Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge eines Fluids durch einen Durchflusssensor mit einem Messkanal nach Anspruch 1, einen Durchflusssensor nach Anspruch 9, ein Messsystem mit einem Durchflusssensor nach Anspruch 13 sowie einen Differenzdrucksensor nach Anspruch 15.

Flussmessungen bzw. Durchflussmengenmessungen werden in verschiedensten Bereichen angewendet, unter anderem in Beatmungsgeräten, Inhalatoren, Sauerstoffkonzentratoren und Anästhesiegeräten. Es gibt verschiedenste Messansätze: Druck-basiert, thermische Messung, Ultraschall-Ansätze oder auch variable-Flächen Flussmessungen.

Die meisten Druck-basierten Ansätze nutzen den Zusammenhang von Druck und Durchflussmenge. Bei einem Venturi-Meter wird der Flusskanal verkleinert, was die Strömungsgeschwindigkeit im Kanal verändert. Dies wiederum erzeugt einen Druckunterschied zwischen dem schnellen und langsamen Durchflussbereich. Der resultierende Differenzdruck zwischen dem schnellen und langsamen Durchflussbereich ist nun flussabhängig. Somit kann aus dem gemessen Differenzdruck der Fluss hergeleitet werden. Ein alternativer Ansatz ist das Einfügen eines Widerstandes in den Flusskanal. Dabei fällt ein gewisser Anteil vom Druck über dem Widerstand ab. Somit gibt es einen Druckunterschied vor und nach dem Widerstand der wiederum flussabhängig ist. Dieser Differenzdruck wird gemessen um auf den Fluss schliessen zu können.- Es gibt diverse Arten, wie ein derartiger Widerstand konstruiert sein kann. Beispielsweise kann eine Blende als Widerstand verwendet werden. Weitere Flussmessungen gebrauchen Siebe, Honeycomb-Elemente oder linear Flow Elemente als Widerstand.

Jeder Widerstand bzw. jeder Differenzdruck setzt sich aus zwei Teilen zusammen, einem laminaren Teil und einem turbulenten Teil. Der laminare Teil hat einen linearen Zusammenhang zwischen dem Durchfluss und dem Differenzdruck im Messkanal, während der turbulente Teil einen quadratischen Zusammenhang zwischen dem Durchfluss und dem Differenzdruck aufweist.

Die US6681189 A offenbart ein computergestütztes Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussrate eines Fluids, das durch eine Leitung mit einem Obstruktionsdurchflussmesser fliesst, umfassend: Empfangen eines Beta- Verhältniswertes, der ein Beta-Verhältnis des Obstruktionsdurchflussmessers anzeigt; Empfangen eines Druckdifferenzwertes, der eine Druckdifferenz über den Obstruktionsdurchflussmesser anzeigt; Empfangen eines Dichtewertes, der eine Dichte des Fluids anzeigt; Empfangen einer Abflusskoeffizientenformel für den Obstruktionsdurchflussmesser, wobei die Abflusskoeffizientenformel eine Funktion des Beta-Verhältnisses des Obstruktionsdurchflussmessers und einer Eulerschen Zahl für das durch die Leitung fliessende Fluid ist; und Bestimmen der Durchflussrate durch den Computer auf der Grundlage des empfangenen Beta -Verhältniswertes, des empfangenen Druckdifferenzwertes, des empfangenen Dichtewertes und der empfangenen Abflusskoeffizientenformel.

Die CN212340332 U offenbart ein Verfahren zur Verringerung der Interferenz von Hochpräzisions-Durchflussmessern. Die Messvorrichtung umfasst ein Messrohr mit mehreren, in Serie angeordneten Druck-Ringen zwischen denen zwei Differenzdruck- Sensoren angeordnet sind, wobei mithilfe der Differenzdruck-Sensoren zwei zueinander benachbarten Drücke zwischen den benachbarten Druck-Ringen misst.

Nachteilig an diesen bekannten Lösungen ist, dass nur ein eingeschränkter Flussmessbereich erfassbar ist, welcher auch als Turndown Verhältnis bekannt ist. Das Turndown Verhältnis berechnet sich durch die maximal messbare Durchflussmenge dividiert durch die minimal messbare Durchflussmenge und charakterisiert somit die Bereichsfähigkeit einer Durchflussmessung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zu schaffen, welches zumindest einen der vorgenannten Nachteile nicht aufweist und insbesondere ein verbessertes Verfahren, einen verbesserten Durchflusssensor bzw. verbessertes Messsystem bereit zu stellen, mit dem eine Auswertung der Durchflussmenge über eine höheren Flussmessbereich mit einer verbesserten absoluten Auflösung und Messgenauigkeit ermöglicht ist. Des Weiteren soll ein Differenzdrucksensor geschaffen werden, mit dem gleichzeitig mehrere Differenzdruckbereiche mit verbesserter Auflösung messbar sind.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Figuren und in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt. Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge eines Fluids durch einen Durchflusssensor mit einem Messkanal, umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Fluids im Messkanal des Durchflusssensors; b. Erfassen zumindest eines ersten (oder inneren) Differenzdrucks im Messkanal, wobei der zumindest eine erste Differenzdruck in einem ersten

Differenzdruckbereich im Messkanal vorliegt; c. Erfassen zumindest eines zweiten (oder äusseren) Differenzdrucks im Messkanal, wobei der zumindest eine zweite Differenzdruck in einem zweiten

Differenzdruckbereich im Messkanal vorliegt und der Differenzdruck im zweiten Differenzdruckbereich den Differenzdruck im ersten Differenzdruckbereich umfasst; d. Übermitteln der erfassten Differenzdrücke an eine Auswerteeinheit; e. Bestimmten einer Durchflussmenge im Messkanal mithilfe der Auswerteeinheit auf Basis der erfassten Differenzdrücke.

