DE3006584A1

DE3006584A1 - Thermischer durchflussmesser

Info

Publication number: DE3006584A1
Application number: DE19803006584
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Phys. 6102 Pfungstadt Eiermann; Wolfgang 6000 Frankfurt Schäfer
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE3006584C2

Description

Thermischer Durchflußmesser
Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußmesser zur Messung des Massenstroms eines in einer Leitung fließenden gasförmigen oder flüssigen Mediums, bestehend aus einem von dem Medium durchströmten, mit einem Heizelement versehenen metallischen Rohrabschnitt und gegebenenfalls Elementen zur Messung der Temperatur des Mediums.
Thermische Durchflußmesser, die dem zu messenden Massentrom eine bekannte Wärmemenge zuführen, sind seit langem bekannt (z. B. Dt-Ps Rq4 105). Grundlage des Meßprinzips ist die Beziehung zwischen aufgenommener Wärmeleistung Q und der resultierenden Teperaturerhöhung # T des Mediums Q = M . C . # T = V . # . c . #T Hierbei ist M der Massenstrom, V der Volumenstrom, die Dichte und c die spezifische Wärme des Mediums.
Das Verhältnis von Q und A T ist somit ein lineares Maß für die Durchflußmenge.
Bisher bekannte Geräte, die nach diesem Prinzip arbeiten, verwenden z. B. eine Heizwicklung auf einem metallischen Rohrabschnitt, um dem Medium Wärme zuzuführen.
Dieser Aufbau hat den Nachteil, daß nur ein schlechter Wärmekontakt zwischen Heizwicklung und dem Rohrabschnitt erzielt wird, da die Kontaktfläche klein ist (im Verhältnis zur Oberfläche des Heizdrahtes) und zusätzlich eine Isolierschicht zwischen Heizwicklung und Rohr angebracht lterden muß.
Der daraus resultierende lfårmelfiderstand zwischen der Heizwicklung und dem durchströmten Rohrabschnitt bedingt, daß erstens die Temperatur der Heizwicklung kein Maß für die Temperatur der Wand und des durchströmten Rohrabschnittes ist und daß zweitens die von der Heizwicklung aufgenommene elektrische Leistung kein exaktes Maß für die von dem Medium aufgenommene Wärme ist. So ist z. B. das Verhältnis von aufgenommener elektrischer Leistung und Temperaturerhöhung bei einer Vorrichtung nach DE-PS 854 105 nicht proportional dem Massendurchfluß.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermischen Durchflußmesser zur Messung des Massenstroms eines in einer Leitung fließenden gasförmigen oder flüssigen Mediums zu schaffen, bestehend aus einem von dem Medium durchströmten, mit einem Heizelement versehenen metallischen Rohrabschnitt und gegebenen falls Elementen zur Messung der Temperatur des Mediums, bei dem die vom Heizelement aufgenommene elektrische Leistung ein möglichst exaktes Maß für die vom Medium aufgenommene Wärme und das Verhaltnis von auf=,enommener elektrischer Leistung und Temperaturerhöhung möglichst proportional dem Massendurchfluß ist.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Heizelement ein Schichtwiderstand auf einem elektrisch isolierenden thermisch gutleitenden Substrat dient, das über eine metallische Zwischenschicht mit der Außenfläche des Rohrabschnitts wärmeschlüssig verbunden ist. Vorzugsweise verwendet man als Schichtwiderstand einen bekannten Dünnfi]mlxiderstand, hergestellt mittels Dünnfilmtechnik.
Der erfindungsgemäße Durchflußmesser hat den Vorteil, daß eine nahezu ideale Wärmekoppiung zwischen einem Metallfilm und dem durchströmten Rohrabschnitt erzielt wird. Dadurch ist die aufgenommene elektrische Leistung ein sehr gutes Maß für die dem Medium zugeführte Wärmeleistung und es resultiert eine ausgezeichnete Linearität zwischen der Durchflußmenge und der Größe P/T.
Weiterhin erhält man hierdurch die Möglichkeit, bei geeigneter Dimensionierung des Heizelements thermischen Ausgleich zwischen dem strömenden Medium und der Innenwand des Heizelements bzw. des Rohrabschnitts zu erzielen und die Temperatur des temperaturabhängigen Dünnfilmwiderstands als Maß für die Austrittstemperatur des Mediums zu verwenden. In diesem Fall kann eine Messung der Austrittstemperatur entfallen.
Der erfindungsgemäße Durchflußmesser zeichnet sich auch dadurch aus, daß er einfach herzustellen und somit für eine Massenfertigung geeignet ist.
Da die stromführendcn Teile uf der Außenfläche des durchströmten Rohrabschnitts angebracht sind, entfallen alle Probleme der elektrischen Isolierune der Widerstunde gegenüber dem strömenden Medium und der Dichtigkeit der Durchführung von Zuleitungen.
In den Abbildungen I bis III sind schematisch beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Durchflußmessers dargestellt.
Auf einem metallischen Rohrabschnitt (l) aus einem gut wärmeleitenden Material, die z. B. Kupfer, mit einer Innenbohrung (5) zur Durchleitung des zu messenden Mediums befinden sich auf zwei Cegenüberlnefflenden Stellen 3e eine ebene Fläche, auf der ein Dünnfilmwiderstand (3) mit einem Substrat (2) aufgebracht ist.
