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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines
Fluids in einem Fluidkanal mit einem in dem Fluidkanal angeordneten
Thermoelernent, welches mit einer Wechselspannungsquelle auf einer gegenüber der
Fluidtemperatur erhöhten
Arbeitstemperatur gehalten wird.
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Eine Vorrichtung mit einem Thermoelement der
genannten Art, ist aus der
EP
187 723 A2 bekanntgeworden. Ein aus zwei Teilstücken unterschiedlicher
Materialien bestehendes Thermoelement ist an eine Wechselspannungsquelle
angeschlossen, um auf eine vorbestimmte Arbeitstemperatur aufgeheizt
zu werden. Die zu messende Größe wird
durch Auswertung der Thermoelementspannung bestimmt. Zur Beseitigung
des der Thermoelementspannung überlagerten
Wechselspannungsanteils, ist an die Klemmen des Thermoefementes ein
aus Tiefpaßfiltern
bestehendes Auswerteelement angeschlossen. Aus der Thermoelementspannung sollen
bestimmte physikalische Merkmale der das Thermoelement umgebenden
Gasatmosphäre
ermittelt werden.
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Es sind weiter thermische Meßverfahren
bekannt, die darauf beruhen, eine bestimmte Heizleistung, bei gleichzeitiger
Erfassung der Temperatur, in ein Gasmedium einzubringen. Ein derartiges
Meßverfahren
wird zum Beispiel bei einem Hitzdrahtanemometer benutzt. Das eigentliche
Meßelement
steht hier in direktem thermischen Kontakt mit dem zu messenden
Medium, und es wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Meßmedium
und dem Meßelement
auf einen konstanten Wert geregelt. Für den Fall der Durchflußmessung
stellt bei bekannten Gasparametern die für die Temperaturregelung erforderliche
Heizleistung ein direktes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
dar. Um die Temperaturdifferenz zwischen Meßmedium und Meßelement
auf den geforderten konstanten Wert regeln zu können, ist es üblich, die
Temperaturen des Meßelementes
und des Meßmediums
getrennt zu erfassen und in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit
durch Differenzbildung die Übertemperatur
zu berechnen. Während
sich für die
Erfassung der Temperatur des Meßelementes
die Ausnutzung des Temperaturkoeffizienten des verwendeten Heizleiters
anbietet, kann zur Messung der Mediumtemperatur zum Beispiel ein
beliebiger temperaturabhängiger
Widerstand zum Einsatz kommen. In der Praxis hat sich jedoch aus
Symmetriegründen
die Verwendung zweier gleichartiger Elemente durchgesetzt, von denen
das eine das aktive, gewollt aufgeheizte Element darstellt, während das zweite,
passive Element mit einem minimalen Auswertestrom zur Messung der
Mediumtemperatur herangezogen wird.
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Diese verbreitete Anordnung weist
jedoch einige prinzipbedingte Nachteile auf. Die eigentlich interessierende
Temperaturdifferenz, die einen direkten Einfluß auf die Meßqualität hat, wird
durch Differenzbildung zweiervergleichsweise großer elektrischer Signale erzeugt.
Da sich bei einem derartigen Verfahren die relativen Fehler in der
Differenzgröße erhöhen, wird
dieses Differenzsignal sehr empfindlich gegenüber Störungen der Einzelmeßwerte reagieren.
Erschwerend kommt hinzu, daß die
zur Differenzbildung herangezogenen Einzeltemperaturmeßwerte erst
durch Umformung aus den gemessenen Widerstandswerten ermittelt werden
müssen.
Diese Widerstandswerte werden auch durch Übergangswiderstände der
in den Zuleitungen befindlichen Steckkontakte beeinflußt. Schwankungen
der Übergangswiderstände an den
Steckkontakten wirken sich in unterschiedlicher Weise auf den Widerstand
des verwendeten Heizleiters und des Temperaturmeßelementes aus, wobei sich
die Übergangswiderstände auch
zeitlich ändern
können.
Wird zur Differenzbildung eine Widerstandsmeßbrücke benutzt, so ist aufgrund
der zeitlichen Veränderung
der Widerstände
ein häufiger
Nullabgleich erforderlich.
