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Die Erfindung betrifft einen Wirbelströmungsmesssensor und einen Wirbelströmungsmessaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids.
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Zur exakten Messung einer Strömungsgeschwindigkeit oder eines Volumendurchflusses eines in einer Strömungsrichtung fließenden Fluids werden Wirbelströmungsmessaufnehmer verwendet.
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Die
DE 10 2009 001 526 A1 beschreibt einen solchen Messaufnehmer mit einem Messrohr, wobei das Messrohr einen Staukörper aufweist, der einem Wirbelströmungsmesssensor oder auch kurz Wirbelsensor vorgeordnet ist. Der Staukörper dient der Erzeugung einer Kármán'schen Wirbelstraße im Fluid, deren Druckschwankungen von einem nachfolgend angeordneten Wirbelströmungsmesssensor in ein elektrisches Signal umgeformt werden, wobei die Frequenz der vermessenen Wirbel proportional zum Volumendurchfluss ist.
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Wirbelsensoren für solche Messaufnehmer sind aus dem Stand der Technik u. a. aus der
EP 0 841 545 B1 bekannt. Darin wird ein kapazitiver Wirbelsensor beschrieben, der in einem Messrohr eingesetzt und dort zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit oder auch des Volumendurchflusses verwendet wird. Im Wesentlichen weist der Wirbelsensor ein Gehäuse auf, innerhalb dessen eine Membran angeordnet ist, an deren Seite, die dem im Messrohr fließenden Fluid zugewandt ist, ein Sensorpaddel befestigt ist. Auf der fluidabgewandten Seite der Membran ist eine kapazitive Elektrodenanordnung angeordnet. Eine Elektrode ist dabei mit der Membran selbst verbunden. Das Sensorpaddel wird durch die Wirbel der Kármán'schen Wirbelstraße in Schwingung versetzt und ausgelenkt. Diese Auslenkung überträgt sich proportional auf die Elektrodenanordnung, wodurch eine Kapazitätsänderung auftritt, die abgegriffen werden kann.
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Aus der
EP 0 663 995 B1 ist ferner ein Wirbeldurchflussmesser zum Messen des Fluiddurchflusses bekannt, der einen Staukörper aufweist, der mittels einer Bohrung in dem Messrohr in demselben angeordnet werden kann. Der Staukörper reicht hierbei von der Bohrung zur gegenüberliegenden Wandseite des Messrohres. Ferner ist ein Torsionsstift vorgesehen, der innerhalb der Bohrung an einer Wandung desselben befestigt ist. An dem Torsionsstift ist ein Wirbelsensor befestigt, der in den Staukörper integriert ist. Er weist ein Aufwärtsstromelement, das sich quer zu Bohrung erstreckt, und ein Abwärtsstromelement auf. Das Abwärtsstromelement ist mit dem Torsionsstift verbunden und über ein flexibles Koppelelement mit dem Aufwärtsstromelement verbunden.
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Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist, dass der Wirbelsensor in dem Staukörper integriert ist. Eine druckinduzierte Bewegung an einen fluidmechanischen Wandlerteil kann dadurch nicht optimal auf den Wirbelsensor übertragen werden. Eine unerwünschte Einschränkung des Messbereichs ist die Folge. Zudem ist eine Reparatur der Messapparatur nur bei stillgelegtem Messrohr und Ausbau desselben möglich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelsensor bereitzustellen, der Druckschwankungen schnell und effektiv aufnimmt und für einen großen Messbereich eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wirbelströmungsmesssensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe, einen Wirbelströmungsmessaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids zu schaffen, der robust und zuverlässig Messungen des Durchflusses ermöglicht, wird durch den Wirbelströmungsmessaufnehmer mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 15 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Wirbelströmungsmesssensors und des Wirbelströmungsmessaufnehmers werden durch die Unteransprüche beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Wirbelströmungsmesssensors für einen Wirbelströmungsmessaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr fließenden Fluids ist zweiteilig oder mehrteilig ausgestaltet. Der Wirbelströmungsmesssensor ist dichtungsfrei in einem Messrohr anordenbar, und weist einen oder mehrere innere(n) Sensorabschnitt(e) und einen oder mehrere äußere(n) Sensorabschnitt(e) auf, wobei der innere Sensorabschnitt mit dem äußeren Sensorabschnitt lösbar verbunden ist.
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Der innere Sensorabschnitt ist als elektromechanischer Wandler ausgebildet und überträgt eine Bewegung bzw. Auslenkung des äußeren Sensorabschnitts auf eine Elektrodenanordnung, die mit dem inneren Sensorabschnitt verbunden ist oder von dem inneren Sensorabschnitt umfasst sein kann. Der äußere Sensorabschnitt als fluidmechanischer Wandler nimmt die Bewegungen, die durch einen dem Wirbelsensor in einem Messaufnehmer vorgeordneten Staukörper im Fluid induziert werden, als Auslenkungen auf und kann sie an den inneren Sensorabschnitt übertragen.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der innere Sensorabschnitt in den äußeren Sensorabschnitt eingesteckt werden kann. Zur guten Halterung kann eine leichte Presspassung zwischen innerem und äußerem Sensorabschnitt durch einen Konuskontakt vorgesehen sein. Um vorhandene Membranen an dem inneren Sensorabschnitt in geeigneter Weise vorzuspannen bzw. die Vorspannung ggf. auch anzupassen, kann der innere Sensorabschnitt randseitig an den äußeren Sensorabschnitt unter Zuhilfenahme von Schrauben angeschraubt werden. Alternativ kann der innere Sensorabschnitt auch in den äußeren Sensorabschnitt eingeschraubt oder eingeklemmt werden. Es kann ferner eine Schnellverbindung, wie eine Kulissenführung, ein Gewinde, Klammern oder weiteres an den Sensorabschnitten vorgesehen sein. Jede der vorgenannten Arten der Befestigung ermöglicht es, den inneren Sensorabschnitt schnell und unkompliziert auszutauschen. Damit kann auch eine schnelle Reparatur gerade der empfindlichen Teile des Wirbelsensors während des Betriebs der fluidführenden Anlage erfolgen. Ein Ausbau des gesamten Messrohres ist damit nicht mehr notwendig.
