DE3103051C2

DE3103051C2 - Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluids

Info

Publication number: DE3103051C2
Application number: DE19813103051
Authority: DE
Inventors: Paul Walter Prof. Dr. Baier; Klaus Dr.-Ing. 6750 Kaiserslautern Dostert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-01-30
Filing date: 1981-01-30
Publication date: 1985-08-01
Also published as: DE3103051A1

Abstract

Befindet sich eine mit einer elektrischen Spannungsquelle gespeiste Kaltleitersonde in einem Rohr, das von einem Medium konstanter Temperatur durchströmt wird, so ist der Speisestrom der Sonde ein Maß für die Durchflußmenge. Wenn die Medientemperatur nicht konstant ist, ist diese beim Ermitteln der Durchflußmenge aus dem Speisestrom zu berücksichtigen. Aufgabe der Erfindung ist es, den zu dieser Temperaturkompensation erforderlichen Schaltungsaufwand gegenüber einem bekannten Verfahren zu reduzieren. Die erfindungsgemäße Aufgabenlösung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Ein der Differenz des Stroms der Kaltleiterheizsonde (1) und des Stroms eines zusätzlichen Kaltleiters (6), der aus derselben Spannungsquelle gespeist wird wie die Kaltleiterheizsonde (1), und der in einem nicht strömenden Bereich des Mediums ist, entsprechendes Signal wird dem Zählereingang (21-22) eines quotientenanzeigenden Dividierers (18) zugeführt. Der Nennereingang (19-20) des Dividierers (18) erhält ein dem Strom in dem zusätzlichen Kaltleiter entsprechendes Signal. Der vom Dividierer (18) angezeigte Quotient ist dann ein nicht von der Medientemperatur abhängiges Maß für die Durchflußmenge.

Description

a) daß eine weitere Kaltleiterheizsonde (6) vorgesehen ist, die in einem nicht strömenden Bereich des Fluids angeordnet ist,

b) daß aus der Differenz zwischen dem Strom (I) in der einen Kaltleiterheizsonde (1), die in dem strömenden Bereich des Fluids angeordnet ist, und dem Strom (/o) in der weiteren Kaltleiterheizsonde (6), die in dem nicht strömenden Bereich des Fluids angeordnet ist, ein dieser Stromdifferenz (/—/₀) entsprechendes Diffe-

8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verbrauchsanzeige in Kraftfahrzeugen.

c)

ι cii£3igiiäi gcuiiuct w'ii u ünu

daß dem anderen Eingang der Dividierstufe (18) ein dem Strom (Iq) in der weiteren Kaltleiterheizsonde (6) entsprechendes Signal zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Kaltleiterheizsonde (1) und in Reihe zu der weiteren Kaltleiterheizsonde (6) Meßwiderstände (12, 13) geschaltet sind, an denen Spannungen abgegriffen werden, die dem Strom durch die Kaltleiterheizsonde (1) bzw. dem Strom durch die weitere Kaltleiterheizsonde (6) entsprechen.

3. Vorrichtung nach Ansprucn I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verbindungsstelle (23) der Kaltleiterheizsonde (1) und ihres Meßwiderstandes (12) und zwischen der Verbindungsstelle (24) der weiteren Kaltleiterheizsonde (6) und ihres Meßwiderstandes (13) eine Spannung abgegriffen wird, die dem einen Eingang (21, 22) des Dividierers (18) zugeführt wird, dessen anderer Eingang (20) die über dem Meßwiderstand (13) der weiteren Kaltleiterheizsonde (6) liegende Spannung erhält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßwiderstände (12, 13) Widerstände mit einstellbarem Widerstandswert sind.

5. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe und/oder parallel zur Kaltleiterheizsonde (1) und/oder in Reihe und/oder parallel zur weiteren Kaltleiterheizsonde (6) jeweils ein Widerstand (14, 15, 16, 17) geschaltet ist, dessen Wert fest oder einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dividierer (18) ein Quotientenmeßwerk ist, daß das Durchflußmeßsignal unmittelbar anzeigt.

7. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kaltleiterheizsonde (6) in einer vom Fluid erfüllten Meßkammer (5) angeordnet ist und daß die Meßkammer (5) mit einem, von dem Fluid durchströmten Rohr (4) durch wenigstens eine Öffnung (10) stromaufwärts und durch wenigstens eine öffnung (9) stromabwärts von der Kaltleitcrheizsondc (1) verbunden ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluids nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-PS 27 18 474 ist eine Vorrichtung zur Durchflußmessung bekannt, welche eine im Fluid angeordnete Kaltleiterheizsonde aufweist. Bei diesem Durchflußmeßgerät ist es möglich, den Einfluß der -.-"luidtemperatur zu kompensieren. Die Temperaturkompensation wird dadurch erzielt, daß mit einem der Fluidternperatur proportionalen Signal, welches von einem elektrischen Differenzbildner ausgesandt wird, und einem festen Signal ein Differenzsignal gebildet wird, weiches dem Eingang eines Dividierers zugeführt wird. Arn anderen Eingang des Dividierers wird ein dem KaIt-Ieiterstrom proportionales Signal eingegeben. Bei diesem bekannten Durchffußmeßgerät ist nachteilig, daß einerseits ein sehr hoher Schaltungsaufwand notwendig ist und daß andererseits an die Stabilität der Spannungsversorgung für die Kaltleiterheizsonde hohe Anforderungen gestellt weröen müssen. Weiterhin ist bei dem bekannten Meßgerät von Nachteil, daß das Durchflußmeßsignal am Dividiererausgang auch bei nichtströmendem Fluid ein?n von Null verschiedenen Wert annimmt. Der hohe Schaltungsaufwand bei der bekannten Vorrichtung ist insbesondere dadurch bedingt, daß die Fluid-Temperatur gesondert gemessen werden muß. Die Genauigkeit des mit der bekannten Vorrichtung erzielbaren Meßsignals leidet auch daran, daß die freie Konvektion des Fluids sowie auch der Wärmeverlust über die Kaltleiter-Halterung und die Kaltleiter-Stromzuführung nicht kompensiert werden.

Weiterhin ist aus der US-PS 33 26 ν <ί> ein thermischer Durchflußmesser bekannt, dessen Funktion im wesentlichen darauf beruht, daß eine Brückenschaltung bei strömendem Fluid aus dem kompensierten Zustand abweicht, da einer von zwei verwendeten Thermistoren durch das strömende Fluid abgekühlt wird. Infolge der Abkühlung wird die entstehende Dekompensation der Brücke verstärkt, so daß ein Ausgangssignal geliefert wird, welches ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Bei dieser Meßanordnung ist ein Nachteil in der wesentlichen Grundvoraussetzung zu sehen, daß

so Schwankungen in der Medientemperatur nur innerhalb eines sehr kleinen Temperaturbereiches zugelassen werden können. Es muß daher das Medium, dessen Strömung gemessen werden soll, auf eine mehr oder weniger konstante Temperatur aufgeheizt werden.

Durch diese Aufheizung muß sichergestellt werden, daß die Messung nur innerhalb eines Temperaturbereiches durchgeführt wird, für weichen die Widerstand-Temperatur-Kennlinie der verwendeten Thermistoren praktisch als linear angesehen werden kann. An diesem

bo Durchflußmesser ist somit nachteilig, daß in Abstimmung mit den Thermistoren eine gesonderte Heizeinrichtung vorgesehen werden muß. Weiterhin ist die zur Temperaturkompensation verwendete Brückenschaltung aufwendig und insoweit von Nachteil, als Schwan-

b< kungcn der Betriebsspannung für die Thermistoren das Durchfluß-MeßsignaI verfälschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömen-

