EP4479712A1 - System und manipulationsstrecke zum kontrollieren des strömungsprofils am einlauf eines strömungssensors - Google Patents

System und manipulationsstrecke zum kontrollieren des strömungsprofils am einlauf eines strömungssensors

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Publication number
EP4479712A1
EP4479712A1 EP23701892.4A EP23701892A EP4479712A1 EP 4479712 A1 EP4479712 A1 EP 4479712A1 EP 23701892 A EP23701892 A EP 23701892A EP 4479712 A1 EP4479712 A1 EP 4479712A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
manipulation section
flow
flow sensor
manipulation
inlet
Prior art date
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Pending
Application number
EP23701892.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Emanuel BERNHARDSGRÜTTER
Christof Huber
Florian Krogmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innovative Sensor Technology IST AG
Original Assignee
Innovative Sensor Technology IST AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Innovative Sensor Technology IST AG filed Critical Innovative Sensor Technology IST AG
Publication of EP4479712A1 publication Critical patent/EP4479712A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6842—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow with means for influencing the fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/02—Influencing flow of fluids in pipes or conduits

Definitions

  • the invention relates to a manipulation track for checking the flow profile at the inlet of a flow sensor. Furthermore, the invention relates to two different variants of a system, each comprising a flow sensor and the manipulation path according to the invention.
  • Flow sensors are used to determine a flow rate or the flow rate of a measurement medium or a fluid, for example a gas, gas mixture or a liquid.
  • a measurement medium or a fluid for example a gas, gas mixture or a liquid.
  • flow sensors for example thermal flow sensors, Coriolis flow sensors, ultrasonic flow sensors, microwave flow sensors, etc.
  • Thermal flow sensors make use of the fact that a (flowing) measurement medium transports heat away from a heated surface.
  • Thermal flow sensors typically consist of several functional elements, usually at least a low-impedance heating element and a high-impedance resistance element, which serves as a temperature sensor.
  • thermal flow sensors are constructed with several low-impedance heating elements as heaters and temperature sensors.
  • the performance of flow sensors can depend on the inlet conditions of the measurement medium. For example, it makes a difference whether the measuring medium flows straight into the flow sensor or at a 90° angle. Depending on the run-in condition, this can lead to a significant change in the measurement signal, which can result in great inaccuracy in the application.
  • the inlet of the flow sensor, or to the flow sensor is designed as a long section. This allows the flow profile to fully develop over the course of the route. However, this requires a lot of space.
  • the inlet section e.g. designed as an inlet pipe, can have "dents” on the walls, which ensure that the flow profile becomes turbulent.
  • This solution is used, for example, in the OmniFIN HFK35 from GMH Group - Honsberg.
  • the disadvantage of this method is that the signal noise increases significantly.
  • the invention is based on the object of minimizing the intake dependency of a flow sensor.
  • the object is achieved by a manipulation section according to claim 1, by a system according to claim 5 and by a system according to claim 7.
  • this serves to control the flow profile at the inlet of a flow sensor, the manipulation section being designed for guiding a fluid measurement medium, the
  • the manipulation section has a first end area and a second end area, with a manipulation section being located between the first end area and a second end area of the manipulation section, which manipulation section is designed in such a way that secondary flows are formed in the measurement medium by flowing through the section with the measurement medium.
  • the manipulation section is designed in such a way that it forms secondary flows at least in the region of the manipulation section. Secondary flow is an additional flow in the plane transverse to the main flow direction at low speed. This means that the flow profile is calmed down and is largely developed independently of the flow speed. This increases the performance of the flow sensor and its dynamic range. Furthermore, the inlet dependency of the flow sensor is drastic reduced. The other disadvantages listed in the introductory part of the description are reduced or completely eliminated.
  • the manipulation section is tubular, ie in the form of a tube.
  • any material can be used for this purpose, for example a plastic or a metal.
  • a particularly advantageous embodiment of the manipulation section according to the invention provides that the manipulation section is helically curved with at least one full revolution in the manipulation section. It has been found that the helical shape offers an ideal balance between low space requirements and high effectiveness in generating the secondary currents.
  • An advantageous embodiment of the manipulation section according to the invention provides that the manipulation section has a tube diameter and a helical diameter, the ratio of the tube diameter to the helical diameter being greater than 0.01. Such a ratio increases the critical Reynolds number by a factor of two.
