DE3006584C2

DE3006584C2 -

Info

Publication number: DE3006584C2
Application number: DE19803006584
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Phys. 6102 Pfungstadt De Eiermann; Wolfgang 6000 Frankfurt De Schaefer
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1988-12-22
Also published as: DE3006584A1

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchfluß messer 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 Elementen zur Messung der Tempera tur des Mediums.

Thermische Durchflußmesser, die dem zu messenden Mas senstrom eine bekannte Wärmemenge zuführen, sind seit langem bekannt (z. B. DE-PS 8 54 105). Grundlage des Meßprinzips ist die Beziehung zwischen aufgenommener Wärmeleistung Q und der resultierenden Temperaturer höhung Δ T des Mediums

Q = M · C · Δ T = V · ρ · c · Δ T

Hierbei ist M der Massenstrom, V der Volumenstrom, ρ die Dichte und c die spezifische Wärme des Mediums. Das Verhältnis von Q und Δ T ist somit ein lineares Maß für die Durchflußmenge.

Bisher bekannte Geräte, die nach diesem Prinzip arbei ten, verwenden z. B. eine Heizwicklung auf einem me tallischen Rohrabschnitt, um dem Medium Wärme zuzuführen. Dieser Aufbau hat den Nachteil, daß nur ein schlechter Wärmekontakt zwischen Heizwicklung und dem Rohrab schnitt erzielt wird, da die Kontaktfläche klein ist (im Verhältnis zur Oberfläche des Heizdrahtes) und zu sätzlich eine Isolierschicht zwischen Heizwicklung und Rohr angebracht werden muß.

Der daraus resultierende Wärmewiderstand zwischen der Heizwicklung und dem durchströmten Rohrabschnitt be dingt, daß erstens die Temperatur der Heizwicklung kein Maß für die Temperatur der Wand und des durch strömten 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 aufgenom mener elektrischer Leistung und Temperaturerhöhung bei einer Vorrichtung nach DE-PS 8 54 105 nicht proportio nal dem Massendurchfluß.

In der DE-OS 19 47 828 wird eine Vorrichtung zum Messen des Massenflusses eines strömenden Mediums beschrieben, bei der ein wärmeleitender, beheizter Körper in die Strömung eingebracht und mit einer konstanten Heizleistung beaufschlagt wird. Aus der gemessenen Temperatur kann dann der Massenfluß bestimmt werden. Auch hier ist das Verhältnis von aufgenommener elektrischer Leistung und Temperaturerhöhung nicht proportional dem Massendurchfluß.

Die Verwendung von Schichtwiderständen in Wärmeübergangs meßgeräten und Durchflußmessern sind beispielsweise aus der DE-OS 26 18 349 und dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 21, Nr. 8, Jan. 1979, Seite 3227, bekannt.

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 Elementen zur Messung der Temperatur des Mediums, bei dem die vom Heizelement aufge nommene elektrische Leistung ein möglichst exaktes Maß für die vom Medium aufgenommene Wärme und das Verhältnis von aufgenommener 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 und daß zur Messung der Temperatur des Mediums, sowohl stromauf wärts als auch stromabwärts zum beheizten Rohrabschnitt, von diesem thermisch isoliert, jeweils ein mit einem Schichtwiderstand auf einem Substrat wärmeschlüssig ver bundener metallischer Rohrabschnitt angeordnet ist.

Vorzugsweise verwendet man als Schichtwiderstand ein Dünnfilmwiderstand. Die Verwendung von Schichtwiderständen hat den Vorteil, daß eine nahezu ideale Wärmekopplung zwischen einem Metallfilm und dem durchströmten Rohrab schnitt erzielt wird. Dadurch ist die aufgenommene elektrische Leistung P ein sehr gutes Maß für die dem Me dium zugeführte Wärmeleistung und es resultiert eine ausge zeichnete Linearität zwischen der Durchflußmenge und der Größe P/ Δ T.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser zeichnet sich auch dadurch aus, daß er einfach herzustellen und somit für eine Massenfertigung geeignet ist.

Da die stromführenden Teile auf der Außenfläche des durchströmten Rohrabschnitts angebracht sind, entfallen alle Probleme der elektrischen Isolierung der Wider stände gegenüber dem strömenden Medium und der Dichtig keit der Durchführung von Zuleitungen.

In der Abbildung ist schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchflußmessers dargestellt.

Auf einem metallischen Rohrabschnitt (1) aus einem gut wärmeleitenden Material, wie z. B. Kupfer, mit einer Innen bohrung (5) zur Durchleitung des zu messenden Mediums befinden sich auf zwei gegenüberliegenden Stellen je eine ebene Fläche, auf der ein Dünnfilmwiderstand (3) mit einem Substrat (2) aufgebracht ist.

