DE1099752B - Verfahren und Geraet zur Messung der Temperatur und Durchflussmenge eines Stroemungsmittels - Google Patents

Verfahren und Geraet zur Messung der Temperatur und Durchflussmenge eines Stroemungsmittels

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DE1099752B
DE1099752B DES63116A DES0063116A DE1099752B DE 1099752 B DE1099752 B DE 1099752B DE S63116 A DES63116 A DE S63116A DE S0063116 A DES0063116 A DE S0063116A DE 1099752 B DE1099752 B DE 1099752B
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Michel Terny
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GRENOBLOISE ETUDE APPL
Societe Grenobloise dEtudes et dApplications Hydrauliques SA SOGREAH
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Temperatur und der Durchflußmenge eines Strömungsmittels mit Hilfe einer einzigen Widerstandsmeßsonde unter Ausnutzung der Veränderung des Widerstandes der letzteren in Abhängigkeit von der Temperatur und der Geschwindigkeit des umgebenden Strömungsmittels.
Eine solche Meßsonde kann bei einer gegebenen Temperatur t des umgebenden Strömungsmittels durch drei verschiedene Widerstände (Fig. 1) gekennzeichnet werden:
einen Widerstand Ra, der allein von der Temperatur des Strömungsmittels abhängt, wobei die Sonde keine Energie an das Strömungsmittel abgibt;
einen Widerstand Rb, der das Verhalten der Sonde bei Energieabgabe an das im Ruhezustand befindliche Strömungsmittel kennzeichnet;
einen Widerstand Rc, der das Verhalten der die gleiche Energie an das in Bewegung befindliche Strömungsmittel abgebenden Sonde kennzeichnet.
Unter diesen Bedingungen ermöglicht
1. die Messung des Widerstandes Ra der Sonde die Bestimmung der Temperatur des Strömungsmittels;
2. die Messung des Differenzwiderstandes Rb—Rc der Sonde die Bestimmung der Durchflußmenge des Strömungsmittels.
Es wäre nun vorteilhaft, diese beiden Werte der Temperatur und der Durchflußmenge des Strömungsmittels mit Hilfe einer einzigen in das Strömungsfeld eingeführten Sonde messen zu können, da in bestimmten Fällen, beispielsweise wenn die Temperatur und die Durchflußmenge des Strömungsmittels in jedem der zahlreichen Kanäle des Kerns eines Kernreaktors gemessen werden soll, nicht der für das Einführen mehrerer Meßelemente erforderliche Raum zur Verfügung steht.
Für diesen Zweck besteht das erfindungsgemäße Verfahren einerseits darin, daß für die Bestimmung der Temperatur des Strömungsmittels der Widerstand Ra der im Weg des Strömungsmittels angeordneten Sonde ohne Energieabgabe gemessen wird, und andererseits, daß zur Bestimmung der Durchflußmenge des Strömungsmittels der Wertunterschied zwischen dem Widerstand Rc der Sonde unter Energieabgabe und bei Anordnung im fließenden Strömungsmittel und einem vorher vorbereiteten Widerstand Rb gemessen wird, der gleich dem Widerstand ist, welchen die Sonde unter Abgabe der gleichen Energie bei in Ruhe befindlichem Strömungsmittel haben würde.
Auf diese Weise erhält man mit Hilfe eines vorgefertigten Widerstandes und mittels zweier mit einer Verfahren und Gerät zur Messung
der Temperatur und Durchflußmenge
eines Strömungsmittels
Anmelder:
Societe Grenobloise d'Etudes
ίο et d'Applications Hydrauliques SOGREAH, Grenoble, Isere (Frankreich)
Vertreter: Dipl.-Ing. A. Bohr, Dipl.-Ing. H. Bohr,
Dipl.-Ing. S. Staeger, München 5, Müllerstr. 31,
und Dr.-Ing. H. Fincke, Berlin-Lichterfelde,
Patentanwälte
Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 23. Mai 1958
Michel Temy, Grenoble, Isere (Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden
einzigen Sonde durchgeführter Messungen den Wert der Temperatur und der Durchflußmenge des Strömungsmittels.
Ein vorteilhaftes Gerät zur Durchführung des genannten Verfahrens kennzeichnet sich gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal bei Verwendung einer Sonde, die einen temperaturabhängigen Widerstand enthält, durch eine als Wheatstonesche Brückenschaltung ausgebildete, die Meßsonde enthaltende elektrische Speise- und Meßschaltung, welche durch eine Stromquelle von kontinuierlicher stabilisierter Spannung gespeist wird und die Möglichkeit gibt, Ströme von zwei verschiedenen Stromstärken zu erzeugen, so daß drei Zweige dieser Wheatstoneschen Brücke durch zwei Festwiderstände und durch die Meßsonde gebildet werden, während der vierte Zweig aus einem oder zwei Regel widerständen besteht, und daß ein Schalter vorgesehen ist, durch den entweder einer oder beide dieser "Widerstände in den Stromkreis eingeschaltet werden können.
