DE2708564C3 - Thermal flow meter - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf thermische Durchflußmesser zum Messen der Durchflußgeschwindigkeit eines Strömungsmittels durch eine Leitung, die aus einem ersten und einem zweiten Leitungsabschnitt besteht, deren Enden auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, während der zweite Leitungsabschnitt beheizt wird.The invention relates to thermal flow meters for measuring flow rate a fluid through a conduit made up of a first and a second conduit section consists, the ends of which are kept at a constant temperature, while the second line section is heated.
Das Beheizen eines Strömungsmittelstromes und das Messen der Temperatur dieses Strömungsmittelstromes zur Erzielung eines Maßes für den Strömungsmitteldurchfluß ist an sich bekannt. Beispielsweise ist Gegenstand der US-PS 9 46 886 eine Einrichtung, bei der eine Heizvorrichtung in einen Strömungsmittelstrom eingesetzt ist und Temperaturmeßvorrichtungen stromauf und stromab in bezug auf die Heizvorrichtung angeordnet sind. Bei einer Betriebsart mißt diese Einrichtung den Heizstrom, der erforderlich ist, um einen konstanten Temperaturunterschied zwischen den beiden Meßvorrichtungen aufrechtzuerhalten. Diese Einrichtung basiert auf der Bewegung dos Strömungs-Heating a fluid stream and measuring the temperature of that fluid stream to achieve a measure for the fluid flow is known per se. For example is The subject of US-PS 9 46 886 a device in which a heating device in a fluid stream is inserted and temperature measuring devices upstream and downstream of the heating device are arranged. In one mode of operation, this device measures the heating current required to achieve to maintain a constant temperature difference between the two measuring devices. These Facility is based on the movement of the flow
mittels zwischen zwei Meßstellen, um die Temperaturdifferenz aufzubauen, und ist nicht anwendbar, wenn der Strömungsmitteldurchfluß den Wert Null annimmt.means between two measuring points to build up the temperature difference, and is not applicable if the Fluid flow becomes zero.
Eine wesentliche Verbesserung thermischer Durchflußmesser ist der US-PS 31 81 357 vu entnehmen. Dieser Durchflußmesser besteht aus einer Leitung, durch die das Strömungsmittel fließ i, mit einem ersten und einem zweiten Leitungsabschnitt und einem eine Wärmesenke mit konstanter Temperatur bildenden Bauteil, das am Anfang des ersten Leitungsabschnitts, am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt und am Ende des zweiten Leitungsabschnitts mit der Rohrleitung in Wärmekontakt steht, einer Induktionsheizvorrichtung zum Induzieren eines Heizstromes in einem elektrischen Kreis, der die Rohrleitung mindestens eines zu beheizenden Leitungsabschnitts einschließt, und einer Vorrichtung zum Messen der Differenz zwischen der Temperatur des ersten und des zweiten Leitungsabschnitts. Hierbei dient die eigentliche Durchflußleitung sowohl als Wärmequelle als auch als Teil der Temperaturmeßvorrichtung. Dabei wird eine konstante Energiemenge induktiv in die Leitung gekoppelt und die Leitung als Leiter eines Thermoelementes verwendet, um Änderungen in der Strömungsmitteltemperatur als Wärmeübergang zwischen der beheizten Leitung und dem Strömungsmittelstrom zu messen. Der Durchflußmesser arbeitet nicht linear, weil die gemessene Veränderliche der Temperaturunterschied ist, der umgekehrt proportional dem Durchfluß ist. Dies begrenzt seine praktische Anwendbarkeit und seinen Meßbereich ganz erheblich. Ferner ist bei dieser bekannten Einrichtung eine verhältnismäßig hohe Betriebstemperatur in der Leitung für eine brauchbare Durchflußempfindlichkeit erforderlich (z. B. 213°C über Umgebungstemperatur für ein 1OmVGs Thermoelementsignal), was die Anwendung für einige Flüssigkeiten verhindert, insbesondere für Flüssigkeiten mit Siedepunkten unter 240° C, und Gase, deren physikalische Eigenschaften sich bei erhöhten Temperaturen nachteilig verändern.A significant improvement in thermal flow meters can be found in US Pat. No. 3,181,357 vu. This flow meter consists of a line through which the fluid flows i, with a first and a second line section and a component forming a heat sink with constant temperature, which is at the beginning of the first line section, at the transition between the first and the second section and at the end of the second line section is in thermal contact with the pipeline, an induction heating device for inducing a heating current in an electrical circuit which includes the pipeline of at least one line section to be heated, and a device for measuring the difference between the temperature of the first and second line section. Here, the actual flow line serves both as a heat source and as part of the temperature measuring device. A constant amount of energy is inductively coupled into the line and the line is used as a conductor of a thermocouple to measure changes in the fluid temperature as heat transfer between the heated line and the fluid flow. The flow meter does not operate linearly because the variable being measured is the temperature difference which is inversely proportional to the flow. This limits its practical applicability and its measuring range quite considerably. Furthermore, this known device requires a relatively high operating temperature in the line for usable flow sensitivity (e.g. 213 ° C above ambient temperature for a 10mVGs thermocouple signal), which prevents its use for some liquids, especially liquids with boiling points below 240 ° C, and gases whose physical properties change adversely at elevated temperatures.
Die Doppelwärmesenkenanordnung nach dieser US-PS 31 81 357 ergibt die Möglichkeit, gefährliche Spannungen in der Vorrichtung zu vermeiden. Die Energiequelle ist mit beiden Wärmesenken verbunden, eine dieser Wärmesenken ist mit dem mittleren Teil der beiden Leitungen verbunder, und die andere mit den Endteilen einer jeden Leitung. Hierbei müssen beide Abschnitte der Leitungen in gleicher Weise aufgeheizt werden, da das Meßgerät zwischen zwei Stellen gleichen Potentials eingeschaltet sein muß, wenn die beiden Leitungsabschnitte gespeist werden.The double heat sink arrangement according to this US-PS 31 81 357 gives the possibility of dangerous To avoid tension in the device. The energy source is connected to both heat sinks, one of these heat sinks is connected to the middle part of the two lines, and the other to the End of each line. Both sections of the lines must be heated in the same way because the measuring device must be switched on between two points of the same potential when the both line sections are fed.
