DE19600178A1 - Volumenstrommeßvorrichtung für Flüssigkeiten - Google Patents
Volumenstrommeßvorrichtung für FlüssigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Volumenstrommeßvorrichtung für Flüssigkeiten.
Ein typisches Einsatzgebiet für eine solche Volumenstrommeßvorrichtung ist die
Ermittlung der durch ein Heizungsrohr fließenden Wassermenge zwecks Bestim
mung der Wärmemenge in einer Heizungsanlage. Auch zur Ermittlung des Ver
brauchs an kaltem und warmem Brauchwasser sind Volumenstrommeßvorrich
tungen gebräuchlich.
Bekannte Volumenstrommeßvorrichtungen für Flüssigkeiten weisen mechani
sche Teile auf, die entweder direkt den Volumenstrom oder indirekt die Strö
mungsgeschwindigkeit in einem definierten Rohrquerschnitt messen. Ein ge
bräuchliches Beispiel für eine solche Volumenstrommeßvorrichtung ist ein Flü
gelradzähler.
Mechanische Meßsysteme sind störanfällig, da die beweglichen Teile mit der Zeit
verschleißen. Gerade beim Einsatz von Volumenstrommeßvorrichtungen zur ver
brauchsabhängigen Heizkostenverteilung ist es jedoch notwendig, daß die Volu
menstrommeßvorrichtungen über eine möglichst lange Zeitspanne wartungsfrei
und zuverlässig arbeiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Volumen
strommeßvorrichtung für Flüssigkeiten vorzuschlagen, die eine zuverlässige
Messung eines Volumenstroms ohne bewegliche Teile ermöglicht.
Dieses technische Problem wird durch eine Volumenstrommeßvorrichtung mit
den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 15.
Eine erfindungsgemäße Volumenstrommeßvorrichtung enthält mindestens einen
piezoelektrischen Foliensensor zur Detektion von Druck- und Temperatur
schwankungen, welcher im Flüssigkeitsstrom auf einem Sensorträger angeordnet
und mit einer flüssigkeitsdichten Hüllfolie ummantelt ist, sowie ein dem piezoe
lektrischen Foliensensor vorgelagertes elektrisches Heizelement zur Einbringung
von Wärmeimpulsen in den Flüssigkeitsstrom.
Das erfindungsgemäße Meßprinzip beruht auf der Laufzeitmessung von künst
lich in die Flüssigkeitsströmung eingebrachten thermischen Störungen, welche
stromabwärts von einem direkt im Flüssigkeitsstrom in definiertem Abstand zur
Störungsquelle angeordneten Sensor detektiert werden. Nach vorheriger Kali
brierung läßt sich aus der ermittelten Laufzeit der thermischen Störung der Volu
menstrom (dV/dT) bestimmen und laufend aufzeichnen, woraus sich dann die in
einem bestimmten Zeitraum durch die Meßstrecke geflossene Flüssigkeitsmenge
errechnen läßt.
Erfindungsgemäß werden zur Detektion der kontrolliert in den Flüssigkeitsstrom
eingebrachten Wärmeballen piezoelektrische Foliensensoren verwendet, deren
Vorteile insbesondere das aktive Sensorprinzip und die hohe Dynamik sind. Die
erfindungsgemäße Volumenstrommeßvorrichtung kommt damit völlig ohne be
wegliche Teile aus.
