DE10115624C2

DE10115624C2 - Thermischer Durchflussmesser

Info

Publication number: DE10115624C2
Application number: DE10115624A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Stark
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: US6564629B2; DE10115624A1; US20020139184A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines in einem Fluidkanal fließenden Fluids.

Es sind thermische Durchflussmessverfahren bekannt, die zur Erfassung des Wärmetransports Thermoelemente einsetzen.

Eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses, bei der ein durchströmter Rohrabschnitt mit einem Wechselstrom auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt und die Temperaturdifferenz mit einer Thermoelementanordnung erfasst wird, ist aus der US 3,181,357 bekannt geworden. Bei der bekannten Messvorrichtung sind die Rohrenden beidseitig jeweils in einer Wärmesenke aufgenommen, wodurch sich längs der Rohrlänge ein zunächst ansteigender und dann wieder abfallender Temperaturverlauf einstellt. Das Messinstrument, das die Tem peraturdifferenz an zwei Messpunkten längs des Rohres erfasst, wird einerseits durch den Heiz-Wechselstrom beeinflusst, zum anderen ist die Flow-Ablesung doppeldeutig. Eine alternative Ausführungsform mit verbesserter Kompen sation der Heizwechselspannung erfordert allerdings eine zusätzliche Tem peraturmessstelle in der Rohrmitte.

Bei einer aus der DE 195 01 347 C2 bekannten Vorrichtung zur Messung des Durchflusses mittels eines Thermoelementes sind die Verbindungsstellen des Thermoelementes in einem Fluidkanal hintereinander angeordnet und werden mittels einer Wechselstromquelle auf eine gegenüber der Fluidtemperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizt. Als Messgröße für den Durchfluss dient dabei die Thermoelementspannung, die sich bei der Durchströmung des Fluidkanals aus der unterschiedlichen Abkühlung der Verbindungsstellen ergibt. Dabei werden die Wechselspannungsanteile, die der Thermoelementspannung durch die Wechsel strombeheizung des Thermoelementes überlagert sind, durch ein Schaltungsnetz werk eliminiert.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, dass sich die Verbindungsstellen un mittelbar im Fluidkanal befinden und dabei unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt sind. So besteht die Gefahr, dass die Verbindungsstellen durch Fremd körper im Fluid beschädigt werden, oder es treten bei agressiven Fluiden vermehrt Korrosionseffekte auf, da die Verbindungsstellen konstruktionsbedingt aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Aus der DE 31 12 144 A1 ist ein thermischer Durchflussmesser mit einem Thermoelement bekannt, bei dem der Fluidkanal aus einem beheizten, metallischen Rohrabschnitt besteht. Die Verbindungsstellen des Thermo elementes werden dabei an den Enden des Rohrabschnittes durch unter schiedliche Materialpaarungen zwischen den Zuleitungsdrähten und dem Rohrmaterial gebildet. Mittels eines auf dem Rohrabschnitt befindlichen Heizabschnittes in Form mehrerer Schichtwiderstände werden sowohl der Rohrabschnitt als auch die Verbindungsstellen auf eine gegenüber der Fluid temperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizt. Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, dass zur Aufheizung des Rohrabschnittes ein separates Heiz element erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines in einem Fluidkanal fließenden Fluids anzugeben, die eine Thermoelementanordnung an dem Fluidkanal umfasst.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1.

Bei der erfindungsgemäß angegebenen Vorrichtung wird ein metallisches Rohr in Kombination mit Zuleitungsdrähten verwendet, wobei das thermoelektrische Potenzial der Zuleitungsdrähte auf das thermoelektrische Potenzial des Rohr materials derart abgestimmt ist, dass die Verbindungsstellen des Thermo elementes unmittelbar an den Kontaktstellen zwischen den Zuleitungsdrähten und dem Rohrmaterial entstehen. Durch unmittelbare Einbeziehung des Rohres in einen elektrischen Stromkreis, der mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, wird das Rohr gemeinsam mit den Verbindungsstellen auf die Arbeitstemperatur gebracht. Der Teilabschnitt des Rohres, der mit der Wechselstromquelle verbunden ist, wirkt dabei wie ein Widerstandselement, das von der Wechselstromquelle gleichmäßig aufgeheizt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der auf diese Weise beheizte Rohrabschnitt besonders einfach unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden kann, indem, je nach Anwen dungsfall, unterschiedlich lange Rohrabschnitte für die Aufheizung benutzt werden. Dadurch lassen sich unterschiedliche Messbereiche für die Durchfluss messung besonders einfach realisieren. Demgegenüber müssen bei einer bekannten Vorrichtung nach dem Stand der Technik unterschiedlich lange Rohrabschnitte individuell mit entsprechend angepassten Schichtwiderständen versehen werden, damit eine gleichmäßige Aufheizung erreicht wird. Aufgrund der nur punktuell möglichen Aufheizung des Rohrabschnittes mittels einzelner Schichtwiderstände lassen sich Temperaturgradienten zwischen den Schichtwiderständen oder zwischen den Schichtwiderständen und den Verbindungsstellen nicht immer vermeiden.