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Der äußere Sensorabschnitt kann einen Rand aufweisen, der mit einer Paddelmembran verbunden sein kann. An einer ersten Oberfläche der Paddelmembran kann ein biegesteifes Sensorpaddel angeordnet sein, das sich entlang einer Mittelachse des Wirbelströmungsmesssensors von der ersten Oberfläche der Paddelmembran weg erstreckt.
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Eine wandseitige Öffnung in dem Messrohr, in den der Sensor eingesetzt werden soll, sowie die Membran des äußeren Sensorabschnitts und deren Rand können in verschiedenen geometrischen Formen realisiert sein, wobei die Membran bevorzugt kreisförmig ist. Der Rand der Paddelmembran kann einen rechteckigen oder geometrisch anders ausgeformten Querschnitt aufweisen. Der äußere Sensorabschnitt kann an dem Rand vorteilhaft zur unlösbaren Befestigung mit dem Messrohr bzw. der wandseitigen Öffnung, bevorzugt durch eine Schweißnaht oder eine Lötverbindung, ausgebildet sein. Hierdurch kann eine dichtungsfreie Realisierung des Wirbelsensors, insbesondere des äußeren Sensorabschnitts sowie im Weiteren ein gasdichter Wirbelströmungsmessaufnehmer ermöglicht werden. Die Verbindung kann bevorzugt durch Schweißen erfolgen, da dies in einer hohen Gasdichtigkeit resultiert. Alternativ kann eine Verbindung durch Verlöten erfolgen, wobei auf eine gasdichte Naht zu achten ist. Der Rand des äußeren Sensorabschnitts kann bevorzugt verdickt ausgebildet sein, wobei sich ein verdickt ausgebildeter Rand vorteilhaft an die wandseitige Öffnung des Messrohres anschmiegen kann, in das der Wirbelsensor eingebaut werden soll. Das Verschweißen oder Verlöten des Randes mit dem Messrohr eines Wirbelströmungsmessaufnehmers kann dadurch besonders schnell und zuverlässig erfolgen. Hierdurch kann ohne Verwendung einer Dichtung der Wirbelsensor effektiv fluiddicht ausgebildet werden. Die Membran kann gleichmäßig schwingen und ist randseitig effektiv abgestützt. Zudem ist diese Bauform fertigungstechnisch einfach herzustellen, da keine Nut oder ähnliche Vorkehrungen für eine Dichtung notwendig ist/sind.
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Um Druckschwankungen im Fluid gut aufzunehmen, kann das Sensorpaddel zwei ebene Hauptflächen aufweisen. Auf das Sensorpaddel wirken, während es in ein strömendes Fluid getaucht ist, verschiedene Drücke, einerseits ein statischer Prozessdruck sowie Druck durch eine seitlich einwirkende Druckkomponente. Damit das Paddel nicht zu großer Spannung ausgesetzt werden muss, können die Hauptflächen je nach Anforderung mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen oder Paddelformen ausgebildet sein. Dadurch ist der Wirbelströmungsmesssensor für unterschiedlichste Messsituationen, insbesondere Hochdruckanwendungen oder heiße Fluide, besonders geeignet. Die Hauptflächen bilden einen dünnen Keil gerichtet in Strömungsrichtung, so dass das Paddel die Fluidströmung nicht stört, sondern nur durch die Wirbelstraße in Schwingung versetzt wird. „Dünn” meint hier, dass das Sensorpaddel so bemessen ist, dass die durch die Wirbel der Kármán'schen Wirbelstraße hervorgerufenen Druckschwankungen einfach auf das Paddel zu übertragen sind und es zu schwingen beginnt. Dabei können auch die Abmessungen entsprechend angepasst werden, so dass sie einem entsprechend zu messenden Druckbereich genügen. Die Biegesteifigkeit ergibt sich aus der Materialwahl des Sensorpaddels, für das bevorzugt Stahl verwendet werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform kann vorsehen, dass eine Sackbohrung zur Aufnahme eines stiftförmigen Abschnitts des inneren Sensorabschnitts sich durch die Paddelmembran hindurch und in das Sensorpaddel entlang der Mittelachse des Wirbelströmungsmesssensors erstrecken kann und damit als Verbindungseinrichtung dienen. Dabei kann die Sackbohrung zylindrische oder konische Form aufweisen. Ferner kann die Sackbohrung länglich abgeflacht ausgebildet sein, um die Bewegung des Sensorpaddels einfacher aufzunehmen und an eine Elektrodenanordnung zu übertragen. Auch können Befestigungsstrukturen in der Sackbohrung vorgesehen sein, bspw. ein Gewinde oder Nuten bzw. eine Kulissenführung für einen an dem stiftförmigen Abschnitt angebrachten Kulissenstein.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass der innere Sensorabschnitt eine Elektrodenmembran mit einem Rand aufweist. Der Rand kann ringförmig und verdickt ausgebildet sein. Weitere Randformen, wie eine rechteckige oder quadratische Umrandung, auch bezogen auf den Querschnitt, sind ebenfalls möglich. Bevorzugt kann an einer geeigneten Stelle des Randes des äußeren Sensorabschnitts eine Stufe vorgesehen sein, in die der Rand des inneren Sensorabschnitts eingepasst werden kann. Hier können zusätzlich Befestigungsvorrichtungen, wie Klammern oder ein Gewinde zur Befestigung des inneren Sensorabschnitts im äußeren Sensorabschnitt vorgesehen sein. Bevorzugt kann auch eine Presspassung vorgesehen sein.
