DE3103051A1

DE3103051A1 - "elektrokalorischer durchflussmesser"

Info

Publication number: DE3103051A1
Application number: DE19813103051
Authority: DE
Inventors: Paul Walter Prof. Dr. Baier; Klaus Dr.-Ing. 6750 Kaiserslautern Dostert
Original assignee: Baier paul Walter profdr
Current assignee: Baier paul Walter profdr
Priority date: 1981-01-30
Filing date: 1981-01-30
Publication date: 1982-08-12
Also published as: DE3103051C2

Description

Beschreibuns
Patentanmeldung des Dr.-Ing. Paul Walter Baier und des Dr.-Ing. Klaus Dostert betreffend Elektrokalorischer Durchflußmesser Die Erfindung betrifft einen elektrokalorischen Durchflußmesser mit einer von einer Spannungsquelle gespeisten Kaltleiterheizsonde und mit einer Einrichtung zur Kompensation der Fluidtemperatur.
Bekanntlich hängt der elektrische Speisestrom einer von einer elektrischen Spannungsquelle gespeisten, in einer Rohrströmung befindlichen Kaltleiterheizsonde von der Fluidtemperatur und von der Durchflußmenge ab. Wenn die Fluidtemperatur konstant ist, ist der Kaltleiterstrom ein Maß für die Durchflußmenge (messen + prüfen, September 1970, 6. Jhg. H.9., Seite 709-711, und Elektronik, 1971, Heft 5, Seite 165-167). Wenn die Fluidtemperatur nicht konstant ist, kann die Durchflußmenge aus dem Kaltleiterstrom nur ermittelt werden, wenn man die jeweilige Fluidtemperatur berücksichtigt. Auch dies ist aus den oben genannten Druckschriften bekannt. Von praktischem Interesse sind Anordnungen, bei denen der Einfluß der Fluidtemperatur selbsttätig kompensiert wird.
In der deutschen Patentschrift 27 18 474 ist ein thermischer Durchflußmesser auf Kaltleiterbasis und mit Temperaturkompensation beschrieben. Die Temperaturkompensation wird hierbei dadurch erzielt, daß in einem elektrischen Differenzbildner aus einem der Fluidtemperatur proportionalen Signal und aus einem festen Signal, das einer über der Bezugstemperatur der Kaltleiterheizsonde liegenden Temperatur entspricht, ein Differenzsignal gebildet wird, das dem einen Eingang eines Dividierers zugeführt wird, dessen anderer Eingang ein dem Kaltleiterstrom proportionales Signal erhält. Am Ausgang des Dividierers ist dann ein von der Fluidtemperatur unabhängiges Durchflußmeßsignal abnehmbar. Nachteilig bei dem in der Patentschrift 27 18 474 beschriebenen Verfahren der Temperaturkompensation ist, daß relativ hoher Schaltungsaufwand erforderlich ist, daß an die Stabilität der Spannungsversorgung für die Kaltleiterheizsonde hohe Anforderungen gestellt werden müssen und daß das Durchflußmeßsignal am Dividiererausgang auch bei der Durchflußmenge Null einen nicht verschwindenden Wert hat.
Aufgabe der Erfindung ist es, den zur Temperaturkompensation erforderlichen Schaltungsaufwand zu reduzieren, die Stabilitätsanforderungen an die Spannungsversorgung der Kaltleiterheizsonde zu verringern und ein Durchflußmeßsignal zu erzeugen, das bei der Durchflußmenge Null verschwindet und mit wachsender Durchflußmenge monoton ansteigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein der Differenz des Stroms der Kaltleiterheizsonde und des Stroms eines zusätzlichen Kaltleiters, der aus der gleichen Spannungsquelle gespeist wird wie die Kaltleiterheizsorjce, und der in einem nicht strömenden Bereich des Fluids ist, entsprechendes Signal dem einen Eingang eines Dividierers zugeführt wird, dessen anderer Eingang ein dem Strom in dem zusätzlichen Kaltleiter entsprechendes Signal erhält und an dessen Ausgang ein von der Fluidtemperatur unabhängiges Durchflußmeßsignal abnehmbar ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis (K.F. Bonnet, Anwendung selbstgeheizter Kaltleiter zur Volumenstrommessung, Dissertation, Universität Kaiserslautern, 1977, und Patentschrift 27 18 474), daß zwischen dem Strom I der Kaltleiterheizsonde, der Speisespannung U, der Fluidtemperatur Tu und der Durchflußmenge Q die Beziehung besteht. K1, K2 und T* sind hierbei Konstanten, die vom Rohrinnendurchmesser, der Form und Anbringungsart der Kaltleiterheizsonde und von der Art des Fluids abhängen.
Wenn man zusätzlich zur Kaltleiterheizsonde in das Fluid an einer Stelle, an der es nicht strömt, einen zweiten, ebenfalls mit der Spannung U gespeisten Kaltleiter einbringt, so ergibt sich dessen Strom 1o wegen Q=O aus Gl.(l) zu 10 1 Kl (T*-TU). (2) Wenn man vom Strom I nach Gl.(l) den Strom Io nach G1.(2) subtrahiert und die Differenz I-Io durch 10 dividiert, so erhält man gemäß den Gln.(l) und (2) den Ausdruck A nach G1.(3) ist ein nicht von der Fluidtemperatur Tu abhängiges Durchflußmeßsignal, das zudem bei Q=O verschwindet und monoton mit Q wächst. Da bei der Bildung des Durchflußmeßsignals A mit der Speisespannung U gekürzt werden kann, ist A auch nicht abhängig von Schwankungen der Speisespannung U.