Es sind ferner thermische Einrichtungen bekannt, die allgemein als »Hitzdraht-Anemometer« bezeichnet werden und die so ausgebildet sind, daß sie bei konstanter Temperatur arbeiten und zur Messung des Strömungsmitteldurchflusses durch Einsetzen in eine Leitung verwendet werden. Solche Einrichtungen messen den Kühleffekt eines Strömungsmittels auf einen beheizten Körper (Draht, Thermoelement u. dgl.), der in den Strömungsmittelstrom eingetaucht ist, d. h. die Geschwindigkeit des Strömungsmittels an der Eintauchstelle. Die Eichun^ ■>_■· Einrichtung ist in hohem Maße von der thermischen Stromleitfähigkeit des Strömungsmittels abhängig, und die Beziehung zwischen Energie und Durchfluß ist nichtlinear. Ferner ist diese Art von thermischer Einrichtung einer Beschädigung durch strömende Verunreinigungen in der Leitung ausgesetzt, und wenn das Strömungsmittel brennbar ist, tritt die Gefahr des Entzündens auf.Thermal devices are also known which are generally referred to as "hot-wire anemometers" and which are designed to operate at constant temperature and to measure the Fluid flow can be used by insertion into a conduit. Such facilities measure the cooling effect of a fluid on a heated body (wire, thermocouple, etc.), which is immersed in the fluid stream, d. H. the velocity of the fluid at the Immersion point. The calibration is in high Dimensions depend on the thermal conductivity of the fluid, and the relationship between Energy and flow are non-linear. Furthermore, this type of thermal device is damaging exposed to flowing contaminants in the line, and if the fluid is flammable, there is a risk of ignition.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen thermischen Durchflußmesser mit beheizter Durchflußleitung zu schaffen, der bei konstanter Temperatur arbeitet, der die vorerwähnten Nachteile bekannter Einrichtungen vermeidet, und der einen eingeprägten linearen Ausgang, einen erhöhten Meßbereich, reduzierte Betriebstemperatur, reduzierten Einfluß der Position auf die Genauigkeit, reduzierten Einfluß der Temperatür auf die Strömungsmittelwärmekapazität und reduziertes Geräusch auf das Ausgangssignal ergibtThe object of the invention is to provide a thermal flow meter with a heated flow line create, which works at constant temperature, which the aforementioned disadvantages of known devices avoids, and which reduced an impressed linear output, an increased measuring range Operating temperature, reduced influence of position on accuracy, reduced influence of temperature on the fluid heat capacity and reduced noise on the output signal
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Durchflußmesser der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das die Wärmesenke bildende Bauteil aus einer Grundplatte besteht, an der je eine Endwand am Anfang des ersten und am Ende des zweiten Leitungsabschnittes verbunden ist, und eine dazwischen angeordnete, ebenfalls mit der Grundplatte verbundene Trennwand am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Leitungsabschnitt vorgesehen ist, daß die Induktionsheizvorrichtung nur am zweiten stromabwärtigen Leitungsabschnitt angeordnet ist, und daß eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, um die Heizung so zu regeln, daß eine konstante Temperaturdifferenz zwisehen dem unbeheizten ersten und dem beheizten zweiten Leitungsabschnitt aufrechterhalten wird, so daß die Heizleistung dem Massendurchfluß des durch die Leitung fließenden Strömungsmittels entspricht.According to the invention, this object is achieved in a flow meter of the type mentioned at the outset solved that the component forming the heat sink consists of a base plate, on each of which an end wall on At the beginning of the first and at the end of the second line section is connected, and one in between arranged, also connected to the base plate partition at the transition between the first and the second line section is provided that the induction heater only on the second downstream Line section is arranged, and that a control device is provided to the heater so regulate that a constant temperature difference between the unheated first and the heated one second line section is maintained, so that the heating power corresponds to the mass flow rate of the through the Line corresponds to flowing fluid.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jo Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous further developments of the invention are the subject matter of the subclaims.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird trotz eines verhältnismäßig einfachen Aufbaues des Durchflußmessers eine hohe Empfindlichkeit erreicht, während gleichzeitig die Nachteile, die dem Durchflußmesr > ser nach der US-PS 31 81 357 anhaften, vermieden werden können.With the proposal according to the invention, despite a relatively simple structure of the flow meter achieved a high sensitivity, while at the same time the disadvantages that the flow meter > Adhering according to US Pat. No. 3,181,357, can be avoided.
Ehe die einzelnen Ausführungsbeispiele nach vorliegender Erfindung im Detail beschrieben werden, scheint eine kurze Erörterung des Grundprinzips und der grundsätzlichen Überlegungen nach vorliegender Erfindung zweckmäßig.Before the individual exemplary embodiments according to the present invention are described in detail, it appears a brief discussion of the rationale and considerations of the present invention expedient.
Die Beziehung, die zwischen einem Strömungsmittelfluß und den verschiedenen Veränderlichen besteht, ist durch die nachstehende Formel gegeben:The relationship that exists between fluid flow and the various variables is given by the formula below:
' Cp \t'Cp \ t
C/TTf'C / TTf '
wobei M die Massendurchflußgeschwindigkeit, H derwhere M is the mass flow rate, H the
■in Wärmeeingang pro Zeiteinheit, Cp die Wärmekapazität des Strömungsmittels bei konstantem Druck, At der Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten im Strömungsmittel, die so angeordnet sind, daß sie den Einfluß des Wärmeeinganges des Strömungsmittelstro-■ in heat input per unit of time, Cp the heat capacity of the fluid at constant pressure, At the temperature difference between two points in the fluid which are arranged in such a way that they counteract the influence of the heat input of the fluid flow.
Vi mes reflektieren, und P das elektrische Äquivalent (Leistung) des Wärmeeinganges ist. Diese Formel zeigt, daß dann, wenn Λ t und Cp konstant gehalten werden, M direkt mit f/(oder P) sich ändert, während dann, wenn H und Cp konstant gehalten werden, M sich umgekehrtReflect Vi mes, and P is the electrical equivalent (power) of the heat input. This formula shows that if Λ t and Cp are held constant, M changes directly with f / (or P) , while if H and Cp are held constant, M reverses
μ) mit Δ t verändert. μ) changed with Δ t .
Vorliegende Erfindung betrifft einen Konstanttemperatur-Durchflußmesser, bei dem At und Cp konstant gehalten werden. F i g. 1 zeigt mit festausgezogener Linie die Linearität der Massendurchflußgeschwindig-' ken, die durch eine solche Anordnung meßbar ist, während zu Vergleichszwecken in gestrichelten Linien die nichtlineare Beziehung dargestellt ist, die bei einem Durchflußmesser konstanter Leistung auftritt, wie erThe present invention relates to a constant temperature flow meter in which At and Cp are kept constant. F i g. Fig. 1 shows in solid line the linearity of the mass flow rates measurable by such an arrangement, while for comparison purposes the non-linear relationship which occurs in a constant power flow meter such as this is shown in dashed lines
beispielsweise in US-PS 31 81 357 erläutert ist. Diese graphische Darstellung zeigt die konstante Empfindlichkeit, die mit einem Konstanttemperatur-Durchflußmesser im Vergleich zu der verringerten Empfindlichkeit bei höheren Durch Müssen, die mit einem Durchflußmesser konstanter Leistung auftreten, erzielbar ist. Offensichtlich ist letztere Art von Durchflußmesser in seinem ausnutzbaren Bereich begrenzt.for example in US-PS 31 81 357 is explained. This graph shows the constant sensitivity, those with a constant temperature flow meter compared to the decreased sensitivity higher through musts that occur with a constant power flow meter can be achieved. Apparently the latter type of flow meter is limited in its usable range.
