DE2653359A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung eines stroemungsmedium-flusses und/oder zur durchfuehrung einer davon abhaengigen regelung - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zur bestimmung eines stroemungsmedium-flusses und/oder zur durchfuehrung einer davon abhaengigen regelungInfo
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Description
2653353
Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Wi ickmajnn, Dipl.-Phjts. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. Α.λ^. eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
DXIIIPR
8 MÜNCHEN 86, DEN
POSTFACH 860 820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
J. AGAR INSTRUMENTATION LIMITED
Prospect Road, Alresford,
Hampshire, S024 9QG, England
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Hampshire, S024 9QG, England
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsmedium-Flusses und/oder zur Durchführung
einer davon abhängigen Regelung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung
eines Strömungsmedium-Flusses und/oder zur Durchführung einer davon abhängigen Regelung mit einer Strömungsstaueinrichtung
und zwei Wärme emittierenden Elementen, die in einer Leitung so geometrisch symmetrisch zueinander montiert
sind, daß die Wärme emittierenden Elemente bei fehlendem Strömungsmedium-Flui3 in der Leitung denselben Wärmeverlusten
unterworfen sind und daß die Strömungsstaueinrichtung bei in der Leitung vorhandenem Strömungsmedium-Fluß eine
differentielle Beeinflussung der Wärme emittierenden Elemente durch den Strömungsmedium-Fluß bewirken.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsmedium-Flusses und/oder zur Durchführung
einer davon abhängigen Regelung.
Es ist bekannt, einen Strömungsmedium-Fluß dadurch zu bestimmen, daß der Wärmeverlust eines erwärmten Körpers gemessen
wird, wobei dieser Wärmeverlust durch eine durch das
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strömende Medium hervorgerufene erzwungene Konvektion bewirkt
wird. In diesem Falle ist der Wärmeverlust durch folgende Beziehung gegeben:
ρ = K. Δ Τ 0 (Re)
Darin bedeuten:
K die Wärmeleitfähigkeit des strömenden Mediums, ΔT den Temperaturunterschied zwischen dem erwärmten Körper
und dem Strömungsmedium,
0 (Re) eine Funktion von der Reynolds-Zahl des erwärmten
Körpers
ν die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums, S die Dichte des strömenden Mediums,
μ, die Viskosität des strömenden Mediums,
d die Größe des erwärmten Körpers, und M den Massenfluß des strömenden Mediums.
Wie die oben angegebene Formel zeigt, hängt der Wärmeverlust vom Temperaturunterschied ΔΤ und von weiteren Eigenschaf
tsgrößen des gemessenen strömenden Mediums, nämlich von dessen Wärmeleitfähigkeit K, von dessen Dichte ? und
von dessen Viskosität μ< ab. Daher hängt auch der Massenfluß
bei Bestimmung aus dem Wärmeverlust von diesen Faktoren ab.
Bei kleinen, sich dem Wert Null nähernden Strömungsgeschwindigkeiten
erfolgt darüber hinaus der Wärmeverlust des erwärmten Körpers nicht mehr durch erzwungene Konvektion,
sondern durch natürliche Konvektion. In diesem Falle ist der Wärmeverlust durch folgende Beziehung gegeben:
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Qn = K · ΔΤ 0 (G)
Darin bedeuten:
0 (G) eine Funktion von der Grashof-Zahl des Körpers,
G _ K ΔΤ d3 if.
g die durch die Schwerkraft bedingte Beschleunigung,
T die absolute Temperatur des erwärmten Körpers.
Bei kleinen, gegen null gehenden Strömungsgeschwindigkeiten ist daher keine Abhängigkeit von der Strömung, sondern
nur noch eine Abhängigkeit von den Eigenschaften des strömenden Mediums gegeben. Um dieses Nullpunktverschiebungsproblem
zu kompensieren, ist es bekannt geworden, ein den Warmeverlust messendes Strömungsmeßinstrument nur noch in
Verbindung mit einem einzigen Strömungsmedium, typischerweise Luft, zu verwenden und eine geeignete Temperaturkompensation
vorzusehen.
Es ist darüber hinaus bekannt, zwei erwärmte Körper zu verwenden, von denen einer einen Bezugskörper darstellt, der
in einem Gehäuse angeordnet ist, das mit einer Hauptstromleitung kommuniziert, in welcher der andere erwärmte Körper
angeordnet ist. Obwohl sich eine derartige Maßnahme bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten als zweckmäßig erweist,
ergeben sich jedoch bei großen Strömungsgeschwindigkeiten fehlerhafte Messungen, weil der erwärmte Bezugskörper nur der natürlichen Konvektion unterliegt und weil
bei der Messung einer Gasmassenströmung unerwünschte Dichte- und damit Druckeffekte auftreten.
