DE102013201025B4 - Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids, umfassend – einen Kanal (14) mit einer Kanalwandung (16), – eine erste Druckentnahmestelle (28) mit einer oder mehreren ersten Druckentnahmeöffnungen (30), – eine zweite Druckentnahmestelle (32) mit einer oder mehreren zweiten Druckentnahmeöffnungen (34), – eine innerhalb der Kanalwandung (16) angeordnete Drosselklappe (20) zum Verändern der vom Fluid durchströmbaren Querschnittsfläche des Kanals, wobei – die Drosselklappe (20) einen schwenkbar gelagerten ersten Abschnitt (22) und einen in Bezug auf die Kanalwandung (16) unbeweglich fixierbaren zweiten Abschnitt (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) auf einer Welle (26) um eine Drehachse (T) drehbar gelagert ist und die Welle (26) in einer Ebene (E) liegt, die im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (P) des Fluids verläuft, wobei der zweite Abschnitt (24) außerhalb der Ebene (E) liegt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids, umfassend einen Kanal mit einer Kanalwandung, eine erste Druckentnahmestelle mit einer oder mehreren ersten Druckentnahmeöffnungen, eine zweite Druckentnahmestelle mit einer oder mehreren zweiten Druckentnahmeöffnungen, und eine innerhalb der Kanalwandung angeordnete Drosselklappe zum Verändern der vom Fluid durchströmbaren Querschnittsfläche des Kanals. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Volumenstromregler mit einer entsprechenden Vorrichtung.
• Derartige Vorrichtungen zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids und entsprechende Volumenstromregler werden insbesondere in Abzügen von chemischen Labors eingesetzt, allerdings ist es auch möglich, diese Vorrichtungen in Bürogebäuden oder auch in Niedrigenergiehäusern zur Zwangsbelüftung einzusetzen. Eine Vielzahl von bekannten derartigen Vorrichtung arbeiten nach dem Wirkdruckverfahren bzw. Differenzdruckverfahren, bei dem der Volumenstrom eines durch einen Kanal oder eine Rohrleitung strömenden Fluids mittels einer im Kanal angeordneten Drosseleinrichtung, die eine Druckdifferenz entsprechend dem Verhältnis des Innendurchmessers des Kanals vor der Drosseleinrichtung und dem kleinsten Strömungsquerschnitt bzw. der engsten durchströmbaren Querschnittsfläche an dem Ort der Drosseleinrichtung verursacht, bestimmt wird. Aus der Druckdifferenz und weiteren messtechnisch relevanten Faktoren, wie dem Geschwindigkeitsprofil des im Kanal strömenden Fluids, kann der im Kanal herrschende Volumenstrom errechnet werden. Solche Drosseleinrichtungen können eine verstellbare Drosselklappe aufweisen. Die Druckentnahme im Kanal erfolgt mittels mindestens einer Druckentnahmeöffnung an der Stelle des Kanals, an welcher der Druck erfasst werden soll. In der Praxis sind üblicherweise zwei Druckentnahmestellen vorhanden, von denen die erste Druckentnahmestelle, die stromaufwärts des Staukörpers angeordnet ist, als Plus-Druckentnahmestelle und die zweite Druckentnahmestelle, die stromabwärts der Drosselklappe oder an der kleinsten durchströmbaren Querschnittsfläche angeordnet ist, als Minus-Druckentnahmestelle bezeichnet wird, weil in der Letzteren ein geringerer Druck bzw. größerer Unterdruck auftritt.
• Die DE 44 24 652 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Regelung des Volumenstromes eines Mediums in einem Strömungsweg, insbesondere filr eine lufttechnische Anlage, mit einem Sensor zur Ermittlung der Stromungsgeschwindigkeit des Mediums, der an eine elektrische Regelschaltung angeschlossen ist, die eine Drosselklappe aufweist, die aber auch in der geschlossenen Stellung nicht an den Strömungswiderständen anliegt. Vielmehr weist die dort gezeigte Drosselklappe einen elliptischen Querschnitt auf, so dass sie in der Schließstellung nicht senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids steht, sondern einen bestimmten Winkel einnimmt.
• Die US 4 026 321 A zeigt ebenfalls eine Vorrichtung zur Regelung des Volumenstromes eines Mediums in einem Strömungsweg, wobei die Querschnittsänderung im Kanal durch eine Irisblende ausgeführt wird, so dass zwar ein schwenkbar gelagerter erster Abschnitt vorhanden ist, nicht aber ein in Bezug auf den Kanal unbeweglicher zweiter Abschnitt.
• In einer bekannten Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids, die in der DE 195 37 063 C2 beschrieben wird, ist eine äußere Ringkammer als Plus-Druckentnahme vor einem Einlaufteil einer Venturidüse an einem ringförmigen Abschnitt einer Muffe angeordnet. Die äußere Ringkammer schließt einen Teil der Muffe ein und steht in deren Bereich über Durchgangsbohrungen, die um den Umfang der äußeren Ringkammer gleichmäßig verteilt vorgesehen sind, mit dem Strömungsweg in Verbindung. Zur Minus-Druckentnahme sind ebenfalls mehrere Durchgangsbohrungen in einer senkrechten Querschnittsebene eines Halsteils der Venturidüse über dessen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Diese Einzelbohrungen verbinden unterschiedliche Strömungsstellen in dem Halsteil mit einer inneren Ringkammer, über die eine Minus-Druckentnahme erfolgt. Die Verwendung einer Venturidüse und ähnlich geformten Staukörpern hat allerdings den Nachteil, dass nur dann aussagekräftige Druckdifferenzen gemessen werden, wenn relativ lange Anströmstrecken stromaufwärts der Venturidüse vorhanden sind und die Venturidüse gleichmäßig angeströmt wird.
