DE19906632C2 - Durchflußsensor mit kalorimetrischer Wirkungsweise und Verfahren zu seiner Kalibrierung - Google Patents

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem kalorimetrischen Durchflusssensor, insbesondere mit einem kalorimetri­ schen Durchflusssensor, der für höhere Strömungsgeschwindigkeiten in flüssigen oder gasförmigen Medien besonders gut geeignet ist, und mit einem Verfahren zur Kalibrierung eines kalorimetrischen Durchflusssensors.

Durchflusssensoren sind im Stand der Technik bekannt und werden vorzugs­ weise als Einstiftsonde ausgeführt, die typischerweise aus einem in das strömende Medium hineinragenden einteiligen zylindrischen metallischen Gehäuse mit darin angeordneten elektronischen Bauelementen bestehen. In der Technik werden ganz unterschiedliche physikalische Effekte dazu benutzt, Durchflusssensoren zu reali­ sieren. Durchflusssensoren werden eingesetzt zur Erzeugung binärer Schaltsignale oder proportionaler Messwerte zur Überwachung der Strömungsgeschwindigkeit flüssiger oder gasförmiger Medien, beispielsweise in Rohrleitungen.

Üblicherweise dient dabei mindestens ein Heizwiderstand zur Beheizung der Sensor- Stirnfläche. Mit mindestens zwei temperaturabhängigen Messwiderständen wird die Temperatur der beheizten Sensor-Stirnfläche wie auch der unbeheizten restlichen Sensoroberfläche gemessen und mit einer außerhalb des eigentlichen Sensorkopfes angeordneten Elektronik ausgewertet.

Kalorimetrische Durchflusssensoren können ausgeführt sein als Konstant- Heizleistungs- oder als Konstant-Temperatur-Sensoren. In beiden Fällen wird die an der beheizten Sensor-Stirnfläche mit der Strömungsgeschwindigkeit zunehmende Wärmeabgabe ausgewertet. Bei einem Konstant-Heizleistungs-Sensor wird die je nach Strömungsgeschwindigkeit veränderliche Temperatur der beheizten Sensor-Stirnfläche gemessen. Bei einem Konstant-Temperatur-Sensor wird die Heizleistung so geregelt, dass sich unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit eine möglichst konstante Temperatur an der beheizten Sensor-Stirnfläche ergibt. Die dazu erforderliche Heiz­ leistung hängt wiederum von der Strömungsgeschwindigkeit ab.

Neben frei angeströmten kalorimetrischen Durchflusssensoren sind auch Anord­ nungen beschrieben geworden (DE 31 05 876 A1), bei denen die Messfühler von Zweistift-Glassonden in einer Mulde angeordnet waren. Diese Anordnung verfolgte den Zweck, empfindliche Messfühler aus Glas vor einem direkten Aufprall von Teilchen zu schützen, die eventuell in der Strömung mitgeführt werden, z. B. Kesselstein.

Der mit dieser Anordnung verbundene, im Bereich der geschützt angeordneten Mess­ fühler etwas verminderte Volumenaustausch des strömenden Mediums wurde dabei in Kauf genommen, ohne ihn sonst in irgendeiner Weise zu nutzen.

Heute sind stabile metallgekapselte Sensoren üblich, die direkt angeströmt werden.

Derartige, heute bekannte kalorimetrische Durchflusssensoren haben jedoch den Nachteil, dass das zu überwachende strömende Medium schon bei kleinen Strö­ mungsgeschwindigkeiten eine so große Kühlwirkung auf die angeströmte beheizte Sensor-Stirnfläche entfaltet, dass eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit dann nur noch einen geringen zusätzlichen Kühleffekt auszuüben vermag, vor allem bei hoher Wärmekapazität des strömenden Mediums.

Dies führt zu einer deutlich nichtlinearen Kennlinie, d. h. der Messeffekt ändert sich im Bereich kleiner Strömungsgeschwindigkeiten stärker als bei hohen. Die heute bekann­ ten kalorimetrischen Durchflusssensoren sind deshalb bei hohen Strömungsgeschwin­ digkeiten kaum einsetzbar, da das Messsignal wegen der dort flachen Kennlinie nur geringe Aussagekraft hat. Bei strömendem Wasser z. B. liegt der herstellerseits empfohlene optimale Schaltpunkt eines binären kalorimetrischen Durchflusssensors bei einer Strömungsgeschwindigkeit von nur ca. 0,2 m/s. Von Schaltpunkten bei Strömungsgeschwindigkeiten über 0,6 m/s wird abgeraten. Demgegenüber sind in technischen Anlagen Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s durchaus üblich.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kalorimetrischen Durchflusssensor zu schaffen, der auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten noch auswertbare Messsignale liefert, wobei die messtechnischen Sensoreigenschaften auf einfache Weise zu kalibrieren sind und der Sensor kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Durchflusssensor mit den Merkmalen nach Patentanspruch 3 und mit einem Kalibrierverfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.