Als Fluid ist typischerweise ein Gas oder eine Flüssigkeit verwendbar. Insbesondere ist der Durchflusssensor für die Prüfung der Durchflussmenge des Beatmungsgases (als Fluid) durch ein Beatmungsgerät verwendbar. Ein Differenzdruck im Messkanal wird mithilfe zumindest eines Widerstandselements im Messkanal erzeugt, da aufgrund des Widerstandselements ein erster Druck auf einer ersten Seite des Widerstandselements im Messkanal vorhanden ist und ein zweiter Druck auf einer zweiten Seite des Widerstandselements vorhanden ist. Ein Differenzdruck entsteht, wenn man die beiden Drücke erfasst und die erfassten Drücke voneinander subtrahiert bzw. den Differenzdruck direkt erfasst. Alternativ dazu fliesst eine kleine Menge des Fluids durch einen am Messkanal angeordneten Differenzdrucksensor, wobei der Differenzdrucksensor den Differenzdruck direkt erfasst.

Der erste (oder innere) Differenzdruck ist unterschiedlich zum zweiten (oder äusseren) Differenzdruck, wobei der erste (oder innere) Differenzdruck insbesondere kleiner ist, als der zweite (oder äussere) Differenzdruck. Die Kombination von zwei unterschiedlichen Druckmessbereichen, welche sich zumindest überlappen, mit unterschiedlichen Differenzdrücken im Messkanal des Durchflusssensors erhöht die Auflösung und die Genauigkeit über den gesamten für die Messung relevanten Flussmessbereich, und verbessert das Bestimmen der Durchflussmenge im Messkanal und erhöht das Turndown Verhältnis. Als Auflösung ist hier die Änderung des Druckunterschieds pro Änderung des Flusses im Messkanal definiert.

Typischerweise ist es gewünscht, dass die Auflösung und Genauigkeit im gesamten Flussmessbereich im Messkanal genügend gross ist. Dafür sind zwei Bedingungen relevant; Erstens soll der Differenzdruck beim maximalen Durchfluss des Fluids gross genug gewählt werden, und zweites soll der laminare Teil der Messung möglichst gross sein. Dies hat zur Folge, dass die Auflösung und der Differenzdruck bei kleinen Durchflussmengen im Messkanal grösser sind. Im Allgemeinen wirken beide Bedingungen bzw. Effekte gegeneinander. Wenn der Differenzdruck vergrössert wird, wird in erster Linie nur der quadratische Anteil des Differenzdrucks vergrössert, was das Verhältnis von laminarem Teil zu turbulentem Teil in der Messung wieder verschlechtert. Wenn man nun versucht, den Durchfluss laminarer zu halten, wird der Gesamt- Differenzdruck verkleinert.

Ein weiterer Effekt des quadratischen Anteils der Messung ist, dass die Auflösung der berechneten Durchflussmenge bei hohen Durchflussmengen viel grösser ist als bei tiefen Durchflussmengen. Denn, mit einem Differenzdruck der proportional zur Durchflussmenge ist, und eine Auflösung definiert als Verhältnis des Differenzdrucks und der Durchflussmenge, ist die Auflösung dann selbst proportional zur Durchflussmenge. Normalerweise wünscht man sich bei tiefen Durchflussmengen eine grössere absolute Auflösung oder zumindest eine gleich grosse absolute Auflösung wie bei hohen Durchflussmengen.

Anstelle von einem Widerstand beinhaltet der Messkanal zumindest zwei Widerstände. Die Differenzdrücke über die Widerstände werden linear addiert, und der laminare Anteil wird proportional zu der Anzahl der Widerstände erhöht. Die tiefen Durchflussmengen werden über einen Differenzdruck, insbesondere über die Summe aller Differenzdrücke gemessen und die hohen Durchflussmengen nur über einzelne Differenzdrücke, welche beispielsweise geringer sind. Es entstehen somit mehrere Druckbereiche, die einzeln gemessen werden können. Es kann frei gewählt werden, welchen Durchflussmengenbereich über wie viele Differenzdruckbereiche gemessen werden.

Die absolute Auflösung ist aufgrund des zuvor genannten Verfahrens über den ganzen Flussmessbereich besser verteilt. Zum einen erhält man eine hohe Auflösung und Genauigkeit bei tiefen Durchflussmengen, da der laminare Anteil gross ist, zum anderen erhält man auch eine ähnliche Auflösung bei hohen Durchflussmengen, da über weniger Differenzdruckbereiche gemessen wird. Im Allgemeinen kann mit den zuvor genannten Verfahren nun eine beliebige Auflösung und unterschiedliche Turndown Verhältnisse hergestellt werden, je nach Anforderungen.

Die Durchflussrichtung des Fluids durch den Messkanal ist nicht relevant, sodass das zuvor genannte Verfahren für bidirektionale Messungen einsetzbar ist. Das heisst, es ist belanglos von welcher Richtung das Fluid durch den Messkanal strömt, das Prinzip funktioniert genau gleich. Zusätzlich zeigt dieses Messverfahren keine Hysterese -Effekte in der Messung.

Der zweite (oder äussere) Differenzdruckbereich schliesst den ersten (oder inneren) Differenzdruckbereich im Messkanal ein, sodass die innere Messung des ersten Differenzdrucks durch die äussere Messung des zweiten Differenzdrucks vor externen Turbulenzen geschützt ist, welche insbesondere bei hohen Durchflussmengen entstehen. Ausserdem wir dadurch der total Differenzdruck so klein wie möglich gehalten.

Vorzugsweise erfolgt das Erfassen des ersten (oder inneren) Differenzdrucks und des zweiten (oder äusseren) Differenzdrucks gleichzeitig. Dabei wird der Druck an vier Bereichen im Messkanal gemessen und der erste Differenzdruck und der zweite Differenzdruck bestimmt. Damit ist ein schnelles und vereinfachtes Erfassen und Auswerten der Daten der beiden Differenzdrücke ermöglicht.

Bevorzugterweise umfasst der erste (oder innere) Differenzdruckbereich im Messkanal zumindest ein Widerstandselement, wobei Differenzdrücke im Differenzdruckbereich von -20kPa bis 20kPa vorhanden ist. Damit sind hohe Durchflussmengen im Messkanal einfach bestimmbar bzw. messbar.

