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Thermische Meßvorrichtung zur Bestimmung von
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Strömungsgeschwindigkeiten eines fließenden Mediums Die Erfindung
bezieht sich auf eine thermische Meßvorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten,
insbesondere unter 2 m/sec, eines fließenden Mediums mit einem von dem Medium umspülten
Heizelement zur periodischen Erwärmung von Bereichen des an ihm vorbeiströmenden
Mediums am Anfang einer Meßstrecke vorbestimmter Länge und mit einem Temperaturfühler
am Ende der Meßstrecke in dem Medium sowie mit einer Einrichtung zur Ermittlung
der zeitlichen Phasendifferenz der Erwärmung des Mediums zwischen den Begrenzungspunkten
der Meßstrecke. Eine derartige Meßvorrichtung ist aus der DE-AS 25 00 897 bekannt.
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Bei dieser bekannten Vorrfchtung werden einzelne Bereiche eines ströaecdoo
Mediums mittels eines in dem
Medium angeordneten Heizelementes,
beispielsweise mit einem Heizdraht, durch periodisches Aufheizen markiert. Das Medium
strömt dann an einem Temperaturfühler vorbei, der in einem vorbestimmten Abstand
von dem Heizelement in Strömungsrichtung angeordnet ist. An diesem Temperaturfühler,
der beispielsweise ein Widerstandsdraht oder ein Thermoelement ist, wird dabei durch
das periodisch aufgeheizte Medium eine Wechselspannung mit der Frequenz des Aufheizens
hervorgerufen. Aus der Phasendifferenz zwischen dem Zeitpunkt der Erwärmung eines
Bereiches des Mediums an dem Heizelement und dem Zeitpunkt der entsprechenden Erwärmung
des Temperaturfühlers durch den gleichen aufgeheizten Bereich kann dann die Strömungsgeschwindigkeit
bestimmt werden.
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Bei dieser Vorrichtung ist die Meßstrecke zur Bestimmung der zeitlichen
Phasendifferenz auf der einen Seite von dem Heizelement und auf der anderen Seite
von dem Temperaturfühler begrenzt. Hierbei ergibt sich jedoch die Schwierigkeit,
daß im allgemeinen die Aufheizzeit des Heizelementes nicht gleich der Ansprechzeit
des Temperaturfühlers ist. Da ferner die Aufheizzeit bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten
größer als bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ist, sind die Geschwindigkeitswerte,
welche den zwischen dem Heizelement und dem Temperaturfühler ermittelten Phasendifferenzen
zuzuordnen sind, dementsprechen ungenau.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte
Meßvorrichtung dahingehend zu verbessern, daß die von der Strömungsgeschwindigkeit
und den für das Heizelement und den Temperaturfühler verwendeten Materialien abhängigen
Aufheiz-
zeiten die gemessenen Werte der Phasendifferenz und somit
die zugeordneten Werte der Strömungsgeschwindigkeit praktisch nicht verfälschen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Begrenzungspunkte
der Meßstrecke jeweils von einem Meßelement &bildet sind, das gleichzeitig Heizelement
und Temperaturfühler ist.
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Die Erfindung besteht darin, daß man zur thermischen Markierung strömender
Flüssigkeiten Elemente benutzt, die simultan als Heizelement und Temperaturfühler
eingesetzt werden. Dies gilt sowohl für das stromaufliegende Heizelement, das auch
als Referenz-Temperaturfühler dient, wie auch für den stromabliegenden Temperaturfühler,
der thermische Veränderungen erfaßt, die durch das stromaufliegende Heizelement
verursacht wurden.
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Die Vorteile dieser Ausbildung der Meßvorrichtung nach der Erfindung
bestehen dann insbesondere darin, daß bei den an den beiden Meßelementen erzeugten
Meßsignalen die gleichen AufSeizzeiten zugrundezulegen sind, da ja die Meßstrecke
mit zwei auf Temperaturschwankungen gleich reagierenden Elementen ausgestattet ist.