Weiterhin treten dabei in bestimmten Fällen auch unerwünschte thermische Ausgleichsvorgänge auf.
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Bisher bekannte Strömungsmeßgeräte sprechen darüber hinaus auch nicht auf die Strömungsrichtung an. Soll beispielsweise
eine Gegenströmung oder eine pulsierende Strömung mit dem Mittelwert null gemessen werden, was beispielsweise
an einem von Wind angeblasenem Kamin der Fall sein kann, so sind derartige Strömungsmeßgeräte unwirksam. Ein heißer
Körper, wie beispielsweise ein einfaches Anemometer in Form eines erwärmten Drahtes wirkt in diesen Fällen als
Gleichrichter und führt damit zu einer fehlerhaften Strömungsanzeige .
Die vorliegende Erfindung sieht zur Vermeidung dieser Nachteile bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
eine auf das Verhältnis der Wärmeverluste der beiden Wärme emittierenden Elemente ansprechende Schaltungsanordnung
zur Bestimmung des Strömungsmedium-Flusses und/oder zur Durchführung der davon abhängigen Regelung vor.
Gemäß der Erfindung wird also das Verhältnis der Wärmeverluste zweier Wärme emittierender Elemente ausgenutzt, wodurch
das oben angeführte Nullpunktverschiebungsproblem eliminiert wird, da die beiden Wärme emittierenden Elemente
in gleicher Weise durch natürliche Konvektion beeinflußt werden. Da die beiden Wärme emittierenden Elemente
dem Strömungsmedium-Fluß ausgesetzt sind und hinsichtlich der durch erzwungene Konvektion herbeigeführten Wärmeverluste
unter denselben Bedingungen arbeiten, ist die Kompensation im Vergleich zu einem in einem Gehäuse angeordneten
und unter natürlichen Konvektionsbedingungen arbeitenden erwärmten Bezugskörper besser.
Da die beiden Wärme emittierenden Elemente durch den Strömungsmedium-Fluß
in der Leitung differentiell beeinflußt werden, spricht die Vorrichtung gemäß der Erfindung darüber
hinaus auch auf die Strömungsrichtung an.
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- tr
In Weiterbildung der Erfindung kann die Leitung eine Nebenschluß-Leitung
sein, welche einen Teil einer durch ein Rohr fließenden Strömung aufnimmt.
Andererseits kann die Leitung aber auch in einer in ein Rohr einsetzbaren Sonde vorgesehen sein.
Die Strömungsstaueinrichtung kann durch ein Strömungsstauelement
gebildet sein, wobei die Wärme emittierenden Elemente auf entgegengesetzten Seiten dieses Strömungsstauelementes
angeordnet sind. Ein solches Strömungsstauele—
ment kann sich vollständig über den Querschnitt des Rohres erstrecken und einen Durchlaß aufweisen, wobei die Wärme
emittierenden Elemente auf entgegengesetzten Seiten des Strömungsstauelementes in der Achse des Durchlasses zueinander
ausgerichtet sind.
Andererseits können die Wärme emittierenden Elemente auch auf entgegengesetzten Seiten eines sich über einen Teil
des Querschnittes des Rohres erstreckenden Strömungselementes angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Gestaltungsmerkmal der Erfindung können die Wärme emittierenden Elemente auch auf entgegengesetzten
Seiten einer venturiförmigen Strömungsstaueinrichtung angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Strömungsstaueinrichtung zwei in Achsrichtung des Rohres
gegeneinander versetzte Strömungsstauelemente aufweisen, zwischen denen die Wärme emittierenden Elemente angeordnet
sind.
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Die Wärme emittierenden Elemente werden durch eine geeignete Einrichtung beheizt.
Ausführungsformen für die Wärme emittierenden Elemente sind Thermistoren, Anemometer mit erwärmten Drähten oder Thermoelemente.
In Weiterbildung der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsmedium-Flusses und/oder zur Durchführung
einer davon abhängigen Regelung vorgesehen, daß mit Hilfe einer Vorrichtung, die insbesondere in der vorstehend
definierten Art ausgebildet ist, das Verhältnis der Wärmeverluste der im Strömungsmedium-Fluß befindlichen Wärme
emittierenden Elemente zur Bestimmung des Strömungsmedium-Flusses und/oder zur Durchführung einer davon abhängigen
Regelung ausgenutzt wird.
