WO2011116899A1 - Massenstromsensor und verfahren zur bestimmung des massenstroms in einem rohr - Google Patents

Massenstromsensor und verfahren zur bestimmung des massenstroms in einem rohr Download PDF

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WO2011116899A1
WO2011116899A1 PCT/EP2011/001312 EP2011001312W WO2011116899A1 WO 2011116899 A1 WO2011116899 A1 WO 2011116899A1 EP 2011001312 W EP2011001312 W EP 2011001312W WO 2011116899 A1 WO2011116899 A1 WO 2011116899A1
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WO
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mass flow
wall
sensor
chamber
wall element
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Application number
PCT/EP2011/001312
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Neumann
Rajini Kumar Ramalingam
Manfred SÜßER
Original Assignee
Karlsruher Institut für Technologie
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Publication date
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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
    • G01F1/05—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 mechanical effects
    • G01F1/20—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 mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/28—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 mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow by drag-force, e.g. vane type or impact flowmeter
    • 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
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/86—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure

Definitions

  • the invention relates to a sensor for determining the mass flow of a fluid (mass flow sensor), a pipe, which is equipped with such a mass flow sensor, and a method for determining the mass flow of a fluid in a pipe.
  • JP 2005003535 A discloses an optical device for determining t ' the direction or velocity of a flow, which is based on the fact that an element, to which a glass fiber with an FBG sensor is applied, is deformed by the hydraulic pressure.
  • the disadvantage of this is that a significant hydraulic pressure is formed only in a liquid, so that the device is not suitable for the investigation of gas flows.
  • this device requires a deformable element, which is a major disadvantage, especially at high temperature changes, in which the material properties of this element change significantly, and at low temperatures, since there barely deformable materials exist.
  • the sensor is in the flow, resulting in a higher pressure loss compared to a smooth pipe or channel flow.
  • Another disadvantage is that the sensor detects the flow characteristic Karman vortex by means of an FBG sensor, so that it can not be distinguished whether the change in length of the flow meter due to the change in flow resistance or only due to a change in temperature.
  • JP 2007017337 A describes a device for determining the flow velocity, which is based on the measurement of the dynamic pressure, which presses on a wall element, wherein the FBG sensor is located in an airtight chamber.
  • a disadvantage of this is that the measuring arrangement must be flown, so that it is not suitable for the investigation of an internal flow and thus not readily as a mass flow sensor. Installation in a pipe would lead to a considerable pressure loss. Since the sensor is located in an airtight chamber, the temperature correction refers only to the temperature-dependent elongation of the glass fiber.
  • GB 2454613 A discloses a glass fiber with at least one FBG sensor which is introduced into the flow.
  • one or more flow-shaped elements in particular spheres or ellipsoids, are firmly connected to the glass fiber.
  • the device is a kind of string of pearls, which is introduced into the flow.
  • the disadvantage of this is that the reinforced glass fiber must be introduced into the flow, whereby an additional pressure loss is formed. Compared to a liquid flow number or size of the flow-shaped elements must be increased in a gas flow, whereby the pressure loss further increases.
  • a further disadvantage is that it can not be distinguished here as well whether the stretching of the glass fiber takes place due to the change of the flow resistance or a temperature change.
  • US 6, 408, 698 Bl discloses an electronic sensor which is inserted into the wall and determines the resulting forces of the flow via stretchable connections by means of an electronic sensor.
  • the disadvantage of this is that its signal changes due to electromagnetic fields, which requires a calibration of the sensor in the magnetic field in relation to the size and relative orientation of the sensor to the magnetic field.
  • Each individual sensor must be calibrated for its particular application in order to take into account manufacturing tolerances. Especially when used under cryogenic temperatures with externally impressed magnetic fields this calibration effort is considerable.
  • micro-resonators As well as the technically demanding coupling between microresonator and glass fiber result in each sensor being a unique specimen to be calibrated.
  • size of the microresonator is crucial in terms of signal quality.
  • US Pat. No. 7,168,311 B2 and US Pat. No. 6,426,796 B1 each disclose a sensor which is introduced into a wall and which detects the resulting forces of the flow via a deflection by means of an optical sensor by means of interferometry.
  • the disadvantage of this is that here, too, the mechanical stress of the rod to bend on the one tem depends on the body and on the other depends on the purity and structure of the material.
  • the interferometric measurement is based on the fact that a beam is emitted to a plate and the reflected beam causes interference with the emitted beam, wherein the plate is connected to the bar bending due to the wall shear stress.
  • the plate which receives the Wandschubspan-voltage, does not move parallel to the flow direction, but is correspondingly transverse. An incident beam on the underside of this plate is then no longer normally reflected (180 °), but experiences an angle deviating from 180 °. This behavior can only be ignored in an extremely small angular range, which considerably limits the range of application of the device in flows. Furthermore, this type of construction of the device makes the highest demands in terms of manufacturing tolerances.
  • the object of the present invention to provide a sensor for determining the mass flow of a fluid (mass flow sensor), a tube, which is equipped with such a mass flow sensor, and a method for determining the mass flow of a fluid in a pipe, the disadvantages mentioned and do not have limitations.
  • a mass flow sensor which operates reliably in the environment of strong electromagnetic fields, is suitable both for gases and for liquids even at very low temperatures, in particular in cryotechnology, and not in The mass flow must be introduced in order to avoid a pressure drop in the flow.
  • the purity or structure of the material selected for the ei ⁇ tual detection element in the mass flow sensor play no role in order to allow that as only as possible a prototype must be calibrated and this calibration is then applicable for each identical sensor.
