DE102009057418A1

DE102009057418A1 - Anordnung zur hochdynamischen Volumenstrommessung unter Druck stehender fluider Medien

Info

Publication number: DE102009057418A1
Application number: DE102009057418A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Festa
Original assignee: K Dietzel Dipl Ing GmbH
Current assignee: K Dietzel Dipl Ing GmbH
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur hochdynamischen Volumenstrommessung unter Druck stehender fluider Medien, insbesondere hydraulische Flüssigkeiten, Öle oder dergleichen, mit einem Strömungshaupt- und einem Strömungsnebenkanal, wobei mindestens ein Sensorelement im Strömungsnebenkanal befindlich ist, der Strömungshauptkanal ein Vielfaches der Querschnittsfläche des Strömungsnebenkanals aufweist, zwischen Strömungshaupt- und Strömungsnebenkanal beabstandete Fluidverbindungen bestehen und das Sensorelement abmessungsbedingt eine viskositätsabhängige Drossel im Strömungskanal bildet. Erfindungsgemäß ist im Abstandsraum der Fluidverbindungen innerhalb des Strömungshauptkanals ein über dessen Gesamtquerschnitt reichender Einsatz vorgesehen, welcher eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel oder in Längsachsenrichtung konzentrisch oder spiralförmig verlaufende Einzelkanäle besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur hochdynamischen Volumenstrommessung unter Druck stehender fluider Medien, insbesondere hydraulische Flüssigkeiten, Öle oder dergleichen, mit einem Strömungshaupt- und einem Strömungsnebenkanal, wobei mindestens ein Sensorelement im Strömungsnebenkanal befindlich ist, der Strömungshauptkanal ein Vielfaches der Querschnittsfläche des Strömungsnebenkanals aufweist, zwischen Strömungshaupt- und Strömungsnebenkanal beabstandete Fluidverbindungen bestehen und das Sensorelement abmessungsbedingt eine viskositätsabhängige Drossel im Strömungsnebenkanal bildet, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 100 44 659 B4 ist ein Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten, insbesondere für die Öl- und Wasserhydraulik vorbekannt.
Der dort gezeigte Volumenstromsensor besteht aus einem über Adapter an die auszumessende Rohrleitung anzupassenden Sensorblock mit mindestens einem in senkrechter Richtung zum Durchfluss befindlichen Hohlröhrchen. Das mindestens eine Hohlröhrchen weist eine Schlitzöffnung und mindestens eine radial mündende Randdrucköffnung auf, die über Kanäle und einen gleitend beweglichen, kraftschlüssig eingespannten Messkörper verbunden sind.
In der Beschreibung der DE 100 44 659 B4 wird dargelegt, dass relativ kleine Rohrleitungsdurchmesser zwischen 4 mm und 50 mm eine miniaturisierte Entnahme des Gesamtdrucks innerhalb des Rohrquerschnitts verlangen, ohne den Rohrquerschnitt im Wesentlichen zu verengen. Um aufwendige Berechnungen des Volumenstroms aus radial abgetasteten Differenzdrücken, deren Umrechnung auf die radienabhängigen Einzelgeschwindigkeiten, deren Integration über den Querschnitt und schließlich daraus die Berechnung des Volumenstrom zu vermeiden, soll eine Möglichkeit zum direkten Messen des Volumenstroms geschaffen werden. Auch soll hierdurch eine Möglichkeit bestehen, eine direkte Messung der überlagerten Volumenstrompulsation vorzunehmen. Konkret wird zur Lösung dieser Aufgabenstellung in mindestens einer radialen Achse des Rohrleitungsquerschnitts für das fluide Medium ein möglichst schmales, hohles Röhrchen eingesetzt. Der zu messende Volumenstrom trifft auf dieses Röhrchen und erzeugt entlang der gesamten radialen Achse einen über diesen 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 Ende ansteht. Möglichst nahe an der Ebene des Röhrchens ist eine weitere Entnahmestelle am Rohrrand für die Ermittlung des statischen Drucks vorhanden.
