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Dokumentenidentifikation DE10114576C2 23.01.2003
Titel Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung
Anmelder KUNDO SystemTechnik GmbH, 78112 St. Georgen, DE
Erfinder Pfeiffer, Ulrich, 78112 St. Georgen, DE;
Broghammer, Rudolf, 78664 Eschbronn, DE
Vertreter Goy, W., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 79108 Freiburg
DE-Anmeldedatum 24.03.2001
DE-Aktenzeichen 10114576
Offenlegungstag 02.10.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.2003
IPC-Hauptklasse F17D 3/18

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Volumenstrommeßgerät hat verschiedene Anwendungsgebiete. So dient es insbesondere zur Volumenstrommessung von Flüssigkeiten, Gasen und anderen Medien (Nahrungsmittel, Arzneistoffe etc.), als Wasserzähler sowie anderen Durchflußmeßeinrichtungen im Medizin-, Chemie- und Nahrungsmittelbereich, aber auch zur Wärmemengenmessung sowie für Dosiereinrichtungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung verwendet dabei einen Strömungssensor nach dem Staudruckverfahren. Hierzu ist ein Meßrohr vorgesehen, durch welches das Medium fließt. Diesem Meßrohr ist ein Differenzdrucksensor zugeordnet. Die bekannten Vorrichtungen sind dabei aufwendig und damit teuer. Ein Austausch des Sensors ist nicht möglich. Es ist daher notwendig, die gesamte Meßeinrichtung einschließlich Volumengebergehäuse auszutauschen. Statische Wärmemeßanordnungen und Verwendung dieses Prinzips sind damit aufwendig und teuer. Dynamische Meßanordnungen sind einem Verschleiß unterworfen, weil sie bewegliche Teile besitzen und deswegen wesentlich störanfälliger sind als statische Wärmemengenzähler. Bedingt durch den mechanischen Aufbau mit einem Trägermaterial und der nicht mechanisch spannungsfreien Halterung ergeben sich nicht reproduzierbare Beeinflussungen der Drucksensorkennlinie durch das Trägermaterial bzw. durch die Klebe- und Vergußverfahren. Außerdem lagern sich Luftblasen am Drucksensor an, welche falsche Meßwerte zur Folge haben.

Die DD 270 758 A1 zeigt einen Volumenstromsensor für Hydrauliksysteme der eingangs angegebenen Art. Hierfür ist ein rohrförmiger Adapter vorgesehen, dessen Wandung eine Öffnung aufweist. In diese Öffnung ist ein Einschraubstutzen eingeschraubt, wobei zwischen dem Adapter und diesem Einschraubstutzen eine Dichtung angeordnet ist. In diesen Einschraubstutzen wiederum ist das Gehäuse des Volumenstromsensors hineingesteckt. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse einen umfangsseitigen Anschlagring auf, welcher aufgrund seiner Kegelform an der korrespondierenden Innenkegelmantelfläche des Einschraubstutzens anliegt. Gesichert wird das Gehäuse des Volumenstromsensors im Einbaustutzen mittels einer Überwurfmutter. Die Abdichtung zwischen dem Volumenstromsensor und dem Einschraubstutzen erfolgt über zwei umfängliche Dichtungen. Am unteren Ende weist der Volumenstromsensor eine in das Strömungsmedium ragende Biegezunge sowie einen Temperatursensor auf. Offensichtlich ist die Biegezunge an das Gehäuse des Volumenstromsensors angeschraubt. - Der Nachteil dieser bekannten Konstruktion besteht in dem relativ komplizierten Aufbau, weil zusätzlich ein Einschraubstutzen vorgesehen ist. Außerdem läßt sich die Fixierung des Volumenstromsensors mittels der Überwurfmutter nur mit speziellen Werkzeugen durchführen. Schließlich besteht aufgrund der Anordnung der Umfangsdichtungen die Gefahr, daß der Volumenstromsensor sich schräg in der Öffnung befindet.

