DE202018100533U1

DE202018100533U1 - Baukastensystem für Durchflussmesseinrichtungen

Info

Publication number: DE202018100533U1
Application number: DE202018100533.2U
Authority: DE
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2028-02-01

Abstract

Baukastensystem (10) für Durchflussmesseinrichtungen (12), miteiner Durchflussmesseinrichtung (12) zur Erfassung eines Durchflusses (D) eines Fluids, das einen Grundkörper (14) aufweist, undeinem ersten und zumindest einem zweiten Laminar-Strömungselement (20, 30), die jeweils zahlreiche Öffnungen und ein gewickeltes Flachmaterial (38) umfassen,wobei wahlweise das erste oder das zumindest eine zweite Laminar-Strömungselement (20, 30) jeweils einzeln in den Grundkörper (14) eingesetzt und zerstörungsfrei aus ihm entfernt werden können,wobei in dem Grundkörper (14) ein vom Fluid durchströmbarer Hauptkanal (18), in den insgesamt ein einziges der Laminar-Strömungselemente (20, 30) eingesetzt ist, sowie ein das eingesetzte Laminar-Strömungselement (20, 30) umgehender Bypasskanal (22) mit einem Strömungssensor (24) vorgesehen sind, undwobei sich das zumindest eine zweite Laminar-Strömungselement (30) hinsichtlich seines Strömungsverhaltens vom ersten Laminar-Strömungselement (20) unterscheidet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Baukastensystem für Durchflussmesseinrichtungen.
Durchflussmesseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden in zahlreichen Anwendungsfällen verwendet, in denen der Durchfluss eines Fluids zu erfassen ist.
Eine spezielle Art von Durchflussmesseinrichtungen stellen solche dar, die ein sogenanntes Laminar-Strömungselement verwenden. Dabei wird ausgenutzt, dass bei einem solchen Laminar-Strömungselement eine Druckdifferenz zwischen den beiden Enden des Laminar-Strömungselements im Wesentlichen proportional zu einem Fluiddurchfluss durch das Laminar-Strömungselement ist. Es kann somit z. B. durch ein Erfassen der vorgenannten Druckdifferenz der Fluiddurchfluss bestimmt werden.
Dieser Effekt beschränkt sich jedoch auf einen gewissen Größenbereich der Fluiddurchflüsse, genauer gesagt der Reynoldszahl, sodass eine Durchflussmesseinrichtung, deren Funktionsprinzip auf einer im Wesentlichen proportionalen Druckverlustkennlinie beruht, stets nur Fluiddurchflüsse innerhalb eines gewissen, vordefinierten Bereichs zuverlässig erfassen kann. Wird die Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen des Laminar-Strömungselementes zu groß, so wird die Strömung turbulent und die Druckverlustkennlinie ist nicht mehr im Wesentlichen proportional.
Aus diesem Grund ist es im Stand der Technik bekannt, innerhalb einer Anlage oder Maschine unterschiedliche Fluiddurchflussmessstrecken vorzusehen, die mit Durchflussmesseinrichtungen ausgestattet sind, die sich hinsichtlich ihres Fluiddurchflussmessbereichs unterscheiden. Je nach dem zu erfassenden Fluiddurchfluss wird dann eine entsprechende Messstrecke geschaltet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kostengünstige Durchflussmesseinrichtung anzugeben, die einen breiten Fluiddurchflussmessbereich abdecken kann. Insbesondere soll über den gesamten Fluiddurchflussmessbereich ein zuverlässiges und genaues Erfassen des Durchflusses möglich sein.
Die Aufgabe wird durch ein Baukastensystem für Durchflussmesseinrichtungen gelöst, mit einer Durchflussmesseinrichtung zur Erfassung eines Durchflusses eines Fluids, das einen Grundkörper aufweist, und einem ersten und zumindest einem zweiten Laminar-Strömungselement, die jeweils zahlreiche Öffnungen und ein gewickeltes Flachmaterial umfassen, wobei wahlweise das erste oder das zumindest eine zweite Laminar-Strömungselement jeweils einzeln in den Grundkörper eingesetzt und zerstörungsfrei aus ihm entfernt werden können, wobei in dem Grundkörper (14) ein vom Fluid durchströmbarer Hauptkanal, in den insgesamt ein einziges der Laminar-Strömungselemente eingesetzt ist, sowie ein das eingesetzte Laminar-Strömungselement umgehender Bypasskanal mit einem Strömungssensor vorgesehen sind, und wobei sich das zumindest eine zweite Laminar-Strömungselement hinsichtlich seines Strömungsverhaltens vom ersten Laminar-Strömungselement unterscheidet.