Die wärmeschlussige Verbindung (4) zwischen dem Substrat (2), vorteilhafterweise aus reinem Al203 bestehend, das in der 1Wårmeleitfähigkeit einer metallischen Legierung entspricht, und dem Rohrabschnitt (1) kann durch Weich-, Hart- oder Aktivlötung erfolgen.
Welche Methode der wärmeschlüssigen Verbindung von Substrat (2) und Rohrabschnitt (1) am vorteilhaftesten ist, hängt von dem Temperaturbereich, in dem das Heizelement eingesetzt werden soll, ab.
Die Abbildung II zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchflußmessers mit einem Temperaturfühler für die Messung der Eintrittstemperatur des Mediums in das Heizelement, wobei der Temperaturfühler ebenfalls aus einem durchströmten Rohrabschnitt (6) mit aufgebrachte Schichtwiderstand (7) auf einem Substrat (8) besteht, der stromaufwärts vom beheizten Rohrabschnitt (1), von diesem thermisch isoliert angeordnet ist. Die Verbindung zwischen dem Substrat (8) des temperaturabhängigen Dünnfilmlçiderstands (7) und dem durchströmten Rohrabschnitt (6) erfolgt vorteil- hafterweise nach dem gleichen Verfahren wie bei dem Heizelement. Es kann aber auch ausreichend sein, hierfür einen wärmeleitenden Klebstoff zu verwenden. Der Temperaturfühler ist durch ein thermisch nicht leitendes Rohrstück (9) von dem Heizelement getrennt. In einer vorteilhaften Ausführung haben die Schichtwiderstände (7 und 3) einen möglichst gleichen Temperaturkoeffizienten, Dies kann z. B. durch die Verwendung von Pt-DiinnfilmlfiderstWnden erreicht çerden, die sich durch große Genauigkeit und Stabilität auszeichnen.
Werden die Widerstände (7 und m) in je einen Zweig einer Wheatstonebrücke geschaltet, so kann mit einer einfachen elektrischen Regelung erzielt erden, daß sich die Temperatur des beheizten Widerstands (3) und somit des beheizten Rohrabschnitts (1) auf einen konstanten Temperaturbetrag oberhalb der von. Temperaturfühler gemessenen Temperatur einstellt. Die vom beheizten Wiederstand (3) aufgenommene elektrische Leistung P ist auf Grund des geringen Wärmewiderstandes zwischen Heizwiderstand (3) und Rohrabschnitt (1) ein Maß für die vom Medium aufgenommene Wärmeipenge, deren Abhängigkeit vom Massenstrom in einer Eichmessung festgelegt werden kann und näherungsweise unabhängig von der Temperatur des Mediums ist.
Bei dieser Anordnung kann sich jedoch durch die Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte des Mediums (Viskosität, Wärmeleitfähigkeit) eine Abhängigkeit der beim Durchfließen des Heizelements om Medium aufgenommenen Wärmemenge von der Eintrittstemperatur des Mediums ergeben.
Wird jedoch das Heizelement so dimensioniert, daß ein thermischer usEleich zwischen Medium und Heizelement erfolgt, so entfällt diese Temperaturabhängigkeit, da die Temperaturerhöhung des Mediuns konstant gehalten wird.
Ein weiterer Vortcil der Regelung der Hcizelementterperatnr auf konstante tiberhitzung besteht darin, daß die Ansprechzeit des Systems bei einer Änderung der Durchflußmenge weitgehend unabhängig von der thermischen Trägheit des Heizelements ist. Außerdem kann bei dieser Anordrnrng keine gefährliche tTberhitzung des Heizelements bei der Durchflußmenge 0 erfolgen.
Kann bei größeren Durchflußmengen der thermische Ausgleich zwischen Medium und Heizelement nicht erzielt werden, wird vorteilhafterweise eine erweiterte Anordnung eingesetzt, die in Abbildung III schematisch dargestellt ist. Die einordnung aus Abbildung II ist hier ur" einen weiteren Temperatllrfthler stromabwärts zum Heizelement ergänzt, um die Austrittstemperatur des Mediums aus dem Heizelement zu messen. Der Aufbau dieses Temperaturfühlers kann dem des anderen Temperaturfühlers entsprechen und ist ebenfalls durch ein thermisch nicht leitendes Rohrstück (9) vom Heizelement getrennt. Er besteht ebenfalls aus einem Rohrabschnitt (10) mit aufgebrachtem Schichtwiderstand (11). In einer vorteilhaften Ausführung wird sowohl die dem beheizten Widerstand (3) zugeführte elektrische Leistung P und die Temperaturdifferenz # T zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur des Mediums gemessen. Wird in einer elektronischen Schaltung die Größe P/# T gebildet, so erhält man ein Ausgangssignal mit hervorragender Linearitt in Abhängigkeit vom Massenstrom. Vorteilhafterweise verwendet man hierfür einen Analogrechner oder einen Microprocessor.
Auch bei dieser Anordnung kann es sinnvoll sein, die Temperatur des beheizten Widerstands (s) auf konstante Überhitzung bezogen, auf die Eintrtttr-temperatur des Mediujns zu regeln. Es besteht aber auch die Möglichkeit, entweder die dem beheizten Widerstand (3) zugeführte elektrische Leistung P konstant zu halten und die Größe I/nT als Ausgangssignal zu verwenden oder die Leistung P so zu regeln, daß # T konstant bleibt und P somit das Ausgangssignal darstellt.
Außer Dünnfilmwiderstände lassen sich auch Schichtwiderstände verwenden, die mittels bekannter Dickfilmtechniken hergestellt wurden.