• Die DE 20 2008 013 879 U1 zeigt eine Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids, bei welcher ein stationärer Staukörper stromabwärts der Plus-Druckentnahmestelle und stromaufwärts einer Drosselklappe angeordnet ist. Diese Vorrichtung kann mit handelsblichen Ausgangskomponenten hergestellt werden und bietet gleichzeitig eine hohe Mess- und Regelgenauigkeit. Die Verwendung von stationären Staukörpern hat aber den Nachteil, dass sie der Strömung immer einen gewissen Widerstand entgegensetzen, so dass immer ein gewisser Druckverlust induziert wird, der mit steigendem Volumenstrom quadratisch steigt. Weiterhin verringern stationäre Staukörper den durchströmbaren Querschnitt des Kanals, so dass der in Bezug auf einen Kanal ohne stationären Staukörper und mit gleichem Kanaldurchmesser maximal mögliche Volumenstrom nicht eingestellt werden kann.
• Die DE 20 2010 009 740 U1 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids, bei dem auf der Drosselklappe ein Staukörper angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, selbst kleinste Volumenströme messen und einstellen zu können, wobei der Druckverlust und der Schallpegel minimiert werden.
• All die in diesen Schriften vorgestellten Vorrichtungen haben allerdings den Nachteil, dass sie relativ viel Bauraum und Energie im Betrieb benötigen und aufwendig zu fertigen sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen so weiterzuentwickeln, dass der von ihnen beanspruchte Bauraum verringert wird, sie aber gleichzeitig mit verringertem Energieverbrauch auch bei kleinen Volumenströmen betrieben und einfach gefertigt werden können.
• Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei welcher die Drosselklappe einen schwenkbar gelagerten ersten Abschnitt und einen in Bezug auf die Kanalwandung unbeweglich fixierbaren zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt auf einer Welle um eine Drehachse drehbar gelagert ist und die Welle in einer Ebene liegt, die im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids verläuft, wobei der zweite Abschnitt außerhalb der Ebene liegt. Wie eingangs erwähnt, wird beim Differenzdruckverfahren mittels einer Querschnittsverengung eine Druckdifferenz induziert, die zur Bestimmung des Volumenstroms genutzt wird. Dadurch, dass die Drosselklappe einen schwenkbaren ersten Abschnitt und einen in Bezug auf die Kanalwandung unbeweglich fixierbaren zweiten Abschnitt aufweist, müssen keine zusätzlichen Maßnahmen zur Schaffung einer Querschnittsverengung ergriffen werden. Der zweite Abschnitt bewirkt bereits eine ausreichende Querschnittsverengung und kann an der Kanalwand fixiert werden, so dass er im Betrieb der Vorrichtung nicht verschoben werden kann. Es kann aber vorteilhaft sein, eine Verstellmöglichkeit vorzusehen, so dass die Position des zweiten Abschnitts wahlweise geändert werden kann, wenn dies betriebsbedingt erforderlich sein sollte. So kann sie beispielsweise entlang der Strömungsrichtung verschoben werden. Es wird eine sehr kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht, die sich einfach fertigen lässt.
• Insbesondere in Industriegebäuden, wo Chemielabors untergebracht sind, aber auch in Bürogebäuden können die Raumhöhen aus Kostengründen nicht beliebig gewählt werden. Daher steht für die Abzüge, in welche die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebaut werden kann, nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung. Die kompakte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht es daher, die Raumhöhen niedriger auszulegen und die Baukosten des betreffenden Gebäudes gering zu halten. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in bestehende Räume eingebaut werden, die nur einen begrenzten Bauraum zur Verfügung stellen, der für aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen nicht ausreicht. Häufig werden in Industrie- oder Bürogebäuden die Infrastrukturleitungen wie Heizungs- und Wasserrohre oder elektrische Leitungen aller Art zwischen einer Zwischendecke und der eigentlichen Gebäudedecke angeordnet. In diesem Zwischenraum kann auch die erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet werden. Die kompakte Ausgestaltung ermöglicht es, den Abstand zwischen der Zwischendecke und der Gebäudedecke gering zu halten, um die frei verfügbare Raumhöhe nicht übermäßig reduzieren zu müssen. Ferner ist in vielen Fällen auch der nachträgliche Einbau in den Zwischenraum möglich, ohne die bestehende Zwischendecke versetzen zu müssen, was Installationskosten spart.