DD206211B1 - Vorrichtung zur durchflussmessung von stroemenden medien - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchflußmessung von strömenden Medien. Sie ist anwendbar in der Labor- und Betriebsmeßtechnik der chemischen und biochemischen Industrie, in der Lebensmittelindustrie, der Wasserwirtschaft, der Halbleitertechnik sowie im weitesten Sinne für Transportprozesse von Gasen, Flüssigkeiten sowie breiigen Medien und ermöglicht dort die Messung der Strömungsgeschwindigkeit.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren, allgemein als Durchflußmeßvorrichtungen bezeichnet, durch deren Anwendung Angaben über den Volumen- bzw. Massestrom von Gasen, Flüssigkeiten und breiigen Medien in Leitungen ermöglicht werden. Dabei muß grundsätzlich zwischen Durchflußmeßeinrichtungen ohne und mit elektrischem Ausgangssignal unterschieden werden. Als Durchflußmeßeinrichtungen mit analogem elektrischem Ausgangssignal sind bekannt Staurohr bzw. Normblende mit nachfolgender Ringwaage und mechanisch gekoppeltem Folgepotentiometer, wobei der Differenzdruck als Maß für die durchfließende Menge herangezogen wird. Weiterhin sind bekannt Schwebekörperdurchflußmesser mit elektromechanischer Nachlaufeinrichtung und mechanisch gekoppeltem Folgepotentiometer, wo die Schwebehöhe eines zylindrischen Körpers als Maß für die durchfließende Menge dient. Beim Induktionsdurchflußmesser wird als Maß für die durchfließende Menge eine Spannung benutzt, die in einer senkrecht zu einem Magnetfeld strömenden Flüssigkeit induziert wird.

Der Nachteil dieser Geräte besteht vor allem für die Labormeßtechnik darin, daß entsprechende Meßeinrichtungen voluminös sowie apparativ aufwendig sind und teilweise nur langsames Messen ermöglichen [Götte, K.; Hart, H.; Jeschke, G.: Taschenbuch Betriebsmeßtechnik, S. 310 bis 340,344 bis 346, VEB Verlag Technik, Berlin 19741.

Es sind weiterhin Verfahren und Vorrichtungen zur thermischen Durchflußmessung von strömenden Medien bekannt.

Temperaturdifferenzmessung: Das strömende Gut wird durch eine beheizte Zone geleitet und die Temperatur vor und nach der Erwärmung gemessen. Die während des Durchströmens des Meßgutes durch die beheizte Zone pro Volumeneinheit aufgenommene Wärmemenge ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit.

Thermische Markierung des Meßgutes: Es erfolgt vor einer Meßstrecke eine thermische Markierung, beispielsweise durch Zugabe vorgewärmten oder gekühlten Meßgutes. Das Vorbeiströmen der so markierten Zone an einem oder zwei Temperaturmeßfühlern wird zur Ermittlung des Volumenstroms genutzt [DD-WP 124676].

Es sind außerdem Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen die Abkühlung eines mit konstanter elektrischer Leistung betriebenen Heizers durch das strömende Meßgut infolge erzwungener Konvention ein Maß für dessen Strömungsgeschwindigkeit ist. Bei diesem Verfahren sind Heizwicklung und Temperaturmeßfühler (Thermoelement, Widerstandsthermometer oder Thermistor) elektrisch und mechanisch getrennt (indirekte Heizung) [DD-WP 69463, DD-WP 136073, DD-WP 127350; Götte, K; Hart, H.; Jeschke, G.: Taschenbuch Betriebsmeßtechnik, S.341 bis 344, VEB Verlag Technik, Berlin 1974].

Der Nachteil dieser Meßeinrichtungen besteht erstens im relativ komplizierten Aufbau der Sonden infolge der Trennung von Heizer und Temperaturmeßfühler. Es ergeben sich Probleme hinsichtlich des notwendigen guten Wärmekontakts zwischen Heizer und Temperaturmeßfühler. Weiterhin kann die elektrische Isolation von Heizer und Temperaturmeßfühler bei der Durchflußmessung elektrisch leitender Flüssigkeiten Schwierigkeiten bereiten. Daraus resultieren nicht zuletzt relativ große geometrische Abmessungen des Fühlers, die die Strömungsverhältnisse in einem Rohr stören können und die weiterhin erhöhte

thermische Zeitkonstanten bedingen. Fühler, die mit getrenntem Heizer und Temperaturmeßfühler aufgebaut werden, stellen Einzelstücke dar, so daß der Austausch meist eine Neueinstellung der nachfolgenden elektronischen Schaltung erforderlich macht.