Bei der Bildung des Wertes der zeitlichen Phasendifferenz zwischen diesen beiden
Signalen werden dann aber die Aufheizzeiten der Meßelemente eliminiert; d.h., dieser
Wert ist praktisch unbeeinflußt von deren Aufheizzeiten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Meßvorrichtung nach der Erfindung bestehen
die Meßelemente vorteilhaft aus einem Kalt- oder Heißleitermaterial. Durch die Verwendung
derartiger Meßelernerte läßt sich zusätzlich
noch vermeiden, daß
bei einer konstanten Heizleistung die Temperaturdifferenz zwischen dem aufgeheizten
und nicht-aufgeheizten Medium mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit abnimmt.
Außerdem kann bei einer zweckentsprechenden Dimensionierung solcher selbstregelnder
Heizelemente vorteilhaft eine gefährliche Uberhitzung der Elemente bei Ausfall des
strömenden Mediums, beispielsweise beim Auftreten von Luftblasen, mit Sicherheit
vermieden werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Meßvorrichtung nach der Erfindung
sind in den restlichen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert.
Dabei zeigt Fig. 1 schematisch eine Meßvorrichtung nach der Erfindung. In den Fig.
2 und 3 sind in Diagrammen die mit einer solchen Vorrichtung zu erhaltenden Meßsignale
wiedergegeben.
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In Fig. 4 ist ein Teil einer weiteren Ausführungsform einer Meßvorrichtung
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. In Fig. 5 ist ein Meßelement für
eine Meßvorrichtung dargestellt, deren Schaltung Fig. 6 und deren Meßsignale als
Diagramm Fig. 7 zeigen. In Fig. 8 ist ein weiteres Meßelement für eine Meßvorrichtung
nach der Erfindung veranschaulicht.
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Die in Fig. 1 im Längsschnitt angedeutete Vorrichtung zur thermischen
Messung von Strömungsgeschwindigkeiten kann insbesondere zur Messung des Kraftstoffdurchsatzes
für den Motor eines Kraftfahrzeuges oder des Wasserzuflusses bei Haushaltsmaschinen
vorgesehen sein. Die Vorrichtung enthält ein Meßrohr 2, durch das die zu bestimmende
Menge eines
flüssigen Mediums M mi+ einer durch einen durchgezogenen
Pfeil veranschaulichten Geschwindigkeit v hindurchfließt. Als Sender zur Markierung
einzelner Bereiche des vorbeifließenden Mediums durch eine höhere Temperatur ist
in dem Rohr ein Heizelement 3 vorgesehen, an das über zwei elektrische Anschlußleitungen
4 und 5 periodisch ein elektrischer Spannungsimpuls anzulegen ist. In Strömungsrichtung
gesehen befindet sich in dem Meßrohr 2 in einem Abstand von dem Heizelement 3 ein
Temperaturfühler 7 mit entsprechenden Anschlußleitungen 8 und 9. Das Heizelement
3 stellt somit den vorderen Begrenzungspunkt einer Meßstrecke vorgegebener Länge
1 dar, während der hintere Begrenzungspunkt der Meßstrecke durch den Temperaturfühler
7 gebildet wird.
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Das Heizelement 3 und der Temperaturfühler 7 sind vorteilhaft zumindest
annähernd identische Meßelemente aus dem gleichen Kalt- oder Heißleitermaterial.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist angenommen, daß es sich bei den Elementen
3 und 7 um Kaltleiter handelt. Außerdem sollen erfindungsgemäß diese Elemente den
gleichen äußeren elektrischen Betriebsbedingungen unterworfen werden. Das bedeutet,
daß auch der Temperaturfühler als periodisches Heizelement geschaltet ist. Dementsprechend
sind die Elemente 3 und 7 parallelgeschaltet, wobei sich in den parallelen Strompfaden
jeweils noch eine in der Figur nur angedeutete Strommeßeinrichtung 11 bzw. 12 befindet.