Dieses Verhältnis kann dabei insbesondere zur Bestimmung der Flußrichtung des strömenden Mediums in einem Rohr ausgenutzt
werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 bis 5 jeweils einen Schnitt mehrerer unterschiedlicher Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 6 und 7 jeweils einen Schnitt einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Nebenschluß-Leitung;
Fig. 8 ein Schaltbild einer in Verbindung mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verwendbaren Schaltungsanordnung;
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/O
Fig. 9 eine teilweise geschnittene Darstellung einer eine erfindungsgemäße Vorrichtung enthaltenden und in
ein Rohr eingesetzten Sonde;
Fig.10 und 11 jeweils einen Schnitt zweier verschiedener
Sonden mit einer Nebenschluß-Leitung, in welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet ist;
und
Fig.12 eine perspektivische, teilweise weggebrochene Darstellung
eines Kamins mit einer in diesem vorgesehenen erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Leitung 10, in der eine plattenförmige Strömungsstaueinrichtung 11 montiert ist, welche sich vollständig
über deren Querschnitt erstreckt. Diese Strömungsstaueinrichtung 11 besitzt einen zentralen Durchlaß 12.
Auf entgegengesetzten Seiten der plattenförmigen Strömungsstaueinrichtung 11 sind Wärme emittierende Elemente 13 und
14, beispielsweise Thermistoren, montiert, welche gleichen
Abstand von der plattenförmigen Strömungsstaueinrichtung besitzen und welche in Richtung der Achse des Durchlasses
12 zueinander ausgerichtet sind.
Die plattenförmige Strömungsstaueinrichtung 11 sowie die
Thermistoren 13 und 14 sind auf diese Weise geometrisch symmetrisch zu einer Symmetrieebene angeordnet, welche
quer zur Leitung 10 und zentral durch die plattenförmige Strömungsstaueinrichtung 11 verläuft. Eine derartige symmetrische
Anordnung stellt sicher, daß die Thermistoren
13 und 14 bei einer Strömungsgeschwindigkeit null denselben Wärmeverlusten unterliegen. In bezug auf den Strömungsmedium-Fluß
durch die Leitung 10 sind die Thermistoren und 14 jedoch asymmetrisch, da der Thermistor 13 einem
Strömungsmedium-Fluß unterworfen ist, welcher durch die
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plattenförmige Strömungsstaueinrichtung 11 unbeeinflußt
ist. Der Thermistor 14 wird dagegen von einem aus dem Durchlaß 12 austretenden Strömungsmedium-Strahl beeinflußt.
Die plattenförmige Strömungsstaueinrichtung 11 bewirkt daher, daß die durch eine nicht dargestellte Einrichtung beheizten
Thermistoren 13 und 14 durch das durch die Leitung 10 strömende Strömungsmedium different!eil beeinflußt werden,
so daß an ihnen unterschiedliche Wärmeverluste auftreten.
Wie im folgenden anhand der Schaltungsanordnung nach Fig. 8 noch beschrieben wird, wird das Verhältnis der Ausgangssignale
der Thermistoren 13 und 14 zur Erzeugung einer Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit ausgenutzt. Die Ausnutzung
dieses Verhältnisses stellt sicher, daß trotz der Temperaturdifferenz zwischen den Thermistoren 13 und 14
und dem durch die Leitung 10 fließenden strömenden Medium und unabhängig von der thermischen Leitfähigkeit des strömenden
Mediums keine Änderung in der Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit
auftritt. Bei Ausnutzung dieses Verhältnisses und geeigneter Dimensionierung der Thermistoren 13 und
14 wird auch jeder Effekt der Dichte oder des Druckes des
strömenden Mediums auf die Anzeige eliminiert.
Würde man an Stelle des vorgenannten Verhältnisses im Gegensatz zur Lehre der Erfindung die Differenz zwischen den
Ausgangssignalen der Thermistoren 13 und 14 ausnutzen, so würde dieses lediglich zu einer Temperatur- und Leitfähigkeitskompensation
bei der Strömungsgeschwindigkeit null führen. Bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten würde dieses
Kompensationsverfahren unwirksam, da das Ausgangssignal proportional zu drei Parametern, nämlich der Massenströmungsrate,
der Temperaturdifferenz zwischen dem Thermistor 13 und dem durch die Leitung 10 fließenden strömenden
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Medium und der thermischen Leitfähigkeit des strömenden Mediums ist. Beispielsweise gilt:
V13 ~ ΚΜΔΤ
Darin bedeuten:
V4, ^ und V1/ die Spannung am Thermistor 13 bzw. 14,
ΔΤ die Temperaturdifferenz zwischen den Thermistoren 13 und 14 sowie dem strömenden Medium,
M die Massenströmungsrate in kg/m , G die Grashof-Zahl, und
K die thermische Leitfähigkeit des strömenden Mediums.