Demnach ist das Verfahren zur Kalibrierung bzw. Messbereichserweiterung eines kalorimetrischen Durchflusssensors mit einer beheizten Stirnfläche in einem Gehäuse, das eine Strömungsbarriere aufweist, die die beheizte Stirnfläche so umgibt, dass an der beheizten Stirnfläche ein gegenüber der direkten Strömung verminderter Volumenaustausch des strömenden Mediums vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenaustausch des strömenden Mediums an der beheizten Stirnfläche ohne Veränderung der direkten Strömung systematisch vermindert wird.

Dies wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass die für das strömende Medium offene Querschnittsfläche der Strömungsbarriere systematisch verringert wird.

Der erfindungsgemäße kalorimetrische Durchflusssensor zur Überwachung von Strömungsgeschwindigkeiten in flüssigen oder gasförmigen Medien mit einer beheizten Stirnfläche in einem Gehäuse, das eine Strömungsbarriere aufweist, die die beheizte Stirnfläche so umgibt, dass an der beheizten Stirnfläche ein gegenüber der direkten Strömung verminderter Volumenaustausch des strömenden Mediums vorliegt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die für das strömende Medium offene Querschnittsfläche der Strömungsbarriere gegenüber der Querschnittsfläche ihres Bodens verringert ist.

Vorteilhaft für die Ausführung eines erfindungsgemäßen kalorimetrischen Durchfluss­ sensors ist es, dass die Strömungsbarriere ein teilweise offener Hohlkörper ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dem die beheizte Sensor-Stirnfläche umgebenden Hohlkörper an seinem oberen Rand einen sternförmigen Querschnitt zu verleihen. Dabei erweist es sich von Vorteil, dass die sternförmige Verformung mindestes fünf Zacken aufweist.

Ein ganz wesentlicher Vorteil kann darin bestehen, dass der die beheizte Stirnfläche umgebende teilweise offene Hohlkörper zusätzliche strömungsgeschwindigkeits­ verringernde Elemente aufnimmt, die unverlierbar eingeklemmt bzw. fixiert sind, vorzugsweise koaxial angeordnet sind und eine zylindrische Form haben.

Diese, um die beheizte Sensor-Stirnfläche herum angeordnete Strömungsbarriere ist vor der Kalibrierung bzw. Messbereichserweiterung vorteilhafterweise ein zur Strö­ mung hin offener Hohlzylinder und wird am besten zusammen mit dem restlichen, ebenfalls meist zylindrischen metallischen Sensorgehäuse als einteiliges Werkstück hergestellt, weil die Strömungsbarriere bzw. der Hohlzylinder dann mit dem Sensor­ gehäuse eine Einheit bildet und dadurch in optimaler Weise fest und unverlierbar mit diesem verbunden ist, ohne dass Befestigungstechniken erforderlich sind.

Der obere Rand dieses Hohlzylinders, der die zur Strömung hin offene Seite desselben umschließt, wird zur Kalibrierung der messtechnischen Sensoreigenschaften derart verformt, dass die Querschnittsfläche dieser angeströmten Öffnung verringert ist. Dadurch ist es mit einfachen Mitteln bzw. Werkzeugen auch am fertiggestellten Sensor noch möglich, den durch die Anströmung dieser Öffnung letztlich resultierenden Volu­ menaustausch zwischen dem außen strömenden Medium und dem im Hohlkörper von der Strömung durchmischten kleinen Volumen ohne Veränderung der direkten Strö­ mung gleichwohl zu verringern und damit auch die als Messsignal auswertbare Wärmeabgabe der beheizten Sensor-Stirnfläche im Inneren.

