DE19655043B4

DE19655043B4 - Messfühler

Info

Publication number: DE19655043B4
Application number: DE19655043A
Authority: DE
Inventors: Eckart Hiss
Original assignee: Hiss, Eckart, Dr.
Current assignee: EGE-ELEKTRONIK GMBH, 24214 GETTORF, DE
Priority date: 1995-10-07
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2016-10-03

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Meßfühler zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen, wobei ein Meßfühler aus einem Gehäuseteil und einem Sensorteil besteht. Sensorteil und Gehäuseteil sind als einteiliger Hohlkörper ausgebildet, mit einer zylindrischen, kugelförmigen oder planen Meßfläche, wobei die innerhalb des Sensorteils eingebrachten elektrischen Meßelemente, elektrisch isoliert aber wärmeleitend mit der Innenfläche des Sensorteils verbunden sind. Ein oder mehrere elektrisch beheizte Meßelemente sind an eine Auswerteschaltung angeschlossen, die so beschaltet ist, daß simultan während des Strömungserfassungsvorganges auch die Wärmeleitfähigkeit des Meßmediums kontinuierlich erfaßt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messfühler, insbesondere zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit flüssiger, pasteuser oder gasförmiger Medien mit einem vorzugsweise metallischen, in eine Wandung einschraubbaren Gehäuseteil und mit einem die elektronischen Messelemente aufnehmenden Sensorteil. Mindestens eines der Messelemente ist durch einen elektrischen Strom beheizt. Es ist elektrisch isoliert aber wärmeleitend mit der stirnseitigen Innenwandung des Sensorteils verbunden.

Der eingangs geschriebene Messfühler wird in Verbindung mit den in seinem Inneren untergebrachten elektronischen Komponenten dazu benutzt, die Strömungsgeschwindigkeit flüssiger, pasteuser oder gasförmiger Medien zu erfassen. Zu diesem Zweck wird der Messfühler in der Weise mit dem Medium in Kontakt gebracht, dass sein Gehäuseteil in eine Wandung eingeschraubt wird, die das Messmedium vom Außenraum trennt und der Sensorteil in dieses Medium, das Messmedium, eintaucht. Diese Technik ist z. B. in der DE 4233284 A1 aufgezeigt.

Es gibt unterschiedliche bekannte Techniken, bei denen die elektrischen Messelemente im Innenraum eines Messfühlers stirnseitig eingebracht sind. In der DE 3713981 A1 oder der DE 3943437 C2 sind die elektrischen Messelemente elektrisch isoliert aber wärmeleitend mit dem stirnseitigen Teil dieses geschlossenen Zylinders verbunden. In der DE 3933689 A1 ist ein Messfühler beschrieben, dessen Sensorteil, der in das Messmedium eintaucht, flach ausgebildet ist. Der Durchmesser des Sensorteils entspricht etwa demjenigen des Gehäuseteils.

In der DE 4233284 A1 ist ein Messfühler beschrieben, dessen Sensorteil kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei das die Strömung erfassende Sensorelement im flachen Teil des Kegelstumpfes innerhalb des Messgehäuses angeordnet ist. In der DE 3729073 A1 sind die, die Strömung erfassenden Messelemente, in einem Sensorteil angeordnet, der kugelförmig ausgebildet ist. Aus der DE 4017877 A1 ist ein Messfühler sowohl mit einer planar als auch mit einer zylindrisch ausgebildeten Messfläche bekannt.

In der DE 3527868 A1 ist die zusätzliche Nutzung eines thermischen Strömungsgeschwindigkeitsmessers zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit des Messmediums beschrieben.

Alle aufgezeigten und auch bekannten Lösungen der eingangs aufgezeigten Messfühler sehen keine Maßnahmen vor, die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit der erfassten Medien während des Strömungsgeschwindigkeits-Messvorgangs zu erfassen und zu kompensieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Messfühler anzugeben, der während des Messvorgangs der Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit zugleich auch die Wärmeleitfähigkeit des Messmediums bestimmt und wobei die Verfälschung der Strömungsgeschwindigkeit durch die sich ändernde Wärmeleitfähigkeit des Messmediums kompensiert wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Durch die kugelförmige Ausbildung des Sensorteils wird ein kontinuierliches Strömungsprofil insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten gewährleistet.

Für die Erfassung eines größeren Bereiches der Strömungsgeschwindigkeit und die Erzeugung einer streng monotonen Kennlinie der elektrischen Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit ist überraschenderweise eine Geometrie des Sensorteils vorteilhaft, die einer negativen Kugeloberfläche entspricht, d. h. dass sich an die Messfläche des Sensorteils eine, bezogen auf den Innenraum des Sensors, nach innen gewölbte, kelchförmige Oberfläche des Sensorteils anschließt.