  • a tube insert such as a helical configuration, may be inserted into the tubular manipulation portion.
  • this includes in a first variant:
  • a flow sensor for detecting at least one parameter relating to the flow rate of a fluid measurement medium
  • this further comprises a primary pipeline through which the measurement medium flows, the manipulation section being connected to the pipeline at the first end region, with an output of the flow sensor being connected to the pipeline.
  • this includes in a first variant:
  • a flow sensor for detecting at least one parameter relating to the flow rate of a fluid measurement medium
  • the flow sensor is located in the manipulation section.
  • this further comprises a primary pipeline through which the measurement medium flows, the manipulation section being connected to the pipeline at the first end area, and the manipulation section being connected to the pipeline at the second end area.
  • the flow sensor forms a bypass to the primary pipeline together with the manipulation section. This means that the medium flow through the primary pipeline is not interrupted and that the measuring medium flows parallel to the primary pipeline through the manipulation section and the flow sensor.
  • the primary pipeline is connected at the first end area of the manipulation path and at the second end area of the manipulation path, or ends at the outlet of the flow sensor (depending on the system variant), so that there is no parallel medium flow and the measured medium flows exclusively through the manipulation section and the flow sensor.
  • Calorimetric thermal flow sensors determine the flow or the flow rate of the fluid in a channel via a temperature difference between two temperature sensors, which are arranged downstream and upstream of a heating element. For this purpose, use is made of the fact that the temperature difference is linear to the flow or the flow rate up to a certain point. This process or method is extensively described in the relevant literature.
  • Anemometric thermal flow sensors consist of at least one heating element, which is heated while measuring the flow. As the measuring medium flows around the heating element, heat is transported into the measuring medium, which changes with the flow rate. By measuring the electrical variables of the heating element, conclusions can be drawn about the flow rate of the measuring medium.
  • Such an anemometric thermal flow sensor is typically operated in one of the following two control modes:
  • CCA Constant-Current Anemometry
  • CTA Constant-Temperature Anemometry
  • the system according to the invention can also be operated with other types of thermal flow sensors for which a flow profile that is stable over the flow velocity is advantageous.
  • other types of flow sensors can also be used, for example Coriolis flow sensors, ultrasonic flow sensors or microwave flow sensors.
  • a manipulation section 1 shows a structure which is intended to improve the flow dependency of the inlet of a flow sensor 2 .
  • a manipulation section 1 is used. This has a manipulation section 130, which manipulates a measuring medium flowing through in such a way that the dependence of the Flow profile of the measured medium at the inlet of the flow sensor 2 is essentially decoupled from the flow velocity over a large range of values.
  • the flow sensor 2 is a thermal flow sensor.
  • other types of flow sensors can also be used to advantage.
  • the flow sensor 2 is connected to the manipulation section 1 for this purpose.
  • Either the inlet of the thermal flow sensor 2 is connected to a second end area 120 of the manipulation path 1 .
  • the thermal flow sensor 2 is part of the manipulation path 1 or is integrated into it. This combination of manipulation sections and flow sensors is now connected to a primary pipeline 3 through which the measurement medium flows.
  • the combination of manipulation section and flow sensor forms a bypass to the primary pipeline 3 . This means that the medium flow through the primary pipeline 3 is not interrupted and that the measurement medium flows parallel to the primary pipeline through the manipulation section 1 and the flow sensor 2 .
  • the primary pipeline 3 ends at the first end area of the manipulation section and at the second end area of the manipulation section, or at the outlet of the flow sensor (depending on the variant of the system), so that there is no parallel medium flow and the measured medium flows exclusively through the Manipulation route 1 and the flow sensor 2 flows.
  • a solution for a design of the manipulation section 130 is a helical curvature, as shown in FIG. 1 .
  • Experimental investigations have shown that the inlet dependency of a flow sensor 2 with such an upstream manipulation section as the inlet section is massively reduced in comparison to conventional flow sensors.
  • FIG. 2 depicts experimental data collected for this purpose.
  • the diagrams (a) and (b) represent a course of the current measured values of the flow sensor 2 (in mW, y-axis) over time (in seconds, x-axis).
  • the flow value of the measuring medium is kept constant.
  • the inlet condition of the measurement medium in the flow sensor 2 is changed several times over the course of time.