Ändert sich die Temperatur von AT1 auf ΔT2, so gilt für
ι 13 14 1 1 = AT1K (M-G)
und für AT2
Av2 = V13 - V14 =AT2K (M-G)
In diesem Falle ist die Differenz Δν2 - Av1 gleich
T2 - AT1) K (M-G).
Wird jedoch gemäß vorliegender Erfindung das Verhältnis der Spannungen ausgenutzt, so ändert sich das Ausgangssignal
auch bei starker Strömung nicht mit der Temperatur des Gases.
Es gilt dann für AT.
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V11 AT1 MK M
V14 AT1 GK G
V14 AT1 GK G
und für
111 _ ΔΤ2 m _ M
V14 - AT2 GK-G
V14 - AT2 GK-G
Daraus ergibt sich, daß bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unabhängig von Temperaturdifferenzen zwischen
den Thermistoren 13 und 14 sowie dem strömenden Medium
und unabhängig von der thermischen Leitfähigkeit des Gases keine Änderung im Ausgangssignal vorhanden ist, was
dadurch gezeigt werden kann, daß ΔΤ konstant gehalten und K1 in Kp geändert wird.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 liefert wegen des Düseneffektes ein großes Ausgangssignal und erlaubt eine Abstimmung
durch Änderung der Größe der Leitung, der Größe oder der Gestalt des Strömungsmedium-Strahls sowie der Größe oder
des Abstandes der Thermistoren 13 und 14. Die Vorrichtung ist darüber hinaus einfach herzustellen und kann gemäß
den Fig. 6, 7, 10 und 11 als Nebenschluß-Leitung verwendet
werden.
Die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Vorrichtungen entsprechen
generell der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind. Aus diesem Grunde werden sie im folgenden nicht im einzelnen beschrieben.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 ist die plattenförmige Strömungsstaueinrichtung 11 durch ein venturiförmiges
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ft
Strömungsstauelement 15 mit einer Engstelle 16 vorgesehen, wobei die Thermistoren 13 und 14 auf entgegengesetzten Seiten
dieses Strömungsstauelementes 15 angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist der Thermistor 13 in Strömungsrichtung vor der Engstelle 16 und der Thermistor 14 in
Strömungsrichtung hinter der Engstelle in dem von der Engstelle 16 ausgehenden Strahl angeordnet.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die plattenförmige Strömungsstaueinrichtung 11 nach Fig. 1 durch ein Strömungsstauelement
17 ersetzt, das rechteckigen Querschnitt "besitzt und sich lediglich zum Teil über den Querschnitt der Leitung
10 erstreckt, so daß ein freier Raum 18 verbleibt, durch den das Strömungsmedium fließen kann. Bei einer derartigen Ausgestaltung
befindet sich der Thermistor 13 im vollen Strom des Strömungsmediums durch die Leitung 10, während sich der
Thermistor 14 im Schatten des Strömungsstauelementes 17 befindet
.
Die Ausführungsform nach Fig. 4 entspricht der Ausführungsform nach Fig. 3 mit der Ausnahme, daß an Stelle eines rechteckförmigen
Strömungsstauelementes 17 ein Strömungsstauelement 20 mit dreieckigem Querschnitt vorgesehen ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind zwei Strömungsstauelemente
21 und 22 vorgesehen, welche in Achsrichtung der Leitung 10 gegeneinander versetzt sind und welche jeweils
dreieckförmigen Querschnitt besitzen. In diesem Falle sind die Thermistoren 13 und 14 zwischen den Strömungsstauelementen
21 und 22 angeordnet. Auf diese Weise lfegt der Thermistor
13 im Schatten des Strömungsstauelementes 21, während der Thermistor 14 in Strömungsrichtung unmittelbar vor dem
Strömungsstauelement 22 liegt.
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Wird eine Vorrichtung nach Fig. 1 oder 3 zur Messung eines Stroms verschmutzten Gases verwendet, so kann es notwendig
sein, eine Filtereinrichtung vorzusehen, um sicherzustellen, daß der Durchlaß 12 oder der freie Raum 18 nicht blockiert
wird. Erweist sich eine derartige Filtereinrichtung als nicht zweckmäßig oder soll sie einfach vermieden werden,
so können Vorrichtungen nach den Fig. 2 bis 5 verwendet werden, da die darin verwendeten Formen von Strömungsstauelementen
kaum durch Schmutz blockiert werden können.