Insbesondere werden Differenzdrücke im ersten Differenzdruckbereich von -1.2kPa bis 1.2kPa, bevorzugt von -0.5kPa bis 0.5kPa, vorhanden sein. Dabei können Differenzdrucksensoren bereitgestellt werden, die in diesem Bereich messen, deren Aufbau standardisiert ist und die dadurch kostengünstig herstellbar sind.

Vorzugsweise umfasst der zweite (oder äussere) Differenzdruckbereich im Messkanal zumindest zwei Widerstandselemente, wobei Differenzdrücke im Differenzdruckbereich von -lOOkPa bis lOOkPa vorhanden ist. Damit sind kleinere Durchflussmengen im Messkanal mit der notwendigen Auflösung einfach bestimmbar. Insbesondere werden Differenzdrücke im zweiten Differenzdruckbereich von -5kPa bis 5kPa, bevorzugt von -1.5kPa bis 1.5kPa, vorhanden sein. Dabei können mehrere Widerstandselemente im Messkanal bereitgestellt werden, deren Aufbau gleich ist und die dadurch kostengünstig herstellbar sind.

Bevorzugterweise sind zumindest drei Widerstandselemente im Messkanal vorhanden. Je mehr Widerstandselemente in Serie im Messkanal angeordnet werden, umso mehr Freiheiten für die Skalierung der Messung ist gegeben. Der Druck in den Druckdifferenzbereichen im Messkanal ist durch die Anzahl der Widerstandselemente bestimmt. Zusätzlich kann der Differenzdruck bzw. der Druckabfall über ein Widerstandselement kleiner gehalten werden, wenn mehrere Widerstandselemente im Messkanal vorhanden sind. Bei einem Widerstandselement mit kleinem Differenzdruck bzw. Druckabfall ist der laminare Anteil im Allgemeinen grösser, wodurch der gesamte Widerstand wiederum verbessert ist. Das erste Widerstandselement, wie hier vorliegend definiert, ist jenes Widerstandselement, welches je nach Strömungsrichtung des Fluids als erstes vom Fluid erfasst wird. Das zweite Widerstandselement im Messkanal wird folglich zu einem späteren Zeitpunkt vom Fluid erfasst. Als Widerstandselement kann eine Scheibe, mit einer Anzahl von definierten Löchern, ggf. unterschiedlichen Grösse, in der Scheibe, sein.

Insbesondere wird der erste (oder innere) oder der zweite (oder äussere) Differenzdruck über zumindest das letzte Widerstandselement erfasst, sodass Erfassen des Differenzdrucks strömungsunabhängig ist. Der laminare Teil des Durchflusses erhöht sich, je mehr Widerstandeselemente im Messkanal in Serie angeordnet sind. Der Durchfluss wird deshalb über dem letzten Widerstandselement den grössten laminaren Anteil haben. Dies verbessert die Widerstandscharakteristik vom letzten Widerstandselement gegenüber dem zweiten Widerstandselement. Eine verbesserte Widerstandscharakteristik führt zu einer weiteren Verbesserung der Auflösung.

Insbesondere ist zumindest ein Widerstandselement unterschiedliche zu einem weiteren Widerstandselement aufgebaut. Die genauen Differenzdruckbereiche können einzeln ausgelegt werden, wobei der maximale Differenzdruck und die Auflösung in jedem Differenzdruckbereich einzeln angepasst wird.

Bevorzugt wird der erste (oder innere) Differenzdruck im Messkanal über das zweite Widerstandselement erfasst oder über das zweite und das dritte Widerstandselement erfasst. Damit ist die Messung des ersten Differenzdruck, also der inneren Messung, durch die äusseren Widerstandselemente geschützt, sodass Turbulenzen, insbesondere bei hohen Durchflussmengen verhinderbar sind und damit die Genauigkeit im Messverfahren weiter verbessert ist.

Insbesondere wird der zweite (oder äussere) Differenzdruck im Messkanal über alle drei Widerstandselemente erfasst.

Vorzugsweise ist eine Speichereinheit vorhanden, in welcher zumindest ein erster Schrankenwert für den ersten (oder inneren) Differenzdruck gespeichert wird. Der zumindest eine erste Schrankenwert dient als Festlegungskriterium für das Erfassen des zweiten (oder äusseren) Differenzdrucks im zweiten Differenzdruckbereich. Wird der zumindest erste Schrankenwert für den ersten Differenzdruck erreicht, so kann automatisch festgelegt werden, ob bzw. wie der zweite Differenzdruck gemessen wird. Ein einfaches Umschalten der Messungen zwischen den ersten und zweiten Differenzdrücken ist je nach Höhe der Durchflussmenge möglich.

Alternativ oder ergänzend wird zumindest ein erster Schrankenwert für den zweiten Differenzdruck in der Speichereinheit gespeichert. Der zumindest eine erste Schrankenwert dient als Festlegungskriterium für das Erfassen des zweiten Differenzdrucks im zweiten Differenzdruckbereich. Wird der zumindest erste Schrankenwert für den zweiten Differenzdruck erreicht, so kann abhängig von der Durchflussmenge ein Umschalten zwischen den Messungen erfolgen.

Bevorzugterweise wird aus der Speichereinheit zumindest ein Schrankenwert abgerufen und in der Auswerteeinheit mit zumindest einem der beiden erfassten Differenzdrücke verglichen. Die Auswerteeinheit kann selbstständig erkennen, bei welcher Durchflussmenge ein Umschalten der Messbereiche notwendig ist.

Bevorzugt wird der erste Schrankenwert des ersten Differenzdrucks mit dem aktuell erfassten ersten Differenzdruck verglichen. Das Messverfahren kann verkürzt werden, wenn die gewünschte Auflösung bei der vorliegenden Durchflussmenge bereits ausreichend ist. Insbesondere wird der Schritt c. ausgeführt, wenn der erste Schrankenwert grösser ist, als der aktuell erfasste erste Differenzdruck.