Vorzugsweise wird hierbei diese Sonde in einem abgewinkelten, mit einer Verengung versehenen Rohrstück angeordnet, so daß sich das Ende der Sonde in der Nähe dieser Verengung befindet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine beispielsweise Ausführungsform des Gerätes zur Durchführung
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desselben werden nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben, und zwar zeigt
Fig. 1 Widerstandskurven einer Platinwiderstandssonde,
Fig. 2 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßeii Gerätes zur Messung der Temperatur und der Durchflußmenge eines Strömungsmittels,
Fig. 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Meßschaltung.
Im nachfolgenden sei in Verbindung mit den in Fig. 1 gegebenen Kurven das Verhalten einer in ein Strömungsmittel, beispielsweise in Wasser, eingetauchten Platinwiderstandssonde untersucht.
Da der spezifische Widerstand von Platin mit der Temperatur zunimmt, hat eine aus diesem Metall hergestellte Sonde ebenfalls einen Widerstand, der mit der Temperatur zunimmt, so daß beispielsweise eine Sonde, die bei 0° C einen Widerstand von 100 Ohm hat, bei einer Temperatur von 150° C einen Widerstand von etwa 138,5 Ohm aufweist. Diese Eigenschaft wird in der klassischen Wärmemessung ausgenutzt, wobei die Veränderung des Widerstandes der Sonde mit der umgebenden Temperatur, die durch die Kurve α der in Fig. 1 gegebenen graphischen Darstellung dargestellt ist, dadurch erzielt wird, daß durch die Platinwiderstandssonde ein sehr schwacher elektrischer Strom, beispielsweise von weniger als 1 Milliampere, geleitet wird, der ausreicht, die Messungen des Widerstandes der Sonde durch ein potentiometrisches Verfahren in Abhängigkeit von der Temperatur durchzuführen, ohne daß die nach dem Joule-Effekt auf genommene Energie ihre Temperatur erhöhen kann.
Wenn die Sonde von einem konstanten Strom von einer bestimmten Stärke, beispielsweise von 25 Milliampere, durchflossen wird, nimmt sie nach dem Joule-Effekt Wärmeenergie auf, was zur Wirkung hat, daß ihre Temperatur und damit ihr Widerstand erhöht wird. Bei einer gegebenen Temperatur des umgebenden im Ruhezustand befindlichen Strömungsmittels ist der Widerstand der durch einen elektrischen Strom von 25 Milliampere gespeisten Sonde höher als der Widerstand, den diese bei der gleichen Temperatur des Strömungsmittels bei der vorangehend beschriebenen Verwendungsweise, d. h. bei einem vernachlässigbaren Strom, hatte. Die unter diesen Bedingungen erhaltene Widerstands-Temperatur-Kurve hat den durch die Kurve b in Fig. 1 angegebenen Verlauf.
Wenn nun unter Beibehaltung des Stroms von 25 Milliampere das die Sonde umgebende Strömungsmittel mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt wird, nimmt der Wärmeaustausch zwischen Strömungsmittel und Sonde zu, so daß die letztere abgekühlt wird. Dies hat zur Folge, daß die letzterwähnte Widerstands-Temperatur-Kurve sich verlagert und die Kurve c wird. Jedem Wert der Durchflußmenge des Strömungsmittels entspricht eine andere kennzeichnende Kurve c.
Aus der Untersuchung dieser drei Kurven», b, c kann folgendes abgeleitet werden:
1. Die Kurve» ermöglicht die Ableitung der Temperatur des Strömungsmittels durch eine einfache Messung des Widerstandes der Sonde, welche von einem vernachlässigbaren Strom durchflossen wird.
