DE10114648C2 - Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung weist ein Meßrohr (1) auf, durch welches das Medium fließt. Dieses Meßrohr (1) besitzt eine Öffnung (3). In dieser ist abgedichtet ein modulartiges Sensorgehäuse (4) auswechselbar angeordnet, welches den in das Meßrohr (1) flügelartig ragenden Differenzdrucksensor (12) sowie einen Temperatursensor (17) trägt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medi­ en 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 Durchfluß­ meßeinrichtungen im Medizin-, Chemie- und Nahrungsmittelbereich, aber auch zur Wärme­ mengenmessung 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 Volu­ mengebergehäuse 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 er­ geben sich nicht reproduzierbare Beeinflussungen der Drucksensorkennlinie durch das Trä­ germaterial 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 angegebene 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 Ein­ schraubstutzen wiederum ist das Gehäuse des Volumenstromsensors hineingesteckt. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse einen umfangsseitigen Anschlagring auf, welcher auf­ grund seiner Kegelform an der korrespondierenden Innenkegelmantelfläche des Ein­ schraubstutzens anliegt. Gesichert wird das Gehäuse des Volumenstromsensors im Ein­ baustutzen mittels einer Überwurfmutter. Die Abdichtung zwischen dem Volumenstromsen­ sor 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 Volu­ menstromsensors angeschraubt. - Der Nachteil dieser bekannten Konstruktion besteht in dem relativ komplizierten Aufbau, weil zusätzlich ein Einschraubstutzen vorgesehen ist. Au­ ßerdem läßt sich die Fixierung des Volumenstromsensors mittels der Überwurfmutter nur mit speziellen Werkzeugen durchführen. Schließlich besteht aufgrund der Anordnung der Um­ fangsdichtungen die Gefahr, daß der Volumenstromsensor sich schräg in der Öffnung befin­ det.

Die DE 298 11 345 U1 zeigt eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Durchflußmenge ei­ ner durch eine Rohrleitung strömenden Flüssigkeit. Zu diesem Zweck ist an einer Öffnung der Rohrleitung ein Rohrstutzen angeschweißt. Dieser trägt einen zylinderförmigen Sonden­ körper. In einer axialen Bohrung dieses Sondenkörpers ist ein Tauchrohr angeordnet, wel­ ches an seinem vorderen Ende eine Sonde trägt, welche als Differenzdruckmeßkopf ausge­ bildet 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 auf­ weist, 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 einge­ bettet, wobei diese im Bereich der Membran Öffnungen aufweisen. Um diese Membran her­ um 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 Schrau­ baufnahme eingedreht. In diese Schraubaufnahme wiederum wird ein Einschraubelement eingedreht, welches eine Meßsonde trägt. Zwischen der Schraubaufnahme und dem Ein­ schraubelement ist eine Dichtung in Form eines O-Ringes angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Durchflußmen­ genmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung der eingangs angegebenen Art die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

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

Die Grundidee der erfindungsgemäßen Durchflußmengenmeßvorrichtung besteht in der speziellen Ausbildung des Trägers in Form von zwei fest miteinander verbundenen Träger­ teilen. Dabei ist der hintere Bereich des Trägers als Leiterplatte ausgebildet. Diese Leiter­ platte kann Kontaktbahnen aufnehmen, außerdem eine vergossene integrierte Schaltung. Durch die Einbettung der Leiterplatte im Meßrohr wird der Träger sicher gehalten und ist einwandfrei im Meßrohr fixiert. Der eigentliche Differenzdrucksensor ist dann am vorderen Ende des vorderen Trägerteils befestigt. Dieses vordere Trägerelement besteht aus Silizium. Der Differenzdrucksensor ist somit nicht direkt am hinteren Trägerteil, nämlich an der Leiter­ platte angebracht, sondern das vordere Trägerteil ist im Sinne eines verlängerten Chips ausgestaltet. Da somit der Differenzdrucksensor und damit die Meßstelle einen weiten Ab­ stand zu der Verbindungsstelle zwischen dem vorderen und dem hinteren Trägerteil auf­ weist, 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 ist der Träger gemäß Anspruch 2 im wesentlichen plattenförmig ausgebildet.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 stellt zwei einfache Möglichkeiten dar, um den Druck­ sensor sowie die weiteren auf dem Träger befindlichen elektronischen Elemente mit einer externen Auswerteeinheit über einen Kabelanschluß zu verbinden.

