DE19514250C2 - Thermischer Meßwerterfasser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Meßwerter­ fasser für Geschwindigkeit oder Volumenstrom eines flüssigen oder gasförmigen Mediums.

Meßwerterfasser, bei denen das Wärmeaufnahme- oder Wärmeabga­ bevermögen eines zu messenden Mediums genutzt wird, um über die Messung und Auswertung von Temperaturen ein Maß für des­ sen Strömungsgeschwindigkeit oder auch dessen Volumenstrom zu erhalten, sind bereits seit langer Zeit bekannt. Obgleich die thermischen Strömungsmesser gegenüber ihren mechanischen Pendants insofern vorteilhaft sind, als sie keine aufwendig herzustellenden sowie stör- und korrosionsanfälligen bewegten Teile aufweisen, stellt sich immer wieder das Problem einer unzureichenden Meßgenauigkeit bzw. eines eingeschränkten Einsatzbereiches.

Beispielsweise wird in der US 36 23 364 ein Strömungsmesser für Flüssigkeiten beschrieben, bei dem eine Säule vorgesehen ist, die an ihrem oberen Ende eine steuerbare Wärmequelle aufweist und an ihrem Fußpunkt Wärme an das zu messende Me­ dium abgibt, wobei die jeweils herrschenden Temperaturen am Fußpunkt der Säule und an einer anderen Kontaktstelle mit dem Medium über Thermistoren gemessen und mit Hilfe einer Brüc­ kenschaltung ausgewertet werden. Die Heizeinrichtung wird über einen weiteren längs der Säule angeordneten Temperatur­ sensor derart gesteuert, daß im Bereich des Sensors eine etwa gleichbleibende Temperatur aufrechterhalten wird. Der be­ schriebene Strömungsmesser weist den Nachteil auf, daß der Einfluß der Heizungseinrichtung auf die im Fußpunkt der Säule gemessene Temperatur nicht gleichbleibend ist, sondern in Ab­ hängigkeit von den durch Strömungs- und/oder Temperaturände­ rungen des Mediums verursachten Wärmetauschprozessen sehr stark schwankt. Es besteht die Gefahr, daß das jeweilige Meß­ ergebnis vor allem in der Weise verfälscht wird, daß sowohl bei starkem Temperaturabfall des Mediums als auch bei einer Verstärkung der Strömung eine höhere Strömung angezeigt wird, als dies tatsächlich der Fall ist.

In der US 38 00 592 wird daher vorgeschlagen, die Heizungs­ einrichtung für einen zum Einbau in Wasserfahrzeuge bestimm­ ten Strömungsmesser proportional zum Meßsignal zu steuern. Das gleichermaßen der Anzeige der Strömung sowie der Steue­ rung einer Heizungseinrichtung zugrundeliegende Signal wird über eine spezifische Brückenschaltung gewonnen. Die Brücken­ schaltung weist hierzu zwei im Kontakt zum Medium angeordnete Temperaturfühler auf, von denen wiederum einer dem von der Heizeinrichtung ausgesendeten Wärmestrom ausgesetzt ist. Über eine Rückkopplungsschaltung soll ein verfälschender Einfluß durch wechselnde Wassertemperaturen auf das Meßergebnis und die Heizungs-Steuergröße eliminiert werden, so daß durch wechselnde Strömungsverhältnisse und Temperaturschwankungen bedingte Überlagerungseffekte beim Wärmeaustausch korrigiert werden. Die Ansteuerung der Heizungseinrichtung als auch de­ ren Anordnung zum betreffenden Temperaturfühler müssen aller­ dings sehr genau aufeinander abgestimmt sein, damit der Ein­ fluß der elektrischen Wärmequelle auf die im Bereich des Tem­ peraturfühlers herrschende Temperatur bei steigender Strömung nicht überproportional ansteigt und damit wiederum zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führt. Der beschriebene Strö­ mungsmesser eignet sich daher ausschließlich für ein bestimm­ tes Medium (im vorliegenden Falle für Wasser), da Medien un­ terschiedlichen Wärmeleitvermögens eine jeweils unterschied­ liche Ansteuerung der Heizungseinrichtung bzw. einen anderen Geräteaufbau erfordern würden.

