DE2749209C2

DE2749209C2 - Grenzschicht-Durchflußmesser zur Bestimmung des Massenstromes eines flüssigen Mediums

Info

Publication number: DE2749209C2
Application number: DE19772749209
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Elsel; Gerhard 8551 Heiligenstadt Pohl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-11-03
Filing date: 1977-11-03
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE2749209A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Grenzschicht-Durchflussmesser zur Bestimmung des Massenstromes eines sich auf Tiefsttemperatur befindenden fluessigen Mediums, der ein Rohrstueck, das auf seiner Aussenseite mit einer Heizvorrichtung versehen ist, und der Temperaturmessvorrichtungen in Stroemungsrichtung des Mediums gesehen vor und nach der Heizvorrichtung enthaelt. Das Rohrstueck mit einer Heizvorrichtung sowie die nach der Heizvorrichtung vorgesehene Temperaturmessvorrichtung sind innerhalb eines Vakuumgehaeuses angeordnet. Es sind Mittel zur Festlegung der Temperatur des in das Rohrstueck eintretenden Massenstromes des fluessigen Mediums auf ein konstantes Temperaturniveau vorgesehen. Die Vorteile dieses Grenzschicht-Durchflussmessers liegen insbesondere in seiner Einfachheit. Zur Bestimmung des Massenstromes sind praktisch nur die Nachlauftemperatur und die Heizleistung als Messgroessen erforderlich. Die Bestimmung des Massenstromes ist auch in einem geschlossenen Kreislauf mit forciertem, unterkuehltem fluessigen Helium oder ueberkritischem Helium moeglich. ...U.S.W

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Grenzschicht-Durchflußmesser zur Bestimmung des Massenstromes eines flüssigen Mediums, der ein Rohrstück, das auf seiner Außenseite mit einer Heizvorrichtung versehen ist, und der eine Temperaturmeßvorrichtung in Strömungsrichtung des Mediums gesehen nach der Heizvorrichtung enthält, wobei das Rohrstück mit der Heizvorrichtung sowie die nach der Heizvorrichtung vorgesehene Temperaturmeßvorrichtung innerhalb eines Vakuumgehäuses angeordnet sind.

Ein entsprechender Grenzschicht-Durchflußmesser ist aus der US-PS 31 87 569 bekannt. Bei diesem Durchflußmesser wird der zu bestimmende Massenstrom eines flüssigen Mediums bei Raumtemperatur durch ein in einem Hochvakuum angeordnetes Rohr hindurchgeleitet, von dem ein Rohrteilstück auf der Außenseite von einer Heizwicklung umgeben ist. In Strömungsrichtung gesehen vor dieser Heizwicklung und unmittelbar nach dieser Heizwicklung sind Temperaturmeßfühler außen auf dem Rohr angebracht. Mit Hilfe dieser Meßvorrichtung kann der Wärmestrom Q bestimmt werden, der bei einem vorgegebenen Temperaturgefälle AT zwischen der aufgeheizten Rohrwand und dem Strömungsmedium von außen nach innen fließt Dabei wird der Wärmesirom wesentlich durch den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Rohrwand und dem Strömungsmedium bestimmt Dieser Koeffizient hängt seinerseits von dem Massenstrom ab. Die Heizleistung eines solchen Durchflußmessers kann vorteilhaft sehr klein gehalten werden, da im wesentlichen nicht das durch ihn strömeade Medium, sondern nur die Rohrwand aufgeheizt wird. Der Widerstand für den Wärmetransport zwischen der Heizung und dem durchfließenden Medium liegt überwiegend in der Grenzschicht Die Rohrwand wird deshalb im allgemeinen dünn und zweckmäßig gut wärmeleitend ausgebildet, so daß ihr Wärmewiderstand vergleichsweise klein ist Im Kern der Strömung werden bei turbulenten Mischbewegungen keine Temperaturunterschiede auftreten. Der Wärmestrom durch die Grenzschicht erfüllt dann die Beziehung