Der die Wärmekapazität darstellende Ausdruck Cp in obiger Formel kann nicht unterschiedslos als Konstante betrachtet werden, da er sich mit der Zusammensetzung, der Temperatur und dem Druck des Strömungsmittels ändert. Bei den meisten Strömungsmitteln ist die Änderung mit dem Druck, selbst über mehrere Dekaden, klein und vernachlässigbar. Die Änderung mit der Temperatur jedoch kann für manches Strömungsmittel ziemlich groß sein. Beispielsweise ändert sich das Cp für Kohlendioxyd um 19,5% bei einer Änderung von 2000C und 2000C ist typisch für die Veränderung aufgrund des Durchflusses in der Betriebstemperatur der Leitung bei einigen Durchflußmessern konstanter Leistung. Dadurch, daß der Durchflußmesser im Konstanttemperaturbereich betrieben wird, werden diese Änderungen von Cp aufgrund des Durchflusses eliminiert. Es trifft zu, daß Cp sich noch mit Änderungen der Umgebungstemperatur verändert. Derartige Veränderungen sind jedoch normalerweise recht klein. Alle Strömungsmittel haben ihre eigene charakteristische Wärmekapazität, deren Wert eindeutig belegt ist. Es ergibt sich deshalb, daß dann, wenn der Durchflußmesser im Konstanttemperaturbetrieb betrieben wird, Cp verhältnismäßig konstant für ein gegebenes Strömungsmittel ist, und daß der Ausgang eine Funktion des Massendurchflusses für das jeweilige zu messende Strömungsmittel ist The expression Cp representing the heat capacity in the above formula cannot be regarded as a constant indiscriminately, since it changes with the composition, the temperature and the pressure of the fluid. For most fluids, the change with pressure, even over several decades, is small and negligible. The change with temperature, however, can be quite large for some fluids. For example, the Cp for carbon dioxide changes by 19.5% with a change from 200 ° C. and 200 ° C. is typical of the change due to the flow in the operating temperature of the line for some flowmeters of constant power. By operating the flow meter in the constant temperature range, these changes in Cp due to flow are eliminated. It is true that Cp still changes with changes in ambient temperature. However, such changes are usually quite small. All fluids have their own characteristic heat capacity, the value of which is clearly proven. It therefore follows that when the flow meter is operated in constant temperature mode, Cp will be relatively constant for a given fluid and that the output will be a function of the mass flow rate for the particular fluid being measured
Wenn ein thermischer Durchflußmesser mit beheizter Leitung in einem Konstantleistungsbetrieb betrieben wird und die Temperaturändemng gemessen wird, ergibt sich, daß die Empfindlichkeit des Signals um so größer wird, je größer die Temperaturänderung ist. Ein typischer Durchflußmesser konstanter Leistung, der Thermoelemente zur Feststellung der Temperatur verwendet, benötigt einen Temperaturunterschied von 213°C bei einem 10-mV-GS-Ausgang. Wird ein thermischer Durchflußmesser mit unbeheizter Leitung in einem Konstanttemperaturbetrieb betrieben und die Änderung in der Leistung gemessen, ist es nur erforderlich, daß der Temperaturunterschied eine ausreichende Größe aufweist damit ein stabiles Fehlersignal erhalten wird, das eine entsprechende Steuerung aufrechterhalten kann. Bei einer typischen Einrichtung ergibt ein Temperaturunterschied von 25° C ein Signal von etwa 1 mV GS, das ausreichend ist, um die Temperatur konstant zu halten, wie nachstehend erläutert wird. Während dies bereits eine Reduzierung von Δ t um eine Größenordnung im Vergleich zu einem Durchflußmesser konstanter Leistung darstellt, sind selbst kleinere Temperaturunterschiede praktisch brauchbar.If a thermal flow meter with a heated line is operated in a constant power mode and the temperature change is measured, the result is that the greater the temperature change, the greater the sensitivity of the signal. A typical constant power flow meter using thermocouples to determine temperature requires a temperature differential of 213 ° C on a 10 mV DC output. If a thermal flow meter is operated with an unheated pipe in a constant temperature mode and the change in power is measured, it is only necessary that the temperature difference be of sufficient magnitude to obtain a stable error signal which appropriate control can maintain. In a typical setup, a 25 ° C temperature differential gives a signal of approximately 1 mV DC, which is sufficient to maintain the temperature constant, as discussed below. While this already represents an order of magnitude reduction in Δt compared to a constant power flow meter, even smaller temperature differences are useful in practice.
Die niedrige Betriebstemperatur des Konstanttemperatur-Durchflußmessers reduziert erheblich die Bewegung der die Außenseite der beheizten Leitung umgebenden Luft, die durch thermisch induzierte Konvektionsströme hervorgerufen wird. Bei dem Durchflußmesser konstanter Leistung mit höherer Leitungstemperatur beeinflußt diese Luftbewegung in zufälliger Weise die Abgabe der Temperaturfühler, wodurch falsche Durchflußanzeigen entstehen, die besonders dann bemerkbar sind, wenn die Position de; Durchflußmessers geändert wird.The low operating temperature of the constant temperature flow meter Significantly reduces the movement of the air surrounding the outside of the heated pipe that is thermally induced Convection currents is caused. With the constant power flow meter with higher Line temperature influences this air movement in a random way the output of the temperature sensor, whereby false flow displays arise, which are particularly noticeable when the position de; Flow meter is changed.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mil der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispieler -, erläutert. Es zeigtThe invention is described below in conjunction with the drawing on the basis of exemplary embodiments - explained. It shows
F i g. 1 eine graphische Darstellung, die Massendurchflußgeschwindigkeiten aufzeigt, welche durch Konstanttemperatur- und Konstantleistungseinrichtungen gemessen werden,F i g. 1 is a graph showing the mass flow rates shows which are measured by constant temperature and constant power devices will,
ίο Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels, teilweise im Schnitt,ίο Fig. 2 is a schematic representation of a first Embodiment, partly in section,
F i g. 3 eine graphische Darstellung der Temperatur längs der Leitung nach F i g. 2, wobei das in die Leitung eintretende Strömungsmittel eine Temperatur hat, dieF i g. Figure 3 is a graph of the temperature along the line of Figure 3. 2, with that in the line incoming fluid has a temperature that
ι i gleich der der Wärmesenke ist,ι i is equal to that of the heat sink,
F i g. 4 eine graphische Darstellung der Temperatut längs der Leitung nach F i g. 2, wobei das in die Leitung eintretende Strömungsmittel eine Temperatur über dei der Wärmesenke hat,F i g. 4 shows a graph of the temperature along the line according to FIG. 2, with that in the line incoming fluid has a temperature above that of the heat sink,
F i g. 5 bis 11 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele, teilweise im Schnitt, undF i g. 5 to 11 schematic representations of further Embodiments, partly in section, and
Fig. 12 teilweise im Schnitt eine schematische Darstellung einer abgeänderten Leitung, die bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann.Fig. 12 is a partially sectioned schematic representation of a modified line used in the various embodiments can be used.
Fig.2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Leitung 10, durch die ein Strömungsmittel fließt, in zwei Abschnitte 10a und 106 durch eine thermisch massive und elektrisch leitende Wärmesenke 12 unterteilt ist. Energie wird induktiv in den Abschnitt 10ύ der Leitung durch eine einstellbare Speisequelle 14 und ein gewickeltes Toroid 16 gekoppelt, wodurch die Temperatur des Teiles lOb und die eines darin enthaltenen Strömungsmittels über Umgebungstemperatur ansteigt. Das Strömungsmittel in der Leitung 10 steht über die gesamte Länge in thermischem Gleichgewicht mit der Leitung. Ein Thermoelement-Temperaturfühler TC-i ist an der Verbindungsstelle des beheizten Teiles 10a der Leitung und eines zugeordne-FIG. 2 shows a first embodiment in which a line 10 through which a fluid flows is divided into two sections 10 a and 106 by a thermally solid and electrically conductive heat sink 12. Energy is inductively coupled into the section 10ύ of the line by an adjustable supply source 14 and a wound toroid 16, whereby the temperature of the part 10b and that of a fluid contained therein increases above ambient temperature. The fluid in line 10 is in thermal equilibrium with the line over its entire length. A thermocouple temperature sensor TC-i is at the junction of the heated part 10a of the line and an assigned
4(i ten Leiters aus unterschiedlichem Material vorgesehen und ein zweiter Thermoelement-Temperaturfühler TC-2 ist an der Verbindungsstelle des beheizten Teiles \0b der Leitung und eines zugeordneten Leiters aus unterschiedlichem Material angeordnet.4 (i th conductor provided from different materials, and a second thermocouple temperature sensor TC-2 is disposed at the junction of the heated part \ 0b of the conduit and an associated conductor of different material.