Allerdings dürfen piezoelektrische Foliensensoren nicht mit Flüssigkeit, insbe
sondere nicht mit Wasser, in Berührung kommen, da dies wegen des hochohmi
gen Sensorprinzips zu einem Totalausfall führen würde. Erfindungsgemäß ist
daher der piezoelektrische Foliensensor mit einer flüssigkeitsdichten Hüllfolie
ummantelt. Stochastische Druck- und Temperaturschwankungen im Flüssigkeits
strom sind durch diese Hüllfolie hindurch nicht immer zuverlässig zu erfassen,
was bislang generell davon abhielt, piezoelektrische Foliensensoren in Flüssig
keitsströmen einzusetzen. Bei den mittels eines elektrischen Heizelements in die
Flüssigkeitsströmung eingebrachten Wärmeimpulsen treten hierbei jedoch keine
Schwierigkeiten auf.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von handelsüblichen PVDF-Sensoren
als piezoelektrische Foliensensoren. Es handelt sich hierbei um piezoaktive Fo
lien aus teilkristallinem Polyvinyldenflurid (PVDF) mit einer beidseitigen metal
lischen Beschichtung. Die PVDF-Folie wurde während ihrer Herstellung bei einer
Temperatur von ca. 120°C einem starken äußeren elektrischen Feld ausgesetzt,
wodurch sich die teilkristallinen Bereiche, die Dipole bilden, in Richtung des
elektrischen Feldes anordneten. Nach dem Abkühlen weisen solche PVDF-Folien
piezoelektrische Eigenschaften auf, was bedeutet, daß sie auf Druck- und Tem
peraturänderungen jeweils mit zu diesen Änderungen proportionalen Ladungs
trennungen reagieren, woraus eine jeweils proportionale elektrische Spannung
zwischen der Ober- und der Unterseite der Folie resultiert. Die metallischen Be
schichtungen an der Ober- und der Unterseite der PVDF-Folien ermöglichen die
Erfassung dieser piezoelektrischen Effekte durch eine Meßelektronik. Das nutz
bare Frequenzband eines PVDF-Foliensensors liegt üblicherweise zwischen ca.
0,005 Hz und ca. 10 GHz.
Vorzugsweise sind die beiden Elektroden des PVDF-Foliensensors über einen
Differenzverstärker mit der Auswertelektronik verschaltet. Die Ausgänge beider
Elektroden werden dabei einem Spannungsverstärker zugeführt und die beiden
um 180° phasenverschobenen Signale anschließend subtrahiert. Dies führt zu ei
ner Amplitudenverdoppelung der gegenphasigen Signalanteile. Ein solcher Dif
ferenzbetrieb des PVDF-Foliensensors verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis,
denn elektromagnetische Einstreuungen machen sich an den beiden Elektroden
ausgängen stets als gleichphasige Störungen bemerkbar.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn dem elektrischen Heizelement im Flüssig
keitsstrom ein weiterer piezoelektrischer Foliensensor vorgelagert ist. Mit Hilfe
dieses weiteren Sensors können die stochastischen Druck- und Temperatur
schwankungen sowie Hintergrundvibrationen im Flüssigkeitsstrom ermittelt
werden, welche das Nutzsignal des dem elektrischen Heizelement nachgeordne
ten Sensors überlagern. Auch hier kann ein Differenzbetrieb beider Sensoren das
Signal-Rauschen-Verhältnis verbessern. Die Signale der oberen Elektrode beider
Sensoren werden dabei jeweils einem Spannungsverstärker zugeführt und an
schließend subtrahiert. Diese Subtraktion eliminiert Hintergrundvibrationen und
elektromagnetische Einstreuungen. Werden die beiden unteren Elektroden auf
die gleiche Weise nach einer Spannungsverstärkung voneinander subtrahiert,
entsteht durch eine nochmalige Subtraktion des Signals der beiden oberen Elek
troden von dem der beiden unteren Elektroden eine Amplitudenverdoppelung
der bereits rauscharmen Nutzsignale.
Im Hinblick auf den Energiebedarf der erfindungsgemäßen Volumenstrommeß
vorrichtung ist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis sehr wünschenswert, denn so
kann der thermische Impuls, der das Nutzsignal auslöst, klein gehalten werden.
Insbesondere bei der Ermittlung der durch ein Heizungsrohr fließenden Warm
wassermenge ist ein niedriger Energiebedarf der Volumenstrommeßvorrichtung
von großer Bedeutung, denn das ermöglicht eine Stromversorgung durch eine
Batterie, die mindestens sechs Jahre halten sollte.
Die flüssigkeitsdichte Hüllfolie ist vorzugsweise aus Teflon. Durch die sehr ge
ringe Wärmeleitfähigkeit von Teflon tritt zwar die Detektion der thermischen
Störung im Flüssigkeitsstrom aufgrund Konvektion und Wärmeleitung in den
Hintergrund. Die Teflonfolie weist jedoch für Wärmestrahlung mit Wellenlängen
zwischen 9,2 und 11 µm eine Durchlässigkeit von über 80% auf. PVDF-Folien ab
sorbieren Wärmestrahlung im Bereich zwischen 8 und 11 µm zu über 90%.
