DE10044659A1 - Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten - Google Patents
Volumenstromsensor für DruckflüssigkeitenInfo
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Abstract
Mit dem neuen Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten lassen sich ohne Auswertung eines Differenzdruckes der öl- und wasserhydraulische Volumenstrom und seine überlagerten Volumenpulsationen direkt in einer Rohrleitung messen. Der Volumenstromsensor besteht aus einem Sensorblock mit zwei Adaptern, an die die auszumessende Rohrleitung angepasst wird. Eine im Sensorblock befindliche Rohrbohrung ist mit mindestens einem in senkrechter Richtung zum Duchfluss befindlichen Hohlröhrchen mit Schlitzöffnung und mit mindestens einer radial mündenden Randdrucköffnung verbunden. Beide Öffnungen werden über Kanäle von beiden Seiten mit einem Messkörper verbunden, der sich in einer Spule gleitend bewegen kann und der kraftschlüssig eingespannt ist. Der Durchfluss erzeugt durch die Kraftwirkung der Druckdifferenz eine Auslenkung des Messkörpers, dessen Weg mit einem Wegsensor gemessen wird und ein Maß für den Volumenstrom darstellt. Der überlagerte axial pulsierende Volumenstrom bringt kontinuitätsbedingt den Messkörper deswegen unverfälscht synchron zum volumenproportionalen Pulsieren, weil die Fluidpulsation dem Durchfluss radial wieder zugemischt wird.
Description
Volumenstromsensoren für Druckflüssigkeiten werden in der Öl- und Wasserhydraulik zur
Messung des Volumenstromes und in seltenen Fällen auch zur Messung der ihm überlagerten
Volumenpulsationen eingesetzt.
Mit dem seit etwa einhundert Jahren bekannten Prandtl'schen Staurohr, beschrieben z. B. in der
Literatur von W. Bohl "Technische Strömungslehre", Vogelverlag 1991, ist die Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids z. B. in einem Rohr aus der Messungen des Staudruckes in
Axialrichtung und des statischen Druckes an der Rohrwand möglich. Die Differenz zwischen
Staudruck und statischem Druck ergibt bekanntlich nach Bernoulli den dynamischen Druck, der
identisch ist mit dem Quadrat der gesuchten Geschwindigkeit, geteilt durch den Faktor zwei und
durch die Fluiddichte. Der Volumenstrom und seine überlagerten Pulsationen müssen durch ein
schrittweises Abtasten mit dem Prandtl'schen Staurohr des im Rohrquerschnitt vorhandenen
Geschwindigkeitsprofils bestimmt werden. Wird diese beschriebene Messmethode in der Öl- und
Wasserhydraulik bei Druckflüssigkeiten angewendet, dann sind zur Bestimmung des
Volumenstromes ein im Rohr druckfest radial verstellbares Prandtl'sches Staurohr und ein
ebenfalls druckfestes Differenzdruckmanometer mit Magnetkolbenmesswerk zum direkten
Messen des dynamischen Druckes erforderlich.
Da in der Öl- und Wasserhydraulik Betriebsdrücke bis zu 400 bar und mehr technisch beherrscht
werden müssen, die meist verwendeten Rohrleitungsdurchmesser aber im Bereich zwischen nur
etwa 4 bis 50 mm liegen, bedeutet die mit dem Prandtl'schen Staurohr beschriebene prinzipiell
einfache Messmethode durch die geforderte radiale Abtastung und die technisch relativ
aufwendige Differenzdruckmessung einen sehr unpraktischen Eingriff in das Leitungssystem.
Zusätzlich müssen aus bei verschiedenen Entfernungen vom Rohrmittelpunkt gemessenen
Druckdifferenzen die zugehörigen Profilgeschwindigkeiten berechnet und durch Integration dieses
so bestimmten gemessenen Geschwindigkeitsprofils wiederum der Volumenstrom berechnet
werden. Außerdem macht die notwendige Zeit für die radiale Abtastung eine Momentanmessung
des Volumenstromes und damit auch die Messung des in der Regel kurzzeitig pulsierenden
Volumenstromes unmöglich. Wird auf das Abtasten verzichtet, kann nur an einer Stelle, in der
Regel in Achsmitte, der dynamische Druck gemessen werden. Seine überlagerte Pulsation läßt
sich mit den viel zu masseträgen Magnetkolbenmesswerken nicht erfassen. Druckfeste preiswerte
industrielle hochdynamische Druckdifferenzmesser sind nicht bekannt.
