Durchflusssensor

υ

Magnetspulen B

Elektroden D

Abb. 4-21 Schematischer Aufbau eines magnetisch induktiven Durchflussensors (¨ uberar-beitet nach [Ind10])

Dieses induktive Messverfahren erm¨oglicht Messungen unabh¨angig von Temperatur, Vis-kosit¨at, Druck, Dichte und dem vorherrschenden Str¨omungsprofil [Bru07]. Jedoch ist f¨ur diese Art der Messung eine minimal leitf¨ahige Fl¨ussigkeit n¨otig, da freie Ladungstr¨ager vorhanden sein m¨ussen. Die verwendete Trimmfl¨ussigkeit basiert zwar auf einer w¨assrigen L¨osung, die jedoch deionisiert ist und somit kaum freie Ladungstr¨ager besitzt. Dies ist notwendig, weil sich in dem Druckk¨orper offene elektrischen Leitungen befinden, die den Antriebsmotor und die Sensorik mit der externen Steuerungselektronik verbinden. Die Anforderung an eine leitf¨ahige Fl¨ussigkeit ist in dem Auftriebssystem nicht realisierbar.

Daher spricht das verwendete Konzept gegen die Verwendung eines induktiven Durchflus-sensors.

Eine weitere M¨oglichkeit, den Volumenstrom der Trimmfl¨ussigkeit zu bestimmen, ist die akustische Durchflussmessung. Bei der Doppler-Ultraschallmessung wird die Frequenz-verschiebung des ausgesendeten Signales aufgrund der Fliessgeschwindigkeit der sich in der Fl¨ussigkeit befindenden Partikel erfasst. Hierzu werden in der Fl¨ussigkeit Verschmut-zungspartikel oder Luftbl¨aschen ben¨otigt [Lin94].

Der Sensor misst den Volumenstrom, in dem ein akustisches Signal mit bekannter Fre-quenz durch einen Ultraschallsender gesendet wird, welches von den in der Fl¨ussigkeit schwebenden Partikel reflektiert wird. Ein Empf¨anger empf¨angt die reflektierten akus-tischen Signale. Da die Partikel sich in Flussrichtung bewegen, entsteht eine Frequenz-verschiebung, die direkt proportional zu der Geschwindigkeit der Partikel ist. Das selbe Prinzip kann auch in ein einzelnes Modul integriert werden, welches sowohl als Sender als auch als Empf¨anger arbeiten kann.

Die Genauigkeit eines Doppler-Durchflussensors ist stark von den physikalischen Eigen-schaften der zu vermessenden Fl¨ussigkeit abh¨angig. Dabei spielen Eigenschaften wie akus-tische Leitf¨ahigkeit, Schallgeschwindigkeit, Partikeldichte und das Str¨omungsprofil eine wichtige Rolle. Es ist davon auszugehen, dass sich die akustischen Eigenschaften der Trimmfl¨ussigkeit durch die immensen Druck- und Temperaturunterschiede sehr stark

¨andern. Ebenso soll die Trimmfl¨ussigkeit keinerlei Partikel enthalten, da diese die Hydrau-likpumpe oder die Ventile besch¨adigen k¨onnten. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich in der Trimmfl¨ussigkeit Luftbl¨aschen befinden, die eine solche akustische Vermessung erm¨ ogli-chen w¨urden, ist angesichts des hohen Umgebungsdrucks eher gering. Daher ist diese Art der Durchflussmessung f¨ur das Auftriebstrimmsystem ungeeignet.

