DE10392699B4

DE10392699B4 - Hochpräzise Messung und Steuerung von niedrigen Fluiddurchflussraten

Info

Publication number: DE10392699B4
Application number: DE10392699T
Authority: DE
Inventors: Robert M. Georgetown McMillan; Roland Georgetown Rau
Original assignee: MCMILLAN COMPANY GEORGETOWN; McMillan Co
Current assignee: MCMILLAN COMPANY GEORGETOWN; McMillan Co
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: GB2405484A; DE10392699T5; GB2405484B; US6736005B2; US20030221483A1; GB0425476D0; WO2003106933A1

Abstract

Vorrichtung zum Messen des Durchflusses von Fluid, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine Leitung (C) mit Wänden, die das Fluid transportiert;
mindestens zwei Wärmedetektoren (12, 30), die an voneinander beabstandeten Positionen an den Wänden der Leitung (C) angebracht sind und die Temperatur des Fluids und der Leitung (C) an den beabstandeten Positionen messen;
mindestens zwei elektrische Energieaufbringelemente (18, 26), die an verschiedenen Stellen an der Leitung (C) angebracht sind und einen elektrischen Stromfluß in den Wänden der Leitung (C) bewirken, um das Fluid in der Leitung (C) mit einer festgelegten Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Stellen zu erwärmen;
eine Steuereinrichtung zum Messen des Pegels der Energie, die den Energieaufbringelementen (18, 26) zugeführt wird, um die festgelegte Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten; und
eine Anzeigeeinrichtung (D), die in Abhängigkeit von der Steuereinrichtung auf der Basis der von der Steuereinrichtung gemessenen Energie ein Maß der Fluiddurchflußrate liefert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Messen und Steuern von Fluiddurchfluß, insbesondere bei niedrigen Fluiddurchflußraten. Insbesondere läßt die vorliegende Erfindung eine solche Messung und Steuerung zu, ohne Meßsensoren oder -einrichtungen in die Bahn des Fluiddurchflusses einzuführen.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Das Messen des Durchflusses oder der Durchflußrate eines Fluids in einer Leitung, insbesondere bei sehr niedrigen Fluiddurchflußraten, ist ein Problem, wenn es unter Verwendung von herkömmlichen Durchflußsensoren versucht wird. Bei sehr niedrigem Durchfluß arbeiten viele Fluidsensoren nicht ordnungsgemäß. Beispielsweise hören Geschwindigkeitsdurchflußmesser wie etwa Turbinenlaufrad-Durchflußsensoren auf zu arbeiten, da in dem Fluid nicht genügend Energie vorhanden ist, um das Laufrad zu drehen. Differenzdruck-Durchflußsensoren können gelegentlich bei niedrigen Durchflüssen funktionieren, die kleineren Durchflußöffnungen, die für niedrige Durchflüsse benötigt werden, sind jedoch blockierungsanfällig, wenn sich Schwebeteilchen in dem Fluid befinden. Ferner könnten Druckabfälle über die Öffnungen von Bedeutung sein.
Bei den meisten thermischen Durchflußsensoren dient die Temperaturerfassungseinrichtung als eine Widerstandsbrückenschaltung oder als ein Teil des gesamten Temperaturveränderlichkeitsbereichs, so daß eine Durchflußänderung die gleiche und entgegengesetzte Wirkung an den zwei Hälften des Sensors hat. Dies kann eine begrenzende Wirkung auf den Bereich des Sensors haben, und Änderungen der Umgebungstemperatur können die Genauigkeit beeinträchtigen.
In der US 6 230 560 B1 sowie der US 2001/0027684 A1 werden Widerstände offenbart, die in eine Leitung eingebracht bzw. um eine Leitung gewickelt werden, um Wärme auf die Fluid-Leitung zu übertragen. An den Widerständen sind Meß- und Steuereinrichtungen vorgesehen, welche eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen messen und steuern. Die Genauigkeit der Messung und Steuerung dieses Standes der Technik wird als unbefriedigend empfunden.
