EP1904813A2 - Staudrucksonde - Google Patents

Staudrucksonde

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EP1904813A2
EP1904813A2 EP06775703A EP06775703A EP1904813A2 EP 1904813 A2 EP1904813 A2 EP 1904813A2 EP 06775703 A EP06775703 A EP 06775703A EP 06775703 A EP06775703 A EP 06775703A EP 1904813 A2 EP1904813 A2 EP 1904813A2
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EP
European Patent Office
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sensor unit
sensor
fluid
unit
measuring probe
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06775703A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Betz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH
systec Controls Mess und Regeltechnik GmbH
Original Assignee
systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH
systec Controls Mess und Regeltechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH, systec Controls Mess und Regeltechnik GmbH filed Critical systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/14—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
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    • G01F1/363—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction with electrical or electro-mechanical indication
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    • G01F1/40—Details of construction of the flow constriction devices
    • G01F1/46—Pitot tubes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/50—Correcting or compensating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/14—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid
    • G01P5/16—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid using Pitot tubes, e.g. Machmeter

Definitions

  • Hot-melt anemometers are known for measuring mass flow. In this
  • the gas flow is passed over a heated surface of the sensor.
  • the flowing gas cools the heated surface.
  • the value of this cooling is the starting point for the determination of the mass flow.
  • the static pressure, the differential pressure and the temperature must be known. According to the invention, these variables are detected by individual sensors which are located in an integrated unit and detected by the individual sensors
  • Values are then processed in an integrated processing unit.
  • the sensor unit outputs to a subsequent control unit from a value that already takes into account other parameters and / or physical constants.
  • part of the computing power is advantageously done in the sensor unit and relieves the control unit.
  • it is contemplated to integrate a further sensor, which allows an analysis of Fluidzusaminen Anlagen. This makes it possible, e.g. Determine pollutant loads of engine exhaust.
  • Advantageous Effects The listed measured variables are required, for example, for the optimized control of an internal combustion engine.
  • the optimized control of an internal combustion engine In particular, in this application, the
  • Figure 2 shows the sensor unit in the bottom view
  • the sensor unit 1 has a measuring probe 2, which comes into contact with the fluid and a housing part 3, which is located outside of the fluid.
  • the housing part 3 are the individual not visible here sensors and the computing unit.
  • the sensor unit 1 is provided to be attached directly to a fluid-carrying line. Through an opening in the fluid-carrying line, the probe 2 can protrude into the fluid flow.
  • a seal 5 is provided, which seals the opening.
  • the measuring probe 2 is at least partially designed as a dynamic pressure probe 4.
  • Fluid has a direction of flow according to the arrow S.
  • a storage area 6 is formed by a storage area 6 depending on the flow
  • Pressure difference at two measuring openings. 2 is a view from below of the sensor unit 1. In this illustration, one recognizes the two measuring openings 7a and 7b of the dynamic pressure probe. At the lower end of the storage area 6 there is a further measuring opening 8 for detecting the static pressure. The measuring opening 8 is arranged so that the fluid flows laminar past her.
  • a temperature sensor 9 Also in the measuring mode 2 is a temperature sensor 9.
  • Temperature sensor is located near the surface in the measuring mode 2, whereby it can quickly detect changes in temperature of the fluid.
  • the temperature sensor 9 is located in the storage area. This storage area consists of relatively little material and therefore follows promptly the temperature changes of the fluid.
  • the temperature sensor 9 is arranged at a position at which the fluid flows past laminar. In this way, it is avoided that particles transported in the fluid outside of the measuring probe 2 form an insulating layer, which falsifies the temperature measurement.
  • the mass flow of a fluid can be determined.
  • the housing of the sensor unit completely or at least partially in the region of the measuring probe 2 with a surface which has a so-called nanostructure.
  • This nanostructure ensures that particles transported in the fluid can not permanently settle on the surface of the measuring probe.
  • FIG. 3 A particularly simple embodiment of the measuring probe with regard to the manufacturing outlay is shown in FIG. 3.
  • slots 10 are present in the probe. In the selected representation, only one of the slots is visible. These slots are each in the outer wall of the two channels leading to the differential pressure sensor in the housing part. The connecting wall between the two channels is unchanged and is used as a storage area.
  • the length of the slots results in a certain mean value function when the flow velocity of the fluid is different at different locations of the slot.
  • the one arithmetic unit and the sensors for the dynamic differential pressure and the sensor for the static pressure are housed protected.
  • To the arithmetic unit is also the temperature sensor 9 and / or the
  • Gas analysis sensor connected.
  • the arithmetic unit outputs a measured value which results from the individual values of the various sensors.
  • the arithmetic unit is designed to be flexible and can be adapted to different requirements of subsequent control units.
  • the invention is industrially applicable in many fields in which a long-term stability of the measured values is important.