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner mit einem geringeren Energieverbrauch betrieben werden, da der Druckverlust im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen reduziert werden kann, da keine stationären Staukörper vorhanden sind, deren Druckverlust überwunden werden muss, um einen gewünschten Volumenstrom einzustellen. Erfindungsgemäß wird mit der Stellung der Drosselklappe nicht nur der Druckverlust, sondern auch der Blendenfaktor verändert. Durch den variablen Blendenfaktor ergibt sich nur genau so viel Druckverlust wie nötig ist, um den gewünschten Volumenstrom einzustellen. Wie oben bereits erläutert, steigt der von stationären Staukörpern induzierte Druckverlust mit dem Quadrat des Volumenstroms. Folglich muss der Ventilator, der den Volumenstrom erzeugt, entsprechend größer dimensioniert werden, wenn hohe Volumenströme eingestellt werden sollen. Infolge des geringeren Druckverlustes gegenüber statischen Messsystemen wird bei der vorliegenden Erfindung in erheblichem Maße Energie eingespart. Folglich genügen kleinere Ventilatoren zum Erzeugen des Volumenstroms und kleinere Kanäle, so dass die Vorrichtung insgesamt auch kostengünstiger gefertigt werden kann und weniger Bauraum benötigt.
• Der benötigte Bauraum wird weiterhin dadurch reduziert, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen mit einer Venturidüse eine kurze Anströmstrecke benötigt und dennoch aussagekräftige Werte für den Volumenstrom liefert. Darüber hinaus ist eine gute Erfassung auch von geringen Volumenströmen möglich.
• Ferner lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch einfach an unterschiedliche Kanalgrößen und -querschnittsformen anpassen, beispielsweise dadurch, dass der erste Abschnitt immer gleich bleibt und nur der zweite Abschnitt an die jeweiligen Kanalquerschnittsform und deren Größe angepasst wird.
• Vorzugsweise liegt der erste Abschnitt in einer ersten Endstellung am zweiten Abschnitt an. Die erste Endstellung beschreibt in diesem Fall die Schließstellung, in der die Druckdifferenz maximal ist. Wenn der erste Abschnitt vollständig am zweiten Abschnitt anliegt, kann der Volumenstrom komplett unterbrochen werden. Der erste und der zweite Abschnitt können dabei komplementär zueinander ausgeführt sein und miteinander korrespondieren und beispielsweise je eine Gerade aufweisen, die in der Schließstellung aneinander anliegen. In einer zweiten Endstellung (Offenstellung) kann der erste Abschnitt wahlweise so geschwenkt werden, dass er dem Fluid einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzt, der aber dennoch ausreicht, um eine messbare Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Druckentnahmestelle zu induzieren und den Volumenstrom bestimmen zu können. In diesem Fall beschreibt die zweite Endstellung die Offenstellung.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Welle in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids verläuft, wobei der zweite Abschnitt außerhalb der Ebene liegt. Bei bekannten Vorrichtungen wird der Volumenstrom dann maximal gedrosselt oder unterbrochen, wenn die Drosselklappe in einer ersten Endstellung im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung steht. Im Gegensatz dazu wird der Volumenstrom am wenigsten gedrosselt, wenn die Drosselklappe in einer zweiten Endstellung im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung steht. Folglich liegen zwischen den Endstellungen üblicherweise 90°. In dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Endstellungen so auszugestalten, dass die Drosselklappe um weniger als 90° geschwenkt werden muss, um von der ersten in die zweite Endstellung zu gelangen, beispielsweise um 60°. Hierdurch muss die Drosselklappe weniger weit gedreht werden, um sie zwischen der ersten und der zweiten Endstellung zu verstellen.
• Eine günstige Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Abschnitt zwei oder mehrere in Bezug zueinander abgewinkelte Teilbereiche aufweist. Befindet sich die Drosselklappe in der zweiten Endstellung (Offenstellung), in welcher einer der Teilbereiche des ersten Abschnitts parallel zur Strömungsrichtung verläuft, stehen in dieser Ausführungsform der oder die übrigen Teilbereiche nicht parallel zur Strömungsrichtung, sondern schließen mit der Strömungsrichtung einen Winkel ein. Hierdurch bewirken diese Teilbereiche eine Erhöhung der Querschnittsverengung, wodurch auch in der zweiten Endstellung noch ein gewisser Druckverlust induziert wird und der Volumenstrom messbar bleibt. Auf stationäre Staukörper kann verzichtet werden, was zu Energieeinsparungen führt.