Der eigentliche Messkörper ist in einem die Röhrchen verbindenden Kanal als gleitend beweglich, kraftschlüssig eingespanntes Element ausgeführt. Der Messkörper soll als Messkolben wirken und eine proportional zur Volumenpulsation entstehende Messbewegung aufweisen, die dann berührungslos über Induktionsspulen bestimmt wird.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Bewegung des Messkolbens einer nicht zu vermeidenden Trägheit unterliegt, was bei insbesondere hochdynamischen Messungen das Messergebnis verfälscht.
Aus R. Ahrens, M. Fests: Dynamical flow measurements in hydraulic systems using a polymer-based micro flow sensor; Proceedings of the Eurosensors XXIII conference, ist ein neuartiger Volumenstromsensor vorbekannt, welcher in der Lage ist, hochgenau und strömungsrichtungsselektiv Fluidströme zu bestimmen. Der Sensor selbst weist nur eine sehr geringe Baugröße und damit auch nur einen geringen Strömungswiderstand auf.
Aus der vorstehend genannten Publikation ist entnehmbar, dass der Volumenstromsensor im Hauptstrom angeordnet wird, wobei zur optimalen Anströmung vor dem Sensor ein Leitblech befindlich ist.
Bei dem vorbekannten Sensorelement sinkt die Temperatur am dort vorhandenen Widerstandsheizer, wenn aus dem Stillstand heraus der Fluidstrom zu fließen beginnt, um z. B. ca. 3° Am nachgelagerten weiteren Temperaturelement steigt die Temperatur um ca. 8°. Bedingt durch einen streng symmetrischen Aufbau werden die Unterschiede der Messwerte zwischen beiden Strömungsrichtungen klein gehalten.
Für die Messung des Volumenstroms mit dem miniaturisierten Sensorelement, durch welches nur wenige Milliliter Medium pro Minute fließen, ist es notwendig, einen entsprechend kleinen. Anteil des fluiden Mediums aus dem Hauptdruck abzuzweigen und in den Nebenkanal zum Sensor zu führen. Dies ist jedoch mit den bisher bekannten Lösungen nur unzureichend möglich, so dass sich eine unerwünschte Verschlechterung der Messgenauigkeit und eine ebenfalls unerwünschte Temperatur- bzw. Viskositätsabhängigkeit der Messungen ergibt.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zur hochdynamischen Volumenstrommessung unter Druck stehender fluider Medien, insbesondere hydraulische Flüssigkeiten, anzugeben, mit deren Hilfe temperatur- und viskositätsunabhängig eine sehr hochgenaue Volumenstromermittlung einschließlich Volumenpulsation möglich ist und wobei gleichzeitig der Strömungswiderstand im Strömungshauptkanal nur gering erhöht ist.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Anordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es wird demnach von einer Anordnung zur hochgenauen Volumenstrommessung unter Druck stehender fluider Medien, insbesondere hydraulische Flüssigkeiten, mit einem Strömungshaupt- und einem Strömungsnebenkanal. ausgegangen, wobei mindestens ein Sensorelement im Strömungsnebenkanal befindlich ist, der Strömungshauptkanal ein Vielfaches der Querschnittsfläche des Strömungsnebenkanals aufweist, zwischen Strömungshaupt- und Strömungsnebenkanal beabstandete Fluidverbindungen bestehen und das Sensorelement abmessungsbedingt eine viskositätsabhängige Drossel im Strömungskanal bildet.
Erfindungsgemäß ist im Abstandsraum der Fluidverbindungen innerhalb des Strömungshauptkanals ein über dessen Gesamtquerschnitt reichender Einsatz vorgesehen, welcher eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel oder in Längsachsenrichtung konzentrisch oder spiralförmig verlaufende Einzelkanäle besitzt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis von Länge und Querschnitt eines jeden der Einzelkanäle so eingestellt oder gewählt, dass sich bezogen auf das fluide Medium angenähert dieselben viskositätsabhängigen Eigenschaften wie durch das Sensorelement vorliegend bzw. die durch das Sensorelement gebildete Drossel ergebend.
Die Vielzahl der Einzelkanäle ist dabei so strukturiert, dass jeder Kanal frei von turbulenter Strömung ist, d. h. es liegen im jeweiligen Kanal laminare Strömungsverhältnisse vor.
Die Vielzahl der Einzelkanäle kann bei einer bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt als Wabenstruktur mit dünnwandigen Wabenzwischenräumen bzw. Wabenwänden ausgebildet sein.