  • the end area of the pipeline is changed, which is connected directly to the flow sensor (diagram (a)) or to the manipulation section (according to FIG. 1, diagram (b)).
  • a lateral, "S"-shaped inlet is used in the two time intervals "2".
  • an angled inlet with a 90” curve is used.
  • time interval "4" an "S" shaped inlet from below is used.
  • the inlet is constantly changed manually.
  • Diagram (a) shows the measured values of a flow sensor which is operated conventionally, ie is connected to the primary pipeline 3 without a manipulation section 1 according to the invention. It can be seen that the course of the end portion of the primary pipeline 3 has a great influence on the measured values of the flow sensor 2, even if the magnitude of the flow speed is not changed.
  • the manipulation path 1 is located between the variable end portion of the primary pipeline 3 and the flow sensor 2 as shown in FIG. A dependency between the design of the end area of the primary pipeline 3 and the measured values of the flow sensor is no longer evident.
  • the measured values of the flow sensor 2 are independent of the inlet conditions.
  • the critical Reynolds number is at a classical one Pipe flow at about 230°.
  • ek denotes the critical Reynolds number at which a transition from laminar to turbulent flow occurs.
  • D w denotes the helix diameter, d the tube diameter and h the distance between the tubes.
  • the formula results in a critical Reynolds number of 10,300.
  • the laminar area is four times higher than with a conventional (straight) inlet section.
  • the measuring range can be increased by this factor.
  • the ratio of the pipe diameter d to the helix diameter Dw is greater than 0.01 - the factor is therefore at least 2.
  • a transition from laminar to turbulent flow can be seen at a mass flow rate of approx. 25 kg/h.
  • the lower curve (in the sense of lower measured values) shows this dependency with the manipulation path 1 connected in between, in the sense of the structure as depicted in FIG. 1 .
  • the entire measuring range up to 80 kg/h
  • Helix can be used.
  • the helix instead of the
  • Manipulation section 130 is helically curved, a tube insert, for example designed helically, are inserted into the tubular manipulation section 130 .

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Abstract

Die Erfindung umfasst eine Manipulationsstrecke (1) zum Kontrollieren des Strömungsprofils am Einlauf eines Strömungssensors, wobei die Manipulationsstrecke (1) zum Führen eines fluiden Messmediums ausgestaltet ist, wobei die Manipulationsstrecke (1) einen ersten Endbereich (110) und einen zweiten Endbereich (120) aufweist, wobei sich ein Manipulationsabschnitt (130) zwischen dem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich (120) der Manipulationsstrecke (1) befindet, welcher Manipulationsabschnitt (130) derart ausgestaltet ist, dass sich im Messmedium Sekundärströmungen durch Durchströmen des Manipulationsabschnitts (130) mit dem Messmedium ausbilden, sowie zwei verschiedene Varianten eines Systems, umfassend jeweils einen Strömungssensor (2) und die erfindungsgemäße Manipulationsstrecke (3).

Description

System und Manipulationsstrecke zum Kontrollieren des Strömungsprofils am Einlauf eines Strömungssensors
Die Erfindung betrifft eine Manipulationsstrecke zum Kontrollieren des Strömungsprofils am Einlauf eines Strömungssensors. Des Weiteren betrifft die Erfindung zwei verschiedene Varianten eines Systems, umfassend jeweils einen Strömungssensor und die erfindungsgemäße Manipulationsstrecke.
Zur Bestimmung eines Durchflusses, bzw. der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums, bzw. eines Fluides, beispielsweise eines Gases, Gasgemisches oder einer Flüssigkeit, werden Strömungssensoren verwendet. Es gibt verschiedene Typen von Strömungssensoren, beispielsweise thermische Strömungssensoren, Coriolisströmungssensoren, Ultraschall-Strömungssensoren, Mikrowellen- Strömungssensoren, etc.
Thermische Strömungssensoren beispielsweise nutzen aus, dass ein (strömendes) Messmedium Wärme von einer beheizten Fläche abtransportiert. Thermische Strömungssensoren bestehen typischerweise aus mehreren Funktionselementen, üblicherweise zumindest aus einem niederohmigen Heizelement und einem hochohmigen Widerstandselement, welches als Temperatursensor dient. Alternativ sind thermische Strömungssensoren mit mehreren niederohmigen Heizelementen als Heizer und Temperatursensor aufgebaut.