Das erste Laminar-Strömungselement und das zweite Laminar-Strömungselement sind also zerstörungsfrei gegeneinander austauschbar. Mit anderen Worten ist die Durchflussmesseinrichtung dazu ausgebildet, stets ein hinsichtlich seines Strömungsverhaltens für eine vorliegende Messaufgabe geeignetes Laminar-Strömungselement im Hauptkanal bereitzuhalten. Dadurch kann die Durchflussmesseinrichtung über einen breiten Fluiddurchflussmessbereich zuverlässig und genau Fluiddurchflüsse erfassen. Der Durchfluss kann dabei als Massenstrom oder als Volumenstrom erfasst werden. Der Austausch der Laminar-Strömungselemente ist einfach und geht vergleichsweise schnell vonstatten, sodass das Umrüsten der Durchflussmesseinrichtung von einem ersten Fluiddurchflussmessbereich, für den das erste Laminar-Strömungselement geeignet ist, auf einen zweiten Fluiddurchflussmessbereich, für den das zweite Laminar-Strömungselement vorgesehen ist, schnell und einfach zu erledigen ist. Die gewickelten Laminar-Strömungselemente sind kostengünstig und vor allem robust im Hinblick auf den häufigen Ein- und Ausbau.
Üblicherweise werden für unterschiedliche Fluiddurchflussmessbereiche separate, auf den gewünschten Fluiddurchflussmessbereich angepasste Durchflussmesseinrichtungen verwendet. Insbesondere werden für unterschiedliche Fluiddurchflussmessbereiche unterschiedliche Strömungssensoren eingesetzt. Erfindungsgemäß wird eine einzige Durchflussmesseinrichtung für unterschiedliche Fluiddurchflussmessbereiche verwendet, die mit einem an den gewünschten Fluiddurchflussmessbereich angepassten Laminar-Strömungselement ausgestattet ist, ansonsten aber identische Bauteile wie Strömungssensor, Grundkörper mit Hauptkanal etc. aufweist. Dadurch werden die Produktionskosten für eine Reihe von Durchflussmesseinrichtungen, die für unterschiedliche Fluiddurchflussbereiche vorgesehen sind, erheblich gesenkt.
Als Strömungssensoren finden beispielsweise sogenannte Kapillarsensoren oder Chip-Sensoren Anwendung.
Vorteilhafterweise sind das erste Laminar-Strömungselement und das zweite Laminar-Strömungselement im selben, im Grundkörper der Durchflussmesseinrichtung vorgesehenen Aufnahmeraum aufnehmbar. Mit anderen Worten sind die Laminar-Strömungselemente hinsichtlich ihrer äußeren Abmessungen gleich oder zumindest vergleichbar. Somit lassen sie sich schnell und einfach gegeneinander austauschen, sodass ein Messbereich der Durchflussmesseinrichtung schnell und einfach veränderbar ist. Außerdem können somit Durchflussmesseinrichtungen, die für unterschiedliche Fluiddurchflussmessbereiche vorgesehen sind, sehr einfach aus bis auf die unterschiedlichen Laminar-Strömungselemente identischen Gleichteilen montiert werden. Ebenso können zur Aufnahme unterschiedlicher Laminar-Strömungselemente im für diese vorgesehenen Aufnahmeraum Adapterstücke verwendet werden. Auch in diesem Fall können die verschiedenen Laminar-Strömungselemente schnell und einfach gegeneinander ausgetauscht werden. Die Adapterstücke können dabei schon am zugeordneten Laminar-Strömungselement montiert sein, bevor dieses im Aufnahmeraum platziert wird. Somit erfolgt ein Austausch von Laminar-Strömungselementen besonders schnell.
Das erste Laminar-Strömungselement und das zweite Laminar-Strömungselement können sich hinsichtlich ihres maximal möglichen, laminaren Fluiddurchflusses und/oder hinsichtlich einer ihnen eingeprägten Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinie unterscheiden. Somit kann die Durchflussmesseinrichtung durch die Auswahl eines der Laminar-Strömungselemente hinsichtlich ihres maximal erfassbaren Durchflusses eines Fluids und/oder hinsichtlich der verwendeten Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinie eingestellt werden. Es lässt sich somit auf einem breiten Fluiddurchflussmessbereich zuverlässig und genau ein Fluiddurchfluss erfassen. Insbesondere ist dabei die Erfassungsgenauigkeit des Fluiddurchflusses höher und/oder der abgedeckte Messbereich größer als es mithilfe eines einzigen Laminar-Strömungselements möglich ist.