Die vorerwähnten Fluidverbindungen verlaufen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung im Strömungshauptkanal, d. h. zur Längsachse des Hauptkanals radial, wobei die Strömung im Strömungsnebenkanal durch den Staudruck an dem wabenförmigen Einsatz im Strömungshauptkanal über die Fluidverbindungen angetrieben wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Strömungshauptkanal mit Fluidverbindungen und der Strömungsnebenkanal sowie ein Zugang für das Sensorelement als einstückige Baugruppe ausgebildet. Selbige ist dann in einen Grundkörper mit Durchgangsöffnung einbringbar, welcher wiederum im jeweiligen Hydraulikkreislauf oder Hydraulikpfad anordenbar ist.
Der Einsatz mit seinen Einzelkanälen ist in die einstückige Baugruppe unter Freilassen der Fluidverbindungen form-, stoff- und/oder kraftschlüssig fixierbar.
Weiterhin kann die Baugruppe einen Fluidauslass für den Anschluss eines Drucksensors aufweisen.
Das eigentliche Sensorelement besitzt einen miniaturisierten Kanal für das fluide Medium, wobei im Kanal ein elektrischer Widerstandsheizer kombiniert mit zwei, den Widerstandsheizer strömungsrichtungsseitig vor- und nachgeordneten Thermoelementen vorgesehen ist.
Der Einsatz mit den Einzelkanälen kann als metallisches Gebilde, als Kunststoff-Spritzteil oder als Teil aus Keramikmaterial realisiert werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden Hierbei zeigen:
1 eine Längsschnittdarstellung durch den Gesamtaufbau einer Volumenstrom- und -pulsationsmessvorrichtung;
2 eine perspektivische Teilschnittdarstellung des Einsatzes mit Kanälen in Wabenstruktur sowie Sensoreinsatz mit darin befindlichem Sensorelement, angekoppelt an die Baugruppe mit Strömungshaupt- und Strömungsnebenkanal sowie Fluidverbindungen;
3 einen Kurvenverlauf Flussanzeige über Fluss in Litern je Minute bei unterschiedlich temperierten fluiden Medien mit einer Sensoranordung nach dem Stand der Technik und
4 eine Darstellung ähnlich derjenigen gemäß 3, jedoch erhalten unter Nutzung der erfindungsgemäßen Anordnung zur hochdynamischen Volumenstrommessung.
Bei dem Volumenstrommesseinsatz nach 1 wird von einem zweiteiligen Gehäuse 1 ausgegangen, das eine Durchgangsöffnung aufweist.
In die Durchgangsöffnung sind zwei Rohrstücke 2 mit Verschraubungsmöglichkeiten 3 eingesetzt. Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein Grundkörper 4 befindlich, der der Aufnahme eines Drucksensors 5 dient, welcher wiederum mit einer Hohlschraube 6 fixierbar ist.
Längenausgleichsteile 7 ermöglichen eine Ankopplung der Rohrstücke 2 an eine Baugruppe 8, die beispielsweise als Hohlzylinder ausgeführt ist.
Einzelheiten zur Baugruppe 8 sind der 2 nebst zugehöriger Erläuterung entnehmbar.
Im Inneren der Baugruppe 8 befindet sich ein Einsatz mit einer Vielzahl von Einzelkanälen 9 in Wabenstruktur (siehe auch 2).
Ein weiterer Aufnahmeraum im Grundkörper 4 nimmt ein Sensorhalteteil 10 auf, das wiederum über eine Hohlschraube 11 gesichert ist.
Über Hochdruckdichtungen 12 wird ein Austritt des fluiden Mediums nach außen wirksam verhindert.
Gemäß 2 befindet sich im Sensorhalteteil 10 das eigentliche Sensorelement 14, welches in den Nebenkanal 15 eintaucht. Mit dem Bezugszeichen 16 sind Druckausgleichsbohrungen gekennzeichnet.
Die Baugruppe 8 nimmt den Wabenstruktureinsatz 17 auf, der sich im Abstandsraum zwischen zwei Fluidkanälen 18 befindet.
Die Fluidkanäle 18 stellen eine strömungsseitige Verbindung zwischen dem Hauptkanal 19 und dem im Querschnitt viel kleineren Nebenkanal 15 dar.