  • a pipe, a pipe section, a channel or a channel piece which is equipped with such a mass flow sensor, be provided, which has means for flanging into a pipe or in a channel system.
  • a method for determining the mass flow of a fluid in a tube is provided, with which a change in length of a glass fiber can be clearly attributed to the change of a flow-mechanical property of the mass flow and length changes due to a temperature change of the mass flow or the environment can be excluded.
  • a sensor according to the invention for determining the mass flow of a fluid contains a movable wall element which can be inserted (integrated) into a section of a wall of a pipe or channel through which a mass flow flows.
  • the mobility of the wall element is given by the fact that one or more gaps are present between the wall element and the wall of the tube into which the wall element is inserted or integrated.
  • At the outside of the movable wall element facing away from the mass flow at least one expandable connection is provided in a chamber closed off from the surroundings.
  • a joint is said to be stretchable if a shear stress applied thereto produces a measurable strain.
  • the material used for this purpose may neither embrittle nor tear. As a result of this condition, for example, rubber is not suitable for use at cryogenic temperatures.
  • the at least one expandable connection is in each case attached both to the wall element and to a wall of the chamber and in each case clamped between the two attachment points.
  • each of the at least one stretchable connection is fixed to a wall of the chamber by means of a first tensioning device and to the movable wall element by means of a second tensioning device and clamped between the wall element and the wall of the chamber by means of a slight bias.
  • the at least one strain gauge is in each case mounted on that part of the at least one expandable connection which is clamped between the wall of the chamber and that of the movable wall element.
  • a plurality of expandable connections are provided, which are each provided with at least one strain gauge are each attached to a separate first clamping device on a wall of the chamber. In this way, the sensor works regardless of the direction of the mass flow.
  • At each of the at least one expandable connection at least one strain gauge is applied or applied to that part of the expansible connection which is clamped between the wall of the chamber and the wall element.
  • At least one temperature sensor is provided which is attached to a portion of the expansible connection which does not exist between the wall of the chamber and the transducer element. ment is clamped. Since this further portion of the expandable joint remains independent of a change in length which causes the shear stress of the fluid in the flow in the portion of the glass fiber clamped between the wall of the chamber and the wall member, it remains possible for at least one further strain gauge to be at least provide a temperature sensor and in this way to determine the temperature in the sealed chamber over the change in length of this portion of the expandable connection.
  • At least one glass fiber is used as a stretchable connection
  • at least one fiber Bragg grating sensor (FBG sensor) is provided as a strain gauge and applied or applied to the at least one glass fiber.
  • at least one further FBG sensor is mounted as a temperature sensor on the portion of the glass fiber which is not clamped between the wall of the chamber and the wall element.
  • Fiber Bragg gratings are optical interference filters inscribed in an optical waveguide so that wavelengths that are within a filter bandwidth are reflected. Thus, these grids are suitable as sensors for both strain and temperature, each based on a change in the reflected wavelength.
  • the pipe contains one or more openings (bores) connecting the inside of the pipe to the chamber , Through this at least one gap and / or the at least one opening, a part of the mass flow from the tube enters the chamber, whereby the same temperature prevails in the chamber as in the mass flow. In this way, the accuracy of the temperature measurement is significantly increased.
  • the invention further relates to a tube, which is understood as a piece of pipe, a channel or a channel piece, which with a provided mass flow sensor according to the invention.
  • the tube has means for flanging into a pipe or channel system.
  • the tube has one or more openings (holes) that connect the inside of the tube with the chamber.
  • the invention relates to a method for determining the mass flow in a pipe.
  • the tube is flowed through by a mass flow of a fluid which exerts a shear stress on the movable wall element.
  • the strength of this shear stress is preferably proportional to the size of the mass flow.
  • the shear stress calls for a change in the length of the one or more stretchable joints, i. the one or more glass fibers, which are clamped between the outside of the wall element facing away from the mass flow and a wall of the chamber.
  • the change in length of the stretchable connections is in each case detected by means of at least one FBG sensor, which is attached to or applied to the respective expandable connection. After a previous calibration, the size of the mass flow can be determined from this.
  • a preferably very small portion of the mass flow is introduced through the at least one gap between the wall member and the wall of the pipe and, if present, through at least one additional opening in the pipe into the chamber.
  • This ensures that the same temperature prevails in the chamber as in the mass flow, so that the temperature of the mass flow can be determined via a temperature sensor.
  • preference is given to the change in length of a further section of at least one glass fiber, which does not exist between a wall of the chamber and the wall element is clamped, by means of a mounted thereon strain gauge in the form of an FBG sensor determined. In this way, a proportion of the change in length of the one or more expandable compounds, ie glass fibers, which is due to a change in temperature and not on the effect of the shear stress, calculate out.
  • the invention has in particular the advantages mentioned below.
  • the mass flow sensor according to the invention is independent of the magnitude of the hydraulic pressure and therefore enables the determination of the mass flow in both liquid and in gas flows.
  • the mass flow sensor according to the invention there is no additional pressure loss compared to a pipe or channel flow, since the movable wall element which receives the shear stress of the flow is inserted into the wall of the pipe or pipe section.
  • the mass flow sensor according to the invention avoids pressure loss by avoiding any internals that could lead to additional pressure loss compared to a smooth pipe or channel flow. Rather, the movable wall element of the disclosure is merely moved by the wall shear stress, which occurs anyway in the pipe or channel. So here is not the back pressure, but the wall shear stress is the actual input for the determination of the size of the mass flow.