Durch die Auswahl eines geeigneten Laminar-Strömungselements kann in diesem Zusammenhang stets sichergestellt werden, dass der zu erfassende Fluiddurchfluss in demjenigen Bereich liegt, in dem das Laminar-Strömungselement einen engen Toleranzen genügenden, linearen Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz und dem Fluiddurchfluss aufweist. Dadurch ist die zugehörige Messgenauigkeit besonders hoch.
Bevorzugt unterscheiden sich die Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinien des ersten Laminar-Strömungselements und des zweiten Laminar-Strömungselements derart, dass die einer vordefinierten Auslegungsdruckdifferenz oder einem vordefinierten maximalen Fluiddurchfluss durch den Bypasskanal zugeordneten Fluiddurchflüsse in einem Verhältnis von 1,2 bis 3, insbesondere von 1,4 bis 1,7, stehen. Dabei ist das Verhältnis stets zwischen Laminar-Strömungselementen berechnet, deren Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinien benachbart angeordnet sind. Es wird dann stets der jeweils höhere Fluiddurchfluss durch den jeweils geringeren Fluiddurchfluss geteilt. Es hat sich in diesem Zusammenhang herausgestellt, dass mithilfe einer solchen Staffelung der Laminar-Strömungselemente über einen besonders großen Fluiddurchflussmessbereich hinweg eine hohe Erfassungsgenauigkeit des Fluiddurchflusses gewährleisten werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform stehen ein Durchfluss durch den Hauptkanal und ein Durchfluss durch den Bypasskanals in einem Verhältnis von 1.000 bis 20.000, insbesondere wobei ein maximaler Durchfluss durch den Bypasskanal unabhängig davon, ob das erste Laminar-Strömungselement oder das zweite Laminar-Strömungselement im Hauptkanal eingesetzt ist, im Wesentlichen gleich ist. Der Strömungssensor im Bypasskanal wird vorzugsweise nicht verändert. Das bedeutet, dass er in allen eingestellten Fluiddurchflussmessbereichen und damit unabhängig vom eingesetzten Laminar-Strömungselement gleich ist. Es ist somit sicherzustellen, dass der Strömungssensor stets in einem Bereich arbeitet, in dem er über eine hohe Messgenauigkeit verfügt. Dies ist der Fall, wenn unabhängig vom verwendeten Laminar-Strömungselement ein maximaler Fluiddurchfluss durch den Bypasskanal im Wesentlichen gleich bleibt. Das bedeutet, dass das Verhältnis des Fluiddurchflusses durch den Hauptkanal zum Fluiddurchfluss durch den Bypasskanal bei einem insgesamt hohen, zu erfassenden Fluiddurchfluss vergleichsweise groß sein muss und bei einem insgesamt geringen, zu erfassenden Fluiddurchfluss vergleichsweise klein ist. Somit kann über einen weiten Bereich an Fluiddurchflüssen der Messbereich des Strömungssensors optimal ausgenutzt und eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet werden.
Dabei kann das Verhältnis im Wesentlichen 2.500, 4.000, 6.000 oder 10.000 betragen, wenn das erste Laminar-Strömungselement im Hauptkanal eingesetzt ist und das Verhältnis einen anderen der Werte 2.500, 4.000, 6.000 und 10.000 annehmen, wenn das zweite Laminar-Strömungselement im Hauptkanal eingesetzt ist. Über die Laminar-Strömungselemente wird also das Verhältnis eingestellt.
Selbstverständlich können auch mehr als zwei Laminar-Strömungselemente vorgesehen sein. Im Falle von vier Laminar-Strömungselementen kann beispielsweise jedes dieser Laminar-Strömungselemente eines der vorgenannten Verhältnisse bewirken.
Vorzugsweise sind beim ersten Laminar-Strömungselement oder beim zweiten Laminar-Strömungselement die Öffnungen über mindestens 80 %, vorzugsweise über mindestens 90 %, der Strömungsquerschnittsfläche des Hauptkanals verteilt, wenn das erste Laminar-Strömungselement bzw. das zweite Laminar-Strömungselement im Grundkörper eingesetzt ist. Somit kann sichergestellt werden, dass das erste Laminar-Strömungselement und das zweite Laminar-Strömungselement jeweils einen vorgegebenen Strömungswiderstand darstellen, der unter anderem bewirkt, dass ein Strömungsanteil in den Bypasskanal geleitet wird. In diesem Zusammenhang ist ein möglichst großer Anteil der kumulierten Strömungsquerschnitte der Öffnungen am Strömungsquerschnitt des Hauptkanals anzustreben.
