DE2350848C3 - Thermischer Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußmesser zum Bestimmen der Strömungsrate eines Fluids in einem Meßkanal, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches.

Ein Durchflußmesser dieser Art ist aus der DE-PS 8 76 484 bekannt, der an sich wegen der unmittelbaren Anordnung der beiden beheizten Spulen auf der Außenseite des Meßkanales sehr genau arbeitet und insbesondere auch schnell auf Änderungen des Fluid-Durchstromes anspricht. Da die Spulen durch elektrische Widerstandserhitzung erwärmt werden, ist eine Ansprechbarkeit praktisch ohne Zeitverzögerung gewährleistet. Man kann mit einem derartigen Durchflußmesser Messungen innerhalb eines weiten Temperaturbereiches durchführen, jedoch besteht der Nachteil, daß Voraussetzungen für genaue Messungen ist, daß die Spulen stets in der Lage bleiben, in welcher der Brückenkreis abgeglichen ist, denn wenn man den Meßkanal kippt oder sonstwie bewegt, so daß beispielsweise die eine Spule höher als die andere liegt, kann von der unteren Spule abgestrahlte Wärme die obere Spule beeinflussen, so daß sich deren Widerstand verändert und der Brückenkreis aus dem Gleichgewicht gerät. Dieser Nachteil kann auch bei feststehendem Meßkanal auftreten, wenn über diesen ein Luftstrom hinweg streicht, der konvektiv abgestrahlte Wärme einer Spule der anderen Spule zuführt

Es sind zwar thermische Strömungsmesser bekannt, bei denen eine die Meßergebnisse verfälschende thermische Beeinflussung der beiden Meßspulen verhindert wird, jedoch handelt es sich hierbei um verhältnismäßig aufwendige und bezüglich ihrer Meßwirksamkeit nachteilige Strömungsmesser. So ist beispielsweise aus dem DE-GBM 19 20 597 ein thermischer Strömungsmesser bekannt, bei dem zwei durch elektrische Widerstandsheizung zu erwärmende Spulen eines Brückenkreises im Abstand voneinander innerhalb eines Meßrohres angeordnet sind und dementsprechend die Abkühlung der Spulen aufgrund des durchströmenden Fluids gemessen wird. Da die Meßspulen im Fluidstrom liegen, erzeugen sie Turbulenzen des sie passierenden Fluids, welche die Messung verfälschen können. Bsi einem anderen bekannten thermischen Durchflußmesser (US-PS 25 86 060) sind die auf der Außenseite eines Meßkanales hintereinander angeordneten Meßspulen in

ίο einem Gehäuse gekapselt, so daß Luftströmungen die Messungen nicht beeinflussen können. Hingegen würden auch bei dieser aufwendigen Anordnung Änderungen der Lage des Durchflußmessers eine gegenseitige thermische Beeinflussung der beiden Spulen bewirken.

Andere bekannte thermische Durchfiußmesser (DE-AS 14 73 158, DE-OS 16 48 008, US-PS 27 29 976, 29 53 022 und 30 56 295) weisen zwar eine thermische gegenseitige Isolierung der Meßspulen auf, sind jedoch sehr aufwendig und weisen eine separate Heizung mit zwei Temperaturdifferenzfühlern auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem aus der DE-PS 8 76 484 bekannten Stand der Technik einen thermischen Durchflußmesser zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln eine unmittelbare Wärmebeeinflussung der beiden auf den Meßkanal aufgewickelten Spulen untereinander vermieden wird, damit dieser Durchflußmesser unabhängig von der jeweiligen Lage des Meßkanals arbeitet und eine Eineichung auf bestimmte Lagen des Meßkanales nicht notwendig ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Durchflußmesser der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind

v~> Gegenstand der Unteransprüche.