An die Elemente 3 und 7 wird dann periodisch von einer nicht dargestellten Spannungsquelle
aus der gleiche Spannungsimpuls U angelegt. Die so geheizten Heiß- oder Kaltleiterelemente
3 und 7 vereinen ercindungsgemäß zwei Funktionen: Sie sind zugleich He zelement
und
Temperaturfühler, da die abfließende Wärme und damit die zugeführte
elektrische Leistung von der Temperaturdifferenz zwischen der Heizeroberflächentemperatur
(Curie-Temperatur) und der Umgebungstemperatur abhängig ist.
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In Fig. 1 sind ferner einzelne, durch die Elemente 3 und 7 auf eine
Temperatur 2 aufgeheizte Bereiche des Mediums M durch eine Schraffierung angedeutet,
wobei diese Bereiche mit der Geschwindigkeit v durch das Meßrohr 2 wandern. Die
übrigen nichtaufgeheizten Bereiche des Mediums sollen sich auf einer Temperatur
befinden. Wird nun an den Elementen 3 und 7 eine periodische Temperaturänderung
durch entsprechende Spannungsimpulse mit einer Frequenz 5 eingestellt, so kann aus
dem Phasenwinkel t zwischen dem Signal an dem Heizelement 3 und dem Temperaturfühler
7 die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmt werden.
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Dabei gilt für die Laufzeit t längs der Meßstrecke 1 zwischen den
beiden Elementen: t n l/v und für den Phasenwinkel . = v t = 1/v 1.
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In Fig. 2 sind in einem Diagramm die sich bei einer solchen Meßvorrichtung
nach Fig. 1 unter Zugrundelegung der Strömungsgeschwindigkeit v ergebenden Meßsignale
veranschaulicht. Auf der Ordinate sind in willkürlichen Einheiten die angelegte
periodische Spannung U, der an den Strommeßeinrichtungen 11 und 12 festzustellende
Stromverlauf I1 bzw. I2 sowie das Differenzsignal Ii I 12 und auf der Abszisse die
Zeit t aufgetragen. Wie dem Verlauf des Differenzsignals zu entnehmen ist, ergibt
sich bei einer Geschwindigkeit v ein gegenüber dem Zeitpunkt des
Spannungsanstiegs
phasenverschobener positiver Stromimpuls. Aus der Phasenverschiebung y, die proportional
1/v ist, kann dann die Strömungsgeschwindigkeit v ermittelt werden.
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In Fig. 1 ist ferner durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet, daß
mit der Meßvorrichtung nach der Erfindung ebensogut Geschwindigkeiten v' in Gegenrichtung
zu der Geschwindigkeit v bestimmt werden können. Für diesen Fall ergeben sich analog
Fig. 2 die in dem Diagramm der Fig. 3 veranschaulichten Kurven. Hierbei ist der
zu ermittelnde Stromimpuls des Differenzsignals I1 - I2 negativ. Auf diese einfache
Weise läßt sich somit auch die Strömungsrichtung des Mediums bestimmen.
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Abweichend von dem Ausführungsbeispiel nach den Fig.
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2 und 3 kann die Frequenz CL> automatisch auch so eingestellt werden,
daß sich eine konstante Phasendifferenz zwischen dem Aufheizen und dem Temperaturfühlersignal
einstellt; die Aufheizfrequenz ist dann der Strömungsgeschwindigkeit v bzw. v' direkt
proportional.
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In den Fig. 1 bis 3 wurde davon ausgegangen, daß das Heizelement und
der Temperaturfühler Bauteile aus einem Kaltleitermaterial sind. Werden stattdessen
jedoch Heißleitermaterialien vorgesehen, so ergibt sich ein zu den Diagrammen der
Fig. 2 und 3 analoger Kurvenverlauf, wobei die Rollen von Strom und Spannung vertauscht
sind.
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In Fig. 4 ist as Längsschnitt des Aufbaus einer weiteren MeBvorrich-ung
nach der Erfindung angedeutet, der einfach herzusteller ist. In einem Meßrohr
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ist auf einem geeigneten Trägerkörper 14,z.B. auf einer dünnen Keramikfolie, ein
kalt- oder heiBleitendes Heizelement 16 mit Anschlußleitungen 17 und 18 angeordnet.