Die Vorrichtung nach Fig. 6 entspricht generell der Vorrichtung nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die plattenförmige
StrömungsStaueinrichtung 11 sowie die Thermistoren 13 und
14 in einer Nebenschluß-Leitung 19 angeordnet sind, welche mit entgegengesetzten Seiten einer Durchlaßplatte 23 oder
einer anderen Differenzdruckanordnung in der Leitung 10 kommuniziert.
Die Vorrichtung nach Fig. 7 entspricht der Vorrichtung nach Fig. 6 mit der Ausnahme, daß das in Strömungsrichtung
vordere Ende der Nebenschluß-Leitung 19 in Strömungsrichtung unmittelbar vor einem Venturi-Element 24 liegt,
während das in Strömungsrichtung hintere Ende der Nebenschluß-Leitung 19 mit der Engstelle des Venturi-Elementes
24 kommuniziert.
Da die Thermistoren 13 und 14 nach den Fig. 1 bis 6 aufgrund
der StrömungsStaueinrichtung differentiell durch das
durch die Leitung 10 bzw. die Nebenschluß-Leitung .19 fließende strömende Medium beeinflußt werden, eignen sich diese
Vorrichtungen auch zur Bestimmung der Strömungsrichtung. Fließt beispielsweise bei der Vorrichtung nach Fig. 1 das
Strömungsmedium gegen die Richtung eines in die Figur eingezeichneten Pfeiles, so steht der Thermistor 14 unter der
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Wirkung eines durch die plattenförmige Strömungsstaueinrichtung
11 praktisch unbeeinflußten Strömungsmedium-Flusses, während der Thermistor 13 durch den aus dem Durchlaß
12 austretenden Strahl beeinflußt wird. Die Vorrichtung
nach Fig. 7 eignet sich lediglich zur Messung eines in
Richtung eines eingetragenen Pfeils fließenden Strömungsmediums. Kommuniziert die Nebenschluß-Leitung 19 allerdings nicht mit der Engstelle des Venturi-Elementes 24, sondern mit einer Stelle an der Leitung 10, wie dies durch gestrichelte Linien in Fig. 7 eingetragen ist, so liegen die beiden Enden der Nebenschluß-Leitung 19 symmetrisch zum Venturi-Element 24. In diesem Falle kann die Vorrichtung nach Fig. 7 ebenfalls als Meßeinrichtung für beide Strömungsrichtungen verwendet werden.
nach Fig. 7 eignet sich lediglich zur Messung eines in
Richtung eines eingetragenen Pfeils fließenden Strömungsmediums. Kommuniziert die Nebenschluß-Leitung 19 allerdings nicht mit der Engstelle des Venturi-Elementes 24, sondern mit einer Stelle an der Leitung 10, wie dies durch gestrichelte Linien in Fig. 7 eingetragen ist, so liegen die beiden Enden der Nebenschluß-Leitung 19 symmetrisch zum Venturi-Element 24. In diesem Falle kann die Vorrichtung nach Fig. 7 ebenfalls als Meßeinrichtung für beide Strömungsrichtungen verwendet werden.
In der Schaltungsanordnung nach Fig. 8 liegt der Thermistor
13 zusammen mit einer Schutz-Zener-Diode 25 in einem Zweig
einer elektrischen Brücke 26. Die verbleibenden Zweige dieser Brücke 26 enthalten feste Widerstände 27 und 28 sowie
einen variablen Widerstand 29. Ist die Brücke 26 abgeglichen, wenn der Thermistor 13 auf einer vorgegebenen Temperatur
liegt, so sind Spannungen v.· und v." an Punkten 30
und 31 der Brücke 26 gleich. Die Punkte 30 und 31 liegen an einer positiven bzw. einer negativen Klemme eines Differenzverstärkers
32, dessen Eingang nicht dargestellt
ist. Der Ausgang dieses Differenzverstärkers 32 ist in
einem Punkt 33 mit einer Leitung 34 verbunden, welche wiederum mit einem Punkt 35 der Brücke 26 verbunden ist. Nimmt der Widerstand des Thermistors 13 aufgrund abnehmender oder zunehmender Temperatur zu oder ab, so nimmt die Ausgangsspannung an den Punkten 33 und 35 in der V/eise ab oder zu, daß die Temperatur des Thermistors 13 praktisch konstant gehalten wird. Eine Änderung des Wärmeverlustes des Thermistors 13 aufgrund einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit oder einer Änderung der Temperatur bzw. Zusammen-
ist. Der Ausgang dieses Differenzverstärkers 32 ist in
einem Punkt 33 mit einer Leitung 34 verbunden, welche wiederum mit einem Punkt 35 der Brücke 26 verbunden ist. Nimmt der Widerstand des Thermistors 13 aufgrund abnehmender oder zunehmender Temperatur zu oder ab, so nimmt die Ausgangsspannung an den Punkten 33 und 35 in der V/eise ab oder zu, daß die Temperatur des Thermistors 13 praktisch konstant gehalten wird. Eine Änderung des Wärmeverlustes des Thermistors 13 aufgrund einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit oder einer Änderung der Temperatur bzw. Zusammen-
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Setzung des Strömungsmediuras führt zu einer Änderung der
Spannung an den Punkten 33 und 35.