In einer Variante umfasst beim ersten Laminar-Strömungselement und beim zweiten Laminar-Strömungselement das gewickelte Flachmaterial ein onduliertes Blech oder eine ondulierte Folie, insbesondere wobei eine Blechstärke oder eine Folienstärke 0,05 % bis 2 %, vorzugsweise 0,2 % bis 1 % eines Durchmessers des zugeordneten Laminar-Strömungselementes entspricht. Unter einem ondulierten Blech oder einer ondulierten Folie wird dabei ein Blech oder eine Folie mit einer gewellten, gezackten oder auf andere Weise wellenförmigen Struktur verstanden. Die Wellenberge und Wellentäler oder die diesen entsprechenden Abschnitte bilden dann Strömungskanäle innerhalb des Laminar-Strömungselements. Indem die Blechstärke oder die Folienstärke gegenüber dem Durchmesser des Laminar-Strömungselements vergleichsweise gering ist, wird auch der Materialaufwand zur Herstellung des Laminar-Strömungselements gering gehalten. Zudem stellt dann das Laminar-Strömungselement nur einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand dar.
In einer Alternative umfasst beim ersten Laminar-Strömungselement und beim zweiten Laminar-Strömungselement das gewickelte Flachmaterial ein onduliertes Blech oder eine ondulierte Folie sowie ein unprofiliertes Blech oder eine unprofilierte Folie, wobei das ondulierte Blech oder die ondulierte Folie und das unprofilierte Blech oder die unprofilierte Folie in Radialrichtung alternierend angeordnet sind.. Die zahlreichen Strömungskanäle entstehen dann durch ein Zusammenwirken des unprofilierten Blechs oder der unprofilierten Folie mit dem ondulierten Blech oder der ondulierten Folie.
Zudem kann das gewickelte Flachmaterial innerhalb einer Hülle oder Hülse angeordnet sein.
Dabei kann beim ersten Laminar-Strömungselement und beim zweiten Laminar-Strömungselement das gewickelte Flachmaterial um einen jeweils zugeordneten Strömungselementkern gewickelt sein. Ein solcher Strömungselementkern ermöglicht es, das Flachmaterial präzise um diesen zu wickeln, sodass das Laminar-Strömungselement präzise definierte Strömungskanäle bereithält. Dadurch ist eine hohe Messgenauigkeit der Durchflussmesseinrichtung gewährleistet.
Die unterschiedlichen Fluiddurchflussmessbereiche werden in diesem Zusammenhang dadurch erreicht, dass die Bleche des ersten und des zweiten Laminar-Strömungselements beispielsweise unterschiedliche Blechstärken aufweisen, sich die Anzahl der Wickellagen unterscheidet, ein Durchmesser eines Strömungselementkerns unterschiedlich groß ist und/oder sich die Laminar-Strömungselemente hinsichtlich ihrer Länge unterscheiden.
In einer Gestaltungsalternative sind das erste Laminar-Strömungselement und das zweite Laminar-Strömungselement, insbesondere das jeweils zugeordnete Flachmaterial, aus einem Stahlwerkstoff, insbesondere aus einem Edelstahlwerkstoff, hergestellt. Ein solches Laminar-Strömungselement ist einfach und kostengünstig herstellbar. Darüber hinaus können Flachmaterialien aus Stahl oder Edelstahl präzise bearbeitet werden. Ferner sind diese Materialien in Bezug auf die meisten Fluide in chemischer Hinsicht unempfindlich, sodass das Laminar-Strömungselement gegenüber dem Fluid beständig ist und eine hohe Lebensdauer des Laminar-Strömungselements sichergestellt ist.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass beim ersten Laminar-Strömungselement und beim zweiten Laminar-Strömungselement in einer bezüglich einer zugeordneten Wickelachse radialen Richtung benachbart angeordnete Schichten des gewickelten Flachmaterials miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander verschweißt sind. Dadurch ist die Geometrie des Laminar-Strömungselements und insbesondere der in diesem vorgesehenen Laminar-Strömungskanäle stabil. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit Umwelteinflüssen wie Erschütterungen, Vibrationen und/oder Temperaturschwankungen. Somit gewährleistet das Laminar-Strömungselement auch bei solchen Umwelteinflüssen eine genaue Messung des Durchflusses.
Das Verschweißen geschieht vorteilhaft, indem das komplette Laminar-Strömungselement in einem Ofen ohne Zugabe von Zusatzwerkstoffen bei hoher Temperatur verschweißt wird. Aufgrund der geforderten Beständigkeit ist eine Verwendung von Loten oder Klebstoffen nachteilig.