Schließlich liegt das Leistungsmaximum der von der thermischen Störung im
Flüssigkeitsstrom emittierten Wärmestrahlung bei Wellenlängen zwischen 9 und
10 µm. Insgesamt weist eine Teflonfolie daher im Hinblick auf Wärmestrahlungs
effekte nahezu optimale Eigenschaften für die Umhüllung eines PVDF-Foliensen
sors auf, der die künstlich eingebrachten Wärmeballen im Flüssigkeitsstrom de
tektieren soll. Hinzu kommt, daß eine Teflonfolie in Wasser frei von Korrosions
erscheinungen oder Ablagerungen bleibt und auch von den meisten anderen
Flüssigkeiten nicht angegriffen wird. Zweckmäßigerweise ist dabei die dem
Sensorträger abgewandte Elektrode eines PVDF-Foliensensors so dünn, daß sie
für die Wärmestrahlung der thermischen Störung ausreichend durchlässig ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn neben dem piezoelektrischen Foliensensor
auch das elektrische Heizelement mit auf dem Sensorträger angeordnet ist. So
wird vermieden, daß das stromaufwärts des Sensors im Flüssigkeitsstrom ange
ordnete Heizelement Turbulenzen verursacht, die sich als Strömungswirbel vom
Heizelement ablösen und beim piezoelektrischen Foliensensor Störsignale verur
sachen; denn an der Oberfläche des Sensorträgers bildet sich eine laminare
Grenzschicht, die solche Turbulenzen verhindert. Außerdem gewährleistet diese
laminare Grenzschicht, daß die in den Flüssigkeitsstrom eingebrachte thermische
Störung nicht schon vor Passieren des Sensors so verwirbelt wird, daß eine ein
deutige Detektion schwierig würde. Dabei muß eine nahezu vollständige thermi
sche Entkopplung von elektrischem Heizelement und piezoelektrischem Folien
sensor innerhalb des Sensorträgers sichergestellt sein. Aufgrund der Vorteile die
ser Weiterbildung der Erfindung läßt sich der Energiebedarf für die Einbringung
der thermischen Störung in den Flüssigkeitsstrom nochmals deutlich senken, da
auch geringe thermische Störungen vom piezoelektrischen Foliensensor zuverläs
sig erkannt werden.
Das elektrische Heizelement und der piezoelektrische Foliensensor sind vorzugs
weise auf einer Meßfläche des Sensorträgers angeordnet, wobei diese Meßfläche
derart gegen die Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstroms geneigt ist, daß der
Flüssigkeitsstrom auf die Meßfläche aufläuft. Eine solche negative Anstellung
der Meßfläche gegen die Strömung wirkt einem Aufdicken der laminaren Grenz
schicht entgegen und verringert das energetisch ungünstige Abdriften des in den
Flüssigkeitsstrom eingebrachten Wärmeballens von der Meßfläche. Darüber hin
aus erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms entlang
der Meßfläche, wodurch die Signallaufzeit zwischen dem Heizungspuls und der
Detektion der thermischen Störung verkürzt wird. Dies ist besonders bei kleinen
Strömungsgeschwindigkeiten von Vorteil.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn dem Sensorträger mit einer solcherart nega
tiv angestellten Meßfläche ein Strömungskörper im Flüssigkeitsstrom gegenüber
gestellt wird, der zusammen mit dem Sensorträger eine Düse bildet. Aufgrund
der Düsenwirkung erfährt der Flüssigkeitsstrom eine kontrollierte Beschleuni
gung, die Wirbelablösungen und laminar-turbulenten Transitionsvorgängen ent
gegenwirkt. Die laminare Umströmung des Sensors wird so noch weiter verbes
sert.