Die Performance von Strömungssensoren, insbesondere im Falle von thermischen Strömungssensoren, kann von der Einlaufbedingung des Messmediums abhängig sein. Beispielsweise macht es einen Unterschied, ob das Messmedium gerade oder mit einem 90°-Winkel in den Strömungssensor einströmt. Je nach Einlaufbedingung kann dies zu einer signifikanten Veränderung des Messsignals führen, was in einer großen Ungenauigkeit in der Anwendung resultieren kann.
Es gibt nur wenige Möglichkeiten, dem vorzubeugen. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise folgende bekannt: Der Einlauf des Strömungssensors, bzw. zum Strömungssensor, wird als lange Strecke ausgestaltet. Dadurch kann sich das Strömungsprofil im Streckenverlauf vollständig entwickeln. Jedoch wird hierfür viel Platz benötigt.
Die Einlaufstrecke, bspw. ausgestaltet als Einlaufrohr, kann „Dellen“ an den Wänden aufweisen, die dafür sorgen, dass das Strömungsprofil turbulent wird. Diese Lösung wird beispielsweise im OmniFIN HFK35 von GMH Group - Honsberg verwendet. Der Nachteil dieser Methode ist, dass das Signalrauschen stark ansteigt.
Beide Lösungen sind somit für viele Anwendungen unpraktikabel.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Einlaufabhängigkeit eines Strömungssensor zu minimieren.
Die Aufgabe wird durch eine Manipulationsstrecke gemäß Anspruch 1 , durch ein System gemäß Anspruch 5 und durch ein System gemäß Anspruch 7 gelöst.
Hinsichtlich der Manipulationsstrecke dient diese zum Kontrollieren des Strömungsprofils am Einlauf eines Strömungssensors, wobei die Manipulationsstrecke zum Führen eines fluiden Messmediums ausgestaltet ist, wobei die
Manipulationsstrecke einen ersten Endbereich und einen zweiten Endbereich aufweist, wobei sich ein Manipulationsabschnitt zwischen dem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich der Manipulationsstrecke befindet, welcher Manipulationsabschnitt derart ausgestaltet ist, dass sich im Messmedium Sekundärströmungen durch Durchströmen des Abschnitts mit dem Messmedium ausbilden.
Die Manipulationsstrecke ist derart ausgebildet, dass diese mindestens im Bereich des Manipulationsabschnitts Sekundärströmungen ausbildet. Als Sekundärströmung wird eine zusätzliche Strömung in der Ebene quer zur Hauptströmungsrichtung mit geringer Geschwindigkeit bezeichnet. Dies führt dazu, dass das Strömungsprofil beruhigt wird und überwiegend unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit entwickelt ist. Dadurch wird die Performance des Strömungssensors und dessen Dynamikbereich erhöht. Des Weiteren ist die Einlaufabhängigkeit des Strömungssensors drastisch reduziert. Die weiteren im einleitenden Teil der Beschreibung aufgeführten Nachteile werden reduziert oder komplett behoben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke ist vorgesehen, dass die Manipulationsstrecke rohrförmig, also in Gestalt eines Rohres, ausgestaltet ist. Hierzu kann prinzipiell ein beliebiges Material verwendet werden, beispielweise ein Kunststoff oder ein Metall.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke sieht vor, dass die Manipulationsstrecke im Manipulationsabschnitt helixförmig mit mindestens einer vollen Umdrehung gekrümmt ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Helixform ein ideales Verhältnis zwischen geringer Platzanforderung und hoher Effektivität im Erzeugen der Sekundärströme bietet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke sieht vor, dass die Manipulationsstrecke einen Rohrdurchmesser und einen Helixdurchmesser aufweist, wobei das Verhältnis von dem Rohrdurchmesser zu dem Helixdurchmesser größer als 0.01 ist. Ein solches Verhältnis führt zu einer Erhöhung der kritischen Reynoldszahl um den Faktor zwei.
Alternativ sind auch andere Ausgestaltungen des Manipulationsabschnitts vorgesehen die ausreichend Sekundärströmungen erzeugen. Beispielsweise kann, anstatt dass das Rohr helixförmig gekrümmt wird, ein Rohreinsatz, beispielsweise schraubenförmig ausgestaltet, in den rohrförmigen Manipulationsabschnitt eingesetzt werden.