Vorzugsweise ist zumindest ein Differenzdrucksensor vorhanden, wobei der zumindest eine Differenzdrucksensor den ersten (oder inneren) Differenzdruck und den zweiten (oder äusseren) Differenzdruck misst und der Messbereich des zumindest einen Differenzdrucksensors für den zweiten Differenzdruck kleiner ist, als der Messbereich des zumindest einen Differenzdrucksensors für den ersten Differenzdruck.

Alternativ ist ein zweiter Differenzdrucksensor vorhanden, wobei der zumindest eine Differenzdrucksensor (innere) den ersten Differenzdruck im ersten Differenzdruckbereich misst und der zweite Differenzdrucksensor (äussere) den zweiten Differenzdruck im zweiten Differenzdruckbereich misst, wobei der Messbereich für den ersten Differenzdrucksensor grösser ist, als der Messbereich des zweiten Differenzdrucksensors (äussere). Dies erhöht zusätzlich die Auflösung und somit die Genauigkeit bei kleinen Durchflussmengen.

Bevorzugt ist der Messbereich des zumindest einen Differenzdrucksensors (innere) im Bereich von -20kPa bis 20kPa, insbesondere -1.2kPa bis 1.2kPa, bevorzugt von -0.5kPa bis 0.5kPa.

Bevorzugt ist der Messbereich des zweiten Differenzdrucksensors (äussere) im Bereich von -2.5kPa bis 2.5kPa, insbesondere -0,5kPa bis 0.5kPa, bevorzugt von -0.125kPa bis 0.125kPa.

Bevorzugterweise wird zumindest eine Fluideigenschaft des Fluids im Messkanal erfasst, und im Schritt e) zum Bestimmten der Durchflussmenge in der Auswerteeinheit verwendet. Damit wird das Bestimmen der Durchflussmenge mit der gewünschten Genauigkeit weiter verbessert, da diese nicht nur von der Geometrie im Messkanal abhängt, sondern auch von den Fluideigenschaften selbst.

Insbesondere wird die Fluideigenschaft mithilfe von einem Benutzer erfasst und/oder mit einem Sensor gemessen und/oder in der Auswerteeinheit berechnet. Damit kann das Verfahren zusätzlich mit Erfahrungswerten, bspw. für einen gewissen Fluidtyp weiter verbessert werden. Beispielsweise werden die Fluideigenschaften als Parameter in eine Lookup Tabelle in der Auswerteeinheit hinterlegt und können so in Abhängigkeit der Benutzer Eingaben oder in Abhängigkeit die vom Sensor gemessenen (anderen) Fluideigenschaften einfach berechnet werden. Somit stehen dem im Verfahren die Fluideigenschaften unmittelbar zur Verfügung, sodass ein schnelles und kostengünstiges Messverfahren ausführbar ist.

Bevorzugt wird die Fluideigenschaft zumindest von einem Parameter aus der Gruppe des Absolutdrucks, der Temperatur, der Feuchte, des Fluidtypes, der Viskosität oder der Dichte umfasst. Diese können einzeln, oder in Kombination, direkt zum Bestimmen der Durchflussmenge verwendet werden, sodass die Genauigkeit im Messverfahren erhöht ist und insbesondere das Umrechnen in unterschiedliche Durchflussmengen-Mess- Standards erfolgen kann. Die Parameter der Fluideigenschaften sind über zumindest eine mathematische Funktion, beispielsweise einem Polynom, abgebildet und können bei Bestimmen der Durchflussmenge berücksichtigt werden.

Ein erfindungsgemässer Durchflusssensor zum Bestimmen einer Durchflussmenge eines Fluids in einem Messkanal, insbesondere mit einem zuvor angeführten Verfahren, umfasst einen Messkanal mit zumindest drei Kanalabschnitten, welche in Serie benachbart zueinander im Durchflusssensor angeordnet sind und zwischen den zueinander benachbarten Kanalabschnitten jeweils zumindest ein Widerstandselement angeordnet ist, wobei jeder der drei Kanalabschnitte zumindest einen Messanschluss zum Messen eines Fluiddrucks aufweist.

Zumindest zwei Kanalabschnitte definieren den ersten (oder inneren) Differenzdruckbereich und zumindest drei Kanalabschnitte definieren den zweiten (oder äusseren) Differenzdruckbereich. Jeder Differenzdruck im Messkanal wird mithilfe zumindest einem Widerstandselement im Messkanal erzeugt, wie zuvor beschrieben. Der erste (oder innere) Differenzdruck ist unterschiedlich zum zweiten (oder äusseren) Differenzdruck, wobei der erste Differenzdruck insbesondere kleiner ist, als der zweite Differenzdruck. Die Kombination von zwei unterschiedlichen Messbereichen mit unterschiedlichen Differenzdrücken im Messkanal des Durchflusssensors erhöht die Auflösung über den gesamten für die Messung relevanten Messbereich und verbessert das Bestimmen der Durchflussmenge im Messkanal. Ein optimales Widerstandselement weist einen möglichst grossen laminaren Widerstandsanteil auf. Dies ist gewünscht, damit die absolute Auflösung bei kleinen Durchflussmengen möglichst gross ist.

Die absolute Auflösung bei der Messung ist aufgrund der zuvor genannten Geometrie des Durchflusssensors über den ganzen Messbereich besser verteilt. Zum einen erhält man eine hohe Auflösung bei tiefen Durchflussmengen, da der laminare Anteil gross ist, zum anderen erhält man auch eine ähnliche Auflösung bei hohen Durchflussmengen, da über weniger Differenzdruckbereiche gemessen wird. Im Allgemeinen kann mit dem hier offenbarten Durchflusssensor und dem zuvor genannten Verfahren nun eine beliebige Auflösung beim Bestimmen der Durchflussmenge eingestellt werden, je nach Anforderungen. Darüber hinaus weist der Durchflusssensor keine beweglichen Bauteile auf, sodass dieser robust und langlebig ist sowie miniaturisierbar ist. Das Anordnen der Widerstandselemente in Serie führt zu einer vorteilhaften Addition der Widerstandswerte, wobei das Verhältnis von linearem zu quadratischem Anteil gleich bleibt. Das heisst, der Widerstand behält das gewünschte Verhältnis und der Gesamtwiderstand wird grösser.

