Die Erfindung betrifft eine Manipulationsstrecke zum Kontrollieren des Strömungsprofils am Einlauf eines Strömungssensors. Des Weiteren betrifft die Erfindung zwei verschiedene Varianten eines Systems, umfassend jeweils einen Strömungssensor und die erfindungsgemäße Manipulationsstrecke.

Zur Bestimmung eines Durchflusses, bzw. der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums, bzw. eines Fluides, beispielsweise eines Gases, Gasgemisches oder einer Flüssigkeit, werden Strömungssensoren verwendet. Es gibt verschiedene Typen von Strömungssensoren, beispielsweise thermische Strömungssensoren, Coriolisströmungssensoren, Ultraschall-Strömungssensoren, Mikrowellen- Strömungssensoren, etc.

Thermische Strömungssensoren beispielsweise nutzen aus, dass ein (strömendes) Messmedium Wärme von einer beheizten Fläche abtransportiert. Thermische Strömungssensoren bestehen typischerweise aus mehreren Funktionselementen, üblicherweise zumindest aus einem niederohmigen Heizelement und einem hochohmigen Widerstandselement, welches als Temperatursensor dient. Alternativ sind thermische Strömungssensoren mit mehreren niederohmigen Heizelementen als Heizer und Temperatursensor aufgebaut.

Die Performance von Strömungssensoren, insbesondere im Falle von thermischen Strömungssensoren, kann von der Einlaufbedingung des Messmediums abhängig sein. Beispielsweise macht es einen Unterschied, ob das Messmedium gerade oder mit einem 90°-Winkel in den Strömungssensor einströmt. Je nach Einlaufbedingung kann dies zu einer signifikanten Veränderung des Messsignals führen, was in einer großen Ungenauigkeit in der Anwendung resultieren kann.

Es gibt nur wenige Möglichkeiten, dem vorzubeugen. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise folgende bekannt: Der Einlauf des Strömungssensors, bzw. zum Strömungssensor, wird als lange Strecke ausgestaltet. Dadurch kann sich das Strömungsprofil im Streckenverlauf vollständig entwickeln. Jedoch wird hierfür viel Platz benötigt.

Die Einlaufstrecke, bspw. ausgestaltet als Einlaufrohr, kann „Dellen“ an den Wänden aufweisen, die dafür sorgen, dass das Strömungsprofil turbulent wird. Diese Lösung wird beispielsweise im OmniFIN HFK35 von GMH Group - Honsberg verwendet. Der Nachteil dieser Methode ist, dass das Signalrauschen stark ansteigt.

Beide Lösungen sind somit für viele Anwendungen unpraktikabel.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Einlaufabhängigkeit eines Strömungssensor zu minimieren.

Die Aufgabe wird durch eine Manipulationsstrecke gemäß Anspruch 1 , durch ein System gemäß Anspruch 5 und durch ein System gemäß Anspruch 7 gelöst.

Hinsichtlich der Manipulationsstrecke dient diese zum Kontrollieren des Strömungsprofils am Einlauf eines Strömungssensors, wobei die Manipulationsstrecke zum Führen eines fluiden Messmediums ausgestaltet ist, wobei die

Manipulationsstrecke einen ersten Endbereich und einen zweiten Endbereich aufweist, wobei sich ein Manipulationsabschnitt zwischen dem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich der Manipulationsstrecke befindet, welcher Manipulationsabschnitt derart ausgestaltet ist, dass sich im Messmedium Sekundärströmungen durch Durchströmen des Abschnitts mit dem Messmedium ausbilden.

