WO2020165162A1

WO2020165162A1 - Durchflussmessanordnung und strömungstechnische anordnung

Info

Publication number: WO2020165162A1
Application number: PCT/EP2020/053458
Authority: WO
Inventors: Martin Arlit; Uwe Hampel; Christoph Schroth
Original assignee: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf E.V.
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2020-08-20
Also published as: DE102019103674A1; EP3924698A1; DE102019103674B4

Abstract

Eine Durchflussmessanordnung (400) weist einen Messkanal (100) mit einem Messkanaldurchmesser (D0) auf. In dem Messkanal (100) sind ein Strömungsteiler (300) und ein Anemometrie-Gittersensor (500) angeordnet. Der Anemometrie-Gittersensor (500) weist eine Vielzahl von Sensorelementen (510) mit temperaturabhängigem elektrischen Widerstand auf, die lateral voneinander beabstandet sind. Der Strömungsteiler (300) weist eine Vielzahl von Teilkanälen (310) auf. Eine Kanallänge (L1) der Teilkanäle (310) kann kleiner oder gleich dem Messkanaldurchmesser (D0) sein. Ein Abstand (L2) zwischen dem Anemometrie-Gittersensor (500) und dem Strömungsteiler (300) kann kleiner oder gleich dem Messkanaldurchmesser (D0) sein.

Description

DURCHFLUSSMESSANORDNUNG UND STRÖMUNGSTECHNISCHE ANORDNUNG

BESCHREIBUNG

Aus führungs formen betreffen eine Durchflussmessanordnung, ins besondere zur Durchflussmessung in geschlossenen Kanälen, so wie eine strömungstechnische Anordnung.

Durchflussmessgeräte erfassen die Menge eines Fluids, die pro Zeiteinheit durch einen Messkanal strömt, zum Beispiel den Vo lumenstrom bzw. den Volumendurchfluss. Thermoelektrische Anemometer messen den Widerstand eines Sensors mit temperatur abhängigem elektrischem Widerstand in einem kälteren, strömen den Medium, wobei das Maß der Abkühlung des Sensors in Relati on zur Strömungsgeschwindigkeit steht. Bei bekanntem Strö mungsprofil kann aus der Widerstandsänderung des Sensors auf den Volumendurchfluss geschlossen werden. Die DE 10 2007 019 927 B3 beschreibt eine Messanordnung, bei der eine Mehrzahl von Sensorelementen mit temperaturabhängigem elektrischen Widerstand in einer Querschnittsfläche des Mess kanals angeordnet sind und die Strömungsgeschwindigkeit an mehreren Messorten im Messkanal ermittelt werden kann. Der Ar tikel M. Arlit et al . : „Thermal Anemometry Grid Sensor" in Sensors 2017, 17, 1663 beschreibt ein Verfahren zur Beauf schlagung der Sensorelemente des Gittersensors mit geeigneten Signalen und die Auswertung der von den Gittersensoren empfan genen Messsignale.

Es soll eine Durchflussmessanordnung bereitgestellt werden, die möglichst universal einsetzbar ist.

Eine solche Durchflussmessanordnung wird durch die Ansprüche 1 und 10 bereitgestellt. Eine strömungstechnische Anordnung mit einer solchen Durchflussmessanordnung ergibt sich aus dem An- spruch 11. Vorteilhafte Aus führungs formen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Durchflussmessan ordnung einen Messkanal auf, in dem ein Anemometrie- Gittersensor sowie ein Strömungsteiler angeordnet sind.

Der Messkanal ist integraler Bestandteil einer strömungstech- nischen Anlage für ein Fluid. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Der Messkanal kann ein Abschnitt eines Flusskanals der strömungstechnischen Anlage sein. Beispiels weise umfasst der Flusskanal ein Rohr oder einen Schlauch und der Messkanal ist ein Abschnitt des Rohrs oder des Schlauchs. Der Messkanal kann ein Zwischenstück, z.B. ein Rohrstück oder ein Schlauchstück sein, das zwischen zwei Teilstücke des Flusskanals eingefügt ist oder das einen Abschnitt des Fluss kanals auskleidet.

Der Anemometrie-Gittersensor ist im Messkanal angeordnet und weist eine Vielzahl von lateral voneinander beabstandeten Sen sorelementen mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand auf. Beispielsweise umfassen die Sensorelemente PTC (positive temperature coefficient) oder NTC (negative temperature coeffi- cient ) -Widerstände mit vergleichsweise starker Temperaturab hängigkeit des elektrischen Widerstandswertes. Beispielsweise sind die Sensorelemente PTC-Widerstände mit einem Temperatur koeffizienten von mindestens 0,001/°K.