Die DE 298 11 345 U1 zeigt eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Durchflußmenge einer durch eine Rohrleitung strömenden Flüssigkeit. Zu diesem Zweck ist an einer Öffnung der Rohrleitung ein Rohrstutzen angeschweißt. Dieser trägt einen zylinderförmigen Sondenkörper. In einer axialen Bohrung dieses Sondenkörpers ist ein Tauchrohr angeordnet, welches an seinem vorderen Ende eine Sonde trägt, welche als Differenzdruckmeßkopf ausgebildet ist.

Die DE 196 14 458 C2 zeigt einen Druck- oder Differenzdrucksensor sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Zu diesem Zweck ist ein Träger mit etwa rechteckiger Form vorgesehen, welcher in einem mittleren, etwa quadratischen Bereich eine deutlich geringere Dicke aufweist, welcher eine Membran eines Druck- oder Differenzdrucksensors bildet. Der übrige Träger ist im wesentlichen starr. Sowohl der Träger als auch die Membran sind aus Silizium gebildet. Der Träger mit seiner Membran für den Druck- oder Differenzdrucksensor ist sandwichartig zwischen einem plattenförmigen Grundkörper und einer Abdeckplatte eingebettet, wobei diese im Bereich der Membran Öffnungen aufweisen. Um diese Membran herum verläuft eine Dichtung in Form von O-Ringen.

Die DE 90 10 216 U1 schließlich zeigt eine Meßvorrichtung für strömende Medien in einer Rohrleitung. Zu diesem Zweck wird zunächst in eine Öffnung der Rohrleitung eine Schraubaufnahme eingedreht. In diese Schraubaufnahme wiederum wird ein Einschraubelement eingedreht, welches eine Meßsonde trägt. Zwischen der Schraubaufnahme und dem Einschraubelement ist eine Dichtung in Form eines O-Ringes angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung der eingangs angegebenen Art die Anordnung und Fixierung des Sensorgehäuses im Meßrohr zu verbessern.

Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Dadurch ist eine Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung geschaffen, bei der das Sensorgehäuse auf einfache und zuverlässige Weise in der im Meßrohr ausgebildeten Öffnung fixiert ist, wobei insbesondere auch ein rasches Auswechseln des Sensorgehäuses gegen ein anderes Sensorgehäuse möglich ist. Die Grundidee besteht darin, den Anschlagring des Sensorgehäuses sandwichartig zwischen einem Dichtelement auf der einen Seite und einem Sicherungsring auf der anderen Seite zu fixieren. Vor allem ist damit auch eine reproduzierbare Plazierung des Differenzdrucksensors in Strömungsmedium gewährleistet. Bei dem Dichtelement handelt es sich um einen O- Ring. Alternativ kann auch ein angespritztes Dichtelement (2 K-Spritzteil) am Gehäuse vorgesehen sein. Dadurch ist eine einwandfreie Abdichtung zwischen dem Sensorgehäuse und dem Meßrohr gewährleistet. Zur Montage des Sensorgehäuses wird dieses in die Öffnung des Meßrohres hineingesteckt, um anschließend in der darüber befindlichen Umfangsnut der Öffnung den Sicherungsring zu plazieren. Dieser Sicherungsring übergreift den Anschlagring und fixiert somit das Sensorgehäuse. Als Sicherungsring kann beispielsweise ein Sprengring vorgesehen sein. Dadurch wird ein einfacher Austausch möglich.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 schlägt vor, daß das Sensorgehäuse im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Andere Formen sind selbstverständlich auch denkbar.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 hat den Vorteil, daß der Differenzdrucksensor innerhalb des Meßrohres in der richtigen Position ausgerichtet ist.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 4 geht von der Grundidee aus, daß das Sensorgehäuse als Träger für den Differenzdrucksensor dient. Dieser ragt als Flügel oder als Paddel in das Innere des Meßrohres.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 5 stellt eine einfache konstruktive Einheit dar, wobei durch die Einbettung des Trägers im Sensorgehäuse der Differenzdrucksensor sicher gehalten und fixiert ist.