Hinsichtlich des Systems umfasst dieses in einer ersten Variante:
- Einen Strömungssensors zum Erfassen zumindest eines Parameters betreffend die Fließgeschwindigkeit eines fluiden Messmediums;
- Eine erfindungsgemäße Manipulationsstrecke, wobei der zweite Endbereich des Einlaufrohrs mit dem Einlass des thermischen Strömungssensors verbunden ist. In der ersten Variante befindet sich die Manipulationsstrecke vor dem Strömungssensor. Es handelt sich insbesondere um zwei separate Komponenten, welche miteinander verbunden werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Systems umfasst dieses weiter eine primäre Rohrleitung, durch welche das Messmedium strömt, wobei die Manipulationsstrecke am ersten Endbereich mit der Rohrleitung verbunden ist, wobei ein Ausgang des Strömungssensors mit der Rohrleitung verbunden ist.
Hinsichtlich des Systems umfasst dieses in einer ersten Variante:
- Einen Strömungssensors zum Erfassen zumindest eines Parameters betreffend die Fließgeschwindigkeit eines fluiden Messmediums;
- Eine erfindungsgemäße Manipulationsstrecke, wobei der Strömungssensor in der Manipulationsstrecke integriert ist und wobei der Strömungssensor zwischen dem Ende der Manipulationsstrecke und dem zweiten Endbereich angeordnet ist.
In der zweiten Variante befindet sich der Strömungssensor in der Manipulationsstrecke.
Gemäß einer Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Systems umfasst dieses weiter eine primäre Rohrleitung, durch welche das Messmedium strömt, wobei die Manipulationsstrecke am ersten Endbereich mit der Rohrleitung verbunden ist, und wobei die Manipulationsstrecke am zweiten Endbereich mit der Rohrleitung verbunden ist.
Für beide Varianten kann vorgesehen sein, dass der Strömungssensor gemeinsam mit der Manipulationsstrecke einen Bypass zu der primären Rohrleitung bildet. Das bedeutet, dass der Mediumfluss durch die primäre Rohrleitung nicht unterbrochen wird und dass das Messmedium parallel zu der primären Rohrleitung durch die Manipulationsstrecke und den Strömungssensor fließt.
Alternativ ist vorgesehen, dass die primäre Rohrleitung am ersten Endbereich der Manipulationsstrecke und an dem zweiten Endbereich der Manipulationsstrecke, bzw. am Ausgang des Strömungssensor (je nach Variante des Systems) endet, so dass es keinen parallelen Mediumfluss gibt und das Messmedium exklusiv durch die Manipulationsstrecke und den Strömungssensor fließt.
Gemäß einer Ausgestaltung von der ersten oder der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass es sich bei dem Strömungssensor um einen thermischen Strömungssensor handelt. Es sind verschiedene Varianten von thermischen Strömungssensoren mit unterschiedlichen Wirkungsarten und Aufbauten aus dem Stand der Technik bekannt:
Kalorimetrische thermische Strömungssensoren bestimmen über eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatursensoren, welche flussabwärts (engl. „downstream“) und flussaufwärts (engl. „upstream“) von einem Heizelement angeordnet sind, den Durchfluss bzw. die Flussrate des Fluids in einem Kanal. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Temperaturdifferenz bis zu einem gewissen Punkt linear zu dem Durchfluss bzw. der Flussrate ist. Dieses Verfahren bzw. die Methode ist in der einschlägigen Literatur ausgiebig beschrieben.
Anemometrische thermische Strömungssensoren bestehen aus zumindest einem Heizelement, welches während der Messung des Durchflusses erhitzt wird. Durch die Umströmung des Heizelements mit dem Messmedium findet ein Wärmetransport in das Messmedium statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändert. Durch Messung der elektrischen Größen des Heizelements kann auf die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums geschlossen werden.