den Fluids der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welche bei möglichst geringem Schaltungsaufwand unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung für die Kaltleiter und ohne Messung der Ruid-Temperatur ein besonders genaues Durchflußsignal in der Weise liefert, daß für einen Durchfluß gleich Null das Durchfluß-Signal vollständig zu Null wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Grundsätzlich ist bei der Durchflußmeßvorrichtung nach der Erfindung von Vorteil, daß es möglich ist, mit sehr geringem Schaltungsaufwand ein sehr genaues, von Schwankungen der Betriebsspannung und der Fluidtemperatur unabhängiges Meßergebnis zu erhalten.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird zusätzlich zu der im strömenden Fluid angeordneten KaItleiterheiiaonde eine weitere Kaltleiterheizsonde in einem nicht strömenden Bereich des Fluids angeordnet, wobei in einer Dividierstufe die Differenz zwischen den Stömen der beiden Kaltleiterheizsonden zum Strom der im nicht strömenden Bereich des Fluids angeordneten Kaltleiterheizsonde in Beziehung gesetzt wird. Damit ergibt sich eine Beziehung zwischen dem Durchfluß und einem Meßsignal, wobei das Meßsignal direkt proporticna! zum Durchfluß und unabhängig von Spannungsschwankungen und Temperatureinflüssen ist

Ein weiterer Vorteil der Durchfiußmeßvorrichtung nach der Erfindung ist daß Fehleranteile am Meßsignal, welche auf freie Konvektion des Fluids oder auf den Wärmeverlust über die Kahleiter-Halterung und die Kaltleiter-Stromzuführung zurückzuführen sind, ebenfalls von vorneherein eliminiert werden und nicht zur Anzeige kommen.

Schließlich besteht ein wesentlicher Vorteil darin, daß an die Stabilität der Spannungsversorgung keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen.

Zum besseren Verständnis der Beziehung zwischen den gemessenen Strömen und dem angezeigten Durchflußsignal w'rd deren Zusammenhang im folgenden im einzelnen erläutert.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zwischen dem Strom /der Kaltleiterheizsonde, der Speisespannung t/,der Fluidtemperatur r„ und der Durchflußmenge Qdie Beziehung

l--jj (K₁ + K₁JfQ) (T'-T₁₁)

(D

besieht. K\. Ki und T'si'ud hierbei Konstanten, die vom Rohrinnendurchmesser, der Form und Anbringungsart der Kaltleirerheizsonde und von der Art des Fluids abhängen. Wenn man zusätzlich zur Kaltleiterheizsonde in das Fluid an einer Stelle, an der es nicht strömt, eine zweite, ebenfalls mit der Spannung Ugespeiste Kaltleiterheizsonde einbringt, so ergibt sich deren Strom /0 wegen Q=O aus Gl. (1) zu

(2)

60

Wenn man vom Strom / nach Gl. (1) den Strom /0 nach Gl. (2) subtrahiert und die Differenz /—/0 durch /0 dividiert, so erhält man gemäß den GIn. (1) und (2) den Ausdruck b5

I-Io I_n

AL K,

(3) A nach Gl. (3) ist ein nicht von der Fluidtemperatur T₁₁ abhängiges Durchflußmeßsignal, das zudem bei Q = 0 verschwindet und monoton mit Q wächst Da bei dei Bildung des Durchflußmeßsignals A mit der Speisespannung U gekürzt werden kann, ist A auch nicht abhängig von Schwankungen der Speisespannung U.

Die den Strömen / nach Gl. (1) und I₀ nach Gl. (2) entsprechenden, zur Bildung der Durchflußmeßgröße A nach GI. (3) erforderlichen Größen werden nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft dadurch gewonnen, daß man in Reihe zur Kaltleiterheizsonde und in Reihe zur weiteren Kaltleiterheizsonde Meßwiderstände schaltet und an diesen Meßwiderständen Spannungen abgreift, die den Strömen /und /0 entsprechen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die der Stromdifferenz /—/0 entsprechende Größe und die dem Strom /0 entsprechende Größe dadurch gewonnen, daß zwischen der Verbindungstelle der Kaltleiterheizsonde und ihres Meßwiderstandes und zwischen der Verbindungsstelle der weiteren Kaltleiterheizsonde und ihres Meßwiderstandts eine Spannung abgegriffen wird, die dem einen Eingang des Dividierers zugeführt wird, dessen anderer Eingang die über dem Meßwiderstand der weiteren Kaltleiterheizsonde liegende Spannung erhält.