Q = Ot-A-AT,

wobei « der Wärmeübergangskoeffizient von der Rohrwand zu dem Strömungsmedium, A die wärmetrageode Innenfläche des Rohrteilstückes und AT die Temperaturdifferenz zwischen Wand- und Strömungskerntemperatur sind. Die Temperatur der aufgeheizten Rohrwand wird kurz hinter der Heizwicklung gemessen. Die Temperatur d;s turbulenten Strömungskernes ist etwa gleich der Zulauftemperatur des Durchflußmediums, da dieses bei einer geringen Heizleistung der Heizwicklung praktisch nicht erwärmt wird. Diese Temperatur wird in genügendem Abstand vor der Heizwicklung, ebenfalls außen an der Rohrwand entnommen. Zur Bestimmung des Massenstromes eines flüssigen Mediums wird beispielsweise die Heizleistung konstant gehalten und aus der Temperaturdifferenz zwischen Nach- und Vorlauf der Massenstrom bestimmt.

Es hat sich jedoch gezeigt daß sich mit diesem Meßverfahren eine Bestimmung des Massenstromes von sich auf Tiefsttemperatur befindendem flüssigen Helium im allgemeinen nicht eindeutig vornehmen läßt. Beispielsweise wird bei einem konstanten, oberhalb eines kritischen Druckes liegenden Kreislaufdruck und einer konstanten Heizleistung keine für Meßzwecke befriedigende Abhängigkeit des Massenstromes von der Temperaturdifferenz gefunden. Als Ursache hierfür wurde bekannt, daß die Vorlauftemperatur des Durchflußmessers durch die Wärmezufuhr in der Zuführungsleitung im Verlauf mit zunehmendem Massenstrom abnimmt. Diese Temperaturabnahme kann beispielsweise bei Helium von 6 K etwa 0,5 K betragen. Gerade in diesem Temperaturbereich ist jedoch die spezifische Wärme des Heliums sehr stark von der Temperatur abhängig. Aufgrund dieser Temperaturabhängigkeit werden die Meßergebnisse so stark beeinflußt, daß sogar bei veränderlichem Massenstrom eine annähernd konstante Temperaturdifferenz im Durchflußmesser auftreten kann. Der Einsatz eines solchen Grenzschicht-Durchflußmessers ist also nur dann sinnvoll, wenn die thermischen Verluste der Vorlauf-Zuführungsleitung so klein und der Massenstrom so groß gemacht werden können, daß solche Schwankungen der Vorlauftemperatur vernachlässigbar sind. Dies ist im allgemeinen in geschlossenen Kreisläufen mit forciertem, unterkühltem flüssigen Helium oder überkritischem Helium nicht gewährleistet.

Ein weiterer Durchflußmesser, der nach dem

Meßprinzip des aus der genannten US-PS 31 87 569 zu entnehmenden Durchflußmessers arbeitet, ist aus der Zeitschrift »Control Engineering«, März 1957, Seiten 112 bis 117 bekannt

Aus der US-PS 25 25 197 ist zwar ein Durchflußmesser bekannt, bei dem ein Zuführungsrohr in einem Bad eines flüssigen Mediums angeordnet ist, so daß sich ein konstantes Temperaturniveau an der Einlaufseite einer Meßstrecke ergibt. Da dieser Durchflußmesser zur genauen Bestimmung eines sehr kleinen Massendurchsatzes von Gasen dienen soll, ist ein erheblicher meßtechnischer Aufwand erforderlich. So sind neben einer zweigeteilten Heizwicklung zwei Paare thermischer Meßelemente vorgesehen. Da ferner als flüssiges Medium des Bades insbesondere Wasser verwendet is wird und außerdem eine Evakuierung des die Meßstrekke umgebenden Raumes nicht vorgesehen ist, läßt sich dieser bekannte Durchflußmesser, bei dem die vorstehend ausgeführten Meßprinzipien auch angewandt werden, zur Bestimmung des Massenstromes von flüssigem Helium ebenfalls nicht verwenden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Grenzschicht-Durchflußmesser der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die erwähnten Schwierigkeiten weitgehend vermieden werden und insbesondere eine Bestimmung des Massensiromes auch in einem geschlossenen Kreislauf mit forciertem, unterkühltem flüssigen Helium oder überkritischem Helium möglich ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als flüssiges Medium flüssiges Helium verwendet ist, daß die Temperatur des in das Rohrstück eintretenden Massenstromes des flüssigen Heliums (A) auf ein konstantes Temperatumiveau festgelegt ist, indem zumindest ein Teilstück eines mit dem Rohrstück verbundenen Zuführungsrohres in einem Bad mit Helium (B) angeordnet ist, daß die Temperatur der Meßvorrichtung nach der Heizvorrichtung auf einem konstanten Temperatumiveau gehalten ist und daß eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Heizleistung der -»0 Heizvorrichtung vorgesehen ist.