Der Durchflussmesseinrichtung kann ein Regelventil zugeordnet sein, das in einer Strömungsrichtung des Hauptkanals stromaufwärts oder stromabwärts des Laminar-Strömungselementes liegt. Das Regelventil kann dann als Bestandteil einer sogenannten Sensor-Aktor-Einheit mit der Durchflussmesseinrichtung gekoppelt sein. Ist die Durchflussmesseinrichtung mit einem Regelventil ausgestattet, spricht man auch von einem Durchflussregler (flow controller), ohne Regelventil von einem Durchflussmesser oder Durchflusssensor (flow meter).
Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:

- 1 ein erfindungsgemäßes Baukastensystem,
- 2 a) und 2 b) ein erstes und ein zweites Laminar-Strömungselement des erfindungsgemäßen Baukastensystems aus 1,
- 3 in einer schematischen Ansicht das Funktionsprinzip des Baukastensystems aus 1,
- 4 in einer geschnittenen Darstellung ein Laminar-Strömungselement eines erfindungsgemäßen Baukastensystems und
- 5 ein Diagramm, in das Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinien verschiedener Laminar-Strömungselemente eines erfindungsgemäßen Baukastensystems eingetragen sind.

1 zeigt ein Baukastensystem 10 für Durchflussmesseinrichtungen.
Dabei umfasst das Baukastensystem 10 eine Durchflussmesseinrichtung 12, die dazu ausgebildet ist, einen Durchfluss eines nicht näher dargestellten Fluids zu erfassen. Die Durchflussmesseinrichtung 12 weist dafür einen Grundkörper 14 und eine am Grundkörper 14 angeordnete Sensoreinheit 16 auf.
Im Grundkörper 14 ist zudem ein vom Fluid durchströmbarer Hauptkanal 18 vorgesehen, in dem insgesamt ein einziges Laminar-Strömungselement eingesetzt ist. In der gezeigten Variante ist dies ein erstes Laminar-Strömungselement 20.
Darüber hinaus weist die Durchflussmesseinrichtung 12 einen das erste Laminar-Strömungselement 20 umgehenden Bypasskanal 22 auf.
Dabei ist im Bypasskanal 22 ein Strömungssensor 24 vorgesehen, der mit einer Sensorelektronik 26 zusammenwirkt.
Die Ausführungsformen gemäß 1weist einen sogenannten thermischen Kapillarsensor auf. Es können aber auch andere Sensoren, z. B. Chip-Sensoren verwendet werden.
Dabei ist der Strömungssensor 24 dazu ausgebildet, eine Strömung im Bypasskanal 22 oder eine zwischen den beiden Enden des Laminar-Strömungselements 20 anliegende Druckdifferenz Δp zu erfassen (siehe auch 5).
Nachdem das Laminar-Strömungselement 20 speziell dazu ausgebildet ist, in seinem Inneren eine laminare Strömung zu generieren, kann von der Strömung im Bypasskanal 22 oder von der zwischen den Enden anliegenden Druckdifferenz Δp auf einen Durchfluss D des Fluides zurückgeschlossen werden (vergleiche 5). Dabei ist es unerheblich, ob der Durchfluss D des Fluids als Massenstrom oder als Volumenstrom ausgedrückt wird.
Das erste Laminar-Strömungselement 20 ist in einem im Grundkörper 14 vorgesehenen Aufnahmeraum 28 angeordnet.
Darüber hinaus umfasst das Baukastensystem 10 ein zweites Laminar-Strömungselement 30, das in 1 gegenüber dem ersten Laminar-Strömungselement 20 vergrößert dargestellt ist.
Ferner sind in den 2a) und 2b) die Laminar-Strömungselemente 20, 30 im Detail zu sehen. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Strömungskanalquerschnitte und ihrer Länge.
Das zweite Laminar-Strömungselement 30 kann in 1 anstelle des ersten Laminar-Strömungselements 20 im Hauptkanal 18 zerstörungsfrei angeordnet werden. Das erste Laminar-Strömungselement 20 wird dafür zerstörungsfrei aus dem Grundkörper 14 gelöst.
Das zweite Laminar-Strömungselement 30 wird in diesem Zusammenhang ebenfalls im Aufnahmeraum 28 angeordnet. Das erste Laminar-Strömungselement 20 und das zweite Laminar-Strömungselement 30 nutzen also den selben Aufnahmeraum 28.
3 verdeutlich nochmals das dem Baukastensystem 10 aus 1 zugrunde liegende Funktionsprinzip in Form eines Schaltplans, wobei ein Fluiddurchfluss durch den Hauptkanal 18 mit D bezeichnet ist und ein Fluiddurchfluss durch den Bypasskanal 22 mit d.