• In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der zweite Abschnitt radial außerhalb des ersten Abschnitts angeordnet und umschließt den ersten Abschnitt. In dieser Weiterbildung kann der zweite Abschnitt an der Kanalwandung angebracht oder integral mit der Kanalwandung gefertigt werden, was die Fertigung vereinfacht. Im Vergleich zu einer Vorrichtung, bei welcher ein stationärer Staukörper vorgesehen ist (vgl. DE 20 2008 013 879 U1 oder EP 2 154 439 A1 ) und der Volumenstrom mit einer herkömmlichen Drosselklappe geregelt wird, ergibt sich folgender Vorteil: wird die Drosselklappe beispielsweise von der ersten Endstellung (Schließstellung) um 5° gedreht, so wird bei der erfindungsgemäßen Drosselklappe zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt eine größere durchströmbare Fläche freigegeben als dies bei einer herkömmlichen Drosselklappe zwischen der Drosselklappe selbst und der Kanalwandung der Fall ist. Herkömmliche Drosselklappen entfalten erst dann eine nennenswerte Wirkung auf den Volumenstrom, wenn sie um mehr als 10° aus der Schließstellung gedreht werden. Somit entfaltet die erfindungsgemäße Drosselklappe bereits bei kleinen Änderungen aus der ersten Endstellung heraus eine erhöhte Wirkung auf den Volumenstrom, so dass im Vergleich zu bekannten Drosselklappen kleinere Volumenströme besser eingestellt werden können und die erfindungsgemäße Drosselklappe eine erhöhte Wirkung entfaltet.
• Vorteilhaft ist es, wenn der zweite Abschnitt radial innerhalb des ersten Abschnitts angeordnet ist und der erste Abschnitt den zweiten Abschnitt umschließt. In dieser Ausgestaltung werden zwei durchströmbare Flächen freigegeben, wenn die Drosselklappe aus der ersten Endstellung bewegt wird. Auch hierdurch wird erreicht, dass schon bei kleinen Drehungen der Drosselklappe ein nennenswerter Volumenstrom die Flächen durchströmen kann, so dass kleinere Volumenströme besser eingestellt werden können und die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Drosselklappe im Vergleich zu bekannten Drosselklappen bei kleinen Volumenströmen erhöht wird.
• Vorzugsweise ist auf dem ersten Abschnitt ein Staukörper angeordnet. Der Staukörper kann dabei als Rohr mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet und konzentrisch zur Welle angeordnet sein. Dies kann so realisiert sein, dass auf jeder der beiden Stirnseiten des ersten Abschnitts der Drosselklappe je ein Halbrohr so angeordnet ist, dass sich die beiden Halbrohre wenigstens annähernd zu einem Vollrohr ergänzen. Alternativ kann die Welle mit einem deutlich vergrößerten Durchmesser ausgestattet sein, der über den ersten Abschnitt hervorragt. Der Staukörper kann aber auch als Halbrohr ausgebildet sein, welches sich von einer der Stirnseiten des ersten Abschnitts vorwölbt und an seinen beiden Enden verschlossen ist. Ferner kann der Staukörper tropfen- oder kugelförmig oder als Ellipsoid ausgestaltet sein. Die Anordnung von Staukörpern auf dem ersten Abschnitt der Drosselklappe hat den Effekt, dass sie ihre querschnittsreduzierende Wirkung erst dann vollständig entfalten, wenn sich die Drosselklappe der zweiten Endstellung nähert, wo der maximale Volumenstrom anliegt. Der Staukörper wird so gestaltet, dass dann nur die mindestens notwendige Querschnittsverengung vorliegt, um den Druckverlust nicht höher als das zur Erfassung des Volumenstroms notwendige Maß werden zu lassen. Hierdurch wird Energie eingespart. Dieser Staukörper ist nicht als stationärer Staukörper aufzufassen, da seine Wirkung von der Stellung der Drosselklappe abhängt, was bei stationären Staukörpern nicht der Fall ist.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste und/oder zweite Druckentnahmestelle als ein Messrohr mit einer Messrohrwandung ausgestaltet, bei dem die Druckentnahmeöffnungen in der Messrohrwandung angeordnet sind. Ein Messrohr kann unabhängig von der Querschnittsform des Kanals gefertigt werden, so dass sich der Einsatz eines Messrohres insbesondere bei nicht rotationssymmetrischen Querschnitten anbietet, um die Fertigung zu vereinfachen. Dabei durchläuft das Messrohr den Kanal zumindest teilweise, wobei es von Vorteil ist, die Querschnittsflächen der Druckentnahmeöffnungen weitgehend parallel zur Strömungsrichtung des Fluids auszurichten. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Druckentnahmeöffnungen nicht mit Schmutzpartikeln zusetzen können. Eine Wartung der Vorrichtung ist dann nicht mehr erforderlich.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste und/oder zweite Druckentnahmestelle als eine Ringkammer ausgestaltet, die sich der Kanalwandung anschließt. Dabei kann die Ringkammer die Kanalwandung umschließen und die Druckentnahmeöffnungen die Kanalwandung durchlaufen oder die Ringkammer ist radial innen auf die Kanalwandung aufgebracht und weist selbst die Druckentnahmeöffnungen auf. In jedem Fall verlaufen die Querschnittsflächen der Druckentnahmelöcher parallel zur Strömungsrichtung, weshalb sie sich nicht mit Partikeln zusetzen können. Es wird ein sehr gleichmäßiger Druck gemessen, da die Druckentnahmeöffnungen über den Umfang der Kanalwandung verteilt sind. Ferner wird die Fluidströmung in nur geringem Umfang gestört, so dass der von der Druckentnahmestelle induzierte Druckverlust gering gehalten wird. Als Folge davon kann der zur Erzeugung des Volumenstroms benötigte Ventilator und die Kanäle kleiner und damit material- und kostensparender ausgeführt werden. Ferner wird mit sinkendem Druckverlust auch der von der Vorrichtung emittierte Schallpegel reduziert. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere für Kanäle mit kreisrundem Querschnitt an.