Hierbei ist die Messfläche des Sensorteils derjenige Teil seiner Oberfläche, die sich genau in dem Bereich des Sensorteils befindet, wo sich die elektrischen Messelemente in seinem inneren Bereich gegenüberliegend befinden, gerade in dem Bereich, in dem die Messelemente elektrisch isoliert, aber wärmeleitend mit der Gehäusewandung verbunden sind. Die mechanischen Spannungen, die auf die stirnseitig auf der Innenwandung des Messfühlers aufgebrachten Messelemente einwirken können, werden dadurch minimiert, dass die Wandungsstärke des Gehäuseteils im Randbereich des Innenteils kleiner ist als in seinem Mittenbereich. Durch diese Maßnahme befindet sich oberhalb der Messelemente ein Messflächenabschnitt, der nur in seinen Außenbereichen auf der Wandung des Gehäuses abgestützt ist. Diese Ausbildung ist äußerst vorteilhaft und verhindert, dass mechanische Spannungsspitzen im Zentrum des Messelementes einwirken können. Diese Konstruktion erlaubt eine mechanisch feste Lötverbindung zwischen Innenwandung des Sensorteils und dem Messelement, das vorzugsweise auf einer als Träger dienenden Keramikscheibe aufgebracht ist. Es ist jedoch auf denkbar, eine angepresste Kunststofffolie z. B. Polyimid, oder eine durch Passivierung elektrisch isolierende Stahlscheibe als Träger zu verwenden.

Bei geeigneter Auslegung der Auswertelektronik ist nur ein Messelement erforderlich, das als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist, der periodisch durch einen elektrischen Strom beheizt ist, und der abwechselnd die durch die Heizung erzeugte Eigentemperatur und die Temperatur des Messmediums erfasst.

Der Einfluss der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten von Medien auf das Messergebnis des Messfühlers wird nach der Erfindung dadurch kompensiert, dass während der Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums durch ein oder mehrere dem Sensorteil eingebrachte Messelemente gleichzeitig oder in periodischen Intervallen die Wärmeleitfähigkeit des Messmediums erfasst wird.

Dies geschieht in der Weise, dass eine elektrische Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, an die ein oder mehrere Messelemente des Messfühlers angeschlossen sind, und die zum Zwecke der Wärmeleitfähigkeitserfassung des Messmediums die Messelemente periodisch mit einem Strom beaufschlagen der von demjenigen abweichen kann der für die Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird. Eine besondere Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass ein kontinuierlich ansteigender Strom verwendet wird, wobei die dann auch kontinuierlich ansteigende Wärmeabgabe an das Messmedium einem kontinuierlichen Verlauf der von dem Messelement erfasten Temperatur führt, die sich aus der Mediumstemperatur und der durch die zusätzliche Heizung des Messelementes erhöhten Temperatur ergibt. Während kontinuierlich ansteigende Ströme vorzugsweise für Messanordnungen mit zwei Messelementen geeignet sind, ist ein periodisch ansteigender Strom vorteilhaft, wenn nur ein Messelement verwendet wird. Bei solchen Anordnungen wir jeweils ein Temperaturwert des Messelementes erfasst, wenn der Heizstrom abgeschaltet ist.