Ein solcher anemometrischer thermischer Strömungssensor wird typischerweise in einem der folgenden beiden Regelarten betrieben:
Bei der Regelart „Constant-Current Anemometry“ (CCA) wird das Heizelement mit einem konstanten Strom beaufschlagt. Durch die Umströmung mit dem Messmedium ändert sich der Widerstand des Heizelements und damit die am Heizelement abfallende Spannung, welche das Messsignal darstellt. Analog dazu funktioniert die Regelart „Constant-Voltage Anemometry“ (CVA), bei welcher das Heizelement mit einer konstanten Spannung beaufschlagt wird. Bei der Regelart „Constant-Temperature Anemometry (CTA)“ wird das Heizelement auf einer im Mittel konstanten Temperatur gehalten. Mittels dieser Regelart sind relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten messbar. Je nach Strömungsgeschwindigkeit wird mehr oder weniger Wärme durch das fließende Messmedium abtransportiert und es muss entsprechend mehr oder weniger elektrische Leistung nachgeführt werden, um die Temperatur konstant zu halten. Diese nachgeführte elektrische Leistung ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums.
Das erfindungsgemäße System lässt sich aber auch mit anderen Typen von thermischen Strömungssensoren betreiben, für welche ein über die Strömungsgeschwindigkeit stabiles Strömungsprofil vorteilhaft ist. Beispielsweise sind auch andere Typen von Strömungssensoren verwendbar, beispielsweise Coriolisströmungssensoren, Ultraschall-Strömungssensoren oder Mikrowellen- Strömungssensoren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke und deren Einsatz in einer Applikation;
Fig. 2: Messwerte eines thermischen Strömungssensors für unterschiedliche Einlaufbedingungen, ohne Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke und mit Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke; und
Fig. 3: Messwerte eines thermischen Strömungssensors bei verschiedenen Durchflussraten des Messmediums, ohne Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke und mit Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke.
In Fig. 1 ist ein Aufbau abgebildet, welcher die Strömungsabhängigkeit des Einlaufs eines Strömungssensors 2 verbessern soll. Zum Einsatz kommt eine Manipulationsstrecke 1 auf. Diese weist einen Manipulationsabschnitt 130 auf, welche ein durchströmendes Messmedium derart manipuliert, dass die Abhängigkeit des Strömungsprofil des Messmediums am Einlauf des Strömungssensors 2 im Wesentlichen über einen großen Wertebereich der Strömungsgeschwindigkeit von dieser entkoppelt ist. Bei dem Strömungssensor 2 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen thermischen Strömungssensor. Es können aber auch andere Typen von Strömungssensoren vorteilhaft eingesetzt werden.
Hierfür wird der Strömungssensor 2 mit der Manipulationsstrecke 1 verbunden.
Entweder wird der Einlass des thermischen Strömungssensors 2 mit einem zweiten Endbereich 120 der Manipulationsstrecke 1 verbunden. Alternativ ist der thermische Strömungssensor 2 Teil der Manipulationsstrecke 1 , bzw. in dieser integriert. Dieser Manipulationsstrecke-Strömungssensor-Verbund wird nun an eine primäre Rohrleitung 3, durch welche das Messmedium fließt, angeschlossen.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass der Manipulationsstrecke-Strömungssensor- Verbund einen Bypass zu der primären Rohrleitung 3 bildet. Das bedeutet, dass der Mediumfluss durch die primäre Rohrleitung 3 nicht unterbrochen wird und dass das Messmedium parallel zu der primären Rohrleitung durch die Manipulationsstrecke 1 und den Strömungssensor 2 fließt.
Alternativ ist vorgesehen, dass die primäre Rohrleitung 3 am ersten Endbereich der Manipulationsstrecke und an dem zweiten Endbereich der Manipulationsstrecke, bzw. am Ausgang des Strömungssensor (je nach Variante des Systems) endet, so dass es keinen parallelen Mediumfluss gibt und das Messmedium exklusiv durch die Manipulationsstrecke 1 und den Strömungssensor 2 fließt.
Eine Lösung für eine Ausgestaltung des Manipulationsabschnitts 130 stellt eine helixartige Krümmung dar, wie in Fig. 1 dargestellt. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Einlaufabhängigkeit eines Strömungssensors 2 mit einem solch vorgeschalteten Manipulationsabschnitt als Einlaufstrecke massiv reduziert wird im Vergleich zu konventionellen Strömungssensoren.
