgten Berühren) bezeichnet wird, ausreichend groß, um das Blatt 22 elastisch zu biegen, um die Einstellschraube 30 zu berühren, so daß ein elektrischer Verbindungspfad von der ersten Anschlußlasche 28 über die Schraube 24, das Blatt 22 und die Einstellschraube 30 zu der zweiten Anschlußlasche 32 hergestellt ist.
• Wenn die Fließgeschwindigkeit dann vermindert wird, wird die Fließgeschwindigkeit an einem zweiten Grenzwert, der kleiner als der erste Grenzwert ist, ungenügend, um den Kontakt zwischen dem Blatt 22 und der Einstellschraube 30 aufrechtzuerhalten, und die elektrische Verbindung zwischen dem Blatt 22 und der Einstellschraube 30 wird unterbrochen, sobald das Blatt elastisch zu der in Fig. 1 dargestellten Position zurückkehrt. Im allgemeinen wird dieser zweite Grenzwertpunkt, d.h. die Fließgeschwindigkeit, bei der diese elektrische Verbindung unterbrochen wird, wenn die Fließgeschwindigkeit abnimmt, als Schwellwert des Sensors bezeichnet. Der Schwellwert wird durch Einstellen der Einstellschraube 30 auf einen gewünschten Wert voreingestellt.
• Das Blatt 22 wirkt auf drei Arten. Es ist eine Blattfeder, es ist ein elektrischer Pfad, und es ist eine Strömungsablenkvorrichtung. Das Blatt 22 besitzt drei Abschnitte, die zusammen diese Funktionen zustandebringen. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist das Blatt 22 mit einem Befestigungsabschnitt 40, einem Kontaktabschnitt 42, der im allgemeinen parallel zu dem Befestigungsabschnitt angeordnet ist, und einem distalen Abschnitt 44, der in einem Winkel zu dem Kontaktabschnitt ausgebildet ist, ausgebildet. Das Blatt kann aus einem Metallstreifen, wie dem 0,005 cm dicken Typ 302 aus rostfreiem Stahl, hergestellt sein. Der Befestigungsabschnitt 40 hat Bohrungen 46, durch die das Blatt 22 mit Schrauben 24 am das Gehäuse 10 montiert ist.
• In der in Fig. 4 dargestellten Ausführung ist der Kontaktabschnitt 42 von dem Befestigungsabschnitt 40 abgesetzt angeordnet, um einen Abstand von dem Gehäuse 10 für die Einstellschraube 30 herzustellen. In einer in Fig. 5 dargestellten alternativen Ausführung kann das Blatt ohne den Absatz ausgebildet sein, und der Absatz kann in dem Gehäuse 10 vorgesehen sein.
• Um eine hohe Empfindlichkeit zu erzeugen, ist die Einstellschraube 30 in dem Gehäuse 10 an dem Ende des Kontaktabschnitts 42, der am dichtesten zu dem distalen Abschnitt 44 angeordnet ist, plaziert. Um ebenfalls eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen, sollte die Länge L1 des distalen Abschnitts 44 länger sein als die Länge L2 des Kontaktabschnitts 42. Wir haben es als das Günstigste herausgefunden, L1 ungefähr zweimal so lang wie L2 auszuführen. Um Vibrationen des distalen Abschnitts 44 in dem Luftstrom zu dämpfen, ist es vorteilhaft, den distalen Abschnitt 44 steifer und massiver auszuführen als den Kontaktabschnitt 42. Dieses kann durch Befestigen eines Verstärkungsabschnitts 48 an dem distalen Abschnitt 44 bewirkt werden. Der Verstärkungsabschnitt 48 kann beispielsweise ein ähnlich geformtes Blech aus dem gleichen Material sein, und die Befestigung kann durch Punktschweißen an vier Befestigungspunkten 50 erfolgen. Die Befestigung des Verstärkungsabschnitts 48 versteift die Anordnung und erhöht die Masse der Anordnung und reduziert die Schwingungsfrequenz und gewährleistet dadurch klare Schaltkontakte.
• Der beschriebene Sensor hat ein sehr geringes Delta. Unter Delta ist hier der partielle Unterschied zwischen der Fließgeschwindigkeit beim Schließen (oder wieder erfolgtem Berühren), wenn der Kontakt zwischen dem Blatt 22 und der Einstellschraube 30 hergestellt wird, und der Fließgeschwindigkeit bei Unterbrechung des Kontaktes zu verstehen. Symbolisch dargestellt, ist
• A = Fließgeschwindigkeit beim Schließen - Fließgeschwindigkeit bei Kontaktunterbrechung Fließgeschwindigkeit beim schließen
• Wegen innerer Reibung kann das Delta in den meisten Sensoren des Standes der Technik groß sein. Betrachten wir ein hypothetisches Beispiel, um die Wichtigkeit eines geringen Deltas zu zeigen. Die zu schützende Komponente erfordert eine Fließgeschwindigkeit von 16 SCFH (1 SCFH = 0,028316 m3/h). Wenn der Schwellwert (die Fließgeschwindigkeit bei Unterbrechung des Kontaktes) auf 16 SCFH (1 SCFH = 0,028316 m3/h) gesetzt ist und wenn das Delta 50 % beträgt, muß die Fließgeschwindigkeit 32 SCFH (1 SCFH = 0,028316 m3/h) oder mehr betragen, um einen Kontakt zu gewährleisten. Folglich ist bei einem großen Delta eine große Fließgeschwindigkeit nötig, um den Sensor zu betreiben. Wenn das Delta wie in der Erfindung auf einen Wert, der kleiner als 10 % ist, reduziert werden kann, dann könnte die Fließgeschwindigkeit auf einen so geringen Wert wie 18 SCFH (1 SCFH = 0,028316 m3/h) gesetzt werden, um einen Kontakt herzustellen und um sicher zu sein, daß der Kontakt bei etwas mehr als 16 SCFH (1 SCFH = 0,028316 m3/h) unterbrochen wird.
• Obwohl die Erfindung in einer Ausführung als Sensor zum Überwachen der Fließgeschwindigkeit von Kühlluft beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf solche Anwendungen beschränkt. Z.B. kann der Sensor verwendet werden, um die Fließgeschwindigkeit eines elektrisch nicht leitenden Gases in einer Leitung zu überwachen, die dazu vorgesehen ist, das Gas durch eine Lösung sprudeln zu lassen. In ähnlicher Weise kann der Sensor die Fließgeschwindigkeit von nicht leitenden Flüssigkeiten genauso wie von Gasen überwachen.