Vorzugsweise ist zumindest ein Gehäusebauteil vorhanden, in welchem die drei Kanalabschnitte ausgebildet sind. Das Gehäusebauteil lässt sich einfach mit additiven Herstellungsverfahren hersteilen und umfasst sowohl die zumindest drei Kanalabschnitte sowie die darin, gegebenenfalls fix, verbauten Widerstandselemente. Damit ist der Durchflusssensor einfach und kostengünstig, herstellbar. Darüber hinaus weisen die hergestellten Durchflusssensoren eine vergleichbare Charakteristik auf, sodass auf eine nachträgliche Anpassung der Geometrie verzichtet werden kann.

Bevorzugt ist im ersten Kanalabschnitt ein Sieb angeordnet, sodass die Messung der Durchflussmenge nicht von unerwünschten Fremdkörpern oder vorangehende Turbulenzen gestört ist. Insbesondere ist am letzten Kanalabschnitt ebenfalls ein weiteres Sieb angeordnet. Damit ist der Messkanal bidirektional geschützt.

Vorzugsweise sind zumindest zwei Gehäusebauteile vorhanden, in welchen zumindest jeweils einer der drei Kanalabschnitte ausgebildet ist. Dadurch ist ein einfaches Gehäuse mit wenigen Bauteilen mit definierten Differenzdruckbereichen vorhanden, wobei ein reproduzierbares Erfassen des ersten und des zweiten Differenzdrucks möglich ist.

Bevorzugterweise sind die Widerstandselemente austauschbar in Messkanal angeordnet. Damit lässt sich das Gehäuse, beispielsweise einfach hersteilen und je nach Anwendung des Durchflusssensors können unterschiedliche Widerstandselemente im Messkanal einfach angeordnet werden, um beispielsweise die Auflösung im Messverfahren dem Fluidtyp anzupassen. Insbesondere können defekte Widerstandselemente einfach ausgetauscht werden, wodurch der Durchflusssensor für unterschiedliche Anwendungen verwendbar ist, sodass die Umwelt geschont wird.

Bevorzugt ist zumindest ein Widerstandselement unterschiedlich zu einem anderen Widerstandselementen ausgebildet. Damit ist der laminare bzw. der turbulente Teil, je nach verwendeten Fluidtyp, anpassbar.

Vorzugsweise ist zumindest ein Differenzdrucksensor an zumindest zwei der Messanschlüsse angeordnet. Die Messanschlüsse können dabei von dem Druckmesssensor abragen, oder als Stichleitung in den Messkanal verlaufen, sodass sich der Differenzdrucksensor ebenfalls im Messkanal befindet und/oder ausserhalb des Messkanals angeordnet ist. Der Differenzdrucksensor kann zum Erfassen des ersten (oder innere) Differenzdrucks sowie zum Erfassen des zweiten (oder äusseren) Differenzdrucks zumindest vier Druckmessanschlüsse auf, welche direkt oder indirekt mit den Messanschlüssen verbunden sind. Insbesondere ist ein weiterer Differenzdrucksensor vorhanden, wobei der zumindest eine Differenzdrucksensor mit zwei Messanschlüsse des Durchflusssensors direkt oder indirekt verbunden ist und der weitere Differenzdrucksensor mit zwei weiteren Messanschlüssen des Durchflusssensors verbunden ist.

Bevorzugt ist zumindest ein Absolutdrucksensor und/oder ein Temperatursensor und/oder ein Feuchtigkeitssensor im Messkanal vorhanden. Damit sind weitere Fluideigenschaften messbar und die Genauigkeit beim Bestimmen der Durchflussmenge verbesserbar sowie das Umrechnen in unterschiedliche Durchflussmengen-Mess- Standards möglich.

Ein erfindungsgemässes Messsystem zum Bestimmen einer Durchflussmenge mit einem Durchflusssensor, insbesondere mit einem wie zuvor beschriebenen Durchflusssensor und mit zumindest einem Differenzdrucksensor umfasst eine Auswerteeinheit, welche zumindest mit dem zumindest einen Differenzdrucksensor verbunden ist, um zumindest einen ersten (oder inneren) Differenzdruck im Messkanal des Durchflusssensors zu erfassen und einen zweiten (oder äusseren) Differenzdruck im Messkanal des Durchflusssensors zu erfassen. Der Differenzdrucksensor ist somit zwischen den Messanschlüssen des Durchflusssensors und der Auswerteeinheit angeordnet, wobei dies zumindest aus elektrotechnischer Sicht zu sehen ist - insbesondere, wenn der Differenzdrucksensor im Messkanal des Durchflusssensors angeordnet ist. Insbesondere ist die Auswerteinheit ausgebildet, das zuvor genannte Verfahren auszuführen. Die absolute Auflösung ist aufgrund des zuvor genannten Verfahrens über den ganzen Messbereich besser verteilt. Zum einen erhält man eine hohe Auflösung und Genauigkeit bei tiefen Durchflussmengen, da der laminare Anteil gross ist, zum anderen erhält man auch eine ähnliche Auflösung bei hohen Durchflussmengen, da über weniger Differenzdruckbereiche gemessen wird. Im Allgemeinen kann mit dem zuvor genannten Messsystem nun eine beliebige Auflösung hergestellt werden, je nach Anforderungen.

Vorzugsweise ist eine Anzeigeeinheit vorhanden, um zumindest die Durchflussmenge anzuzeigen, sodass ein direktes Ablesen der gemessenen Durchflussmenge und/oder der weiteren zuvor genannten Fluideigenschaften am Messsystem ermöglicht ist. Insbesondere ist die Durchflussmenge grafisch darstellbar, sodass beispielsweise der zeitliche Verlauf der Durchflussmenge darstellbar ist.