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Die Elektrodenmembran im Zusatz zu der Paddelmembran erreicht, dass die Elektrodenanordnungen an Elektrodenmembran bzw. einem umgebenden Gehäuse mit einer oder mehrerer Gegenelektroden, die mit den erstgenannten Elektrodenanordnungen einen Kondensator bilden, gasdicht zusammengebaut werden können. Durch die spezielle Geometrie der Membranen kann der Hebeleffekt effektiv genutzt werden, um die Bewegungen des Paddels besser an die Elektrodenanordnung an dem inneren Sensorabschnitt zu übertragen. Dies kann ferner durch den Rand des äußeren Sensorabschnitts, an dem der innere Sensorabschnitt verankert werden kann, noch zusätzlich verstärkt werden.
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Für eine gute Bewegungsübertragung und Auslenkung können die Membranen eine Dicke in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm aufweisen. Die Paddelmembran kann bevorzugt eine Dicke von 1 mm aufweisen, um eine gleichmäßige Auslenkung bei gleichbleibender Membranspannung zu erhalten. Die Elektrodenmembran sollte so dünn wie möglich gefertigt werden, wobei 0,5 mm hinreichend robust sind. Der Durchmesser der Membranen kann in einem Bereich von 10 mm bis 25 mm liegen, wobei ein Durchmesser von 20 mm im Stand der Technik üblich ist und für die hier beschriebenen Ausführungsformen optimal ist. Alternativ kann, um eine kompaktere Form mit höherer Robustheit zu erreichen, die Membranen auch mit einem Durchmesser von 15 mm realisiert werden.
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An einer ersten Oberfläche der Elektrodenmembran kann der stiftförmige Abschnitt angeordnet sein, der sich entlang der Mittelachse des Wirbelströmungsmesssensors von der ersten Oberfläche der Elektrodenmembran weg erstreckt. Dabei können die Abmessungen des stiftförmigen Abschnitts den Abmessungen der Sackbohrung des äußeren Sensorabschnitts entsprechen. Der stiftförmige Abschnitt kann in der gleichen Weise wie das Sensorpaddel biegesteif sein, um die Bewegungen des Paddels ohne Verluste aufnehmen zu können.
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In einer alternativen Ausführungsform kann auch eine gegenteilig ausgebildete Verbindungseinrichtung vorgesehen sein, wobei innerhalb des inneren Sensorabschnitts eine Sackbohrung zur Aufnahme eines konusförmigen Abschnitts des äußeren Sensorabschnitts sich innerhalb des inneren Sensorabschnitts durch eine Elektrodenmembran hindurch und in ein Übergangsstück entlang der Mittelachse des Wirbelströmungsmesssensors erstrecken kann. Das Übergangsstück kann bevorzugt einen als Übergangsabschnitt zwischen der Elektrodenmembran und einer hülsenförmigen Elektrodenanordnung bilden und diese Komponenten miteinander einstückig verbinden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann an einer ersten Oberfläche der Paddelmembran der konusförmige Abschnitt angeordnet sein, der sich entlang der Mittelachse des Wirbelströmungsmesssensors von der ersten Oberfläche der Paddelmembran weg erstreckt. Dabei können die Abmessungen des konusförmigen Abschnitts den Abmessungen der Sackbohrung des Übergangsstücks entsprechen. Der Konuskontakt kann so hergestellt werden, dass beim Montieren in etwa 50 μm Vorspannung auf die Elektrodenmembran aufgebracht werden kann, wobei vorteilhaft der Kontakt zwischen den Sensorabschnitten in einem oberen Bereich sein kann und damit besser bearbeitet oder angepasst werden kann.
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Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass der stiftförmige Abschnitt der Elektrodenmembran oder der konusförmige Abschnitt der Paddelmembran zu einer Normalen zur Mittelachse einen mittleren Konuswinkel aufweisen kann. Dabei kann der Konuswinkel in einem Bereich zwischen 90° und 125°, bevorzugt bei 95° liegen. Der Konuswinkel definiert sich dabei als Winkel zwischen einer Normalen zur Mittelachse und einer Oberfläche jeweils des stiftförmigen Abschnitts oder des konusförmigen Abschnitts. Hiermit können der innere und äußere Sensorabschnitt über einen Konuskontakt zusammen gebracht und sicher gehalten werden. Dieser Kontakt sorgt für eine gute Übertragung der Auslenkung Paddels und eine Zentrierung des der hülsenförmigen Elektrodenanordnung.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Paddelmembran umfänglich mit dem Rand des äußeren Sensorabschnitts verbunden ist. Eine geometrische Grundform der Paddelmembran kann im Wesentlichen kreisförmig sein, wodurch Spannungen sich gleichmäßig verteilen können. Es sind alternativ auch andere geometrische Formen, wie Recht- oder Vielecke möglich. Je größer die Winkel der Ecken sind, desto gleichmäßiger können sich die Spannungen in der Membran verteilen und bilden keine Spannungspunkte, die zu Schwachstellen in der Membran werden können – Rissbildung oder ungleichmäßige Auslenkung könnte die Folge sein. Ferner kann die Paddelmembran in einem Schnitt entlang der Mittelachse des Wirbelströmungsmesssensors gewellt oder stufenförmig sein. Eine alternative Ausführungsform kann eine zur Mittelachse hin teilparabelförmige oder konische Membran aufweisen. Dabei kann ein Öffnungswinkel eines Konus einer konischen Paddelmembran in einem Bereich zwischen in einem Bereich zwischen 90° und 125°, bevorzugt bei 115° liegen. Der Öffnungswinkel kann dabei als mittlerer Öffnungswinkel einer geometrischen Kegel- bzw. Konusform definiert werden, deren Oberfläche durch die Membranform selbst gegeben sein kann.