Die Weiterbildung gemäß den Ansprüchen 4 und 5 schlägt eine konstruktive Ausgestaltung des Differenzdrucksensors vor. Das Grundprinzip besteht darin, in dem Träger, insbesonde­ re 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 be­ züglich der Rückseite der Membran eine Druckdifferenz. Der somit zwischen Vorder- und Rückseite entstehende Differenzdruck ist dabei proportional zum Quadrat der Strömungsge­ schwindigkeit. Zum Messen der Auslenkung der Membran können Dehnmeßstreifen, Piezo­ elemente oder kapazitive Einrichtungen dienen. Der "Chip" des vorderen Tägerteils ent­ spricht somit im Membranbereich einem Silizium-Drucksensorchip.

Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung schlägt Anspruch 6 vor. Indem zusätzlich ein Temperatursensor vorgesehen ist, kann die Vorrichtung als Wärmemengenmesser verwendet werden. Dieser Temperatursensor ist vor­ zugsweise ebenfalls auf dem Träger, insbesondere auf dem vorderen Trägerteil angeordnet Somit wird mittels dieses Temperatursensors unmittelbar die Temperatur des umströmen­ den Mediums gemessen. Durch diese integrierte Temperaturmessung kann somit die Wär­ memenge unmittelbar bestimmt werden. Bei dem Temperatursensor kann es sich um einen Platin-Temperatursensor handeln. Auch ist es gemäß der Weiterbildung in Anspruch 7 mög­ lich, einen temperaturabhängigen Silizium-Temperatursensor direkt im Differenzdurchfluß­ sensor zu implementieren.

Durch die Weiterbildung gemäß Anspruch 8 ist eine technisch einfache und zuverlässig arbeitende Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung geschaffen. Die Grundidee besteht darin, das Meßrohr mit einer Durchbrechung im Mantel zu versehen und in dieser Durchbrechung das Sensorgehäuse mit dem Differenz­ drucksensor anzuordnen. Dadurch ergibt sich eine einfache Konstruktion ohne Trägermate­ rial und ohne Klebe- und Vergußverfahren, so daß das Sensorgehäuse mit seinem Diffe­ renzdrucksensor problemlos ausgewechselt werden kann. Damit ist eine mechanisch span­ nungsfreie Halterung realisiert. Der Differenzdrucksensor ragt direkt in den Meßraum und ist in die Strömung eingebracht. Eine Beeinflussung der Drucksensorkennlinie wird weitgehend vermieden, außerdem die Anlagerung von Luftblasen. Die genaue Lage des Differenzdruck­ sensors im Meßrohr wird durch die Positionierung sowie besondere Ausbildung der Form des Sensorgehäuses sichergestellt. Insgesamt zeichnet sich die erfindungsgemäße Vor­ richtung zur Durchflußmengenmessung durch einen einfachen mechanischen Aufbau aus, wobei das Austauschteil wesentlich preiswerter als die bisherigen Techniken ist. Außerdem ist die Flexibilität erhöht sowie eine vereinfachte Fertigung möglich. Schließlich kann eine Temperaturmessung integriert werden. Angewendet werden kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Volumenstrommessung von Flüssigkeiten (Nahrungsmittel, Arzneistof­ fe), als Wasserzähler sowie allgemein als Durchflußmeßeinrichtung im Medizin- und Nah­ rungsmittelbereich. Außerdem ist eine Wärmemengenmessung möglich sowie die Verwen­ dung als Dosiereinrichtung. Durch die Auswechselbarkeit der Meßeinheit ergeben sich wei­ tere, neue Anwendungsgebiete. Die Kalibrierung des Sensors im Meßmodul ermöglicht eine einheitliche Schnittstelle und Standardprogrammierung im Rechner.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 9 schlägt vor, daß das Sensorgehäuse im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Andere Formen sind selbstverständlich auch denkbar.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 10 hat den Vorteil, daß dadurch das Sensorgehäuse in der Öffnung des Meßrohres einwandfrei positioniert werden kann. Damit ist eine reprodu­ zierbare Plazierung des Differenzdrucksenors im Stömungsmedium gewährleistet.

Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 11 kann als Dichtelement ein O-Ring vorgesehen sein, aber auch ein angespritztes Dichtelement (2 K-Spritzteil) am Gehäuse. Dadurch ist eine einwandfreie Abdichtung zwischen dem Sensorgehäuse und dem Meßrohr gewährlei­ stet.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 12 stellt eine technisch einfache Möglichkeit zur Fixie­ rung des Sensorgehäuses innerhalb der Öffnung des Meßrohres dar. Die Grundidee besteht darin, daß zunächst das Sensorgehäuse in die Öffnung des Meßrohres hineingesteckt wird, um anschließend in der darüber befindlichen Umfangsnut der Öffnung den Sicherungsring zu plazieren. Dieser Sicherungsring übergreift den Anschlagring und fixiert somit das Sen­ sorgehäuse. Als Sicherungsring kann beispielsweise ein Sprengring vorgesehen sein. Da­ durch wird ein einfacher Austausch ermöglicht, obwohl das Sensorgehäuse fest in der Öff­ nung des Meßrohres fixiert ist.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 13 hat den Vorteil, daß der Differenzdrucksensor inner­ halb des Meßrohres in der richtigen Position ausgerichtet ist.