In Fig. 2 Versuchsdaten abgebildet, die für diesen Zweck erhoben wurden. Die Diagramme (a) und (b) stellen einen Verlauf der aktuellen Messwerte des Strömungssensors 2 (in mW, y-Achse) über die Zeit (in Sekunden, x-Achse) dar. Der Durchflusswert des Messmediums wird konstant gehalten. Mehrmals wird die Einlaufbedingung des Messmediums im Strömungssensor 2 im Laufe der zeit verändert. Hierzu wird der Endbereich der Rohrleitung gewechselt, welche mit dem Strömungssensor unmittelbar (Diagramm (a)) oder mit der Manipulationsstrecke (gemäß Fig. 1 , Diagramm (b)) verbunden ist. In den beiden Zeitintervallen „2“ wird ein seitlicher, „S“-förmiger Einlauf verwendet. Im Zeitintervall „3“ wird ein abgewinkelter Einlauf mit einer 90 “-Kurve verwendet. Im Zeitintervall „4“ wird ein „S“-förmiger Einlauf von unten verwendet. Im Zeitintervall „X“ wird der Einlauf ständig händisch verändert.
Im Diagramm (a) sind die Messwerte eines Strömungssensors aufgeführt, welcher konventionell betrieben wird, also ohne erfindungsgemäße Manipulationsstrecke 1 mit der primären Rohrleitung 3 verbunden wird. Es ist ersichtlich, dass der Verlauf des Endbereichs der primären Rohrleitung 3 einen großen Einfluss auf die Messwerte des Strömungssensors 2 hat, selbst wenn die Größe der Strömungsgeschwindigkeit nicht verändert wird.
Im Diagramm (b) befindet sich die Manipulationsstrecke 1 zwischen dem veränderlichen Endbereich der primären Rohrleitung 3 und dem Strömungssensor 2, wie in Fig. 1 abgebildet. Es ist nun keine Abhängigkeit mehr zwischen der Ausgestaltung des Endbereichs der primären Rohrleitung 3 und den Messwerten des Strömungssensors ersichtlich. Die Messwerte des Strömungssensors 2 sind unabhängig von den Einlaufbedingungen.
Neben diesen Erkenntnissen ist experimentell auch aufgefallen, dass das Signalrauschen des Strömungssensors 2 vermindert ist. Der Grund sind die sogenannten Sekundärströme, welche sich bilden, wenn das Messmedium in den Manipulationsabschnitt 130 strömt. Diese Reduktion des Signalrauschens hat direkten Einfluss auf die Sensorperformance, da es Sensitivität des Strömungssensors 2 erhöht.
Im Weiteren konnte zeigt werden, dass der Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung massiv zu größeren Strömungsraten geschoben werden. Dies kann auch theoretisch begründet werden. Die kritische Reynoldszahl liegt bei einer klassischen Rohrströmung bei ca. 2300. Für eine Helixform, wie in Fig. 1 abgebildet, gilt die folgende Formel: mit ek bezeichnet hierbei die kritische Reynoldszahl, bei weicher ein Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung erfolgt. Dw bezeichnet den Helixdurchmesser, d den Rohrdurchmesser und h den Abstand zwischen den Rohren.
Für eine helixförmige Ausgestaltung des Manipulationsabschnitts 130 mit einem Helixdurchmesser von Dw = 30 mm, einem Rohrdurchmesser d = 3.7mm und einem Abstand zwischen den Rohren h = 4 mm ergibt die Formel eine kritische Reynolds Zahl von 10'300. Somit ist der laminare Bereich um einen Faktor 4 höher als bei konventioneller (gerader) Einlaufstrecke. Für den Strömungssensor 2 bedeutet das, dass der Messbereich um diesen Faktor vergrößert werden kann. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis von Rohrdurchmesser d Helixdurchmesser Dwgrößer als 0.01 - damit beträgt der Faktor mindestens 2.
Fig. 3 zeigt experimentelle Untersuchungen zu dem Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung. Es ist die Abhängigkeit von den Sensormesswerten (in mW, y- Achse) in Bezug zu dem vorliegenden Massedurchfluss des Messmediums (in kg/h, x- Achse) dargestellt. Die obere Kurve (im Sinne von höheren Messwerten) zeigt diese Abhängigkeit bei Verwendung eines konventionellen Strömungssensors ohne zwischengeschaltete Manipulationsstrecke 1.
Es ist ein Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung bei einem Wert des Massedurchflusses von ca. 25 kg/h ersichtlich. Die untere Kurve (im Sinne von niedrigeren Messwerten) zeigt diese Abhängigkeit mit zwischengeschalteter Manipulationsstrecke 1 , im Sinne des Aufbaus wie in Fig. 1 abgebildet. Hier ist über die gesamte Messspanne (bis 80 kg/h) kein eindeutiger Umschlag zu erkennen, was die obig beschriebene Erhöhung der kritischen Reynoldszahl bestätigt.