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Abstract

Um den Massenstrom, den Normvolumenstrom oder den Enthalpiestrom eines Fluids ermitteln zu können, müssen der statische Druck, der Differenzdruck und die Temperatur bekannt sein. Erfindungsgemäß werden diese Größen durch einzelne Sensoren, die sich in einer integrierten Einheit befinden erfasst und die von den einzelnen Sensoren erfassten Werte werden anschließend in einer ebenfalls integrierten Recheneinheit verarbeitet. Diese Sensoreinheit gibt an eine nachfolgende Regeleinheit einen Wert ab, der auch schon andere Parameter und/oder physikalische Konstanten berücksichtigt. Hierdurch wird vorteilhaft ein Teil der Rechenleistung in der Sensoreinheit erledigt und die Regeleinheit entlastet.

Description

Beschreibung
Sensoreinheit für Fluide Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Messung von Massenstrom oder
Normvolumenstrom und/oder Wärmefracht und/oder Schadstofffracht eines
Fluids.
Stand der Technik [0002] Zur Messung des Massenstroms sind Heißfilm-Anemometer bekannt. Bei diesem
Typ von Sensor wird der Gasstrom über eine beheizte Fläche des Sensors geleitet.
Durch das strömende Gas erfolgt eine Abkühlung der beheizten Fläche. Der Wert dieser Abkühlung ist die Ausgangsbasis für die Ermittlung des Massenstroms. [0003] Durch das Gas werden oftmals auch Partikel oder Kondensate befördert, die zu
Ablagerungen auf den beheizten Flächen führen, wodurch nachteilig während der
Einsatzdauer ein Drift der Messwerte entsteht. Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe [0004] Es ist Aufgabe der Erfindung einen Sensor zur Messung des Massenstroms zu schaffen, bei dem Partikel oder Kondensate im Fluid keinen Drift der Messwerte verursachen. Technische Lösung [0005] Die Überlegungen, die zur Entstehung der vorliegenden Erfindung führten gingen davon aus, dass bei einem Sensor, der keine Flächen aufweist, an welchen das
Fluid und die rnitgeführten Partikel vorbeiströmen prinzipiell keine Ablagerungen entstehen können. [0006] Die Erfindung basiert auf dem Prinzip der Staudrucksondenmessung, bei welcher in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Dichte des Fluids ein reproduzierbarer Differenzdruck entsteht. [0007] Um den Massenstrom, den Normvolumenstrom oder den Enthalpiestrom eines
Fluids ermitteln zu können, müssen der statische Druck, der Differenzdruck und die Temperatur bekannt sein. [0008] Erfindungsgemäß werden diese Größen durch einzelne Sensoren, die sich in einer integrierten Einheit befinden erfasst und die von den einzelnen Sensoren erfassten
Werte werden anschließend in einer ebenfalls integrierten Recheneinheit verarbeitet. [0009] Die Sensoreinheit gibt an eine nachfolgende Regeleinheit einen Wert ab, der auch schon andere Parameter und/oder physikalische Konstanten berücksichtigt.
Hierdurch wird vorteilhaft ein Teil der Rechenleistung in der Sensoreinheit erledigt und die Regeleinheit entlastet. [0010] In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, einen weiteren Sensor zu integrieren, der eine Analyse der Fluidzusaminensetzung ermöglicht. Hierdurch ist es möglich, z.B. Schadstofffrachten von Motorabgasen zu ermitteln. Vorteilhafte Wirkungen [0011] Die aufgeführten Messgrößen werden beispielsweise zur optimierten Steuerung eines Verbrennungsmotors benötigt. Da insbesondere bei dieser Anwendung das
„driften" von Messwerten sehr nachteilige Auswirkungen hat, überwindet die vorliegende Erfindung vorteilhaft die Nachteile des Standes der Technik. [0012] Die Integration aller Sensoren und der Recheneinheit hat den Vorteil einer kompakten, an vielen Orten und vielen Einsatzzwecken einsetzbaren
Sensoreinheit mit einer Langzeitstabilität der Messwerte. Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0013] Es zeigen die
Figur 1 in perspektivischer Darstellung die Sensoreinheit, die
Figur 2 die Sensoreinheit in der Ansicht von unten und die