5 In einem vereinfachten Fall sind die Temperatur der
Wärmesenke 12, der unbeheizte Teil 10a der Leitung der Temperaturfühler TC-I und das einströmende
Strömungsmittel in Gleichgewicht Die Wirkung der induktiv gekoppelten Energie auf einen Teil 106 der
Leitung, deren Enden auf einer festen Temperatur durch die Wärmesenke gehauen werden, besteht dann, daß
Temperaturänderungen längs der Leitung erzeugl werden, wie in F i g. 3 gezeigt, so daß eine Temperaturdifferenz,
selbst bei einem Nulldurchfluß zwischen dem eintretenden Strömungsmittel, das durch TC-i abgefühlt
wird, und dem beheizten Strömungsmittel, das
durch TC-2 abgefühlt wird, aufgebaut wird. Diese
Differenz ist in F i g. 3 mit Δ Ia bezeichnet
Wenn die Temperatur des eintretenden Strömungsmittels zu Beginn verschieden von der der Wärmesenke
12 ist stellt sich im Laufe der Zeit eine das Gleichgewicht herstellende Zwischentemperatur ein
Kurzfristig erfährt der unbeheizte Teil 10a der Leitung wegen seiner wesentlich geringeren thermischen Masse
eine Temperaturänderung, die in F i g. 4 gezeigt ist, bis das Strömungsmittel und die Wärmesenke ihre neue
Gleichgewichtstemperatur erreichea In ähnlicher Weise folgt der beheizte Teil iOb der Leitung Änderungen ir5 In a simplified case, the temperature of the heat sink 12, the unheated part 10a of the line of the temperature sensor TC-I and the inflowing fluid are in equilibrium Heat sink are hewn, then there is that temperature changes are generated along the line, as in FIG. 3 so that a temperature differential, even at zero flow, is established between the incoming fluid sensed by TC-i and the heated fluid sensed by TC-2. This difference is shown in FIG. 3 denoted by Δ Ia
When the temperature of the incoming fluid at the beginning different from that of the heat sink 12 is raised in the course of time the balance producing intermediate temperature a short term experienced by the non-heated part 10a of the pipe because of its much lower thermal mass of a temperature change in F i g. 4 until the fluid and heat sink reach their new equilibrium temperature a Similarly, the heated portion 10b of the line follows changes ir
der Strömungsmitteltemperatur; solche Änderungen treten zusätzlich zu der Temperaturänderung auf, die durch die induktive Aufheizung hervorgerufen wird. Das Resultat ist, daß eine Temperaturdifferenz Ate aufrechterhalten wird. Diese Differenz ist gleich Ata, so s daß sich ergibt, daß mit vorliegender Erfindung Temperaturänderungen des eintretenden Strömungsmittels kompensiert werden. the fluid temperature; such changes occur in addition to the temperature change caused by the inductive heating. The result is that a temperature difference Ate is maintained. This difference is equal to Ata, so that it follows that temperature changes of the incoming fluid are compensated for with the present invention.
Wie sich am besten aus Fig.2 ergibt, ist der Temperaturfühler TC-2 vorzugsweise mit dem Mittelpunkt der beheizten Leitung 10b verbunden, da dies angenähert der Punkt maximaler Temperatur auf der Leitung für eine bestimmte Leistungseingabe ist. Die Fühler TC-I und TC-2 sind in einer Differentialanordnung beispielsweise ais Eingänge in den Differentiaiverstärker 18 geschaltet, um At zu messen, das zu Beginn auf einen gewünschten Wert gesetzt wird, indem die Wärmeeingabe auf einen Nullfluß eingestellt wird. Die für eine solche anfängliche Einstellung erforderliche Leistung wird als die »Blindleistung« bezeichnet und kann aus dem Ausgangssignal durch herkömmliche Mittel ausgeglichen werden. Wenn das Strömungsmittel sich durch die Leitung zu bewegen beginnt, bleibt die Temperatur bei TC-I unverändert. Die Temperatur bei TC-2 wird jedoch reduziert, wenn das Strömungsmittel Wärme aus der Leitung abführt. Damit wird auch At reduziert und dieser Unterschied in At wird durch den Verstärker 18 in ein Fehlersignal umgewandelt, das zusätzliche Wärme anfordert, um die Temperaturgradienten der beheizten Leitung, damit At auf den früheren Wert zurückzuführen. Die zusätzliche erforderliche Leistung ist deshalb ein Maß für die Massendurchflußgeschwindigkeit des Strömungsmittels. As can best be seen from FIG. 2, the temperature sensor TC-2 is preferably connected to the center point of the heated line 10b , since this is approximately the point of maximum temperature on the line for a specific power input. The sensors TC-I and TC-2 are connected in a differential arrangement as inputs to the differential amplifier 18, for example, to measure At which is initially set to a desired value by setting the heat input to zero flow. The power required for such an initial adjustment is called the "reactive power" and can be offset from the output signal by conventional means. As the fluid begins moving through the conduit, the temperature at TC-I will remain unchanged. However, the temperature at TC-2 is reduced as the fluid removes heat from the conduit. This also reduces At , and this difference in At is converted by the amplifier 18 into an error signal which requests additional heat in order to return the temperature gradient of the heated line so that At can be returned to the previous value. The additional power required is therefore a measure of the mass flow rate of the fluid.
Um eine exakte Bestimmung der Massendurchflußgeschwindigkeit zu erzielen, ist es erforderlich, die Energie zu bestimmen, die in das Strömungsmittel eingeführt wird, und zwar unabhängig von den elektrischen Verlusten, die der Leistungszufuhr und der induktiven Kopplung zugeordnet sind, und auch unabhängig von den Verlusten aus thermischer Konduktion, Konvektion und Strahlung, die der Leitung und der Wärmesenke zugeordnet sind. Die Energie, die in die beheizte Leitung 10b abgegeben wird, ist eine Funktion des Widerstandes und der Spannung an der Leitung, nämlich P= E2ZR. In order to obtain an accurate determination of the mass flow rate it is necessary to determine the energy introduced into the fluid regardless of the electrical losses associated with the power supply and inductive coupling and also regardless of the losses from thermal conduction, convection and radiation associated with the conduit and the heat sink. The energy that is released into the heated line 10b is a function of the resistance and the voltage on the line, namely P = E 2 ZR.