Die Manipulationsstrecke ist derart ausgebildet, dass diese mindestens im Bereich des Manipulationsabschnitts Sekundärströmungen ausbildet. Als Sekundärströmung wird eine zusätzliche Strömung in der Ebene quer zur Hauptströmungsrichtung mit geringer Geschwindigkeit bezeichnet. Dies führt dazu, dass das Strömungsprofil beruhigt wird und überwiegend unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit entwickelt ist. Dadurch wird die Performance des Strömungssensors und dessen Dynamikbereich erhöht. Des Weiteren ist die Einlaufabhängigkeit des Strömungssensors drastisch reduziert. Die weiteren im einleitenden Teil der Beschreibung aufgeführten Nachteile werden reduziert oder komplett behoben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke ist vorgesehen, dass die Manipulationsstrecke rohrförmig, also in Gestalt eines Rohres, ausgestaltet ist. Hierzu kann prinzipiell ein beliebiges Material verwendet werden, beispielweise ein Kunststoff oder ein Metall.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke sieht vor, dass die Manipulationsstrecke im Manipulationsabschnitt helixförmig mit mindestens einer vollen Umdrehung gekrümmt ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Helixform ein ideales Verhältnis zwischen geringer Platzanforderung und hoher Effektivität im Erzeugen der Sekundärströme bietet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke sieht vor, dass die Manipulationsstrecke einen Rohrdurchmesser und einen Helixdurchmesser aufweist, wobei das Verhältnis von dem Rohrdurchmesser zu dem Helixdurchmesser größer als 0.01 ist. Ein solches Verhältnis führt zu einer Erhöhung der kritischen Reynoldszahl um den Faktor zwei.

Alternativ sind auch andere Ausgestaltungen des Manipulationsabschnitts vorgesehen die ausreichend Sekundärströmungen erzeugen. Beispielsweise kann, anstatt dass das Rohr helixförmig gekrümmt wird, ein Rohreinsatz, beispielsweise schraubenförmig ausgestaltet, in den rohrförmigen Manipulationsabschnitt eingesetzt werden.

Hinsichtlich des Systems umfasst dieses in einer ersten Variante:

- Einen Strömungssensors zum Erfassen zumindest eines Parameters betreffend die Fließgeschwindigkeit eines fluiden Messmediums;

- Eine erfindungsgemäße Manipulationsstrecke, wobei der zweite Endbereich des Einlaufrohrs mit dem Einlass des thermischen Strömungssensors verbunden ist. In der ersten Variante befindet sich die Manipulationsstrecke vor dem Strömungssensor. Es handelt sich insbesondere um zwei separate Komponenten, welche miteinander verbunden werden.

Gemäß einer Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Systems umfasst dieses weiter eine primäre Rohrleitung, durch welche das Messmedium strömt, wobei die Manipulationsstrecke am ersten Endbereich mit der Rohrleitung verbunden ist, wobei ein Ausgang des Strömungssensors mit der Rohrleitung verbunden ist.

Hinsichtlich des Systems umfasst dieses in einer ersten Variante:

- Einen Strömungssensors zum Erfassen zumindest eines Parameters betreffend die Fließgeschwindigkeit eines fluiden Messmediums;

- Eine erfindungsgemäße Manipulationsstrecke, wobei der Strömungssensor in der Manipulationsstrecke integriert ist und wobei der Strömungssensor zwischen dem Ende der Manipulationsstrecke und dem zweiten Endbereich angeordnet ist.

In der zweiten Variante befindet sich der Strömungssensor in der Manipulationsstrecke.

Gemäß einer Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Systems umfasst dieses weiter eine primäre Rohrleitung, durch welche das Messmedium strömt, wobei die Manipulationsstrecke am ersten Endbereich mit der Rohrleitung verbunden ist, und wobei die Manipulationsstrecke am zweiten Endbereich mit der Rohrleitung verbunden ist.

Für beide Varianten kann vorgesehen sein, dass der Strömungssensor gemeinsam mit der Manipulationsstrecke einen Bypass zu der primären Rohrleitung bildet. Das bedeutet, dass der Mediumfluss durch die primäre Rohrleitung nicht unterbrochen wird und dass das Messmedium parallel zu der primären Rohrleitung durch die Manipulationsstrecke und den Strömungssensor fließt.