Ein weiterer Nachteil dieser Meßeinrichtungen ist, daß die Trennung von Heizer und Temperaturmeßfühler auch eine Trennung der zugehörigen elektronischen Schaltungen und Stromversorgungen in folgende unabhängige Stufen bedingt:

— Schaltung zur Bereitstellung der konstanten Leistung für den Heizer

Der Leistungsbedarf für den Heizer ist hoch, so daß Probleme bei der Dimensionierung von Netzteilen sowie bei der Kühlung und Anordnung der dann erforderlichen Leistungstransistoren auftreten.

— Schaltung zur Auswertung des Temperatursignals

Bei der Verwendung von Thermoelementen ist der Einsatz von empfindlichen Spannungsverstärkern oder Kompensatoren erforderlich. Für Widerstandsthermometer oder Thermistoren benötigt man Widerstandsmeßeinrichtungen, die zumeist Brückenschaltungen darstellen.

In K. W. Bonfig, „Technische Durchflußmessung mit besonderer Berücksichtigung neuartiger Durchflußmeßverfahren", Vulkan-Verlag Essen 1977, S. 117 bis 118 sind Vorrichtungen beschrieben, bei denen Meßfühler sowohl als Heiz- als auch als Meßelement geschaltet sind.

Es sind außerdem Vorrichtungen bekannt, bei denen zur Empfindlichkeitsbereichserweiterung Umgehungsleitungen eingesetzt werden [DE 2350848]. Hierdurch wird jedoch keine unterschiedliche Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Durchströmungsrichtung erreicht.

Zur Kompensation des Temperatureinflusses auf das Meßergebnis sind schließlich Anordnungen bekannt, die einen zweiten Thermofühler einsetzen, der sich zwar im Medium befindet, aber nicht vom zu messenden Medium umströmt wird [DD-WP 957061.

Ein genereller Nachteil aller voranstehend beschriebenen Lösungen ist darin zu sehen, daß keine von ihnen zur Messung von mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten frei oder in Leitungen strömenden Medien herangezogen werden kann.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung beinhaltet das Ziel, die Durchflußmessung von strömenden Medien mit geringem ökonomischem und gerätetechnischem Aufwand mittels einer Vorrichtung durchzuführen, in der bestehende Nachteile überwunden worden sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu beschreiben, die in Abhängigkeit von der Durchströmungsrichtung ein unterschiedliches elektrisches Ausgangssignal liefert und für die Lösung vielseitiger Meßprobleme geeignet ist, so für frei strömende Medien, für strömende Medien in Leitungen und bei der Prüfung, ob überhaupt eine Strömung/Bewegung eines Mediums stattfindet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, bei der der auf einen Thermistor gerichtete Medienstrom in einem trompetenförmig gestalteten Abschluß eines Rohres mündet. Das den Medienstrom dem Thermistor zuführende Rohrende ist in an sich bekannter Weise düsenförmig ausgeführt. Durch diese Anordnung ergeben sich unterschiedliche Empfindlichkeiten in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung.