Bevorzugterweise ist eine Speichereinheit vorhanden, in welcher zumindest ein erster Schrankenwert gespeichert ist. Damit ist der zuvor beschriebene zumindest erste Schrankenwert einfach und reproduzierbar abrufbar und in der Auswerteeinheit verwendbar.

Alternativ oder ergänzend ist zumindest eine Schnittstelle zum Auslesen von erfassten Werten der Differenzdrücke oder Durchflussmengen vorhanden. Die erfassten Werte sind somit an ein externes Auswertegerät übertragbar. Die Schnittstelle kann eine drahtlose oder eine drahtbehaftete Schnittstelle sein, sodass gegebenenfalls auf eine physische Verbindung des Messsystems mit dem externen Auswertegerät verzichtet werden kann. Alternativ oder ergänzend ist eine Schnittstelle zum Auslesen von ausgewerteten Daten vorhanden.

Ein erfindungsgemässer Differenzdrucksensor für einen Durchflusssensor, insbesondere einen wie zuvor beschriebener Durchflusssensor, umfasst vier Druckmessanschlüsse zum Erfassen von zwei unterschiedlichen Differenzdrücken in einem Messkanal. Ein derartiger Differenzdrucksensor benötigt nur eine Stromversorgung, nur ein Gehäuse und ist somit einfach und kostengünstig aufgebaut. Das dafür notwendige Ausleseprotokoll kann einfach gehalten werden und es ist nur eine Schnittstelle, beispielsweise ein Datenbus notwendig, sodass die Installation und die Wartung des Differenzdrucksensor vereinfacht ist.

Bevorzugt ist der Messbereich (innere) im Bereich von -20kPa bis 20kPa, insbesondere -1.2kPa bis 1.2kPa, bevorzugt von -0.5kPa bis 0.5kPa.

Bevorzugt ist der Messbereich (äussere) im Bereich von -2.5kPa bis 2.5kPa, insbesondere -0,5kPa bis 0.5kPa, bevorzugt von -0.125kPa bis 0.125kPa.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind.

Die Bezugszeichenliste ist wie auch der technische Inhalt der Patentansprüche und Figuren Bestandteil der Offenbarung. Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.

Es zeigen dabei:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Durchflusssensor in einer schematischen

Schnittansicht,

Fig. 2 ein erfindungsgemässes Messsystem mit einem Durchflusssensor gemäss Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 3 das Messsystem gemäss Fig. 2 in einer weiteren schematischen

Seitenansicht,

Fig. 4 ein Flussdiagramm zu einem erfindungsgemässen Verfahren mit einem mit einem Messsystem gemäss Fig. 2 oder Fig. 3, und

Fig. 5 einen erfindungsgemässen Differenzdrucksensor für einen Durchflusssensor gemäss Fig. 1,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Differenzdruck (dP) Messwerte als

Funktion der Durchflussmenge (F).

Fig. 1 zeigt einen Durchflusssensor 15 mit einem Gehäusebauteil G zum Bestimmen einer Durchflussmenge eines Fluids F in einem Messkanal 19. Der Durchflusssensor 15 weist einen ersten Anschluss 16 und einen zweiten Anschluss 17 zum Anschliessen von Fluidschläuchen auf, wobei sich der Messkanal 19 zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 16, 17 erstreckt. An den beiden Anschlüssen 16, 17 sind Siebe 24a, 24b angeordnet, um den Messkanal vor Fremdkörpern zu schützen und die Strömung des Fluids zu beruhigen, sodass eine reproduzierbare Messung ermöglicht ist. Der Messkanal 19 weist vier Kanalabschnitte 18a-18d auf, welche in Serie benachbart zueinander im Durchflusssensor 15 angeordnet sind und zwischen den zueinander benachbarten Kanalabschnitten 18a-18d jeweils zumindest ein Widerstandselement 20a-20c in Serie zueinander angeordnet sind. Der Durchflusssensor 15 weist einen ersten Differenzdruckbereich 22 und einen zweiten Differenzdruckbereich 23 auf. Der erste Differenzdruckbereich 22 kann auch als innerer Differenzdruckbereich bezeichnet werden und umfasst die zwei Kanalabschnitte 18b und 18c, sowie das Widerstandselement 20b. Der zweite Differenzdruckbereich 23 kann auch als äusserer Differenzdruckbereich bezeichnet werden und umfasst die vier Kanalabschnitte 18a- 18d, sowie die Widerstandselemente 20a-20c. Jeder der Kanalabschnitt 18a-18d weist einen Messanschluss 21a-21d zum Messen eines Fluiddrucks des durch den Messkanal strömenden Fluids F auf.

Es ist ein erster (oder innerer) Differenzdrucksensor 25 an den Messanschlüssen 21b und 21c angeordnet. Die Messanschlüsse 21b und 21c ragen von dem Durchflusssensor 15 ab. Der Differenzdrucksensor 25 weist zwei Druckmessanschlüsse 26a und 26b auf und erfasst den ersten Differenzdruck im ersten Differenzdruckbereich 22. Der Messbereich des ersten Differenzdrucksensors 25 ist im Bereich von -0.5kPa bis 0.5kPa.

Es ist ein zweiter (oder äusserer) Differenzdrucksensor 27 an den Messanschlüssen 21a und 21d am Durchflusssensor 15 angeordnet. Der Messbereich des zweiten Differenzdrucksensors 27 ist im Bereich von -0.125kPa bis 0.125kPa. Die Messanschlüsse 21a und 21d ragen von dem Durchflusssensor 15 ab. Der Differenzdrucksensor 27 weist zwei Druckmessanschlüsse 28a und 28b auf und erfasst den zweiten Differenzdruck im zweiten Differenzdruckbereich 23.

Der erste (oder innere) Differenzdruck wird über die Messanschlüsse 21b und 21c gemessen und der zweite (oder äussere) Differenzdruck wird über die Messanschlüsse 21a und 21d gemessen. Der erste Differenzdruck ist unterschiedlich zum zweiten Differenzdruck, wobei der erste Differenzdruck insbesondere kleiner ist, als der zweite Differenzdruck.