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Verschiedene Membranformen ermöglichen eine unterschiedliche Ausgestaltung des Wirbelsensors selbst. Der Wirbelsensor kann dadurch besonders klein und kompakt gestaltet werden, wodurch der Wirbelsensor im Vergleich zu den größeren Ausführungsformen robuster ist. Bevorzugt kann ein solcher Wirbelsensor einen Membrandurchmesser von in etwa 15 mm aufweisen. Es sind jedoch auch kleinere oder geringfügig größere Durchmesser möglich.
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Auch kann in einer weiteren Ausführungsform die Paddelmembran so ausgebildet sein, dass sie von der Mittelachse des Wirbelsensors radial abgewinkelt abfällt, aufsteigt oder konisch ausgebildet sein kann, wobei der Öffnungswinkel der Membran zur Mittelachse zu einem Winkel eines Paddelrandes zur Mittelachse entsprechen kann. Eine zugehörige Elektrodenmembran kann dabei der abgewinkelten Form der Paddelmembran folgen oder auch planar sein. Hierbei können die Membranen jeweils einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 14 mm und 18 mm aufweisen, wobei bevorzugt 15 mm vorgesehen sein können. Dieses Membrandesign erlaubt ein Versteifen die Membran vorteilhaft in eine axiale Richtung, wodurch der Wirbelsensor robuster wird. Der Membran kann hiermit aber noch ausreichend Biegeweichheit gelassen werden, um ein genaues Messsignal aufzunehmen und zu liefern.
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Die Elektrodenmembran kann ferner eine zur Paddelmembran geometrisch angepasste Form aufweisen, wobei eine geometrische Grundform der Elektrodenmembran im Wesentlichen kreisförmig sein kann. In einem Schnitt entlang der Mittelachse des Wirbelströmungsmesssensors kann die Elektrodenmembran ebenfalls gewellt oder stufenförmig sein. Alternativ kann die Elektrodenmembran zur Mittelachse hin teilparabelförmig oder konisch sein, wobei die Elektrodenmembran den Öffnungswinkel mit gleichem oder einen unterschiedlichen Wert sein. Dabei kann die Elektrodenmembran einen oder mehrere Abschnitt(e) aufweisen, der/die zur Paddelmembran beabstandet sein kann/können. Die Druckfläche der beiden Membranen kann dabei besonders klein gehalten werden, wobei die Elektrodenmembran auf den Hebelpunkt der Paddelmembran bzw. des äußeren Sensorabschnitts aufliegen kann. Vorteilhaft können die Auslenkungen des Paddels schneller und direkter übertragen werden.
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Erfindungsgemäß kann im Bereich der Membrane der innere Sensorabschnitt zu dem äußeren Sensorabschnitt vollflächig beabstandet sein, so dass die Elektrodenmembran zur Paddelmembran in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sein können, wobei ein bevorzugter Abstand in einem Bereich von 30 μm bis 100 μm, vorzugsweise bei 50 μm liegen kann. Bevorzugt liegen die Membranränder beider Membranen nach der Montage aufeinander auf; hierdurch und mittels einer geeigneten Befestigung des Randes der Elektrodenmembran am Rand der Paddelmembran kann eine geeignete Vorspannung auf die Elektrodenmembran gebracht werden. Dies kann eine feste Verbindung zwischen den beiden Sensorabschnitten erzeugen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung kann die Erfindung vorsehen, dass die Elektrodenmembran einen Vertikalabschnitt aufweisen kann, der parallel zu einem Übergangsstück angeordnet sein kann. Dadurch kann das System in sich weicher gestaltet werden, mit der Folge, dass durch den Hebeleffekt über die Paddelmembran die Elektrodenmembran die Bewegungen des Paddels effektiver an die Elektrodenanordnung des inneren Sensorabschnitts übertragen kann und axiale Auslenkungen zu vergrößern. Der Messbereich kann hierdurch erweitert werden, ohne die Druckfläche zu vergrößern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Wirbelströmungsmesssensor ein kapazitiver Wirbelströmungsmesssensor ist. Das Messprinzip ist auch als DSC-Sensor (Digital-Switched-Capacitor) bekannt. Diese Art der Wirbelsensoren ist für das Prinzip des elektromechanischen Wandlers, wie er hier vorliegt, besonders geeignet.
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In einer Ausführungsform des Wirbelströmungsmesssensors kann der innere Sensorabschnitt eine hülsenförmige Elektrodenanordnung aufweisen, wobei die hülsenförmige Elektrodenanordnung mit der zweiten Oberfläche der Elektrodenmembran verbunden sein kann. Bevorzugt kann die Elektrodenmembran über das Übergangsstück mit der hülsenförmigen Elektrodenanordnung verbunden sein, wobei die hülsenförmige Elektrodenanordnung eine oder mehrere Gegenelektrode(n) aufweisen kann. Ferner kann die – von den Druckschwankungen entkoppelte – Gegenelektrode bspw. aus zwei Halbschalen gebildet werden, die in einem den Wirbelsensor umgebenden Gehäuse konzentrisch zu der hülsenförmigen ersten Elektrodenanordnung angeordnet sein können. Bei diesem Sensortyp werden Schwenkbewegungen des Paddels, d. h. des schwenkbaren Abschnitts mittels zweier elektrisch geschalteter Kapazitäten in differentielle elektrische Ladungsänderungen umgewandelt und durch eine geeignete Messelektronik ausgewertet. So können die Schwenkbewegungen des Paddels auf die hülsenartige Elektrodenanordnung als Mittelelektrode übertragen werden, die als direkte Verlängerung des Paddels ausgebildet sein kann.