  • the mass flow sensor according to the invention provides information as to whether the length of glass fiber has actually changed as a result of the change in the flow resistance of the mass flow to be investigated and not also due to a temperature change. This information is provided by determining only the temperature with another FBG sensor. On the one hand, this also measures the absolute temperature of the flow of the mass flow and, secondly, the change in length due to the influence of temperature is clearly detected here, as a result of which the measurement results are obtained. are much more accurate.
  • the strain gauges are exposed directly to the flow temperature via gaps and / or openings, so that not only a correction of the temperature-dependent elongation of the glass fiber takes place, but also a correct measurement of the absolute temperature.
  • the measurement of the absolute temperature is necessary for the determination of the density of the fluid, which is needed to determine the size of the mass flow.
  • mass flow sensor according to the invention is independent of the properties of the materials used for this purpose.
  • the figure shows a section of a pipe 1 which is separated from a mass flow 2 from a fluid, i. a gas or a liquid is flowed through.
  • a movable wall element 3 which has an inside facing the mass flow 2 and an outside facing away from the mass flow 2.
  • a glass fiber as a stretchable connection 4 which has both a first fiber Bragg grating as a strain gauge 5 and a second fiber Bragg grating as a temperature sensor 6 attached ,
  • the first fiber Bragg grating as a strain gauge 5 is mounted on that part of the glass fiber as a stretchable connection 4, which is located between the first tensioning device 7 and the second tensioning device 8; while the second fiber Bragg grating is used as the temperature sensor 6 is mounted on a non-clamped portion of the glass fiber as a stretchable connection 4.
  • a small part of the mass flow 2 penetrates through the gap 11 between the movable wall element 3 and the remaining wall of the tube 1 and possibly also through additional holes 10 in the tube 1 in the sealed against the environment chamber 9, so that there the same temperature as prevails in the mass flow 2, which can be determined by a change in length of the corresponding portion of the glass fiber as a flexible connection 4 by means of the second fiber Bragg grating, which serves as a temperature sensor 6, the temperature of the mass flow 2.
  • the first fiber Bragg grating as a strain gauge 5 undergoes a change in length (contraction or dilation) due to the temperature change, which depends on the temperature of the mass flow 2 and / or due to the tensile force exerted by the wall element 3 on the glass fiber as a stretchable connection 4.
  • the tensile force is created by the shear stress (wall friction), which exerts the fluid of the mass flow 2 on the movable wall element 3.
  • the shear stress that the fluid exerts on the wall here depends proportionally on the mass flow 2.
  • the magnitude of the change in length of the first fiber Bragg grating as a strain gauge 5 due to the thermal contraction or thermal dilation can be determined by the value of the temperature, which was determined with the fiber Bragg grating, which serves as a temperature sensor 6, so that finally the traction and thus the height of the
  • the mass flow sensor according to the invention was constructed and installed by means of flanges in a tube. From a compressed gas cylinder, a nitrogen flow was generated. The mass flow change produced in this way caused a change in the wavelength of the light backscattered on the fiber Bragg grating. An assignment of measured wavelength change to determining mass flow is based on a still too successful calibration. If the fluid, temperature and pressure are known, the viscosity can simply be determined by a substance database for a person skilled in the art, so that the calibration must be carried out only once later. With known bias of the fiber, a sensor can later resort to this known calibration and does not need to be recalibrated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids (Massenstromsensor), der ein in einen Ausschnitt aus einer Wand eines Rohrs (1), das von einem Massenstrom (2) durchströmbar ist, einfügbares Wandelement (3) umfasst, zwischen dem und der Wand des Rohrs (1) mindestens ein Spalt (11) verbleibt und an dessen dem Massenstrom (2) abgewandten Außenseite des Wandelements (3) in einer gegenüber der Umgebung abgeschlossen Kammer (9) mindestens eine Glasfaser als dehnbare Verbindung (4) angebracht ist, die zwischen dem Wandelement (3) und einer Wand der Kammer (9) eingespannt ist, wobei auf dem Teil der dehnbaren Verbindung (4), der zwischen der Wand der Kammer (9) und dem Wandelement (3) eingespannt ist, mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) als Dehnungsmesser (5) vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms (2) eines Fluids in einem Rohr (1), wobei das Fluid eine Schubspannung auf ein bewegliches Wandelement (3) ausübt, deren Stärke von der Größe des Massenstroms (2) abhängt, wodurch sich die Länge einer dehnbaren Verbindung (4), die zwischen der Außenseite des Wandelements (3) und einer Wand der angrenzenden Kammer (9) eingespannt ist, ändert und die Längenänderung der dehnbaren Verbindung (4) mittels eines hieran angebrachten Dehnungsmesser (5) nachgewiesen wird, woraus die Größe des Massenstroms ermittelt wird. Der Massenstromsensor wird zur Vermeidung eines Druckverlusts nicht in den Massenstrom eingebracht und eignet sich für Gase und Flüssigkeiten auch bei tiefen Temperaturen sowie im Umfeld von starken elektromagnetischen Feldern. Es muss nur einmalig ein Prototyp kalibriert werden und diese Kalibrierung ist anschließend für jeden bau gleichen Sensor anwendbar.

Description

Massenstromsensor und Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms in einem Rohr
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids (Massenstromsensor) , ein Rohr, das mit einem derartigen Massenstromsensor ausgestattet ist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids in einem Rohr.