Der Durchflusssensor 15 weist einen weiteren Messanschluss 30 auf, welcher vom Gehäusebauteil G abragt und am Kanalabschnitt 18d angeordnet ist. An diesem Messanschluss 30 ist ein Absolutdrucksensor 35 angeordnet, welcher den Absolutdruck im Fluid misst. Der Ausolutdrucksensor weist einen Messbereich von 0.5 bis 2 mbar auf.

Der Durchflusssensor 15 weist eine Haltevorrichtung 40 auf, welcher im am Kanalabschnitt 18d angeordnet ist. An dieser Haltevorrichtung 40 ist ein Temperatursensor 41 und ein Feuchtesensor 42 angeordnet, welcher die Temperatur sowie die Feuchte im Fluid messen. Diese Sensoren sind über eine Haltevorrichtung 40 im Messkanal 19 angeordnet und mit einer Auswerteeinheit, wie nachfolgend gezeigt, elektrisch verbunden.

Die Fig. 2 und Fig. 3 zeigen ein Messsystem 115 zum Bestimmen einer Durchflussmenge mit dem Durchflusssensor 15 in einem Gehäuse 116, wie zuvor gemäss der Fig. 1 beschrieben. Die Differenzdrucksensoren 25 und 27, der Absolutdrucksensor 35, der Temperatursensor 41 sowie der Feuchtesensor 42 sind mit einer Auswerteeinheit 120 zum Austausch der jeweiligen Messdaten elektrisch verbunden. Die Auswerteeinheit 120 ist also mit den Differenzdrucksensoren 25 und 27 verbunden, um den ersten (oder inneren) Differenzdruck im Messkanal 19 des Durchflusssensors 15 zu erfassen und den zweiten (oder äusseren) Differenzdruck im Messkanal 19 des Durchflusssensors 15 zu erfassen. Die Differenzdrucksensoren 25 und 27 sind somit zwischen den Messanschlüssen 21a-21d des Durchflusssensors 15 und der Auswerteeinheit 120 angeordnet. Die Auswerteeinheit 120 weist eine Speichereinheit 125 und eine Recheneinheit 130 auf. In der Speichereinheit 125 sind diverse mathematische Funktionen (Polynome, Lookup Tabellen) für die Temperatur, die Feuchte für unterschiedliche Fluidtypen sowie diverse Schrankenwerte für die Differenzdrücke gespeichert. Die Recheneinheit 130 ist zum Austausch von Daten mit der Speichereinheit 125 verbunden, wobei die erfassten Differenzdrücke und das nachfolgend beschriebene Verfahren in der Recheneinheit 135 der Auswerteeinheit 120 ausgeführt wird.

Es ist eine Anzeigeeinheit 140 vorhanden, um zumindest die bestimmte Durchflussmenge und/oder die gemessenen Parameter des Temperatursensors 41, des Feuchtesensors 42 und/oder des Absolutdrucksensors 35 anzuzeigen. Die Anzeigeeinheit kann ein einfaches Display und Eingabeknöpfe umfassen oder ein Touchdisplay 141 umfassen, um einzelne Programme, Funktionen oder Daten auszuwählen. Das Display ist ausgebildet, die Durchflussmenge grafisch darzustellen.

Das Messsystem zeigt mehrere Schnittstellen 150, zum Auslesen von erfassten Werten oder Daten der Differenzdrücke. Die erfassten Werte sind somit an ein externes Auswertegerät übertragbar. Die dargestellten Schnittstellen sind USB-Schnittstellen und RS232 Schnittstellen. Zumindest eine Schnittstelle 150a ist eine drahtlose Schnittstelle, wie bspw. Bluetooth ®.

Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Bestimmen der Durchflussmenge beinhaltet, wobei bezüglich der Vorrichtungsmerkmale auf das Messsystem 115 gemäss den Fig. 2 und Fig. 3 Bezug genommen wird.

Das Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge eines Fluids durch einen Durchflusssensor 15 mit einem Messkanal 19, umfasst zumindest die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Fluids im Messkanal 19 des Durchflusssensors 15 (Schritt 301); - Erfassen zumindest eines ersten (oder inneren) Differenzdrucks im Messkanal 19, wobei der zumindest eine erste Differenzdruck in einem ersten Differenzdruckbereich 22 im Messkanal 19 vorliegt (Schritt 302);

- Erfassen zumindest eines zweiten Differenzdrucks im Messkanal 19, wobei der zumindest eine zweite Differenzdruck in einem zweiten (oder äusseren) Differenzdruckbereich 23 im Messkanal 19 vorliegt und der Differenzdruck im zweiten Differenzdruckbereich 23 den Differenzdruck im ersten Differenzdruckbereich 22 umfasst (Schritt 303);

- Übermitteln der erfassten Differenzdrücke an eine Auswerteeinheit 120;

- Erfassen der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit mit dem Temperatursensor 41 (Schritt 304);

- Erfassen des Absolutdrucks mit dem Absolutdrucksensor (Schritt 305);

- Bestimmen der Dichte bzw. der Viskosität, welche eine Funktion des Fluidtyps, der Temperatur, der Feuchtigkeit und des Absolutdrucks ist (Schritt 306);

Bestimmen einer ersten Durchflussmenge auf Basis der ersten

Differenzdruckbestimmung im ersten Differenzdruckbereich 22, der Dichte und der Viskosität in der Recheneinheit der Auswerteeinheit 120 (Schritt 307);

Bestimmen einer zweiten Durchflussmenge auf Basis der zweiten

Differenzdruckbestimmung im zweiten Differenzdruckbereich 23, der Dichte und der Viskosität in der Recheneinheit der Auswerteeinheit 120 (Schritt 308);

- Bestimmten der Durchflussmenge im Messkanal 19 mithilfe der Auswerteeinheit 120 auf Basis der erfassten Differenzdrücke bzw. der daraus bestimmten ersten und zweiten Durchflussmenge (Schritt 309).