Je kleiner die Querschnittsfläche der angeströmten Öffnung eingestellt ist, desto höhere Strömungsgeschwindigkeiten sind sodann im Bereich dieser angeströmten Öffnung erforderlich, um einen entsprechenden Volumenaustausch und eine damit verbundene Wärmeabgabe bzw. letztlich ein Messsignal zu erzeugen.

Die Kalibrierung der messtechnischen Sensoreigenschaften durch Verringerung der Querschnittsfläche der angeströmten Hohlkörperöffnung geschieht am besten dadurch, dass der obere Rand eines Hohlzylinders, der die zur Strömung hin offene Seite desselben umschließt, eine je nach Bedarf im Querschnitt mehr oder weniger ausgeprägte sternförmige Verformung erhält, die jedoch nach Möglichkeit mindestens fünf Zacken aufweist. Eine hohe Zackenzahl verringert nämlich den Einfluss der Anströmrichtung auf das gebildete Messsignal. Für diesen Zweck sind fünf Zacken normalerweise ausreichend.

Die Längsachse des erfindungsgemäßen Sensors sollte etwa rechtwinklig zur Strömungsrichtung verlaufen, so wie es auch bei den heute bekannten Sensoren üblich ist.

Zu weiteren Kalibrierungszwecken kann es erforderlich sein, im Inneren des die beheizte Sensor-Stirnfläche umgebenden teilweise offenen Hohlkörpers zusätzliche strömungsgeschwindigkeitsverringernde Elemente anzuordnen, z. B. einen oder mehrere Rohrabschnitte, die dort durch die sternförmige Verformung des oberen Hohlkörperrandes auf einfache Weise unverlierbar eingeklemmt bzw. fixiert sind.

Im nun folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1: Einen perspektivischen Längsschnitt durch den Kopf eines unkalibrierten kalorimetrischen Durchflusssensors (10) mit einem unverformten, um die beheizte Sensor-Stirnfläche herum angeordneten, zur Strömung hin offenen Hohlzylinder (15);

Fig. 2: Einen Längsschnitt durch den Kopf eines erfindungsgemäßen kalibrierten kalorimetrischen Durchflusssensors (20) mit einem sternförmig verformten oberen Rand (26) eines ehemaligen Hohlzylinders (15 → 25);

Fig. 3: Eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen kalibrierten kalorimetrischen Durchflusssensor (20) mit einem sternförmig verformten oberen Rand (26) eines ehemaligen Hohlzylinders (15 → 25).

Der in Fig. 1 gezeigte Kopf 10 eines kalorimetrischen Durchflusssensors besteht aus einem metallischen Gehäuse 11, das in ein strömendes Medium hineinragt. Auf der Innenseite 12 der Sensor-Stirnfläche sind ein oder mehrere Heizwiderstände sowie ein oder mehrere Messwiderstände zur Temperaturmessung angeordnet, die hier jedoch nicht gezeigt sind. Die hier abgegebene Wärme gelangt durch Wärmeleitung auf die Außenseite 13 der beheizten Sensor-Stirnfläche, von wo sie an das strömende Medium abgegeben wird. Die sonstigen Innenseiten 14 des Sensors sind unbeheizt, jedoch ebenfalls mit einem oder mehreren Messwiderständen bestückt, die zur Referenz- Temperaturmessung des strömenden Mediums dienen. Unterhalb der Bruchlinie befinden sich weitere, dem Fachmann bekannte Sensorteile, die zur abdichtenden Verschraubung des Sensors in eine Rohrleitung erforderlich sind und der einfachen Darstellung halber hier ebenfalls nicht gezeigt werden. Gleiches gilt für die dem Fachmann bekannte Auswerteelektronik. Oberhalb des metallischen Gehäuses 11 ist als Strömungsbarriere für die Außenseite 13 der beheizten Sensor-Stirnfläche ein Hohlzylinder 15 angeordnet. Dieser Hohlzylinder 15 ist zusammen mit dem restlichen Gehäuse 11 als einteiliges Werkstück ausgeführt. Die Außenseite 13 der beheizten Sensor-Stirnfläche befindet sich am Boden des Hohlzylinders 15. Der obere Rand 16 des Hohlzylinders umschließt dessen zur Strömung hin offene Seite 17. Im freien Querschnitt an der offenen Seite 17 des Hohlzylinders findet ein Volumenaustausch zwischen dem außen strömenden Medium und dem innen von der Strömung durch­ mischten kleinen Volumen statt. Dieser Volumenaustausch führt zu einer Wärmeab­ gabe an der Außenseite 13 der beheizten Sensor-Stirnfläche, die mit der Strömungs­ geschwindigkeit zunimmt. Die Wärmeabgabe ist durch die vom Hohlzylinder 15 gebildete Strömungsbarriere etwas geringer als bei einer ungeschützt angeströmten beheizten Sensor-Stirnfläche. Diese Anordnung ist noch nicht kalibriert.