Herkömmliche Massenstromsensoren zur Ermittlung des Massenstroms eines Fluids, d.h. einer Flüssigkeit oder eines Gases, basieren zum einen auf Wirkdruckverfahren, die jedoch durch die Messung einen bleibenden Druckverlust in der Strömung bewirken, und zum anderen auf elektronischen Verfahren, die im Umfeld von starken elektromagnetischen Felder hierdurch erheblich beeinflusst werden, was hohe Messfehler hervorruft oder einen erheblichen Kalibrieraufwand verursacht. Daher wurden bereits verschiedene Massenstromsensoren, die mit einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) , der die genaue Bestimmung der Längenänderung einer Glasfaser ermöglicht, ausgestattet sind, vorgeschlagen.
Die JP 2005003535 A offenbart eine optische Vorrichtung zur Bestimmung t'der Richtung bzw. Geschwindigkeit einer Strömung, die darauf beruht, dass ein Element, auf das eine Glasfaser mit einem FBG-Sensor aufgebracht ist, durch den hydraulischen Druck verformt wird. Nachteilig hieran ist, dass sich ein nennenswerter hydraulischer Druck nur in einer Flüssigkeit ausbildet, so dass die Vorrichtung nicht für die Untersuchung von Gasströmen geeignet ist. Weiterhin erfordert diese Vorrichtung ein verformbares Element, was insbesondere bei großen Temperaturänderungen, bei denen sich die Materialeigenschaften dieses Elementes erheblich ändern, sowie bei tiefen Temperaturen, da dort kaum verformbare Materialen existieren, ein wesentlicher Nachteil ist.
Aus der EP 1936332 AI ist ein Strömungsmesser bekannt, bei dem ein Strömungselement in die Strömung eingebracht wird, um die Karmanschen Wirbel über FBG-Sensoren nachzuweisen. Nachteilig hieran ist, dass
BESTÄTIGUNGSKOPIE sich der Sensor in der Strömung befindet, wodurch ein höherer Druckverlust im Vergleich zu einer glatten Rohr- bzw. Kanalströmung entsteht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Sensor die strömungscharakteristischen Karmanschen Wirbel mittels eines FBG-Sensors erfasst, so dass sich nicht unterscheiden lässt, ob die Längenänderung des Strömungsmessers aufgrund der Änderung des Strömungswiderstands oder nur aufgrund einer Temperaturänderung erfolgte.
Die JP 2007017337 A beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, die auf der Messung des Staudrucks, der auf ein Wandelement drückt, basiert, wobei sich der FBG-Sensor in einer luftdichten Kammer befindet. Nachteilig hieran ist, dass die Messanordnung angeströmt werden muss, so dass sie sich nicht für die Untersuchung einer Innenströmung und damit nicht ohne weiteres als Massen- stromsensor eignet. Der Einbau in ein Rohr würde zu einem erheblichen Druckverlust führen. Da sich der Sensor in einer luftdichten Kammer befindet, bezieht sich die Temperaturkorrektur lediglich auf die temperaturabhängige Längendehung der Glasfaser.
Die GB 2454613 A offenbart eine Glasfaser mit mindestens einem FBG- Sensor, die in die Strömung eingebracht wird. Zur Erhöhung der Signalstärke werden ein oder mehrere strömungsförmige Elemente, insbesondere Kugeln oder Ellipsoide, fest mit der Glasfaser verbunden. Bei Einsatz mehrerer Elemente zur Verstärkung der mechanischen Belastung auf die Glasfaser, stellt die Vorrichtung eine Art Perlenkette dar, die in die Strömung eingeführt wird. Nachteilig hieran ist, dass die verstärkte Glasfaser in die Strömung eingeführt werden muss, wodurch sich ein zusätzlicher Druckverlust ausbildet. Gegenüber einer Flüssigkeitsströmung müssen bei einer Gasströmung Anzahl bzw. Größe der strömungsförmigen Elemente vergrößert werden, wodurch sich der Druckverlust weiter erhöht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich auch hier nicht unterscheiden lässt, ob die Streckung der Glasfaser aufgrund der Änderung des Strömungswiderstands oder einer Temperaturänderung erfolgt . Die US 6 , 408 , 698 Bl offenbart einen elektronischen Sensor, der in die Wand eingebracht wird und die resultierenden Kräfte der Strömung über dehnbare Verbindungen mittels eines elektronischen Sensors ermittelt. Nachteilig hieran ist, dass dessen Signal sich aufgrund elektromagnetischer Felder ändert, was eine Kalibrierung des Sensors im Magnetfeld in Bezug auf Größe und relativer Ausrichtung des Sensors zum Magnetfeld erfordert. Jeder einzelne Sensor muss hierbei für seinen jeweiligen Einsatzfall kalibriert werden, um Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen. Insbesondere beim Einsatz unter kryogenen Temperaturen mit von außen aufgeprägten Magnetfeldern ist dieser Kalibrieraufwand beträchtlich.
In der US 2009 / 0133505 AI wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der die Wandschubspannung eine Verbiegung eines Stabs verursacht, die wiederum einen Mikroresonator zusammendrückt. Es wird die Wellenlängenänderung aufgrund der mechanischen Belastung des Mikroresonators gemessen. Sowohl die Verbiegung des Stabs also auch die mechanische Belastung und damit das Messsignal hängen von den temperaturabhängigen Stoffwerten des Stabs und des Mikroresonators ab. Hierbei ist nachteilig, dass die mechanische Beanspruchung des Stabs zum einen temperaturabhängig ist und zum anderen von Reinheit und Struktur des Materials abhängt: Unreinheiten oder Einschlüsse sowie Lunker beeinflussen die Duktilität des Stabs. Das Gleiche gilt sinngemäß auch für den Mikrosensor, so dass jeder Massenstromsensor ein Unikat darstellt, das temperatur- und lastseitig kalibriert werden muss. Weiterhin haben die unzureichende Reproduzierbarkeit der Herstellung von Mikroresonatoren sowie die fertigungstechnisch anspruchsvolle Kopplung zwischen Mikroresonator und Glasfaser zur Folge, dass jeder Sensor ein zu kalibrierendes Unikat darstellt. Ebenso ist die Größe des Mikroresonators hinsichtlich der Signalqualität entscheidend.