Zusammenfassend beschrieben führt die Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke 1 in Verbindung mit einem Strömungssensor 2 zu folgenden Vorteilen:
• Die Einlaufabhängigkeit des Strömungssensors wird deutlich reduziert;
• Der laminare Strömungsbereich wird erhöht;
• externes Rauschen wird gedämpft; • platzsparend im Vergleich zu bisherigen Lösungen.
Auch andere Ausgestaltungen des Manipulationsabschnitt 130, abgesehen von einer
Helix, können verwendet werden. Beispielsweise kann, anstatt dass der
Manipulationsabschnitt 130 helixförmig gekrümmt wird, ein Rohreinsatz, beispielsweise schraubenförmig ausgestaltet, in den rohrförmigen Manipulationsabschnitt 130 eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1 Manipulationsstrecke
110 erster Endbereich 120, 120‘ zweiter Endbereich
130 Manipulationsabschnitt
2 Strömungssensor primäre Rohrleitung
Rohrdurchmesser Dw Helixdurchmesser

Claims

Patentansprüche
1. Manipulationsstrecke (1) zum Kontrollieren des Strömungsprofils am Einlauf eines Strömungssensors, wobei die Manipulationsstrecke (1) zum Führen eines fluiden Messmediums ausgestaltet ist, wobei die Manipulationsstrecke (1) einen ersten Endbereich (110) und einen zweiten Endbereich (120) aufweist, wobei sich ein Manipulationsabschnitt (130) zwischen dem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich (120) der Manipulationsstrecke (1) befindet, welcher Manipulationsabschnitt (130) derart ausgestaltet ist, dass sich im Messmedium Sekundärströmungen durch Durchströmen des Manipulationsabschnitts (130) mit dem Messmedium ausbilden.
2. Manipulationsstrecke nach Anspruch 1 , wobei die Manipulationsstrecke (1) rohrförmig ausgestaltet ist.
3. Manipulationsstrecke nach Anspruch 2, wobei die Manipulationsstrecke (1) im Manipulationsabschnitt (130) helixförmig mit mindestens einer vollen Umdrehung gekrümmt ist.
4. Manipulationsstrecke nach Anspruch 3, wobei die Manipulationsstrecke (1) einen Rohrdurchmesser (d) und einen Helixdurchmesser (Dw) aufweist, wobei das Verhältnis von dem Rohrdurchmesser zu dem Helixdurchmesser größer als 0.01 ist.
5. System, umfassend:
- Einen Strömungssensor (2) zum Erfassen zumindest eines Parameters betreffend die Fließgeschwindigkeit eines fluiden Messmediums;
- Eine Manipulationsstrecke (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Endbereich (120) der Manipulationsstrecke (1) mit einem Einlass des thermischen Strömungssensors (2) verbunden ist.
6. System nach Anspruch 5, weiter umfassend eine primäre Rohrleitung (3) durch welche das Messmedium strömt, wobei die Manipulationsstrecke (1) am ersten Endbereich (110) mit der primären Rohrleitung (3) verbunden ist, wobei ein Ausgang des Strömungssensors (2) mit der primären Rohrleitung (3) verbunden ist.
7. System, umfassend:
- Einen Strömungssensor (2) zum Erfassen zumindest eines Parameters betreffend die Fließgeschwindigkeit eines fluiden Messmediums;
- Eine Manipulationsstrecke (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Strömungssensor (2) in der Manipulationsstrecke (1) integriert ist und wobei der Strömungssensor (2) zwischen dem Ende des Manipulationsabschnitts (130) und dem zweiten Endbereich (120) angeordnet ist.
8. System nach Anspruch 7, weiter umfassend eine primäre Rohrleitung (3) durch welche das Messmedium strömt, wobei die Manipulationsstrecke (1) am ersten Endbereich (110) mit der primären Rohrleitung (3) verbunden ist, und wobei die Manipulationsstrecke (1) am zweiten Endbereich (120) mit der primären Rohrleitung (3) verbunden ist.
9. System nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei es sich bei dem Strömungssensor (3) um einen thermischen Strömungssensor handelt.
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