Jedes Sensorelement ist mit mindestens zwei elektrischen Lei tungen mit einer Messschaltung verbunden, wobei die Verbin dungsleitungen so geführt sind, dass die Sensorelemente je weils getrennt und unabhängig voneinander ausgewertet werden können. Die Sensorelemente messen die lokale Strömungsge- schwindigkeit ortsaufgelöst in unterschiedlichen Teilbereichen der Querschnitts fläche des Messkanals.

Der Strömungsteiler ist stromaufwärts vom Anemometrie- Gittersensor im Messkanal angeordnet. Der Strömungsteiler weist eine Vielzahl von Teilkanälen auf, die im Wesentlichen den gleichen Querschnitt und die gleiche Länge aufweisen kön nen. Jeder Teilkanal kann in einem Teilbereich des Messkanal querschnitts den Drall in einer anflutenden, teilweise turbu lenten Strömung dämpfen oder vollständig auslöschen. Bei spielsweise können stromaufwärts angeordnete Krümmungen, Ein mündungen und/oder Verzweigungen Turbulenzen in der Strömung auslösen. Da der Gittersensor ein ortsaufgelöstes Strömungs profil erfasst, entfällt die Notwendigkeit für ein voll entwi ckeltes laminares Strömungsprofil am Messort.

Teilkanäle des Strömungsteilers können daher mit vergleichs weise geringem Widerstand ausgeführt werden und/oder der Ab stand zwischen Strömungsteiler und Gittersensor kann ver gleichsweise klein gewählt werden oder sich vollständig erüb rigen. Eine solche Durchfluss-Messanordnung kann vergleichs weise kompakt ausgeführt und benötigt nur einen vergleichswei se kurzen geraden Messkanalabschnitt. Die Durchfluss- Messanordnung mit Strömungsteiler und Anemometrie-Gittersensor kann daher auch in Abschnitten einer strömungstechnischen An ordnung vorgesehen werden, die für eine Messung mit Strömungs gleichrichtern und herkömmlichen Strömungsmesseinrichtungen mit einem einzigen Sensorelement nicht ohne weiteres in Frage kommen. Zudem bewirkt der Strömungsteiler wegen der ver gleichsweise kurzen Teilkanäle einen geringeren Druckabfall als übliche Strömungsgleichrichter.

Die Kanallänge der Teilkanäle kann beispielsweise maximal 100% des Messkanaldurchmessers betragen. Nach einer Aus führungs form beträgt die Kanallänge maximal das 0,5fache des Messkanal durchmessers .

Eine Teilkanalquerschnittsfläche eines Teilkanals ist die zur Hauptflussrichtung senkrechte Querschnitts fläche . Die Teilka nalquerschnittsfläche kann rund, oval oder mehreckig sein, beispielweise ein regelmäßiges Sechseck bilden. Eine Teilkana linnenfläche ist die Fläche der zylindrischen Innenseite eines Teilkanals. Ein Verhältnis der Teilkanalinnenfläche zur Teil kanalquerschnitts fläche kann maximal das 0,5fache eines Min- destverhältnisses betragen, bei dem sich am stromabwärtigen Ende der einzelnen Teilkanäle unter vorgegebenen Betriebsbe dingungen eine voll ausgebildete laminare Strömung einstellt.

Beispielsweise kann bei Teilkanälen mit hexagonaler Quer schnittsfläche das Verhältnis der Teilkanalinnenfläche zur Teilkanalquerschnittsfläche einen Wert in einem Bereich größer 4 und kleiner 15, z.B. einen Wert nahe 6 annehmen, so dass der Strömungsteiler zwar den anflutenden Gesamtstrom zu laminaren Teilströmungen gleichrichtet, der Einfluss des Strömungstei- lers auf die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung im Messkanal querschnitt aber klein bleibt. Die Teilkanäle des Strömungs teilers können für vergleichbare Betriebsbedingungen, z.B. für denselben Strömungsgeschwindigkeitsbereich oder Volumendurch fluss des Fluids deutlich kürzer sein als die Teilkanäle von Strömungsgleichrichtern, wie sie üblicherweise vor anderen Strömungssensoren zum Auslöschen des Dralls eingebaut werden. Der Strömungsteiler stellt zudem einen geringeren Widerstand für das Fluid dar als ein üblicher Strömungsgleichrichter für die gleichen Randbedingungen, d.h. für das gleiche Fluid und für den gleichen Volumenstrom.