Figur 3 in eine weitere Ausfuhrungsform der Sensoreinheit. [0014] Die Sensoreinheit 1 hat eine Messsonde2, das mit dem Fluid in Berührung kommt und einen Gehäuseteil 3, das sich außerhalb des Fluids befindet. [0015] Im Gehäuseteil 3 befinden sich die einzelnen hier nicht sichtbaren Sensoren und die Recheneinheit. [0016] Die Sensoreinheit 1 ist vorgesehen direkt an eine fluidführende Leitung angebracht zu werden. Durch eine Öffnung in der fluidführenden Leitung kann die Messsonde 2 in den Fluidstrom ragen. An der Unterseite des Gehäuseteils 3 ist eine Dichtung 5 vorgesehen, welche die Öffnung abdichtet. [0017] Die Messsonde 2 ist zumindest teilweise als Staudrucksonde 4 ausgestaltet. Das
Fluid hat eine Strömungsrichtung gemäß des Pfeiles S. In bekannter Weise entsteht durch einen Staubereich 6 ein von der Strömung abhängiger
Druckunterschied an zwei Messöffnungen. [0018] Die Figur 2 ist eine Sicht von unten auf die Sensoreinheit 1. In dieser Darstellung erkennt man die beiden Messöffnungen 7a und 7b der Staudrucksonde. [0019] Am unteren Ende des Staubereiches 6 befindet sich eine weitere Messöffnung 8 zum Erfassen des statischen Druckes. Die Messöffnung 8 ist so angeordnet, dass das Fluid laminar an ihr vorbeiströmt.
[0020] Ebenfalls in der Messsode 2 befindet sich ein Temperatursensor 9. Der
Temperatursensor ist oberflächennah in der Messsode 2 angeordnet, wodurch er schnell Temperaturänderungen des Fluids erfassen kann. Im gezeigten Beispiel befindet sich der Temperatursensor 9 in der Staufläche. Diese Staufläche besteht aus relativ wenig Material und folgt daher zeitnah den Temperaturänderungen des Fluids.
[0021] Bevorzugt ist der Temperatursensor 9 an einer Stelle angeordnet, an welcher das Fluid laminar vorbeiströmt. Hierdurch ist es vermieden, dass im Fluid transportierte Partikel außen auf der Messsonde 2 eine isolierende Schicht bilden, die den Temperaturmesswert verfälscht.
[0022] Mit den drei Messgrößen statischer Druck, dynamischer Differenzdruck und Temperatur lässt sich der Massenstrom eines Fluids bestimmen.
[0023] Vorteilhaft ist es das Gehäuse der Sensoreinheit ganz oder zumindest teilweise im Bereich der Messsonde 2 mit einer Oberfläche zu versehen, die eine sogenannten Nanostruktur aufweist.
[0024] Durch diese Nanostruktur wird erreicht, dass im Fluid transportierte Partikel sich nicht dauerhaft auf der Oberfläche der Messsonde festsetzen können.
[0025] Eine hinsichtlich des Fertigungsaufwandes besonders einfache Ausführungsform der Messsonde zeigt die Figur 3.
[0026] Hier sind in der Messsonde Schlitze 10 vorhanden. In der gewählten Darstellung ist nur einer der Schlitze zu sehen. Diese Schlitze sind jeweils in der Außenwand der beiden Kanälen, die zum Differenzdrucksensor im Gehäuseteil führen. Die Verbindungswand zwischen den beiden Kanälen ist unverändert und findet als Staufläche Verwendung.
[0027] Durch die Länge der Schlitze ergibt sich eine gewisse Mittelwertfunktion wenn die Fließgeschwindigkeit des Fluids an verschiedenen Stellen des Schlitzes unterschiedlich ist.
[0028] Durch die Integration eines zusätzlichen, hier nicht gezeigten Gasanalysesensors lässt sich auch die Schadstoff- oder Kondensatfracht des Fluids bestimmen. Dieser Gasanalysesensor benötigt prinzipbedingt Kontakt zum strömenden Fluid. [0029] Auch wenn dieser Gasanalysesensor einen Drift der Messwerte unterliegt, so ist durch die erfinderische Ausgestaltung der übrigen Sensoren vorteilhaft erreicht, dass nicht alle Sensoren einem Drift unterliegen. Diese Kombination ist in jedem Fall auch neu.
[0030] Im Gehäuseteil 3 sind die eine Recheneinheit und die Sensoren für den dynamischen Differenzdruck und der Sensor für den statischen Druck geschützt untergebracht.
[0031] An die Recheneinheit ist auch der Temperatursensor 9 und/oder der
Gasanalysesensor angeschlossen. Von der Recheneinheit wird ein Messwert abgegeben, der sich aus den einzelnen Werten der verschiedenen Sensoren ergibt.
[0032] Die Recheneinheit ist flexibel gestaltet und lässt sich an unterschiedliche Anforderungen von nachfolgenden Regeleinheiten anpassen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
[0033] Die Erfindung ist gewerblich in vielen Bereichen anwendbar, in denen eine Langzeitstabilität der Messwerte von Bedeutung ist.