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In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der innere Sensorabschnitt eine Elektrodenanordnung aufweist, die ringförmig sein kann Dabei kann der innere Sensorabschnitt ferner einen Isolator zur elektrischen Isolation umfassen, der dem äußeren Sensorabschnitt zugewandt ist. Der Isolator kann aus einem geeigneten Material bestehen, das Temperaturen von bis zu 400°C ohne Verformung übersteht. Glas ist ein solches Material, das sich als Isolation eignet. Dabei sollte das Glas in etwa 1 bis 3 mm dick sein, um eine gute Isolation des inneren Sensorabschnitts zu erreichen.
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Die Erfindung kann zu dieser Ausführungsform vorsehen, dass die Elektrodenanordnung einen Membranabschnitt und einen Randabschnitt aufweist, der den Membranabschnitt umfänglich umgeben kann. Hierbei kann der Randabschnitt mit seiner Unterseite auf dem Isolator aufliegen und der Membranabschnitt zu dem Isolator beabstandet sein. Der Randabschnitt kann verdickt, bevorzugt im Querschnitt rechteckig ausgebildet sein oder auch die gleiche Dicke wie der Membranabschnitt aufweisen. Der Membranabschnitt kann in einer Draufsicht dabei eine geometrische Grundform, wie mehreckig, insbesondere rechteckig oder bevorzugt ringförmig haben. Vorteilhaft entfällt in dieser Ausführungsform eine gesonderte Übertragung der Paddelbewegung an die Elektrodenanordnung, da die Bewegung des Paddels über den stiftförmigen Abschnitt direkt von der ringförmigen Elektrodenanordnung aufgenommen werden kann und nicht weiter nach oben übertragen werden muss. Der Sensor kann hierdurch klein und kompakt gestaltet werden.
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Die inneren und äußeren Sensorabschnitte können jeweils vorteilhaft einstückig ausgebildet sein, wobei das daraus gebildete einzelne Sensorbauteil aus Stahl bestehen kann. Dazu können die einzelnen Teile Membran, Paddel, Rand und Elektrodenanordnung einzeln hergestellt und anschließend miteinander verschweißt werden. Vorteilhaft können die Teile aus dem gleichen Stahl gefertigt werden, wodurch sie eine gleichförmige thermische Ausdehnung zeigen. Spannungen innerhalb des Bauteils können dadurch vermieden werden. Bevorzugt wird 1.4301 Stahl verwendet, der als austenitischer, rostfreier Stahl besonders korrosionsbeständig ist und Spannungen innerhalb des Materials gleichmäßig verteilt werden können. Zudem kann diese Art von Stahl auch bei höheren Betriebstemperaturen von bis zu 450°C problemlos eingesetzt werden. Es können jedoch auch andere Stähle oder Metalllegierungen zur Herstellung des Wirbelsensors verwendet werden. Hierzu kann das Material abhängig von dem zu erreichenden Druckbereich ausgewählt werden, wobei auf besonders hochfeste Stähle verzichtet werden kann.
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Ein erfindungsgemäßer Wirbelströmungsmessaufnehmer dient zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines in einem Messrohr fließenden Fluids. Hierbei weist der Wirbelströmungsmessaufnehmer einen mit dem Messrohr verbundenen Staukörper auf, der zur Erzeugung Kármán'scher Wirbel ausgebildet ist. Ferner hat er einen kapazitiven, auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden Wirbelströmungsmesssensor, der stromabwärts vom Staukörper in eine wandseitige Öffnung des Messrohrs eingebaut ist. Dazu wird ein erfindungsgemäßer Wirbelströmungsmesssensor verwendet.
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Im Wesentlichen kann der Wirbelsensor in eine wandseitige Öffnung oder Bohrung des Messrohres eingesetzt werden, wobei er durch randseitiges Verschweißen oder Verlöten fluid- und druckdicht abgedichtet werden kann. Damit kann eine exakte Messung der Strömungsgeschwindigkeit bei unterschiedlichsten Anforderungen erfolgen.
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Weitere Ausführungsformen, sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung deutlich und besser verständlich. Unterstützend hierbei ist auch der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wirbelströmungsmessaufnehmers;
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2 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Wirbelströmungsmessaufnehmers im Längsschnitt;
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3 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Wirbelströmungsmessaufnehmers im Querschnitt;
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4 bis 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelströmungsmesssensors in einem Längsschnitt entlang einer Mittelachse;
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7 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wirbelströmungsmesssensors;
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8 einen Längschnitt durch den Wirbelströmungsmesssensor der 7.
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9 eine weitere Ausführungsform eines Wirbelströmungsmesssensors in einer Explosionsansicht; und
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10 eine schematische Ansicht des Wirbelströmungssensors der 9 im Querschnitt.
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In den
1 bis
3 ist ein erfindungsgemäßer Wirbelströmungsmessaufnehmer
20 mit einem Messrohr
21 dargestellt, in dem ein Fluid strömt (nicht selbst gezeigt aber durch einen Pfeil
22 in Strömungsrichtung symbolisiert). Ferner ist ein Wirbelströmungsmesssensor
1, abgekürzt Wirbelsensor
1, in einer wandseitigen Öffnung
23 oder Bohrung eingebaut. Der Wirbelsensor
1 kann von einem Gehäuse umgeben sein (figurativ nicht dargestellt), das die weiteren – ebenfalls nicht figurativ dargestellten – Komponenten, bspw. elektronische Bauteile etc. aufnimmt, wie es auch im Stand der Technik u. a. in der
EP 0 841 545 B1 beschrieben ist.