Dabei kann der Durchflussmesseinrichtung 12 ein hier gestrichelt dargestelltes Regelventil 32 zugeordnet sein, wobei das Regelventil 32 in der dargestellten Ausführungsform in einer Strömungsrichtung 34 stromabwärts des im Hauptkanal 18 angeordneten Laminar-Strömungselements 20 positioniert ist.
Die Durchflussmesseinrichtung 12 und das Regelventil 32 können als sogenannte Sensor-Aktor-Einheit zusammenwirken und in dieser Konfiguration einen gewünschten Fluiddurchfluss bereitstellen.
Insbesondere anhand der 4 sowie der 2a) und 2b) ist erkennbar, dass das erste Laminar-Strömungselement 20 und das zweite Laminar-Strömungselement 30 zahlreiche Öffnungen 36 umfassen, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Öffnungen 36 können dabei auch als Laminar-Strömungskanäle bezeichnet werden, da mittels der Öffnungen 36 eine im Hauptkanal 18 vorherrschende Strömung innerhalb der Laminar-Strömungselemente 20, 30 in eine laminare Strömung überführt wird.
Dabei sind sowohl beim ersten Laminar-Strömungselement 20 als auch beim zweiten Laminar-Strömungselements 30 die Öffnungen 36 derart angeordnet, dass sie über mindestens 80 % der Strömungsquerschnittsfläche des Hauptkanals 18 verteilt sind, wenn das erste Laminar-Strömungselement 20 bzw. das zweite Laminar-Strömungselement 30 im Aufnahmeraum 28 eingesetzt ist.
Die Öffnungen 36 werden bei beiden Laminar-Strömungselementen 20, 30 dadurch erzeugt, dass ein Flachmaterial 38 um einen jeweils zugeordneten Strömungselementkern 40 gewickelt wird.
In der dargestellten Ausführungsform (siehe auch 2a) und 2b)) werden zwei unterschiedliche Arten von Flachmaterialien 38 verwendet. Zum einen ist bei beiden Laminar-Strömungselementen 20, 30 ein onduliertes Blech 42 um den Strömungselementkern 40 gewickelt.
Die Blechstärke beträgt dabei 0,2 % bis 1 % des Durchmessers des zugeordneten Laminar-Strömungselements 20, 30, sie ist also vergleichsweise gering.
Alternativ zum ondulierten Blech 42 kann auch eine ondulierte Folie verwendet werden.
Jeweils alternierend zum ondulierten Blech 42 ist ein unprofiliertes Blech 44 um den Strömungselementkern 40 gewickelt.
Die Öffnungen 36 entstehen somit durch das Zusammenwirken des unprofilierten Blechs 44 mit dem ondulierten Blech 42.
Auch anstelle des unprofilierten Blechs kann eine unprofilierte Folie verwendet werden.
Um die Geometrie der Laminar-Strömungselemente 20, 30 auch unter dem Einfluss von Vibrationen, Temperaturschwankungen, etc. stabil zu halten, sind die bezüglich einer Wickelachse 46 radial benachbart angeordneten Schichten des gewickelten Flachmaterials 38, also das ondulierte Blech 42 und das unprofilierte Blech 44, miteinander verschweißt.
Das erste Laminar-Strömungselement 20 und das zweite Laminar-Strömungselement 30 sind darüber hinaus bevorzugt aus einem Stahlwerkstoff, insbesondere aus einem Edelstahlwerkstoff, hergestellt.
Das erste Laminar-Strömungselement 20 und das zweite Laminar-Strömungselement 30 unterscheiden sich hinsichtlich ihres Strömungsverhaltens.
In diesem Zusammenhang ist ein maximal möglicher, laminarer Fluiddurchfluss durch die Laminar-Strömungselemente 20, 30 unterschiedlich.
Die Laminar-Strömungselemente 20, 30 können also für unterschiedliche, zu messende Fluiddurchflüsse eingesetzt werden.
Beispielsweise wird das erste Laminar-Strömungselement 20 verwendet, wenn vergleichsweise große Fluiddurchflüsse sensorisch erfasst werden sollen und das zweite Laminar-Strömungselement 30 bei vergleichsweise kleinen Fluiddurchflüssen.
Insgesamt kann somit mit der Durchflussmesseinrichtung 12 ein großer Bereich sensorisch erfassbarer Fluiddurchflüsse abgedeckt werden.
Durch die Wahl eines der Laminar-Strömungselemente 20, 30 kann auch ein Verhältnis des Fluiddurchflusses D durch den Hauptkanal 18 zum Fluiddurchfluss d durch den Bypasskanal 22 eingestellt werden (vgl. 3). Dieses Verhältnis liegt bei 1.000 bis 20.000.