Die Vorteile dieses Grenzschicht-Durchflußmessers liegen insbesondere in seiner Einfachheit. Zur Bestimmung des Helium-Massenstromes sind dann nämlich praktisch nur die Nachlauftemperatur und die Heizleistung als Meßgrößen erforderlich. Die Vorlauftemperatur wird auf einfache Weise dadurch festgelegt, daß zumindest ein Teilstück eines mit dem Rohrstück verbundenen Zuführungsrohres in einem Bad mit Helium angeordnet ist. Dieses Rohrteilstück in dem Bad kann so lang gewählt werden, daß auch bei unterschiedlichen Massenströmen der in dem Grenzschicht-Durchflußmesser eintretende Massenstrom stets die Badtennperatur angenommen hat. Da ferner die Temperatur der Meßvorrichtung nach der Heizvorrichtung auf einem konstanten Temperatumiveau gehalten ist und da eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Heizleistung der Heizvorrichtung vorgesehen ist, ergibt sich auch bei verschiedenen Massenströmen, daß die zu messende Heizleistung ein direktes Maß für den Massenstrom ist. Dabei braucht man die Temperaturmeßvorrichtung nach der Heizvorrichtung zur Bestimmung der Nachlauftemperatur nicht zu eichen, da nur die Größe des Gebersignales und niclH die absolute Größe der Temperatur interessieren- Darüber hinaus kann durch verschiedene vorgegebene Nachlauftemperaturen die Heizleistung in weiten ßereichen variiert werden, so daß die WärmebrlastunS ues Kreislaufes durch den Durchflußmesser den jeweiligen Anforderungen anzupassen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Grenzschicht-Durchflußmessers nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

F i g. 1 schematisch ein Grenzschicht-Durchflußmesser gemäß der Erfindung veranschaulicht ist

F i g. 2 zeigt in einem Diagramm mit einem solcheii Grenzschicht-Durchflußmesser gemessene Meßkurven zur Bestimmung eines Massenstromes.

Der in F i g. 1 als Längsschnitt dargestellte Grenzschicht-Durchflußmesser 2 soll in einem geschlossenen Kreislauf mit forciertem, unterkühltem flüssigen Helium oder überkritischem Helium eingebaut sein. Ein solcher Kreislauf kann beispielsweise zur Kühlung einer supraleitenden Einrichtung vorgesehen werden und befindet sich deshalb auf Tiefsttemperatur. Der dabei auftretende Kreislaufdruck liegt im allgemeinen etwa zwischen i und iObar. Mit dem Grenzschicht-Durchflußmesser läßt sich der durch ihn hindurchgeführte Massenstrom fn des mit A bezeichneten Heliums bestimmen, ohn= daß dabei eine wesentliche Erwärmung des Heliums erfolgt Der Grenzschicht-Durchflußmesser 2 enthält ein Rohrstück 4, dem der Massenstrom m über ein Rohr 5 zugeführt wird. Über ein weiteres Rohr 6 wird dann das Helium A wieder aus dem Rohrstück 4 abgeleitet. Um dieses Rohrstück 4 ist eine Heizwicklung 7 angeordnet Mit Hilfe dieser Heizwicklung 7 wird eine vorbestimmte, verhältnismäßig geringe Heizleistung an eine an der Innenwand dieses Rohrstückes 4 entlangströmende Grenzschicht des im Inneren des Rohrstückes 4 fließenden Helium-Massenstromes abgegeben. Diese Grenzschicht ist in der Figur durch eine mit 8 bezeichnete schraffierte Zone angedeutet Dabei erwärmt sich das Rohrstück unmittelbar in Strömungsrichtung des Heliums A gesehen hinter der Heizwicklung 7 auf eine Temperatur T₂. Diese Temperatur wird mit Hilfe eines an dieser Stelle außen an dem Rohrstück angebrachten Temperaturmeßfühlers 9 bestimmt Dieser Temperaturfühler ist beispielsweise ein Germanium-Widerstand. Bei einer turbulenten Strömung ist an dieser Stelle die Temperatur des Strömungskernes des Heliums A etwa gleich der Vorlauftemperatur in dem Rohr 5, da der Strömungskern bei einer geringen Heizleistung der Heizwicklung 7 praktisch nicht erwärmt wird.