Auf dem Trägerkörper 14 ist ferner ein entsprechender, die Meßstrecke begrenzender
Temperaturfühler 20 aufgebracht, der beidseitig mit Elektroden 22 und 23 versehen
ist. Eine Uberhitzung der Elemente 16 und 20 kann bei einer zweckentsprechenden
Dimensionierung durch Wärmeableitung über den Trägerkörper 14 vermieden werden.
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Wie in Fig. 4 ferner angedeutet ist, kann durch eine dem durch eine
gestrichelte Linie angedeuteten Profil der Strömung des Mediums M entsprechende
Heizelement- und Temperaturfühlergeometrie eine Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit
v erreicht werden. Bei gegebener mittlerer Geschwindigkeit v des strömenden Mediums
ist der mittlere Abstand der an einem Stromfaden liegenden Teile der beiden Elemente
16 und 20 der Geschwindigkeit des Stromfadens reziprok. Die Wichtung der verschiedenen
Geschwindigkeitsanteile kann durch eine örtliche Variante der Elektrodenbreite der
Elemente erfolgen.
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An dem Heizelement 16 und dem Temperaturfühler 20 ergibt sich eine
Wichtung automatisch, da die Randzonen ohnehin wegen der hier geringeren Fließgeschwindigkeit
stärker aufgeheizt werden. Aufgrund des in der Figur angegebenen Profils der Strömung
sind das Heizelement 16 in Strömungsrichtung gesehen konvex-konkav und der Temperaturfühler
konkav-konvex gewölbt.
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Außer Kalt- oder Heißleiterelemente können für die Meßvorrichtung
nach der Erfindung auch Meßelemente vorgesehen werden, die eine polarisierte,ferro-
elektrische
Folie mit einem aufgedruckten Heizwiderstand enthalten. Die Erwärmung des Heizelementes
läßt sich aufgrund des Pyroeffektes eines thermisch gut mit dem Heizelement gekoppelten
Pyrodetektors messen. Bei periodischer Heizung wird dann durch den Pyroeffekt eine
Wechselspannung hervorgerufen, deren Amplitude von der Temperaturdifferenz zwischen
dem Heizelement und der unmittelbaren Umgebung abhängt.
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Ein entsprechendes Meßelement ist in Fig. 5 in Schrägansicht von vorn
dargestellt und allgemein mit 25 bezeichnet. Dieses Meßelement enthält eine Folie
26 aus einem polarisierten, ferroelektrischen Material, auf deren einer Flachseite
ein rechteckförmiger Dickschichtwiderstand als Heizelement 27 aufgedruckt ist, der
mit Anschlußleitungen 28 und 29 an seinen Schmalseiten und einer Mittelanzapfung
30 versehen ist. Auf der gegenüberliegenden Flachseite der Folie 26 befindet sich
eine Gegenelektrode zur Abnahme der Pyrospannung. Die in der Schrägansicht der Figur
an sich verdeckte Elektrode ist gestrichelt angedeutet und mit 31 bezeichnet. Der
Dickschichtwiderstand 27 dieses Meßelementes 25 ist gleichzeitig Elektrode für die
Pyrospannung, die an der Mittelanzapfung 30 abgenommen und gegen die Gegenelektrode
31 gemessen wird.
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Eine Schaltung einer Meßvorrichtung nach der Erfindung mit zwei der
in Fig. 5 dargestellten Meßelementen 25 geht aus Fig. 6 hervor. Das stromauf angeordnete
Meßelement ist mit DD, das stromabgelegene mit 34 bezeichnet. Fig. 5 ertsprechende
Bauteile sind ansonsten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die beiden Elemente 33 und 34 sind So sonnmetrisch
zueinander
angeordnet, daß ihre Gegenelektroden 31 einander zugewandt sind. An die Heizelemente
27 der beiden Elemente 33 und 54 wird eine Heizwechselspannung U angelegt. An dem
ersten Element 33 kann dann eine Pyrospannung Up1 und an dem zweiten Element 34
eine Pyrospannung Up2 abgenommen werden.