2. Der Differenzwiderstand Rbc = Rb—Rc hängt von der Durchflußmenge des Strömungsmittels bei einer gegebenen Temperatur ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Messung dieser beiden Werte R0 und Rbc mit Hilfe einer einzigen Widerstandsmeßsonde, die in das Strömungsmittel eingeführt ist, und ist im wesentlichen durch die folgenden Maßnahmen bzw. Arbeitsvorgänge gekennzeichnet:
1. daß mit Hilfe der Eichkurven Ra und Rb einer Widerstandsmeßsonde und für ein gegebenes
Strömungsmittel ein Regelwiderstand von einem Wert Rab = Rb—Ra hergestellt wird, dessen Veränderungen das Gesetz Rb — Ra in Abhängigkeit von der Temperatur für dieses Strömungsmittel ίο darstellen;
2. daß in das gegebene Strömungsmittel, von dem die Temperatur und die Durchflußmenge gemessen werden soll, die erwähnte Widerstandsmeßsonde (ohne Energieabgabe im Strömungsmittel) eingeführt wird und ihr Widerstand Ra, d. h. ohne Energieabgabe, gemessen wird, was die Ableitung der Temperatur des Strömungsmittels ermöglicht; daß im Verlauf dieser Temperaturmessung und mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung der vorgefertigte Regelwiderstand auf den Wert Rabt = Rbt—Rat gebracht wird, der der Temperatur des Strömungsmittels entspricht;
3. daß der Differenzwiderstand Rb—Rc gemessen wird, wodurch die Durchflußmenge des Strömungsmittels erhalten wird, wobei Rc der Widerstand der Sonde unter Energieabgabe an das fließende Strömungsmittel ist und Rb die Summe aus dem Widerstand Rabt, der im Verlauf des vorangehenden Vorgangs bestimmt wurde, und aus dem Widerstand Ra ist, der im Verlauf des gleichen Vorgangs bestimmt wurde, welche Summe Rb = Rabt+Ra gleich dem Widerstand ist, den die Sonde bei gleicher Energieabgabe in dem im Ruhezustand befindlichen Strömungsmittel haben würde.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann daher mit Hilfe eines vorgefertigten regelbaren Widerstandes, der für ein bestimmtes Strömungsmittel gilt und für einen Temperaturbereich bestimmt ist, mit einer einzigen Sonde und durch zwei gesonderte Vorgänge die Temperatur und die Durchflußmenge des Strömungsmittels gemessen werden.
Nachfolgend werden beispielsweise in Verbindung
mit Fig. 2 und 3 ein Gerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die zur Messung der Temperatur und der durchgeführten Arbeitsvorgänge beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Gerät, das ein abgewinkeltes Leitungsstück 1 aufweist, das den Körper des Gerätes bildet und an den Kanal bzw. die Leitung angeschlossen werden kann, in der die Temperatur und die Durchflußmenge gemessen werden soll. Das dargestellte Rohrstück weist eine Verengung 3 auf, um an dieser Stelle einen stabilen Durchfluß sicherzustellen.
In das Rohrstück ist eine Meßsonde 5, die in ihrem Inneren und an ihrem Ende einen Platinwiderstand 2 aufweist, so eingesetzt, daß ihr Ende bei 3 an der Verengungsstelle im Strom des Strömungsmittels, der sich in der Richtung des Pfeils P bewegt, frei liegt. Dieser Platin widerstand 2 ist mit einem der Zweige der in Fig. 3 dargestellten Wheatstoneschen Brücke durch zwei Leitungsdrähte 2 α und 2 b verbunden.
Das zur Beschreibung der Erfindung beispielsweise dargestellte Gerät besteht daher aus einem Aggregat, das durch ein Rohrstück 1 und eine Sonde 5 gebildet wird. Es gibt jedoch zahlreiche Fälle, in denen der zur Durchführung der Messung zur Verfügung stehende Raum beschränkt ist. In diesen Fällen wird statt der in Fig. 2 gezeigten Anordnung lediglich die
Sonde 5 verwendet, die in das Strömungsmittel eingeführt wird, nachdem vorher sichergestellt worden ist, daß die Strömung in der Nähe des Sondenkopfes stabil ist.
Fig. 3 zeigt das elektrische Schaltbild des erfindungsgemäßen Gerätes.
Die dargestellte Schaltung umfaßt eine Wheatstonesche Brücke ABCD, die von einer Stromquelle U von stabilisierter Spannung gespeist wird, wobei ein Schalter I1 und ein Widerstand r vorgesehen sind, so daß durch die Sonde S entweder ein sehr schwacher elektrischer Strom, beispielsweise von weniger als 1 Milliampere, oder ein Strom von einem bestimmten Wert, von beispielsweise 25 Milliampere, hindurchgeleitet werden kann.
Die vier Zweige der Brücke werden durch zwei Festwiderstände R1 und R2, die Sonde S und aus einem Aggregat aus zwei Regelwiderständen Rv und Rab gebildet, welch letztere geradlinig sind und gleiche Längen haben und deren Schieber M1 und M2, die miteinander fest verbunden sind, durch einen Zweiphasenmotor M angetrieben werden, der sich so lange dreht, wie zwischen den Punkten B und D der Brücke eine Unsymmetriespannung besteht. Der Motor M und die mit diesem gekuppelten Schieber M1 und M2 können in einer bestimmten Stellung festgestellt werden.