Aus den Mängeln ergeben sich folgende technische Aufgabenstellungen. Die relativ kleinen
Rohrleitungsdurchmesser zwischen 4 und 50 mm verlangen eine miniaturisierte Entnahme des
Gesamtdruckes innerhalb des Rohrquerschnittes, ohne diesen wesentlich zu verengen. Um die
aufwendigen Berechnungen des Volumenstromes aus den radial abgetasteten Differenzdrücken,
deren Umrechnung auf die radienabhängigen Einzelgeschwindigkeiten, deren Integration über
dem Querschnitt und schließlich daraus die Berechnung des Volumenstromes zu vermeiden, soll
der Volumenstrom möglichst direkt messbar werden. Nur wenn es gelingt, den Volumenstrom
direkt und momentan zu messen, wird prinzipiell auch eine direkte Messung der überlagerten
Volumenstrompulsation möglich. Die Konstruktion soll eine aufwendige Differenzdruckmessung
vermeiden und direkt ein Messsignal für den Volumenstrom und die überlagerten Pulsationen
liefern. Der Durchflusssensor soll druckfest sein und problemlos in Druckleitungen eingebaut
werden können.
Die Erfindung läßt sich wie folgt beschreiben:
Kernstück des Sensors für Druckflüssigkeiten sind ein schmales Hohlröhrchen mit axialer Schlitzfläche und radial mündende Randdrucköffnungen, die beide über Kanäle und einen gleitend beweglichen und kraftschlüssig eingespannten Körper verbunden sind.
Kernstück des Sensors für Druckflüssigkeiten sind ein schmales Hohlröhrchen mit axialer Schlitzfläche und radial mündende Randdrucköffnungen, die beide über Kanäle und einen gleitend beweglichen und kraftschlüssig eingespannten Körper verbunden sind.
In mindestens einer radialen Achse des Rohrleitungsquerschnittes wird ein möglichst schmales
hohles Röhrchen gesetzt. Der zu messende Volumenstrom trifft auf dieses und erzeugt entlang der
gesamten radialen Achse einen über diese gemittelten Gesamtdruck. Das Röhrchen wird längs
der gesamten radialen Achse mit einem Schlitzquerschnitt versehen, so dass der gemittelte
Gesamtdruck des Fluids auch im Inneren des Röhrchens wirkt und an mindestens einem seiner
Enden entnommen werden kann. Möglichst nahe an der Ebene des Röhrchens ist auch
mindestens eine Entnahmestelle am Rohrrand für den statischen Druck vorzusehen. Der zwischen
den beiden Entnahmestellen für den Gesamtdruck und für den statischem Druck herrschende
Differenzdruck wird verursacht durch eine im Schlitzquerschnitt über das gesamten
Geschwindigkeitsprofil automatisch gemittelte Geschwindigkeit.
Diese Betrachtungsweise überwindet herkömmliche Fachvorstellungen von einem Staurohr, da bei
diesem immer eine zentrierte Messbohrung vorausgesetzt wird.
Das mit einem Schlitzquerschnitt versehene Röhrchen misst bereits automatisch entlang der
Achse den der mittleren Geschwindigkeit entsprechenden Gesamtdruck. Aus der Differenz
zwischen Gesamtdruck und statischem Druck ließe sich nach der Bernoulligleichung aus dem
quadratischem Zusammenhang zur mittleren Geschwindigkeit direkt der Volumenstrom ohne
umständliche Profilabtastung berechnen. Die Entnahmestelle für den gemittelten Gesamtdruck
und die Entnahmestelle für den statischen Druck sind im Inneren des Sensors über Kanäle so
miteinander verbunden, dass auch dieser Umweg eingespart werden kann. Um einen
hydraulischen Kurzschluss zu vermeiden, wird ein Messkanal zwischengeschaltet, in dem sich ein
dicht abschließender aber trotzdem leicht verschiebbarer kleiner Messkörper mit kleinem
Querschnitt und sehr geringer Masse kraftschlüssig z. B. zwischen zwei Federn eingespannt
befindet, der die beiden Entnahmestellen voneinander fluidisch trennt.