Insbesondere wird in diesem Zusammenhang ein maximaler Fluiddurchfluss d durch den Bypasskanal 22 unabhängig davon im Wesentlichen gleich gehalten, ob das erste Laminar-Strömungselement 20 oder das zweite Laminar-Strömungselement 30 im Hauptkanal 18 eingesetzt ist.
Wenn also vergleichsweise große Fluiddurchflüsse gemessen werden sollen, muss ein Laminar-Strömungselement 20, 30 im Hauptkanal 18 eingesetzt sein, das ein vergleichsweise großes Verhältnis der Fluiddurchflüsse d, D erzeugt.
Wenn vergleichsweise geringe Fluiddurchflüsse gemessen werden sollen, muss ein Laminar-Strömungselements 20, 30 verwendet werden, das ein vergleichsweise kleines Verhältnis bewirkt.
Es kann beispielsweise das erste Laminar-Strömungselement 20 ein Verhältnis von 10.000 erzeugen und das zweite Laminar-Strömungselement 30 ein Verhältnis von 4.000.
Weitere Laminar-Strömungselemente können Verhältnisse von 2.500 und/oder 6.000 erzeugen, wobei die Anzahl an Laminar-Strömungselementen im Baukastensystem 10 im Prinzip unbeschränkt ist.
Auch unterscheiden sich das erste Laminar-Strömungselement 20 und das zweite Laminar-Strömungselement 30 hinsichtlich einer ihnen eingeprägten Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinie 50 (siehe 5).
Exemplarisch sind in 5 vier verschiedene Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinien 50 dargestellt, die eine Kurvenschar bilden. Jede dieser Kennlinien 50 ist einem Laminar-Strömungselement zugeordnet. Dabei gehört beispielsweise die Kennlinie 50a zum ersten Laminar-Strömungselement 20 und die Kennlinie 50b zum zweiten Laminar-Strömungselement 30.
Anhand des Diagramms der 5 wird somit deutlich, dass unter der Voraussetzung, dass der Strömungssensor 24 einen konstanten Messbereich aufweist, mithilfe der unterschiedlichen Laminar-Strömungselemente 20, 30 unterschiedliche Messbereiche für den Fluiddurchfluss D realisiert werden können.
Dabei unterscheiden sich die Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinien 50a, 50b derart, dass die zugeordneten Fluiddurchflüsse D₁ und D₂ bei einem vordefinierten maximalen Fluiddurchfluss d durch den Bypasskanal 22 oder bei einer vordefinierten Auslegungsdruckdifferenz Δp_A, in einem Verhältnis von 1,2 bis 3 stehen. Vorliegend beträgt das Verhältnis von D₁ zu D₂ ungefähr 1,5.
Wie bereits erläutert, ist die Anzahl an im Baukassensystem 10 vorgesehenen Laminar-Strömungselementen prinzipiell nicht begrenzt. Die nicht näher erläuterten Kennlinien 50c und 50d können in diesem Zusammenhang beispielsweise zusätzlichen Laminar-Strömungselementen zugeordnet sein. Somit kann mittels der Durchflussmesseinrichtung 12 ein noch weiter vergrößerter Messbereich an Fluiddurchflüssen D abgedeckt werden.

Claims

Baukastensystem (10) für Durchflussmesseinrichtungen (12), mit einer Durchflussmesseinrichtung (12) zur Erfassung eines Durchflusses (D) eines Fluids, das einen Grundkörper (14) aufweist, und einem ersten und zumindest einem zweiten Laminar-Strömungselement (20, 30), die jeweils zahlreiche Öffnungen und ein gewickeltes Flachmaterial (38) umfassen, wobei wahlweise das erste oder das zumindest eine zweite Laminar-Strömungselement (20, 30) jeweils einzeln in den Grundkörper (14) eingesetzt und zerstörungsfrei aus ihm entfernt werden können, wobei in dem Grundkörper (14) ein vom Fluid durchströmbarer Hauptkanal (18), in den insgesamt ein einziges der Laminar-Strömungselemente (20, 30) eingesetzt ist, sowie ein das eingesetzte Laminar-Strömungselement (20, 30) umgehender Bypasskanal (22) mit einem Strömungssensor (24) vorgesehen sind, und wobei sich das zumindest eine zweite Laminar-Strömungselement (30) hinsichtlich seines Strömungsverhaltens vom ersten Laminar-Strömungselement (20) unterscheidet.
Baukastensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Laminar-Strömungselement (20) und das zweite Laminar-Strömungselement (30) im selben, im Grundkörper (14) der Durchflussmesseinrichtung (12) vorgesehenen Aufnahmeraum (28) wahlweise aufnehmbar sind.
Baukastensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Laminar-Strömungselement (20) und das zweite Laminar-Strömungselement (30) hinsichtlich ihres maximal möglichen, laminaren Fluiddurchflusses und/oder hinsichtlich einer ihnen eingeprägten Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinie (50, 50a, 50b) unterscheiden.
Baukastensystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fluiddurchfluss-Druckdifferenz-Kennlinien (50, 50a, 50b) des ersten Laminar-Strömungselementes (20) und des zweiten Laminar-Strömungselementes (30) derart unterscheiden, dass die einer vordefinierten Auslegungsdruckdifferenz (Δp_A) oder einem vordefinierten maximalen Fluiddurchfluss (d) durch den Bypasskanal (22) zugeordneten Fluiddurchflüsse (D₁, D₂) in einem Verhältnis von 1,2 bis 3, insbesondere von 1,4 bis 1,7, stehen.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchfluss (D) durch den Hauptkanal (18) und ein Durchfluss (d) durch den Bypasskanal (22) in einem Verhältnis von 1.000 bis 20.000 stehen, insbesondere wobei ein maximaler Durchfluss (d) durch den Bypasskanal (22) unabhängig davon, ob das erste Laminar-Strömungselement (20) oder das zweite Laminar-Strömungselement (30) im Hauptkanal (18) eingesetzt ist im Wesentlichen gleich ist.
Baukastensystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis im Wesentlichen 2.500, 4.000, 6.000 oder 10.000 beträgt, wenn das erste Laminar-Strömungselement (20) im Hauptkanal (18) eingesetzt ist und das Verhältnis einen anderen der Werte 2.500, 4.000, 6.000 und 10.000 annimmt, wenn das zweite Laminar-Strömungselement (30) im Hauptkanal (18) eingesetzt ist.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Laminar-Strömungselement (20) oder beim zweiten Laminar-Strömungselement (30) die Öffnungen (36) über mindestens 80 %, vorzugsweise über mindestens 90 %, der Strömungsquerschnittsfläche des Hauptkanals (18) verteilt sind, wenn das erste Laminar-Strömungselement (20) bzw. das zweite Laminar-Strömungselement (30) im Grundkörper (14) eingesetzt ist.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Laminar-Strömungselement (20) und beim zweiten Laminar-Strömungselement (30) das gewickelte Flachmaterial (38) ein onduliertes Blech (42) oder eine ondulierte Folie umfasst, insbesondere wobei eine Blechstärke oder eine Folienstärke 0,05 % bis 2 %, vorzugsweise 0,2 % bis 1 % eines Durchmessers des zugeordneten Laminar-Strömungselementes (20, 30) entspricht.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Laminar-Strömungselement (20) und beim zweiten Laminar-Strömungselement (30) das gewickelte Flachmaterial (38) ein onduliertes Blech (42) oder eine ondulierte Folie sowie ein unprofiliertes Blech (44) oder eine unprofilierte Folie umfasst, wobei das ondulierte Blech (42) oder die ondulierte Folie und das unprofilierte Blech (44) oder die unprofilierte Folie in Radialrichtung alternierend angeordnet sind.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Laminar-Strömungselement (20) und beim zweiten Laminar-Strömungselement (30) das gewickelte Flachmaterial (38) um einen jeweils zugeordneten Strömungselementkern (40) gewickelt ist.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Laminar-Strömungselement (20) und das zweite Laminar-Strömungselement (30), insbesondere das jeweils zugeordnete Flachmaterial (38), aus einem Stahlwerkstoff, insbesondere aus einem Edelstahlwerkstoff, hergestellt ist.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Laminar-Strömungselement (20) und beim zweiten Laminar-Strömungselement (30) in einer bezüglich einer zugeordneten Wickelachse (46) radialen Richtung benachbart angeordnete Schichten des gewickelten Flachmaterials (38) miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander verschweißt sind.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussmesseinrichtung (12) ein Regelventil (32) zugeordnet ist, das in einer Strömungsrichtung (34) des Hauptkanals (18) stromaufwärts oder stromabwärts des Laminar-Strömungselementes (20, 30) liegt.
Baukastensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des ersten Laminar-Strömungselements (20) oder innerhalb des zweiten Laminar-Strömungselements (30) ausgebildete Laminarströmungskanäle im Wesentlichen entlang des Hauptkanals erstrecken, wenn das erste Laminar-Strömungselement (20) bzw. das zweite Laminar-Strömungselement (30) in den Grundkörper (14) eingesetzt ist.