Die Teilkanäle üblicher Strömungsgleichrichter reduzieren nicht nur den Drall in der Strömung, sondern reduzieren dabei auch höhere Strömungsgeschwindigkeiten stärker als geringere Strömungsgeschwindigkeiten. Bei ausreichend langen Teilkanälen kann sich dabei in jedem Teilkanal eine voll entwickelte lami nare Teilströmung einstellen, wobei sich in jedem Teilkanal am stromabwärtigen Ende in etwa die gleiche Maximalgeschwindig keit einstellt. Am stromabwärtigen Ende eines üblichen Strö mungsgleichrichters kann sich eine nahezu gleichmäßige Ge schwindigkeitsverteilung und nach einer ausreichend langen Be ruhigungsstrecke stromabwärts vom Strömungsgleichrichter im Messkanal ein für laminare Strömungen typisches Strömungspro fil symmetrisch zum Messkanalmittelpunkt einstellen.

Nach einer Aus führungs form kann ein Teilkanaldurchmesser der Teilkanäle maximal das 0,2fache des Messkanaldurchmessers und die Kanallänge maximal das 15fache des Teilkanaldurchmessers betragen. Die Teilkanäle sind damit kürzer als die Teilkanäle eines üblichen Strömungsgleichrichter, deren Kanallänge min destens das 20fache des Teilkanaldurchmessers betragen soll.

Nach einer anderen Aus führungs form kann ein Abstand zwischen dem Anemometrie-Gittersensor und dem Strömungsteiler kleiner oder gleich dem Messkanaldurchmesser sein. Dabei kann jedes Sensorelement in der geradlinigen Verlängerung eines Teilka nals angeordnet sein, z.B. zentriert zur Verlängerung der Mit telachse des Teilkanals.

Der Strömungsteiler erzeugt laminare Teilströmungen, so dass die Strömung im Messkanal stromabwärts vom Strömungsteiler überwiegend nur eine Richtungskomponente längs zur Symmetrie achse des Messkanals aufweist ist. Da der Anemometrie- Gittersensor das gesamte Strömungsgeschwindigkeitsfeld mit ausreichender Genauigkeit erfasst, können die Sensorelemente sehr nahe an den Strömungsteiler gebracht werden, ohne dass die Genauigkeit der Durchflussmessung signifikant abnimmt. Der Anemometrie-Gittersensor löst die laterale Geschwindigkeits verteilung im Messkanal lateral auf und ermöglicht so eine präzise Messung des Durchflusses für beliebige Geschwindig keitsverteilungen im Messkanal.

Insbesondere entfällt die Notwendigkeit für eine Beruhigungs strecke, wie sie beispielsweise die DIN EN ISO 5167 üblicher weise für valide Messungen zwischen Strömungsgleichrichter und Durchfluss-Sensor vorsieht, weil der Einsatz eines üblichen Durchfluss-Sensors typischerweise eine voll entwickelte lami nare Strömung mit zum Mittelpunkt des Messkanals symmetrischer Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit voraussetzt. Dazu sind vergleichsweise lange Beruhigungsstrecken zwischen dem Durch fluss-Sensor und dem stromaufwärts letzten Störungselement, zum Beispiel einer Rohrkrümmung, erforderlich. Ein Strömungs gleichrichter mit verhältnismäßig langen Teilkanälen ermög licht kürzere Beruhigungsstrecken, die aber typischerweise noch im Bereich eines Mehrfachen des Messkanaldurchmessers liegen .

Demgegenüber ermöglicht die Kombination des Anemometrie- Gittersensors mit dem Strömungsteiler eine noch kompaktere Bauform .

Nach einer Aus führungs form können die Sensorelemente direkt angrenzend an den Strömungsteiler angeordnet sein. Beispiels weise können die Sensorelemente am Strömungsteiler befestigt sein .

