DE2656487C3

DE2656487C3 - Mikroströmungsfühler für Gase

Info

Publication number: DE2656487C3
Application number: DE2656487A
Authority: DE
Inventors: Albert Ing.(Grad.) Randow; Guenter Dr.-Ing. Schunck
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Emerson Process Management GmbH and Co oHG
Priority date: 1976-12-14
Filing date: 1976-12-14
Publication date: 1981-01-29
Also published as: NL186406C; DE2656487A1; JPS5374457A; FR2374626A1; IT1088026B; CH626452A5; DE2656487B2; JPS5921505B2; NL186406B; US4154087A; FR2374626B1; GB1556979A; NL7713537A

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroströmungsfühler für Gase, bestehend aus einem senkrecht zur Strömungsrichtung ausgespannten, mindestens einseitig elastisch aufgehängten, länglichen stromdurchflossenen Heizleiter und je einem in Strömungsrichtung davor und danach und im Einflußbereich des Heizleiters angeordneten Widerstandsthermometer, welche aus dünnem Draht bestehen, an ihren Enden zwischen dickeren Anschlußdrähten gehalten sind, in der gleichen Ebene wie der Heizleiter liegen, im wesentlichen parallel und mit Abstand zu diesem verlaufen und an ihren beiden Enden in die Enden der Anschlußdrähte übergehen.

Durch den Aufsatz »Reverse flow sensing hot wire anemometer«, veröffentlicht in Journal of Physics E: Scientific Instruments 1972, Band 5, Nr. 9, September, Seiten 849 bis 851 ist ein Mikroströmungsfühler bekannt, bei dem die Widerstandsthermometer beidseitig des Heizleiters aber unabhängig von diesem an Anschlußdrähten gehalten sind. Die Ebenen, in denen sich die Widerstandsthermometer einerseits und der Heizleiter andererseits befinden, stehen senkrecht zueinander, so daß schon aus diesem Grunde eine Befestigung der Anschlußdrähte am Heizleiter nicht oder nur unter Inkaufnahme weiterer Nachteile möglich ist Durch die senkrechte Anordnung der Widerstands-

"> thermometer zum Heizleiter wird erreicht, daß im wesentlichen nur eine Strömungsrichtung meßtechnisch erfaßt wird, nämlich die senkrechte Anströmung von Widerstandsthermometern und Heizleiter. Da die Drähte auf dem größten Teil ihrer Länge einen großen

Ό Abstand zueinander haben, hat der Fühler eine große, für zahlreiche Anwendungsfälle untragbare Zeitkonstante. Außerdem ist dem Meßsignal insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ein starkes Rauschen überlagert Wie aus dem Aufsatz hervorgeht ist aas bekannte System für Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 25 m pro Sekunde, also etwa Kraftfahrzeuggeschwindigkeit, geeignet

Durch die DE-AS 20 52 645 ist ein thermoelektrisches Anemometer mit zwei Thermoelementen bekannt, von denen eines mit dem Heizdraht in Verbindung steht Ein derartiges Meßgerät ist nur für relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich zwischen 0,5 und 10 m pro Sekunde geeignet Der bekannte Gegenstand soll dazu dienen, Luftgeschwindigkeiten zu messen, wie sie hinter einem Kraftfahrzeugkühler, an der Auslaßöffnung eines Heizkörpers, eines Luftkühlcrs oder eines Entfrosters auftreten.

Bei einigen physikalischen Meßverfahren geht es darum, in Gasen sehr kleine pulsierende Drücke oder

μ Volumensströme zu messen, die um mehrere Größenordnungen kleiner sind als bei den vorstehend beschriebenen Anemometern. Hierzu gehören beispielsweise die Infrarot-Gasanalyse, Leckmessungen in niedrigen Empfindlichkeitsbereichen, Atemmessungen in der Medizin oder andere Messungen mit sehr geringem Gasverbrauch aufgrund eines physikalischen Vorgangs.

Für die Messung von Gasvolurners-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 beispielsvjeise zu Widerstandsthermometern aus äußerst dünnen Widerstandsdrähten, deren Durchmesser zwischen etwa 0,5 und 5 · 10-³ mm liegt Eine geringe Massenträgheit ist deswegen erforderlich, damit die Widerstandsthermometer auch noch bei pulsierenden Gasströmungen in der Größenordnung zwischen etwa IO und 50 Hz ein ausreichendes

Auflösungsvermögen besitzen.

Bei einem Strömungsfühler für kleinste Strömungen muß außerdem dafür gesorgt werden, daß keinerlei freie Konvektion innerhalb des Fühlers auftreten kann, die im

Gegensatz zur erzwungenen Konvektion des Meßeffektes steht. Dies erfordert Abmessungen des aktiven Fühlervolumens, die bei etwa 1 mm³ 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. Damit sind notwendigerweise hohe Gestehungskosten mit erheblichem Lohnanteil verbunden.

Durch die Dissertation »Schnelle Meßfühler für kleine Gasströme«, 9. Dezember 1974, von Dr. Günter Schunck, Fakultät für Elektrotechnik der Universität Karlsruhe, ist ein Mikroströmungsfühler 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 Mifcroströmungsfühler 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 Montage 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 Mikroströmungsfühler 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 vom Heizleiter getragen werden. Tragendes Elemev/t für die Widerstandsthermometer ist somit der außerordentlich stabile Heizleiter, der üblicherweise aus Platin besteht und einen Durchmesser zwischen etwa 15 und 30 · 10-³ mm besitzt Dieser Heizleiter ist vorzugsweise beidseitig elastisch aufgehängt, so daß etwaige Erschütterungen elastisch aufgefangen werden. Durch diese Geometrie des Fühlers 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 können, bevor die Gesamtanordnung auf einer Grundplatte oder dergleichen befestigt wird.