Bei einer Anordnung des elektrischen Heizelements auf dem Sensorträger wird
das Ziel, eine möglichst vollständige thermische Entkopplung des elektrischen
Heizelements von den piezoelektrischen Foliensensoren sicherzustellen, vorzugs
weise durch eine Unterteilung des Sensorträgers in mindestens zwei Segmente
erreicht, wobei das elektrische Heizelement und mindestens ein piezoelektrischer
Foliensensor auf verschiedenen Segmenten angeordnet sind. Die Verbindung
zwischen den Segmenten kann dabei mit einer Wärmeisolation versehen werden.
Außerdem ist es durch die Segmentaufteilung des Sensorträgers möglich, den je
weiligen piezoelektrischen Foliensensor mitsamt dem Segment des Sensorträgers,
auf dem dieser angeordnet ist, mit einer flüssigkeitsdichten Hüllfolie zu umman
teln, ohne gleichzeitig den Bereich des elektrischen Heizelements mit der Hüllfo
lie gegen den Flüssigkeitsstrom abzuschirmen. Bei Verwendung mehrerer pie
zoelektrischer Foliensensoren kann jeweils ein Sensor auf einem eigenen Segment
sitzen, was eine Schwingungsentkoppelung und dadurch ein nochmals verbes
sertes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht.
Das elektrische Heizelement ist vorzugsweise ein Heizdraht oder eine Leiter
bahn.
Die Ausbildung als Heizdraht ist eine sehr einfache Möglichkeit, gezielt Wär
meimpulse in den Flüssigkeitsstrom einzubringen. Ein solcher Heizdraht kann
beispielsweise aus Platin und ohne weiteres auch stromaufwärts vom Sensorträ
ger beabstandet im Flüssigkeitsstrom angeordnet sein.
Hinsichtlich der Verschleiß- und Alterungsbeständigkeit der erfindungsgemäßen
Volumenstrommeßvorrichtung bietet es jedoch Vorteile, wenn das elektrische
Heizelement eine Leiterbahn ist, die durch eventuell im Flüssigkeitsstrom mit
schwimmende Teilchen nicht so leicht zerstört werden kann wie ein dünner
Heizdraht. Solch eine Leiterbahn kann aus geätztem handelsüblichem Platinen
material bestehen. Die Kupferbeschichtung des Platinenmaterials kann dabei au
ßerdem mit einem Korrosionsschutz versehen sein. Die Ausbildung des elektri
schen Heizelements als Leiterbahn hat ferner den entscheidenden Vorteil, daß ei
ne Sensorplatte, die gleichzeitig mindestens einen piezoelektrischen Foliensensor
und das elektrische Heizelement trägt, sehr einfach gefertigt werden kann. Eine
mäanderförmige Ausbildung der Leiterbahn verlängert diese und erhöht somit
den Ohmschen Widerstand.
Zwecks Schutz des elektrischen Heizelements vor thermischer Überlastung kön
nen in der Nähe des elektrischen Heizelements im Flüssigkeitsstrom mindestens
zwei Überwachungselektroden zur Prüfung der Leitfähigkeit des Flüssigkeits
stroms angeordnet sein. Mit einer solchen Leitfähigkeitsprüfung, die beispiels
weise vor jedem Aussenden eines Wärmeimpulses durch das elektrische Heizele
ment vorgenommen wird, kann festgestellt werden, ob das Heizelement von
Flüssigkeit umspült wird oder etwa trockenliegt.
Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus den im fol
genden anhand der Zeichnungen näher beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführung einer Volumenstrommeßvorrichtung,
in schematischer Aufsicht;
Fig. 2 die Meßvorrichtung von Fig. 1, in einem Vertikalschnitt;
Fig. 3 eine zweite Ausführung einer Volumenstrommeßvorrich
tung, in einem Vertikalschnitt;
Fig. 4 eine dritte Ausführung einer Volumenstrommeßvorrichtung
mit elektronischer Auswertschaltung, schematisch;
Fig. 5 eine vierte Ausführung einer Volumenstrommeßvorrich
tung, in einem vereinfachten Schnittbild;
Fig. 6 einen Sensorträger in vereinfachter Draufsicht;
Fig. 7 den Sensorträger gemäß Fig. 6, von der Seite;
Fig. 8 eine Volumenstrommeßvorrichtung mit einem Sensorträger
gemäß den Fig. 6 und 7, in einem Vertikalschnitt.