Alternativ kann gemäß Anspruch 14 auch ein Träger des Differenzdrucksensors direkt im Meßrohr angeordnet sein, also ohne das zuvor beschriebene zusätzliche Sensorgehäuse.

Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchflußmengen­ messung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung als Verwendung eines Wärmemen­ genmessers werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Meßrohres mit dem Sensor­ gehäuse;

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

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

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

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des in der Längsmittellinie aufge­ schnittenen Meßrohres einer zweiten Ausführungsform.

Die Meßvorrichtung weist ein Meßrohr 1 auf, welches sich im mittleren Bereich vom Durch­ messer 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 sepa­ rates 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 vorde­ ren 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 angeord­ net. Zwischen dem vorderen Trägerteil 14 und der hinteren Leiterplatte 13 ist im Übergangs­ bereich 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 entspre­ chenden Schaltung kalibriert. Dazu trägt auch der zusätzliche Temperatursensor 17 bei, um die Temperaturkompensation durchführen zu können. Die Kalibierung des Differenzdruck­ sensors 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 Kali­ brierwerte direkt im Sensormodul zu haben. Es ist aber auch möglich, bereits im Sensormo­ dul 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 Dehn­ meßstreifens oder auf andere Art und Weise gemessen werden.

Durch Lösen des Sicherungsringes 9 kann das Sensorgehäuse 4 entnommen und ein ande­ rer Sensor auf einfache Weise eingesetzt werden.

Die zweite Ausführungsform, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, unterscheidet sich von der er­ sten Ausführungsform lediglich dadurch, daß für den Träger 11 kein zusätzliches Sensorge­ häuse 4 vorgesehen ist, sondern daß der Träger 11 direkt in dem Meßrohr 1 integriert ist.

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

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung mit einem Meßrohr (1), durch welches das Medium fließt, sowie
mit einem Träger (11) für einen Differenzdrucksensor (12), wobei der Träger (11) mit seinem hinteren Ende im Meßrohr (1) eingebettet ist und wobei der Differenzdrucksen­ sor (12) flügelartig in das Meßrohr (1) ragt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (11) aus zwei miteinander verbundenen Teilen gebildet ist, nämlich ei­ nem vorderen Trägerteil (14) aus Silizium für den Differenzdrucksensor (12) sowie ei­ nem hinteren Trägerteil in Form einer Leiterplatte (13), und
daß der Differenzdrucksensor (12) im Bereich des vorderen, freien Endes des vorderen Trägerteils (14) angeordnet ist, wobei die Gesamtlänge des vorderen Trägerteils (14) wenigstens das 1,5-fache, insbesondere wenigstens etwa das 2-fache der Länge des Bauabschnittes des Differenzdrucksensors (12) in Längserstreckung des vorderen Trä­ gerteils (14) gesehen beträgt.

2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) zumindest teilweise im wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem in das Meßrohr (1) ragenden Träger (11) ein Fenster (15) ausgebildet ist, in dem der Differenzdrucksensor (12) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdrucksensor (12) durch eine Membrane (16) gebildet ist, deren Aus­ lenkung gemessen wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich ein Temperatursensor (17) vorgesehen ist und
daß die Vorrichtung als Wärmemengenmesser verwendet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (17) durch einen im vorderen Silizium-Trägerteil (14) imple­ mentierten Siliziumsensor gebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (2) des Meßrohres (1) eine Öffnung (3) aufweist und
daß in dieser Öffnung (3) abgedichtet ein modulartiges Sensorgehäuse (4) auswechsel­ bar angeordnet ist, welches den Differenzdrucksensor (12) trägt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (4) im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist.

10. Vorrichtung Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (4) umfangsseitig einen Anschlagring (5) aufweist, welcher beim Hineinstecken des Sensorgehäuses (4) in die Öffnung (3) an einer Gegenfläche (6) des Meßrohres (1) anliegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unterseite des Anschlagrings (5) und dem Meßrohr (1) ein Dichtele­ ment (8) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Anschlagrings (5) in einer Umfangsnut (10) der Öffnung (3) ein Siche­ rungsring (9) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (4) drehcodiert in der Öffnung (3) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger des Differenzdrucksensors (12) direkt im Meßrohr (1) angeordnet ist.