In bestimmten Fällen sind spezielle Durchflußerfassungstechniken erprobt worden. Beispielsweise wurde gemäß dem US-Patent Nr. 5 035 138 ein Widerstandsmaterial, das aus einer Speziallegierung gebildet war, als ein Rohr oder eine Leitung verwendet, durch die ein Gas strömte. Die Speziallegierung wurde aufgrund eines hohen spezifischen elektrischen Widerstands und eines hohen Temperaturwiderstandskoeffizienten gewählt. Eine Spannungsdifferenz wurde an die Leitung aus einer Widerstandslegierung an bestimmte Positionen angelegt. Das Widerstandsmaterial der Leitung wurde dazu genutzt, das darin strömende Fluid in Abhängigkeit von der angelegten Spannungsdifferenz zu erwärmen. Das Rohr aus Widerstandslegierungsmaterial diente sowohl zum Erwärmen des Fluids als auch als eine Anzeige der Durchflußbedingungen. Beabstandete Bereiche der Rohrwand dienten als temperaturempfindliche Widerstände, die mit sich ändernden Durchflußraten durch das Rohr eine Spannungsdifferenz entwickelten. Bei dem Durchflußsensor dieses Patents war es erforderlich, das Fluidrohr oder die Fluidleitung aus einer speziellen Widerstandslegierung zu bilden, die als Funktion der Temperaturänderung eine hohe Änderung des Widerstandswerts hatte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt, die vorliegende Erfindung stellt eine neue und verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Durchflusses von Fluid in einer Leitung, welche das Fluid transportiert, bereit. Ein Satz von mindestens zwei Wärmedetektoren ist an der Leitung an voneinander beabstandeten Positionen angebracht. Die Wärmedetektoren messen die Temperatur des Fluids und der Leitung an den beabstandeten Positionen. Ein Satz von mindestens zwei elektrischen Energieaufbringelernenten ist an den Wänden der Leitung an verschiedenen Stellen entlang der Leitung angebracht. Die elektrischen Energieaufbringelemente bringen elektrische Energie auf die Leitung auf, um einen elektrischen Stromfluß in den Wänden der Leitung zu bewirken, so daß die Leitung und das Fluid in der Leitung mit einer festgelegten Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Stellen erwärmt wird. Eine Steuereinrichtung mißt den Pegel der Energie, die den elektrischen Energieaufbringelementen zugeführt wird, um die festgelegte Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten und somit eine Anzeige der Durchflußrate auf der Basis der von der Steuereinrichtung gemessenen Energie zu liefern.
Die vorliegende Erfindung ist ferner so ausgebildet, daß der Fluiddurchfluß mit einer gemessenen Durchflußrate gesteuert wird. Ein Durchflußregulierventil, das auf den gemessenen Fluiddurchfluß anspricht, ist vorgesehen, um den Fluiddurchfluß auf der Basis der gemessenen Fluiddurchflußrate auf eine gewünschte Durchflußrate zu steuern.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, irgendwelche Erfassungseinrichtungen in der Fluiddurchflußbahn in der Leitung anzuordnen; sie ermöglicht also auch eine Leitungsausbildung für durchgehenden Durchfluß. Die vorliegende Erfindung benötigt nur eine geringe Temperaturdifferenz für die Durchflußratenmessung und führt nicht zu einer Verschlechterung von temperaturempfindlichen Fluiden.
Die vorliegende Erfindung fuhrt ferner Durchflußratenmessungen aus, während gleichzeitig ein relativ geringer Druckabfall bewirkt wird. Die Leitung, in welcher der Durchfluß gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wird, ist aus einem elektrisch leitfähigen Material wie etwa rostfreiem Stahl gebildet, und das Innere der Leitung kann mit einer geeigneten korrosionsfesten Kunstharzschicht beschichtet sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht, teilweise in Querschnitt, eines Durchflußratensensors nach der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht auf eine Leitung in dem Durchflußratensensor von 1.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang den Linien 3-3 von 2.
4 ist ein funktionelles Blockschaltbild von elektronischen Komponenten einer elektrischen Schaltung des Durchflußratensensors von 1.
5 ist ein Schaltbild einer adaptiven Antworteinheit mit der Schaltung von 4.
6 ist ein Schaltbild einer Impulstreibereinheit der Schaltung von 4.
7 ist ein Schaltbild einer Durchflußsteuerungsversion des Durchflußratensensors von 1.