Alternativ ist vorgesehen, dass die primäre Rohrleitung am ersten Endbereich der Manipulationsstrecke und an dem zweiten Endbereich der Manipulationsstrecke, bzw. am Ausgang des Strömungssensor (je nach Variante des Systems) endet, so dass es keinen parallelen Mediumfluss gibt und das Messmedium exklusiv durch die Manipulationsstrecke und den Strömungssensor fließt.

Gemäß einer Ausgestaltung von der ersten oder der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass es sich bei dem Strömungssensor um einen thermischen Strömungssensor handelt. Es sind verschiedene Varianten von thermischen Strömungssensoren mit unterschiedlichen Wirkungsarten und Aufbauten aus dem Stand der Technik bekannt:

Kalorimetrische thermische Strömungssensoren bestimmen über eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatursensoren, welche flussabwärts (engl. „downstream“) und flussaufwärts (engl. „upstream“) von einem Heizelement angeordnet sind, den Durchfluss bzw. die Flussrate des Fluids in einem Kanal. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Temperaturdifferenz bis zu einem gewissen Punkt linear zu dem Durchfluss bzw. der Flussrate ist. Dieses Verfahren bzw. die Methode ist in der einschlägigen Literatur ausgiebig beschrieben.

Anemometrische thermische Strömungssensoren bestehen aus zumindest einem Heizelement, welches während der Messung des Durchflusses erhitzt wird. Durch die Umströmung des Heizelements mit dem Messmedium findet ein Wärmetransport in das Messmedium statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändert. Durch Messung der elektrischen Größen des Heizelements kann auf die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums geschlossen werden.

Ein solcher anemometrischer thermischer Strömungssensor wird typischerweise in einem der folgenden beiden Regelarten betrieben:

Bei der Regelart „Constant-Current Anemometry“ (CCA) wird das Heizelement mit einem konstanten Strom beaufschlagt. Durch die Umströmung mit dem Messmedium ändert sich der Widerstand des Heizelements und damit die am Heizelement abfallende Spannung, welche das Messsignal darstellt. Analog dazu funktioniert die Regelart „Constant-Voltage Anemometry“ (CVA), bei welcher das Heizelement mit einer konstanten Spannung beaufschlagt wird. Bei der Regelart „Constant-Temperature Anemometry (CTA)“ wird das Heizelement auf einer im Mittel konstanten Temperatur gehalten. Mittels dieser Regelart sind relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten messbar. Je nach Strömungsgeschwindigkeit wird mehr oder weniger Wärme durch das fließende Messmedium abtransportiert und es muss entsprechend mehr oder weniger elektrische Leistung nachgeführt werden, um die Temperatur konstant zu halten. Diese nachgeführte elektrische Leistung ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums.

Das erfindungsgemäße System lässt sich aber auch mit anderen Typen von thermischen Strömungssensoren betreiben, für welche ein über die Strömungsgeschwindigkeit stabiles Strömungsprofil vorteilhaft ist. Beispielsweise sind auch andere Typen von Strömungssensoren verwendbar, beispielsweise Coriolisströmungssensoren, Ultraschall-Strömungssensoren oder Mikrowellen- Strömungssensoren.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke und deren Einsatz in einer Applikation;

Fig. 2: Messwerte eines thermischen Strömungssensors für unterschiedliche Einlaufbedingungen, ohne Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke und mit Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke; und

Fig. 3: Messwerte eines thermischen Strömungssensors bei verschiedenen Durchflussraten des Messmediums, ohne Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke und mit Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke.

In Fig. 1 ist ein Aufbau abgebildet, welcher die Strömungsabhängigkeit des Einlaufs eines Strömungssensors 2 verbessern soll. Zum Einsatz kommt eine Manipulationsstrecke 1 auf. Diese weist einen Manipulationsabschnitt 130 auf, welche ein durchströmendes Messmedium derart manipuliert, dass die Abhängigkeit des Strömungsprofil des Messmediums am Einlauf des Strömungssensors 2 im Wesentlichen über einen großen Wertebereich der Strömungsgeschwindigkeit von dieser entkoppelt ist. Bei dem Strömungssensor 2 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen thermischen Strömungssensor. Es können aber auch andere Typen von Strömungssensoren vorteilhaft eingesetzt werden.