Diese Trennung beider Kanäle durch eine bewegliche Doppelfläche hat den Effekt, dass der vom
Schlitzquerschnitt des Messröhrchens gestaute Volumenstromanteil über die mit der axial zur
Anströmrichtung gerichteten Entnahmestelle den Gesamtdruck über den Verbindungskanal auf
die diesem zugewandte Fläche des Messkörpers leitet. Die entgegengesetzte Fläche des
Messkörpers ist über den anderen Kanal mit der radial, also senkrecht zur Strömung gerichteter
Entnahmestelle des statischen Druckes verbunden.
Eine axiale Pulsation des Volumenstromes in der Rohrleitung bewirkt, dass das axial in die
Schlitzfläche des Röhrchens eintretende pulsierende Volumen auf die zugewandte kleine Fläche
des Messkolbens trifft und diesen überraschend plausibel nach der Kontinuitätsbeziehung in eine
genau proportional zur Volumenpulsation pulsierende Messbewegung versetzt. Die
gegenüberliegende ebenso kleine Fläche des pulsierenden Messkolbens verdrängt die Flüssigkeit
im radial auslaufenden Kanal synchron pulsierend. Da diese Pulsationen aber radial am Rohrand
und dadurch ausreichend entfernt von der aufnehmenden Schlitzfläche nur in die Randströmung
austreten, ist eine Rückkopplung auf die zu messende axiale Volumenpulsation nicht feststellbar.
Die Amplituden der Volumenpulsation und damit auch die des Messkolbenweges und damit auch
die Messverstärkung wachsen mit dem Verhältnis von Schlitzquerschnitt des Messröhrchen zum
Messquerschnitt des Messkolbens und ebenso mit geringer werdender Einspannkraft und
ebenfalls mit geringerer Reibung des Messkörpers.
Die zeitliche Ableitung des Pulsationsweges kann als Pulsationsgeschwindigkeit des z. B. als
Permanentmagnet ausgeführten Messkolbens berührungslos über Induktionsspulen in messbare
Induktionsspannungen umgewandelt werden. Damit läßt sich die gesuchte Volumenstrompulsation
sehr einfach direkt messen.
Der mittlere Volumenstrom, also nicht die überlagerte Pulsation, verursacht nach dem Gesetz
von Bernoulli den mittleren Differenzdruck zwischen der axialen und der radialen
Druckentnahme. Nach dem Pascalschen Gesetzt erzeugt der Gesamtdruck an der zugewandten
Fläche des Messkolbens die Gesamtdruckkraft und der statische Druck an der anderen Fläche des
Messkolbens die statische Druckkraft. Der Differenzdruck erzeugt also eine Kraftdifferenz, die
den Messkolben mit wachsendem Volumenstrom zunehmend gegen die einspannende Kraft
bewegt. Dieser Messkolbenweg ist ein Maß für den Volumenstrom und er kann berührungslos
z. B. mit magnetoresistiven Magneten gemessen werden. Die Messverstärkung ist umso größer, je
größer die Stirnflächen des Messkolbens und je kleiner die Einspannkraft des Kolbens ist.
Um die Messversärkung sowohl für die Messung der Volumenpulsation als auch für die
Messung des Volumenstromes selbst groß zu halten, sollten der Messkolben möglichst leicht und
die Einspann- und Reibkräfte möglichst klein gehalten werden. Bei Vorrang der
Pulsationsmessung sind auch die Flächen des Messkolbens möglichst klein zu halten. Sollte im
selben Sensor zusätzlich eine Volumenstrommessung erforderlich sein, kann ein zweiter
Messkörper radial versetzt in der selben Ebene angeordnet werden mit einem Messkolben mit
entsprechend größeren Stirnflächen.
Die verbindenden Kanäle zu den axialen und radialen Druckentnahmestellen erlauben im
Bedarfsfall das zusätzliche Anbringen von externen Sensoren zur Messung von Druck und
Temperatur z. B. zum Zwecke der Kalibrierung.
Folgende Vorteile lassen sich durch die Erfindung realisieren:
Durch die Verwendung eines hohlen Röhrchens, das auf der Zuströmseite mit einer Schlitzfläche versehen ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit verblüffend einfach automatisch über den Querschnitt gemittelt. Durch die Verwendung eines Messeinsatzes mit einem beweglichen kraftschlüssig eingespannten Messkolben mit zwei konstruktiv vertretbar kleinen voneinander getrennten Stirnflächen kann nach dem Kontinuitätsprinzip die Volumenpulsation direkt in eine messbare Pulsation des Kolbens gewandelt werden. Ein gleicher Messeinsatz mit zwei konstruktiv vertretbar größeren voneinander getrennten Stirnflächen nutzt die Wirkung des Pascalschen Gesetzes durch Wandlung der Druckdifferenz in eine Kraftdifferenz, die den Messkolben gegen die Einspannkraft um ein Wegstück verschiebt. Diese Wegänderung ist ein Maß für den Volumenstrom.