8A, 8B, 8C, 9A, 9B, 9C, 10A und 10B sind Diagramme, welche das Betriebsverhalten des Durchflußratensensors nach der vorliegenden Erfindung zeigen.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Zeichnungen bezeichnet der Buchstabe S im allgemeinen ein System nach der vorliegenden Erfindung zum Messen des Durchflusses von Fluid in Pfeilrichtung A durch eine Leitung C. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, und die vorliegende Erfindung ist speziell zum Messen von niedrigen Fluiddurchflußraten in der Leitung C ausgebildet. Wie nachstehend erläutert wird, kann das System S der vorliegenden Erfindung Durchflußraten von Fluiden wie etwa Gasen oder Flüssigkeiten in der Größenordnung von Millilitern pro Minute erfassen.
Die Leitung C weist einen Einlaßabschnitt 10 für einen ankommenden Fluidstrom auf, der gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wird. Die Leitung C besteht aus herkömmlichem rostfreiem Stahl, der einen niedrigen Widerstand gegenüber elektrischem Strom hat, wie etwa rostfreiem Stahl 304 oder 316. Ein solches Material hat einen niedrigen thermischen Widerstandskoeffizienten, wodurch eine Änderung des Widerstandswerts der Leitung C mit einer Temperaturänderung minimiert wird. Der Einlaßabschnitt 10 hat zylindrischen Querschnitt für den Durchfluß von Fluid innerhalb eines inneren Kanals 11, der von einer zylindrischen rohrförmigen Wand 10a umgeben ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Einlaßabschnitt 10 einen Außendurchmesser von 0,050'' und einen Innendurchmesser von 0,02''. Wenn das Fluid, dessen Durchflußrate gemäß der vorliegenden Erfindung zu messen ist, ein korrodierendes Fluid ist, kann die Innenwand 10a der Leitung C mit einem geeigneten korrosionsfesten Material wie etwa fluoriniertem Kohlenwasserstoff oder einer anderen korrosionsfesten Kunstharzschicht beschichtet sein.
Ein erster Wärmedetektor oder ein erstes Thermoelement 12 oder eine andere geeignete Wärmeerfassungseinrichtung, die imstande ist, eine elektrische Anzeige der erfaßten Temperatur zu bilden, ist durch geeignete Techniken an dem Einlaßabschnitt 10 angebracht. Das Thermoelement 12 erfaßt die Umgebungs- oder Referenztemperatur des Einlaßrohrabschnitts 10 und des ankommenden Fluids, das in dem System zu messen ist. Ein Wärmeübertragungsabschnitt 14 ist in der Leitung C in der Abstromrichtung des Fluiddurchflusses von einem Übergangsbereich 16 des Einlaßabschnitts 10 gebildet. In dem Übergangsbereich 16 verändert sich die Leitung C von einem zylindrischen oder rohrförmigen Querschnitt zu einem Querschnitt, der für die Wärmeübertragung besser geeignet ist, wie nachstehend erläutert wird. Ein als Energieaufbringelement dienender elektrischer Kontakt 18 ist an dem Wärmeübertragungsabschnitt 14 der Leitung C ausgebildet, um durch einen elektrischen Verbinder 20 mit einer elektronischen Steuerschaltung E (1 und 3) des Systems S verbunden zu werden. Bei der vorliegenden Erfindung ist das Referenztemperaturerfassungs-Thermoelement 12 außerhalb und an der Aufstromseite des Wärmeübertragungsabschnitts 14 angeordnet.