Entsprechend liegt der Thermistor 14 zusammen mit einer Schutz-Zener-Diode 36 in einem Zweig einer elektrischen
Brücke 37· Die weiteren Zweige dieser Brücke 37 enthalten feste Widerstände 40 und 41 sowie einen variablen Widerstand
42. Wenn diese Brücke 37 bei einer vorgegebenen Temperatur des Thermistors 14 abgeglichen ist, so sind Spannungen
Vp1 und v^" an Punkten 43 und 44 der Brücke 37 gleich.
Die Punkte 43 und 44 sind an eine positive bzw. an eine negative Klemme eines Differenzverstärkers 45 angekoppelt,
dessen Eingang nicht dargestellt ist. Der Ausgang dieses Differenzverstärkers ist in einem Punkt 46 mit einer Leitung
47 verbunden, welche ihrerseits mit einem Punkt 48 der Brücke 37 verbunden ist.
Ebenso wie bei der Brücke 26 wird der Thermistor 14 auf konstanter
Temperatur gehalten, wobei eine Änderung des Wärmeverlustes des Thermistors 14 aufgrund einer Änderung der
Temperatur oder der Zusammensetzung des in der Leitung 10 fließenden strömenden Mediums zu einer Änderung der Spannung
an den Punkten 46 und 48 führt.
Der Punkt 46 ist über eine von einem Punkt 50 abgehende Leitung 49 mit einem Transistor Q4 gekoppelt, wobei an
den Punkt 50 ein Integrator LA5 angekoppelt ist, der durch einen einen Widerstand R23 und eine Kapazität C7 enthaltenden
Zweig überbrückt ist. Der Punkt 46 ist weiterhin über einen einen Widerstand RI6 enthaltenden Leitungszug 46a
an den Integrator LA5 angekoppelt, wobei die Leitung 46a über einen Widerstand R18 an einen Transistor Q3 angekoppelt
ist, welcher seinerseits über eine Diode D6 an den Ausgang einer Vergleichsstufe LA6 angekoppelt ist, die
wiederum über eine Diode D7 an den Transistor 04 angekoppelt ist. Die Vergleichsstufe LA6 ist an den Integrator LA5,
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den Transistor Q4 und an einen Transistor Q5 angekoppelt. Dieser Transistor Q5 ist über einen Widerstand R34 und
eine Diode D18 an den Ausgang der Vergleichsstufe LA6 angekoppelt.
Die vorstehend beschriebene Teilschaltung stellt einen Spannungs-Frequenzwandler dar, so daß die Ausgangsfrequenz
F der Vergleichsstufe LA6 bei Spannungen ν und v~ am Punkt 33 bzw. 46 durch die Beziehung F = ν-,/ν + K
gegeben und damit eine Funktion des Verhältnisses der Spannungen ν und v„ ist. K ist dabei ein variabler Faktor,
welcher durch nicht dargestellte Elemente einstellbar ist.
Der Spannungs-Frequenzwandler arbeitet folgendermaßen. Die Bezugsspannung der Vergleichsstufe LA6 wird durch den
Transistor Q4 auf einen Wert ν /Ζ eingestellt, wenn der Ausgang der Vergleichsstufe LA6 tief liegt, und durch den
Transistor Q5 auf einen Wert ν eingestellt, wenn der Ausgang der Vergleichsstufe LA6 hoch liegt.
Unter der Annahme, daß der Ausgang der Vergleichsstufe LA6 hoch liegt, so ist der Transistor Q3 durchgeschaltet, so
daß die Ausgangsspannung des Integrators LA5 ansteigt, bis sie den Wert vr erreicht hat. Das Ausgangssignal der
Vergleichsstufe LA6 nimmt dann ab, wodurch der Transistor Q3 gesperrt wird, was wiederum zur Folge hat, daß die Ausgangsspannung
des Integrators LA5 abnimmt. Wenn die Ausgangsspannung des Integrators LA5 den Wert ν /2 erreicht,
so schaltet die Vergleichsstufe LA6 um, so daß die Integrationsrichtung umgekehrt und der Zyklus wiederholt wird.