• In einer weiteren bevorzugten Ausbildung ist der erste Abschnitt über einen Schwenkbereich verschwenkbar und die erste Druckentnahmestelle in Bezug auf die Strömungsrichtung des Fluids vor dem Schwenkbereich und die zweite Druckentnahmestelle in Bezug auf die Strömungsrichtung des Fluids hinter dem Schwenkbereich angeordnet. Als Schwenkbereich ist der Bereich zu verstehen, der vom ersten Abschnitt durchlaufen werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass in dieser Konstellation die aussagekräftigsten Druckdifferenzen ermittelt werden können, ohne dass eine Korrektur der gemessenen Drücke vorgenommen werden muss.
• Eine alternative Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Abschnitt über einen Schwenkbereich verschwenkbar ist und die erste Druckentnahmestelle in einem von einer in Bezug auf die Strömungsrichtung des Fluids senkrecht auf die Kanalwandung gerichteten Projektion des Schwenkbereichs umschlossenen Volumen angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich die erste Druckentnahmestelle bei einer Seitenansicht bezogen auf die Strömungsrichtung nicht mehr vor dem Schwenkbereich, sondern im Schwenkbereich und somit je nach Stellung des ersten Abschnitts der Drosselklappe nicht mehr vor dem ersten Abschnitt. Die Druckentnahmestelle liegt somit sehr nahe an der Drosselklappe, wodurch die Vorrichtung noch kompakter ausgestaltet werden kann. Hierdurch wird jedoch der gemessene Druck beeinflusst, wodurch der ermittelte Volumenstrom verfälscht wird. Allerdings ist es möglich, die hierdurch hervorgerufenen Druckverfälschungen durch entsprechende Algorithmen nachträglich zu kompensieren, so dass ein mit der Realität weitgehend übereinstimmender Volumenstrom ermittelt werden kann.
• Vorzugsweise besteht die Vorrichtung aus einem spritzfähigen Kunststoff. Die gesamte Vorrichtung kann daher im Spritzgussverfahren hergestellt werden, was die Fertigung vereinfacht und eine hohe Stückzahl bei geringen Kosten ermöglicht. Vorzugsweise wird dabei ein chemisch resistenter und spritzfähiger Kunststoff verwendet, beispielsweise Polypropylen (PP) oder Polyvinylchlorid (PVC). Der Kanal und der zweite Abschnitt können als ein Bauteil gespritzt werden, so dass die Herstellungs- und Montagekosten reduziert werden können. Die Vorrichtung kann aber auch alternativ aus verzinktem Stahl oder Edelstahl oder rostfreiem Stahl gefertigt werden.
• Ferner betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung einen Volumenstromregler zum Regeln der Größe eines Volumenstroms eines Fluids mit einer Vorrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, umfassend eine Messeinheit zum Bestimmen der Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Druckentnahmestelle und zum Erzeugen von entsprechenden Signalen, die von einer Steuerungseinheit verarbeitet werden können, und eine Schwenkeinrichtung zum Schwenken des ersten Abschnitts der Drosselklappe in Abhängigkeit von Ansteuerungssignalen, die von der Steuerungseinheit erzeugt werden. Die technischen Effekte und Vorteile, die mit dem erfindungsgemäßen Volumenstromregler erzielt werden können, entsprechen denjenigen, die für die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind. Insbesondere kann eine kompakte Bauweise und eine einfache Fertigung und Montage erreicht werden. Ferner können auch sehr geringe Volumenströme zuverlässig ermittelt und eingestellt werden. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen
• 1a) eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Volumenstromreglers mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids,
• 1b) eine Vorderansicht der in 1a) gezeigten ersten Ausführungsform,
• 1c) eine Vorderansicht der in 1a) gezeigten ersten Ausführungsform, wobei die Drosselklappe einen Staukörper aufweist,
• 2a) eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids,
• 2b) eine Vorderansicht der zweiten Ausführungsform aus 2a),
• 3a) eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids,
• 3b) eine Vorderansicht der dritten Ausführungsform aus 3a),
• 4a) eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids,
• 4b) eine Vorderansicht der vierten Ausführungsform aus 4a),
• 5a) eine Seitenansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids,
• 5b) eine Vorderansicht der fünften Ausführungsform aus 5a),
• 6a) eine Seitenansicht einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids, und
• 6b) eine Vorderansicht der sechsten Ausführungsform aus 6a).
• In 1a) ist ein erfindungsgemäßer Volumenstromregler 10 ₁ mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 ₁ zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids anhand einer Seitenansicht gezeigt. Die Vorrichtung 12 ₁ umfasst einen Kanal 14 mit Längsachse L und einer Kanalwandung 16, die an ihren freien Enden je eine Muffe 18 aufweisen kann, um sie an weiterführende Kanäle oder Rohre anschließen zu können. Ebenso sind als Anschlussvarianten Flansch oder Rohrausführungen denkbar. Die Kanalwandung 16 ist geschlossen und leitet das Fluid. Im dargestellten Beispiel weist der Kanal 14 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Übliche Einbaumaße der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 ₁ gehen bis zu einem Durchmesser von 400 mm.