Der Wärmeübertragungsabschnitt 14 der Leitung C erstreckt sich von dem Übergangsbereich 16 zu einem zweiten Übergangsbereich 22, der mit einem zylindrischen Auslaßbereich 24 in Verbindung ist. Die Leitung C nimmt wieder zylindrischen Querschnitt in dem zweiten Übergangsbereich 22 an. Ein als Energieaufbringelement dienender elektrischer Kontakt 26 ist an der Leitung C dem Übergangsbereich 22 und dem Auslaßbereich 24 benachbart ausgebildet und ist mit der elektronischen Schaltung E durch einen Leiter 28 verbunden. Ein zweiter Wärmedetektor oder ein zweites Thermoelement 30 oder eine andere geeignete Wärmeerfassungseinrichtung von einem gleichen oder einem mit dem Thermoelement 12 vergleichbaren Typ ist an der Leitung C von dem Thermoelement 12 in einer geeigneten Entfernung entlang dem Wärmeübertragungsabschnitt 14 beabstandet angebracht, um die Temperatur der Leitung C und ihres Fluidinhalts an einer Stelle zu erfassen, welche die Existenz einer meßbaren Temperaturdifferenz zuläßt. Das zweite Temperatursensor-Thermoelement 30 detektiert jeden Temperaturanstieg des Wärmeübertragungsabschnitts 14. Bei einem festgelegten oder gegebenen Temperaturanstieg ist also die Differenzantwort unempfindlich für Änderungen der Umgebungstemperatur des in das System S eintretenden Fluids. Dies macht in Verbindung mit dem vorstehend erläuterten rostfreien Stahlmaterial der Leitung C das Ausgangssignal des Sensors für Änderungen der Umgebungstemperatur des Fluids weniger empfindlich. Dies steht im Gegensatz zu Durchflußsensoren, die auf einer Änderung des Widerstandswerts des Erfassungselements basieren, wenn sich die Wärmeübertragungssrate mit der Durchflußrate des Fluids ändert.
Wie nachstehend erläutert wird, fließt elektrischer Strom durch den Wärmeübertragungsabschnitt 14 in den Wänden der Leitung C zwischen den elektrischen Verbindern 20 und 26, um eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen den beabstandeten Stellen der Thermoelemente 12 und 30 an der Leitung C aufrechtzuerhalten.
Der Wärmeübertragungsabschnitt 14 kann unter Verwendung einer Presse oder einer anderen geeigneten Einrichtung über die Erstreckung des Wärmeübertragungsbereichs von dem Übergangsabschnitt 16 zu dem Übergangsabschnitt 22 für eine effizientere Wärmeübertragung von der Leitung C zu dem darin enthaltenen Fluid abgeflacht werden. Beispielsweise ist der Wärmeübertragungsabschnitt 14 über eine Länge von ungefähr 1 inch ausgehend von der zylindrischen oder rohrförmigen Gestalt der Einlaß- und Auslaßabschnitte 10 und 24 abgeflacht. Der resultierende Wärmeübertragungsabschnitt hat einen abgeflachten Ellipsenquerschnitt mit einer Quererstreckung von einem Inch, wie durch im allgemeinen flache obere und untere Wände 32 und 34 gezeigt ist. Die oberen und unteren Wände 32 und 34 sind an ihren Endabschnitten durch bogenförmige Seitenwände 35 (3) um einen abgeflachten inneren Kanal 36 herum verbunden, der 0,046'' breit und 0,020'' hoch ist. Falls gewünscht, braucht der Wärmeübertragungsabschnitt nicht vollständig zu der abgeflachten Ellipse abgeflacht zu sein, sondern kann eine eher ovale Ellipse sein, je nach dem erforderlichen Grad der Wärmeübertragung.
Die Konfiguration des Wärmeübertragungsabschnitts 14 verbessert den Wärmekontakt zwischen der wärmeführenden Masse der Wände der Leitung C und dem Fluidkanal 36 und ermöglicht thermische Gleichmäßigkeit des Fluids in der Leitung C, während es sich durch den Wärmeübertragungsabschnitt 14 bewegt. Wie erwähnt, kann die abgeflachte Querschnittskonfiguration des Wärmeübertragungsabschnitts 14 jeden geeigneten Grad einer elliptischen oder ovalen Gestalt haben, um die gewünschte Wärmeübertragung zu erzielen, ohne signifikante Druckabfälle über den Bereich der Fluiddurchflußraten bis zu der maximalen Durchflußrate einzuführen, die in dem zu messenden Fluid erwartet wird.
Alternativ kann die Leitung C innerhalb eines äußeres Gehäuses angeordnet sein, so daß der Fluiddurchfluß über die äußere Oberfläche der Leitung C erfolgt. Die äußere Oberfläche ist bevorzugt mit einem geeigneten korrosionsfesten Material von dem oben erläuterten Typ beschichtet. Dabei hat die Leitung oder das Rohr C einen Außendurchmesser von 0,050'', und seine Instrumentenanschlüsse befinden sich innerhalb innerer Bereiche. Die Leitung C erwärmt das Fluid, und die äußere Oberfläche der Leitung C ist mit dem Fluidstrom für die Wärmeübertragung auf die vorstehend beschriebene Weise in Kontakt. Diese Konfiguration ermöglicht die Verwendung einer Leitung, die für die Aufbringung einer korrosionsfesten Beschichtung besser geeignet ist. Ferner kann die Abdichtung zwischen der Leitung C und dem äußeren Gehäuse auf einfachere Weise erzielt und aufrechterhalten werden.
