DE10221548A1

DE10221548A1 - Massendurchflusssensor

Info

Publication number: DE10221548A1
Application number: DE2002121548
Authority: DE
Inventors: Werner Zang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messanordnung bzw. einen Sensor zu realisieren, welcher durch Kombination von Heizen und Kühlen des Mediums den Massendurchfluss ermittelt und dabei die Nachteile herkömmlicher thermischer Massendurchflusssensoren vermeidet. Heiz- und Kühlelemente in Form von Peltierelementen ((1) Fig. 1) können gleichzeitig die Funktion von Temperaturfühlern übernehmen. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, durch eine geeignete Halterung das Messrohr mobil und auswechselbar zu gestalten, wenn dies die Anwendungen erfordern, z. B. zwecks Sterilisation, Wahl eines medienverträglichen Werkstoffes oder bei Medien, die das Messrohr zusetzen können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Universell einsetzbare Durchflusssensoren sollten das Messmedium möglichst wenig beeinflussen und demnach keine Einbauten im Strömungsweg besitzen, die Temperatur des Mediums möglichst nicht verändern. Die ideale Geometrie des Strömungsweges wird beim geraden (Mess-)Rohr erreicht.
Es ist bekannt, dass der Durchfluss nach verschiedenen Messprinzipien gemessen werden kann. Ein bewährtes Verfahren zur Messung des Massendurchflusses ist das thermische oder kalorimetrische Prinzip. Dabei wird z. B. das durch das Messrohr strömende Medium durch ein Heizelement erwärmt und die resultierende Temperaturerhöhung gemessen. Oder durch eine Regelschaltung wird das Medium um eine konstante Temperaturdifferenz erwärmt. Die zugeführte elektrische Leistung ist dabei proportional zum Massendurchfluss.
Die Erwärmung des Mediums an sich ist unerwünscht, besonders bei empfindlichen Medien. Nachteilig ist die Erwärmung des Mediums besonders bei stehender Strömung. Hier erwärmt sich das ganze Messsystem auf Grund des fehlenden konvektiven Abtransports der Wärme und das System muss sich nach Einsetzen der Strömung erst wieder einschwingen. Daraus resultiert auch, dass sich kein stabiler Nullpunkt einstellen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messanordnung bzw. einen Sensor zu realisieren, welcher durch Kombination von Heizen und Kühlen des Mediums den Massendurchfluss ermittelt und dabei die genannten Nachteile vermeidet. Heiz- und Kühlelemente in Form von Peltierelementen ((1) Fig. 1 bis 5). können gleichzeitig die Funktion von Temperaturfühlern übernehmen.
Aufgabe der Erfindung ist weiterhin durch eine geeignete Halterung ((5) Fig. 4) das Messrohr ((3) Fig. 4) mobil und auswechselbar zu gestalten, wenn dies die Anwendungen erfordern.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 9 gelöst.
Von Vorteil ist, dass das Medium nicht oder nur unwesentlich erwärmt wird. Dadurch wird eine schleichende Erwärmung des Messsystems bei nicht vorhandenem oder sehr kleinem Durchfluss und die daraus resultierende Instabilität des Nullpunktes sowie die erforderliche Einschwingzeit nach wieder Einsetzen des Durchflusses vermieden. Dadurch lässt sich der Messbereich hin zu kleinen Durchflüssen ausdehnen.
Weiter von Vorteil ist, dass, im Vergleich zur langsamen Abkühlung eines Heizelements durch Wärmeverluste, nun durch das aktive Kühlen wesentlich kleinere Zeitkonstanten erreicht werden. Auch regelungstechnisch betrachtet sind die Eigenschaften der zweiseitigen Regelung (Heizen und Kühlen) der einseitigen (nur Heizen) überlegen.
Die Peltierelemente können zudem zugleich die Funktion von empfindlichen Temperaturfühlern übernehmen, welche die Temperatur totzeitfrei erfassen, was ebenfalls zur Verringerung der Systemzeitkonstante beiträgt.
Bei geeigneter Halterung kann das Messrohr ((3) Fig. 4) mobil und auswechselbar gestaltet werden, was für Anwendungen in sterilen Bereichen wie der Biotechnologie und der Medizin, oder bei Medien die zum Aushärten neigen, oder zum Einsatz eines medienverträglichen Werkstoffes von Vorteil ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit einem Peltierelement und gebogenem Messrohr
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Peltierelementen und geradem Messrohr
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem Peltierelement mit Lochdurchführung und geradem Messrohr.
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit auswechselbarem Messrohr.
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel als Sonde.
Fig. 6 eine Regelschaltung für alternierendem Betrieb
Fig. 7 eine Regelschaltung für kontinuierlichem Betrieb
Das Medium wird im ersten Abschnitt des Messrohres abgekühlt und im zweiten wieder erwärmt Fig. 1 bis 5. Die Temperatur wird durch separate Temperaturfühler oder vorzugsweise durch die Peltierelemente selbst erfasst. Dazu werden die Peltierelemente über den Umschalter (7 in Fig. 6) alternierend als Peltierelement oder invers als Thermoelement betrieben. In Stellung 1 des Umschalters ist der Reglerausgang auf das Peltierelement geschaltet und steuert die Heiz- bzw. Kühlleistung. In Schalterstellung 2 ist das Peltierelement auf einen Kondensator (8) geschaltet, der auf die Thermospannung aufgeladen wird und diese bis zum nächsten Zyklus speichert. Der Regler (Fig. 6) erhält seinen Istwert vom Kondensator und eine konstante Spannung als Sollwert, die der einzuhaltenden Temperaturdifferenz entspricht. Er hält die Temperaturdifferenz zwischen Heiz- und Kühlfläche konstant. Die dem Peltierelementen zugeführte elektrische Leistung nimmt mit dem Massendurchfluss zu und bildet das primäre Messsignal.
Alternativ können die Peltierelemente auch kontinuierlich betrieben werden (Regelschaltung Fig. 6). Ein Peltierelement kann elektrisch als Reihenschaltung eines Thermoelementes und eines temperaturabhängigen Widerstandes verstanden werden. Die Spannung des Thermoelementes kann aus der am Element anliegenden Spannung durch Subtraktion der am Innenwiderstand des Elements abfallenden Spannung, die aus Strom, Spannung und Temperatur berechnet bzw. gewonnen werden kann, ermittelt werden.
Abkühlen und Aufheizen sind vertauschbar.
Die Ausführung ohne äußere Begrenzung (Sonde, Fig. 5) kann in z. B. in Rohre, Behälter oder frei fließende Gewässer eingebaut werden. Sie kann wie die Ausführung mit Messrohr variiert werden z. B. durch separate Peltierelemente für Heizen und Kühlen und die Anordnung der Heiz- und Kühlflächen z. B. in Bezug zur Strömung hintereinander oder nebeneinander. Auch kann bei allen Ausführungen ein Peltierelement durch ein Heizelement ersetzt werden.