Der in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigte Kopf 20 eines kalorimetrischen Durchflusssensors besteht ebenfalls aus einem metallischen Gehäuse 21, das in ein strömendes Medium hineinragt. Der ursprünglich kreisrunde obere Rand 16 des ehemaligen Hohlzylinders 15 → 25 weist beim Sensorkopf 20 eine sternförmige Verformung 26 auf. Dadurch ist der freie Querschnitt an der offenen Seite 27 deutlich verringert und ebenso auch der Volumenaustausch zwischen dem außen strömenden Medium und dem innen von der Strömung durchmischten kleinen Volumen. Dies führt zu einer verringerten Wärme­ abgabe an der Außenseite 23 der beheizten Sensor-Stirnfläche im Vergleich zum un­ kalibrierten Sensorkopf 10. Dadurch ist beim Sensorkopf 20 eine höhere Geschwindig­ keit des strömenden Mediums erforderlich, damit eine entsprechende Wärmeabgabe im Inneren des systematisch verformten, teilweise offenen Hohlkörpers 25 resultiert. Die messtechnischen Sensoreigenschaften von Sensorkopf 20 sind demnach für höhere Strömungsgeschwindigkeiten kalibriert. Die Kalibrierung bzw. Messbereichs­ erweiterung erfolgte mit einem einfachen Presswerkzeug nachträglich unter Verwen­ dung des unkalibrierten Sensorkopfs 10.

Claims (8)

1. Verfahren zur Kalibrierung/Messbereichserweiterung eines kalorimetrischen Durchflusssensors (10, 20) mit einer beheizten Stirnfläche (13, 23) in einem Gehäuse (11, 21), das eine Strömungsbarriere (15, 25) aufweist, die die beheizte Stirnfläche so umgibt, dass an der beheizten Stirnfläche ein gegenüber der direk­ ten Strömung verminderter Volumenaustausch des strömenden Mediums vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenaustausch des strömenden Mediums an der beheizten Stirn­ fläche ohne Veränderung der direkten Strömung systematisch vermindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für das strömende Medium offene Querschnittsfläche (17, 27) der Strömungsbarriere (15, 25) systematisch verringert wird.

3. Kalorimetrischer Durchflusssensor (10, 20) zur Überwachung von Strömungsge­ schwindigkeiten in flüssigen oder gasförmigen Medien mit einer beheizten Stirn­ fläche (13, 23) in einem Gehäuse (11, 21), das eine Strömungsbarriere (15, 25) aufweist, die die beheizte Stirnfläche so umgibt, dass an der beheizten Stirnfläche ein gegenüber der direkten Strömung verminderter Volumenaustausch des strö­ menden Mediums vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die für das strömende Medium offene Querschnittsfläche (17, 27) der Strö­ mungsbarriere (15, 25) gegenüber der Querschnittsfläche ihres Bodens (13, 23) verringert ist.

4. Kalorimetrischer Durchflusssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsbarriere ein teilweise offener Hohlkörper (15, 25) ist.

5. Kalorimetrischer Durchflusssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die beheizte Stirnfläche (13, 23) umgebende Hohlkörper (15, 25) an seinem oberen Rand (26) eine im Querschnitt sternförmige Verformung aufweist.

6. Kalorimetrischer Durchflusssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die beheizte Stirnfläche (13, 23) umgebende Hohlkörper (15, 25) an seinem oberen Rand (26) eine im Querschnitt sternförmige Verformung mit mindestens fünf Zacken aufweist.

7. Kalorimetrischer Durchflusssensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des die beheizte Stirnfläche (13, 23) umgebenden, teilweise offenen Hohlkörpers (15, 25) zusätzliche strömungsgeschwindigkeitsverringernde Elemente unverlierbar eingeklemmt bzw. fixiert sind.

8. Kalorimetrischer Durchflusssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen strömungsgeschwindigkeitsverringernden Elemente koaxial angeordnet sind und eine zylindrische Form haben.