Fig. 1 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Volu
menstrommeßvorrichtung. In einem Heizungsrohr 1 befindet sich ein Sensorträ
ger 2 mit fünf (gestrichelt dargestellten) piezoelektrischen Foliensensoren 3.
Stromaufwärts des Sensorträgers 2 ist ein Heizdraht 4 im Flüssigkeitsstrom 5 an
geordnet.
Der Flüssigkeitsstrom 5 passiert im Heizungsrohr 1 zunächst den Heizdraht 4.
Durch den Heizdraht 4 werden mit einer Frequenz von 0,1 bis 1 Hz elektrische
Stromimpulse geleitet, die den Heizdraht 4 jeweils kurz erhitzen. Der dadurch
mit periodischen Wärmeimpulsen versehene Flüssigkeitsstrom 5 überstreicht die
auf dem Sensorträger 2 angeordneten piezoelektrischen Foliensensoren 3. Aus
der Laufzeit der Wärmeballen vom Heizdraht 4 bis zu einem der piezoelektri
schen Foliensensoren 3 kann die Fließgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms 5
ermittelt und daraus der interessierende Volumenstrom errechnet werden. Durch
Korrelieren der fünf piezoelektrischen Foliensensoren 3, zum Beispiel mittels ei
nes Kreuzkorrelationsverfahrens, ist auch eine Laufzeitmessung einer thermi
schen Störung im Flüssigkeitsstrom 5 zwischen den piezoelektrischen Foliensen
soren 3 möglich.
Fig. 2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Volumen
strommeßvorrichtung wie Fig. 1, aber in der Seitenansicht. Dargestellt sind
wiederum das Heizungsrohr 1, der Sensorträger 2, die piezoelektrischen Folien
sensoren 3, der Heizdraht 4 sowie der Flüssigkeitsstrom 5, in dessen Mitte der
Heizdraht 4 und der Sensorträger 2 hintereinander angeordnet sind. Es ist außer
dem die flüssigkeitsdichte Hüllfolie 6 erkennbar, die den Sensorträger 2 mitsamt
den piezoelektrischen Foliensensoren 3 ummantelt und so ein Eindringen der
Flüssigkeit in die piezoelektrischen Foliensensoren 3 verhindert. Die flüssigkeits
dichte Hüllfolie 6 kann beispielsweise aus Aluminium oder Silber sein.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung einer Volumenstrommeßvorrichtung mit
drei, hintereinander angeordneten piezoelektrischen Foliensensoren 3. Der Heiz
draht 4 ist hier ebenfalls auf dem Sensorträger 2 angeordnet, und zwar stromauf
wärts von den piezoelektrischen Foliensensoren 3.
Der Sensorträger 2 ist in vier Segmente 7 unterteilt, die über Klebungen 8 unter
einander verbunden sind. Das erste Segment 7 des Sensorträgers 2 trägt den
Heizdraht 4, der aus Energieersparnisgründen und zur thermischen Entkopp
lung in eine Isolationsschicht 9 eingebettet ist. Die anderen drei Segmente 7 des
Sensorträgers 2 tragen jeweils einen piezoelektrischen Foliensensor 3. Jedes Seg
ment 7 mit piezoelektrischem Foliensensor 3 ist separat mit je einer flüssigkeits
dichten Hüllfolie 6 ummantelt, um die Flüssigkeit am Eindringen in die Folien
sensoren 3 zu hindern.
Die Klebungen 8 zwischen den Segmenten 7 haben nicht nur die Funktion, die
Segmente 7 untereinander zu verbinden; sie wirken außerdem wärmeisolierend
und schwingungsdämpfend. Eine Wärmeleitung innerhalb des Sensorträgers 2
vom Heizdraht 4 zu den piezoelektrischen Foliensensoren 3 ist somit ausge
schlossen. Durch die Schwingungsentkoppelung der einzelnen Segmente 7 ergibt
sich ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis bei den Ausgangssignalen der piezoe
lektrischen Foliensensoren 3.