Gemäß einer weiteren Aus führungs form können die Sensorelemente innerhalb von Teilkanälen des Strömungsteilers angeordnet sein, wodurch sich ein Platzbedarf für die Durchflussmessan ordnung weiter reduziert. Gemäß einer Aus führungs form können die Sensorelemente in einer zum Messkanal orthogonalen Fläche angeordnet sein. Beispiels weise können die Sensorelemente PTC-Widerstände oder NTC- Widerstände sein, die auf eine gitterförmig ausgebildete Lei terplatte aufgelötet sind, wobei die Leiterplatte quer zum Messkanal eingebaut wird.

Gemäß einer Aus führungs form können die Sensorelemente auf ei nem oder mehreren konzentrischen Ringen um einen Mittelpunkt einer Querschnittsfläche des Messkanals angeordnet sein, wodurch der Anemometrie-Gittersensor für verschiedenste Strö mungsprofile eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.

Gemäß einer weiteren Aus führungs form können die Sensorelemente auf den konzentrischen Ringen jeweils einen gleichen Winkelab stand aufweisen.

Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist der Messkanal mit der Durchflussmessanordnung in eine strömungstechnische Anordnung integriert. Die strömungstechnische Anordnung kann eine Pum penvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das Fluid mit einem Volumendurchsatz in einem vorgegebenen Volumendurch satzbereich durch den Messkanal zu treiben.

Weitere Merkmale und Vorteile des offenbarten Gegenstands er schließen sich dem Fachmann aus der nachfolgenden detaillier ten Beschreibung sowie aus den Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beigefügten Zeichnungen vermitteln ein tiefergehendes Ver ständnis von Ausführungsbeispielen für eine Durchflussmessan ordnung und eine strömungstechnische Anordnung, sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen lediglich Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern deren Prinzipien. Die hier beschriebene Durchflussmessanordnung und die strömungstechnische Anordnung sind durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele nicht auf diese beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele und beabsichtigte Vorteile ergeben sich aus dem Verständnis der nachfolgenden detaillierten Beschrei bung sowie aus Kombinationen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele, selbst wenn diese nicht explizit be schrieben sind. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsge treu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

FIG. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Flusskanal mit einer Durchflussmessanordnung gemäß einem Vergleichsbeispiel .

FIG. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Flusskanal mit einer Durchflussmessanordnung mit

Strömungsteiler und Anemometrie-Gittersensor gemäß einer Aus führungs form .

FIG. 3 zeigt eine Durchflussmessanordnung gemäß einer

Aus führungs form mit einem Strömungsteiler und einem

Anemometrie-Gittersensor sowie Sensorelementen, die zu

Teilkanälen eines Strömungsteilers ausgerichtet sind.

FIG. 4 zeigt eine Durchflussmessanordnung gemäß einer

Aus führungs form mit Sensorelementen, die teilweise in

Teilkanälen eines Strömungsteilers angeordnet sind.

FIG. 5A-5B zeigen schematische Darstellungen des Anemometrie- Gittersensors gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. DETAILBESCHREIBUNG

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele einer Durchflussmessanordnung und einer strömungstechnischen Anordnung gezeigt sind. Die Existenz wei terer Ausführungsbeispiele versteht sich von selbst. Ebenso versteht es sich von selbst, dass an den Ausführungsbeispielen strukturelle und/oder logische Änderungen gemacht werden kön nen, ohne dass dabei von dem durch die Patentansprüche Defi nierten abgewichen wird. Die Beschreibung der Ausführungsbei spiele ist insoweit nicht begrenzend. Insbesondere können Merkmale von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Merkmalen von anderen der beschriebenen Ausführungsbei spiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.

Die FIG. 1 zeigt eine Durchflussmessanordnung nach einem Ver gleichsbeispiel mit einem Strömungsmessgerät 950, das die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids an genau einem Punkt in einem Messkanal 100 mit einem Messkanaldurchmesser DO misst. Stromaufwärts von dem Strömungsmessgerät 950 und stromabwärts von einer Kanalkrümmung 940 ist ein Strömungsgleichrichter 930 in den Messkanal 100 eingepasst. Der Strömungsgleichrichter 930 weist eine Vielzahl gleichartiger Teilkanäle 931 auf, die Geschwindigkeitskomponenten im Fluid quer zur Hauptfließrich- tung und damit Drallstörungen auslöschen und so die Strömung im Messkanal 100 laminarisieren .