Schließlich kommt es aufgrund der Verbiegung des Stabs nicht nur zur mechanischen Belastung des Mikrosensors , sondern auch zu einer Verschiebung normal zur Strömungsrichtung, wodurch das Signal erheblich beeinflusst wird. Damit sind eine Reversibilität der Bewegung und eine Berücksichtigung im Rahmen einer Kalibrierung nicht notwendiger- weise gegeben ist, was die dauerhafte Funktionalität dieses Sensors beeinträchtigt .
Die US 7,168,311 B2 und die US 6,426,796 Bl offenbaren jeweils einen Sensor, der in eine Wand eingebracht wird und der die resultierenden Kräfte der Strömung über eine Verbiegung mittels eines optischen Sensors durch Interferometrie erfasst. Nachteilig hieran ist, dass auch hier die mechanische Beanspruchung des Stabs auf Biegung zum einen tem eraturabhängig ist und zum anderen von Reinheit und Struktur des Materials abhängt. Die interferometrische Messung basiert darauf, dass ein Strahl zu einer Platte ausgesandt wird und der reflektierte Strahl eine Interferenz mit dem ausgesendeten Strahl hervorruft, wobei die Platte mit dem sich aufgrund der Wandschubspannung verbiegenden Stab verbunden ist. Aufgrund der Verbiegung des Stabs bewegt sich die Platte, die die Wandschubspan-nung aufnimmt, nicht parallel zur Strömungsrichtung, sondern stellt sich entsprechend quer. Ein auf- treffender Strahl auf der Unterseite dieser Platte wird dann nicht mehr normal reflektiert (180°), sondern erfährt einen von 180° abweichenden Winkel. Dieses Verhalten kann nur in einem extrem kleinen Winkelbereich ignoriert werden, was den Einsatzbereich der Vorrichtung in Strömungen erheblich einschränkt. Weiterhin stellt diese Art des Aufbaus der Vorrichtung höchste Ansprüche hinsichtlich Fertigungstoleranzen.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids (Massenstromsensor) , ein Rohr, das mit einem derartigen Massenstromsensor ausgestattet ist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids in einem Rohr vorzuschlagen, die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.
Insbesondere soll ein Massenstromsensor bereitgestellt werden, der im Umfeld von starken elektromagnetischen Felder zuverlässig arbeitet, sich sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten auch bei sehr tiefen Temperaturen, insbesondere in der Kryotechnik, eignet und nicht in den Massenstrom eingebracht werden muss, um einen Druckverlust in der Strömung zu vermeiden.
Ebenso sollten Reinheit oder Struktur des Materials, das für das ei¬ gentliche Nachweiselement im Massenstromsensor gewählt wird, keine Rolle spielen, um zu ermöglichen, dass möglichst nur einmalig ein Prototyp kalibriert werden muss und diese Kalibrierung anschließend für jeden baugleichen Sensor anwendbar ist.
Weiterhin soll ein Rohr, ein Rohrstück, ein Kanal oder ein Kanalstück, das mit einem derartigen Massenstromsensor ausgestattet ist, bereitgestellt werden, das über Mittel zum Einflanschen in ein Rohr oder in ein Kanalsystem verfügt.
Schließlich soll ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids in einem Rohr bereitgestellt werden, mit dem sich eine Längenänderung einer Glasfaser eindeutig auf die Änderung einer strömungsmechanischen Eigenschaft des Massenstroms zurückführen lässt und Längenänderungen aufgrund einer Temperaturänderung des Massenstroms oder der Umgebung herausgerechnet werden können.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den Massenstromsensor durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Rohr durch die Merkmale des Anspruchs 4 und im Hinblick auf das Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms durch die Schritte des Anspruchs 7 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids (Massenstromsensor) enthält ein bewegliches Wandelement, das in einen Ausschnitt aus einer Wand eines von einem Massenstrom durchströmten Rohrs oder Kanals einfügbar (integrierbar) ist. Die Beweglichkeit des Wandelements ist dadurch gegeben, dass zwischen dem Wandelement und der Wand des Rohrs, in das das Wandelement eingefügt o- der integriert ist, ein oder mehrere Spalte vorhanden sind. An der dem Massenstrom abgewandten Außenseite des beweglichen Wandelements ist in einer gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Kammer mindestens eine dehnbare Verbindung angebracht. Eine Verbindung wird dann als dehnbar bezeichnet, wenn eine hierauf ausgeübte Schubspannungskraft eine messbare Dehnung hervorruft. Für die praktische Anwendung darf das hierfür eingesetzte Material jedoch weder verspröden noch reißen. Als Folge dieser Bedingung eignet sich z.B. Gummi nicht für den Einsatz bei kryogenen Temperaturen.