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Die Tatsache, daß die Temperatur aus der Differenz
von zwei Einzeltemperaturen gewonnen wird, von denen eine wesentlich über der
anderen liegt, macht die räumliche
Trennung der Temperaturmeßstellen
erforderlich. Wenn diese Forderung nicht erfüllt wird, dann stören Wärmeleitung
durch das Medium und Konvektionseffekte die unabhängige Messung
der Einzeltemperaturen, insbesondere im Bereich kleiner Strömungsgeschwindigkeiten,
erheblich. Die räumliche
Trennung der Temperaturmeßstellen
würde aber
eine größere Bauform
bedeuten. Darüber
hinaus ist nicht in jedem Fall gewährleistet, daß bei hinreichend
auseinanderliegenden Temperaturmeßpunkten die gemessene Mediumtemperatur die
Verhältnisse
am beheizten Element widerspiegelt, da inhomogene Temperaturverteilungen
in der Strömung
nicht ausgeschlossen werden können.
Ein derartiges Hitzdrahtanemometer ist in der
US 3,913,379 beschrieben.
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Aus der
DD 245 055 A1 ist ein thermisches Anemometer
bekannt, das nach dem Konstanttemperaturdifferenz-Meßprinzip
arbeitet und zur Messung der Geschwindigkeit einer Gasströmung dient. Ein
aus einem Hitzdraht und zwei Thermoelementen bestehender Sensor
ist so in der Gasatmosphäre
angebracht, daß eines
der Thermoelemente die Temperatur des Hitzdrahtes und das andere
Thermoelement die Temperatur der Gasatmosphäre mißt. Mittels eines Regelkreises
wird die Differenz zwischen Hitzdrahttemperatur und Gastemperatur
konstant gehalten. Die dem Hitzdraht zugeführte elektrische Leistung ist
ein Maß für die Geschwindigkeit
der Gasströmung.
Bei dem bekannten Anemometer werden unterschiedliche Komponenten
für die
Heizung und die Temperaturmessung verwendet, was technisch aufwendig
ist.
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Eine entsprechende Meßvorrichtung
für die Bestimmung
der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit
in einem Kanal geht aus der
GB-PS
729,180 hervor. Auch bei dieser Vorrichtung werden unterschiedliche Komponenten
für die
Heizung und die Temperaturdifferenzmessung verwendet.
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Aus der
DE 195 01 347 A1 ist eine
Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines Fluids in einem Fluidkanal
bekannt, bei welcher ein Thermoelement mit zwei Verbindungsstellen
in dem Fluidkanal angeordnet ist. Mittels einer Wechselspannungsquelle
wird das Thermoelement auf eine gegenüber der Fluidtemperatur erhöhte Arbeitstemperatur
aufgeheizt. Das Thermoelement ist Teil einer Messbrücke mit
der Wechselspannung als Speisespannung, wobei die Symmetrie der
Messbrücke
zur Elimination des der Thermoelement-Spannung überlagerten Wechselspannungsanteils
dient. An der anderen Brückendiagonalen
wird die Thermoelementspannung abgegriffen, die dem Durchfluss in
dem Fluidkanal proportional ist. Bei der bekannten Vorrichtung wird
die Thermoelement-Spannung nicht zur Regelung der Temperatur des
Thermoelementes herangezogen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluids in einem Fluidkanal mit einem in dem Fluidkanal angeordneten Thermoelement
anzugeben.
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Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren erfolgt
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die AUfgabe wird auch mit den Merkmalen des
Patentanspruches 3 gelöst.
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Die Merkmale des Patentanspruchs
5 geben die erfindungsgemäße Vorrichtung
an.
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Der Vorteil der Erfindung besteht
im wesentlichen darin, daß bei
einem Thermoelement, welches mittels einer Wechselspannungsquelle
auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt wird, die am Thermoelement
entstehende Thermoelementspannung zur Regelung der Temperatur des
Thermoelementes herangezogen wird. Als Meßmedien eignen sich Gase und Flüssigkeiten.
