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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.
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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 in einem Rohr aus der Messung 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.
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Da
in der Öl-
und Wasserhydraulik Betriebsdrücke
bis zu 400 bar und mehr technisch beherrscht werden müssen, die
meistens 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. Folgender
nächststehender
Stand der Technik ist bekannt:
Aus
DE 10 2004 020 284 A1 ist
ein Volumenstromsensor nach dem Staudruckprinzip bekannt, der insbesondere
eine Schlitzöffnung
4 zur
Druckerfassung aufweist. Die Druckschriften DD 74114 und
GB 1 325 764 beschreiben
jeweils einen Geschwindigkeits- bzw. Volumenstromsensor, insbesondere
auch zur Messung der Pulsation, wobei die Kanäle der Drucköffnungen über einen
beweglichen und kraftschlüssig eingespannten
Körper
als Messwertgeber verbunden sind. Die Messvorrichtung nach der Druckschrift
WO 02/089920 A2 weist
insbesondere einen Sensorblock mit Adaptern zum (längsseitigen)
Einsetzten in eine Rohrleitung auf.
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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.
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Die
Erfindung lässt
sich wie folgt beschreiben:
Kernstück des Sensors für Druckflüssigkeiten
sind ein schmales Hohlröhrchen
mit axialer Schlitzöffnung und
radial mündenden
Randdrucköffnungen,
die beide über
Kanäle
mit einem gleitend beweglichen kraftschlüssig eingespannten Messkörper verbunden sind.
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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
ist längs
der gesamten radialen Achse mit einer Schlitzöffnung 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 statischen Druck herrschende Differenzdruck wird verursacht
durch eine in der Schlitzöffnung über das
gesamte Geschwindigkeitsprofil automatisch gemittelte Geschwindigkeit.
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Diese
Betrachtungsweise überwindet
herkömmliche
Fachvorstellungen von einem Staurohr, da bei diesem immer eine zentrierte
Messbohrung vorausgesetzt wird.
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Das
mit einer Schlitzöffnung
versehene Röhrchen
misst bereits automatisch entlang der Achse den der mittleren Geschwindigkeit
entsprechenden Gesamtdruck. Aus der Differenz zwischen Gesamtdruck
und statischem Druck lässt
sich nach der Bernoulligleichung aus dem quadratischen 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 die Profilabtastung 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.
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Die
Trennung beider Kanäle
durch eine bewegliche Doppelfläche
hat den Effekt, dass der von der Schlitzöffnung 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 gegenüberliegende
Fläche
des Messkörpers
ist über
den anderen Kanal mit der radial, also senkrecht zur Strömung gerichteter
Entnahmestelle des statischen Druckes verbunden.
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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 Schlitzöffnung 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 Messkörperweges
und damit auch die Messverstärkung
wachsen mit dem Verhältnis
von Schlitzquerschnitt des Messröhrchens
zum Messquerschnitt des Messkolbens und ebenso mit geringer werdender
Einspannkraft und ebenfalls mit geringerer Reibung des Messkörpers.
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Die
zeitliche Ableitung des Pulsationsweges kann als Pulsationsgeschwindigkeit
des z. B. als Permanentmagnet ausgeführten Messkörpers berührungslos über Induktionsspulen in messbare
Induktionsspannungen umgewandelt werden. Damit lässt sich die gesuchte Volumenstrompulsation
sehr einfach direkt messen.
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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 Messkörper
mit wachsendem Volumenstrom zunehmend gegen die einspannende Kraft
bewegt. Diese Bewegung ist ein Maß für den Volumenstrom und er kann
berührungslos
z. B. mit magnetoresistiven Wegaufnehmern gemessen werden. Die Messverstärkung ist
umso größer, je
größer die
Stirnflächen
und je kleiner die Einspannkraft des Messkörpers sind.
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Um
die Messverstärkung
sowohl für
die Messung der Volumenpulsation als auch für die Messung des Volumenstromes
groß zu
halten, sollten die Masse des Messkörpers sowie die Einspann- und
Reibkräfte
möglichst
klein gehalten werden. Bei Vorrang der Pulsationsmessung sind auch
die Flächen
des Messkörpers
möglichst
klein zu halten. Sollte im selben Sensor zusätzlich eine Volumenstrommessung erforderlich
sein, kann ein zweiter Messkopf versetzt angeordnet werden mit einem
Messkörper
mit entsprechend größeren Stirnflächen.