Die mindestens eine dehnbare Verbindung ist jeweils sowohl am Wandelement als auch an einer Wand der Kammer befestigt und jeweils zwischen den beiden Befestigungspunkten eingespannt. Vorzugsweise ist jede der mindestens einen dehnbaren Verbindung mittels einer ersten Spanneinrichtung an einer Wand der Kammer und mittels einer zweiten Spanneinrichtung am beweglichen Wandelement befestigt und zwischen dem Wandelement und der Wand der Kammer jeweils mittels einer leichten Vorspannung eingespannt. Der mindestens eine Dehnungsmesser ist jeweils auf demjenigen Teil der mindestens einen dehnbaren Verbindung angebracht, der zwischen der Wand der Kammer und der dem beweglichen Wandelement eingespannt ist.
In einer besonderen Ausgestaltung sind mehrere dehnbare Verbindungen vorgesehen, die jeweils mit mindestens einem Dehnungsmesser versehen jeweils an einer eigenen ersten Spanneinrichtung an einer Wand der Kammer befestigt sind. Auf diese Weise funktioniert der Sensor unabhängig von der Richtung des Massenstroms .
An jeder der mindestens einen dehnbaren Verbindung ist auf demjenigen Teil der dehnbaren Verbindung, der zwischen der Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist, mindestens ein Dehnungsmesser an- oder aufgebracht .
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens ein Temperatursensor vorhanden, der an einem Abschnitt der dehnbaren Verbindung angebracht ist, der nicht zwischen der Wand der Kammer und dem Wandele- ment eingespannt ist. Da dieser weitere Abschnitt der dehnbaren Verbindung von einer Längenänderung, die die Schubspannung des Fluids im Massenstrom im Abschnitt der Glasfaser, der zwischen der Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist, bewirkt, unabhängig bleibt, ist es möglich, mindestens einem weiteren Dehnungsmesser als mindestens einen Temperatursensor vorzusehen und auf diese Weise über die Längenänderung dieses Abschnitts der dehnbaren Verbindung die Temperatur in der abgeschlossenen Kammer zu ermitteln.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine Glasfaser als dehnbare Verbindung eingesetzt, mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) als Dehnungsmesser vorgesehen und auf der mindestens einen Glasfaser an- oder aufgebracht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens ein weiterer FBG-Sensor als Temperatursensor auf dem Abschnitt der Glasfaser angebracht ist, der nicht zwischen der Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist. Als Faser-Bragg-Gitter werden optische Interferenzfilter bezeichnet, die in einen Lichtwellenleiter eingeschrieben sind, so dass Wellenlängen, die innerhalb einer Filterbandbreite liegen, reflektiert werden. Damit eignen sich diese Gitter als Sensoren sowohl für Dehnung als auch Temperatur, jeweils basierend auf einer Änderung der reflektierten Wellenlänge.
Zusätzlich zu dem zwischen dem Wandelement und der Wand des Rohrs, in das das Wandelement eingefügt oder integriert ist, vorhandenen ein oder mehreren Spalten enthält das Rohr in einer besonderen Ausgestaltung eine oder mehrere Öffnungen (Bohrungen) , die die Innenseite des Rohrs mit der Kammer verbinden. Durch diesen mindestens einen Spalt und/oder die mindestens eine Öffnung tritt ein Teil des Massenstroms aus dem Rohr in die Kammer ein, wodurch in der Kammer dieselbe Temperatur wie im Massenstrom herrscht. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Temperaturmessung deutlich erhöht.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Rohr, worunter auch ein Rohrstück, ein Kanal oder ein Kanalstück verstanden wird, das mit einem erfindungsgemäßen Massenstromsensor versehen ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt das Rohr Mittel zum Ein- flanschen in ein Rohr- oder Kanalsystem.
In einer besonderen Ausgestaltung besitzt das Rohr eine oder mehrere Öffnungen (Bohrungen) , die die Innenseite des Rohrs mit der Kammer verbinden. Hierdurch kann ein Teil des Massenstroms in die Kammer eintreten, so dass in der Kammer dieselbe Temperatur wie im Massenstrom herrscht, wodurch sich die Genauigkeit der Temperaturmessung deutlich erhöht.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms in einem Rohr. Hierzu wird das Rohr von einem Massenstrom eines Fluids durchströmt, das eine Schubspannung auf das bewegliche Wandelement ausübt. Die Stärke dieser Schubspannung ist vorzugsweise proportional zur Größe des Massenstroms. Die Schubspannung ruft eine Änderung der Länge der einen oder mehreren dehnbaren Verbindung, d.h. der einen oder mehreren Glasfasern, hervor, die zwischen der dem Massenstrom abgewandten Außenseite des Wandelements und einer Wand der Kammer eingespannt sind. Die Längenänderung der dehnbaren Verbindungen wird jeweils mittels mindestens eines FBG-Sensors, der an die jeweilige dehnbare Verbindung an- oder aufgebracht ist, nachgewiesen. Nach einer vorherigen Kalibrierung lässt sich hieraus die Größe des Massenstroms ermitteln.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein vorzugsweise sehr geringer Teil des Massenstroms durch den mindestens einen Spalt zwischen dem Wandelement und der Wand des Rohrs und, sofern vorhanden, durch mindestens eine zusätzliche Öffnung im Rohr in die Kammer eingeführt. Dadurch ist gewährleistet, dass in der Kammer dieselbe Temperatur wie im Massenstrom herrscht, so dass sich über einen Temperatursensor die Temperatur des Massenstroms bestimmen lässt. Bevorzugt wird hierzu die Längenänderung eines weiteren Abschnitts mindestens einer Glasfaser, die nicht zwischen einer Wand der Kammer und dem Wandelement eingespannt ist, mittels eines hierauf angebrachten Dehnungsmessers in Form eines FBG-Sensors, ermittelt. Auf diese Weise lässt sich ein Anteil der Längenänderung der einen oder mehreren dehnbaren Verbindungen, d.h. Glasfasern, die auf eine Temperaturänderung und nicht auf die Wirkung der Schubspannung zurückgeht, herausrechnen.