Die Auswertungselektronik setzt dann die einzelnen Messpunkte oder Messfunktionen mit abgespeicherten Normwerten und ermittelt auf diese Weise Kennwerte für die Wärmeleitfähigkeit des Mediums, mit dessen Hilfe der jeweils gemessene Wert für die Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich korrigiert wird. Die Ausgestaltung der Erfindung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt das Gehäuseteil (2) mit einem Einschraubgewinde, einem Schlüsselansatz und dem Sensorteil (1). Der stirnseitige Teil des Sensorteils (1) ist kugelförmig (3) ausgebildet. Der Innenraum des Gehäuseteils (8) ist stirnseitig flach ausgebildet (4). Der rotationssymmetrisch ausgebildete Messfühler hat im Randbereich des Innenteils (4) eine kleinere Wandungsstärke (5) als in seinem Mittenbereich. In 2 ist nur der Sensorteil dargestellt, in dessen Innenbereich die elektrischen Messelemente (6, 7) und deren Anschlüsse (13) eingebracht sind.
In 3 werden die elektrischen Messwiderstände (6, 7) durch einen Träger (10) der nur in den Randbereichen der Trägerplatte (14) aufliegt, federnd gestützt. In allen Beispielen ist der Sensorteil (1) an seiner dem Messmedium zugewandten Stirnseite als Kugelteil (3) ausgebildet. Sensorteil (1) und Kugelteil (3) sind aus einem homogenen Werkstoff gefertigt, wobei der Kugelteil nur zum Gehäuseteil weisend geöffnet ist. Die elektrischen Messelemente (6, 7) sind elektrisch isoliert, aber wärmeleitend mit der Innenwandung (4) des Kugelteils (3) verbunden, vorzugsweise durch eine metallische Schicht, insbesondere eine Lötverbindung.
Im Innenbereich des Sensorteils (8) ist ein Zylinderteil (11) eingebracht, das in axialer Richtung federt und in Vertiefungen einrastet, die im Innenbereich des Gehäuseteils (2) eingebracht sind.
Während in 1 – 3 der stirnseitige Innenteil (4) des Kugelteils (3) flach ausgebildet ist, ist in 4 dieser Innenteil (4) des Kugelteils (3) muldenförmig ausgebildet, in der Weise, dass die Mulde zentral am tiefsten ist. Die Mulde ist mit einer wärmeleitfähigen Metalllegierung (12) ausgefüllt, in diesem speziellen Fall mit einer Lötverbindung. 5 zeigt eine Messelementeanordnung die auf einen Träger (14) aufgebracht ist. Die temperaturabhängigen Messelemente (6, 7) weisen Anschlüsse (13) auf und sind in Dünnfilmtechnik ausgeführt. Je nach Ausbildung der Auswertelektronik ist das Messelement (6) zusätzlich beheizt, es ist jedoch ebenso gut möglich, das Messelement (7) zusätzlich zu heizen oder eines von beiden Messelementen (6, 7) unbeheizt zu lassen.
In dieser Darstellung sind die temperaturabhängigen Widerstände (6, 7) meanderförmig ausgebildet. Je nach Anwendungsmöglichkeit ist es auch möglich, diese Widerstände kreis- oder spiralförmig auszuführen und anstelle des Keramikträgers einen Polyimidträger zu verwenden. Die elektronische Auswertung ist so ausgebildet, dass mindestens ein Messelement periodisch geheizt ist, wobei in den Heizpausen die Temperatur des Mediums erfasst wird. Zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit bei strömenden Medien ist es vorteilhaft beide Messelemente (6, 7) periodisch durch einen Heizstrom zu heizen, wobei die Stromstärke, wie die Periodendauer für jedes Messelement unterschiedlich sein können.
6 zeigt eine geometrische Ausbildung des Sensorteils mit flach ausgebildeter Messfläche (15) die eine kelchförmige, zum Innenraum des Sensorteils weisende Einwölbung der Oberfläche (17) aufweist, die gleichzeitig zu einer ringfömigen Reduzierung der Wandstärke (17) des Sensorteils führt.
7 zeigt eine geometrische Ausbildung des Sensorteils mit zylindrisch ausgebildeter Messfläche (20) bei der die Messelemente im Innenraum des Sensorteils gegenüberliegend auf der Mantelinnenfläche dieses Zylinders aufgebracht sind.
8 zeigt die schematische Auswertungsschaltung, die gleichzeitig zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Messmedium verwendet wird. Alle Funktionen dieser Anordnung werden durch einen Mikroprozessor (22) mit zugehörigem Speicher (28) gesteuert.
Das Messelement (20) ist an einen Schalter (23) angeschlossen, der während der Temperaturmessphase das Signal auf einen AD-Wandler (22) schaltet. Das von diesem AD-Wandler erzeugte Ausgangssignal wird einer elektronischen Auswertung (27) zugeführt, die die Korrektur des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit durchführt und dem Ausgang (29) zuführt.
Das Messsignal wird periodisch durch den Schalter (23) einem weiteren Schalter (24) zugeführt, der das Messelement mit einer Strom- oder Spannungsquelle (25) verbindet. Diese Quelle liefert unterschiedliche Strom- oder Spannungswerte, und kann auch entsprechend durch den Mikroprozessor (22) generierte sägezahnförmige Verläufe erzeugen.
Eine Temperaturbestimmung durch das Messelement (20) ist auch in der Weise ausführbar, dass das Messelement (20) durch einen Transistor gebildet ist, dessen Basisstrom, gesteuert durch den Mikroprozessor (22), während der Messphase zwischen zwei Stromwerten, die sich mindestens um einen Faktor 2 voneinander unterscheiden, periodisch durch den Schalter (33) umgeschaltet wird und die Differenz der jedem Stromwert zugehörigen Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors (20) als Maß für die Temperatur verwendet wird. Die an den Schalter (33) angeschlossene, steuerbare Doppelstromquelle (25) kann in einer vereinfachten Ausführung auch aus zwei unterschiedlichen Widerständen bestehen, die z. B. bei PNP-Transistoren an eine positive Spannung von 8 V angeschlossen sind. In dieser Betriebsart ist der Schalter (23) ständig auf den Wandler (26) geschaltet, während die steuerbare Stromquelle (25) an den Schalter (33) angeschlossen ist. 9 zeigt eine Anordnung, die zwei Messelemente verwendet.
Das Messelement (30) bestimmt die Temperatur des Messmediums, das Messelement (21) ist ein mit einem Eigenstrom direkt beheiztes oder mit einem zusätzlichen Widerstand (31) thermisch verbunden, aber elektrisch isoliert, indirekt beheiztes Messelement, das an den Schalter (23) angeschlossen ist. Es Bestimmt eine Mischtemperatur, die aus der Mediumstemperatur und seiner Eigenerwärmungstemperatur besteht.
Der Schalter (23) ist bei indirekter Heizung nur auf den Widerstand (31) geschaltet, während die Ausgangssignale beider Messelemente (30, 21) auf den AD-Wandler (26) geführt sind. Bei den in 8 und 9 dargestellten Auswertungsschaltungen wird für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Messmediums ein höherer Strom aufgeschaltet, als er für die Strömungsmessung erforderlich ist.
Besonders vorteilhaft erweist sich ein sägezahnförmiger Strom-Spannungsverlauf für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Messmediums. Wird nur ein Messelement verwendet, wird der sägezahnförmige Signalanstieg periodisch unterbrochen und auf „Null" geschaltet und während dieser stromlosen Phasen die Temperatur des Messmediums erfasst. Werden, wie in 9 gezeigt, zwei Messelemente verwendet, kann bei der Wärmeleitfähigkeitserfassung mit einem kontinuierlichen Sägezahl-Signal gearbeitet werden. In diesem Fall hat der Schalter (24) die Funktion, die Strom- oder Spannungsquelle (25) von der Betriebsart „Strömungserfassung" auf die Betriebsart „Wärmeleitfähigkeitserfassung" umzuschalten.