Die elektronische Schaltung E der vorliegenden Erfindung liefert elektrische Energie, welche den als Energieaufbringelemente dienenden elektrischen Kontakten 18 und 26 zugeführt wird, um das Fluid in der Leitung C zu erwärmen und eine festgelegte Temperaturdifferenz zwischen den Stellen der Wärmedetektor-Thermoelemente 12 und 30 aufrechtzuerhalten. Die Thermoelemente 12 und 30 können beispielsweise herkömmliche Thermoelemente vom Typ J oder vom Typ K oder von anderen geeigneten Typen mit vergleichbarem Betriebsverhalten und vergleichbaren Charakteristiken sein. Die elektronische Steuerschaltung C mißt ferner den Pegel der Energie, die den elektrischen Kontakten 18 und 26 zugeführt wird, um die festgelegte Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten, so daß ein Maß für die Fluiddurchflußrate von einer Anzeige D geliefert werden kann. Bei der elektronischen Schaltung E (4) des Systems S sind die Thermoelemente 12 und 30 durch elektrische Verbinder 50 und 52 mit Eingängen 54 bzw. 56 eines stabilisierten Differenzverstärkers 58 verbunden. Der Differenzverstärker 58 ist ein herkömmlicher, handelsüblicher stabilisierter Verstärker von dem Typ, der Temperaturstabilität von Meßwerten ermöglicht, die nachfolgenden Verstärkerstufen zugeführt werden. Der Differenzverstärker 58 bildet ein Ausgangssignal auf einer Leitung 60, das die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur repräsentiert, die von den Temperaturerfassungs-Thermoelementen 12 und 30 an der Leitung C erfaßt wird.
Das Temperaturdifferenzsignal auf der Leitung 60 wird einem ersten Eingang 62 eines Vergleicherverstärkers 64 zugeführt. Der Vergleicherverstärker 64 ist ein Operationsverstärker des herkömmlichen Typs, der an einem zweiten Eingang 66 einen Signalpegel empfängt, der eine Referenz-Temperaturdifferenzeinstellung repräsentiert. Der Vergleicherverstärker 64 bildet ein Fehlerausgangssignal auf einer Leitung 68, das die Änderung der zwischen den Temperatursensoren 12 und 30 an der Leitung C erfaßten Temperaturdifferenz und der Referenz temperaturdifferenz darstellt, die dem zweiten Eingang 66 zugeführt wird.
Das Fehlerausgangssignal von dem Vergleicherverstärker 64 wird auf einer Leitung 68 einer Proportional-Integral-Differential- oder PID-Einheit 70 mit adaptiver Antwort zugeführt. Die PID-Einheit 70 weist einen Integrator 70a auf, der ein Anwortsignal bildet, welches ein zeitlich gemitteltes Maß des Temperaturfehlersignals anzeigt, das von dem Vergleicherverstärker 64 detektiert wurde. Die PID-Einheit 70 weist ferner einen Differenzierer 70b auf, der ein Ausgangssignal bildet, das die Änderungsrate des Fehlersignals von dem Vergleicherverstärker 64 anzeigt. Die PID-Einheit 70 weist ferner einen Summierverstärker oder eine Summierkomponente 70c auf, die ein Ausgangssignal bildet.
Die Schaltung 70 mit adaptiver Antwort macht nicht von einer festen Filter- oder Integrationszeit Gebrauch. Die Nachlaufantwort der Schaltung 70 ändert sich, um eine schnelle Antwort bei hohem Durchfluß und eine langsame Antwort bei einem Durchfluß von null oder nahezu null zu liefern, was aufgrund des extremen Bereichs der thermischen Antwort des Durchflußrohrs erforderlich ist, wenn sich der Durchfluß zwischen der größten und der kleinsten Durchflußrate ändert. Außerdem wird die Nachlaufantwort verringert, wenn sich die Durchflußrate null nähert, um ein Ausgangssignal mit minimalen Schwankungen zu liefern.