In einer Leitung ist ein zusätzlicher Strömungswiderstand vorhanden, dessen Wert im Bereich nahe Null bis unendlich liegt. Um den Strömungswiderstand herum ist eine Umwegleitung angeordnet, in der ebenfalls ein von nahe Null bis unendlich einstellbarer Strömungswiderstand eingebaut ist. Das Ganze bildet ein Leitungssystem, in dem ein Thermistor in den Hauptströmungslinien des mittels Leitungselementen geführten strömenden Mediums angeordnet ist. Der Thermistor ist sowohl als Heizelement als auch als Temperaturmeßelement geschaltet und ist gegebenenfalls von einer Umhüllung umgeben. Er ist an eine Konstantstromquelle angeschlossen, von der aus Abgriffe zu einer Spannungsmeßschaltung führen, welche Teilschaltungen zur Nullpunktverschiebung, Verstärkung, Ausfilterung von Signalschwankungen, Linearisierung der Kennlinie sowie zur Bildung eines elektrisch analogen Einheitssignals aufweist. An die Spannungsmeßschaltung ist ein Gerät zur Meßwertdarstellung mit anzeigenden, registrierenden, speichernden oder alarmgebenden Fähigkeiten angeschlossen. In einem Strömungsschatten ist ein zweiter geheizter Thermistor eingebracht. Von diesem führen ebenfalls Abgriffe zur Spannungsmeßschaltung, an der jedoch die Spannungsabfälle der beiden Thermistoren entgegengesetzt gerichtet anliegen. Der erste Thermistor arbeitet als Meßthermistor und der zweite als Vergleichsthermistor.

Durch eine elektronische Stromquelle wird dem Thermistorstromkreis ein konstanter Strom zugeführt, der den Thermistor oder die Thermistoren auf eine stationäre Temperatur aufheizt. Diese liegt weit über der Temperatur des strömenden Meßgutes und der Umgebungstemperatur. Dadurch greifen normale Schwankungen dieser beiden Temperaturen nur noch wenig auf die Temperatur des Thermistors oder der Thermistoren durch.

Im weiteren Ausbau der Erfindung ist der einstellbare Strömungswiderstand als Schlauchklemme realisiert. Gegebenenfalls ist der Strömungswiderstand der Umwegleitung sogroß bemessen, daß das Leitungssystem sich ohne Umwegleitung darstellt. Nach Ausschaltung der Umgebungseinflüsse und Konstanthaltung weiterer Größen, die potentiell auf die Temperatur des ersten Thermistors einwirken können, ist dieser Thermistor als Meßelement zur Bestimmung einer physikalischen Größe geeignet, die eine definierte, reproduzierbare Änderung seiner Temperatur hervorruft. In dem vorliegenden Falle der Durchflußmessung wird eine Temperaturänderung des Thermistors als Maß für die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit benutzt, da bei unverändertem Thermistorheizstrom eine zusätzliche Abkühlung in erster Linie auf die erzwungene Konvektion durch das strömende Gut zurückzuführen ist. Bei Aufheizung des Thermistors mit konstantem Strom und Abkühlung durch das strömende Gut sind die Temperatur des Thermistors und somit sein elektrischer Widerstand nicht nur eine Funktion der

Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch der Fühlerparameter, der geometrischen Anordnung, des Druckes und der Eigenschaften des Meßgutes, wie z. B. des Feuchtegehalts, weshalb das Gerät unter Betriebsbedingungen kalibriert werden muß. Aufgrund der sehr hoch gewählten Fühlertemperatur gehen Temperaturschwankungen des Meßgutes und der Umgebung nur wenig in die Messung ein.

Zur Auswertung des Signals wird der Heizstrom durch den ersten Thermistor gleichzeitig als konstanter Meßstrom für die Widerstandsbestimmung benutzt. Nach dem Ohmschen Gesetz ist dann der Spannungsabfall dem Thermistorwiderstand direkt proportional. Da Thermistoren einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzen, entspricht eine Widerstandszunahme einer stärkeren Abkühlung, d. h. einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit des Meßgutes. Der Spannungsabfall am ersten Thermistor wird von einer elektronischen Spannungsmeßschaltung ausgewertet, die erstens durch eine Einrichtung zur Nullpunktverschiebung charakterisiert ist. Damit kann der Grundwiderstand des Thermistors kompensiert werden, so daß bei ruhendem Meßgut das Ausgangssignal der Meßeinrichtung Null ist. Weiter ist eine Einrichtung zur Einstellung der Verstärkung vorhanden. Damit kann die jeweilig maximale Strömungsgeschwindigkeit auf 100 % des Ausgangssignals abgebildet werden. Die Variabilität dieser Verstärkungseinstellung gestattet es, in Verbindung mit der Einstellung des Strömungswiderstandes in der Umwegleitung, den Meßbereich der Vorrichtung in weiten Grenzen an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Medien anzupassen. Außerdem ist ein Schaltungsteil mit Tiefpaßverhalten vorhanden. Die obere Grenzfrequenz wird so gewählt, daß Schwankungen des Ausgangssignals infolge Turbulenzen bzw. Oszillationen der Strömungsgeschwindigkeit bei Verwendung diskontinuierlicher Pumpen unterdrückt werden. Es ist auch ein Schaltungsteil vorhanden, mit dem ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen elektrischem Eingangs- und Ausgangssignal eingestellt werden kann. Mit Hilfe dieses Schaltungsteils kann der Einfluß des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und Änderung des Thermistorwiderstandes auf die Kennlinie der Gesamtschaltung kompensiert werden, und es ist schließlich ein Schaltungsteil vorhanden, mit dem das elektrische Signal im zu erfassenden Bereich der Strömungsgeschwindigkeit auf ein elektrisch analoges Einheitssignal abgebildet wird. Dieses Konzept ermöglicht ein Anschluß von anzeigenden registrierenden, alarmgebenden und weiteren MSR-Geräten mit Einheitssignaleingang, die Einbeziehung in Meßwerterfassungssysteme sowie die Ankopplung an Prozeßrechner.