Durch die Verwendung der Thermoelementspannung für die Temperaturregelung, ist
eine separate Temperaturmeßeinrichtung
nicht mehr erforderlich. Die Thermoelementspannung stellt nämlich einen
Spannungswert dar, der in seiner Größe proportional zur Temperaturdifferenz
zwischen der beheizten Verbindungsstelle in der Drahtmitte und den
beiden Verbindungsstellen an den Zuleitungsdrähten ist. Da die Verbindungsstellen
an den Zuleitungsdrähten,
welche auch als Vergleichsstellen bezeichnet werden, sich im wesentlichen
auf dem Temperaturniveau des Fluids befinden, kann auf die separate
Temperaturmeßeinrichtung
verzichtet werden.
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Bezogen auf die Durchflußmessung
mit zwei Meßdrähten zeichnet
sich das erfindungsgemäß angegebene
Meßverfahren
dadurch aus, daß die
fehlerträchtige
Ermittlung der Differenztemperatur aus zwei annähernd gleich großen Meßgrößen entfällt. Stattdessen
wird ein der Temperaturdifferenz proportionales Signal direkt am
Meßort
gebildet. Weiterhin steht das Temperaturdifterenzsignal als Thermoelementspannung
bereits als direkt weiterverarbeitbares elektrisches Signal zur
Verfügung,
was die ebenfalls störungsträchtige Umformung
eines Widerstandssignales in Temperaturwerte überflüssig macht. Kontaktübergangs- und Leitungswiderstände wirken
sich nicht auf die Weiterleitung des Meßsignales aus, da es sich um
ein reines Spannungssignal handelt. Da für die Zuführung der Heizleistung und die
Abführung
der Thermoelementspannung lediglich eine Hin- und eine Rückleitung erforderlich sind,
vereinfacht sich der Verkabelungsaufwand bei gleichzeitiger Verkleinerung
der Steckverbindungen. Dieses hat neben Handhabungsvorteilen auch
günstigere Herstellkosten
zur Folge.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Regelung der
Temperatur eines Heizkreises läßt sich besonders
vorteilhaft bei einem thermischen Infrarotstrahler einsetzen, dessen
Heizdraht aus zwei Teilstücken
unterschiedlicher Materialien zusammengesetzt ist. Die beiden Teilstücke werden
dann derart aufgewendelt, daß sich
die Verbindungsstelle der Teilstücke
etwa in der Mitte der Drahtwendel befindet. Die Abstrahleigenschaften
können
noch dadurch verbessert werden, daß die Wendel mit einer Keramikbeschichtung
versehen ist.
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Besonders vorteilhaft läßt sich
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Messung der Geschwindigkeit einer Gasströmung oder, bei ruhender Gasatmosphäre, zur
Messung der Wärmeleitfähigkeit
einsetzen.
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Die zu messende physikalische Größe, das heißt die Geschwindigkeit
oder die Wärmeleitfähigkeit,
wird hierbei aus der Wechselspannungsamplitude der am Thermoelement
anliegenden Wechselspannung bestimmt. Alternativ kann die physikalische
Größe auch
aus der Amplitude des durch das Thermoelement fließenden Wechselstromes
ermittelt werden. Zur Erfassung des Wechselstromes wird in bekannter
Weise ein Meßwiderstand
in Reihe mit dem Thermoelement geschaltet und die am Meßwiderstand abfallende
Wechselspannung ausgewertet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
in einem Gasströmungskanal
angeordnete erste Meßeinrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung eines temperaturgeregelten Infrarotstrahlers;
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3 ein
Thermoelement in einem Gasströmungskanal,
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4 eine
Schnittdarstellung des Thermoelementes nach der 3 längs
der Schnittlinie A-A,
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5 eine
in einem Gasströmungskanal
angeordnete zweite Meßeinrichtung,
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6 eine
in einem Gasströmungskanal
angeordnete dritte Meßeinrichtung.