Wenn die Leitung aus einem Material mit einem sehr kleinen Temperaturkoeffizienten besteht, und wenn sie auf einem konstanten Temperaturunterschied gehalten wird, ist ihr Widerstand praktisch konstant und P wird proportional E2. Mit Hilfe der Stromleiter 20 und 22 wird die Spannung am Leitungsteil iOb einer herkömmlichen Quadrierschaltung 24 zugeführt, damit ein Ausgang bei 26 erzeugt wird, der der Leistung entspricht, die in das Strömungsmittel über den Teil 106 abgegeben wird, wobei der Ausgang unabhängig von Verlusten ist, die in der Energiespeiseschaltung und aus der induktiven Kopplung auftreten. Es wird jedoch nicht die gesamte, in die Leitung eingeführte Energie auf das Strömungsmittel übertragen. Es treten nämlich unvermeidliche Verluste aufgrund der thermischen Strahlung, Konvektion und Konduktion auf. Üblicherweise liegt die Leitungsbetriebstemperatur nur etwa 25° C über der Umgebungstemperatur. Dann sind Strahlungsverluste vernachlässigbar. In ähnlicher Weise sind Konvektionsverluste recht klein und ziemlich konstant Die Konduktion vom Leitungsteil 10Z> zur Wärmesenke 12 trägt zu den hauptsächlichen Verlusten bei. Wenn die Leitung jedoch auf einem konstanten Temperaturunterschied über der Wärmesenke gehalten wird, und wenn die Wärmesenke eine ausreichend große thermische Masse aufweist, daß ihre Temperatur entweder durch den Wärmefluß aus der Leitung oder den induzierten Heizstrom unbeeinflußt ist, ist der Wärmeverlust durch Stromleitung konstant und wird durch die Menge an in die Leitung eingespeister Energie nicht beeinflußt. Infolgedessen ist die Gesamtmenge an Wärme-(Leistungs-)Verlust durch Strahlung, Konvektion und Konduktion konstant und unabhängig von der der Leitung zugeführten Leistung. Sie kann somit in gleicher Weise behandelt werden wie die »Blindleistung« und aus dem Spannungsausgangssignal durch herkömmliche Mittel abgeglichen werden.If the line is made of a material with a very small temperature coefficient, and if it is kept at a constant temperature difference, its resistance will be practically constant and P will be proportional to E 2 . With the aid of conductors 20 and 22, the voltage on line portion 10b is fed to a conventional squaring circuit 24 to produce an output at 26 corresponding to the power dissipated into the fluid via portion 106, the output being independent of losses that occur in the energy supply circuit and from the inductive coupling. However, not all of the energy introduced into the conduit is transferred to the fluid. Namely, there are unavoidable losses due to thermal radiation, convection and conduction. Usually, the line operating temperature is only about 25 ° C above the ambient temperature. Then radiation losses are negligible. Similarly, convection losses are quite small and fairly constant. The conduction from conduit part 10Z> to heat sink 12 contributes to the major losses. However, if the conduit is kept at a constant temperature differential across the heat sink, and if the heat sink has a sufficiently large thermal mass that its temperature is unaffected by either the heat flow from the conduit or the induced heating current, the conduction heat loss is and will be constant not influenced by the amount of energy fed into the line. As a result, the total amount of heat (power) loss through radiation, convection and conduction is constant and independent of the power supplied to the line. It can thus be treated in the same way as the "reactive power" and compared from the voltage output signal by conventional means.
F i g. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiei mit der zugeordneten elektrischen Schaltung. Eine thermisch und elektrisch stromleitende Leitung 10 ist mit einer elektrisch leitenden und thermisch massiven Wärmesenke 12 bei 28, 30 und 32 verbunden. Die Unterteilung bzw. Trennwand 34, die Teil der Wärmesenke 12 ist, unterteilt die Leitung wirkungsmäßig in zwei nicht notwendigerweise gleich große Abschnitte 10a und 10£> und trennt die Wärmesenke in Teile 12a und 12b. Ein toroidförmiger Transformator koppelt Energie induktiv in eine sekundäre Schleife, die aus dem Leitungsabschnitt iOb, der Endwand 36 der Wärmesenke, dem Teil 12b der Wärmesenke und der Trennwand 34 der Wärmesenke besteht. Mit dem Leitungsabschnitt 10a wird keine Energie gekoppelt. Die metallischen Stromleiter 38 und 40, die aus einem Material bestehen, das verschieden von dem der Leitung ist, sind mit der Leitung 10 an Stellen befestigt (z. B. verschweißt), die zweckmäßigerweise, jedoch nicht notwendigerweise, in der Mitte der Leitungsabschnitte 10a und 10b vorgesehen sind, so daß Thermoelement-Anschlußstellen TC-I und TC-2 mit der Leitung gebildet werden. Stromleiter 42 und 44 sind symmetrisch mit dem Leitungsabschnitt 10b befestigt, vorzugsweise möglichst nahe den Enden des Leitungsabschnittes 10b, damit das daraus erhaltene Spannungssignal ein Maximum wird. Es ist erwünscht, daß diese Stromleiter 42 und 44 aus dem gleichen Material wie die Leitung bestehen, so daß sie kein Thermoelement mit der Leitung bilden. Wenn die Stromleiter jedoch aus einem anderen Material als die Leitung bestehen, sind die resultierenden Thermoelement-Spannungen klein und heben sich selbst auf, wenn die Stromleiter symmetrisch in der Nähe des Leitungsabschnittes 10b angeordnet werden. Strömungsmittel gelangt ungehindert durch die Leitung 10 in der durch Pfeil angedeuteten Richtung und steht in thermischem Kontakt mit der Leitung über deren gesamte Länge. Die Schaltanordnung, die dem Durchflußmesser zugeordnet ist, besteht aus zwei Teilen, der Konstanttemperatur-Servoschleife, die im Block 46 untergebracht ist, und die Leistungsmeßschaltung, die im Block 48 enthalten ist Die Unterschiede in den elektrischen Ausgängen aus den Thermoelementen TC-I und TC-2, die durch die Leitung 10 und die Stromleiter 38 und 40 gebildet werden, ergeben A fund werden im Verstärker 18 verstärkt Der Ausgang des Verstärkers 18 wird durch die Vergleichsschaltung 50 mit einer Festwertspannung 52 verglichen, die gleich dem verstärkten Ausgang der Thermoelemente bei dem Wert ist, bei dem At konstant gehalten werden solL Jedes Fehlersignal, das durch die Vergleichsschaltung 50 erzeugt wird, wird einem spannungsgesteuerten Leistungsoszillator 54 aufgegeben, damit die Wechselstromenergie geändert wird, die mit Hilfe vonF i g. 5 shows a preferred exemplary embodiment with the associated electrical circuit. A thermally and electrically conductive line 10 is connected to an electrically conductive and thermally massive heat sink 12 at 28, 30 and 32. The partition or partition wall 34, which is part of the heat sink 12, effectively divides the line into two sections 10a and 10b, which are not necessarily equal in size, and separates the heat sink into parts 12a and 12b. A toroidal transformer inductively couples energy into a secondary loop comprised of conduit section 10b, heat sink end wall 36, heat sink portion 12b, and heat sink bulkhead 34. No energy is coupled to the line section 10a. The metallic current conductors 38 and 40, which consist of a material that is different from that of the line, are fastened to the line 10 at locations (e.g. welded) which are expediently, but not necessarily, in the middle of the line sections 10a and 10b are provided so that thermocouple junctions TC-I and TC-2 are formed with the lead. Current conductors 42 and 44 are attached symmetrically to the line section 10b , preferably as close as possible to the ends of the line section 10b, so that the voltage signal obtained therefrom becomes a maximum. It is desirable that these conductors 42 and 44 be made of the same material as the lead so that they do not form a thermocouple with the lead. However, if the current conductors are made of a different material than the line, the resulting thermocouple voltages are small and cancel themselves out if the current conductors are arranged symmetrically in the vicinity of the line section 10b . Fluid passes unhindered through the line 10 in the direction indicated by the arrow and is in thermal contact with the line over its entire length. The circuitry associated with the flow meter consists of two parts, the constant temperature servo loop contained in block 46 and the power measurement circuit contained in block 48 The Differences in Electrical Outputs from Thermocouples TC-I and TC -2, which are formed by the line 10 and the conductors 38 and 40, A and are amplified in the amplifier 18. The output of the amplifier 18 is compared by the comparison circuit 50 with a fixed value voltage 52, which is equal to the amplified output of the thermocouples in the Is the value at which At should be kept constant. Each error signal generated by the comparison circuit 50 is applied to a voltage controlled power oscillator 54 in order to change the alternating current energy which is generated with the aid of