Dem Thermoelement ist ein Tiefpassfilter nachgeschaltet, wobei dessen Eckfrequenz derart bemessen ist, dass der der Thermoelementspannung überlagerte Wechselspannungsanteil eliminiert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die Durchflussmessung eines bestimmten Fluids beschränkt, sondern sie eignet sich allgemein zur Durch flussmessung von Gasen und Flüssigkeiten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es ist zweckmäßig, die Verbindungsstellen innerhalb des beheizten Teilabschnittes des Rohres anzuordnen. Wird zum Beispiel ein größerer Teilabschnitt des Rohres erwärmt, dann können experimentell günstige Abstände für die Verbindungsstellen innerhalb des Teilabschnittes ermittelt werden. Bevorzugt sind die Verbindungsstellen im Bereich der Enden des Teilabschnittes angebracht. Dabei können die Verbindungsstellen auch außerhalb des Teilab schnittes liegen.

Besonders vorteilhaft ist es, die Drähte, die zu den Verbindungsstellen führen, als Stromzuführung für die Wechselstromquelle zu benutzen. Dadurch müssen nur zwei Kontakte zu dem Rohr hergestellt werden.

Zweckmäßige Materialpaarungen zwischen dem Rohr und den Drähten sind aus der Gruppe der Materialien Chromel/Konstantan, Kupfer/Konstantan und Eisen/ Konstantan ausgewählt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erste Messvorrichtung,

Fig. 2 schematisch eine zweite Messvorrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Messvorrichtung 1, bei der ein aus Kon stantan bestehendes dünnwandiges Rohr 2 längst eines Pfeils 3 von einem Gas durchströmt wird. Das Rohr 2 wird durch Kontaktzungen 4, 5 in einen Teil abschnitt 6 unterteilt, der mittels einer Wechselstromquelle 7 auf eine gegenüber der Gastemperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizt wird. Der Teilabschnitt 6 des Rohres 2 wirkt dabei wie ein stromdurchflossenes Widerstandselement. Innerhalb des Teilabschnittes 6 sind zwei Drähte 8, 9 aus Kupfer an Verbindungs stellen 10, 11 mit dem Rohr 2 verschweißt. Durch das unterschiedliche thermo elektrische Potenzial zwischen dem Rohr 2 aus Konstantan und den Drähten 8, 9 aus Kupfer wird an den Verbindungsstellen 10, 11 ein Thermoelement 12 gebildet, dessen Thermoelementspannung über ein Tiefpassfilter 13 und einen Verstärker 14 einem Anzeigegerät 15 zugeführt wird. Die Eckfrequenz des Tiefpassfilters 13 ist dabei so bemessen, dass der durch die Wechselstromquelle 7 verursachte Wechselspannungsanteil, der der Thermoelementspannung überlagert ist, herausgefiltert wird, so dass nur die verstärkte Thermoelementspannung zum Anzeigegerät 15 gelangt. Der Messeffekt bei der ersten Messvorrichtung 1 beruht darauf, dass bei der Durchströmung des Rohres 2 die Verbindungsstellen 10, 11 unterschiedlich stark abgekühlt werden und sich aufgrund der Temperatur differenz zwischen den Verbindungsstellen 10, 11 eine Thermoelementspannung einstellt, die von der Höhe des Durchflusses abhängt. Wesentlich bei der ersten Messvorrichtung 1 ist, dass die Aufheizung des Rohres mittels Wechselstrom erfolgt, da bei Aufheizung mit einem Gleichstrom sich dieser der Thermoelement spannung überlagern würde, ohne dass es möglich ist, den Heizstrom durch ein Filter wieder zu eliminieren.

Eine in der Fig. 2 gezeigte zweite Messvorrichtung 20 unterscheidet sich von der ersten Messvorrichtung 1, Fig. 1, dadurch, dass die Wechselstromeinspeisung unmittelbar über die Drähte 8, 9 und damit über die Verbindungsstellen 10, 11 erfolgt. Der Teilabschnitt 6 entspricht dabei dem Abstand zwischen den Ver bindungsstellen 10, 11. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig. 1 versehen. Die zweite Messvorrichtung 20 eignet sich besonders für die Leiterplattenmontage, da die Verbindungsstellen 10, 11 durch unmittelbares Verlöten des Rohres 2 mit den aus Kupfer bestehenden Leiterbahnen der Leiterplatte gebildet werden können.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines in einem Fluidkanal befindlichen Fluids mit
einem metallischen Rohr (2) mit vorbestimmtem thermoelektrischem Potenzial als Fluidkanal,
einer Wechselstromquelle (7), die an einen Teilabschnitt (6) des Rohres (2) in der Weise angeschlossen ist, dass der Teilabschnitt (6) als ein Widerstands element gleichmäßig auf eine gegenüber der Fluidtemperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizt ist,
mindestens einem Thermoelement (12), dessen Verbindungsstellen (10, 11) im Bereich des Teilabschnittes (6) in der Weise ausgebildet sind, dass mindestens zwei Drähte (8, 9) mit einem anderen thermoelektrischen Potenzial mit dem Rohr (2) verbunden sind und mit
einem dem Thermoelement (12) nachgeschalteten Tiefpassfilter (13), dessen Eckfrequenz derart bemessen ist, dass der der Thermoelementspannung infolge der Wechselstrombeheizung überlagerte Wechselspannungsanteil eliminiert wird, wobei die Thermoelementspannung die dem Durchfluss entsprechende Messgröße liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen (10, 11) innerhalb des Teilabschnittes (6) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Verbindungs stellen (10, 11) außerhalb des Teilabschnittes (6) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselstromquelle (7) über die Drähte (8, 9) als Stromzuführung mit dem Rohr (2) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialpaarung zwischen dem Rohr (2) und den Drähten (8, 9) aus der Gruppe der Materialien Chromel/Konstantan, Kupfer/Konstantan und Eisen/ Konstantan ausgewählt ist.