Das Ausgangssignal von dem Integrator 70a der PID-Einheit 70 wird einer Linearisierungs- und Ausgabeschaltung 72 zugeführt, in der das Antwortsignal linearisiert und in ein geeignetes Format gebracht wird, wie etwa einen geeigneten Gleichspannungspegel von 0 bis 5 V. Die Linearisierungs- und Ausgabeschaltung 72 kann beispielsweise ein herkömmlicher Operationsverstärker sein, der ein Ausgangssignal mit geeignetem Pegel zur Speicherung, Verarbeitung und Anzeige in einer geeigneten Anzeigeeinrichtung oder einem Display D liefert, dem eine geeignete Aufzeichnungseinrichtung oder ein Speicher zugeordnet sein kann. Das Display D kann beispielsweise ein Display Modell 250 von McMillan Company, der Erwerberin der vorliegenden Anmeldung, sein. Falls gewünscht, kann das Antwortsignal in ein Digitalformat zur digitalen Verarbeitung, Berechnung und Speicherung in einem geeigneten Display D umgewandelt werden. Die von der Ausgabeschaltung 72 ausgegebene Anzeige repräsentiert den aktuellen Wert der Fluiddurchflußrate, die von dem System S nach der vorliegenden Erfindung in der Leitung C erfaßt wird.
Die Ausgangsantwort von dem Summierverstärker 70c der PID-Einheit 70 wird einem Spannungs-Frequenz-Wandler 74 zugeführt. Der Spannungs-Frequenz-Wandler hat beispielsweise die Form eines Spannungs-Frequenz-Bereichs einer handelsüblichen phasensynchronisierten Schleife. Er kann jeder geeignete, handelsübliche Spannungs-Frequenz-Wandler sein. Der Pegel der Ausgangsantwort von dem Verstärker 70c der PID-Einheit 70 bewirkt eine angemessen korrelierte Änderung der Ausgangsfrequenz eines Signals auf dem Leiter 76 von dem Wandler 74. Die Ausgangsfrequenz von dem Wandler 74 wird einer Impulstreiberschaltung 80 zugeführt. Dem Spannungs-Frequenz-Wandler 74 wird ein Signal an einem Null-Eingang 82 bzw. einem Meßeingang 84 zu Kalibrierzwecken zugeführt.
Die Impulstreiberschaltung 80 empfängt an einem MOSFET-Leistungsschalter 80a Treiberimpulse 76 von dem Spannungs-Frequenz-Wandler 74 über den Verbinder 76. Der MOSFET-Leistungsschalter 80a ist durch die Leiter 20 und 28 mit den elektrischen Verbindern 18 und 26 verbunden, die an dem Rohr oder der Leitung C angebracht sind. Die Impulstreiberschaltung 80 weist einen Leistungsregulierer 80b auf, der mit einer geeigneten Energieversorgung und einem Speicherkondensator 80c verbunden ist, der elektrische Energie für den Durchfluß als Stromimpulse durch das Rohr C speichert. Die Impulstreiberschaltung 80 ist eine niederohmige Impulstreibereinrichtung, die Niederspannungs-Hochstrom-Impulse liefert, wenn der Schalter 80a leitend ist. Der Schalter 80a funktioniert bei einer Frequenz, die von der Ausgangsfrequenz des Wandlers 74 bestimmt ist. Die Niederspannungs-Hochstrom-Impulse von der Impulstreiberschaltung 80 fließen durch die Wände 32 und 34 des abgeflachten Wärmeübertragungsabschnitts 14 der Leitung C zwischen den Verbindern 18 und 26.
Die Impulstreiberschaltung 80 führt dem Durchflußrohr C aus rostfreiem Stahl präzise Energieimpulse mit hohem Peak zu, um das Rohr und das Fluid rasch und präzise zu erwärmen. Der Betrieb der Impulstreiberschaltung 80 resultiert einem niedrigen mittleren Energieverbrauch, in geringen Energieverlusten sowie darin, daß die zugeführte Wärmeenergie zu dem Durchfluß des Fluids proportional ist.