Die Laufzeitmessung in einer str¨omenden Fl¨ussigkeit mit Hilfe der akustischen Durch-flussmessung ist eine weitere M¨oglichkeit, den Volumenstrom zu bestimmen (siehe Ab-bildung 4-22). Dabei wird die Laufzeit von akustischen Impulsen in Str¨omungsrichtung und entgegengesetzt der zu vermessenen Fl¨ussigkeit gemessen [Lin94]. Die mittlere

Fließ-geschwindigkeit der Fl¨ussigkeit v ist direkt proportional zu der Laufzeitdifferenz:

v = T₂−T₁ T₁T₂

L

2 cosα (4-14)

T₁ ist hierbei die Laufzeit des Schallsignals mit der Str¨omung und T₂ die Laufzeit des Schallsignals gegen die Str¨omung. Die einfache L¨ange des Schallsignals durch die Fl¨ ussig-keit ist durch L definiert. Der Winkel des Schallsignals zur vorherrschenden Str¨ omungs-richtung wird hierbei mit αangegeben. Der Volumenstrom ˙V berechnet sich nach:

V = v A =˙ T₂−T₁ T1T2

π L D²

8 cosα (4-15)

Die Schallgeschwindigkeit addiert sich in einer Richtung zu der Str¨omungsgeschwindigkeit hinzu und verringert sich um die Str¨omungsgeschwindigkeit in der entgegengesetzten Rich-tung. Somit ist die Messung unabh¨angig von der Schallgeschwindigkeit der Fl¨ussigkeit.

Bei dem Laufzeitdifferenzverfahren spielen daher Ver¨anderungen der Fl¨ussigkeit durch den Einfluss von Druck und Temperatur keine Rolle. Jedoch machen die geringen Str¨ omungs-geschwindigkeiten und Rohrquerschnitte die Messung sehr kompliziert, da entweder eine sehr hohe Frequenz oder ein sehr langer Messpfad notwendig ist. Beides w¨urde neben der druckneutralen Modifikation auf eine weitere Modifikation des Sensors hinauslaufen. Aus diesem Grund wurde von einer Verwendung eines solchen Sensors abgesehen.

Bei der volumetrischen Durchflussmessung wird das Fl¨ussigkeitsvolumen mechanisch ge-messen. Dabei wird das zu messende Medium durch ein Turbinenrad geleitet, welches durch den Volumenstrom in Drehung versetzt wird. In dem Turbinenrad befindet sich ein Permanentmagnet. Die Anzahl der Umdrehungen pro definiertem Zeitabschnitt wird durch einen Hallsensor ber¨uhrungslos detektiert, indem der Permanentmagnet an dem

α

Detektor 1 T₁

v

T₂

Detektor 2

L

Abb. 4-22 Durchflussmessung nach dem Laufzeitdifferenzverfahren

Hallsensor vorbeil¨auft. Die Durchflussensoren, die nach dem Turbinenprinzip arbeiten, zeichnen sich durch einen sehr einfachen Aufbau sowie eine einfache Elektronik aus. Da sie zudem druckneutral modifizierbar sind, wurde ein Kleinmengen-Durchflussmessger¨at der Firma B.I.O-TECH ausgew¨ahlt (siehe Abbildung 4-23).

Der Sensor mit der Bezeichnung FCH-m-POM eignet sich aufgrund seiner guten Wie-derholgenauigkeit der minimal messbaren Durchflussmenge von 0,01 l min⁻¹ sowie einer beliebigen Einbaulage besonders f¨ur die Verwendung in dem variablen Auftriebstrimmsys-tem [Bio07]. Da das Innere des Sensors mit der Trimmfl¨ussigkeit gef¨ullt ist, besteht keine Druckdifferenz. Deshalb kann der Sensor als druckneutrale Komponente Anwendung fin-den. Der Durchflusssensor liefert nur Messwerte in einer definierten Str¨omungsrichtung.

Daher ist es notwendig, in dem Auftriebstrimmsystem zwei solche Sensoren zu benut-zen. Der eine Sensor misst die in die Trimmblase hineinstr¨omende Fl¨ussigkeitsmenge, der andere in Serie geschaltet, hingegen die Fl¨ussigkeitsmenge, die wieder im Fall der Auf-triebsreduzierung aus der Trimmblase herausstr¨omt.

Die Aufl¨osung des Durchflusssensors betr¨agt 0,087 ml pro Puls. Die Pulse werden durch die Speicher programmierbare Steuerung gez¨ahlt und in einer m¨oglichen Visualisierung angezeigt. Somit ist zu jedem Zeitpunkt bekannt, wie viel Auf- bzw. Abtrieb erzeugt wird.