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Elektrokalorisches Durchfiußmeßgerät Die Erfindung betrifft ein elektrokalorisches
Durchflußmeßgerät für Gase, bestehend aus einem teilweise heizbaren Metallrohr,
das mit zwei außerhalb der beheizten Zone symmetrisch zu ihr angeordneten Temperaturmeßstellen
ausgestattet ist.
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Das Prinzip derartiger bekannter Durchflußmeßgeräte besteht darin,
daß ein Gas durch ein gerades Rohr geleitet wird, das eine beheizte Zone besitzt
und das in gleichem Abstand vor und hinter der beheizten Zone mit je einer Temperaturmeßstelle
versehen ist. Fließt durch das Rohr kein Gas, dann nehmen beide Temperaturmeßstellen
infolge der symmetrischen Anordnung zur beheizten Zone die gleiche Temperatur an.
Wird aber ein Gasstrom durch das Rohr geleitet, dann wird die erste Temperaturmeßstelle
durch das Gas gekühlt, während die zweite durch aus der beheizten Zone fortgeführte
Wärme erwärmt wird. Mit steigender Gasmenge nimmt die Abkühlung der ersten Temperaturmeßstelle
und die Erwärmung der zweiten zu. Auf diese Weise ist es möglich, auf dem Umweg
über diese Temperaturdifferenz indirekt die durchgeflossene Gasmenge zu messen.
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Ein weiteres Erfordernis für das Funktionieren einer derartigen Vorrichtung
ist, daß vor der ersten und hinter der zweiten Temperaturmeßstelle zwei Zonen identischer
Temperatur geschaffen werden, um Fremdeinflüsse von den beiden Temperaturmeßstellen
fernzuhalten. Ein bekanntes elektrokalorisches Durchflußmeßgerät ist deshalb mit
einer aus gut leitendem Metall bestehenden Wärmebrücke mit einer großen Wärmekapazität
versehen, die diese beiden Zonen identischer Temperatur miteinander verbindet und
die die Gewähr übernehmen soll, daß die Temperaturen in beiden Zonen tatsächlich
gleich sind.
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Da aber der Transport von Wärme durch diese Wärmebrücke langsamer
erfolgt als der Durchfluß des Gases durch die Röhre und außerdem bei einer zufälligen
Temperaturänderung an einer Seite relativ große Wärmemengen in Bewegung gesetzt
werden, ist diese Gewähr besonders bei nicht ruhender Atmosphäre nicht immer gegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrokalorisches
Durchflußmeßgerät zu schaffen, das von diesen Nachteilen frei ist und das ohne Rücksicht
darauf, ob es in ruhender oder bewegter Atmosphäre für Gase von hoher oder tiefer
Temperatur bei höheren oder niederen Drucken verwendet wird, zuverlässig arbeitet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Metallrohr
zu einer zur beheizten Zone symmetrischen Schleife zusammengebogen und an der Berührungsstelle
wärmeleitend verbunden ist und auf der Außenseite zwei zur beheizten Zone und zur
Berührungsstelle symmetrisch angeordnete Thermoelementlötstellen aufweist.
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Die Schleife bringt den Vorteil mit sich, daß an dieser Stelle ein
Wärmekurzschluß gebildet wird, der die Gewähr dafür bietet, daß vor der ersten und
hinter der zweiten Temperaturmeßstelle identische Temperaturen herrschen. Temperatureinflüsse,
die sich durch eine beispielsweise bewegte Atmosphäre in der Umgebung des Meßgerätes
beim Gasein- oder austritt bemerkbar machen könnten, werden sofort ausgeglichen,
da Temperaturdifferenzen an den beiden miteinander verbundenen Rohrteilen nur unmeßbar
kurze Zeit bestehen können.
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Eine Zone des Rohres ist in bekannter Weise mit einer elektrischen
Heizwicklung versehen, die nun auf der Schleife symmetrisch zum Berührungspunkt
angeordnet ist.
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Die Anordnung der außerhalb der beheizten Zone befindlichen Temperaturmeßstellen
ist wie bei bekannten Durchflußmeßgeräten symmetrisch.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Heizwicklung
nicht aus einer einzigen durchgehenden Wicklung, sondern aus zwei Wicklungshälften,
die unabhängig voneinander betrieben werden können. Diese Aufteilung der Heizwicklung
in zwei Wicklungshälften hat den entscheidenden Vorteil, daß es bei der Herstellung
eines solchen Durchflußmeßgerätes nicht mehr sehr genau auf die symmetrische Lage
der beiden Temperaturmeßstellen zur beheizten Zone ankommt. Das ist eine bedeutende
fertigungstechnische Vereinfachung. Es genügt -falls zwischen den beiden Temperaturmeßstellen
bei nicht durchflossenem Gerät eine Temperaturdifferenz auftreten sollte -, die
Heizspannung des einen oder des anderen Heizkreises zu verändern, um an den beiden
Meßstellen Temperaturgleichheit herzustellen.
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Die beiden Temperaturmeßstellen werden durch je eine Lötstelle auf
der Außenseite des Rohres realisiert, von denen je ein Thermoelementdraht ausgeht.