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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.
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Folgende
Vorteile lassen sich durch die Erfindung realisieren:
Durch
die Verwendung eines hohlen Röhrchens,
das auf der Zuströmseite
mit einer Schlitzöffnung
versehen ist wird die Strömungsgeschwindigkeit
verblüffend
einfach automatisch über
den Querschnitt gemittelt. Durch die Verwendung eines Messeinsatzes mit
einem beweglichen kraftschlüssig
eingespannten Messkörper
mit zwei konstruktiv vertretbar kleinen voneinander getrennten Stirnflächen kann
nach dem Kontinuitätsprinzip
die Volumenpulsation induktiv direkt in eine messbare Pulsation
des Messkörpers
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 Messkörper gegen die Einspannkraft
um ein Wegstück verschiebt.
Diese dynamische Wegänderung
ist ein Maß für den dynamischen
Volumenstrom.
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Die
Konstruktion erlaubt den Einbau des neuen Sensors problemlos und
drucksicher auch bei kleineren in der Öl- und Wasserhydraulik üblichen Rohrdurchmessern.
Durch die automatische Mittlung 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 Prandt'lschen
Staurohr wegen der zugehörigen
Profilabtastung praktisch nicht möglich ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung an Hand des in der 1 dargestellten
Ausführungsbeispieles
eines Volumenstromsensors für
Druckflüssigkeiten
näher erläutert.
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1 zeigt
als Ausführungsbeispiel
eine Rohrbohrung 20 in einen 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 Schlitzöffnung 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 magnetischer Messkörper 14 befindet.
Die beiden Federn 11 stützen
sich gegen zwei an der Spule 8 befestigte Scheiben 12 ab.
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Über die
beiden Adapter 1 wird der Sensorblock 2 in eine
Rohrleitung eingebaut, in der eine Druckflüssigkeit hier beispielhaft
von links nach rechts axial in Pfeilrichtung fließt. Es sollen
der dynamische 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 Schlitzöffnung 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 Kanal 6 verbunden.
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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
magnetischen Messkörper 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,
in der der automatisch gemittelte Gesamtdruck herrscht. Die rechte
Stirnfläche 18 des Messkörpers 14 ist über die
Kanäle 13 und 6 mit
der radialen Randdrucköffnung 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 Öffnung 19, so dass über die
Stirnflächen 17 und 18 des
Messkörpers 14 nach
dem Gesetz von Pascal auch die Differenzkraft größer wird, so dass sich der
Messkörper 14 nach rechts
gegen die Kraft der Federn 11 bewegt. Der zurückgelegte
dynamische Weg ist ein Maß für den dynamischen
Volumenstrom, der durch Spannungsänderung am magnetoresistiven
Wegaufnehmer 16 berührungslos
bestimmt werden kann.
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Ist
der dynamische Volumenstrom von Pulsationen überlagert, dann bewirkt das
Kontinuitätsgesetzt
ein Pulsieren des zwischen der Schlitzöffnung 4 in den Kanälen 5 und 15 bis
zur Stirnfläche 17 eingeschlossenen
Volumens ein synchrones Mitpulsieren des Messkörpers 14. Dieser induziert
in den Induktionswindungen 9 proportional zu seiner Pulsationsgeschwindigkeit
eine Messspannung, die der zu messenden Volumenstrompulsation genau
proportional ist.
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Der
die Induktionswindungen 9, den magnetoresistiven Wegaufnehmer 16 und
den Messkörper 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.
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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.
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- 1
- Adapter
- 2
- Sensorblock
- 3
- Hohlröhrchen
- 4
- Schlitzöffnung
- 5
- Kanal
- 6
- Kanal
- 7
- Bohrung
- 8
- Spule
- 9
- Induktionswindungen
- 10
- Kanal
- 11
- Feder
- 12
- Scheibe
- 13
- Kanal
- 14
- Messkörper
- 15
- Kanal
- 16
- Wegaufnehmer
- 17
- Stirnfläche
- 18
- Stirnfläche
- 19
- Randdrucköffnung
- 20
- Rohrbohrung
- 21
- Verschluss
- 22
- Messsignalleitung
- 23
- Auswertungseinheit