Durch die Verwendung eines hohlen Röhrchens, das auf der Zuströmseite mit einer Schlitzfläche versehen ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit verblüffend einfach automatisch über den Querschnitt gemittelt. Durch die Verwendung eines Messeinsatzes mit einem beweglichen kraftschlüssig eingespannten Messkolben mit zwei konstruktiv vertretbar kleinen voneinander getrennten Stirnflächen kann nach dem Kontinuitätsprinzip die Volumenpulsation direkt in eine messbare Pulsation des Kolbens gewandelt werden. Ein gleicher Messeinsatz mit zwei konstruktiv vertretbar größeren voneinander getrennten Stirnflächen nutzt die Wirkung des Pascalschen Gesetzes durch Wandlung der Druckdifferenz in eine Kraftdifferenz, die den Messkolben gegen die Einspannkraft um ein Wegstück verschiebt. Diese Wegänderung ist ein Maß für den Volumenstrom.
Die Konstruktion erlaubt den Einbau des neuen Sensors problemlos und drucksicher auch bei
kleineren in der Öl- und Wasserhydraulik üblichen Rohrdurchmessern. Durch die automatische
Mittelung des Strömungsprofils entfällt die Notwendigkeit der Abtastung des Strömungsprofiles.
Die Nutzung eines Messeinsatzes, bestehend aus einem kraftschlüssig eingespannten frei
beweglichen Messkörper, erübrigt die Verwendung eines Differenzdruckmessers. Da
Volumenpulsationen und der Volumenstrom mit dem Messeinsatz direkt gemessen werden
können, entfällt die aufwendige Umrechnung von Druck in Geschwindigkeit und weiter in den
Volumenstrom, ganz davon abgesehen, dass die Messung der Volumenpulsationen mit dem
Prandtl'schen Staurohr wegen der zugehörigen Profilabtastung praktisch nicht möglich ist.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand des in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles
eines Volumenstromsensors für Druckflüssigkeiten näher erläutert.
Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Rohrbohrung 20 in einem Sensorblock 2, der über zwei
Adapter 1 in eine Rohrleitung eingebaut werden kann. Als wesentliche Einbauteile im Sensorblock
2 sind ein Hohlröhrchen 3 mit axialer Schlitzfläche 4 und ein Messeinsatz zu erkennen. Der
Messeinsatz besteht aus der Spule 8, auf der sich außen Induktionswindungen 9 und
magnetoresistive Wegaufnehmer 16 befinden und die innen einen Kanal 10 enthält, in dem sich ein
zwischen zwei Federn 11 kraftschlüssig eingespannter formschlüssig axial bewegbarer
Permanentmagnet 14 befindet. Die beiden Federn 11 stützen sich gegen zwei an der Spule 8
befestigte Scheiben 12 ab.
Über die beiden Adapter 1 wird der Sensorblock 2 in eine Rohrleitung eingebaut, in der eine
Druckflüssigkeit von links nach rechts axial in Pfeilrichtung fließt. Es soll der Volumenstrom und
die diesem überlagerte Volumenstrompulsation gemessen werden. Ein in senkrechter Richtung
geschlitztes Hohlröhrchen 3 ist mit der Schlitzöffnung 4 auf die Strömung gerichtet, so dass die
auf die Schlitzfläche 4 wirkende automatisch gemittelte mittlere Geschwindigkeit im Röhrchen
einen mittleren Gesamtdruck erzeugt. Dieser wird in den Kanal 5 geleitet. In möglichst geringer
Entfernung vom Hohlröhrchen 3 ist am Rohrrand, wo die Strömungsgeschwindigkeit den Wert
Null annimmt, eine Randdrucköffnung 19 mit einem Kanal 6 verbunden.