Stromleitern 56 und 58 in den toroidförmigen Transformator 16 eingespeist wird, der den Leitungsabschnitt iOb aufheizt. Die Wechselstromenergie besitzt eine entsprechende Größe, damit Δ t auf den gewünschten Konstantwert bei einer beliebigen Durchflußgeschwindigkeit innerhalb des Auslegungsbereiches des Durchflußmessers zurückgeführt wird. Der Spannungsunterschied zwischen den Enden des Leitungsabschnittes 106 wird durch die Stromleiter 42 und 44 mit dem Verstärker 60 und dann mit einem Effektivwertkonverter 62 gekoppelt, so daß das Gleichstrom-Äquivalent des Wechselspannungsausganges aus dem Verstärker 60 erzeugt wird. Eine feste Gleichspannung aus der Quelle 64, die der Blindleistung plus festen Verlusten entspricht, dient als Vorspannung, die zusammen mit dem Ausgang des Konverters 62 als Eingänge in eine konventionelle Quadrierschaltung 66 aufgegeben werden, in der die Differenz zwischen den Eingängen quadriert und maßstäblich geändert wird. Der Ausgang der Schaltung 66 ist proportional dem Massendurchfluß des Strömungsmittels und wird auf einer entsprechenden Ablesevorrichtung 68 sichtbar gemacht.Conductors 56 and 58 is fed into the toroidal transformer 16, which heats the line section iOb. The alternating current energy has an appropriate magnitude so that Δ t is returned to the desired constant value at any flow rate within the design range of the flow meter. The voltage difference between the ends of the line section 106 is coupled through the conductors 42 and 44 to the amplifier 60 and then to an effective value converter 62 so that the DC equivalent of the AC voltage output from the amplifier 60 is produced. A fixed DC voltage from the source 64, which corresponds to the reactive power plus fixed losses, serves as a bias voltage which, together with the output of the converter 62, are applied as inputs to a conventional squaring circuit 66 in which the difference between the inputs is squared and scaled . The output of the circuit 66 is proportional to the mass flow rate of the fluid and is displayed on a corresponding reading device 68.
Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das unerwünschte Wechselstromsignal, das von dem Thermoelement TC-2 aufgenommen wird, durch die Brückenschaltung auf Null gebracht wird, die aus dem Leitungsabschnitt 1OZ?, dem Thermoelement TC-2 und einem Potentiometer 70 besteht, dessen Widerstand wesentlich größer ist als der des Leitungsabschnittes 10Z) (so daß er vernachlässigbar wenig Energie aufnimmt); das Potentiometer weist die Stromleiter 72 und 74 auf, die symmetrisch mit den äußersten Enden des Abschnittes 106 verbunden sind. Ein Differentialverstärker 76 mit hoher Gleichtakt-Unterdrückung nimmt Eingänge aus dem Thermoelement TC-2 und dem Potentiometer 70 auf. Der Verstärker unterdrückt das Wechselstromsignal, das beiden Eingängen gemeinsam ist, und läßt nur das Gleichstromsignal aus dem Thermoelement TC-2 durch. Dadurch, daß das Potentiometer symmetrisch an die Enden der Leitung angeschlossen wird, ist kein Gleichstromsignal an der Potentiometeranzapfung vorhanden, die die Temperaturmessung des Thermoelementes stören würde. Das reine Gleichstromsignal aus dem Differentialverstärker 76 wird von dem reinen Gleichstromsignal aus dem Bezugs-Thermoelement TC-i durch den Differentialverstärker 18 subtrahiert, dessen Ausgang die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermoelementen darstellt. Die Verstärker 18 und 76 können ein einziger Verstärker sein, und die Stromleiter 72 und 74 können die Spannungsmeßstromleiter 20 und 22 aus F i g. 2 sein. Die Bauteile zur Steuerung der Energie in den Leitungsabschniit 106 und zum Quadrieren des Spannungsunterschiedes zwischen den Enden des ■Abschnittes 106 sind der übersichtlicheren Darstellung wegen weggelassen worden.6 shows a further embodiment in which the undesired alternating current signal which is picked up by the thermocouple TC-2 is brought to zero by the bridge circuit, which consists of the line section 1OZ ?, the thermocouple TC-2 and a potentiometer 70, the resistance of which is significantly greater than that of the line section 10Z) (so that it absorbs negligibly little energy); the potentiometer has current conductors 72 and 74 symmetrically connected to the extreme ends of section 106. A differential amplifier 76 with high common mode rejection receives inputs from thermocouple TC-2 and potentiometer 70. The amplifier suppresses the AC signal common to both inputs and only allows the DC signal from the TC-2 thermocouple to pass. Because the potentiometer is connected symmetrically to the ends of the line, there is no direct current signal at the potentiometer tap that would interfere with the temperature measurement of the thermocouple. The pure DC signal from the differential amplifier 76 is subtracted from the pure DC signal from the reference thermocouple TC-i by the differential amplifier 18, the output of which represents the temperature difference between the two thermocouples. The amplifiers 18 and 76 can be a single amplifier and the current conductors 72 and 74 can be the voltage sense current conductors 20 and 22 of FIG. 2 be. The components for controlling the energy in the line section 106 and for squaring the voltage difference between the ends of the section 106 have been omitted for the sake of clarity.
Fig.7 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Thermoelement TC-2 kein unerwünschtes Wechselstromheizsignal aufnimmt Die Leitung 106 ist in Form einer Schleife 121 gebogen. Die Schleife ist elektrisch dadurch geschlossen, daß die äußeren Wandungen der Leitung miteinander bei 122 verbunden (z. B. verschweißt) sind, wobei aber trotzdem der Fluß durch die Leitung vom Einlaß zum Auslaß besteht Das Thermoelement TC-2 ist an der Verbindungsstelle 122 der Schleife angeschlossen. Es herrscht nun kein Wechselpotential zwischen den Thermoelementen TC-I und TC-2. Die Schleife verbessert ferner die Leistung des7 shows an embodiment in which the thermocouple TC-2 does not pick up any undesired AC heating signal. The lead 106 is bent in the form of a loop 121. The loop is electrically closed by having the outer walls of the conduit connected (e.g., welded) together at 122, but still maintaining flow through the conduit from inlet to outlet. Thermocouple TC-2 is at junction 122 of the Loop connected. There is now no alternating potential between the thermocouples TC-I and TC-2. The loop also improves the performance of the
Durchflußmessers dadurch, daß das Mischen des Strömungsmittels verbessert wird, so daß das thermische Gleichgewicht zwischen dem Strömungsmittel und der Leitung beschleunigt wird. Eine zusätzliche Wicklung 123 auf der toroidförmigen Spule 16 ergibt eine Spannung proportional der Heizenergie, die in die Leitung eingespeist wird, die in ein Ausgangssignal proportional dem Massendurchfluß durch die Schaltung 48, die weiter oben in Verbindung mit F i g. 5 beschrieben wurde, transformiert wird.Flow meter in that the mixing of the fluid is improved, so that the thermal Equilibrium between the fluid and the conduit is accelerated. An additional Winding 123 on the toroidal coil 16 results in a voltage proportional to the heating energy that is in the Line is fed, resulting in an output signal proportional to the mass flow rate through the circuit 48 discussed above in connection with FIG. 5 is transformed.