Die Teilkanäle 931 können z.B. so ausgeführt sein, dass sich für einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich des Fluids am stromabwärtigen Ende des Strömungsgleichrichters 930 in jedem Teilkanal 931 eine vollständig entwickelte laminare Strömung mit rotationssymmetrischer, parabolischer Geschwindigkeitsver teilung einstellt. Die dafür erforderliche Teilkanallänge LA der Teilkanäle 931 längs der Hauptfließrichtung hängt u.a. von der Querschnitts fläche der Teilkanäle 931, deren Querschnitts form, der Rauigkeit der Innenwände der Teilkanäle 931 und dem Messkanaldurchmesser DO ab. Die Teilkanallänge LA kann für die jeweilige Anwendung z.B. empirisch bestimmt werden.

Für manche Anwendungen werden die Teilkanäle 931 des Strö mungsgleichrichters 930 anhand von Faustregeln dimensioniert. Beispielsweise beschreibt die US 3,964,519, dass für einen Strömungsgleichrichter für Luft das Verhältnis der Innenfläche eines Teilkanals 931 zu dessen Querschnittsfläche etwa 30 be tragen soll. W. Kümmel; „Technische Strömungsmechanik"; B.G. Teubner, 2001 gibt für einen Teilkanaldurchmesser Dl runder Teilkanäle 931 mit Dl < 0,2*D0 eine Teilkanallänge LA von min destens 20*D1 an.

Ein Strömungsprofil 939 in einer Querschnittsebene Al am stromabwärtigen Ende des Strömungsgleichrichters 931 kann sich aus einer Anzahl von parabolischen Teilströmungsprofilen 938 mit der Querschnittsfläche der Teilkanäle 931 zusammensetzen, wobei die Anzahl von parabolischen Teilströmungsprofilen 938 der Anzahl der Teilkanäle 931 entspricht und die Maximalge schwindigkeiten der Teilströmungsprofile 938 in etwa gleich sein können.

Eine Beruhigungsstrecke 940 zwischen dem Strömungsgleichrich ter 930 und einer Strömungsmesseinrichtung 950 wird in der Re gel so bemessen, dass sich innerhalb der Beruhigungsstrecke 940 ein voll entwickeltes, symmetrisches Strömungsprofil 949 mit einer Maximalgeschwindigkeit in der Mitte der Messkanal querschnittsfläche aufbauen kann und damit das Strömungsprofil in einer Querschnittsfläche A2 am Ende der Beruhigungsstrecke 940 qualitativ bekannt ist. Die Messung der Strömungsgeschwin digkeit an einem einzigen Ort im Messkanal 100 reicht dann aus, um auf den Gesamtdurchfluss schließen zu können.

Die Mindestlänge LB der Beruhigungsstrecke 940 ergibt sich in der Regel aus Faustregeln. Beispielsweise soll die Mindestlän ge LB mindestens das 3fache des Messkanaldurchmessers DO be tragen .

Die FIG. 2 zeigt eine Durchflussmessanordnung für ein Fluid nach einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Anemometrie- Gittersensor 500 in einem Messkanal 100 mit einem Messkanal durchmesser DO. Der Messkanal 100 ist beispielsweise eine Rohrleitung. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein .

Stromaufwärts von dem Anemometrie-Gittersensor 500 und strom abwärts von einer Quelle für Strömungsasymmetrien, z.B. einer Rohrkrümmung 400 ist ein Strömungsteiler 300 in den Messkanal 100 eingepasst. Andere Quellen für Strömungsasymmetrien sind zum Beispiel Rohrknie, T-Verzweigungen und ähnliche. Der Strö mungsteiler 300 kann eine Vielzahl gleichartiger Teilkanäle 310 aufweisen, die Geschwindigkeitskomponenten des Fluids quer zur Hauptfließrichtung und damit Drallstörungen auslöschen und so die Strömung laminarisieren . Die Kanallänge LI der Teilka näle 310 kann deutlich kleiner sein als eine Länge, bei der sich bei vorgegebenen Randbedingungen, z.B. für einen vorgege benen Bereich für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Messkanal 100, am stromabwärtigen Ende des Strömungsteilers 300 gerade eine voll entwickelte laminare Strömung einstellt. Beispielsweise beträgt die Kanallänge LI der Teilkanäle 310 maximal 100% des Messkanaldurchmessers DO, beispielsweise ma ximal 0,5 x DO oder maximal 0,2 x DO. Der Widerstand des Strö- ungsteilers 300 und der Druckabfall über den Strömungsteiler 300 können damit deutlich geringer sein als im Falle des Strö mungsgleichrichters 930 nach FIG. 1.