Zwecks erhöhter Störgrößenunterdrückung ist in einem Strömungsschatten der zweite geheizte Thermistor angebracht, von dem ebenfalls Abgriffe zur Spannungsmeßschaltung führen, wobei die Spannungsabfälle des ersten und zweiten Thermistors entgegengesetzt gerichtet an der Spannungsmeßschaltung liegen.

Die Erfindung beinhaltet vielseitige Vorteile. Die Vorrichtung zur Durchflußmessung ist in der Meßbereichswahl sehr variabel, sie reagiert richtungsempfindlich und mit geringer Zeitverzögerung auf die Strömung und besitzt einen sehr geringen Energieverbrauch. Bei Einsatz eines zweiten Thermistors innerhalb dieser Vorrichtung ist die Störgrößenunterdrückung (Druck, Feuchte, Temperatur, Fremdstoffablagerungen usw.) als besonderer Vorteil zu nennen. Die Erfindung ist für die Lösung folgender Meßprobleme besonders geeignet: Nachweis von geringsten bis mittleren Strömungsgeschwindigkeiten von frei strömenden Medien, wie der Nachweis

— der Bewegung von Raumluft, von Rauchgasen oder von Flüssigkeiten

— von Strömungswirbeln

— der Strömungsrichtung in frei strömenden Medien

— der Relativbewegung eines Bewegungssensors gegenüber ruhendem Medium

Messung von geringsten bis mittleren Strömungsgeschwindigkeiten von strömenden Medien in Leitungen, wie z. B.

— bei der Begasung von Flüssigkeiten in Reaktoren

— bei der Lösung von Dosierungsproblemen durch genaue Messung und Regelung des Mischungsverhältnisses von Gas- und Flüssigkeitsströmen

— bei der Messung des Atemvolumens von Sportlern

— bei der Messung der Ansaugluftmenge von Kfz

— bei der Messung und Überwachung der Benzinzufuhr in Kfz

— bei der Messung und Überwachung von Kühlmittelkreisläufen

— bei der Realisierung von Lage- und Abstandssensoren zur Positionierung von Manipulatoren Gewinnung von Informationen mit Ja-Nein-Aussage, z. B.

— Überwachung von Lüftern

— Überwachung der Strömung von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohrleitungen (Strömungswächter)

— Überwachung der Atmung von Patienten

— Raumsicherung

— Zählung von Gasblasen

— Erfassung von nichtmetallischen, durchsichtigen Gegenständen.

Ausführungsbeispiel

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden

Es zeigen

Fig. 1: ein Schema der Vorrichtung zur Durchflußmessung von strömenden Medien Fig. 2: ein Schema ohne Umwegleitungen mit 2 Thermistoren.