Der Integrationsbetrag wird durch das Verhältnis der Werte der Widerstände R16 und R18 so eingestellt, daß er in bei-
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den Teilen des Zyklus gleich ist. Das Ausgangssignal des Komparators LA6 wird in einen Linearisierungskreis 55 eingespeist
und sodann über einen Verstärker 56 in eine Ausgangssignal-Anzeigestufe
57 eingespeist. Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung 10 bewirken eine
lineare Änderung des Anzeigewertes in der Ausgangssignal-Anzeigestufe 57.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 8 ist so ausgelegt, daß
der Tatsache Rechnung getragen wird, daß die Thermistoren 13 und 14 lediglich einen stabilen Arbeitspunkt besitzen.
Während der Aufwärmzeit nach Einschalten der Schaltungsanordnung werden die Thermistoren automatisch auf diesen stabilen
Arbeitspunkt eingestellt.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 56 kann in die Ausgangssignal-Anzeigestufe
57 und in ein Strömungssteuerventil oder nur in dieses Strömungssteuerventil 63 eingespeist werden,
das über nicht dargestellte Einrichtungen beispielsweise die Menge von Dampf oder eines anderen strömenden Mediums
steuert, das mit dem in der Leitung 10 fließenden strömenden Medium gemischt werden soll. Die Leitung 10 kann
beispielsweise eine zu einem (nicht dargestellten) Abzugskamin führende Abgasleitung sein, wobei die eingeleitete
Dampfmenge durch das Strömungssteuerventil 63 beispielsweise
so gesteuert wird, daß sie sowohl dem Massenfluß als auch dem Molekulargewicht des Abgases proportional ist.
Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform sind die Leitung 10, die Thermistoren 13 und 14 sowie die plattenförmige
Strömungsstaueinrichtung 14 gemäß Fig. 1 in einer Sonde 64 montiert, welche in ein Gasrohr 65 einsetzbar ist.
Bei der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform sind die
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Thermistoren 13 und 14 sowie die plattenförmige Strömungsstaueinrichtung
11 gemäß Fig. 1 in einer Nebenschluß-Leitung 66 angeordnet, welche ihrerseits Teil einer Sonde 67
ist. Ein in Strömungsrichtung vorn liegender Teil-68 der
Nebenschluß-Leitung 66 nimmt durch ein Gasrohr 70 strömende Gase auf, während ein in Strömungsrichtung hinten liegender
Teil 71 die Nebenschlußströmung zum Rohr 70 zurückführt.
Der Vorteil der in Fig. 10 dargestellten Vorrichtung besteht darin, daß die Sonde 67 mit (nicht dargestellten)
Einrichtungen versehen werden kann, um Schmutz und Feuchtigkeit abzuführen, Wärme zu reduzieren und um die Nebenschluß-Leitung
66 von Schmutz zu reinigen, ohne daß das Gasrohr 70 selbst mit derartigen Einrichtungen versehen
werden muß. Mit anderen Worten muß lediglich eine geringe Menge der durch das Gasrohr 70 strömenden Gase beispielsweise
zur Entfernung von Schmutz behandelt werden.
Fig. 11 zeigt eine generell der Ausführungsform nach Fig.
entsprechende Ausführungsform zur Messung geringer Strömungen. Bei dieser Vorrichtung nach Fig. 11 ist eine Sonde
mit mehreren (beispielsweise vier) Einlaßöffnungen 73 vorgesehen, welche jeweils mit einem in Strömungsrichtung vorderen
Teil 68 der Nebenschluß-Leitung 66 kommunizieren. Diese Einlaßöffnungen 73 besitzen einen nach bekannten
Näherungsfunktionen, beispielsweise Pade-, Chebyschef- oder Butterworth-Funktion, gewählten Abstand, so daß das
über die Thermistoren 13 und 14 in der Nebenschluß-Leitung 66 strömende Gas eine Zusammensetzung besitzt, welche der
mittleren Zusammensetzung des durch die gesamte Gasleitung 70 strömenden Gases entspricht.
Die Sonde 72 besitzt mehrere (beispielsweise zwei) Auslaßöffnungen
74, welche mit einem in Strömungsrichtung
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hinteren Teil 71 der Nebenschluß-Leitung 66 kommunizieren, wobei aufgrund der Verwendung mehrerer Auslaßöffnungen 74
ein Blockieren bei gegenläufiger Flußrichtung verhindert wird. Im Inneren der Sonde sind Blöcke 75 angeschweißt (von
denen lediglich einer dargestellt ist), die so geformt sind, daß das durch das Gasrohr 70 strömende Gas in Richtung von
Pfeilen 76 geführt ist. Daher tritt das Gas in die Einlaßöffnungen 73 ein, strömt durch die Nebenschluß-Leitung 76
und tritt durch die Auslaßöffnungen 74 wieder aus.