Die Teilkanäle 310 können insbesondere so ausgeführt sein, dass die Drallstörungen in den Teilkanälen 310 am stromabwär- tigen Ende des Strömungsteilers 300 in jedem Teilkanal 310 für einen Grenzfall des nominellen Betriebsbereichs gerade ausge löscht sind und sich in jedem Teilkanal 310 eine vollständig laminare Strömung mit einer einzigen Geschwindigkeitskomponen te parallel zur Hauptflussrichtung einstellt.

Alternativ dazu können die Teilkanäle 310 so ausgeführt sein, dass sich für einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich des Fluids in jedem der Teilkanäle 310 eine vollständig turbulente Strömung einstellt. Gemäß einer weiteren Aus führungs form wer den zwei Betriebsbereiche der Durchfluss-Messanordnung ausge wertet, wobei am Ausgang des Strömungsteilers 300 sich in ei nem ersten Betriebsbereich eine rein laminare Strömung und im zweiten Betriebsbereich eine rein turbulente Strömung ein stellt.

Die dazu erforderlichen Kanallängen LI der Teilkanäle 310 hän gen u.a. von der Querschnittsfläche der Teilkanäle 310, deren Querschnitts form und der Rauigkeit der Innenwände der Teilka näle 310 ab und können für die jeweilige Anwendung z.B. empi risch bestimmt oder anhand von Faustregeln festgelegt werden. Beispielsweise beträgt die Kanallänge LI der Teilkanäle 310 maximal 50% der Teilkanallänge LA der Teilkanäle 931 des Strö mungsgleichrichters 930 für eine Strömungsmessung nach dem Prinzip der FIG. 1.

Beispielsweise beträgt für einen Strömungsteiler für Luft das Verhältnis der Innenfläche eines Teilkanals 310 zu dessen Querschnitts fläche maximal 6. Nach einem anderen Beispiel be trägt für einen Teilkanaldurchmesser Dl runder Teilkanäle 310 mit Dl < 0,2*D0 die Kanallänge LI höchstens 15*D1.

Das Strömungsprofil 309 in einer Querschnittsebene Al unmit telbar am stromabwärtigen Ende des Strömungsteilers 310 kann sich aus einer Anzahl von laminaren Teilströmungsprofilen 318 mit der Querschnittsfläche der Teilkanäle 310 zusammensetzen, wobei die Anzahl laminarer Teilströmungsprofilen 318 der An zahl der Teilkanäle 310 entspricht und die Maximalgeschwindig keiten der Teilströmungsprofile 318 deutlich voneinander ab weichen können. Die durch die Rohrkrümmung 400 bewirkte Strö mungsgeschwindigkeitsasymmetrie bleibt im Wesentlichen erhal ten .

Ein Abstand L2 zwischen dem Strömungsgleichrichter 930 und dem Anemometrie-Gittersensor 500 kann so bemessen sein, dass sich über die Querschnittfläche des Messkanals 100 gerade ein ge glättetes Strömungsprofil 409 einstellt, in dem eine Rasterung durch die Teilkanäle 310 nicht mehr erkennbar ist.

Der Abstand L2 ist deutlich kleiner, entspricht z.B. maximal 50% einer Strecke, nach der sich im Messkanal 100 ein voll entwickeltes, symmetrisches, z.B. parabolisches Strömungspro fil mit einem einzigen Geschwindigkeitsmaximum in der Mitte der Messkanalquerschnittsfläche einstellt, wie es für die Querschnitts fläche A2 in FIG. 1 dargestellt ist und wie es sich im Fall der FIG. 2 weiter stromabwärts einstellen kann.

Das Strömungsprofil 409 in der Querschnittsebene A2 ist typi scherweise kein voll entwickeltes Strömungsprofil, sondern kann ein asymmetrisches Strömungsprofil mit einer Maximalge schwindigkeit im Abstand zum Mittelpunkt der Querschnittsebene A2 sein. Der Anemometrie-Gittersensor 500 ist im Messkanal 100 angeord net und weist eine Vielzahl von lateral voneinander beabstan- deten Sensorelementen 510 mit temperaturabhängigem elektri schem Widerstand auf. Beispielsweise umfassen die Sensorele mente 510 PTC- oder NTC-Widerstände mit vergleichsweise star ker Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandswertes. Beispielsweise sind die Sensorelemente 510 PTC-Widerstände mit einem Temperaturkoeffizienten von mindestens 0,001/°K. Die PTC-Widerstände können Platin, Titan, Nickel, Wolfram oder ei ne Legierung enthalten, die mindestens eines der genannten Elemente enthält.