Im Fall von strömenden Flüssigkeiten wird im Vergleich mit Luft erhebliche Energie benötigt, um die Temperatur der strömenden Flüssigkeit zu erhöhen. Die Heizleitung C, die einen niedrigen elektrischen Widerstandswert hat, benötigt eine effiziente Treiberschaltung, die zu einer Präzisionserwärmung bei minimalen Verlusten an Energie, die in andere Teile der Schaltungsanordnung abgegeben wird, fähig ist. Die Impulstreiberschaltung 80 ist imstande, die großen Leistungsunterschiede zu steuern, die zum Strömenlassen von hohen und niedrigen Flüssigkeit- und Gasraten erforderlich sind.
Die vorliegende Erfindung kann ferner genutzt werden, um ein Durchflußsteuersystem F bereitzustellen (5). In dem Durchflußsteuersystem F haben dem System S ähnliche Elemente, die auf eine ähnliche Weise funktionieren, gleiche Bezugszeichen. Bei dem Durchflußsteuersystem F wird das Ausgangssignal von der Linearisierungs- und Ausgabeschaltung 72 der elektronischen Schaltung E einem elektrisch betätigten Durchflußsteuerventil 90 zugeführt, das in der Leitung C an der Abstromseite des Wärmeübertragungsabschnitts 14 angeordnet ist. Wenn sich also die Durchflußrate des Fluids in der Leitung C ändert, liefert die elektronische Schaltung E dem Durchflußsteuerventil 90 Signale, um die Durchflußrate des Fluids durch die Leitung C auf einen gewünschten Pegel zu regulieren. Das Durchflußsteuerventil 90 kann von einem herkömmlichen Typ oder von einem Typ sein, der von McMillan Company, der Erwerberin der vorliegenden Anmeldung, erhältlich ist.
Die 8A und 9A sind grundlegende Antwortkurven eines Durchflußratensensors nach der vorliegenden Erfindung bezogen auf den Durchfluß von Wasser bzw. Luft mit den angegebenen Durchflußraten. Die gezeigten Daten wurden bei Vorversuchen erhalten und wurden auf der Basis der Werte und Dimensionen des angegebenen Durchflußrohrs C erhalten. Es wird erwartet, daß Verfeinerungen und Dimensionsänderungen die Betriebsparameter für verschiedene Durchflußraten und Fluide verbessern. Diese Figuren zeigen eine empfindliche Antwort auf Durchflußänderungen bei geringvolumigen Durchflußraten dieser Fluide. Die 8B und 9B zeigen die Antworten der 8A bzw. 9A nach der Linearisierung. Die linearisierten Antworten zeigen die Genauigkeit, die mit dem Durchflußsensor der vorliegenden Erfindung bei bekannten Eingangsdurchflußraten erhalten wird. Außerdem zeigen die 8C und 9C die Genauigkeit, die in den Daten der 8B bzw. 9B als ein Prozentsatz von Vollbereichs-Meßwerten erhalten wird.
Die 10A und 10B sind Diagramme von Testdaten, die denjenigen der 8A und 9A gleichen, wobei Wasser und Dieselkraftstoff die Flüssigkeit sind, die mit den angegebenen Milliliter/Minuten-Raten strömen. In den 10A und 10B sind eine Genauigkeit und Empfindlichkeit gezeigt, die mit den vorstehend erläuterten und in den 8A und 9A gezeigten Ergebnissen vergleichbar sind.
Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen empfindlichen, genauen thermischen Durchflußsensor für Fluide und Gase bereitstellt. Der Durchflußsensor der vorliegenden Erfindung ist eine einfache mechanische Einrichtung, die einen großen dynamischen Durchflußbereich anzeigt. Die Durchflußsensoren der vorliegenden Erfindung haben einen hohen Wirkungsgrad und präzise Heizsteuerungen und können mit geringen Kosten aus ohne weiteres erhältlichen Komponenten hergestellt werden.