Hierfür wird der Strömungssensor 2 mit der Manipulationsstrecke 1 verbunden.

Entweder wird der Einlass des thermischen Strömungssensors 2 mit einem zweiten Endbereich 120 der Manipulationsstrecke 1 verbunden. Alternativ ist der thermische Strömungssensor 2 Teil der Manipulationsstrecke 1 , bzw. in dieser integriert. Dieser Manipulationsstrecke-Strömungssensor-Verbund wird nun an eine primäre Rohrleitung 3, durch welche das Messmedium fließt, angeschlossen.

Es kann hierbei vorgesehen sein, dass der Manipulationsstrecke-Strömungssensor- Verbund einen Bypass zu der primären Rohrleitung 3 bildet. Das bedeutet, dass der Mediumfluss durch die primäre Rohrleitung 3 nicht unterbrochen wird und dass das Messmedium parallel zu der primären Rohrleitung durch die Manipulationsstrecke 1 und den Strömungssensor 2 fließt.

Alternativ ist vorgesehen, dass die primäre Rohrleitung 3 am ersten Endbereich der Manipulationsstrecke und an dem zweiten Endbereich der Manipulationsstrecke, bzw. am Ausgang des Strömungssensor (je nach Variante des Systems) endet, so dass es keinen parallelen Mediumfluss gibt und das Messmedium exklusiv durch die Manipulationsstrecke 1 und den Strömungssensor 2 fließt.

Eine Lösung für eine Ausgestaltung des Manipulationsabschnitts 130 stellt eine helixartige Krümmung dar, wie in Fig. 1 dargestellt. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Einlaufabhängigkeit eines Strömungssensors 2 mit einem solch vorgeschalteten Manipulationsabschnitt als Einlaufstrecke massiv reduziert wird im Vergleich zu konventionellen Strömungssensoren.

In Fig. 2 Versuchsdaten abgebildet, die für diesen Zweck erhoben wurden. Die Diagramme (a) und (b) stellen einen Verlauf der aktuellen Messwerte des Strömungssensors 2 (in mW, y-Achse) über die Zeit (in Sekunden, x-Achse) dar. Der Durchflusswert des Messmediums wird konstant gehalten. Mehrmals wird die Einlaufbedingung des Messmediums im Strömungssensor 2 im Laufe der zeit verändert. Hierzu wird der Endbereich der Rohrleitung gewechselt, welche mit dem Strömungssensor unmittelbar (Diagramm (a)) oder mit der Manipulationsstrecke (gemäß Fig. 1 , Diagramm (b)) verbunden ist. In den beiden Zeitintervallen „2“ wird ein seitlicher, „S“-förmiger Einlauf verwendet. Im Zeitintervall „3“ wird ein abgewinkelter Einlauf mit einer 90 “-Kurve verwendet. Im Zeitintervall „4“ wird ein „S“-förmiger Einlauf von unten verwendet. Im Zeitintervall „X“ wird der Einlauf ständig händisch verändert.

Im Diagramm (a) sind die Messwerte eines Strömungssensors aufgeführt, welcher konventionell betrieben wird, also ohne erfindungsgemäße Manipulationsstrecke 1 mit der primären Rohrleitung 3 verbunden wird. Es ist ersichtlich, dass der Verlauf des Endbereichs der primären Rohrleitung 3 einen großen Einfluss auf die Messwerte des Strömungssensors 2 hat, selbst wenn die Größe der Strömungsgeschwindigkeit nicht verändert wird.

Im Diagramm (b) befindet sich die Manipulationsstrecke 1 zwischen dem veränderlichen Endbereich der primären Rohrleitung 3 und dem Strömungssensor 2, wie in Fig. 1 abgebildet. Es ist nun keine Abhängigkeit mehr zwischen der Ausgestaltung des Endbereichs der primären Rohrleitung 3 und den Messwerten des Strömungssensors ersichtlich. Die Messwerte des Strömungssensors 2 sind unabhängig von den Einlaufbedingungen.