Mit Hilfe der Schalter I2 und /3 kann entweder der Widerstand Rv allein oder ein Teil R0 des Widerstandes Rv und ein Teil Rabt von Rab in Reihe in den Stromkreis geschaltet werden.
Der Regel wider stand Rv, auf dem der Schieber M1 bewegt werden kann, ist beispielsweise ein Widerstand mit linearer Kennlinie.
Ferner befinden sich im Stromkreis ein Meßverstärker Am und ein Meßgalvanometer G.
Der erste Vorgang, vor dem Beginn der Messungen, besteht darin, für ein gegebenes Strömungsmittel und für einen Temperaturbereich, der sich über alle zu messenden Temperaturen erstreckt, einen Regelwiderstand Rab = Rb — Ra herzustellen, der durch eine Kurve gekennzeichnet ist, welche der Differenz zwischen der Widerstandskurve Rb einer Sonde unter Energieabgabe an ein im Ruhezustand befindliches Strömungsmittel und der Widerstandskurve Ra der gleichen Sonde ohne Energieabgabe1 an das Strömungsmittel entspricht.
Dieser Regelwiderstand, dessen Eigenschaft durch die beiden Eichkurven Rb und Ra der Sonde bestimmt wird, kann beispielsweise durch ein an sich bekanntes Verfahren hergestellt werden, das darin besteht, daß ein Widerstand von einer gewünschten Eigenschaft mittels einer Kohleschicht von veränderlicher Dicke hergestellt wird.
Da die beiden Schieber M1 und M2 fest miteinander verbunden sind und bei der beschriebenen Ausführungsform gleiche Bewegungen und damit gleiche Hübe ausführen, muß der Widerstand Rab die gleiche Länge haben, so daß bei einer gegebenen Bewegung des Schiebers M1 auf dem Widerstand Rv, die der Temperatur des Strömungsmittels entspricht, eine Stellung des Schiebers M2 auf dem Widerstand Rub erhalten wird, die dem Wert des letzteren bei der erwähnten Temperatur des Strömungsmittels entspricht.
Nachdem der elektrische Stromkreis des Gerätes dadurch vervollständigt worden ist, daß der vorgefertigte Widerstand Rab in geeigneter Weise eingeschaltet worden ist, werden die Messungen in der folgenden Weise durchgeführt:
Das die Sonde enthaltende Rohrstück wird an die Leitung bzw. an den Kanal angeschlossen, in welchem die Geschwindigkeit und die Durchflußmenge des Strömungsmittels gemessen werden sollen, oder es wird, falls der zur Durchführung der Messung zur Verfügung stehende Raum beschränkt ist, allein die Sonde 5 in die zu untersuchende Leitung eingeführt, wobei jedoch vorher sichergestellt wird, daß die Strömung in der Nähe des Sondenkopfes stabil ist.
A. Messung der Temperatur
ίο Die Schalter I1 und /2 befinden sich in der Offenstellung, während der Schalter Iz geschlossen ist.
Es wird das potentiometrische Verfahren angewendet.
Da der Schalter I1 geöffnet ist, wird die Sonde S durch einen sehr schwachen Strom gespeist, was keine wesentliche Energieaufnahme zur Folge hat. Andererseits befindet sich, da der Schalter I2 geöffnet und der Schalter Is geschlossen ist, der Widerstand Rv im Stromkreis, während der Widerstand Rab abgeschaltet ist.
Die Wheatstonesche Brücke AB CD enthält daher den Regelwiderstand Rv, dessen Schieber M1 durch den Zweiphasenmotor M angetrieben wird, der sich so lange dreht, wie zwischen den Punkten B und D der Brücke eine Unsymmetriespannung besteht.
Bei im Abgleichzustand befindlicher Brücke ist daher der Widerstand Rv gleich dem Widerstand der Meßsonde S, d. h. gleich Ra. Jeder Temperatur der Sonde entspricht eine Stellung des Schiebers M1, dessen Stellung daher von der Temperatur des Strömungsmittels abhängt und daher zu deren Messung dient.
Zur Vorbereitung der Messung der Durchflußmenge wird ein zweiter, mit dem ersten Schieber M1 fest verbundener Schieber M2 längs des vorgefertigten Widerstandes Rab bewegt. Im Abgleichzustand kommt dieser Schieber auf dem Widerstand Rab an einem Punkt mit dem Wert Rabt zum Stillstand, welcher der Temperatur des Strömungsmittels entspricht.