Wird die Sonde 72 benutzt, um Strömungen sowohl in Richtung der Pfeile 76 als auch in Gegenrichtung zu untersuchen, so
besitzt sie gleiche Zahlen von Einlaßöffnungen 73 und Auslaßöffnungen 74, welche zueinander ausgerichtet sind.
Die Sonde 72 kann zur Untersuchung von in Rohren verschiedener Gestalt strömenden Gasen benutzt werden. Die Rohre
können beispielsweise zylindrischen oder rechteckigen Querschnitt besitzen. Insbesondere eignet sich die Sonde 72 jedoch
zur Untersuchung von durch einen Abgaskamin 80 strömenden Gasen, wie er in Fig. 12 dargestellt ist. In diesem Falle
kann der außerhalb des Abgaskamins 80 liegende Teil der Nebenschluß-Leitung 66 als Feuchtigkeitsfalle 81 ausgebildet
werden, welche mit einem kontinuierlich arbeitenden S-förmigen Trocknungsrohr 82 versehen ist.
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Claims (12)
1. Vorrichtung zur Bestimmung eines Strömungsmedium-Flusses
und/oder zur Durchführung einer davon abhängigen Regelung mit einer Strömungsstaueinrichtung und zwei Wärme emittierenden
Elementen, die in einer Leitung so geometrisch symmetrisch zueinander montiert sind, daß die Wärme emittierenden
Elemente bei fehlendem Strömungsmedium-Fluß in der Leitung denselben Wärmeverlusten unterworfen sind und daß
die Strömungsstaueinrichtung bei in der Leitung vorhandenem Strömungsmedium-Fluß eine differentielle Beeinflussung
der Wärme emittierenden Elemente durch den Strömungsmedium-Fluß bewirken, gekennzeichnet durch eine auf das Verhältnis
der Wärmeverluste der beiden Wärme emittierenden Elemente (13» 14) ansprechende Schaltungsanordnung (Fig. 8) zur Bestimmung
des Strömungsmedium-Flusses und/oder zur Durchführung der davon abhängigen Regelung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (19) eine Nebenschluß-Leitung ist, welche
einen Teil einer durch ein Rohr (10) fließenden Strömung aufnimmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung in einer in ein Rohr (65) einsetzbaren Son«
de (64) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die StrömungsStaueinrichtung durch ein Strömungsstauelement (11) gebildet ist und daß die Wärme
emittierenden Elemente (13, 14) auf entgegengesetzten Seiten
des Strömungsstauelementes (11) angeordnet sind (Fig. 1)
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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Strömungsstauelement (11) vollständig über den
Querschnitt des Rohres (10) erstreckt und einen Durchlaß (12) aufweist und daß die Wärme emittierenden Elemente
(13, 14) auf entgegengesetzten Seiten des Strömungsstauelementes (11) in der Achse des Durchlasses (12) zueinander
ausgerichtet sind (Fig. 1).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärme emittierenden Elemente (13, 14) auf entgegengesetzten Seiten eines sich über einen
Teil des Querschnitts des Rohres erstreckenden Strömungselementes (17) angeordnet sind (Fig. 3).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärme emittierenden Elemente (13, 14) auf entgegengesetzten Seiten einer venturiförmigen
Strömungsstaueinrichtung (15) angeordnet sind (Fig. 2).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömungsstaueinrichtung zwei in Achsrichtung des Rohres (10) gegeneinander versetzte
Strömungsstauelemente (21, 22) aufweist, zwischen denen die Wärme emittierenden Elemente (13, 14) angeordnet sind
(Fig. 5).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Beheizung der Wärme emittierenden
Elemente (13, 14).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärme emittierenden Elemente (13, 14) Thermistoren sind.
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11. Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsmedium-Flusses
und/oder zur Durchführung einer davon abhängigen Regelung, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Vorrichtung
insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10 das Verhältnis der Wärmeverluste der im Strömungsmedium-Fluß
befindlichen Wärme emittierenden Elemente zur Bestimmung des Strömungsmedium-Flusses und/oder zur Durchführung
einer davon abhängigen Regelung ausgenutzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wärmeverluste zur Bestimmung der Fluß
richtung des strömenden Mediums in einem Rohr ausgenutzt wird.
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