Beim Bereitstellen des Fluids wird ein Fluidtyp in der Auswerteeinheit ausgewählt (Schritt 301). Der Fluidtyp wird von einem Benutzer am Display ausgewählt und mithilfe der Eingabeknöpfe eingegeben. Der Fluidtyp ist in einer Lookup Tabelle in der Speichereinheit der Auswerteeinheit 120 hinterlegt.

Die Differenzdrücke im Messkanal 19 werden mithilfe der Widerstandselemente 20a-20c im Messkanal 19 erzeugt und werden von den Differenzdrucksensoren 25, 27 direkt gemessen. Der erste (oder innere) Differenzdruck ist unterschiedlich zum zweiten (oder äusseren) Differenzdruck, wobei der erste Differenzdruck insbesondere kleiner ist, als der zweite Differenzdruck. Der zweite Differenzdruckbereich 23 schliesst den ersten Differenzdruckbereich 22 im Messkanal 19 ein, sodass die innere Messung des ersten Differenzdrucks durch die äussere Messung des zweiten Differenzdrucks vor externen Turbulenzen geschützt ist, welche insbesondere bei hohen Durchflussmengen entstehen.

Im ersten (oder inneren) Differenzdruckbereich 22 im Messkanal 19 werden erste Differenzdrücke im Differenzdruckbereich von -0.5kPa bis 0.5kPa erfasst. Im zweiten (oder äusseren) Differenzdruckbereich 23 im Messkanal 19 werden zweite Differenzdrücke im Differenzdruckbereich von - 1.5kPa bis 0.5kPa erfasst.

Vor dem Schritt 302 kann in der Recheneinheit 130 ein erster Schrankenwert aus der Speichereinheit 125 abgerufen werden, der als Festlegungskriterium für das Erfassen des zweiten Differenzdrucks im zweiten Differenzdruckbereich 23 dient. Wird der zumindest erste Schrankenwert für den ersten Differenzdruck erreicht, so kann automatisch festgelegt werden, ob bzw. wie der zweite Differenzdruck gemessen wird. Der erste Schrankenwert des ersten Differenzdrucks wird in der Recheneinheit mit dem aktuell erfassten ersten Differenzdruck verglichen.

Die Schritte 302 bis 309 können mehrmals durchgeführt werden, bevor eine Durchflussmenge an der Anzeigeeinheit 140 angezeigt wird (Schritt 310).

Fig. 5 zeigt einen Differenzdrucksensor 160 für einen Durchflusssensor 15 gemäss Fig. 1, der vier Druckmessanschlüsse 162a-d zum Erfassen von zwei unterschiedlichen Differenzdrücken in einem Messkanal 19 umfasst, der Differenzdrucksensor 160 benötigt nur eine Stromversorgung 165, nur ein Gehäuse 161 und ist somit einfach und kostengünstig aufgebaut. Das dafür notwendige Ausleseprotokoll kann einfach gehalten werden und es ist nur eine Schnittstelle 150, beispielsweise ein Datenbus notwendig, sodass die Installation und die Wartung des Differenzdrucksensor vereinfacht ist.

Der erste (oder innere) Messbereich des Differenzdrucksensors 160 ist im Bereich von -0.5kPa bis 0.5kPa. Der zweite (oder äussere) Messbereich des Differenzdrucksensors 160 ist im Bereich von - 0.125kPa bis 0.125kPa.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Differenzdruck (dP) Messwerte als Funktion der Durchflussmenge (F). In einem hohen Durchflussmengenbereich 33 (typisch bis zu 300 Liter pro Minute) ermittelt der erste (oder innere) Differenzdrucksensor 25 einen Differenzdruck im ersten Differenzdruckbereich 22. In einem niedrigen Durchflussmengenbereich 34 (typisch bis zu 60 Liter pro Minute) ermittelt der zweite (oder äussere) Differenzdrucksensor 27 einen Differenzdruck im zweiten Differenzdruckbereich 23. In der gezeigten Ausführungsform ist der zweite Druckmessbereich 32 (typisch 0.125 kPa) des zweiten Differenzdrucksensors 27 kleiner als der erste Druckmessbereich 31 (typisch 0.5 kPa) des ersten Differenzdrucksensors 25.

Die in Fig. 6 dargestellte Messwerte sind repräsentativ für einen asymmetrischen Sensor (Durchfluss in einer Richtung). Das Verfahren gemäss der Erfindung ist auch anwendbar für bidirektionale Messungen in einen symmetrischen Sensor. Eine Umkehr der Flussrichtung führt zu Messwerten, die im Vergleich zu Fig. 6 im Ursprung gespiegelt sind. In einem symmetrischen Sensor ist der erste Druckmessbereich 31 typisch -0.5 kPa bis 0.5 kPa, und der zweite Druckmessbereich 32 typisch -0.125 kPa bis 0.125 kPa.

Bezugszeichenliste

Durchflusssensor erster Anschluss Zweiter Anschluss a-18d Kanalabschnitte Messkanal a-20d Widerstandselemente a-21d Messanschluss erster oder innerer Differenzdruckbereich zweiter oder äusserer Differenzdruckbereich erster oder innerer Differenzdrucksensor a-26b Druckmessanschlüsse zweiter oder äusserer Differenzdrucksensor a-28b Druckmessanschlüsse

Messanschluss

Druckmessbereich erster oder innere Differenzdrucksensor

Druckmessbereich zweiter oder äusserer Differenzdrucksensor

Hoher Durchflussmengenbereich

Niedriger Durchflussmengenbereich

Absolutdrucksensor

Haltevorrichtung

Temperatursensor

Feuchtesensor 5 Messsystem 6 Gehäuse 0 Auswerteeinheit 5 Speichereinheit 0 Recheneinheit 0 Anzeigeeinheit 1 Touchdisplay 0-150a Schnittstellen 0 Differenzdrucksensor 1 Gehäuse 2a-162d Druckmessanschlüsse 165 Stromversorgung

301-310 Verfahrensschritte

G Gehäusebauteil

F Fluid (Gas/Flüssigkeit)