Im Bereich gegenüberliegend dem zustromseitigen Fluidkanal 18 ist noch ein Kanal 20 für den Drucksensor 5 vorhanden.
Elektrische Anschlüsse 21 dienen der Versorgung des Sensorelements sowie der Signalübertragung.
Mit der dargestellten Ausbildung von Hauptkanal 19, Nebenkanal 15 und Fluidkanälen 18 kann für die Messung des Volumenstroms mit kleinem Sensorelement ein entsprechender repräsentativer Anteil des Hauptstroms abgezweigt werden.
Wird anstelle des Wabenstruktureinsatzes 17 ein Staublech zur Anbindung des Sensorelements 14 an den Hauptkanal 19 vorgesehen, welches z. B. über den Querschnitt des Hauptkanals die Strömung abgreift und in einer Rinne zum Sensoreinsatz führt, zeigen sich erhebliche Mängel. So ergibt sich an der Übergangsstelle von laminarer zu turbulenter Strömung ein Kennlinienknick. Da der Übergang von laminarer in turbulente Strömung von vielen Faktoren abhängig ist, die an sich nicht vorherbestimmt werden können, kann eine rechnerische Korrektur nicht oder nur eingeschränkt erfolgen.
Das Verhältnis der Strömungen im Haupt- und Nebenkanal ist extrem viskositätsabhängig. Analysen haben ergeben, dass bei einer Erwärmung des fluiden Mediums von 20°C auf 100°C vom Messwert bei 100°C ca. 70% subtrahiert werden müssen, um eine Wertekorrektur vorzunehmen. Exakte Messungen können in dieser Weise nicht erfolgen. Darüber hinaus führt jeder Wechsel des fluiden Mediums zu einer unerwünschten Neukalibrierung.
Die vorerwähnte Viskositätsabhängigkeit ist in der Form des Kanals im Sensorelement bedingt. Beispielsweise ist der Kanal im Sensorelement ca. 1,9 mm lang und nur 0,57 mm × 0,4 mm breit. Es ist hierdurch eine Drossel gebildet, die viskositätsabhängig ist. Um dieses Verhalten zu kompensieren, muss erfindungsgemäß der Hauptkanal eine ebensolche Eigenschaft erhalten.
Es muss also im Hauptkanal ein Strömungswiderstand gebildet werden, dessen Eigenschaften denen im Nebenkanal entsprechen. Aus diesem Grund wird, wie in der 2 dargestellt, der Hauptkanal in viele, parallel geschaltete lange, dünne Kanäle als Wabenstruktur geteilt.
Ähnlichkeitsbetrachtungen unter Rückgriff auf die Kennlinie der Strömungslehre ergaben, dass bei einer Kanallänge von 15 mm im Hauptkanal Röhrchen von 1 mm Durchmesser zweckmäßig sind. Dabei gilt es aber auch, einen unerwünschten Druckabfall zu vermeiden.
Die Vorteile der gezeigten Wabenstruktur liegen in der nur geringen Querschnittsreduzierung durch die geringe Wabenwandstärke. Der Staudruck ist hier ebenso viskositätsabhängig wie derjenige im Sensorelement. Außerdem bildet sich in den Wabenkanälen keine turbulente Strömung, so dass die Sensorkennlinie stetig verläuft.
Darüber hinaus haben Messungen bestätigt, dass keine Kennlinienknicke mehr beim Übergang in den Bereich turbulenter Strömung im Hauptkanal entstehen. Die Viskositätsabhängigkeit ist erfindungsgemäß deutlich reduziert und konnte auf etwa 1/10 der ursprünglichen Werte gesenkt werden. Die verbleibende Viskositätsabhängigkeit kann leicht rechnerisch korrigiert werden.
Ausgestaltend besteht die Möglichkeit, in die Wabenstruktur eine Rinne einzubetten, die ähnlich einem Staublech den Volumenstrom über dem Querschnitt abgreift. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der Strom im Nebenkanal im Wesentlichen durch den Staudruck im Hauptkanal an den Waben angetrieben wird. Die Ausbildung einer zusätzlichen Rinne zu Stauzwecken ist daher nicht zwingend notwendig.
