Wir setzten auf Rapid-Prototyping

Gekrümmter Messkanal

Dieses Konzept verfolgt den Ansatz, dass die Strömung möglichst unabhängig von den Einströmbedingungen ins Messgerät sein soll (Abbildung 2). Der Fluss soll mithilfe eines Differenzdruckes ermittelt werden können. Die Verbindung zum Messgerät soll, egal ob sie mit einem rechten Winkel oder gerade realisiert ist, die Druckdifferenz nicht beeinflussen, da die Strömung durch die gekrümmte Geometrie im Messgerät stärker beeinflusst wird.

CFD-Simulation gekrümmter Messkanal

Mithilfe einer CFD-Simulation (RANS, statisch) wird die Hypothese überprüft, ob eine Anströmung in das Messgerät mit einem geraden Anschluss im Vergleich zu einem rechtwinkligen Anschluss einen unveränderten Differenzdruck erzeugt. Die zwei Konfigurationen mit 0° Inlet und 90° Inlet sind auf Abbildung 3 zu sehen.

Vergleichsmessungen am Prototyp

Um die vielversprechenden Simulationsergebnisse zu überprüfen, wird ein Prototyp 3D-gedruckt und ein Messaufbau aufgebaut (siehe Abbildung 4). Mithilfe eines Messgerätes wird der Differenzdruck bei verschiedenen Flüssen aufgezeichnet. Es wird festgestellt, dass die Messergebniss und die Simulation qualitativ recht gut übereinstimmen.

Erkenntnisse

Durch diese Untersuchungen können folgende Erkenntnisse für eine Verbesserung des Konzepts gemacht werden:

• Mithilfe von CFD-Simulationen können Trends für den Zusammenhang zwischen Fluss und Differenzdruck vorausgesagt werden
• Um genauere Resultate aus der Simulation zu erhalten, ist eine Verbesserung der Genauigkeit benötigt. Mithilfe einer zeitabhängigen Rechnung kann dies möglicherweise erzielt werden.
• Für eine Feinabstimmung sind Messungen an physischen Prototypen unerlässlich.

Thermischer Ansatz

In diesem Konzept soll der Fluss mithilfe eines Kalometrischen Durchflussmesser ermittelt werden. Der Vorteil dieser Messmethode ist, dass keine Einsätze verwendet werden müssen, welche verschmutzen und regelmäßig getauscht werden müssen. Außerdem ist die Auflösung v.a. bei kleinen Flüssen sehr hoch.

Abbildung 6: Schematische Darstellung der MATLAB-Simulink-Simulation bestehend aus der Elektronik und aus physikalischem Modell für Fluss und Wärmetransport

In der Simulation können nun verschiedene Einflüsse untersucht werden. So kann ein Verständnis für das Messprinzip erlangt werden. Auf Abbildung 7 sind die Resultate der Simulation zu sehen. Der Fluss wird dabei gleichmäßig gesteigert. Wie erwartet, erhöht sich das Messsignal ebenfalls. Ausserdem ist zu sehen, dass im unteren Flussbereich eine gute Auflösung erzielt werden kann. Weitere Simulationen werden durchgeführt, um den Einfluss variabler Umgebungstemperatur zu prüfen. Auch diese Resultate (nicht gezeigt) zeigen, dass mit der gewählten Auslegung einen nächsten Schritt in einem physischen Prototyp möglich sind.

Vergleichsmessungen am Prototyp

Im nächsten Schritt wird durch einen Elektronikingenieur ein PCB für den Driver erstellt und der Sensor wird in einen physischen Prototyp eingebaut. Auf Abbildung 8 ist der Messaufbau mit einem 3D-gedruckten Einsatz für den Sensor, PCBs und Durchflussmessgerät zur Referenzmessung des Flusses zu sehen.

Im Versuchsaufbau kann der Fluss schrittweise um jeweils 10 lpm von 0 auf 300 lpm erhöht werden. Der Flussverlauf und das Messsignal in diesem Versuch sind auf Abbildung 9 zu sehen. Wie erwünscht, vergrössert sich die gemessene Spannung schrittweise mit einer Erhöhung des Flusses. Im Vergleich der Simulation mit Messergebnissen ist eine gute qualitative Übereinstimmung zu sehen.

Erkenntnisse

Folgende Erkenntnisse können aus diesem Konzept gemacht werden:

• Das MATLAB-Simulink Modell ermöglicht das Messprinzip zu testen, ohne das Hardware benötigt wird.
• Ausserdem kann dank der Simulation mit erhöhter Erfolgs-Sicherheit ein PCB für den Sensor entworfen werden.
• Die Messungen zeigen qualitativ gute Übereinstimmungen mit der Simulation.

Lochplatte

In diesem Konzept fliesst das Gas durch drei hintereinander angeordnete Lochplatten. Dabei wird der Differenzdruck (dP1) zwischen der inneren Lochplatten gemessen. Diese Differenzdruckmessung wird für die Flussmessung bei hohen Flüssen verwendet. Ausserdem wird der Differenzdruck (dP2) vor der ersten und nach der dritten Lochplatte gemessen, um tiefe Flüsse bestimmen zu können.

Dieses Design besitzt sehr viele Einflussfaktoren (z.B. Lochdurchmesser, Offene/Geschlossen Fläche, Anzahl Löcher, Dicke Lochplatte, Abstand zwischen Lochplatten, …), welche sich ausserdem gegenseitig beeinflussen. In einer initialen Auslegung wird mithilfe elementarer Formeln ein Design erstellt, welche laminare Strömung durch die Löcher im gesamten Flussbereich gewährt.

Modularer Prototyp

Um die vielen Einflussfaktoren zu überprüfen, wird in diesem Konzept auf einen modularen Prototyp gesetzt, bei welchem sich verschiedene Lochplatten ganz einfach auswechseln lassen. In Abbildung 11 ist der vierteilige Messkanal mit drei austauschbaren Lochplatten zu sehen. Der Messkanal und die Einsätze sind in zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt worden, damit die Teile gasdicht sind und um genügend genaue Löcher zu erhalten.

Messungen

Auf Abbildung 12 sind die Messresultate für den Prototyp mit Lochplatten zu sehen. Da es zwei Differenzdruckmessungen pro Einsatzvariante gibt, sind insgesamt vier Kurven zu sehen. In einer ersten Messreihe werden drei Lochplatten hergestellt im 3D-Druckverfahren vermessen («Process 1»). Eine zweite Messreihe mit Einsätzen in einem anderen Verfahren («Process 2»), wird ebenfalls aufgenommen. Entgegen der Erwartung ist der Unterschied v.a. bei den Full Range-Kurven bedeutend. Eine mögliche Erklärung für diese Differenz sind abgerundete Kanten. Bei näherer Betrachtung der Einsätze unter dem Mikroskop (siehe Abbildung 13) sind die runden respektive scharfen Kanten sehr gut zu sehen. In der Messung lässt sich auch sehr gut überprüfen, dass der geforderte maximale Druckabfall bei 300 lpm deutlich kleiner als 40 mbar ist.

Abbildung 13: Runde Kanten an Lochplatte (links), scharfe Kanten an Lochplatte (rechts).

Erkenntnisse

Aus diesem Konzept können folgende Schlüsse getroffen werden:

• Mit dem modular aufgebauten Prototyp können innerhalb kurzer Zeit schnell unterschiedliche Varianten ausprobiert und vermessen werden.
• Die Messungen am Prototyp zeigen schon früh, dass gewisse Fertigungstoleranzen (z.B. Radien/scharfe Kanten der Löcher) wichtig sind und großen Einfluss auf die „Performance“ haben.