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Der Wirbelsensor 1 ist zweiteilig aufgebaut, wobei ein innerer Sensorabschnitt 2 in einem äußeren Sensorabschnitt 3 eingesteckt gehalten ist.
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Der äußere Sensorabschnitt 3 weist einen ringförmigen, verdickten Rand 4 auf, der seitlich mit einem Rand der wandseitigen Öffnung 23 fluiddicht verschweißt ist. Der Rand 4 ist mit einer ebenfalls ringförmigen Paddelmembran 5 über eine kontinuierlich abfallende Stufe 4a verbunden, die zu beiden Oberflächenseiten der Membran 5 ausgebildet ist. Der Rand 4 ist dicker als die Membran 5 und im Querschnitt rechteckig. Damit kann der Rand 4 schnell und einfach in die Öffnung 23 eingeschweißt werden.
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Die Paddelmembran 5 ist planar ausgebildet, wobei sie sich radial von einer Mittelachse A des Wirbelsensors 1 erstreckt. Von einer ersten Oberfläche 5a der Paddelmembran 5 erstreckt sich entlang der Mittelachse A ein Sensorpaddel 6, das im Wesentlich in Fluidfließrichtung 22 dünn und senkrecht dazu flach ist und zwei Hauptflächen aufweist, die zu einer Spitze des Paddels 6 fluchten und somit einen schmalen Keil bilden. Innerhalb des Paddels 6 ist eine Sackbohrung 7 vorgesehen, die sich von einer zweiten Oberfläche 5b des äußeren Sensorabschnitts 3 durch die Paddelmembran 5 hindurch erstreckt. Die Sackbohrung 7 ist rotationssymmetrisch und verjüngt sich entlang der Mittelachse A konisch, ausgehend von der zweiten Oberfläche 5b zum Ende des Paddels 6 hin. Der äußere Sensorabschnitt 3 ist einstückig aus Stahl gefertigt.
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In den äußeren Sensorabschnitt 3 ist der innere Sensorabschnitt 2 eingesteckt, der ebenfalls einstückig aus Stahl gefertigt sein kann. Der innere Sensorabschnitt 2 ist rotationssymmetrisch und kann demgemäß auch durch Drehen gefertigt werden. Er weist eine ringförmige Elektrodenmembran 8 auf, die sich radial von der Mittelachse A erstreckt und die von einem Rand 9 ringförmig umschlossen ist. Der Rand 9 ist ebenfalls im Vergleich zur Dicke der Elektrodenmembran 8 verdickt ausgebildet. Der Rand 9 in 3 zeigt einen rechteckigen Querschnitt, wobei eine dem äußeren Sensorabschnitt 3 zugewandte Seite des Randes 9 in einer Winkelnut 4b anliegt. Die radialen Abmessungen des inneren Sensorabschnitts 2 sind dabei so bemessen, dass der Rand 9 in der Winkelnut 4b in einer leichten Presspassung gehalten ist. Zur weiteren Befestigung und Erzeugen einer Vorspannung ist der Rand 9 mit Schrauben 24 am Rand 4 zu befestigen, wie in 1 durch eine Schraube 24 beispielhaft dargestellt ist. Die Anzahl der zu verwendenden Schrauben bestimmt sich nach der zu erreichenden Vorspannung der Elektrodenmembran 8. Hierzu sind in den Rand 4 und den Rand 9 pro Schraube 24 eine Bohrung 25 eingelassen.
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Von einer ersten Oberfläche 8a der Elektrodenmembran 8 erstreckt sich ein stiftförmiger Abschnitt 10, der im eingesteckten Zustand des inneren Sensorabschnitts 2 in der 3 in der Sackbohrung 7 angeordnet ist. Die Abmessungen der Teile Sackbohrung 7 und stiftförmiger Abschnitt 10 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der stiftförmige Abschnitt 10 passgenau in der Sackbohrung 7 sitzt und einen Konuskontakt herstellt.
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Der stiftförmige Abschnitt 10 ist dabei mit einem Konuswinkel α in einem Bereich von 90° bis 115°, hier in etwa 95° gelegen und definiert sich zwischen der Normalen B (hier auf der ersten Oberfläche 8a der Elektrodenmembran 8 anliegend) und einer Oberfläche des stiftförmigen Abschnitts 10.
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Von der dem Sensorpaddel 6 abgewandten zweiten Oberfläche 8b der Elektrodenmembran 8 weg erstreckt sich ein Übergangsstück 13, das in eine hülsenförmige Elektrodenanordnung 11 übergeht, die eine Elektrode umfasst bzw. diese selbst bildet. Das Übergangstück 13 ist massiv ausgebildet und verbindet die hülsenförmige Elektrodenanordnung 11 mit der Elektrodenmembran 8. Um den inneren Sensorabschnitt 2 herum ist ferner in einem Gehäuse eine Anordnung mit einer Gegenelektrode vorgesehen, die in 3 bis 8 zwar figurativ nicht dargestellt sind, jedoch zusammen mit dem Gehäuse in 10 abgebildet sind.