Um eine Wärmeeinleitung von außen auf den Grenzschicht-Durchflußmesser 2 zu unterbinden, ist dieser innerhalb eines rohrförmigen Vakuumgehäuses 10 angeordnet, das über einen Pumpstutzen 11 und ein daran an^Kchlossenes Rohr i2 von einer in der Figur nicht dargestellten Pumpe aus evakuiert wird. Das Vakuumgehäuse 10 mi: dem Grenzschicht-Durchflußmesser 2. in seinem Inneren befindet sich in einem Bad 13 mit siedendem Helium B innerhalb eines in der Figur nur angedeuteten Kryostaten 14. Dieses Heliumbad 13 ist unabhängig von dem Heliumkreislauf, in dem der Grenzschicht-Durchflußmesser 2. liegt. Das Helium-Zuführungsrohr 5, das an einem Stirnflansch 15 in das Vakuumgehäuse 10 eingeführt und dort über einen Dehnungsbalg 16 mit dem Grenzschicht-Durchflußmesser 2 verbunden ist, verläuft vorteilhaft ein vorbestimmies Stück durch das Heliumbad /3. Zumindest dieses mit 17 bezeichnete Teilstück des Zuführungsrohres 5 besteht vorteilhaft aus einem gut wärmeleitenden

Material. Mit einer ausreichenden Länge dieses Teilstückes 17 innerhalb des Heliumbades 13 ist gewährleistet, daß das in ihm strömende Helium A des Kreislaufes stets die Temperatur T\ des Bades 13 annimmt. Die Vorlauftemperatur entspricht somit =, immer der Siedetemperatur des Bades 13. Auf eine besondere Messung der Vorlauftemperatur 7Ί kann deshalb vorteilhaft verzichtet werden, da der Siededruck des Bades im allgemeinen bekannt ist. Die einzigen Meßgrößen zur Bestimmung des Massenstromes in durch den Grenzschicht-Durchflußmesser 2 sind somit nur die von der Heizwicklung 7 abgegebene I leizleistung sowie die Temperatur Ti des Rohrstückes hinter der Heizung 7.

Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser wird, ι, insbesondere auch bei verschiedenen Massenströmen m des Heliums A. die Wandtemperatur Ti an dem Temperaturfühler 9 konstant gehalten. Die über die Heizwicklung 7 abgegebene Heizleistung ist dann unmittelbar ein Maß für den Massenstrom rn. Auch ist es dann nicht erforderlich, den Temperaturfühler 9 zu eichen, da nur die Größe des von ihm abgegebenen Gebersignales und nicht die absolute Größe der Temperatur Ti interessieren. Durch eine Änderung der Wandtemperatur T₂ an dem Temperaturfühler 9 kann außerdem die Heizleistung in weiten Bereichen variiert werden. Dadurch läßt sich auch eine Wärmebelastung des Kreislaufes durch den Durchfluß-Messer den jeweiligen Anforderungen anpassen.