Die 3 zeigt Flussanzeigewerte über den Fluss in Liter/Minute. Messungen bei Q1 kalt erfolgten bei 30°C. Messungen bei Q1 warm wurden bei 50°C vorgenommen. Der Sensor wurde hier so kalibriert, als läge ein Messbereich von 100 l/min vor. Nur mit sehr großem Temperaturkorrekturfaktor können die Kurven bei 50 l/min in Übereinstimmung gebracht werden. Es ist hier ein deutlicher Knick in der Kennlinie erkennbar, der bei 30°C bei etwa 80 l/min, bei 50°C bei etwa 25 l/min liegt. Die durchgezogene gerade Linie stellt einen idealen Kurvenverlauf dar.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Nutzung des Wabenstruktureinsatzes ergibt sich ein Kennlinienverlauf, wie in der 4 gezeigt. Die Messungen erfolgten hier ebenfalls bei 30°C und 50°C. Die bei unterschiedlichen Temperaturen und damit unterschiedlichen Viskositäten erhaltenen Kurvenverläufe liegen quasi übereinander, was ein Beleg dafür ist, dass die ansonsten störende Viskositätsabhängigkeit vermieden wurde.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Rohrstück
3: Verschraubung
4: Grundkörper
5: Drucksensor
6; 11: Hohlschraube
7: Längenausgleichsteil
8: Baugruppe
9: Einzelkanal
10: Sensorhalteteil
12: Hochdruckdichtung
13: Gehäusedichtung
14: Sensorelement
15: Nebenkanal
16: Druckausgleichsbohrung
17: Wabenstruktureinsatz
18: Fluidkanal
19: Hauptkanal
20: Kanal
21: elektrischer Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10044659 B4 [0002, 0004]

Claims

Anordnung zur hochdynamischen Volumenstrommessung unter Druck stehender fluider Medien, insbesondere hydraulische Flüssigkeiten, Öle oder dergleichen, mit einem Strömungshaupt- und einem Strömungsnebenkanal, wobei mindestens ein Sensorelement im Strömungsnebenkanal befindlich ist, der Strömungshauptkanal ein Vielfaches der Querschnittsfläche des Strömungsnebenkanals aufweist, zwischen Strömungshaupt- und Strömungsnebenkanal beabstandete Fluidverbindungen bestehen und das Sensorelement abmessungsbedingt eine viskositätsabhängige Drossel im Strömungskanal bildet, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstandsraum der Fluidverbindungen innerhalb des Strömungshauptkanals ein über dessen Gesamtquerschnitt reichender Einsatz vorgesehen ist, welcher eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel oder in Längsachsenrichtung konzentrisch oder spiralförmig verlaufende Einzelkanäle besitzt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge und Querschnitt eines jeden der Einzelkanäle so eingestellt oder gewählt ist, dass sich bezogen auf das fluide Medium angenähert dieselben viskositätsabhängigen Eigenschaften wie die durch das Sensorelement geschaffene Drossel ergeben.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Einzelkanäle frei von turbulenter Strömung ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Einzelkanäle im Querschnitt als Wabenstruktur mit dünnwandigen Wabenwänden ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindungen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung im Strömungshauptkanal verlaufen, wobei die Strömung im Strömungsnebenkanal durch den Staudruck an dem wabenförmigen Einsatz im Strömungshauptkanal über die Fluidverbindungen angetrieben wird.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungshauptkanal mit Fluidverbindungen und Strömungsnebenkanal sowie einem Zugang für das Sensorelement als einstückige Baugruppe ausgebildet und selbige in einen Grundkörper mit Durchgangsöffnung einbringbar ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz mit seinen Einzelkanälen in die Baugrupe unter Freilassen der Fluidverbindungen form-, stoff- und/oder kraftschlüssig fixiert ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe einen Fluidanschluss für einen Drucksensor aufweist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement einen miniaturisierten Kanal für das fluide Medium besitzt, wobei im Kanal ein elektrischer Widerstandsheizer kombiniert mit zwei, dem Widerstandsheizer strömungsseitig vor- und nachgeordneten Thermoelementen vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz als metallisches Gebilde, als Kunststoff-Spritzteil oder als Gebilde aus Keramikmaterial realisiert ist.