Wie problematisch die bekannten thermischen Meßwerterfasser in Bezug auf die durch wechselnde Temperaturen des Mediums induzierten Meßfehler sind, zeigt die DE 28 16 650 A1, in der ein Meßgerät zur Strömungsmessung von Gasen beschrieben ist, bei dem man das Problem dadurch zu lösen versucht, indem der zu messende Gasstrom vor dem eigentlichen Messungsvorgang mit Hilfe eines temperaturempfindlichen elektrischen Widerstands auf eine bestimmte Temperatur erhitzt bzw. abgekühlt wird. Mit der Erhitzung respektive Abkühlung einhergehende volume­ trische Änderungen und die damit verbundenen Meßfehler nimmt man hierbei bewußt in Kauf. Daneben ist der vorgeschlagene Weg wiederum mit Einschränkungen hinsichtlich des möglichen Verwendungsspektrums für ein solches Gerät verbunden. Bei­ spielsweise sind stark strömende Medien oder Medien mit schwach ausgeprägter Wärmeleitfähigkeit kaum auf eine be­ stimmte Temperatur zu bringen, ohne dabei auch deren Strö­ mungsgeschwindigkeit zu beeinflussen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen verbes­ serten Meßwerterfasser zu schaffen, der eine hohe Meßgenauig­ keit bei gleichzeitig vielseitiger Einsetzbarkeit gewährlei­ stet und der außerdem mit einem Minimum an technischem Auf­ wand zu realisieren ist.

Dazu schlägt die Erfindung einen thermischen Meßwerterfasser vor mit

• - einer Säule, deren Fußpunkt in gutem Wärmeleitkontakt mit dem Medium steht und die ansonsten thermisch isoliert ist,
• - einer steuerbaren Heiz- oder Kühleinrichtung an dem dem Fußpunkt entgegengesetzten Ende der Säule,
• - einem ersten Temperaturfühler im Bereich des Fußpunktes der Säule,
• - einem zweiten Temperaturfühler an der Säule zwischen der Heiz- oder Kühleinrichtung und dem ersten Temperaturfühler,
• - einem dritten Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur des Mediums und
• - einer Steuerschaltung, die die Heiz- oder Kühleinrichtung aufgrund beider Signale des ersten und des zweiten Tempera­ turfühlers so steuert, daß über dem Säulenabschnitt zwi­ schen dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler ein gleichbleibender Wärme- oder Kältestrom fließt.

Durch die Anordnung der drei Temperaturfühler und die thermi­ sche Isolierung der Säule sowie dadurch, daß die Heiz- oder Kühleinrichtung aufgrund der Signale des ersten und des zwei­ ten Temperaturfühlers so gesteuert wird, daß über dem Säulen­ abschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturfüh­ ler ein gleichbleibender Wärme- oder Kältestrom fließt, wird es ermöglicht, daß im Unterschied zu den bekannten thermi­ schen Strömungsmessern ein stets gleichbleibender und inso­ fern bekannter Wärmestrom zwischen der Heiz- oder Kühlein­ richtung und der von dieser und dem Medium beeinflußten Meß­ stelle erzeugt wird. Der relative Einfluß des gleichbleiben­ den Wärmestroms auf die am Fußpunkt der Säule ermittelte Temperatur ändert sich auch dann nicht, wenn sich die Tempe­ ratur und/oder die Strömung des Mediums ändern, so daß die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Gerätes gegenüber den bekannten thermischen Meßwerterfassern ganz wesentlich ver­ bessert ist. Weitere Vorteile bestehen darin, daß ein und derselbe Meßwerterfasser für die Messung unterschiedlicher Medien mit unterschiedlichem Wärmeleitvermögen eingesetzt werden kann, wobei gegebenenfalls lediglich die Skalierung des Auswertungssignals mit Hilfe bekannter Mittel zu modifi­ zieren ist. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Bauweise des Meßwerterfassers einfach und ko­ stengünstig ist, da komplizierte Schaltungen unnötig sind und unter Umständen an allen drei Meßstellen baugleiche Tempera­ turfühler eingesetzt werden können.

Eine vorteilhafte Ausführungsvariante betrifft einen Meßwert­ erfasser, bei dem die Säule im Innenraum eines Hohlkörpers angeordnet ist und auf diese Weise sowohl thermisch isoliert als auch vor schädlichen Einwirkungen geschützt ist. Ein der­ artiger Hohlkörper kann beispielsweise mit seinem unteren Ab­ schnitt in das zu messende Medium hineinragen und in dem mit dem Medium im Kontakt stehenden Abschnitt den dritten Tempe­ raturfühler aufweisen. Wenn der Hohlkörper aus einem einheit­ lichen Material besteht, so ergibt sich ein kompaktes und vielseitig einsetzbares Aggregat. Die im Inneren des Hohlrau­ mes angeordneten Bauteile sind vor schädlichen Einwirkungen des Mediums geschützt, ohne daß aufwendige Abdichtungsmaß­ nahmen vorzusehen sind. Die Gefahr einer das Meßergebnis ver­ fälschenden Temperaturbeeinflussung des dritten Temperatur­ fühlers durch die Heiz- oder Kühleinrichtung ist bei sinnvol­ ler Anordnung der betreffenden Temperaturfühler gering, wenn die Steuerung der Heiz- oder Kühleinrichtung so eingestellt ist, daß der Wärmestrom zum Fußpunkt der Säule gering ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ragt der erfindungs­ gemäße Meßwerterfasser durch eine Öffnung in der Wandung ei­ nes Strömungskanals.