Zwischen den Rohren 5 und 6 befindet sich der Thermistor 7, der sowohl als Heizelement als auch als Temperaturmeßelement geschaltet ist. Im Falle der Strömungsmessung von Flüssigkeiten ist der Thermistor 7 von einer Umhüllung 8 umgeben, die am Befestigungsort des Thermistors 7 guten Wärmekontakt zu diesem hat und dort eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Der übrige Teil der Umhüllung 8 hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Die Masse der den Thermistor 7 umgebenden Umhüllung ist gering. Die Rohrinnendurchmesser der Rohre 5 und 6 unterscheiden sich stark an den Rohrstellen, die an den Thermistor 7

angrenzen. Während der Abschluß des Rohres 5 düsenförmig gestaltet ist, um die Strömungslinien auf den Thermistor 7 zu konzentrieren, ist die Öffnung des Rohres 6 trompetenförmig. Durch diese Gestaltung der Rohröffnungen wird eine unterschiedliche Empfindlichkeit der Vorrichtung in beiden Strömungsrichtungen, d. h. die Richtungsempfindlichkeit, erreicht. Ein zweiter Thermistor 12 befindet sich außerhalb der Strömung im zu messenden Medium. Hier ist er im Strömungsschatten des düsenförmigen Rohres 5 angeordnet. Die Thermistoren 7 und 12 werden vom gleichen Heizstrom durchflossen. Von beiden Thermistoren führen Abgriffe zur Spannungsmeßschaltung 10, wobei die an den Thermistoren 7 und 12 vorhandenen Spannungsabfälle entgegengesetzt gerichtet an der Spannungsmeßschaltung 10 anliegen.

Die Konstantstromquelle 9 treibt durch den Thermistor 7 einen konstanten Strom, der sowohl als Heizstrom als auch als Meßstrom zur Bestimmung des Thermistorwiderstandes dient. Der Spannungsabfall über dem Thermistor 7 als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit wird mit einer Schaltung zur Spannungsmessung 10 gemessen. Diese beinhaltet Schaltungsteile zur Nullpunktverschiebung, zur Verstärkung und Meßbereichswahl, zur Ausfilterung von Signalschwankungen, zur Linearisierung der Kennlinie und zur Erzeugung eines elektrisch analogen Einheitssignals. Die Schaltung zur Spannungsmessung 10 gewährleistet damit die Signalaufbereitung zur Gewinnung eines der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Ausgangssignals. An die Schaltung zur Spannungsmessung 10 ist ein Gerät zur Meßwertdarstellung angeschlossen, das je nach Ausführung das Ausgangssignal anzeigt, registriert, speichert oder Alarm gibt. Für die schaltungstechnische Realisierung der Konstantstromquelle 9 und der Schaltung zur Spannungsmessung 10 ist die Verwendung von integrierten Operationsverstärkern besonders günstig.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Durchflußmessung von strömenden Medien mit einem in einem Leitungssystem, in dem ein Strömungswiderstand vorhanden ist, dessen Wert im Bereich nahe Null bis unendlich liegt, um den herum gegebenenfalls eine Umwegleitung angeordnet ist, in der gleichfalls ein von nahe Null bis unendlich einstellbarer Strömungswiderstand realisiert ist, eingebrachtem Thermistor, angeordnet in den Hauptströmungslinien des mittels Leitungselementen geführten strömenden Mediums, wobei dieser sowohl als Heizelement als auch als Temperaturmeßelement geschaltete Thermistor an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist, von der aus an den Punkten A und B Abgriffe zu einer Spannungsmeßschaltung führen, welche Teilschaltungen zur Nullpunktverschiebung, zur Verstärkung, zur Ausfilterung von Signalschwankungen, zur Linearisierung der Kennlinie sowie zur Bildung eines elektrisch analogen Einheitssignals aufweist, und mit der ein Gerät zur Meßwertdarstellung mit Anzeige, Registrierung oder Speicherung des Signals bzw. mit Alarmierungseinrichtung verbunden ist, und einem in einem Strömungsschatten eingebrachten Kompensationsthermistor, von dem ebenfalls Abgriffe zur Spannungsmeßschaltung führen, wobei die Spannungsabfälle des Thermistors und des Kompensationsthermistors entgegengesetzt gerichtet an die Spannungsmeßschaltung anzulegen sind und der auf den Thermistor gerichtete Abschluß des Rohres düsenförmig ausgeführt ist, gekennzeichnet dadurch, daß der auf den Thermistor (7) gerichtete Abschluß des Rohres (6) trompetenförmig gestaltet ist.

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