• Innerhalb der Kanalwandung 16 ist eine Drosselklappe 20 angeordnet, die einen ersten Abschnitt 22 und einen zweiten Abschnitt 24 umfasst. Der erste Abschnitt 22 ist innerhalb eines Schwenkbereichs S schwenkbar gelagert, wobei unter einem Schwenkbereich S der Bereich verstanden werden soll, der vom ersten Abschnitt 22 durchlaufen werden kann. Im dargestellten Beispiel ist der erste Abschnitt 22 auf einer Welle 26, die im Wesentlichen senkrecht zu einer mit dem Pfeil gekennzeichneten Strömungsrichtung P verläuft, drehbar gelagert, während der zweite Abschnitt 24 in Bezug auf die Kanalwandung 16 unbeweglich fixierbar ist. Im dargestellten Beispiel ist der zweite Abschnitt 24 radial außen vom ersten Abschnitt 22 angeordnet und an der Kanalwandung 16 befestigt, wobei der erste Abschnitt 22 durch Betätigen der Welle 26 um eine Drehachse T gedreht werden kann.
• Der zweite Abschnitt 24 und die Welle 26 liegen innerhalb einer gemeinsamen Ebene E, die im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung P des Fluids und durch die Drehachse T verläuft.
• Stromaufwärts der Drosselklappe 20 und insbesondere stromaufwärts des ersten Abschnitts ist eine erste Druckentnahmestelle 28 mit einer oder mehreren ersten Druckentnahmeöffnungen 30 angeordnet, die auch als Plus-Druckentnahmestelle bezeichnet wird. Stromabwärts der Drosselklappe 20 ist eine zweite Druckentnahmestelle 32 mit einer oder mehreren zweiten Druckentnahmeöffnungen 34 angeordnet, die auch als Minus-Druckentnahmestelle bezeichnet wird. Im ersten Ausführungsbeispiel sind die Druckentnahmestellen als Ringkammern 36 ausgeführt, die sich radial außen an die Kanalwandung 16 anschließt. Die Druckentnahmeöffnungen 30, 34 durchlaufen die Kanalwandung 16.
• Die Druckentnahmestellen 28, 32 wirken mit einer Messeinheit 38 zusammen, die über geeignete Mittel verfügt, mit denen der jeweilige Druck in den betreffenden Ringkammern 36 ermittelt werden kann. Die Messeinheit 38 misst die Druckdifferenz und wandelt sie in entsprechende Signale um, die von einer Steuerungseinheit 40 verarbeitet werden können. Hierzu sind die Messeinheit 38 und die Steuerungseinheit 40 mit Leitungen 42 oder anderen Übertragungsmitteln zur Signalübertragung verbunden. In der Steuerungseinheit 40 können Daten hinterlegt sein, beispielsweise die Größe des gewünschten Volumenstroms. Der gewünschte Volumenstrom kann auch von einem Benutzer über eine nicht dargestellte Eingabeeinheit als Sollwertvorgabe eingegeben werden. Die Steuerungseinheit 40 kann einen Soll-Ist-Vergleich zwischen dem gewünschten und dem gemessenen Volumenstrom vornehmen und bei Abweichungen eine Schwenkeinrichtung 43 ansteuern, welche die Position des ersten Abschnitts 22 der Drosselklappe 20 innerhalb eines Schwenkbereichs S ändern kann, bis dass der gemessene Volumenstrom mit dem gewünschten Volumenstrom übereinstimmt, so dass eine Volumenstromreglung realisiert wird. Über in der Steuerungseinheit 40 hinterlegte Algorithmen kann eine Stellung des ersten Abschnitts 22 einem bestimmten Blendenfaktor zugeordnet werden. Dieser Blendenfaktor dient zur Berechnung des tatsächlichen Volumenstroms. Konkret wird der erste Abschnitt 22 der Drosselklappe 20 um ein gewisses Maß um die Drehachse T gedreht, wobei auch andere Schwenkbewegungen denkbar sind, um den durchströmbaren Querschnitt zu verändern. Im Beispiel aus 1a) ist die Steuerungseinheit 40 so eingerichtet, dass der erste Abschnitt 22 zwischen einer ersten Endstellung, in welcher der erste Abschnitt 22 am zweiten Abschnitt 24 anliegt (Schließstellung) und einer zweiten Endstellung (Offenstellung) nur um 85° gedreht wird. Hierdurch induziert der erste Abschnitt 22 in der zweiten Endstellung, wo der maximale Volumenstrom anliegt, noch einen gewissen Druckverlust, so dass der Volumenstrom noch hinreichend exakt bestimmt werden kann.
• In 1b) ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 12 ₁ gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel anhand einer Vorderansicht gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Messeinheit 38 und die Steuerungseinheit 40 nicht dargestellt.
• Auch in 1c) ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 12 ₁ gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel anhand einer Vorderansicht gezeigt, allerdings weist hier der erste Abschnitt 22 einen Staukörper 44 auf, wodurch gewährleistet ist, dass unabhängig von der Stellung des ersten Abschnitts 22 ein gewisses Minimum an Druckverlust nicht unterschritten wird. Hierdurch wird die Messbarkeit des Volumenstroms auch bei kompletter Öffnung des Abschnitts 22 sichergestellt.