Claims (6)

1. .1 Fluiddurchflusssensor mit einem Körper (10), der einen Hohlraum (16) und eine erste Öffnung (18) zum Einleiten von Fluid in den Hohlraum, eine zweite Öffnung 20 zum Herausleiten des Fluids aus dem Hohlraum und ein erstes elektrisches Kontaktmittel (30) innerhalb des Hohlraums aufweist, ein dünnes, flexibles Blatt mit einem Befestigungsabschnitt (40), einem Kontaktabschnitt (42), der ein zweites elektrisches Kontaktmittel (26, 28) beinhaltet, und einem distalen Abschnitt (44), wobei der Befestigungsabschnitt fest an den Körper montiert ist, der Kontaktabschnitt sich zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem distalen Abschnitt befindet und so angeordnet ist, daß das von der ersten Öffnung zu der zweiten Öffnung durch den Hohlraum strömende Fluid das elastische Biegen des Blattes verursacht, so daß das zweite elektrische Kontaktmittel das erste elektrische Kontaktmittel berührt, wenn die Fließgeschwindigkeit des Fluids oberhalb eines ersten Begrenzungswertes liegt und der Kontakt zwischen dem zweiten elektrischen Kontaktmittel und dem ersten elektrischen Kontaktmittel unterbrochen wird, wenn die Fließgeschwindigkeit des Fluids auf einen Wert unterhalb eines voreingestellten Schwellwertes abfällt,

   ein erstes Leitungsmittel zum Leiten von Strom zwischen einem Punkt außerhalb des Körpers und dem ersten elektrischen Kontaktmittel und ein zweites Leitungsmittel zum Leiten von Strom zwischen einem Punkt außerhalb des Körpers und dem zweiten elektrischen Kontaktmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsabschnitt sich im wesentlichen parallel zu einer Stromlinie des Fluids von der ersten Öffnung zu der zweiten Öffnung erstreckt, der Kontaktabschnitt sich hauptsächlich parallel zu dem Befestigungsabschnitt erstreckt, wenn die Fließgeschwindigkeit gleich Null ist und der distale Abschnitt des Blattes in einem Winkel relativ zu dem Kontaktabschnitt angeordnet ist, so daß er die Strömungslinie kreuzt.
2. 2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem der voreingestellte Schwellwert geringer als der erste Begrenzungspunkt ist, wobei das erste elektrische Kontaktmittel in Kontakt mit dem zweiten elektrischen Kontaktmittel bleibt, wenn die Fließgeschwindigkeit von dem oben genannten ersten Begrenzungspunkt abnimmt, bis die Fließgeschwindigkeit den voreingestellten Schwellwert erreicht.
3. 3. Sensor nach Anspruch oder Anspruch 2 mit Mitteln (49, 50) zum Einstellen des Schwellwertes.
4. 4. Sensor nach einein der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der distale Abschnitt schwerer als der Kontaktabschnitt ist.
5. 5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der distale Abschnitt dicker als der Kontaktabschnitt ist.
6. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem der distale Abschnitt länger als der Kontaktabschnitt ist.