Der Arbeitsbereich des Konstanttemperatur-Durchflußmessers dieser Art kann, wie in Fig.8 gezeigt, dadurch erhöht werden, daß zusätzliche Leitungen 77 ähnliche Dimensionen parallel um die aktive Meßleitung 10 herum angeordnet werden; diese zusätzlichen Leitungen, die nicht aufgeheizt sein brauchen, bilden einen stabilen und linearen Durchflußunterteiler. Alle Leitungen werden in einem größeren rohrförmigen Gehäuse 78 untergebracht. Da die Strömungsmittelbedingungen (mit Ausnahme für den kleinen Temperaturunterschied der aktiven Leitung 10, der normalerweise vernachlässigt werden kann) die gleichen sind, ist der Massendurchfluß durch jede der Leitungen der gleiche, und der Gesamtdurchfluß ist der gemessene Durchfluß durch die aktive Leitung multipliziert mit der gesamten Anzahl von Leitungen.The working range of the constant temperature flow meter of this type can, as shown in Fig. 8, can be increased by having additional lines 77 of similar dimensions in parallel around the active measuring line 10 can be arranged around; these additional lines, which do not need to be heated, form a stable and linear flow divider. All lines are in a larger tubular shape Housing 78 housed. As the fluid conditions (except for the small temperature difference of active line 10, which can normally be neglected) are the same, is Mass flow through each of the lines is the same and the total flow is the measured flow by the active line multiplied by the total number of lines.
Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung des Durchflußbereiches des Konstanttemperatur-Durchflußmessers ist in F i g. 9 dargestellt und besteht darin, daß ein erstes begrenzendes Element 80 in Reihe mit der aktiven Meßleitung 10 des Durchflußmessers angeordnet ist; dieses begrenzende Element hat eine Form, bei der der Druckabfall am Element sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit durch das Element ändert, wie dies bei einem Staurand, einem Venturirohr oder dergleichen der Fall ist. Der Druckabfall an der Leitung 10 muß viel kleiner sein als am ersten begrenzenden Element. Ein zweites begrenzendes Element 82 mit einem Druckabfall, der sich ebenfalls mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ändert, jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Form wie das erste begrenzende Element aufweist, ist im Nebenschluß zu dem ersten begrenzenden Element 80 und der Leitung 10 angeordnet, so daß ein stabiler und linearer Durchflußunterteiler erhalten wird. Da die Strömungsmittelbedingungen für jedes begrenzende Element die gleichen sind, sprechen die Elemente ähnlich an, und da die Leitung selbst einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Durchfluß ausübt, und ferner die Geschwindigkeit von Annäherungsfaktoren gleichgemacht werden kann, ist der Gesamtdurchfluß der, der durch den Fluß durch die Leitung multipliziert mit einem festen Verhältnis, das von der Verengungsfläche der ersten und zweiten begrenzenden Elemente abhängt, gemessen wird.Another way to increase the flow range of the constant temperature flow meter is in Fig. 9 and consists in that a first limiting element 80 is in series with the active measuring line 10 of the flow meter is arranged; this limiting element has a shape at that the pressure drop across the element changes with the square of the velocity through the element, like this is the case with a backing rim, a venturi tube or the like. The pressure drop on line 10 must be much smaller than on the first delimiting element. A second limiting element 82 having a Pressure drop, which also changes with the square of the speed, but not necessarily has the same shape as the first limiting element is shunted to the first limiting element Element 80 and line 10 arranged so that a stable and linear flow divider obtained will. Since the fluid conditions are the same for each restricting element, they speak Elements similar, and since the pipe itself has a negligible influence on the flow, and further the speed can be made equal by approximation factors is the total flow that which by the flow through the pipe multiplied by a fixed ratio, that of the The constriction area of the first and second limiting elements is measured.
Bei den verschiedenen, vorstehend erläuterten Ausführungsformen wird eine Anzeige des Leistungsbedarfes durch Quadrieren der Spannungen an dem Leitungsabschnitt 106 erhalten. Dies kann auch dadurch erzielt werden, daß der Spannungsunterschied zwischen den Enden des Leitungsabschnittes 106 mit dem Strom im Leitungsabschnitt multipliziert wird (P=EI). Eine weitere Methode ist in Fig. 10 dargestellt, bei der ein zusätzlicher Leitungsabschnitt 84 parallel zu dem beheizten Abschnitt 106 der ursprünglichen Leitung 10 zwischen der Endwandung 36 und der Trennwand 34 der Wärmesenke 12 angeordnet ist Der Abschnitt 84 ist in den induktiven Stromkreis eingeschaltet und wird somit aufgeheizt, die Enden des Abschnittes 84 sindIn the various embodiments discussed above, an indication of the power requirement is obtained by squaring the voltages on the line section 106. This can also be achieved in that the voltage difference between the ends of the line section 106 is multiplied by the current in the line section (P = EI). Another method is shown in Fig. 10, in which an additional conduit section 84 is arranged parallel to the heated section 106 of the original conduit 10 between the end wall 36 and the partition wall 34 of the heat sink 12. The section 84 is and is switched into the inductive circuit thus heated, the ends of section 84 are
jedoch abgedichtet, so daß kein Strömungsmittel hindurchströmen kann. Der Temperaturfühler TC-3 ist mit dem Leitungsabschnitt 84 befestigt, und ein weiterer Fühler TC-2 ist mit dem Leitungsabschnitt 10i> verbunden. Die beiden Temperaturfühler sind mit einem Differentialverstärker 86 verbunden, dessen Ausgang den Unterschied in der Temperatur zwischen den beiden Leitungsabschnitten darstellt. Bei Nulldurchfluß sind die Temperaturen beider Abschnitte die gleichen, und der Ausgang des Differentialverstärkers 86 ist Null. Wenn Strömungsmittel sich durch die Leitung 10 bewegt, steuert die Konstanttemperatur-Servoschaltung 46, die weiter oben in Verbindung mit F i g. 5 beschrieben worden ist, die Leistung, die in den Leitungsabschnitt 10Z> und 84 abgegeben wird, bis der /-vuSCunitt ivb wicuer sui uic gcWünsciitc Temperatur zurückgeführt ist. Da die Leitungsabschnitte 10i und 84 identisch ausgebildet und parallel geschaltet sind, wird die Leistung gleichmäßig zwischen ihnen aufgeteilt. Infolgedessen besteht ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Leitungsabschnitten \0b und 84, der proportional der Leistung ist, die erforderlich ist, um ein konstantes At zwischen den beheizten und unbeheizten Abschnitten 106 und 10a der Leitung 10 aufrechtzuerhalten. Der Ausgang des Verstärkers 86 ist somit proportional dem Massendurchfluß des Strömungsmittels in der Leitung 10.but sealed so that no fluid can flow through it. The temperature sensor TC-3 is attached to the line section 84, and a further sensor TC-2 is connected to the line section 10i>. The two temperature sensors are connected to a differential amplifier 86, the output of which represents the difference in temperature between the two line sections. At zero flow, the temperatures of both sections are the same and the output of differential amplifier 86 is zero. As fluid moves through line 10, control is the constant temperature servo circuit 46 described above in connection with FIG. 5 has been described, the power that is output in the line section 10Z> and 84 until the / -vuSCunitt ivb wicuer sui uic desired temperature is returned. Since the line sections 10i and 84 are designed identically and connected in parallel, the power is evenly divided between them. As a result, there is a temperature difference between the two line sections \ 0b and 84 which is proportional to the power required to maintain a constant Δt between the heated and unheated sections 106 and 10a of the line 10. The output of amplifier 86 is thus proportional to the mass flow rate of the fluid in line 10.