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Volumen
strommeßvorrichtung. Auf dem Sensorträger 2 sitzen ein PVDF-Foliensensor 10
und gleichzeitig stromaufwärts ein Heizdraht 4. Der PVDF-Foliensensor 10 ist
von einer auf den Sensorträger 2 aufgebrachten Teflonfolie 11 flüssigkeitsdicht
ummantelt. Parallel und im Abstand zu dem Sensorträger 2 ist ein Strömungs
körper 12 angeordnet. Sensorträger 2 und Strömungskörper 12 bilden dabei eine
Düse. Beim Eintreten des Flüssigkeitsstroms 5 in den Raum zwischen dem
Sensorträger 2 und dem Strömungskörper 12 wird der Flüssigkeitsstrom 5 be
schleunigt, was der Ausbildung von Turbulenzen in der laminaren Grenzschicht
entlang des Sensorträgers 2 entgegenwirkt. Die vom Heizdraht 4 in den Flüssig
keitsstrom 5 eingebrachten thermischen Störungen können daher in einer nahezu
laminaren Strömung bis zum PVDF-Foliensensor 10 gelangen. Die Ausgangs
signale der beiden Elektroden des PVDF-Foliensensors werden über einen Diffe
renzverstärker 13 an eine Auswertelektronik weitergeleitet.
Ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Volumenstrommeß
vorrichtung zeigt Fig. 5. Ein Heizdraht 4 und ein PVDF-Foliensensor 10 sind
gemeinsam auf einem Sensorträger 2 angeordnet. Als flüssigkeitsdichte Umhül
lung des PVDF-Foliensensors 10 dient eine Teflonfolie 11. Zusätzlich zum PVDF-
Foliensensor 10 ist stromaufwärts vom Heizdraht 4 ein weiterer PVDF-Foliensen
sor 14 auf dem Sensorträger angeordnet, um stochastische Druck- und Tempera
turschwankungen sowie periodische Druckschwankungen, wie sie beispielsweise
von einer Zentralheizungspumpe herrühren, zu detektieren. Die Ausgangssigna
le des weiteren PVDF-Foliensensors 14 können dann von den Ausgangssignalen
des ersten PVDF-Foliensensors 10 subtrahiert werden, was das Signal-Rausch-
Verhältnis des PVDF-Foliensensors 10 entscheidend verbessert.
Die thermische Entkoppelung des Heizdrahts 4 von den PVDF-Foliensensoren 10
und 14 ist durch eine Isolationsschicht 9 gewährleistet, die den Heizdraht 4 ge
genüber dem Sensorträger 2 thermisch isoliert. Die PVDF-Foliensensoren 10 und
14 bestehen jeweils aus einer oberen Elektrode 15, einer unteren Elektrode 16 so
wie einer dazwischenliegenden PVDF-Folie 17. Ferner ist erkennbar, daß die Sei
te des Sensorträgers 2, welche die PVDF-Foliensensoren 10, 14 und den Heiz
draht 4 trägt, eine Meßfläche 18 bildet, welche gegen den Flüssigkeitsstrom 5
leicht negativ angestellt, also derart geneigt ist, daß der Flüssigkeitsstrom 5 auf
die Meßfläche 18 aufläuft. Dies begünstigt eine laminare Strömung um den Sen
sor.
Auch die in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellte fünfte Ausführung einer erfin
dungsgemäßen Volumenstrommeßvorrichtung ist konstruktiv so ausgebildet,
daß der Sensor möglichst laminar umströmt wird.
Fig. 6 zeigt dabei die Aufsicht auf einen Sensorträger 2, dessen Meßfläche 18 ei
nen PVDF-Foliensensor 10 und einen zusätzlichen vorgelagerten PVDF-Folien
sensor 14 trägt. Das elektrische Heizelement besteht hier aus einer mäanderför
migen Leiterbahn 19, die aus einer Platine 20 durch Ätzung herausgearbeitet
wurde. Die übrigen Teile der Platine 20 dienen zur elektrischen Kontaktierung
der Leiterbahn 19.
Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht des Sensorträgers 2 von Fig. 6. Dargestellt sind
die Platine 20 und der stromabwärts liegende PVDF-Foliensensor 10 sowie der
zusätzlich stromaufwärts von der Platine 20 angeordnete PVDF-Foliensensor 14.