Claims

Ansprüche
1. Sensoreinheit für Fluide, bestehend aus einer Messsonde, welche mit dem Fluid in Kontakt steht und einem Gehäuseteil, in welchem Sensoren angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, dass in der Messsonde Kanäle (7a, 7b) für das Erfassen des dynamischen Differenzdrucks und ein Kanal (δ) für das Erfassen des statischen Drucks vorhanden sind und diese Kanäle (7a, 7b, 8) mit Sensoren im Gehäuseteil (3) der Sensoreinheit (1) verbunden sind.
2. Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messsonde (2) zusätzlich ein Temperatursensor (9) vorhanden ist.
3. Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messsonde (2) zusätzlich ein Gasanalyse Sensor vorhanden ist.
4. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dass bei beiden Kanälen (7a, 7b) die zum Differenzdrucksensor im Gehäuseteil führen in der Außenwand Schlitze (10a, 10b) angebracht sind und die zwischen den Kanälen (7a, 7b) verbleibende Wandung (11) als Staufläche Verwendung findet.
5. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1) ganz oder teilweise eine Oberfläche mit einer Nanostruktur aufweist.
6. Sensoreinheit nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (3) eine Oberfläche mit einer Nanostruktur aufweist.
EP06775703A 2005-07-14 2006-07-13 Staudrucksonde Withdrawn EP1904813A2 (de)

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PCT/DE2005/001258 WO2007009409A1 (de) 2005-07-14 2005-07-14 Staudrucksonde
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