Neben diesen Erkenntnissen ist experimentell auch aufgefallen, dass das Signalrauschen des Strömungssensors 2 vermindert ist. Der Grund sind die sogenannten Sekundärströme, welche sich bilden, wenn das Messmedium in den Manipulationsabschnitt 130 strömt. Diese Reduktion des Signalrauschens hat direkten Einfluss auf die Sensorperformance, da es Sensitivität des Strömungssensors 2 erhöht.

Im Weiteren konnte zeigt werden, dass der Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung massiv zu größeren Strömungsraten geschoben werden. Dies kann auch theoretisch begründet werden. Die kritische Reynoldszahl liegt bei einer klassischen Rohrströmung bei ca. 2300. Für eine Helixform, wie in Fig. 1 abgebildet, gilt die folgende Formel: mit ek bezeichnet hierbei die kritische Reynoldszahl, bei weicher ein Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung erfolgt. D _w bezeichnet den Helixdurchmesser, d den Rohrdurchmesser und h den Abstand zwischen den Rohren.

Für eine helixförmige Ausgestaltung des Manipulationsabschnitts 130 mit einem Helixdurchmesser von Dw = 30 mm, einem Rohrdurchmesser d = 3.7mm und einem Abstand zwischen den Rohren h = 4 mm ergibt die Formel eine kritische Reynolds Zahl von 10'300. Somit ist der laminare Bereich um einen Faktor 4 höher als bei konventioneller (gerader) Einlaufstrecke. Für den Strömungssensor 2 bedeutet das, dass der Messbereich um diesen Faktor vergrößert werden kann. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis von Rohrdurchmesser d Helixdurchmesser Dwgrößer als 0.01 - damit beträgt der Faktor mindestens 2.

Fig. 3 zeigt experimentelle Untersuchungen zu dem Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung. Es ist die Abhängigkeit von den Sensormesswerten (in mW, y- Achse) in Bezug zu dem vorliegenden Massedurchfluss des Messmediums (in kg/h, x- Achse) dargestellt. Die obere Kurve (im Sinne von höheren Messwerten) zeigt diese Abhängigkeit bei Verwendung eines konventionellen Strömungssensors ohne zwischengeschaltete Manipulationsstrecke 1.

Es ist ein Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung bei einem Wert des Massedurchflusses von ca. 25 kg/h ersichtlich. Die untere Kurve (im Sinne von niedrigeren Messwerten) zeigt diese Abhängigkeit mit zwischengeschalteter Manipulationsstrecke 1 , im Sinne des Aufbaus wie in Fig. 1 abgebildet. Hier ist über die gesamte Messspanne (bis 80 kg/h) kein eindeutiger Umschlag zu erkennen, was die obig beschriebene Erhöhung der kritischen Reynoldszahl bestätigt.

Zusammenfassend beschrieben führt die Verwendung einer erfindungsgemäßen Manipulationsstrecke 1 in Verbindung mit einem Strömungssensor 2 zu folgenden Vorteilen:

• Die Einlaufabhängigkeit des Strömungssensors wird deutlich reduziert;

• Der laminare Strömungsbereich wird erhöht;

• externes Rauschen wird gedämpft; • platzsparend im Vergleich zu bisherigen Lösungen.

Auch andere Ausgestaltungen des Manipulationsabschnitt 130, abgesehen von einer

Helix, können verwendet werden. Beispielsweise kann, anstatt dass der

Manipulationsabschnitt 130 helixförmig gekrümmt wird, ein Rohreinsatz, beispielsweise schraubenförmig ausgestaltet, in den rohrförmigen Manipulationsabschnitt 130 eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Manipulationsstrecke

110 erster Endbereich 120, 120‘ zweiter Endbereich

130 Manipulationsabschnitt

2 Strömungssensor primäre Rohrleitung

Rohrdurchmesser Dw Helixdurchmesser