Es ist 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 Abgriffsstellen für die Meßspannung, so daß ein Anschluß bzw. eine Durchführung eingespart wird.

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 Widerstandsthermometern, die auf unterschiedliche thermische Ausdehnungen im System zurückzuführen sind, ergeben sich besondere Vorteile dann, wenn die Widerstandsthermometer bogenförmig gestaltet sind und an ihren Enden tangential in die Anschlußdrähte übergehen. Durch eine solche Ausbildung, deren

ίο Geometrie in den Figuren näher erläutert ist, wird erreicht, daß durch 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 F i g. 1 bis 3 näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Mikroströmungsfüh-Ier, der in eine Meßanordnung für ein Liirarot-Gasanalysengerät eingebaut ist,

Fig.2 einen Schnitt entlang der Linie H-Il in Fig. 1 und
F i g. 3 einen vergrößerten Teilausschnitt aus F i g. 1 ergänzt ^urch die Zuordnung eines schematischen Meßkreises in Form einer Brückenschaltung.

In den F i g. 1 und 2 ist eine Grundplatte bezeichnet die von einem Befestigungsfiansch 11 umgeben ist In der Grundplatte sind drei Durchführungsisolatoren 12, 13 und 14 angeordnet von denen in Fig.2 nur zwei sichtbar sind. In den Durchführungsisolatoren befinden sich Anschlußstifte 12a, 13a und 14a für die Zuführung des Heizstroms und den Abgriff der Meßspannung, worauf im Zusammenhang mit Fig.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 18 mit der Grundplatte 10 und damit mit Masse in Verbindung steht

Etwa in der Mitte des Heizleiters 17 befindet sich eine Anordnung 19 aus Anschlußdrähten und Widerstands-

thermometern, auf die der Übersichtlichkeit halber im Zusammenhang mit F i g. 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 sowip die Austrittsöffnungen 22 und 23 werden durch entsprechend profilierte planparaliele Segmentkörper 24 und 25 gebildet, die spiegelbildlich angeoidnet sind. Die Anordnung nach den Fig. I 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 Absorption von Strahlungsenergie, z. B. Infrarot-Strahlung eine zwischen den Kammern 20 und 21 hin und iier pulsierende Strömung, wobei die Anordnung 19 von der sich durch die

t>? Austrittsöffnungen 22 und 23 ausbildenden Gasströmung getroffen wird. In Fig.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 Zwischenlei tungen 30 und 31 mit den Anschlußstiften 12a und 13,7 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 Anschlußdrahl 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 Widerstandsthiermometern 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, 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 Beirieb des Mikroströmungsmessers beispielsweise im Rahmen eines Infrarol-Gasanalysengerätes bildet sich eine pulsierende Wechselströmung aus, die durch die einfachen bzw. doppelten Pfeile in den Austrittsöffnungen 22 und 23 in Fig. 3 gekennzeichnet ist. Durch diese Strömungen wird das Isothermenfcld. welches sich im Ruhezustand koaxial zum Heizleiter 17 ausbildet, definiert gestört, wobei das zuerst angeströmte Widerstandsthermometer abgekühlt und das danach angeströmte Widerstandsthermometer aufgeheizt wird. Durch diesen Effekt wird die eingestellte Symmetrie einer Brückenschaltung 40 gestört, die aus den Widerslandsthermometern 34 und 35, aus zwei Widerständen Round einer Diagonal-Leitung D besteht, in der ein auf die zu messende Größe geeichtes SpannungsmcQgerät 39 für die Diagonalspannung angeordnet ist. An Klemmen 41 wird eine Brückenspannung U_h angelegt, an Klemmen 42 eine Heizspannung Uh für den Heizleiter 17. Es gilt der Grundsatz, daß die Widerstände Ro vielfach größer sind als die Widerstände der Widerstandsthermometer 34 und 35. Die meßtechnische Verarbeitung der Widerstandsänderungen an den Widerstandsthermometern ergibt sich aufgrund der nicht näher 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 · IO~³ mm liegt, während die Dicke der Widerstandsthermometer zwischen etwa 0,5 und 5 · lO-'mm. vorzugsweise bei etwa I · IO-'mm liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikroströmungsfühler für Gase, bestehend aus einem senkrecht zur StrömungEriehtung ausgespannten, mindestens einseitig elastisch aufgehängten, länglichen stromdurchflossenen Heizleiter und ■je einem in Strömungsrichtung davor und danach und im Einflußbereich des Heizleiters angeordneten Widerstandsthermometer, welche aus dünnem Draht bestehen, an ihren Enden zwischen dickeren Anschlußdrähten gehalten sind, in der gleichen Ebene wie der Heizleiter liegen, im wesentlichen parallel und mit Abstand zu diesem verlaufen und an ihren beiden Enden in die Enden der Anschlußdrähte übergehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (26, 27, 28) vom Heizleiter (17) getragen werden.

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. 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. Mikroströmungsfühler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (26,2!,, 28) und die zwischen ihnen liegenden Widerstandsthermometer (34, 35) in etwa einen lyraförmigen Umriß bilden, welcher zum Heizleiter (17) symmetrisch verläuft.

5. Mikroslrömungsfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsthermometer (34, 35) bogenförmig gestaltet sind und an ihren Enden tangential in die Anschlußdrähte (26,27, 28) übergehen.

6. Verwendung eines Mikroströmungsfühlers nach Anspruch 1 zur Messung der Gasströmung zwischen den beiden Kammern eines Infrarot-Gasanalysege rates.