Da bei diesem Durchfiußmesser die beiden auf die Außenseite des Meßkanals aufgewickelten Spulen von einem die Wärmeabstrahlung verhindernden Material umhüllt sind, erhält man unabhängig von der jeweiligen

M) Lage des Meßkanales bei der angelegten konstanten elektrischen Spannung gleichförmige Meßergebnisse, so daß der Durchfiußmesser auch als tragbares Gerät oder in Fahrzeugen und insbesondere auch Flugkörpern eingesetzt werden kann. Es zeigte sich, daß die Empfindlichkeit des Durchflußmessers auf Lageänderungen, die bei einem Messer gemäß DE-PS 8 76 484 mehr als 50% beträgt, durch die Erfindung auf weniger als 0,5% reduziert wurde.
Die Erfindung wird weiterhin anhand der Zeichnung erläutert, in der schematisch zwei Ausführungsbeispiele eines thermischen Durchflußmessers dargestellt sind, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Darstellung des Brückenkreises einer Ausführungsform des Durchflußmessers,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene schaubildliche Ansicht des Durchflußmessers und

Fig.3 eine abgewandelte Ausführungsform des Brückenkreises, der zur Temperaturstabilisierung des Durchflußmessers verwendet wird.

bo Gemäß F i g. 1 weist der thermische Durchflußmesser einen an einem Meßkanal 14 angebrachten Brückenkreis 12 auf, v/elcher einen ersten Widerstand 16 und einen zweiten Widerstand 18 enthält und zwei hintereinander auf den Meßkanal aufgewickelte Spulen

μ 22 und 24. Die Spule 22 liegt dem Eingangsende 26 des Meßkanals 14 näher, während die Spule 24 näher an dem Ausgangsende 28 des Meßkanales 14 angeordnet ist.

Der Brückenkreis 12 umfaßt auch eine Gleichspannungsqueüe 30, die einerseits an die Verbindung zwischen den Spulen 22 und 24 und andererseits über einen Schalter 32 an die Verbindung zwischen den Widerständen 16 und 18 angeschlossen ist Die Ausgangssignale des Brückenkreises 12 werden von zwei Anschlüssen 34 und 36 abgenommen, die mit den Verbindungen zwischen der Spule 22 und dem Widerstand 16 bzw. zwischen der Spule 24 und dem Widerstand 18 verbunden sind. Die beiden Spulen 24 und 22 biAtehen aus Draht, dessen elektrischer Widerstand sich temperaturabhängig ändert. Der Draht kann eine Eisen-Nickel-Legierung sein. Der Meßkanal 14 ist vorzugsweise ein dünnwandiges Rohr, das beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen kann.

Auf dem Meßkanal 14 befindet sich eine die Spulen 22 und 24 umhüllende Isolierung 37 aus offenzelligem Schaumstoff, die eine geringe Masse aufweist, um die Reaktionszeit der Meßspulen so gering wie möglich zu beeinflussen, und der außerdem eine niedrige thermische Leitfähigkeit hat, um Wärmeverluste zu vermeiden. Beispielsweise besteht der offenzellige Schaumstoff aus Polystyrol, Polyurethan, Polyäthylen oder Polypropylen.

Gemäß F i g. 2 besteht die Isolierung aus zwei zusammengesetzten und der Oberfläche des Meßkanals angepaßten Blöcken 37a und 376, die nach dem Aufsetzen auf Spulen 62 und 64 zusammengeklebt, durch eine äußere Wicklung zusammengehalten oder mit dem Meßkanal verklammert sind. Die Blöcke 37a und 37£> bestehen aus offenzelligem Polystyrolschaum mit einer Dichte von etwa 0,016 g/cm³.

Bei geschlossenem Schalter 32 erwärmen sich dit Spulen 22 und 24, wodurch ihr elektrischer Widerstand zunimmt und die Temperatur des Meßkanals 14 erhöht wird Bei keiner oder nur geringer Strömjng eines Fluids durch den Meßkanal 14 sind die Temperaturen der Spulen 22 und 24 gleich groß und die Brückenschaltung daher abgeglichen, so daß an den Ausgangsklemmen 34 und 36 eine Anzeige »Null« erscheint. Ein vom Eingangsende 26 zum Ausgangsende 28 des Meßkanales 14 strömendes Fluid nimmt die von den Spulen 22 und 24 auf den Meßkanal 14 übertragene Wärme mit, wodurch sich eine Veränderung d^s Temperaturprofils entlang des Meßkanals 14 und dadurch eine Temperaturdifferenz zwischen den Spulen 22 und 24 ergibt, wodurch der elektrische Widerstand der Spule 22 sinkt und der elektrische Widerstand der Spule 24 steigt Die an den Ausgangsklemmen 34 und 36 angezeigte Ausgangsspannung der Brückenschaltung steigt dabei linear proportional zur Strömungsrate.