Eine größere Bohrung 7 ermöglicht den Einschub der zum beschriebenen Messeinsatz gehörenden
Spule 8, auf der Induktionswindungen 9 aufgebracht sind. Außerdem befinden sich in der
Spulenmitte magnetoresistive Wegaufnehmer 16. Ein Kanal 10 im Innern der Spule nimmt
formschlüssig den Permanentmagneten 14 auf, der zwischen zwei Federn 11 kraftschlüssig
eingespannt ist und die beiden Stirnflächen 17 und 18 besitzt. Beide Federn werden von zwei
abnehmbaren Scheiben 12 mit je einem kurzen Kanal 13 zentriert. Die linke Stirnfläche 17 des
Permanentmagneten 14 ist über die Kanalstücke 15 und 5 mit der axial beaufschlagten
Schlitzöffnung 4 verbunden, die vom automatisch gemittelten Gesamtdruck beaufschlagt wird.
Die rechte Stirnfläche 18 des Permanentmagneten 14 ist über die Kanäle 13 und 6 mit der radialen
Randdrucköfihung 19 verbunden, an der der statische Druck anliegt. Mit wachsendem
Volumenstrom wächst die Differenz zwischen dem Gesamtdruck in der axialen Schlitzöffnung 4
und dem statischen Druck an der radialen Randdrucköfihung 19, so dass über die Stirnflächen 17
und 18 des Permanentmagnet 14 nach dem Gesetz von Pascal auch die Differenzkraft größer
wird, so daß sich der Permanentmagneten 14 nach rechts gegen die Kraft der Federn 11 bewegt.
Der zurückgelegte Weg ist ein Maß für den Volumenstrom, der durch Spannungsänderung am
magnetoresistiven Wegaufnehmer 16 berührungslos bestimmt werden kann.
Ist der Volumenstrom von Pulsationen überlagert, dann bewirkt das Kontinuitätsgesetz ein
Pulsieren des zwischen der Schlitzöffnung 4 in den Kanälen 5 und 1 5 bis zur Stirnfläche 17
eingeschlossenen Volumens ein synchrones Mitpulsieren des Permanentmagneten 14. Dieser
induziert berührungslos in den Induktionswindungen 9 proportional zu seiner Pulsations
geschwindigkeit eine Messspannung, die der zu messenden Volumenstrompulsation genau
proportional ist.
Der die Induktionswindungen 9, den magnetoresistiven Wegaufnehmer 16 und den
Permanentmagneten 14 enthaltende Messeinsatz ermöglicht es, sowohl den Volumenstrom als
auch eine überlagerte Volumenpulsation mit überraschend geringem Aufwand auf ungewohnte
Weise zu messen. Er ist leicht austauschbar und daher zur Anpassung an geänderte
Versuchsbedingungen gut geeignet. Die Kanäle 5 und 6 sind mit Verschlüssen 21 verschließbar,
die der Entlüftung dienen und die auch durch Druck oder Temperatursensoren ersetzt werden
können. Die Messsignalleitungen 22 lassen sich an eine Auswertungseinheit 23 wie z. B. einen PC
anschließen.
1
Adapter
2
Sensorblock
3
Hohlröhrchen
4
Schlitzfläche
5
Kanal
6
Kanal
7
Bohrung
8
Spule
9
Induktionswindungen
10
Kanal
11
Feder
12
Scheibe
13
Kanal
14
Permanentmagnet
15
Kanal
16
Magnetoresistiver Wegaufnehmer
17
Stirnfläche
18
Stirnfläche
19
Randdrucköffnung
20
Rohrbohrung
21
Verschluss
22
Messsignalleitung
23
Auswertungseinheit
Claims (4)
1. Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten insbesondere für die Öl- und Wasserhydraulik,
dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstromsensor aus einem über Adaptern (1) an die
auszumessende Rohrleitung anzupassenden Sensorblock (2) mit mindestens einem in
senkrechter Richtung zum Durchfluss befindlichen Hohlröhrchen (3) mit Schlitzöfihung (4)
und mindestens einer radial mündenden Randdrucköffnung (19), die über Kanäle (5), (13),
(15) und einen gleitend beweglichen und kraftschlüssig eingespannten Körper verbunden sind,
bestehen.
2. Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schlitzöfihung (4) das Hohlröhrchen (3) eine vom Rechteck abweichende Form hat.
3. Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Randdrucköffnungen (19) zum Hohlröhrchen (3) in geringster
Entfernung am Rohrrand angeordnet sind.
4. Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schlitzöffnung (4) des Hohlröhrchen (3) und die Randdrucköffnung (19) über den
beweglichen Körper mit einer Meßwerte aufnehmenden Auswertungseinheit (23) verbunden
sind.
Priority Applications (1)
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2000
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