Jedes Sensorelement 510 ist mit mindestens zwei elektrischen Leitungen mit einer Messschaltung verbunden, wobei die Verbin dungsleitungen so geführt sein können, dass die Sensorelemente 510 jeweils getrennt und unabhängig voneinander ausgewertet werden können. Die Sensorelemente 510 messen die lokale Strö mungsgeschwindigkeit in unterschiedlichen Teilbereichen der Querschnitts fläche A2 des Messkanals 100.

Aus der Lage der Sensorelemente 510 in der Querschnittsfläche und den lokalen Strömungsgeschwindigkeiten lässt sich das ge samte Strömungsprofil für die Querschnitts fläche A2 mit aus reichender Genauigkeit schätzen und darauf aufbauend der aktu elle Durchfluss bestimmen.

Dabei reicht der Durchfluss-Messanordnung mit Strömungsteiler 300 und Anemometrie-Gittersensor 400 ein vergleichsweise kur zer, gerader Messkanalabschnitt aus. Strömungsteiler 300 und Anemometrie-Gittersensor 400 können daher auch in Abschnitten einer strömungstechnischen Anordnung vorgesehen werden, die für eine Messung mit Strömungsgleichrichtern und herkömmlichen Strömungsmesseinrichtungen mit einem einzigen Sensorelement nicht ohne weiteres in Frage kommen. Zudem bewirkt der Strö mungsteiler 300 wegen der kürzeren Teilkanäle 310 einen gerin geren Druckabfall als der Strömungsgleichrichter 930 der FIG . 1.

Der Anemometrie-Gittersensor 500 kann auch in einer Quer- schnittsebene A2 angeordnet sein, in der die Rasterung des Strömungsprofils durch den Strömungsteiler 300 noch erkennbar ist. Beispielsweise ist ein Abstand L2 zwischen dem stromab- wärtigen Ende des Strömungsteilers 300 und den Sensorelementen 510 kleiner als der Messkanaldurchmesser DO oder kleiner als der Teilkanaldurchmesser Dl.

Das Strömungsprofil 409 in der Querschnittsebene A2 kann dann noch weitgehend dem Strömungsprofil 309 in der Querschnitts ebene Al entsprechen. Es hat sich gezeigt, dass sich auch für diesen Fall aus den Messergebnissen der Sensorelemente 510 das Gesamtströmungsprofil noch soweit annähern lässt, dass der Ge samtdurchfluss durch den Messkanal 100 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.

Gemäß FIG. 3 ist der Anemometrie-Gittersensor 500 unmittelbar stromabwärts von dem Strömungsteiler 300 angeordnet, so dass die Querschnittsebene A2, in der die Sensorelemente 310 ange ordnet sind, unmittelbar an das stromabwärtige Ende der Teil kanäle 310 anschließt. Jedes Sensorelement 510 kann jeweils in der direkten Verlängerung eines der Teilkanäle 310 und zentriert zu dessen Längsachse angeordnet sein. Eine Quer schnittsfläche der Teilkanäle 310 kann größer sein als eine Querschnitts fläche der Sensorelemente 510 quer zur Hauptfluss richtung, bzw. quer zur Messkanallängsachse.

In FIG. 4 ist der Anemometrie-Gittersensor 500 so positio niert, dass die Querschnittsebene A2, in der die Sensoreiemen- te 310 angeordnet sind, im Strömungsteiler 300 liegt. Jedes Sensorelement 510 kann jeweils teilweise, bspw. zu mindestens 50% oder vollständig innerhalb eines der Teilkanäle 310 ange ordnet sein.

Mit den Durchflussmessanordnungen der FIG. 3 und FIG. 4 lässt sich jeweils aus der Lage der Sensorelemente 510 in der Quer schnittsfläche und den lokalen Strömungsgeschwindigkeiten an den Sensorelementen 510 das gesamte Strömungsprofil für die Querschnitts fläche A2 mit großer Genauigkeit schätzen und da rauf aufbauend der aktuelle Durchfluss bestimmen.

Gemäß einer weiteren Aus führungs form können die Sensorelemente 510 zwischen zwei Strömungsteilern 300 oder in der auf die Längsausdehnung der Teilkanäle 310 längs der Hauptflussrich- tung bezogenen Mitte eines Strömungsteilers 300 angeordnet sein und so eine bidirektionale Durchflussmessung ermöglichen.