Fig. 8 zeigt den Einbau in ein Heizungsrohr 1, wobei der Sensorträger 2 mit sei
nen PVDF-Foliensensoren 10 und 14 sowie mit seiner Platine 20 bereits anhand
der Fig. 6 und 7 beschrieben wurde. Der Sensorträger 2 ist so mit einem zu
ihm spiegelsymmetrischen Strömungskörper 12 kombiniert, daß die Achse 21 des
Heizungsrohrs 1 etwa in der Symmetrieebene zwischen dem Sensorträger 2 und
dem Strömungskörper 12 liegt. Der Sensorträger 2 und der Strömungskörper 12
sind dabei so geformt, daß sich im Bereich der PVDF-Foliensensoren 10 und 14
ein sich in Strömungsrichtung verjüngender Meßkanal 22 ergibt. In diesem Meß
kanal 22 erfährt der Flüssigkeitsstrom 5 eine Beschleunigung, die Ablösungen
und laminar-turbulenten Transitionsvorgängen in der Grenzschicht entlang der
Oberfläche des Sensorträgers 2 entgegenwirkt.
Diese letzte Variante ist sehr einfach zu fertigen, da die im Flüssigkeitsstrom 5
befindlichen Teile in einfacher Weise modular zusammengesetzt werden können.
Der Meßbereich kann durch die Wahl des Rohrdurchmessers und des Abstandes
von Heizdraht und Sensor in weiten Bereichen variiert werden. Die Dynamik des
Meßbereichs entspricht ca. 1 : 100. Der Jahresenergiebedarf zur Erzeugung der
thermischen Störung im Flüssigkeitsstrom 5 bei einer Pulsrate von 0,1 Hz beträgt
ca. 5 Wh. Damit ist es möglich, einen Batteriebetrieb für sechs Jahre zu realisie
ren.
Bezugszeichenliste
1 Heizungsrohr
2 Sensorträger
3 piezoelektrischer Foliensensor
4 Heizdraht
5 Flüssigkeitsstrom
6 Hüllfolie
7 Segment (von 2)
8 Klebung
9 Isolationsschicht
10 PVDF-Foliensensor
11 Teflonfolie
12 Strömungskörper
13 Differenzverstärker
14 PVDF-Foliensensor
15 obere Elektrode
16 untere Elektrode
17 PVDF-Folie (von 10, 14)
18 Meßfläche (von 2)
19 Leiterbahn
20 Platine
21 Achse
22 Meßkanal
2 Sensorträger
3 piezoelektrischer Foliensensor
4 Heizdraht
5 Flüssigkeitsstrom
6 Hüllfolie
7 Segment (von 2)
8 Klebung
9 Isolationsschicht
10 PVDF-Foliensensor
11 Teflonfolie
12 Strömungskörper
13 Differenzverstärker
14 PVDF-Foliensensor
15 obere Elektrode
16 untere Elektrode
17 PVDF-Folie (von 10, 14)
18 Meßfläche (von 2)
19 Leiterbahn
20 Platine
21 Achse
22 Meßkanal
Claims (13)
1. Volumenstrommeßvorrichtung für Flüssigkeiten, insbesondere zur Ermittlung
der durch ein Heizungsrohr (1) fließenden Warmwassermenge, gekenn
zeichnet durch mindestens einen piezoelektrischen Foliensensor (3) zur De
tektion von Druck- und Temperaturschwankungen, welcher im Flüssigkeits
strom (5) auf einem Sensorträger (2) angeordnet und mit einer flüssigkeitsdichten
Hüllfolie (6) ummantelt ist, sowie ein dem piezoelektrischen Foliensensor (3) vor
gelagertes elektrisches Heizelement zur Einbringung von Wärmeimpulsen in den
Flüssigkeitsstrom (5).
2. Volumenstrommeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der piezoelektrische Foliensensor (3) ein PVDF-Foliensensor (10) ist.
3. Volumenstrommeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Elektroden (15, 16) des PVDF-Foliensensors (10)
über einen Differenzverstärker (13) mit einer Auswertelektronik verschaltet sind.
4. Volumenstrommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß dem elektrischen Heizelement (4) im Flüssigkeits
strom (5) ein weiterer piezoelektrischer Foliensensor (14) vorgelagert ist.
5. Volumenstrommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die flüssigkeitsdichte Hüllfolie (6) eine Teflonfolie
(11) ist.
6. Volumenstrommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die obere, dem Flüssigkeitsstrom (5) zugewandte
Elektrode (15) des PVDF-Foliensensors (10) mit einer Wärmestrahlung absorbie
renden Beschichtung versehen ist.
7. Volumenstrommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement auf dem Sensorträ
ger (2) angeordnet ist.
8. Volumenstrommeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß das elektrische Heizelement und der piezoelektrische Foliensensor (3)
auf einer Meßfläche (18) des Sensorträgers (2) angeordnet sind, welche derart ge
gen die Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstroms (5) geneigt ist, daß der Flüs
sigkeitsstrom (5) auf die Meßfläche (18) aufläuft.
9. Volumenstrommeßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß parallel und im Abstand zu dem Sensorträger (2) ein Strö
mungskörper (12) im Flüssigkeitsstrom (5) so angeordnet ist, daß eine Düse ge
bildet wird.
10. Volumenstrommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensorträger (2) in mindestens zwei Seg
mente (7) aufgeteilt ist, wobei das elektrische Heizelement und der piezoelektri
sche Foliensensor (3) auf verschiedenen Segmenten (7) angeordnet sind.
11. Volumenstrommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement ein Heizdraht (4) ist.
12. Volumenstrommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement eine mäanderförmig
ausgebildete Leiterbahn (19) ist.
13. Volumenstrommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Nähe des elektrischen Heizelements im Flüs
sigkeitsstrom (5) mindestens zwei Überwachungselektroden zur Prüfung der
Leitfähigkeit des Flüssigkeitsstromes (5) angeordnet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19600178A DE19600178A1 (de) | 1996-01-04 | 1996-01-04 | Volumenstrommeßvorrichtung für Flüssigkeiten |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19600178A DE19600178A1 (de) | 1996-01-04 | 1996-01-04 | Volumenstrommeßvorrichtung für Flüssigkeiten |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19600178A1 true DE19600178A1 (de) | 1997-07-10 |
Family
ID=7782166
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19600178A Withdrawn DE19600178A1 (de) | 1996-01-04 | 1996-01-04 | Volumenstrommeßvorrichtung für Flüssigkeiten |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19600178A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106768111A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-31 | 中国计量大学 | 一种基于气体相关流量计的新型流量测量方法 |
DE202023100442U1 (de) | 2022-02-25 | 2023-02-16 | Oventrop Gmbh & Co. Kg | Armatur zum Erfassen und Beeinflussen des Volumenstromes |
DE102022134849A1 (de) | 2022-12-27 | 2024-06-27 | Oventrop Gmbh & Co. Kg | Hubventil für fluide Medien sowie Vorrichtung zur Volumenstrombestimmung mittels Differenzdruckmessung |
-
1996
- 1996-01-04 DE DE19600178A patent/DE19600178A1/de not_active Withdrawn
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106768111A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-31 | 中国计量大学 | 一种基于气体相关流量计的新型流量测量方法 |
DE202023100442U1 (de) | 2022-02-25 | 2023-02-16 | Oventrop Gmbh & Co. Kg | Armatur zum Erfassen und Beeinflussen des Volumenstromes |
DE102022104513B3 (de) | 2022-02-25 | 2023-06-29 | Oventrop Gmbh & Co. Kg | Armatur zum Erfassen und Beeinflussen des Volumenstromes |
DE102022134849A1 (de) | 2022-12-27 | 2024-06-27 | Oventrop Gmbh & Co. Kg | Hubventil für fluide Medien sowie Vorrichtung zur Volumenstrombestimmung mittels Differenzdruckmessung |
EP4394218A1 (de) | 2022-12-27 | 2024-07-03 | Oventrop GmbH & Co. KG | Hubventil für fluide medien sowie vorrichtung zur volumenstrombestimmung mittels differenzdruckmessung |
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