In F i g. 2 sind als Ausführungsbeispiel drei mit einem jo Grenzschicht-Durchflußmesser gemäß Fig. 1 ermittelte Meßkurven zur Bestimmung eines Helium-Massenstromes m in einem Diagramm veranschaulicht. Dabei ist der Massenstrom fn in g/s auf der Ordinate aufgetragen, während die von der Heizwicklung 7 abgegebene Heizleistung Q auf der Abszisse in W angegeben ist. Da die Meßergebnisse von dem jeweiligen Kreislaufdruck abhängen, sind in der Figur drei verschiedene Kreislaufdrucke, und zwar von 2 und 3 sowie 6 bar angenommen. Dem Ausführungsbeispiel ist ein Rohrstück 4 mit einem Durchmesser von 10 mm zugrundegelegt, das auf einer Länge von 10 cm mit einer Heizwicklung Tversehen ist. Als Vorlauftemperatur Ti. die der Temperatur des Heliumbades 13 entspricht, durch welches das Teilstück 17 des Zuführungsrohres 5 verläuft, ist eine Temperatur von 4,17 K angenommen. Die Nachlauftemperatur T2 an der Wand des Rohrstükkes 4 unmittelbar hinler der Heizwicklung 7 wird mit Hilfe des Germanium-Temperaturfühlers 9 dabei auf 4,61 K konstant gehalten. Für das durch den Grenzschichi-Dürchfiüßmesser 2 strömende flüssi⁰? Helium A und für die gegebene Meßanordnung ist dann die zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz Tj — 7Ί erforderliche Wärme- bzw. Heizleistung Q ein Maß für den Massenstrom m und steigt bei einer turbulenten Strömung näherungsweise mit der 0,8ten Potenz von m an (vgl. die genannte Zeitschrift »Control Engineering«, März 1957. Seite 113). Wie dem Diagramm der Fig. 2 zu entnehmen ist. beträgt die erforderliche Heizleistung Q maxinv? <5twa 2,3 W. Der Grenzschicht-Durchflußmesser gemäß der Erfindung ist deshalb besonders für den Einsatz bei großen Massenströmen geeignet, da er mit einer verhältnismäßig kleinen Heizleistung auskommt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Grenzschicht-Durchflußmesser zur Bestimmung des Massenstromes eines flüssigen Mediums, der ein Rohrstück, das auf seiner Außenseite mit einer Heizvorrichtung versehen ist, und der eine Temperaturmeßvorrichtting in Strömungsrichtung des Mediums gesehen nach der Heizvorrichtung enthält, wobei das Rohrstück mit der Heizvorrichtung sowie die nach der Heizvorrichtung vorgesehene Temperaturmeßvorrichtung innerhalb eines Vakuumgehäuses angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Medium flüssiges Helium (A) verwendet ist, daß die Temperatur des in das Rohrstück (4) eintretenden Massenstromes (m) des flüssigen Heliums (A) auf ein konstantes Temperaturniveau (Ti) festgelegt ist, indem zumindest ein Teilstück (17) eines mit dem Rohrstück (4) verbundenen Zuführungsrohres (5) in einem Bad (13) mit Helium (B) angeordnet ist, daß die Temperatur der Meßv-jrrichtung (9) nach der Heizvorrichtung (7) auf einem konstanten Temperaturniveau (Ti) gehalten ist und daß eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Heizleistung (Q) der Heizvorrichtung (7) vorgesehen ist.

2. Grenzschicht-Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des flüssigen Heliums (A) vor dessen Einleitung in das in dem Bad (13) angeordnete Rohrteilstück (17) zumindest annähernd gleich der Temperatur (Ti) des Heliums (B) in dem Bad (13) ist

3. Grerrschicht-Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das Bad (13) siedendes Helium (¹B,) verwendet ist

4. Grenzschicht-Durchflußmi'sser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturmeßvorrichtung (9) ein Germanium-Widerstands-Meßfühler verwendet ist.

5. Grenzschicht-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Anordnung in einem Kühlkreislauf für eine supraleitende Einrichtung.