Claims

1. Messanordnung bzw. Sensor zum Messen des Massendurchflusses (Fig. 1), dadurch gekennzeichnet, dass der Massendurchfluss kalorimetrisch durch Kombination von Heizen und Kühlen des Mediums in einem Messrohr (3) beliebiger Querschnittsform ermittelt wird.

2. Messanordnung bzw. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Heizen und Kühlen ein oder mehrere Peltierelemente (1) verwendet werden (Fig. 1 bis 5).

3. Messanordnung bzw. Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltierelemente (Fig. 1 bis 5) zusätzlich die Funktion von Temperaturfühlern übernehmen.

4. Messanordnung bzw. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Peltierelemente (1) eine gemeinsame thermische Bezugsmasse haben ((4) Fig. 2).

5. Messanordnung bzw. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der thermischen Bezugsmasse (4) konstant gehalten wird um Verlustwärme abzuführen.

6. Messanordnung bzw. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung sich im inneren einer Sonde befindet (Fig. 5), welche zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in eine beliebige Strömung z. B. in einem Rohr, einen Behälter oder einem Gewässer eingebracht werden kann.

7. Messanordnung bzw. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr auswechselbar ist zwecks Sterilisation, Wahl eines medienverträglichen Werkstoffes oder bei Medien die das Messrohr zusetzen können.

8. Messanordnung bzw. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenztemperatur zwischen Heiz- und Kühlzone durch Regelung konstant gehalten wird und die zugeführte Leistung als Maß für dem Massendurchfluss dient (Fig. 6).

9. Messanordnung bzw. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine definierte Heiz- und Kühlleistung zugeführt und die Differenztemperatur als Maß für dem Massendurchfluss dient.