Die vorstehende Offenbarung und Beschreibung der Erfindung dienen der Erläuterung und sind beispielhaft, und verschiedene Änderungen hinsichtlich Größe, Gestalt und Materialien und Komponenten sowie hinsichtlich der Einzelheiten der gezeigten Konstruktion sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Durchflusses von Fluid, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Leitung (C) mit Wänden, die das Fluid transportiert; mindestens zwei Wärmedetektoren (12, 30), die an voneinander beabstandeten Positionen an den Wänden der Leitung (C) angebracht sind und die Temperatur des Fluids und der Leitung (C) an den beabstandeten Positionen messen; mindestens zwei elektrische Energieaufbringelemente (18, 26), die an verschiedenen Stellen an der Leitung (C) angebracht sind und einen elektrischen Stromfluß in den Wänden der Leitung (C) bewirken, um das Fluid in der Leitung (C) mit einer festgelegten Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Stellen zu erwärmen; eine Steuereinrichtung zum Messen des Pegels der Energie, die den Energieaufbringelementen (18, 26) zugeführt wird, um die festgelegte Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten; und eine Anzeigeeinrichtung (D), die in Abhängigkeit von der Steuereinrichtung auf der Basis der von der Steuereinrichtung gemessenen Energie ein Maß der Fluiddurchflußrate liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner aufweist: eine Treiberschaltung (80), die den Energieaufbringelementen (18, 26) elektrische Stromimpulse zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmedetektoren Thermoelemente (12, 30) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die ferner aufweist: einen Verstärker (58), der ein Maß der von den Wärmedetektor-Thermoelementen (12, 30) erfaßten Temperaturdifferenz bildet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner folgendes aufweist: einen Vergleicher, der ein Signal bildet, das für die Änderung der gemessenen Temperaturdifferenz von der festgelegten Temperaturdifferenz repräsentativ ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung folgendes aufweist: einen Integrator mit adaptiver Antwort, der eine Anzeige der Änderung der gemessenen Temperaturdifferenz bildet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner folgendes aufweist: eine Treiberschaltung (80), die den Energieaufbringelementen (18, 26) elektrische Stromimpulse zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner aufweist: den Integrator mit adaptiver Antwort, der auf der Basis der Änderung der gemessenen Temperaturdifferenz der Treiberschaltung ein Steuersignal zuführt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitung (C) aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitung (C) aus rostfreiem Stahl gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitung (C) eine Innenwand hat, die mit einer korrosionsfesten Kunstharzbeschichtung beschichtet ist.
Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses von Fluid mit einer gemessenen Durchflußrate, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Leitung (C) mit Wänden, die das Fluid transportiert; mindestens zwei Wärmedetektoren (12, 30), die an voneinander beabstandeten Positionen an den Wänden der Leitung (C) angebracht sind und die Temperatur des Fluids und der Leitung (C) an den beabstandeten Positionen messen; mindestens zwei Energieaufbringelemente, die an der Leitung (C) angebracht sind und einen elektrischen Stromfluß in den Wänden der Leitung (C) bewirken, zum Erwärmen mit einer festgelegten Temperaturdifferenz; eine Steuereinrichtung zum Messen der Menge an Energie, die den Energieaufbringelementen zugeführt wird, um die festgelegte Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten; eine Anzeigeeinrichtung (D), die in Abhängigkeit von der Steuereinrichtung auf der Basis der von der Steuereinrichtung gemessenen Energie ein Maß der Fluiddurchflußrate liefert; und ein Durchflußregulierventil (90), das in Abhängigkeit von dem Maß der Fluiddurchflußrate den Durchfluß von Fluid in der Leitung (C) mißt.
Verfahren zum Messen der Durchflußrate eines Fluids in einer Leitung (C) mit Wänden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen von elektrischer Energie auf die Wände der Leitung an beabstandeten Stellen entlang der Länge der Leitung (C), um das Fluid zu erwärmen, während das Fluid in der Leitung (C) strömt; Aufrechterhalten einer bestimmten Temperaturdifferenz zwischen beabstandeten Positionen an der Leitung (C), während gleichzeitig die elektrische Energie auf die Wände der Leitung (C) aufgebracht wird, um einen elektrischen Stromfluß in den Wänden der Leitung (C) zu bewirken, während das Fluid in der Leitung (C) strömt; Messen der zugeführten elektrischen Energie, um die bestimmte Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten, während das Fluid in der Leitung (C) strömt; und Bilden einer Anzeige der Durchflußrate auf der Basis der gemessenen Energie, um die bestimmte Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten, während das Fluid durch die Leitung (C) strömt.