Claims

Patentansprüche 1. Thermischer Durchflußmesser zur Messung des Massenstroms eines in einer Leitung fließenden gasförmigen oder flüssigen Mediums, bestehend aus einem von dem Medium durchströmten, mit einem Heizelement versehenen metallischen Rohrabschnitt und gegebenenfalls Elementen zur Messung der Temperatur des Mediums, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizelement ein Schichtwiderstand (3) auf einem elektrisch isolierenden, thermisch gutleitenden Substrat (2) dient, das über eine metallische Zwischenschicht (4) mit der Außenfläche des Rohrabschnitts (1) wärmeschlüssig verbunden ist.
2. Thermischer Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schichtwiderstand (3) ein Dffnnfilmwiderstand verwendet wird.
3. Thermischer Durchflußmesser nach Anspruch l und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Temperatur des Mediums stromaufaçärts zum beheizten Rohrabschnitt (1), ron diesem thermisch isoliert ein mit einem Schichtwiderstand (7) auf einem Substrat (8) wärmeschlüssig verbundener metallischer Rohrabschnitt (6) angeordnet ist.
4. Thermischer Durchflußmesser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Temperatur des Mediums stromablçarts zum beheizten Rohrabschnitt (l), von diesem thermisch isolicrt ein leitcrer mit einem Schichtwiderstand (11) versehener metallischer Rohrabschnitt (10) angeordnet ist.
5. Thermischer Durchflußmesser nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtwiderstände (9, 7) einen gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besitzen und die Temperatur des Schichtwiderstandes (3) auf dem beheizten Rohrabschnitt (l) über eine 1\7heatstonebrücke und einen elektronischen Regelkreis auf einen konstanten Wert oberhalb'der Eintrittstemperatur des Mediums geregelt wird.
6. Thermischer Durchflußmesser nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem angeschlossenen Analogrechner oder Microprocessor das Verhältnis von der vom Schichtwiderstand (3) des beheizten Rohrabschnitts (1) aufgenommenen elektrischen Leistung und der gemessenen Differenz zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur des Mediums gebildet wird.