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Es ist weiterhin vorgesehen, die wärmeleitende Verbindung an der
Berührungsstelle der Schleife ebenfalls als Thermoelementlötstelle mit einem von
ihr ausgehenden Thermoelementdraht auszubilden und an dieser Stelle außerdem eine
Wärmeleitfläche anzubringen. Die Wärmeleitfläche hat die Aufgabe, an der Schleifenberührungsstelle
ankommende Wärme schnell zu verteilen und an die Umgebung abzuführen.
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Es ist überdies vorteilhaft, die zur ersten und zur zweiten Thermoelementlötstelle
führenden Thermoelementdrähte und die Heizzuleitungsdrähte in der Nähe der Schleifenberührungsstelle
elektrisch isoliert durch die Wärmeleitfläche zu führen, um auf diese Weise die
von den Leitungen ausgehenden Wärmeeinflüsse durch die Lage der Leitungen konstant
zu halten.
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In dem neuen Durchflußmeßgerät fließt die Wärme, die durch die Heizwicklung
auf das Messrohr übertragen wird, durch Wärmeleitung im Metall des Rohres gleichmäßig
verteilt je zur Hälfte über die erste und die zweite Temperaturmeßstelle zur Berührungsstelle,
wo sie an der Wärmeleitfläche bzw. an die weiterführenden Rohre abgegeben wird.
Unabhängig von der Umgebungstemperatur stellt sich also bei konstanter Heizleistung
zwischen der beheizten Zone und der Schleifenberührungsstelle eine konstante Temperaturdifferenz
ein. Außerdem haben die erste und die zweite Temperaturmeßstelle, wenn kein Gas
durch das Rohr fließt, gleiche Temperatur.
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Infolgedessen ergibt eine Spannungsmessung zwischen den an diesen
beiden Punkten angelöteten Thermoelementdrähten den Wert Null. Wird die Vorrichtung
von einem Gas durchflossen, dann wird die erste Thermoelementlötstelle gekühlt und
die zweite erwärmt, da das Gas aus der beheizten Zone Wärme zur zweiten Thermoelementlötstelle
transportiert.
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Infolge dieser Temperaturverschiebung entsteht auch eine elektrische
Spannungsdifferenz zwischen den Thermoelementen dieser beiden Punkte. Diese Spannungsdifferenz
ist ein Maß für die durchfließende Gasmenge. Sie steigt mit steigender Menge des
durchfließenden Gases an. Wird jedoch die Menge des durchströmenden Gases so groß,
daß ein Großteil der in der beheizten Zone aufgenommenen Wärme nicht mehr an der
zweiten Thermoelementlötstelle abgegeben, sondern von dem Gas aus dem Meßrohr herausgetragen
wird, dann nimmt die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Lötstellen wieder ab.
In der Regel wird für die Messung der Bereich zunehmender Spannungsdifferenzen bis
zum Maxium der Differenz verwendet.
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Vor Inbetriebnahme des neuen Durchflußmeßgerätes wird die Temperatur
der beheizten Zone so eingestellt, daß eine Messung der Spannungsdifferenz zwischen
der ersten Thermoelementlötstelle und der Schleifenberührungsstelle ungefähr den
Wert ergibt, der sich zwischen der ersten und der zweiten Thermoelementlötstelle
ergeben würde, wenn die maximal in Frage kommende Gasmenge durch das Gerät strömen
würde. Danach wird ohne Gasdurchfluß die Stromverteilung in den beiden Heizwicklungshälften
so geregelt, daß eine Spannungsdifferenzmessung zwischen der ersten und der zweiten
Thermoelementstelle den Wert Null liefert. An-
schließend wird der Heizstrom noch
einmal nachgeregelt, indem die maximale Menge Gas durch das Meßgerät geschickt und
die Heizspannung in beiden Wicklungshälften gleichmäßig so reguliert wird, daß eine
Spannungsmessung zwischen der ersten und der zweiten Thermoelementlötstelle gerade
einen runden Wert, beispielsweise 1 oder 10 mV, ergibt. Zum Schluß wird der Gasdurchfluß
noch einmal abgestellt und die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Thermoelementlötstelle
und der Schleifenberührungsstelle exakt festgehalten. Eine Kontrollmöglichkeit der
einmal eingestellten Werte ergibt sich durch eine Messung der Spannungsdifferenz
zwischen dem Mittelwert der ersten und der zweiten Thermo elementlötstelle gegen
die Schleifenberührungsstelle, wobei vom Mittelabgriff eines zwischen die erste
und zweite Thermoelementlötstelle geschalteten großen Widerstandes (beispielsweise
1 kOhm) über ein Kompensatorinstrument die Spannung gegen die Schleifenberührungsstelle
stromlos gemessen wird.
