DE2656487A1 - Mikrostroemungsfuehler fuer gase - Google Patents

Mikrostroemungsfuehler fuer gase

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Description

PATENTANWALT
D - 605 OFFENBACH (MAIN) KAISERSTRASSE 9 BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
TELEFON (0611) 88 27 21
22. November 1976 Zap/Han
Akte: 76515
LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG
Bonner Straße 504
Köln - 51
" Mikroströmungsfühler für Gase
Die Erfindung betrifft einen Mikroströmungsfühler für Gase, ins· besondere für Infrarot-Gasanalysengeräte, bestehend aus einem Heizleiter und zwei im Einflußbereich des Heizleiters angeordneten Widerstandsthermometern, welche aus dünnem Draht bestehen und zwischen dickeren Anschlußdrähten gehalten sind.
809824/043
Bei. einigen physikalischen Meßverfahren geht es darum, in Gasen sehr kleine pulsierende Drücke oder Volumenströme zu messen. Hierzu gehören beispielsweise die Infrarot-Gasanalyse, Leckmessungen in niedrigen Empfindlichkeitsbereichen, Atemmessungen in der Medizin oder andere Messungen mit sehr geringem Gasverbrauch aufgrund eines Vorganges.
Für die Messung von Gasvolumen.-Strömen können Mikroströmungsfühler der eingangs beschriebenen Gattung verwendet werden, die auch als Hitzdrahtanemometer bezeichnet werden- Unter einem schnellen Mikroströmungsfühler für Gase versteht man ein Strömungs-Meßsystem für sehr kleine Volumens-Ströme, dessen funktionsbildende Elemente zwei oder mehrere, über eine Gasstrecke temperaturgekoppelte, zum Teil massearme Festkörpergebilde darstellen. Dabei wird von einem erwärmten Festkörpergebilde, das z.B. ein relativ träges, massebehaftetes Teil sein kann, in dem zu messenden Gas eine heiße Wolke aufgebaut, die durch ein Isothermenfeld beschrieben werden kann. Eine erzwungene Strömung verformt diese Gaswolke bzw. das Isothermenfeld. Durch einen oder mehrere massenarme Temperaturfühler, die innerhalb der Gaswolke angeordnet sind, kann ein in Grenzen strömungsproportionales Signal erzeugt werden.
Die Forderung nach geringer Masseträgheit der Temperaturfühler führt beispielsweise zu Widerstandsthermometern aus äußerst dünnen Widerstandsdrähten, deren Durchmesser zwischen
-3
etwa 0,5 und 5 · 10 mm liegt. Eine geringe Massenträgheit ist deswegen erforderlich, damit die Widerstandsthermometer auch noch bei pulsierenden Gasströmungen in der Größenordung zwischen etwa 10 und 50 Hz ein ausreichendes Auflösungsvermögen besitzen.
Bei einem Strömungsfühler für kleinste Strömungen muß außer-
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dem dafür gesorgt werden, daß keinerlei freie Konvektion innerhalb des Fühlers auftreten kann, die im Gegensatz zur erzwungenen Konvektion des Meßeffektes steht. Dies erfordert
3 Abmessungen des aktiven Fühlervolumens, die bei etwa 1 mm und darunter liegen. Die Länge der Widerstandsthermometer soll dabei nach Möglichkeit zwischen 0,4 und 1,5 mm liegen. Aus den vorstehend genannten Forderungen und Konstruktionsvorschriften ergibt sich, daß ein derartiger Mikroströmungsfühler ein extremes Produkt der Feinwerktechnik mit hohen Anforderungen an die Präzision der Fertigung ist. Hiermit sind notwendigerweise hohe Gestehungskosten mit erheblichem Lohnanteil verbunden.
Durch die Dissertation von Dr. Günter Schunck "Schnelle Meßfühler für kleine Gasströme", 9. Dezember 1974, Fakultät für Elektrotechnik der Universität Karlsruhe, ist einMikroströmungsfühler der eingangs beschriebenen Gattung vorbekannt Bei dem bekannten Mikroströmungsfühler sind der Heizleiter und die beiden Widerstandsthermometer unabhängig voneinander an Anschlußdrähten aufgehängt, die aufgrund ihrer federnden Ausbildung eine thermische Längenausdehnung zulassen.