Zur Auswertung der Signale der drei Temperaturfühler sind vorteilhafterweise elektronische Schaltungen vorgesehen, die diese so miteinander verknüpfen, daß sich daraus ein zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums proportional verhalten­ des Meßsignal ergibt. Hierzu kann beispielsweise ein schal­ tungstechnisch sehr einfach zu realisierender Algorithmus zu­ grundegelegt werden, mit dem ein auswert- und über ein ge­ eignetes Instrument anzeigbares Meßsignal erzeugt wird, wel­ ches der Differenz "Signal des dritten Temperaturfühlers mi­ nus Signal des zweiten Temperaturfühlers" plus der Differenz "Signal des dritten Temperaturfühlers minus Signal des ersten Temperaturfühlers" entspricht. Eine hierfür geeignete Schal­ tung kann mittels einfacher elektronischer Bauteile, wie beispielsweise Summierern und Subtraktoren hergestellt wer­ den, ohne daß komplizierte Brückenschaltungen wie bei den bekannten Strömungsmessern erforderlich sind.

Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen nachfolgend aus der Beschreibung eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels hervor.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Seitenansicht eines in einen im Schnitt wie­ dergegebenen Strömungskanal ragenden Meßwerterfas­ sers mit Kühleinrichtung;

Fig. 2: einen Querschnitt eines Meßwerterfassers mit einer Kühl- oder Heizeinrichtung entlang einer Linie A - A' in Fig. 1;

Fig. 3: ein Blockschaltbild einer bevorzugten Schaltungsan­ ordnung zur Erfassung der von den Temperaturfühlern gelieferten Signale.

Die Fig. 1 zeigt einen geschnitten wiedergegebenen Strö­ mungskanal 9. Das durch den Kanal hindurchströmende und zu messende Medium ist durch die beiden Pfeile symbolisiert. Bei dem Medium kann es sich sowohl um eine flüssige als auch um eine gasförmige Substanz handeln. Durch eine in der Wandung des Kanals 9 angeordnete Bohrung verläuft ein sich abgestuft in Richtung Kanalinneres verjüngender Hohlkörper 1. Bei der Bohrung kann es sich beispielsweise um eine Gewindebohrung handeln, in die der Hohlkörper mit einem entsprechenden Au­ ßengewinde eingeschraubt ist. Der sich außerhalb des Kanals befindende Hohlkörperabschnitt weist eine Öffnung auf, durch die ein Kabelstrang geführt ist, welcher symbolisch gezeigte Verbindungskabel enthält, die beispielsweise zu einer Strom­ quelle, einer Schaltungsanordnung und/oder einer Anzeigevor­ richtung führen können. Das in der Fig. 1 abgebildete Ausfüh­ rungsbeispiel betrifft einen Meßwerterfasser, der mit einer nicht sichtbaren Kühleinrichtung (beispielsweise einem Pel­ tierelement) versehen ist, so daß für die Ableitung der ent­ stehenden Abwärme ein außerhalb des Kanals angeordneter Kühlkörper 10 vorgesehen ist.