Die wärmeschlüssige Verbindung (4) zwischen dem Substrat (2), vorteilhafterweise aus reinem Al₂O₃ bestehend, das in der Wärmeleitfähigkeit einer metallischen Legierung entspricht, und dem Rohrabschnitt (1) kann durch Weich-, Hart- oder Aktivlötung erfolgen. Welche Methode der wärme schlüssigen Verbindung von Substrat (2) und Rohrabschnitt (1) am vorteilhaftesten ist, hängt von dem Temperaturbe reich, in dem das Heizelement eingesetzt werden soll, ab.

Stromaufwärts und stromabwärts vom Heizelement ist jeweils ein Temperaturfühler angeordnet. Der Temperaturfühler stromaufwärts mißt die Eintrittstemperatur des Mediums in das Heizelement, der Temperaturfühler stromabwärts die Austrittstemperatur des Mediums aus dem Heizelement.

Die Temperaturfühler bestehen, wie das Heizelement, jeweils aus einem durchströmten Rohrabschnitt (6, 10), auf den jeweils ein Schichtwiderstand (7, 11) mit einem Substrat (8, 13) wärmeschlüssig aufgebracht ist, vorteil hafterweise nach dem gleichen Verfahren wie bei dem Heiz element. Es kann aber auch ausreichend sein, hierfür einen wärmeleitenden Klebstoff zu verwenden. Die Temperatur fühler sind durch thermisch nicht leitende Rohrstücke (9) von dem Heizelement getrennt. In einer vorteilhaften Ausführung haben die Schichtwiderstände (7, 11, 3) einen möglichst gleichen Temperaturkoeffizienten. Dies kann z. B. durch die Verwendung von Pt-Dünnfilmwiderständen erreicht werden, die sich durch große Genauigkeit und Stabilität auszeichnen.

Der Temperaturfühler zur Messung der Austrittstemperatur des Mediums hinter dem Heizelement ist notwendig, da vor allem bei größeren Durchflußmengen ein thermischer Aus gleich zwischen Medium und Heizelement nicht erzielt werden kann. Die Temperatur des Heizelements ist daher nicht gleich, sondern größer als die Temperatur des Mediums am Austritt aus dem Heizelement.

Bei dieser Ausführung wird die dem beheizten Widerstand (3) zugeführte elektrische Leistung P und die Temperaturdif ferenz Δ T zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur des Mediums gemessen. Wird in einer elektronischen Schaltung die Größe P/Δ T gebildet, so erhält man ein Ausgangssignal mit hervorragender Linearität in Abhängigkeit vom Massen strom. Vorteilhafterweise verwendet man hierfür einen Ana logrechner oder einen Microprocessor. Es kann sinnvoll sein, die Temperatur des beheizten Widerstandes (3) auf konstante Überhitzung, bezogen auf die Eintrittstemperatur des Mediums, zu regeln.

Dies hat den Vorteil, daß die Ansprechzeit des Systems bei einer Änderung der Durchflußmenge weitgehend unab hängig von der thermischen Trägheit des Heizelements ist. Außerdem kann bei dieser Anordnung keine gefährliche Über hitzung des Heizelements bei der Durchflußmenge 0 erfolgen.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, entweder die dem beheizten Widerstand (3) zugeführte elektrische Leistung P konstant zu halten und die Größe 1/Δ T als Ausgangssignal zu verwenden oder die Leistung P so zu regeln, daß Δ T konstant bleibt und P somit das Ausgangssignal darstellt.

Außer Dünnfilmwiderstände lassen sich auch Schichtwider stände verwenden, die mittels bekannter Dickfilmtechniken hergestellt wurden.

Claims

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 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 und daß zur Messung der Temperatur des Mediums, sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts zum beheizten Rohrabschnitt (1), von diesem thermisch isoliert jeweils ein mit einem Schichtwiderstand (7 bzw. 11) auf einem Substrat (8) wärmeschlüssig verbundener metallischer Rohrabschnitt (6 bzw. 10) angeordnet ist.

2. Thermischer Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schichtwiderstand (3, 7, 11) ein Dünnfilmwiderstand verwendet wird.

3. Thermischer Durchflußmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtwiderstände (3, 7, 11) einen gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besitzen und die Temperatur des Schichtwiderstandes (3) auf dem beheizten Rohrabschnitt (1) auf einen konstanten Wert oberhalb der Eintrittstemperatur des Mediums geregelt wird.