DE19600178A1 - Volumenstrommeßvorrichtung für Flüssigkeiten - Google Patents

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

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.