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Im Bereich der Membrane 5, 8 weist der innere Sensorabschnitt 2 zum äußeren Sensorabschnitt 3 einen vorbestimmten Abstand auf, so dass die Elektrodenmembran 8 ist zur Paddelmembran 5 beabstandet ist, wobei der Abstand so klein wie möglich in einem Bereich um etwa 50 μm herum gewählt ist. Einerseits um die Elektrodenmembran 5 in Vorspannung zu bringen und andererseits um die Bewegungen des Paddels 6 effektiv an die Elektrodenanordnung 11 zu übertragen.
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Die 4 bis 6 zeigen alternative Ausführungsformen des Wirbelsensors 1, wobei die Membranflächen im Vergleich zu denen der in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen verkleinert sind. Der Durchmesser der in 1 bis 3 dargestellten Wirbelsensoren beträgt jeweils in etwa 20 mm, der Durchmesser der nachfolgend beschriebenen Wirbelsensoren beträgt in etwa 15 mm, was zu robusteren und langlebigeren Wirbelsensoren 1 führen kann. Die Sackbohrung 7 ist in den 4 bis 6 durchgehend zylindrisch, so dass der einzupassende stiftförmige Abschnitt 10 ebenfalls zylindrisch ist. Auch hier wird ein eingesteckt Gehaltenwerden des inneren Sensorabschnitts 2 im äußeren Sensorabschnitt 3 durch eine leichte Presspassung erreicht.
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In 4 sind die Membrane 5, 8 stufenförmig bzw. in Form einer Rechteckwelle geformt bzw. gestaucht. Die Elektrodenmembran 8 ist dabei zur Paddelmembran 5 um 90° gedreht angeordnet. Beide Membrane 5, 8 sind hierbei ebenfalls in ihren Membranbereichen um mindestens 50 μm voneinander beabstandet, damit beide frei auslenken können, wodurch eine optimale Bewegungsübertragung zu erreichen ist. Eine Auflagefläche ist nur entlang des Randes 9 vorgesehen und entspricht einer Oberfläche 4d des Rands 4. Dabei ist der Rand 9 der Elektrodenmembran 8 flach und liegt mit seiner dem Rand 4 zugewandten Seitenfläche vollflächig auf der Oberfläche 4d auf.
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Die 5 zeigt die Paddelmembran 5 in einer breiter gewählten Rechteckwelle. Die Elektrodenmembran 8 folgt dabei im Wesentlichen der Form der Paddelmembran 5. Der Rand 9 der Elektrodenmembran 8 ist flach und liegt vollflächig auf der Oberseite 4d des Randes 4 auf.
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In der 6 sind die Membrane 5, 8 von der Mittelachse A aus kurvenförmig abfallend geformt. Die Paddelmembran 5 ist dabei mit dem Rand 4 so verbunden, dass die erste Oberfläche 5a plan ist mit einer Unterseite 4a des Rands 4. Der Rand 9 der Elektrodenmembran 8 ist auch hier flach und liegt vollflächig auf der Oberseite 4d des Rands 4 auf.
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Der in 7 und 8 dargestellte Wirbelsensor 1 ist ebenfalls ein kapazitiver Wirbelsensor in einer weiteren alternativen Ausführungsform. Der innere Sensorabschnitt 2 weist eine ringförmige Elektrodenanordnung 12 auf, die mit dem äußeren Sensorabschnitt 3 eine Gegenelektrode findet. Die ringförmige Elektrodenanordnung 12 weist ferner einen Membranabschnitt 16 auf, der kreis- bzw. ringförmig ist. Randseitig ist zu dem äußeren Sensorabschnitt 3 ein Rand 17 vorgesehen, der auch zur Beabstandung des Membranabschnitts 16 von dem äußeren Sensorabschnitt 3 dient.
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Der äußere Sensorabschnitt 3 weist in der 8 eine Paddelmembran 5 auf, die hier ohne einen umlaufenden, separat verdickten Rand auskommt. Die Paddelmembran 5 ist dabei eine zylindrische Scheibe mit einer Bohrung, die zu der Sackbohrung 7 führt. Die Sackbohrung 7 ist in der 8 durchgehend zylindrisch, so dass der einzupassende stiftförmige Abschnitt 10 ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist.
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Zwischen innerem Sensorabschnitt 2 und äußerem Sensorabschnitt 3 ist flächig über die zweite Oberfläche 5b der Paddelmembran ein hülsenförmiger Isolator 15 aus Glas angeordnet, der die beiden Sensorabschnitte 2, 3 elektrisch voneinander vollständig isoliert. Der Isolator 15 weist eine zentrale Bohrung auf, die den stiftförmigen Abschnitt 10 umfasst. Der Isolator 15 liegt dabei ebenfalls innerhalb der Sackbohrung 7 vor, wobei der Isolator 15 mit einem Abstand zu dem stiftförmigen Abschnitt 10 von ca. 100 μm angeordnet ist, so dass der stiftförmige Abschnitt 10 hierbei als Gegenelektrode dient. Der äußere Sensorabschnitt 3, d. h. das Paddel 6 und die damit verbundene Membran 5 dient als Elektrodenanordnung 12 zum stiftförmigen Abschnitt 10.
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In 9 ferner ist der Wirbelsensor 1 wiederum aus dem inneren Sensorabschnitt 2 und dem äußeren Sensorabschnitt 3 gebildet. Der äußere Sensorabschnitt 3 weist hierbei eine Membran 5 auf, die nicht planar, sondern zur Mittelachse A konisch zulaufend geformt ist. Die Membran 5 weist dabei einen mittleren Öffnungswinkel β auf, ausgehend von der Mittelachse A. Der Öffnungswinkel β definiert sich dabei als mittlerer Öffnungswinkel einer geometrischen Kegel- bzw. Konusform, deren Oberfläche durch die Membranform selbst gegeben werden kann. Ein Öffnungswinkel β von in etwa 130° ist für eine gute Versteifung des Gesamtsystems günstig. In der Mitte der Membran 5 ragt aus einer Ebene des Randes 4 ein konusförmiger Abschnitt 19 heraus, der wie der stiftförmige Abschnitt 10 der 1 bis 8 nun umgekehrt von dem äußeren Sensorabschnitt 3 in den inneren Sensorabschnitt 2, anstatt wie bisher vom inneren Sensorabschnitt 2 in den äußeren Sensorabschnitt 3 hineinragt.