Die den Strömen I nach Gl.(l) und 10 nach G1.(2) entsprechenden, zur Bildung der Durchfiußmeßgröße A nach G1.(3) erforderlichen Größen werden nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft dadurch gewonnen, daß man in Reihe zur Kaltleiterheizsonde und in Reihe zum zusätzlichen Kaltleiter Meßwiderstände schaltet und an diesen Meßwiderständen Spannungen abgreift, die den Strömen I und 10 entsprechen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die der Stromdifferenz I-Io entsprechende Größe und die dem Strom 10 entsprechende Größe dadurch gewonnen, daß zwischen der Verbindungsstelle der Kaltleiterheizsonde und ihres Meßwiderstands und zwischen der Verbindungsstelle des zusätzlichen Kaltleiters und seines Meßwiderstands eine Spannung abgegriffen wird, die dem einen Eingang des Dividierers zugeführt wird, dessen anderer Eingang die über dem Meßwiderstand des zusätzlichen Kaltleiters liegende Spannung erhält.
Für die Funktion des Durchflußmessers ist es wesentlich, daß die in Gl.(l) auftretenden Konstanten K1 und T* die gleichen Werte haben wie die entsprechenden Konstanten in G1.(2). Auch bei Verwendung von Kaltleiterpillen des gleichen Typs als Kaltleiterheizsonde und als zusätzlicher Kaltleiter und bei sorgfältiger Dimensionierung des Gebers ist die Gleichheit aufgrund von Herstellungstoleranzen in der Praxis nicht garantiert. Man muß deshalb Abgleichmöglichkeiten schaffen, mit denen erreicht wird, daß das Durchflußmeßsignal beim Durchfluß Null verschwindet, und ansonsten nicht von der Fluidtemperatur abhängt. Dies wird dadurch erreicht, daß man die beiden Meßwiderstände einstellbar macht, und daß man zusätzliche Abgleichwiderstände in Reihe und/oder parallel Izur Kaltleiterheizsonde und zum zusätzlichen Kaltleiter vorsieht.
Wenn der elektrokalorische Durchflußmesser zur Verbrauchsanzeige in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden soll, ist es zweckmäßig, nicht den momentanen Verbrauch in l/h, sondern den momentanen Verbrauch in 1/(100 km) anzuzeigen. Dies kann dadurch ermöglicht werden, daß das dem Strom des zusätzlichen Kaltleiters entsprechende Signal vor Eingabe in den Dividierer mit einem Signal multipliziert wird, das der Geschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht.
Für die Funktion des Durchflußmessers ist es auch wesentlich, daß die Fluidtemperaturen am Ort der Kaltleiterheizsonde und am Ort des zusätzlichen Kaltleiters gleich sind. Dies wird bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß der zusätzliche Kaltleiter in einer vom Fluid erfüllten Meßkammer ist, die mit dem durchströmten Rohr durch Öffnungen so verbunden ist, daß das Fluid in der Meßkammer laufend ausgetauscht und damit die Temperatur des Fluids an der Kaltleiterheizsonde annimmt.
Die Öffnungen sind hierbei so zu dimensionieren, daß der Fluiddurchsatz durch sie klein ist im Vergleich zum zu messenden Durchfluß.
Die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß der Schaltungsaufwand gering ist, daß an die Stabilität der Spannungsversorgung keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen, und daß das Durchflußmeßsignal am Dividiererausgang bei der Durchflußmenge Null verschwindet.
In Fig.l und Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher beschrieben wird.
Fig.l zeigt den Meßgeber. Die Kaltleiterhe;izsonde (1) mit den elektrischen Anschlüssen (2) und (3) ist in das Rohr (4) eingebaut und wird vom strömenden Fluid umspült. Der zusätzliche Kaltleiter (6) mit den elektrischen Anschlüssen (7) und (8) ist in der Meßkammer (5), die über die Öffnungen (9) und (10) mit dem Rohr (4) verbunden und deshalb ebenfalls vom Fluid erfüllt ist, das allerdings in der Meßkammer praktisch nicht strömt.
Fig.2 zeigt die gesamte Anordnung zur Durchflußmessung. In Reihe zur Kaltleiterheizsonde (1} ist der Meßwiderstand (12) geschaltet, in Reihe zum zusätzlichen Kaltleiter (6) der Meßwiderstand (13). Es ist vorgesehen, daß die Meßwiderstände (12) und (13) einstellbar sind. Außerdem sind in Reihe zur Kaltleiterheizsonde (1) der Widerstand (14), parallel zur Kaltleiterheizsonde (1) der Widerstand (15), in Reihe zum zusätzlichen Kaltleiter (6) der Widerstand (16) und parallel zum zusätzlichen Kaltleiter (6) der Widerstand (17) vorgesehen. Die Widerstände (14), (15), (16) und (17) sind einstellbar; sie dienen dazu, die bei der Herstellung der Kaltleiterpillen unvermeidbaren Toleranzen der elektrischen Daten und die mechanischen Toleranzen bei der Geberherstellung so auszugleichen, daß das Durchflußmeßsignal bei der Durchflußmenge Null verschwindet und nicht von der Fluidtemperatur abhängt.
Die Schaltung wird an der Klemme (11), die sich durch Zusammenführen des Anschlusses (2) der Kaltleiterheizsonde (1) und des Anschlusses (7) des zusätzlichen Kaltleiters (6) ergibt, mit der Betriebsspannung gespeist. Die an der Verbindungsstelle (23) der Widerstände (12) und (14) anstehende Spannung entspricht dem Strom I der Kaltleiterheizsonde. Die an der Verbindungsstelle (24) der Widerstände (13) und (16) anstehende Spannung entspricht dem Strom 1o des zusätzlichen Kaltleiters. Die zwischen den Verbindungsstellen (23) und (24) anstehende Spannung entspricht der Stromdifferenz I-Io in G1.(3) und wird an den aus den Klemme (21) und (22) bestehenden einen Eingang des Quotientenmeßwerks (18) angeschlossen. Die Spannung zwischen der Verbindungsstelle (24) und Masse entspricht dem Strom 1o in G1.(3) und wird an den aus den Klemmen (19) und (20) bestehenden anderen Eingang des Quotientenmeßwerks (18) angeschlossen. Der vom Quotientenmeßwerk angezeigte Wert ist ein nicht von der Fluidtemperatur abhängiges Durchflußmeßsignal.