Der in Fig. 2 wiedergegebene Querschnitt des Meßwerterfassers zeigt die Anordnung der Säule 5 im Inneren des Hohlkörpers 1. Die Säule 5 stützt sich mit ihrem Fußpunkt 6 auf einem den Hohlkörper 1 nach unten abschließenden Wandabschnitt ab, so daß der Fußpunkt 6 und ein in diesem Bereich der Säule 5 angeordneter erster Temperaturfühler 2 in gutem Wär­ meleitkontakt zum Medium stehen. Am anderen Ende der Säule ist eine Heiz- oder Kühleinrichtung 7 angeordnet, die über einen nicht gezeigten Regelverstärker so gesteuert ist, daß längs eines zwischen dem ersten Temperaturfühler 2 und einem weiter oben zwischen dem ersten Temperaturfühler 2 und der Heizungs- oder Kühlungseinrichtung 7 angeordneten zweiten Temperaturfühler 4 ein gleichbleibender Wärme- oder Käl­ testrom in Richtung zum Fußpunkt 6 der Säule 5 entsteht. Durch den die Säule 5 seitlich umgebenden Hohlraum ist die Säule thermisch isoliert. Gegebenenfalls kann der Hohlraum mit einer geeigneten, zusätzlich isolierenden Vergußmasse angefüllt sein. In einem seitlichen und sich ebenfalls in­ nerhalb des Kanals 9 befindenden Wandabschnitt des Hohlkör­ pers 1 ist schließlich ein dritter Temperaturfühler 3 ange­ ordnet, der unbeeinflußt von der Heiz- oder Kühleinrichtung 7 die jeweilige Temperatur des Mediums erfaßt. Von den Temperaturfühlern 2, 3, 4 und der Heiz- oder Kühleinrich­ tung 7 verlaufen im Kabelstrang 8 weiter oben vereinigte Ver­ bindungsleitungen nach außen.

Aus dem in Fig. 3 wiedergegebenen Blockschaltbild geht schließlich eine beispielhafte Schaltungsanordnung zur Erfas­ sung der von den Temperaturfühlern 4, 2, 3 gelieferten Sig­ nale hervor. Die gezeigte Kombination von Summierern und Sub­ traktoren veranschaulicht die einfache Bauweise der Meß- und Steuerelektronik. Die Signale der Temperaturfühler 4 und 2 liefern ein Steuersignal für die Heiz- oder Kühleinrichtung, anhand dessen ein gleichbleibender Wärme- bzw. Kältestrom zwischen den Temperaturfühlern 4 und 2 erzeugt werden kann. Die parallel hierzu erfolgende Verarbeitung der Signale aller drei Temperaturfühler 4, 2, 3 entspricht rechnerisch der in Patentanspruch 7 angegebenen Regel.

Bezugszeichenliste

1

Hohlkörper

2

Temperaturfühler

3

Temperaturfühler

4

Temperaturfühler

5

Säule

6

Fußpunkt

7

Heiz- oder Kühleinrichtung

8

Anschlußkabel

9

Strömungskanal

10

Kühlkörper

Claims (7)

1. Thermischer Meßwerterfasser für Geschwindigkeit oder Vo­ lumenstrom eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mit

• 1. - einer Säule (5), deren Fußpunkt (6) in gutem Wärmeleitkontakt mit dem Medium steht und die ansonsten thermisch isoliert ist,
• 2. - einer steuerbaren Heiz- oder Kühleinrichtung (7) an dem dem Fußpunkt (6) entgegengesetzten Ende der Säule (5),
• 3. - einem ersten Temperaturfühler (2) im Bereich des Fuß­ punktes der Säule (5),
• 4. - einem zweiten Temperaturfühler (4) an der Säule (5) zwischen der Heiz- oder Kühleinrichtung (7) und dem ersten Temperaturfühler (2),
• 5. - einem dritten Temperaturfühler (3) zur Erfassung der Temperatur des Mediums und
• 6. - einer Steuerschaltung, die die Heiz- oder Kühleinrich­ tung (7) aufgrund beider Signale des ersten und des zweiten Temperaturfühlers (2, 3) so steuert, daß über dem Säulenabschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler (2, 4) ein gleichbleibender Wärme- oder Kältestrom fließt.

2. Thermischer Meßwerterfasser nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Säule (7) im Innenraum eines Hohl­ körpers (1) angeordnet ist.

3. Thermischer Meßwerterfasser nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenwand des Hohlkörpers (1) we­ nigstens abschnittsweise mit dem zu messenden Medium in Kontakt steht und sich der dritte Temperaturfühler (3) in besagtem Abschnitt der Hohlkörperwandung befindet.

4. Thermischer Meßwerterfasser nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) aus einem einheitlichen Material besteht.

5. Thermischer Meßwerterfasser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwerterfasser durch eine Öffnung in der Wandung eines Strömungska­ nals (9) ragt.

6. Thermischer Meßwerterfasser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Tem­ peraturfühler (2, 3, 4) über Schaltungen so miteinander verknüpft werden, daß sich ein zur Strömungsgeschwindig­ keit des Mediums proportional verhaltendes Meßsignal er­ gibt.

7. Thermischer Meßwerterfasser nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltungen die Differenz "Signal des dritten Temperaturfühlers (3) minus Signal des zwei­ ten Temperaturfühlers (4)" zur Differenz "Signal des dritten Temperaturfühlers (3) minus Signal des ersten Temperaturfühlers (2)" addieren.