Vorzugsweise ist der Träger gemäß Anspruch 6 im wesentlichen plattenförmig ausgebildet.

Eine bevorzugte Ausbildung des Trägers in Form von zwei fest miteinander verbundenen Trägerteilen schlägt Anspruch 7 vor. Die Grundidee besteht darin, den hinteren Bereich des Trägers insbesondere als Leiterplatte auszubilden. Diese Leiterplatte kann Kontaktbahnen aufnehmen, außerdem eine vergossene integrierte Schaltung. Der eigentliche Differenzdrucksensor ist dann am vorderen Ende des vorderen Trägerteils befestigt. Dieses vordere Trägerelement besteht vorzugsweise aus Silizium.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 8 stellt zwei einfache Möglichkeiten dar, um den Drucksensor sowie die weiteren auf dem Träger befindlichen elektronischen Elemente mit einer externen Auswerteeinheit über einen Kabelanschluß zu verbinden.

Die Weiterbildung gemäß den Ansprüchen 9 und 10 schlägt eine konstruktive Ausgestaltung des Differenzdrucksensors vor. Das Grundprinzip besteht darin, in dem Träger, insbesondere in dem vorderen Trägerteil aus Silizium, eine Fensteröffnung auszubilden, in welcher der Differenzdrucksensor integriert ist. Indem die Membran des Differenzdrucksensors von der einen Seite her von dem Medium angeströmt wird, entsteht dadurch ein Überdruck und bezüglich der Rückseite der Membran eine Druckdifferenz. Der somit zwischen Vorder- und Rückseite entstehende Differenzdruck ist dabei proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit. Zum Messen der Auslenkung der Membran können Dehnmeßstreifen, Piezoelemente oder kapazitive Einrichtungen dienen. Der "Chip" des vorderen Tägerteils entspricht somit im Membranbereich einem Silizium-Drucksensorchip.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung schlägt Anspruch 11 vor. Die Grundidee besteht darin, den Differenzdrucksensor- Chip nicht direkt am hinteren Trägerteil, insbesondere an der Leiterplatte anzubringen, sondern das vordere Trägerteil im Sinne eines verlängerten Chips auszugestalten. Da somit der Differenzdrucksensor und damit die Meßstelle einen weiten Abstand zu der Verbindungsstelle zwischen dem vorderen und dem hinteren Trägerteil aufweist, werden mechanische Spannungen, welche von dieser Verbindungsstelle ausgehen, auf den Differenzdrucksensor gemindert und damit die Meßgenauigkeit erhöht. Außerdem befindet sich der Chip direkt im Medium, d. h. es ist kein Gehäuse um den eigentlichen Meß-Chip vorgesehen. Dadurch können sich auch keine Luftblasen anlagern, welche ansonsten zu Meßfehlern führen würden. Schließlich besteht nicht die Gefahr des Verschließens durch Schmutz.

Vorzugsweise beträgt dabei gemäß Anspruch 12 die Gesamtlänge des vorderen Trägerteils wenigstens das 1,5-fache, insbesondere wenigstens etwa das 2-fache der Länge des Bauabschnittes des Differenzdrucksensors.

Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung schlägt Anspruch 13 vor. Indem zusätzlich ein Temperatursensor vorgesehen ist, kann die Vorrichtung als Wärmemengenmesser verwendet werden. Dieser Temperatursensor ist vorzugsweise ebenfalls auf dem Träger, insbesondere auf dem vorderen Trägerteil angeordnet. Somit wird mittels dieses Temperatursensors unmittelbar die Temperatur des umströmenden Mediums gemessen. Durch diese integrierte Temperaturmessung kann somit die Wärmemenge unmittelbar bestimmt werden. Bei dem Temperatursensor kann es sich um einen Platin-Temperatursensor handeln. Auch ist es gemäß der Weiterbildung in Anspruch 14 möglich, einen temperaturabhängigen Silizium-Temperatursensor direkt im Differenzdurchflußsensor zu implementieren.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung als Verwendung eines Wärmemengenmessers wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Meßrohres mit dem Sensorgehäuse;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in der Längsmittellinie aufgeschnittenen Meßrohres der Fig. 1;

Fig. 3a und 3b perspektivische Ansichten des Sensorgehäuses von der Vorderseite sowie von der Rückseite her;

Fig. 4 den in dem Sensorgehäuse eingebetteten, plattenartigen Träger für den Differenzdrucksensor sowie weiterer elektronischer Elemente.