Die Erfindung weist insbesondere die im Folgenden erwähnten Vorteile auf .
Der erfindungsgemäße Massenstromsensor ist unabhängig von der Größe des hydraulischen Drucks und ermöglicht daher die Bestimmung des Massenstroms sowohl in Flüssigkeits- als auch in GasStrömungen.
Beim erfindungsgemäßen Massenstromsensor entsteht kein zusätzlicher Druckverlust gegenüber einer Rohr- bzw. Kanalströmung, da das bewegliche Wandelement, das die Schubspannung der Strömung aufnimmt, in die Wand des Rohrs oder Rohrstücks eingefügt ist. Der erfindungsgemäße Massenstromsensor vermeidet Druckverlust, indem jegliche Einbauten, die zu einem zusätzlichen Druckverlust gegenüber einer glatten Rohr- bzw. Kanalströmung führen könnten, vermieden werden. Das bewegliche Wandelement der Erfindungsmeldung wird vielmehr lediglich durch die Wandschubspannung bewegt, die ohnehin im Rohr bzw. Kanal auftritt. Damit ist hier nicht der Staudruck, sondern die Wandschubspannung die eigentliche Eingangsgröße für die Bestimmung der Größe des Massenstroms.
Der erfindungsgemäße Massenstromsensor liefert in einer bevorzugten Ausgestaltung Information darüber, ob sich die Länge Glasfaser tatsächlich durch die Änderung des Strömungswiderstands des zu untersuchenden Massenstroms und nicht auch aufgrund einer Temperaturänderung verändert hat. Diese Information wird dadurch geliefert, dass mit einem weiteren FBG-Sensor nur die Temperatur ermittelt wird. Damit wird einerseits auch die Absoluttemperatur der Strömung des Massenstroms gemessen und zweitens wird hier eindeutig die Längenänderung aufgrund des Temperatureinflusses nachgewiesen, wodurch die Messergebnisse er- heblich genauer sind.
Beim erfindungsgemäßen Massenstromsensor werden in einer bevorzugten Ausgestaltung die Dehnungsmesser über Spalte und/ oder Öffnungen direkt der Strömungstemperatur ausgesetzt, so dass nicht nur eine Korrektur der temperaturabhängigen Längendehnung der Glasfaser stattfindet, sondern auch eine korrekte Messung der Absoluttemperatur. Die Messung der Absoluttemperatur ist notwendig für die Ermittlung der Dichte des Fluides, die zur Ermittlung der Größe des Massenstromes benötigt wird.
Schließlich ist der erfindungsgemäße Massenstromsensor unabhängig von den Eigenschaften der hierfür eingesetzten Materialien.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert .
Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Rohrs 1, das von einem Massenstrom 2 aus einem Fluid, d.h. einem Gas oder einer Flüssigkeit, durchströmt wird. In einem Teil der Wand des Rohrs 1 befindet sich ein bewegliches Wandelement 3, das eine dem Massenstrom 2 zugewandte Innenseite und eine dem Massenstrom 2 abgewandte Außenseite aufweist. An der Außenseite des beweglichen Wandelements 3 ist in einer zur Umgebung hin abgeschlossenen Kammer 9 eine Glasfaser als dehnbare Verbindung 4, die sowohl ein erstes Faser-Bragg-Gitter als Dehnungsmesser 5 als auch ein zweites Faser-Bragg-Gitter als Temperatursensor 6 aufweist, angebracht. Die Glasfaser als dehnbare Verbindung 4
selbst ist mit leichter Vorspannung mittels einer ersten Spanneinrichtung 7 an einer Wand der zur Kammer 9 und mittels einer zweiten Spanneinrichtung 8 am beweglichen Wandelement 3 befestigt. Das erste Faser-Bragg-Gitter als Dehnungsmesser 5 ist auf demjenigen Teil der Glasfaser als dehnbarer Verbindung 4 angebracht, der sich zwischen der ersten Spanneinrichtung 7 und der zweiten Spannvorrichtung 8 befindet; während das zweite Faser-Bragg-Gitter als Temperatur- sensor 6 auf einem nicht eingespannten Abschnitt der Glasfaser als dehnbarer Verbindung 4 angebracht ist.
Ein geringer Teil des Massenstroms 2 dringt durch dem Spalt 11 zwischen dem beweglichen Wandelement 3 und der übrigen Wand des Rohrs 1 und ggf. auch durch zusätzliche Bohrungen 10 im Rohr 1 in die gegen die Umgebung abgeschlossene Kammer 9 ein, so dass dort dieselbe Temperatur wie im Massenstrom 2 herrscht, wodurch sich über eine Längenänderung des entsprechenden Abschnitts der Glasfaser als dehnbarer Verbindung 4 mittels des zweiten Faser-Bragg-Gitters, das als Temperatursensor 6 dient, die Temperatur des Massenstroms 2 bestimmen lässt .