FIG. 5A und FIG. 5B zeigen Beispiele für die Anordnung der Sensorelemente 510 in der Messkanalquerschnittsfläche.

In FIG. 5A sind 16 Sensorelemente 510 an Knotenpunkten eines Gitters mit quadratischen Maschen angeordnet.

FIG. 5B zeigt eine Anordnung von 16 Sensorelementen 510 auf zwei konzentrischen Kreisen mit dem gemeinsamen Mittelpunkt auf der Mittelachse des Messkanals 100. Die Sensorelemente 510 können auf den konzentrischen Kreisen jeweils im gleichen Win kelabstand zueinander angeordnet sein. Die Sensorelemente 510 auf beiden konzentrischen Kreisen können jeweils auf gleichen Radien liegen oder auf gegeneinander versetzten Radien.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Durchflussmessanordnung (400) aufweisend:

einen Messkanal (100) mit einem Messkanaldurchmesser (DO); einen in dem Messkanal (100) angeordneten Anemometrie- Gittersensor (500), wobei der Anemometrie-Gittersensor

(500) eine Vielzahl von Sensorelementen (510) mit temperaturabhängigem elektrischen Widerstand aufweist, die lateral voneinander beabstandet angeordnet sind; und

einen in dem Messkanal (100) angeordneten Strömungsteiler (300), der eine Vielzahl von Teilkanälen (310) mit einer Kanallänge (LI) aufweist.

2. Durchflussmessanordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kanallänge (LI) kleiner oder gleich dem

Messkanaldurchmesser (DO) ist.

3. Durchflussmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden

Ansprüche, wobei

ein Teilkanaldurchmesser (Dl) der Teilkanäle (310) maximal das 0,2fache des Messkanaldurchmessers (DO) und die Kanallänge (LI) maximal das 15fache des

Teilkanaldurchmessers (Dl) beträgt.

4. Durchflussmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden

Ansprüche, wobei

ein Abstand (L2) zwischen den Sensorelementen (510) und dem Strömungsteiler (300) kleiner ist als der Messkanaldurchmesser (DO) und die Sensorelemente (510) in der Verlängerung von ausgewählten Teilkanälen (310) angeordnet sind.

5. Durchflussmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden

Ansprüche, wobei

die Sensorelemente (510) direkt angrenzend an den

Strömungsteiler (300) angeordnet sind.

6. Durchflussmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden

Ansprüche, wobei

die Sensorelemente (510) in Teilkanälen (310) des

Strömungsteilers (300) angeordnet sind.

7. Durchflussmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden

Ansprüche, wobei

die Sensorelemente (510) in einer zum Messkanal (100) orthogonalen Querschnitts fläche (A2) des Messkanals (100) angeordnet sind.

8. Durchflussmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden

Ansprüche, wobei

die Sensorelemente (510) auf mindestens zwei konzentrischen Ringen um einen Mittelpunkt (101) der

Querschnitts fläche (A2) des Messkanals (100) angeordnet sind .

9. Durchflussmessanordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei

die Sensorelemente (510) auf jedem der konzentrischen Ringe jeweils einen gleichen Winkelabstand zueinander aufweisen .

10. Durchflussmessanordnung (400) aufweisend:

einen Messkanal (100) mit einem Messkanaldurchmesser (DO); einen in dem Messkanal (100) angeordneten Anemometrie- Gittersensor (500), wobei der Anemometrie-Gittersensor (500) eine Vielzahl von Sensorelementen (510) mit temperaturabhängigem elektrischen Widerstand aufweist, die lateral voneinander beabstandet angeordnet sind; und

einen in dem Messkanal (100) angeordneten Strömungsteiler (300), der eine Vielzahl von Teilkanälen (310) mit einer Kanallänge (LI) aufweist, wobei ein Abstand (L2) zwischen dem Anemometrie-Gittersensor (500) und dem Strömungsteiler (300) kleiner oder gleich dem Messkanaldurchmesser (DO) ist.

11. Strömungstechni sehe Anordnung, aufweisend:

einen Messkanal (100), der eine Durchflussmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist; und eine Pumpenvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Fluid mit einem Volumendurchsatz in einem vorgegebenen

Volumendurchsatzbereich durch den Messkanal (100) zu treiben .