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Die sich einstellenden Spannungsverläufe von Up1 und Up2 in Abhängigkeit
von der Zeit t bei gegebener Heizspannung U sind in dem Diagramm der Fig. 7 wiedergegeben.
In der Figur ist außerdem die Differenzspannung Up2 - Up1 aufgetragen. Diese Differenzspannung
ist positiv, solange das Element 22 stromaufwärts und das Element 34 stromabwärts
liegen.
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Bei umgekehrter Strömungsrichtung wäre die Differenzspannung negativ.
Wie aus dem Diagramm hervorgeht, sind die an den beiden Elementen 33 und 54 abzunehmenden
Pyrospannungen solange gleich, bis ein von dem ersten Element 33 aufgeheizter Bereich
des strömenden Mediums das zweite Elemente 34 erreicht. Aus der zeitlichen Differenz
at zwischen dem Zeitpunkt des Aufheizens an dem ersten Element und der Registrierung
an dem zweiten Element kann dann die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.
Ebenso ist nach Abschalten der Heizspannung U die Differenz der Pyrospannungen solange
konstant, bis nach der Zeit d t ein durch Wegnahme der Heizspannung wieder kälterer
Bereich des strömenden Mediums die Meßstrecke durchlaufen hat.
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Abweichend von dem in Fig. 5 veranschaulichten kombinierten Heizer-Temperaturfühler
als Meßelement 25 ist auch ein entsprechendes Element mit einer galvanischen Trennung
zwischen dem Heizkreis und dem Temperaturfühler möglich. Ein entsprechendes
Element
ist als Querschnitt in Fig. 8 schematisch veranschaulicht und allgemein mit 56 bezeichnet.
Es enthält eine Folie 37 aus polarisiertem Material, auf dessen gegenüberliegenden
Flachseiten jeweils eine Elektrode 38 bzw. 39 angeordnet ist. Ein Heizelement des
Meßelementes 36 ist aus einer Widerstandsschicht 40 gebildet, welche auf die freie
Flachseite einer isolierenden Zwischenschicht 41 aufgebracht ist. Diese Isolierschicht
befindet sich auf der Flachseite der Elektrode 38, die der an die Folie 37 angrenzenden
Elektrodenseite gegenüberliegt. Wie in der Figur ferner durch gestrichelte Linien
angedeutet ist, kann gegebenenfalls ein symmetrischer Aufbau des Meßelementes mit
einer weiteren Isolierschicht 42 undeinem Widerstandsschichtheizer 43 auch auf der
Elektrode 39 auf der unteren Seite der Folie 7 vorgesehen werden.
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10 Patentansprüche 8 Figuren
Zusammenfassung Thermische
Meßvorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten eines fließenden Mediums
Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere unter 2 m/sec, eines fließenden Mediums
können mit Hilfe eines thermischen Markierungsverfahrens messen werden.
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Eine entsprechende Meßvorrichtuing enthält ein Heizelement zur periodischen
Erwärmung des an ihm vorbeiströmenden Mediums am Anfang und einen Temperaturfühler
am Ende einer Meßstrecke vorbestimmter Länge sowie eine Einrichtung zur Ermittlung
der zeitlichen Phasendifferenz der Erwärmung des Mediums zwischen den Begrenzungspunkten
der Meßstrecke. Die Strömungsgeschwindigkeit und der Aufbau der verwendeten Elemente
können jedoch den MeBwert der Phasendifferenz verfälschen. Die Erfindung sieht deshalb
vor, daß die Begrenzungspunkte der Meßstrecke (1) jeweils von einem Meßelement (3
bzw. 7) gebildet sind, das gleichzeitig Heizelement und Temperaturfühler ist.
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Entsprechende Meßelemente können insbesondere aus einem Kalt- oder
Heißleitermaterial bestehen (Fig. 1).