Das erste Faser-Bragg-Gitter als Dehnungsmesser 5 erfährt eine Längenänderung (Kontraktion oder Dilatation) aufgrund der Temperaturänderung, die von der Temperatur des Massenstroms 2 abhängt und/oder aufgrund der Zugkraft, die das Wandelement 3 auf die Glasfaser als dehnbare Verbindung 4 ausübt. Die Zugkraft entsteht durch die Schubspannung (Wandreibung) , die das Fluid des Massenstroms 2 auf das bewegliche Wandelement 3 ausübt. Die Schubspannung, die das Fluid auf die Wand ausübt, hängt hier proportional vom Massenstrom 2 ab. Die Größe der Längenänderung des ersten Faser-Bragg-Gitters als Dehnungsmesser 5 aufgrund der thermischen Kontraktion bzw. thermischen Dilatation lässt sich über den Wert der Temperatur ermitteln, die mit dem Faser-Bragg-Gitter, das als Temperatursensor 6 dient, bestimmt wurde, so dass schließlich die Zugkraft und damit über die Höhe der
Schubspannung die Größe des Massenstroms eindeutig bestimmt werden kann.
Der erfindungsgemäße Massenstromsensor wurde aufgebaut und mittels Flansche in ein Rohr eingebaut. Aus einer Druckgasflasche wurde eine StickstoffStrömung erzeugt. Die hierdurch erzeugte Massen- stromänderung bewirkte eine Wellenlängenänderung des am Faser-Bragg- Gitter rückgestreuten Lichtes. Eine Zuordnung von gemessener Wellenlängenänderung zu bestimmendem Massenstrom beruht auf einer noch zu erfolgenden Kalibrierung. Bei bekanntem Fluid, Temperatur und Druck lässt sich über eine Stoffdatenbank für einen Fachmann einfach die Viskosität ermitteln, so dass die Kalibrierung später nur einmal erfolgen muss. Bei bekannter Vorspannung der Glasfaser kann ein Sensor später auf diese bekannte Kalibrierung zurückgreifen und muss nicht erneut kalibriert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids (Massenstromsensor) , umfassend ein in einen Ausschnitt aus einer Wand eines Rohrs (1) , das von einem Massenstrom (2) durchströmbar ist, einfügbares Wandelement (3) , zwischen dem und der Wand des Rohrs (1) mindestens ein Spalt (11) verbleibt und an dessen dem Massenstrom (2) abgewandten Außenseite in einer gegenüber der Umgebung abgeschlossen Kammer (9) mindestens eine dehnbare Verbindung (4) angebracht ist, die zwischen dem Wandelement (3) und einer Wand der Kammer (9) eingespannt ist, wobei auf dem Teil der dehnbaren Verbindung (4), der zwischen der Wand der Kammer (9) und dem Wandelement (3) eingespannt ist, mindestens ein Dehnungsmesser (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Glasfaser als die mindestens eine dehnbare Verbindung (4) und mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) als der mindestens eine Dehnungsmesser (5) vorgesehen sind.
2. Massenstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer FBG-Sensor als mindestens ein Temperatursensor (6), der an einem weiteren Teil der dehnbaren Verbindung (4) , der nicht zwischen der Wand der Kammer (9) und dem Wandelement (3) eingespannt ist, vorgesehen ist.
3. Massenstromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dehnbare Verbindungen (4) vorgesehen sind, die jeweils mit mindestens einem Dehnungsmesser (5) versehen und jeweils an einer eigenen ersten Spanneinrichtung (7) an einer Wand der Kammer (9) befestigt sind.
4. Rohr (1) , das mit einem Massenstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgestattet ist.
5. Rohr (1) nach Anspruch 4, das mindestens eine zusätzliche Öffnung (10) aufweist, die die Innenseite des Rohrs (1) mit der Kammer (9) verbindet.
6. Rohr (1) nach Anspruch 4 oder 5, das Mittel zum Einflanschen in ein Rohrsystem aufweist.
7. Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms eines Fluids in einem Rohr (1), wobei das Rohr (1) von einem Massenstrom (2) eines Fluids, das auf ein bewegliches Wandelement (3), zwischen dem und der Wand des Rohrs (1) mindestens ein Spalt (11) verbleibt, eine Schubspannung ausübt, deren Stärke von der Größe des Massenstroms
(2) abhängt, durchströmt wird, wodurch sich die Länge mindestens einer Glasfaser als mindestens eine dehnbare Verbindung (4) , die zwischen der dem Massenstrom (2) abgewandten Außenseite des Wandelements (3) und einer Wand einer an das Wandelement angrenzenden gegenüber der Umgebung abgeschlossen Kammer (9) eingespannt ist, ändert und die Längenänderung der mindestens einen dehnbaren Verbindung (4) mittels mindestens eines Faser-Bragg-Gitter- Sensors (FBG-Sensor) als mindestens ein Dehnungsmesser (5), der an der mindestens einen dehnbaren Verbindung (4) angebracht ist, nachgewiesen wird, woraus die Größe des Massenstroms ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, in dem ein Teil des Massenstroms (2) durch den mindestens einen Spalt (11) zwischen dem Wandelement
(3) und der Wand des Rohrs (1) und, sofern vorhanden, durch mindestens eine zusätzliche Öffnung (10) im Rohr (1) in die gegenüber der Umgebung abgeschlossen Kammer (9) eintritt, wodurch in der Kammer (9) dieselbe Temperatur wie im Massenstrom (2)
herrscht, so dass mittels eines ein weiteren FBG-Sensors als Temperatursensor (6) , der an einem weiteren Teil der mindestens einen dehnbaren Verbindung (4) , die nicht zwischen einer Wand der Kammer (9) und dem Wandelement (3) eingespannt ist, angebracht ist, die Temperatur des Massenstroms (2) bestimmt wird, womit ein Anteil der Längenänderung der dehnbaren Verbindung (4) , der auf eine Temperaturänderung zurückgeht, herausgerechnet wird.
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