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1 zeigt
schematisch eine erste Meßeinrichtung 1,
bei der ein Thermoelement 2 in einem Gasströmungskanal 3 angeordnet
ist. Der Gasströmungskanal 3 wird
längs einer
senkrecht zur Zeichenebene stehenden Achse 4 durchströmt. Das
Thermoelement 2 besteht aus einem ersten Teilstück 5, aus
Chromel und einem zweiten Teilstück 6 aus
Alumel, die an einer Verbindungsstelle 7 zusammenstoßen und
mittels weiterer Verbindungs stellen 8, 9 mit Zuleitungsdrähten 10 verbunden
sind. Das Thermoelement 2 ist an eine gleichspannungsfreie
Wechselspannungsquelle 11 angeschlossen und wird von dieser
auf eine, gegenüber
der Temperatur des im Gasströmungskanal
befindlichen Mediums erhöhte, Arbeitstemperatur
aufgeheizt. Bei dieser Beschaltung des Thermoelementes 2 liegt
an den Zuleitungsdrähten 10 ein
Wechselspannungssignal an, dem eine durch die Eigen-EMK des Thermoelementes 2 verursachte
Gleichspannung, im folgenden mit Thermoelementspannung bezeichnet, überlagert
ist. Diese Thermoelementspannung wird mittels eines an die Zuleitungsdrähte 10 angeschlossenen
Tiefpasses 12 als Eliminationselement aus dem Wechselspannungssignal
herausgefiltert, mit einem Verstärker 13 auf
einen größeren Signalpegel
angehoben und an einem Subtraktionselement 14 mit einer
Bezugsspannung UB verglichen. Die Bezugsspannung UB ist als Temperatur-Sollwert proportional zur Arbeitstemperatur
des Thermoelementes 2. Das am Ausgang 15 des Subtraktionselementes 14 entstehende Differenzsignal
aus verstärkter
Thermoelementspannung und Bezugsspannung UB wird
als Stellgröße der Wechselspannungsquelle 11 zugeführt. Das Thermoelement 2,
der Tiefpaß 12,
der Verstärker 13, das
Subtraktionselement 14 und die Wechselspannungsquelle 11 bilden
zusammen einen Temperatur-Regelkreis des Thermoelementes 2,
wobei die Thermoelementspannung den Temperatur-Istwert wiedergibt.
Zusätzlich
zum Tiefpaß 12 ist
an die Zuleitungsdrähte 10 ein
Gleichrichter 16 angeschlossen, dem eine Glättungseinrichtung 17 und
ein Anzeigeinstrument 18 nachgeschaltet sind. Das Anzeigeinstrument 18 liefert
dabei einen dem Effektivwert der Amplitude des an den Zuleitungsdrähten 10 anliegenden
Wechselspannungsignals proportionalen Meßwert.
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Die erfindungsgemäße erste Meßeinrichtung 1 arbeitet
folgendermaßen:
Bei ruhender Gasströmung
im Gasströmungskanal 3 stellt
sich eine aus der Bezugsspannung UB ergebende
konstante Arbeitstemperatur am Thermoele ment 2 ein und
am Anzeigeinstrument 18 ist ein ebenfalls konstanter Ausschlag
ablesbar, der als Nullpunkt für
die ruhende Gasströmung
festgelegt wird. Bei einem von Null verschiedenen Gasfluß im Gasströmungskanal 3,
kühlt sich
das Thermoelement 2 zunächst
ab, wodurch die Spannung der Wechselspannungsquelle 11 und
damit die Heizleistung des Thermoelementes 2 entsprechend
erhöht
wird, bis sich die ursprüngliche Temperatur
wieder eingestellt hat. Entsprechend dem Spannungsanstieg der Wechselspannungsquelle 11 erhöht sich
auch der Ausschlag des Anzeigeinstrumentes 18, wobei der
auf die Nullstellung bezogene Ausschlag ein Maß für die Geschwindigkeit des strömenden Gases
im Gasströmungskanal 3 ist.
Auf diese Weise läßt sich
der Gasfluß in
dem Gasströmungskanal 3 besonders
einfach ermitteln. Bei ruhender Gasströmung eignet sich die erste
Meßeinrichtung 1 zur
Bestimmung der Wärmeleiffähigkeit der
das Thermoelement 2 umgebenden Gasatmosphäre.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines temperaturgeregelten Infrarotstrahlers 20,
mit einem Thermoelement 21, welches aus zwei Teilstücken 22, 23,
die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, zusammengesetzt
ist. Die Teilstücke 22, 23 sind
an einer Verbindungsstelle 24 zusammengeschweißt und an
weiteren Verbindungsstellen 25, 26 mit den Zuleitungsdrähten 10 verbunden.
Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der 1 versehen. Die Teilstücke 22, 23 des
Thermoelementes 21 sind wendelförmig ausgeführt. Zur Erhöhung der
Wärmekapazität des Infrarotstrahlers 20 sind
die Teilstücke 22, 23 und
die Verbindungsstelle 24 in eine Keramikmasse 27 eingebettet.
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Die Wirkungsweise des Infrarotstrahlers 20 beruht
darauf, daß die
Thermoelementspannung des Thermoelementes 21, die der Temperatur
des zweiten Thermoelementes 21 proportional ist, mit dem Tiefpaß 12 und
dem Verstärker 13 von
der Heizwechselspannung getrennt und dann für die Temperaturregelung weiterverarbeitet
wird. An dem Subtraktionselement 14 wird die verstärkte Thermoelementspannung
mit der Bezugsspannung UB verglichen, wobei
die Bezugsspannung UB proportional zur einzustellenden
Temperatur ist.
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3 veranschaulicht
schematisch den Aufbau eines Thermoelementes 28, bei dem
ein zwischen zwei Verbindungsstellen 29, 30 verlaufender Chromnickeldraht 31 in
einem Teilstück 32 mit
einer Nickelbeschichtung 33 versehen ist. Die Nickelbeschichtung 33 verläuft etwa
von der Mitte 34 des Drahtes 31 bis zur Verbindungsstelle 30.
Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der 1 bezeichnet. Die Nickelbeschichtung 33 kann zum
Beispiel in der Weise hergestellt werden, daß der Chromnickeldraht 31 zwischen
den Zuleitungsdrähten 10 aufgespannt
und anschließend
zur Hälfte mit
reinem Nickel, zum Beispiel durch Galvanisierung, beschichtet wird.
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In der 4 ist
der besseren Übersicht
wegen eine Schnittdarstellung des Chromnickeldrahtes 31 mit
der Nickelbeschichtung 33 längs einer Schnittlinie A-A, 3, dargestellt.
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Die in der 5 veranschaulichte zweite Meßeinrichtung 100 ist
eine alternative Ausführungsform
zur ersten Meßeinrichtung 1, 1. Gleiche Komponenten sind
mit gleichen Bezugsziffern der 1 versehen.
Mittels eines Schalters 19, welcher erste Schaltkontakte 191 im
Leitungszug zwischen dem Verstärker 13 und
dem Thermoelement 2 und zweite Schaltkontakte 192 in
einer von der Wechselspannungsquelle 11 zum Thermoelement 2 verlaufenden
Leitung besitzt, wird der Heizstrom zyklisch unterbrochen. Die Thermoelementspannung
wird nur während
der Zeitspannen gemessen, in denen die Wechselspannungsquelle 11 vom
Thermoelement 2 getrennt ist. Zur zyklischen Unterbrechung
des Heizstromes wird der Schalter 19 von einem Rechteckgenerator 193 mit
Umschaltimpulsen angesteuert. In der 5 ist
der Zeitpunkt der Temperaturmessung mit der zweiten Meßeinrichtung 100 veranschaulicht. Hierbei
sind die ersten Schaltkontakte 191 geschlossen und die
zweiten Schaltkontakte 192 geöffnet. Durch das zyklische
Unterbrechen des Heizstromes ist eine Herausfilterung der Thermoelementspannung
aus dem Wechselspannungssignal mittels des Tiefpasses 12, 1, nicht mehr erforderlich.
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6 zeigt
schematisch eine dritte Meßeinrichtung 200 bei
der, gegenüber
der ersten Meßeinrichtung 1 nach
der 1, statt der Amplitude
der Wechselspannung die Amplitude des durch das Thermoelement 2 fließenden Wechselstromes
ausgewertet wird. Hierzu befindet sich ein Meßwiderstand 35 in
einer zu den Zuleitungsdrähten 10 führenden
Versorgungsleitung, an welchem ein dem Wechselstrom proportionaler
Spannungsabfall entsteht. Dieser Wechselspannungsabfall wird gleichgerichtet und über die
Glättungseinrichtung 17 dem
Anzeigeinstrument 18 zugeführt.