Während ein derartiger Mikroströmungsfühler den an ihn gestellten meßtechnischen Forderungen in vollem Umfange genügt, hat es sich in der Praxis gezeigt, daß er empfindlich gegen Erschütterungen und kostspielig in der Fertigung ist. Durch die bei manchen Meßgeräten unvermeidlichen Erschütterungen tritt gelegentlich eine Zerstörung der empfindlichen Widerstandsthermometer auf. Auch bei der Motage ergeben sich Probleme, da die Widerstandsthermometer einzeln an eingeschmolzenen Anschlußdrähten befestigt werden müssen, wobei sie mechanisch nicht überfordert werden dürfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikro-
809824/0439 " 4 "
ff -
strömungsfühler der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, der wesentlich unempfindlicher gegen Erschütterungen und mit geringerem Aufwand sowie geringerem Ausschuß herstellbar ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Mikroströmungsfühler erfindungsgemäß dadurch, daß die Anschlußdrähte für die Widerstandsthermometer' am Heizleiter befestigt sind. Tragendes Element für die Widerstandsthermometer ist somit der außerordentlich stabile Heizleiter, der üblicherweise aus Platin besteht und einen Durchmesser zwischen etwa 15 und 30 · 10 mm — besitzt. Dieser Heizleiter ist mindestens einseitig, vorzugsweise sogar beidseitig elastisch aufgehängt, so daß etwaige Erschütterungen elastisch aufgefangen werden. Durch die Befestigung der Anschlußdrähte am Heizleiter erfolgt unter dem Einfluß der wechselseitigen Erwärmung eine gleichsinnige Ausdehnung, so daß die empfindlichen Widerstandsthermometer mechanisch nur unwesentlich beansprucht werden. Die Fertigung gestaltet sich wesentlich einfacher dadurch, daß die feinen Widerstandsthermometer zunächst am Heizleiter befestigt, d.h. mit den am Heizleiter angebrachten Anschlußdrähten verbunden werden, bevor die Gesamtanordnung auf einer Grundplatte oder dergleichen befestigt wird.
Gemäß der weiteren Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn der zwischen den Widerstandsthermometern angeordnete Anschlußdraht elektrisch leitend mit dem Heizleiter verbunden ist, und wenn die beiden übrigen Anschlußdrähte mittels eines Isolierkörpers am Heizleiter befestigt sind. Auf diese Weise dient der Heizleiter gleichzeitig als eine der Abgriffstellen für die Meßspannung, so daß ein Anschluß bzw. eine Durchführung eingespart wird.
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Eine besonders einfache Ausführung ergibt sich dann, wenn der Isolierkörper eine Glasperle ist, in welche der Heizleiter und zwei der Anschlußdrähte eingeschmolzen sind.
Im Hinblick auf die mechanischen Spannungen in den Wider-Standsthermometern, die auf unterschiedliche thermische Ausdehnungen im System zurückzuführen sinds ergeben sich besondere Vorteile dann, wenn die Widerstandsthermometer bogenförmig gestaltet sind und an ihren Enden tangential in die Anschlußdrähte übergehen. Durch eine solche Ausbilduwg, deren Geometrie in den Figuren näher erläutert ist, wird erreicht, daß die entsprechenden Abbiegungen der Anschlußdrähte in Verbindung mit der Krümmung der Widerstandsthermometer deren Ausbiegung vorgegeben ist, So daß die Thermometerdrähte eine eindeutige räumliche Fixierung zuverlässig erhalten.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Einzelheiten werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf einen Mikroströmungs-
fühler, der in eine Meßanordnung für ein Infrarot-Gasanalysengerät eingebaut ist,
Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II - II in Figur 1 und
Figur 3 einen vergrößerten Teilausschnitt aus Figur 1,
ergänzt durch die Zuordnung eines schematischen Meßkreises in Form einer Brückenschaltung.