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Diese Messung der Spannungsdifferenz zwischen dem Mittelwert der
ersten und der zweiten Thermoelementlötstelle gegen die Schleifenberührungsstelle
stellt außerdem eine geeignete Methode dar, den Meßbereich eines für kleine Gasmengen
(beispielsweise 0 bis 5 l/h) ausgelegten Meßgerätes bedeutend zu erweitern. Diese
Meßmethode gestattet es, den Durchfluß größerer Gasmengen, bei denen die Spannungsdifferenz
zwischen der ersten und der zweiten Lötstelle infolge Kühlung beider Lötstellen
wieder abnimmt, zu messen. Somit ist also der Meßbereicb des neuen Durchflußmeßgerätes
nicht nur auf den Bereich beschränkt, wo die Spannungsdifferenzen zwischen der ersten
und der zweiten Thermoelementlötstelle infolge Erwärmung der zweiten Lötstelle zunehmen,
wie es bei den bekannten Geräten dieser Art bisher der Fall war.
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Das neue Durchflußmeßgerät hat den Vorteil, daß mit ihm Messungen
an Gasen sehr verschiedener Temperaturen und Drücke möglich sind. Es wurde festgestellt,
daß eine Druckdifferenz von 1 bis 12 ata keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit der
neuen Vorrichtung hat. Dagegen wurde ein geringer Einfluß der Temperatur der zu
messenden Gase festgestellt.
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Dieser führte jedoch bei Gastemperaturen zwischen 180 und + 500 C
nur zu einer Abweichung der Meßwerte von maximal 30/o.
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Als Rohrmaterial kommen die verschiedensten Metalle nicht allzu hoher
Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aber Neusilber und V 2 A-Stahl, in Betracht. Die
Wahl der Thermodrahtmaterialien hängt naturgemäß vom Rohrmaterial ab, das ja mit
diesen ein zweckentsprechendes Thermopaar bilden muß.
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Konstantandrähte haben sich für die beiden obengenannten Rohrlegierungen
besonders bewährt.
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Die auf der Schleife angebrachte Heizwicklung muß gut gegen das Metallrohr
isoliert sein. Als brauchbar hat sich die Verwendung von Glasfaserschlauch erwiesen.
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Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Ein Metallrohr 1, dessen Durchmesser etwa 2 mm und dessen lichte
Weite etwa 1,6 mm beträgt, ist zu einer Schleife gebogen und bei 2 zusammengelötet.
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Die Breite der Schleife beträgt ungefähr 7 cm. Etwa die Hälfte der
Schleife ist mit einer Heizwicklung 3 versehen, die aus isoliertem Heizdraht besteht.
Als
zusätzliche elektrische Isolierung befindet sich zwischen dem
Metallrohr und der Heizwicklung und auf der Heizwicklung noch je eine aus Glasfaserschlauch
bestehende Isolierung 4. Außerhalb der durch die Heizwicklung beheizten Zone 5 befinden
sich auf dem Metallrohr zwei Thermoelementlötstellen 6 und 7, von denen Konstantandrähte
8 und 9 ausgehen. Ein weiterer Konstantandraht 10 geht von der Schleifenberührungsstelle
2 aus. Die beiden Thermoelementlötstellen 6 und 7 sind sowohl hinsichtlich der Schleifenberührungsstelle
2 als auch hinsichtlich der beheizten Zone 5 symmetrisch auf der Schleife angeordnet.
Die Heizwicklung hat einen Mittelabgriff 11, der es gestattet, die rechte und die
linke Heizwicklungshälfte mit verschiedenen Spannungen zu betreiben. Die neue Vorrichtung
ist außerdem mit einer Wärmeleitfläche 12 ausgestattet, die - wie aus der Zeichnung
ersichtlich - quer durch die Schleifenberührungsstelle 2 verläuft und durch die
beiden Enden des Metallrohres 1 herausgeführt werden. Diese Wärmeleitfläche besteht
aus einem gut leitenden Metall und kann z. B. aus dem Gehäuse, in dem die Vorrichtung
untergebracht ist, bestehen.
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Bei eingeschalteter Heizung erreicht die beheizte Zone 5 eine konstante
Übertemperatur gegenüber der Schleifenberührungsstelle 2. Die Wärme fließt dabei
durch Wärmeleitung im Rohr je zur Hälfte über die Thermoelementlötstellen 6 und
7 von der beheizten Zone 5 zur Berührungsstelle 2. Infolgedessen haben die beiden
Thermoelementlötstellen 6 und 7 die gleiche Temperatur, und eine Messung der Thermospannung
zwischen den beiden Konstantandrähten 8 und 9 liefert den Wert Null. Tritt bei 13
eine Gasmenge von beispielsweise 5 l/h in die Metallrohrschleife ein, dann wird
die Lötstelle 6 durch den Gasstrom gekühlt. Beim Passieren der beheizten Zone nimmt
das Gas Wärme auf und transportiert diese Wärme zur Lötstelle 7, die sich infolgedessen
erwärmt. Bei 14 tritt das Gas wieder aus dem Meßrohr aus. Zwischen den Punkten 6
und 7 beziehungsweise den Konstantandrähten 8 und 9 tritt demzufolge eine Thermospannung
auf, die sich messen
läßt. Je mehr Gas durch die Rohrschleife strömt, desto kälter
wird die Lötstelle 6 und desto wärmer wird die Lötstelle 7. Die gleichermaßen größer
werdende Spannungsdifferenz zwischen 6 und 7 wird als Maß für die durchgeströmte
Gasmenge angenommen.