• In beiden 1b) und 1c) erkennt man, das der erste Abschnitt 22 einen kreisförmigen Querschnitt hat, wobei ein Kreissegment abgeschnitten ist, so dass der erste Abschnitt 22 eine Gerade 46 aufweist. Das abgeschnittene Kreissegment ist Teil des zweiten, unbeweglich fixierbaren Abschnitts 24 der Drosselklappe 20. Die beiden Abschnitte 22, 24 korrespondieren daher zueinander.
• In 2a) ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 ₂ dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die in 1a) dargestellten Messeinheit 38 und Steuerungseinheit 40 nicht gezeigt sind, so dass nur ein Teil des Volumenreglers 10 gezeigt ist. Erst mit der Messeinheit 38 und der Steuereinheit 40 kann eine Volumenstromreglung realisiert werden. Das zweite Ausführungsbeispiel 12 ₂ weist einen abweichenden Aufbau der Drosselklappe 20 auf. Der zweite Abschnitt 24 liegt im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel 12 ₁ nicht innerhalb, sondern liegt außerhalb der Ebene E. Konkret verläuft der zweite Abschnitt 24 auf einer Seite der Längsachse L stromaufwärts der Drehachse T und auf einer anderen Seite stromabwärts der Drehachse T. Im dargestellten Beispiel ist der zweite Abschnitt 24 so ausgestaltet, dass eine Drehung des ersten Abschnitts der Drosselklappe 20 um 60° genügt, um ihn von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung und umgekehrt zu stellen.
• In 2b) ist die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 ₂ anhand einer Vorderansicht gezeigt.
• In 3a) und 3b) ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 ₃ gezeigt, die weitgehend der ersten Ausführungsform 12 ₁ entspricht. Auch hier sind die Steuerungseinheit 40 und die Messeinheit 38 nicht dargestellt. Allerdings weist sie zusätzlich noch zwei Ringblenden 48 auf, wobei die erste Ringblende 48 ₁ stromabwärts der ersten Druckentnahmestelle 28 und stromaufwärts des Schwenkbereichs S und die zweite Ringblende 48 ₂ stromaufwärts der zweiten Druckentnahmestelle 32 und stromabwärts des Schwenkbereichs S angeordnet sind. Die Ringblenden 48 sorgen ebenfalls für eine Querschnittsverengung und stellen die Messung der Druckdifferenz auch bei kompletter Öffnung der Drosselklappe sicher. Es ist auch nur eine Ringblende 48 vor der Minus-Druckentnahmestelle denkbar.
• In 4a) und 4b) ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 ₄ gezeigt, die weitgehend der ersten Ausführungsform 12 ₁ entspricht. Auch hier sind die Steuerungseinheit 40 und die Messeinheit 38 nicht dargestellt. Ein Teil des zweiten Abschnitts 24 der Drosselklappe 20 ist außerhalb der Ebene E angeordnet, in diesem Fall stromabwärts der Ebene E. Entsprechend ist weist der erste Abschnitt 22 zwei Teilbereiche 50 ₁ und 50 ₂ auf, die einen Winkel γ miteinander einschließen, der im vorliegenden Beispiel in etwa 15° beträgt. Die beiden Teilbereiche 50 ₁ und 50 ₂ sind in sich plan und treffen in der Drehachse T aufeinander. Hierdurch wird bewirkt, dass in der Offenstellung, in welcher der eine Teilbereich 50 ₁ im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung P verläuft, der zweite Teilbereich 50 ₂ eine Querschnittsverengung erzeugt und so die Druckdifferenz erhöht, wodurch der Volumenstrom exakter bestimmt werden kann. Ein stationärer Staukörper ist nicht notwendig.
• In den 5a) und 5b) ist eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 ₅ gezeigt. Auch hier sind die Steuerungseinheit 40 und die Messeinheit 38 nicht dargestellt. Wie auch in der vierten Ausführungsform 12 ₄ weist der erste Abschnitt 22 mehrere Teilbereiche 50 auf, in diesem Fall drei Teilbereiche 50 ₁, 50 ₂ und 50 ₃. Im Gegensatz dazu treffen die Teilbereiche 50 ₁ bis 50 ₃ aber nicht in der Drehachse T, sondern außerhalb der Drehachse T aufeinander. Im dargestellten Beispiel sind die drei Teilbereiche 50 ₁ bis 50 ₃ plan ausgeführt, wobei der erste Teilbereich 50 ₁ mittig angeordnet ist und sich zwei Teilbereiche 50 ₂, 50 ₃ an den freien Enden des ersten Teilbereichs 50 ₁ anschließen. Entsprechend ist der zweite Abschnitt 24 außerhalb der Ebene E angeordnet, nämlich auf der einen Seite der Längsachse L stromaufwärts und auf der anderen Seite stromabwärts der Drehachse T.
• Selbstverständlich können die verschiedenen Teilbereiche 50 oder der erste Abschnitt 22 eine Wölbung aufweisen und der zweite Abschnitt 24 entsprechend beabstandet von der Drehachse T außerhalb der Ebene E angeordnet sein, um ein vollständiges Anliegen des ersten und des zweiten Abschnitts in der ersten Endstellung (Schließstellung) zu ermöglichen.
• In den 6a) und 6b) ist eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 ₆ gezeigt. Sie entspricht prinzipiell der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform 12 ₁, weist aber folgende Besonderheiten auf: Der Kanal 14 hat einen rechteckigen Querschnitt. Ferner umfassen die erste und die zweite Druckentnahmestelle 28, 32 keine Ringkammern 36, sondern jeweils ein Messrohr 52, welches den Kanal 14 ganz oder teilweise durchläuft. Das Messrohr 52 weist eine Messrohrwandung 54 auf, welche von den Druckentnahmeöffnungen 30, 34 (nicht dargestellt) durchquert wird.
• Bezugszeichenliste