Claims

Messfühler zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen mit einen Gehäuseteil (2) und einem Sensorteil (1), wobei Sensorteil (1) und Gehäuseteil (2) als einteiliger Hohlkörper gefertigt ist, der nur zum Gehäuseteil (2) weisend geöffnet ist, mit einer planen (15), einer kugelförmigen (9) oder einer zylindrischen (20) Messfläche des Sensorteils, mit einem oder mehreren innerhalb des Sensorteils (1) eingebrachten elektrischen Messelementen (6, 7) die elektrisch isoliert aber wärmeleitend mit der Innenfläche des Sensorteils (1) verbunden sind, wobei mindestens ein Messelement (6) elektrisch beheizt ist und eines oder mehrere dieser elektrisch beheizten Messelemente an eine elektrische Auswerteschaltung angeschlossen sind, welche simultan während des Erfassungsvorganges der Strömungsgeschwindigkeit auch die Wärmeleitfähigkeit des Messmediums kontinuierlich erfasst, wobei bei Verwendung von zwei Messelementen eine Strom- oder Spannungsquelle (25) durch einen Schalter (24) von der Betriebsart Strömungserfassung auf die Betriebsart Wärmeleitfähigkeitserfassung umgeschaltet ist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Messelemente (6, 7) temperaturabhängige Widerstände sind.
Messfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Messelemente (6, 7) auf einem Träger (14) aufgebracht sind, der aus einer Keramikscheibe oder eine Kunststofffolie besteht.
Messfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Messelemente (6,7) durch eine wärmeleitende, vorzugsweise metallische Schicht mit der Innenfläche des Sensorteils (1) stirnseitig verbunden sind.
Messfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Messelemente (6, 7) durch einen ringförmigen Träger (10), der nur an den Randbereichen einer Trägerplatte (14) aufliegt, federnd gestützt sind.
Messfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der stirnseitige Innenteil (4) der Messfläche (9,15) flach ausgebildet ist.
Messfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in periodischen Intervallen erfolgt.
Messfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Messelemente für die Wärmeleitfähigkeitsmessung periodisch mit einem Strom beaufschlagt sind, der von demjenigen Strom abweicht, der für die Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet ist.
Messfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom höher ist als derjenige, der für die Strömungsmessung erforderlich ist.
Messfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein sägezahnförmiger Strom für die Wärmeleitfähigkeitsmessung verwendet ist.
Messfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der durch ein Messelement fließende Strom periodisch unterbrochen ist und während der stromlosen Phase die Temperatur des Messelementes durch die elektrische Auswerteschaltung bestimmt wird.
Messfühler nach einem oder mehreren der Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei beheizte Messelemente vorhanden sind, die von unterschiedlichen Strömen durchflossen sind.