In den Figuren 1 und 2 ist eine Grundplatte bezeichnet,
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die von einem Befestigungsflansch 11 umgeben ist. In der Grundplatte sind drei Durchführungsisolatoren 12, 13 und 14 angeordnet, von denen in Figur 2 nur zwei sichtbar sind. In den DurchfUhrungsisolatoren befinden sich Anschlußstifte 12a, 13a und 14a für die Zuführung des Heizstroms und den Abgriff der Meßspannung, worauf im Zusammenhang mit Figur 3 noch näher eingegangen wird. Ein weiterer Anschlußstift 15a dient für die Masseverbindung und ist elektrisch leitend mit der Grundplatte 10 verbunden.
Mit dem Anschlußstift 14a ist über einen Federbügel 16, der aus einer Platin- Iridium-Legierung besteht, ein Heizleiter 17 verbunden, dessen anderes Ende über einen Stützdraht mit der Grundplatte 10 und damit mit Masse in Verbindung steht.
Etwa in der Mitte des Heizleiters 17 befindet sich eine Anordnung B aus Anschlußdrähten und Widerstandsthermometern, auf die der Übersichtlichkeit halber im Zusammenhang mit Figur 3 näher eingegangen wird. Es sei hier lediglich so viel erwähnt, daß die Anschlußenden der Anordnung 19 mit den Anschlußstiften 12a und 13a verbunden sind. Beiderseits der Anordnung 19 befinden sich zwei Kammern 20 und 21, deren Austrittsöffnungen 22 und 23 einander gegenüber liegen und auf die Anordnung 19 ausgerichtet sind. Die Kammern 20 und 21 sowie die Austrittsöffnungen 22 und 23 werden durch entsprechend profilierte, planparallele Segmentkörper 24 und 25 gebildet, die spiegelbildlich angeordnet sind. Die Anordnung nach den Figuren 1 und 2 setzt sich nach oben hin in einem Gehäuse (nicht dargestellt) fort in dem gasgefüllte größere Kammern und Verbindungskanäle angeordnet sind, die zu den Kammern 20 und 21 führen.
Diese größeren Kammern erzeugen bei abwechselnder periodischer Beaufschlag mit Strahlungsenergie, z.B. Infrarot-Strahlung eine
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zwischen den Kammern 20 und 21 hin und her pulsierende Strömung, wobei die Anordnung 19 von der sich durch die Austrittsöffnungen 22 und 23 ausbildenden Gasströmung getroffen wird. In Figur 3 sind gleiche Teile wie bisher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Anordnung 19 besteht aus drei Anschlußdrähten 26, 27 und 28, von denen die Anschlußdrähte 26 und 27 wie dargestellt schwach gekröpft ausgebildet und gemeinsam mit dem Heizleiter 17 in einen aus Glas bestehenden Isolierkörper 29 eingeschmolzen sind. Die Anschlußdrähte 26 und 27 ragen nach beiden Seiten aus dem Isolierkörper 29 hervor und sind über Zwischenleitungen 30 und 31 mit den Anschlußstiften 12a und 13a verbunden. Die jenseitigen Enden der Anschlußdrähte 26 und 27, die wie der Heizleiter 17 aus Platin bestehen, sind an Lötstellen 32 und 33 mit Widerstandsthermometern 34 und 35 verbunden, die eine schwach bogenförmig gekrümmte Form aufweisen. Die beiden anderen Enden der Widerstandsthermometer sind über Lötstellen 36 und 37 mit dem Anschlußdraht 28 verbunden, der U-förmig gebogen und am Knotenpunkt 38 elektrisch leitend mit dem Heizleiter 17 verbunden ist.
Es ist zu erkennen, daß die Enden der Anschlußdrähte 26, 27 und 28, die mit den Widerstandsthermometern 34 und 35 verbunden bzw. verlötet sind, unter einem spitzen Winkel zum Heizleiter 17 verlaufen, und daß die Widerstandsthermometer 34 und 35 tangential in die Anschlußdrähte übergehen. Dies hat zusätzlich zu der oben angegebenen Wirkung den Vorteil, daß durch diese Biegung der Anschlußdrähte die Krümmung bzw. der bogenförmige Verlauf der Widerstandsthermometer bei der Montage durch Löten zwangsläufig vorgegeben wird.