Claims

Patentanrüche Elektrokalorischer Durchflußmesser für Rohrströmungen mit einer von einer Spannungsquelle gespeisten, im strömenden Fluid befindlichen Kaltleiterheizsonde und mit einer Einrichtung zur Kompensation der Fluidtemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Differenz des Stroms der Kaltleiterheizsonde und des Stroms eines zusätzlichen Kaltleiters, der aus der gleichen Spannungsquelle gespeist wird wie die Kaltleiterheizsonde und der in einem nicht strömenden Bereich des Fluids ist, entsprechendes Signal dem einen Eingang eines Dividierers zugeführt wird, dessen anderer Eingang ein dem Strom in dem zusätzlichen Kaltleiter entsprechendes Signal erhält und an dessen Ausgang ein von der Fluidtemperatur unabhängiges Durchflußmeßsignal abnehmbar ist.
2. Elektrokalorischer Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Kaltleiterheizsonde und in Reihe zum zusätzlichen Kaltleiter Meßwiderstände geschaltet sind, an denen Spannungen abgegriffen werden, die dem Strom durch die Kaltleiterheizsonde bzw. dem Strom durch den zusätzlichen Kaltleiter entsprechen.
3. Elektrokalorischer Durchflußmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verbindungsstelle der Kaltleterheizsonde und ihres Menwiõerstands und zwischen der Verbindungsstelle des zusätzlichen Kaltleiters und seines Meßwiderstands eine Spannung abgegriffen wird, die dem einen Eingang des Dividierers zugeführt wird, dessen anderer Eingang die über dem Meßwiderstand des zusätzlichen Kaltleiters liegende Spannung erhält.
4. Elektrokalorischer Durchflußmesser nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beizen Meßwiderstände Widerstände mit einstellbarem Widerstar.dswert sind.
5. Elektrokalorischer Durchflußmesser nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe und/oder parallel zur Kaltleitersonde und/oder in Reihe und/oder parallel zum zusätzlichen Kaltleiter jeweils ein Widerstand geschaltet ist, dessen Wert fest oder einstellbar ist.
6. Elektrokalorischer Durchflußmesser nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, ddß der Dividierer ein Quotientenmeßwerk ist, das das Durchflußmeßsignal unmittelbar anzeigt.
7. Elektrokalorischer Durchflußmesser nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Strom des zusätzlichen Kaltleiters entsprechende Signal vor Eingabe in den Dividierer mit einem Signal multipliziert wird, das der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs entspricht.
8. Elektrokalorischer Durchflußmesser nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Kaltleiter in einer vom Fluid erfüllten Meßkammer ist, die mit dem durchströmten Rohr durch eine oder mehrere Öffnungen stromaufwärts und eine oder mehrere Öffnungen stromabwärts von der Kaltleiterheizsonde verbunden ist, wobei diese Öffnungen so dimensioniert werden, daß der Fluiddurchsatz durch sie klein ist im Vergleich zum zu messenden Durchfluß.
9. Elektrokalorischer Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus der unterhalb des durchströmten Rohres angeordneten Meßkammer Gasblasen, die in der Meßkammer entstehen, aufgrund der schwerkraftbedingten Auftriebswirkung selbsttätig aus der Meßkammer in das durchströmte Rohr entweichen.