Die Meßvorrichtung weist ein Meßrohr 1 auf, welches sich im mittleren Bereich vom Durchmesser her etwas verjüngt, um einen Venturi-Effekt zu erzielen. Dabei befindet sich in den Fig. 1 und 2 die Einlaufseite links.

Die Wand 2 des Meßrohres 1 besitzt eine Öffnung 3 zur Aufnahme eines Sensorgehäuses 4. Dieses Sensorgehäuse 4 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist einen umfangsseitigen Anschlagring 5 auf. Dazu korrespondierend weist die Öffnung 3 im Meßrohr 1 eine ringförmige Gegenfläche 6 auf. Zwischen der Unterseite des Anschlagrings 5 und der Wand 2 des Meßrohres 1 befindet sich in einer Ringausnehmung 7 ein Dichtelement 8 in Form eines O-Ringes. Gehalten wird das Sensorgehäuse 4 in der Öffnung 3 durch einen Sicherungsring 9, welcher in eine außenumfangsseitige Umfangsnut 10 in der Wand 2 greift.

In dem Sensorgehäuse 4 ist ein plattenförmiger Träger 11 für einen Differenzdrucksensor 12 sowie weiterer elektronischer Elemente eingebettet. Dieser Träger 11 ist in Fig. 4 als separates Teil alleine dargestellt. Der Träger 11 besteht aus einer hinteren Leiterplatte 13 sowie aus einem vorderen Trägerteil 14 in Form eines Silizium-Drucksensorchips. In diesem vorderen Trägerteil 14 ist ein rechteckiges Fenster 15 ausgespart, in welchem eine Membrane 16 angeordnet ist. Die Rückseite (Fig. 3b) weist Brückenwiderstände des Drucksensors auf. Außerdem ist auf diesem vorderen Trägerteil 14 ein Platin-Temperatursensor 17 angeordnet. Zwischen dem vorderen Trägerteil 14 und der hinteren Leiterplatte 13 ist im Übergangsbereich eine vergossene Bondung angeordnet. Die Leiterplatte 13 trägt eine vergossene integrierte Schaltung 19 sowie Leiterbahnen 20. Das hintere Ende der Leiterplatte 13 ragt mit seinen Leiterbahnen 20 aus dem Sensorgehäuse 4 heraus und definiert einen Anschluß 21 für eine externe elektronische Auswerteeinheit.

Die Funktionsweise der Meßeinrichtung ist wie folgt:

Der Differenzdrucksensor 12 ragt ins Innere des Meßrohres 1. Dieser wird mit einer entsprechenden Schaltung kalibriert. Dazu trägt auch der zusätzliche Temperatursensor 17 bei, um die Temperaturkompensation durchführen zu können. Die Kalibierung des Differenzdrucksensors 12 kann in einem automatischen System erfolgen. Die Daten werden anschließend in dem entsprechenden Chip auf der Leiterplatte 13 abgelegt. Die Daten können auch in der Elektronik des Gesamtsystems integriert werden, beispielsweise im Wärmemengenzähler µProzessor. Für eine tauschbare Sensoreinheit vor Ort ist es jedoch notwendig, die Kalibrierwerte direkt im Sensormodul zu haben. Es ist aber auch möglich, bereits im Sensormodul einen Prozessor zur Vorverarbeitung des Meßsignals einzubauen.

Durch die Strömung innerhalb des Meßrohres 1 wölbt sich die Membrane 16. Zwischen der Vorder- und Rückseite entsteht ein Differenzdruck, welcher proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit ist. Die Auslenkung der Membrane 16 kann mittels eines Dehnmeßstreifens oder auf andere Art und Weise gemessen werden.