Steigt die Strömungsrate auf einen mehrfachen Wert des vollen Meßbereiches des Durchflußmessers, so nähert sich die Temperatur der Spule 22 derjenigen des zuströmenden Fluids, während der Temperaturanstieg der Spule 24 zunächst flacher wird und dann sich sogar umkehrt, da mehr und mehr Wärme vom durchströmenden Fluid abgeführt wird. Dementsprechend erreicht die Ausgangsspannung der Brückenschaltung zunächst einen Spitzenwert und fällt dann wieder ab und nähert sich dem Wert »Null« asymptotisch.
Gemäß F i g. 2 ist parallel zu einem Hauptrohr 52 ein Meßrohr 54 angeordnet, das mit seinem Einlaßende 5b und seinem Auslaßende 58 jeweils an einen in das Hauptrohr 52 führenden Krümmer angeschlossen ist Die Strömungsverhältnisse im Meßrohi* 54 sind dabei

lu denen im Hauptrohr 52 gleich. Das Hauptrohr 52 enthält eine Drossel 60, mit deren Hilfe eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Durchflußmeßbereichen geschaffen werden kann.
Die auf das Meßrohr 54 aufgewickelten Spulen 62 und 64 entsprechen den Spulen 22 und 24 aus Fig. 1. Die beiden Spulen sind als durchgehende Spule mit einem Mittelabgriff angeordnet, wodurch die Meßgenauigkeit und die Ansprechgeschwindigkeit des Durchflußmessers verbessert wird. Die Spulen sind von den Blöcken 37a und 37b umhüllt

Bei der in Fig.3 dargestellten abgewandelten Ausführungsform des Brückenkreises sind die Widerstände 16 und 18 des Brückenkreises aus F i g. 1 durch zwei konstante Stromquellen 72 und 74 ersetzt, so daß die Temperaturstabilität des Brückenkreises auch bei Änderungen der Umgebungstemperatur aufrecht erhalten bleibt, denn die konstanten Stromquellen 72 und 74 halten den Brückenkreis auch bei Temperaturschwankungen stabil.

Statt zwei getrennte gleiche Stromquellen gemäß F i g. 3 zu verwenden, ist es auch möglich, den Strom durch die Spulen 22 und 24 dadurch weitgehend konstant zu halten, daß die Widerstände 16 und 18 im Vergleich zu den Spulen 22 und 24 ausreichend groß

j5 gewählt werden und in Reihe zur Gleichspannungsquelle 30 eine einzige konstante Stromquelle eingefügt wird. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß nur eine Stromquelle erforderlich ist. Bleibt die Umgebungstemperatur nur selten konstant, ist die Temperaturstabilität

au des Durchflußmessers von größter Wichtigkeit für eine gute Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messungen. Bei Anwendung der vorstehend erwähnten abgeänderten Anordnung werden die mit der Änderung der Umgebungstemperatur verbundenen Probleme einfach

Vt dadurch übei wunden, daß eine oder mehrere konstante Stromquellen vorgesehen sind.

Wenn vorstehend von einem »Fluid« gesprochen wird, so kann es sich dabei um eine Flüssigkeit, Dampf oder Gas handeln. Der Durchflußmesser kann wegen der Isolierung der Meßspulen in jeder beliebigen Lage und auch in sich ändernden Lagen benutzt werden, beispielsweise als tragbares Gerät oder in Raumfahrzeugen. Die Eichung kann in jeder beliebigen Lage des Meßkanales durchgeführt werden und ist für alle Lagen des Meßkanales gleich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Thermischer Durchflußmesser zürn Bestimmen der Strömungsrate eines Fluids in einem Meßkanai, mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander auf die Außenseite des Meßkanals aufgewickelten, in Reihe geschalteten elektrisch beheizten Spulen, die zusammen mit zwei weiteren Widerständen eine Brückenschaltung bilden, zum Erfassen der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Spulen, dadurch gekennzeichnet, daß an die Brückenschaltung in der Diagonalen zwischen den beiden Zweigen eine konstante Spannung angelegt ist und daß die beiden Spulen (22; 24; 62; 64) von offenzelligem Schaumstoff (37; 37a; 37b) umhüllt sind.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff Polystyrol ist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung in jedem Zweig außer der Spule (22 bzw. 24) jeweils eine konstante Stromquelle (72 bzw. 74) enthält

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der Widerstände (16; 18) im Vergleich zu denen der Spulen (22; 24) groß sind und daß eine konstante Stromquelle in Reihe mit der Spannungsquelle (30) der Brückenschaltung vorgesehen ist.