Hierauf wird der Motor festgestellt, was die Feststellung der beiden Regelwiderstände auf die Werte R11 und Rabt zur Folge hat, die im Verlauf der vorangehenden Messung bestimmt wurden.
Es steht daher für die nachfolgende Messung der Durchflußmenge ein Widerstand Rabt zur Verfügung, welcher der Temperatur des Strömungsmittels entspricht und der zusammen mit dem Widerstand Rn im Verlauf der erwähnten nachfolgenden Messung den Widerstand Rb ergibt, der in Gegenschaltung zum Widerstand der Sonde ,S* in den Stromkreis geschaltet werden muß.
B. Messung der Durchflußmenge des Strömungsmittels
Es werden zuerst die folgenden Vorgänge mit Hilfe einer geeigneten Schaltanordnung (Schalter I1 und I2 geschlossen, Schalter I3 geöffnet) durchgeführt:
1. Hintereinanderschaltung der Widerstände Ra und Rabt, die im Verlauf des vorangehenden Meßvorgangs vorbereitet wurden (Schließen des Schalters I2 und Öffnen des Schalters /3);
2. Speisung des Stromkreises und insbesondere der Sonde durch einen Strom von 25 Milliampere (Schließen des Schalters I1).
Da die beiden Widerstände Ra und Rabt in Reihe geschaltet worden sind, bilden sie zusammen einen Zweig der Brücke und ist ihre Summe Ra-\-Rabt gleich dem Widerstand, welchen die Sonde haben würde, wenn sie, von dem Strom von 25 Milliampere durchflossen, in das in Ruhezustand befindliche Strömungsmittel gebracht würde.
Andererseits nimmt unter der Wirkung der Durchflußmenge des an der mit 25 Milliampere gespeisten Sonde vorbeifließenden Strömungsmittels deren Widerstand einen Werti?c an, der von dem Wert i?0+i?ß6i verschieden ist.
Dies hat eine Unsymmetrie an den Klemmen B, D der Brücke und die entsprechende Unsymmetriespannung Vb—VD zur Folge, die in Abhängigkeit von der an der Sonde vorbeifließenden Durchflußmenge erzeugt wird. ίο
Es genügt, diese Unsymmetriespannung Vb—VD nach einem an sich bekannten galvanometrischen oder potentiometrischen Verfahren zur Ableitung der Durchflußmenge des Strömungsmittels zu messen.
Das erfindungsgemäße Gerät kann zur Messung von Durchflußmengen ohne Störung der Strömung verwendet werden, indem die Meßsonde in die die Strömung begrenzende Wandung eingesetzt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondem kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Messung der Temperatur und der Durchflußmenge eines Strömungsmittels mit Hilfe einer einzigen Sonde unter Ausnutzung der Veränderung des Widerstandes der letzteren in Abhängigkeit von der Temperatur und der Durchflußmenge des Strömungsmittels, in das sie eingeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Temperatur des Strömungsmittels der Widerstand der im Weg· des Strömungsmittels angeordneten Sonde ohne Energieabgabe gemessen wird und daß zur Messung der Durchflußmenge des Strömungsmittels der Wertunterschied zwischen dem Widerstand der Sonde unter Energieabgabe und bei Anordnung im fließenden Strömungsmittel und einem vorher vorbereiteten Widerstand gemessen wird, der gleich dem Widerstand ist, den die Sonde unter Abgabe der gleichen Energie bei im Ruhezustand befindlichem Strömungsmittel haben würde.
2. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Sonde, die einen temperaturabhängigen Widerstand enthält, gekennzeichnet durch eine als Wheatstonesche Brückenschaltung ausgebildete, die Meßsonde enthaltende elektrische Speise- und Meßschaltung, welche durch eine Stromquelle von kontinuierlicher stabilisierter Spannung gespeist wird und die Möglichkeit gibt, Ströme von zwei verschiedenen Stromstärken zu erzeugen, so daß drei Zweige dieser Wheatstoneschen Brücke durch zwei Festwiderstände und durch die Meßsonde gebildet werden, während der vierte Zweig aus einem oder zwei Regel wider ständen besteht, und daß ein Schalter vorgesehen ist, durch den entweder einer oder beide dieser Widerstände in den Stromkreis eingeschaltet werden können.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in einem abgewinkelten, mit einer Verengung versehenen Rohrstück angeordnet ist, so daß sich das Ende der Sonde in der Nähe dieser Verengung befindet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 109 510/142 2.61
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