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Der Wirbelsensor nach 9 ist im Detail in 10 dargestellt, wobei der äußere Sensorabschnitt 3 den konusförmiger Abschnitt 19 aufweist. Im zusammengebauten Zustand der 10 ragt der konusförmiger Abschnitt 19 in eine der Form des konusförmiger Abschnitts 19 entsprechende geformte Sackbohrung 18 hinein. Die beiden Sensorabschnitte 2, 3 können dabei über den entstehenden Konuskontakt zusammengehalten werden. Dieser Kontakt sorgt für eine gute Übertragung der Auslenkung Paddels 6 und eine Zentrierung des der hülsenförmigen Elektrodenanordnung 11. Der konusförmige Abschnitt 19 ist dabei mit einem Konuswinkel α in einem Bereich von 90° bis 115°, hier in etwa 95° gelegen und definiert sich zwischen der Normalen B (hier die erste Oberfläche 8a der Elektrodenmembran 8) und einer Oberfläche des konusförmigen Abschnitts 19.
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Ferner ist die entlang der Mittelachse A zur Elektrodenmembran 8 hin konisch zulaufende Membran 5 im Querschnitt gezeigt, wobei ein Öffnungswinkel gewählt ist, der optimal bei in etwa 130° liegt. Der Öffnungswinkel β ist definiert durch den Grad der Öffnung eines Kegels, der sich bildet, wenn die Membran 5 bis zur Mittelachse A verlängert würde. Durch ihre konische Form wird die Membran 5 gegen statischen Druck versteift, wobei sie aber noch biegeweich genug ist, damit das Paddel 6 gut schwingen kann, um das Vortexmesssignal exakt aufzunehmen. Die Elektrodenmembran 8 ist im Vergleich zur Paddelmembran 5 planar, wodurch eine weitere Versteifung des Wirbelsensors erreicht wird.
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In 10 ist ferner der Wirbelsensor 1 mit einem Gehäuse 30 gezeigt, der einen Teil der Elektronik und den inneren Sensorabschnitt 2 und damit auch teilweise den äußeren Sensorabschnitt 3 aufnimmt bzw. aufnehmen kann. Zur Aufnahme im Wesentlichen des inneren Sensorabschnitts 2 ist eine Stufe 31 im Gehäuse 30 ausgebildet, so dass der innere Sensorabschnitt 2 über geeignete Befestigungsmittel, wie Schrauben oder eine Gewindelösung fest bzw. auch mit einer Dichtung versehen, in dem Gehäuse 30 gehalten ist (figurativ nicht dargestellt).
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Um die hülsenförmige Elektrodenanordnung
11 umfänglich beabstandet ist eine Gegenelektrodenanordnung
33 mit einer Gegenelektrode angeordnet und mittels eines Isolators
32 vom metallischen Gehäuse
30 isoliert. Die Gegenelektroden sind dabei als Halbschalen ausgebildet. Der Isolator
32 lagert die Gegenelektrodenanordnung
33 derart fest, so dass die hülsenförmigen Elektrodenanordnung
11 in einem gewissen Bereich den Bewegungen des Paddels
6 folgen kann und damit eine Veränderung einer messbaren Kapazität zwischen den beiden Elektrodenanordnungen hervorgerufen werden kann. Bezugszeichenliste
| 1 | Wirbelströmungsmesssensor |
| 2 | Innerer Sensorabschnitt |
| 3 | Äußerer Sensorabschnitt |
| 4 | Rand des äußeren Sensorabschnitts |
| 4a | Stufe |
| 4b | Winkelnut |
| 4c | Unterseite Rand |
| 4d | Oberseite Rand |
| 5 | Paddelmembran |
| 5a | Erste Oberfläche der Paddelmembran |
| 5b | Zweite Oberfläche der Paddelmembran |
| 6 | Sensorpaddel |
| 7 | Sackbohrung |
| 8 | Elektrodenmembran |
| 8a | Erste Oberfläche der Elektrodenmembran |
| 8b | Zweite Oberfläche der Elektrodenmembran |
| 8c | Vertikales Stück der Elektrodenmembran |
| 9 | Verdickter Rand |
| 10 | Stiftförmiger Abschnitt |
| 11 | Hülsenförmige Elektrodenanordnung |
| 12 | Ringförmige Elektrodenanordnung |
| 13 | Übergangsstück |
| 15 | Isolator |
| 16 | Ringförmiger Membranabschnitt |
| 17 | Verdickter Randabschnitt |
| 18 | Sackbohrung |
| 19 | Konusförmiger Abschnitt |
| 20 | Wirbelströmungsmessaufnehmer |
| 21 | Messrohr |
| 22 | Strömungsrichtung Fluid |
| 23 | Wandseitige Öffnung |
| 24 | Schraube |
| 25 | Bohrung |
| 30 | Gehäuse |
| 31 | Stufe |
| 32 | Isolator |
| 33 | Gegenelektrodenanordnung |
| A | Mittelachse Wirbelströmungsmesssensor |
| B | Normale |
| α | Konuswinkel |
| β | Öffnungswinkel |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009001526 A1 [0003]
- EP 0841545 B1 [0004, 0047]
- EP 0663995 B1 [0005]