Die Anordnung 19, deren Elemente sämtlich in einer Ebene liegen,
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- Sr -
bildet zusammen mit dem Heizleiter. 17 und dem Federbügel 16 eine selbsttragende Einheit, die bei der Montage lediglich noch mit den Anschlußstiften 12a, 13a und 14a bzw. mit der Grundplatte 10 verbunden werden muß.
Beim Betrieb des Mikroströmungsmessers beispielsweise im Rahmen eines Infrarot-Gasanalysengerätes bildet sich eine pulsierende Wechselströmung aus, die durch die einfachen bzw. doppelten Pfeile in den Austrittsöffnungen 22 und 23 in Figur 3 gekennzeichnet ist. Durch diese Strömungen wird das Isothermenfeld, welches sich im Ruhezustand koaxial zum Heizleiter 17 ausbiIdet, definiert gestört, wobei das zuerst angeströmte Widerstandsthermometer abgekühlt und das danach angeströmte Widerstandsthermometer aufgeheizt wird. Durch diesen Effekt wird die eingestellte Symmetrie einer Brückenschaltung 4o gestört, die aus den Widerstandsthermometern 34 und 35, aus zwei Widerständen RQ und einer Diagonal-Leitung D besteht, in der ein auf die zu messende Größe"geeichtes Spannungsmeßgerät 39 für die Diagonalspannung angeordnet ist. An Klemmen 41 wird eine Brückenspannung U^ angelegt, an Klemmen 42 eine Heizspannung U. für den Heizleiter 17. Es gilt der Grundsatz, daß die Widerstände Rq vielfach größer sind als die Widerstände der Widerstandsthermometer 34 und 35. Die meßtechnische Verarbeitung der Widerstandsänderungen an den Widerstandsthermometern ergibt sich aufgrund der nichtnäher bezeichneten Leitungsführung, die im übrigen, für sich genommen, Stand der Technik ist und daher nicht weiter erläutert zu werden braucht. Hinsichtlich der Drahtdurchmesser sei noch erwähnt, daß die Dicke der Anschlußdrähte 26, 27 und 28 zwischen etwa 10 und 20 · 10 mm liegt, während die Dicke der Widerstandsthermometer zwischen etwa 0
liegt.
_o _3
etwa 0,5 und 5 . 10 mm, vorzugsweise bei etwa 1 ■ 10 mm
- 9 80982A/0439

Claims (6)

  1. A η s. ρ r U c h e:
    Mikroströmungsfühler für Gase, insbesondere für Infrarot-Gasanalysengeräte, bestehend aus einem Heizleiter und zwei im Einflußbereich des Heizleiters angeordneten Widerstandsthermometern, welche aus dünnem Draht bestehen und zwischen dickeren Anschlußdrähten gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (26, 27, 28) am Heizleiter (17) befestigt sind.
  2. 2. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Widerstandsthermometern (34, 35) angeordnete Anschlußdraht (28) elektrisch leitend mit dem Heizleiter (17) verbunden ist, und daß die beiden übrigen Anschlußdrähte (26, 27) mittels eines Isolierkörpers (29) am Heizleiter befestigt sind.
  3. 3. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (29) eine Glasperle ist, in welche der Heizleiter (17) und zwei Anschlußdrähte (26, 27) eingeschmolzen sind.
  4. 4. Mikroströmungsfühler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (26, 27,
    28) und die zwischen ihnen liegenden Widerstandsthermometer (34, 35) in etwa einen lyraförmigen Umriß bilden, welcher zum Hetzleiter (17) symmetrisch verläuft.
  5. 5. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsthermometer (34, 35) bogenförmig gestaltet sind und an ihren Enden tangential in die Änschlußdrähte (26, 273 28) übergehen.
  6. 6. Mikroströmungsfühler nach Anspruch I0 dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Widerstandsthermometer (34S 35) Austrittsöffnungen (22S 23) von Kammern (2o9 21) angeordnet
    sind..- ■ 80982470439
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