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine Mehrfachanordnung von Leitungen und Thermoelementen ein entsprechendes elektrisches Signal proportional der Temperaturdifferenz im Strömungsmittel bei wesentlich niedrigeren Leitungstemperaturen ergibt. Mehrfachleitungen 88, 90, 92, 94 sind mit einer thermisch leitenden, elektrisch jedoch nichtleitenden Wärmesenke 96 verbunden. Andererseits kann die Wärmesenke 96 elektrisch leitend sein, wenn die Leitungen von der Wärmesenke durch ein thermisch leitendes, jedoch elektrisch isolierendes Material getrennt sind. Die Wärmesenke unterteilt ferner jede Leitung in zwei Abschnitte 884 und 88ß, 90Λ und 90S usw., deren zweite Gruppe (identifiziert durch die Zusätze »B«) induktiv dadurch beheizt wird, daß Stromleiter 98,100,102 und 104 mit den äußeren Enden der Stromleiter durch eine induktive Spule 106 verbunden sind. Die Stromleiter 108, 110, 112, 114 und 116, die aus einem Material bestehen, das unterschiedlich von dem der Leitungen ist, bilden Thermoelement-Anschlußstellen (TCiA bis TC-XD und TC-2A bis TC-2D) mit den Leitungen 88, 90, 92 und 94, und die Thermoelement-Anschlußstellen sind dabei elektrisch in Reihe geschaltet. Die Stromleiter sind so angeordnet, daß der Stromleiter 110 mit dem unbeheizten Leitungsabschnitt 88.4 und dem beheizten Leitungsabschnitt 905 verbunden ist, der Stromleiter 112 ist mit dem unbeheizten Leitungsabschnitt 90Λ und mit dem11 shows a further embodiment in which a multiple arrangement of lines and thermocouples results in a corresponding electrical signal proportional to the temperature difference in the fluid at significantly lower line temperatures. Multiple lines 88, 90, 92, 94 are connected to a thermally conductive, but electrically non-conductive heat sink 96. On the other hand, the heat sink 96 can be electrically conductive if the lines are separated from the heat sink by a thermally conductive, but electrically insulating material. The heat sink also divides each line into two sections 884 and 88ß, 90Λ and 90S etc., the second group (identified by the suffix "B") is inductively heated by connecting current conductors 98, 100, 102 and 104 to the outer ends of the current conductors by inductive Coil 106 are connected. The conductors 108, 110, 112, 114 and 116, which are made of a material that is different from that of the lines, form thermocouple connection points (TCiA to TC-XD and TC-2A to TC-2D) with the lines 88, 90, 92 and 94, and the thermocouple connection points are electrically connected in series. The conductors are arranged so that the conductor 110 is connected to the unheated line section 88.4 and the heated line section 905, the conductor 112 is connected to the unheated line section 90Λ and with the
■-, beheizten Leitungsabschnitt 92B verbunden usw. Ein Ende eines jeden Stromleiters 108 und 116 ist mit einem Differentialverstärker verbunden, wie er beispielsweise in der Ausführungsform nach F i g. 5 in der Schaltung 46 verwendet wird; der Ausgang des Verstärkers ist dabei-, heated conduit section 92B , and so on. One end of each conductor 108 and 116 is connected to a differential amplifier such as that shown in the embodiment of FIG. 5 is used in circuit 46; the output of the amplifier is included
ίο proportional der Summe der Ausgänge eines jeden einzelnen Thermoelementes. Gleicher Gesamtdurchfluß erfordert die gleiche Gesamtenergie. Sowohl Durchfluß als auch Leistung sind jedoch etwa gleichmäßig auf die Leitungen verteilt. Die Energie kann so gemessenίο proportional to the sum of the outputs of each single thermocouple. The same total flow requires the same total energy. Both flow as well as power are, however, roughly evenly distributed over the lines. The energy can be measured this way
i) werden, wie in Verbindung mit den Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 5 beschrieben, oder aber durch Aufbringen einer zusätzlichen Sekundärwicklung 120 auf der induktiven Spule 106, um eine Spannung zu erhalten, die proportional der an den Leitungeni) as in connection with the embodiments according to the F i g. 2 and 5, or by applying an additional secondary winding 120 on inductive coil 106 to obtain a voltage proportional to that on the leads
jo induzierten ist. Eine derartige Spannung hängt von irgendwelchen Verlusten ab, die der Energiespeisequelle oder der Spule zugeordnet sind, und jeder Fehler, der durch die Differenz in der Kopplung eingeführt wird, ist klein und proportional. Durch Quadrieren der Span-jo is induced. Such tension depends on any losses associated with the power source or coil, and any failure that introduced by the difference in coupling is small and proportional. By squaring the span
r, nung, z. B. mit Hilfe der Schaltung 48 nach F i g. 5, wird ein Ausgang erzeugt, der der Energie entspricht, die in das Strömungsmittel abgegeben worden ist, und ist somit repräsentativ für die Massendurchflußgeschwindigkeit. r, nung, z. B. with the help of the circuit 48 of FIG. 5, will produces an output corresponding to the energy that has been released into the fluid and is thus representative of the mass flow rate.
»ι Zusätzlich zu dem Vorteil eines geringeren Temperaturunterschiedes hat die soeben beschriebene Anordnung auch den Vorteil eines vergrößerten Arbeitsbereiches. Der maximale Bereich eines Durchflußmessers mit einer einzigen Leitung ist auf Durchflußgeschwindigkei-»Ι In addition to the advantage of a smaller temperature difference the arrangement just described also has the advantage of an enlarged working area. The maximum range of a flow meter with a single line is limited to flow velocity
Ji ten begrenzt, in welchen die Leitung und der Strömungsmitteldurchsatz weitgehend in thermischem Gleichgewicht sind. Der maximale Bereich eines Durchflußmessers mit Vielfachleitungen wird direkt proportional mit der Anzahl von Leitungen erhöht. Diese Ausführungsform kann Schleifen in den beheizten Leitungsabschnitten enthalten, wie in Verbindung mit F i g. 7 beschrieben.Ji th limited in which the line and the Are largely in thermal equilibrium. The maximum range of a The multiple line flow meter is increased in direct proportion to the number of lines. This embodiment may include loops in the heated conduit sections, as in connection with FIG F i g. 7 described.
F i g. 12 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, die bei den verschiedenen, bisher beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann. Insbesondere können die Wandungen der Leitung 10 mit Vertiefungen versehen sein oder in sonstiger Weise aufgerauht sein, um die Turbulenz bzw. das Mischen im Strömungsmittel zu verstärken, so daß das thermische Gleichgewicht zwischen dem Strömungsmittel und der Leitung beschleunigt wird.F i g. Figure 12 shows a modified embodiment that is common to the various embodiments described so far can be used. In particular, the walls of the line 10 can have depressions be provided or roughened in some other way to reduce the turbulence or mixing in the To amplify the fluid so that the thermal equilibrium between the fluid and the Line is accelerated.
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