Durch Lösen des Sicherungsringes 9 kann das Sensorgehäuse 4 entnommen und ein anderer Sensor auf einfache Weise eingesetzt werden. Bezugszeichenliste 1 Meßrohr

2 Wand

3 Öffnung

4 Sensorgehäuse

5 Anschlagring

6 Gegenfläche

7 Ringausnehmung

8 Dichtelement

9 Sicherungsring

10 Umfangsnut

11 Träger

12 Differenzdrucksensor

13 Leiterplatte

14 vorderes Trägerteil

15 Fenster

16 Membran

17 Temperatursensor

18 Bondung

19 integrierte Schaltung

20 Leiterbahn

21 Anschluß


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung

    mit einem Meßrohr (1), durch welches das Medium fließt,

    mit einer Öffnung (3) in der Wand (2) des Meßrohres (1),

    mit einem modulartigen, in der Öffnung (3) auswechselbar angeordneten sowie einen Differenzdrucksensor (12) tragenden Sensorgehäuse (4), welches umfangsseitig einen Anschlagring (5) aufweist, welcher beim Hineinstecken des Sensorgehäuses (4) in die Öffnung (3) an einer Gegenfläche (6) des Meßrohres (1) anliegt, sowie

    mit einem Dichtelement (8),

    dadurch gekennzeichnet,

    daß das Sensorgehäuse (4) direkt in einer der Öffnung (3) zugeordneten Ausnehmung in der Wand (2) der Meßrohres (1) angeordnet ist,

    daß zwischen der Unterseite des Anschlagrings (5) und dem Meßrohr (1) ein Dichtelement (8) angeordnet ist und

    daß oberhalb des Anschlagrings (5) in einer Umfangsnut (10) der Öffnung (3) ein Sicherungsring (9) angeordnet ist, wobei dieser den Anschlagring (5) übergreift.
  2. 2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (4) im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (4) drehcodiert in der Öffnung (3) angeordnet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der an dem Sensorgehäuse (4) angeordnete Differenzdrucksensor (12) flügelartig in das Meßrohr (1) ragt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdrucksensor (12) an einem Träger (11) angeordnet ist, welcher mit seinem hinteren Ende in dem Sensorgehäuse (4) eingebettet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) zumindest teilweise im wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) aus zwei miteinander verbundenen Teilen gebildet ist, nämlich einem vorderen Trägerteil (14) insbesondere aus Silizium für den Differenzdrucksensor (12) sowie einem hinteren Trägerteil insbesondere in Form einer Leiterplatte (13).
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

    daß das rückseitige Ende des Trägers (11) aus dem Sensorgehäuse (4) herausgeführt ist und als Anschluß (21) für ein Anschlußkabel dient oder

    daß am rückseitigen Ende des Trägers (11) direkt ein Anschlußkabel angelötet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem in das Meßrohr (1) ragenden Träger (11) ein Fenster (15) ausgebildet ist, in dem der Differenzdrucksensor (12) angeordnet ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdrucksensor (12) durch eine Membrane (16) gebildet ist, deren Auslenkung gemessen wird.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Differenzdrucksensor (12) im Bereich des vorderen, freien Endes des vorderen Trägerteils (14) angeordnet ist und

    daß die Gesamtlänge des vorderen Trägerteils (14) größer ist als die Länge des Bauabschnittes des Differenzdrucksensors (12) in Längserstreckung des vorderen Trägerteils (14) gesehen.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge des vorderen Trägerteils (14) wenigstens das 1,5-fache, insbesondere wenigstens etwa das 2-fache der Länge des Bauabschnittes des Differenzdrucksensors (12) beträgt.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

    daß zusätzlich ein Temperatursensor (17) vorgesehen ist und

    daß die Vorrichtung als Wärmemengenmesser verwendet wird.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (17) durch einen im vorderen Silizium-Trägerteil (14) implementierten Siliziumsensor gebildet ist.






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