10

Volumenstromregler

12, 12₁ bis 12₆

Vorrichtung

14

Kanal

16

Kanalwandung

18

Muffe

20

Drosselklappe

22

erster Abschnitt

24

zweiter Abschnitt

26

Welle

28

erste Druckentnahmestelle

30

erste Druckentnahmeöffnung

32

zweite Druckentnahmestelle

34

zweite Druckentnahmeöffnung

36

Ringkammer

38

Messeinheit

40

Steuerungseinheit

42

Leitung

43

Schwenkeinrichtung

44

Staukörper

46

Gerade

48, 481, 482

Ringblende

50, 501, 502, 503

Teilbereich

52

Messrohr

54

Messrohrwandung

E

Ebene

L

Längsachse

S

Schwenkbereich

P

Strömungsrichtung

T

Drehachse

γ

Winkel

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Volumenstroms eines Fluids, umfassend – einen Kanal (14) mit einer Kanalwandung (16), – eine erste Druckentnahmestelle (28) mit einer oder mehreren ersten Druckentnahmeöffnungen (30), – eine zweite Druckentnahmestelle (32) mit einer oder mehreren zweiten Druckentnahmeöffnungen (34), – eine innerhalb der Kanalwandung (16) angeordnete Drosselklappe (20) zum Verändern der vom Fluid durchströmbaren Querschnittsfläche des Kanals, wobei – die Drosselklappe (20) einen schwenkbar gelagerten ersten Abschnitt (22) und einen in Bezug auf die Kanalwandung (16) unbeweglich fixierbaren zweiten Abschnitt (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) auf einer Welle (26) um eine Drehachse (T) drehbar gelagert ist und die Welle (26) in einer Ebene (E) liegt, die im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (P) des Fluids verläuft, wobei der zweite Abschnitt (24) außerhalb der Ebene (E) liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) in einer ersten Endstellung am zweiten Abschnitt (24) anliegt.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) zwei oder mehrere in Bezug zueinander abgewinkelte Teilbereiche (50) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (24) radial außerhalb des ersten Abschnitts (22) angeordnet ist und den ersten Abschnitt (22) umschließt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (24) radial innerhalb des ersten Abschnitts (22) angeordnet ist und der erste Abschnitt (22) den zweiten Abschnitt (24) umschließt.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ersten Abschnitt (22) ein Staukörper (44) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Druckentnahmestelle (28, 32) als ein Messrohr (52) mit einer Messrohrwandung (54) ausgestaltet sind, bei dem die Druckentnahmeöffnungen (30, 34) in der Messrohrwandung (54) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Druckentnahmestelle (28, 32) als eine Ringkammer (36) ausgestaltet sind, die sich der Kanalwandung (16) anschließt.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) über einen Schwenkbereich (S) verschwenkbar ist und die erste Druckentnahmestelle (28) in Bezug auf die Strömungsrichtung (P) des Fluids vor dem Schwenkbereich (S) und die zweite Druckentnahmestelle (32) in Bezug auf die Strömungsrichtung (P) des Fluids hinter dem Schwenkbereich (S) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) über einen Schwenkbereich (S) verschwenkbar ist und die erste Druckentnahmestelle (28) in einem von einer in Bezug auf die Strömungsrichtung (P) des Fluids senkrecht auf die Kanalwandung (16) gerichteten Projektion des Schwenkbereichs (S) umschlossenen Volumen angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem spritzfähigen Kunststoff besteht.
12. Volumenstromregler zum Regeln der Größe eines Volumenstroms eines Fluids mit einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend – eine Messeinheit (38) zum Bestimmen der Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Druckentnahmestelle (28, 32) und zum Erzeugen von entsprechenden Signalen, die von einer Steuerungseinheit (40) verarbeitet werden können, und – eine Schwenkeinrichtung (43) zum Schwenken des ersten Abschnitts (22) der Drosselklappe (20) in Abhängigkeit von Ansteuerungssignalen, die von der Steuerungseinheit (40) erzeugt werden.

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