Für d;c Funktion des Durchflußmessers ist es wesentlich, daß die in Gl. (1) auftretenden Konstanten K\ und T* die gleichen Werte haben wie die entsprechenden Konstanten in Gl. (2). Auch bei der Verwendung von Kaltleiterpillen des gleichen Typs als Kaltleiterheizsonde und als weitere Kaltleiterheizsonde 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 zur KaItleitc-heizsonde und zur weiteren Kaltleiterheizsonde vorsieht.

Um sicherzustellen, daß die Fluidtemperaturen am Ort der Kaltleiterheizsonde und am Ort dei weiteren Kaltleiterheizsonde gleich groß sind, ka.m vorgesehen sein, daß die weitere Kaltleiterheizsonde in einer vom Fluid erfüllten Meßkammer angeordnet ist und daß die Meßkammer mit dem durchströmten Rohr durch Öffnungen so verbunden ist. daß das Fluid in der Meßkammer laufend ausgetauscht wird und damit die Temperatur des Fluids an der Kaltleiterheizsonde annimmt. Die Öffnungen sind hierbei 50 zu dimensionieren, daß dtr Fluiddurchsatz durch sie klein ist im Vergleich zum zu messenden Durchfluß.

Wenn die erfindungsgemäße Durchflußmeßvorrchtung zur Verbrauchsanzeige in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden soll, ist es zweckmäßig, nicht den momentanen Verbrauch in l/h, sondern den momentanen Verbrauch in 1/(100 krr) anzuzeigen. Dies kann dadurch ermöglicht werden, daß das dem Strom der weiteren Kaltleiterheizsonde entsprechende Signa! vor Eingabe in den Dividierer mit einem Signal multipliziert wird, das der Geschwindigkeit des Fahrzeuges entspricht.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt das im folgenden näher erläutert wird.

Fi g. I zeigt den Meßgeber. Die Kaltleiterheizsonde 1 mit den elektrischen Anschlüssen 2 und 3 ist in das Rohr

4 eingebau' und wird von dem strömenden Fluid umspült. Eine weitere Kaltleiterheizsonde 6 mit den elektrischen Anschlüssen 7 und 8 ist in der MeBkammer 5 angeordnet. Diese ist über die öffnungen 9 und 10 mit dem Rohr 4 verbunden und deshalb ebenfalls vom Fluid erfüllt. Das Fluid strömt allerdings in der Meßkammer 5 praktisch nicht.

Fig. 2 zeigt die gesamte Anordnung zur Durchflußmessung. In Reihe zur Kaltleiterheizsonde 1 ist der Meßwiderstand 12 geschaltet, in Reihe zur weiteren Kaltleiterheizsonde 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 zur weiteren Kaltleitcrheiz- ι ί sonde 6 der Widerstand 16 und parallel zur weiteren Kaltleiterheizsonde 6 der Widerstand 17 vorgesehen. Die Widerstände 14, 15, 16 und 17 sind einstellbar: sie dienen dazu, die bei der Herstellung der "Kaitieiterpiiien 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 der weiteren Kaltleiterheizsonde 6 ergibt, mit der Betriebsspannung gespeist. Die an der Verbindungsstelle 23 der Widerstände 12 und 14 anstehende Spannung entspricht dem Strom / der Kaltleiterheizsonde. Die an der Verbindungsstelle 24 der Widerstände 13 und 16 anstehende Spannung entspricht dem Strom /0 der weiteren Kaltleiterheizsonde. Die zwischen den Verbindungsstellen 23 und 24 anstehende Spannung entspricht der Stromdifferenz /—/0 in Gl. (3) und wird an den aus den Klemmen 21 und 22 l>.v^*nU »»««J*»·* aI™.*·* Π·%λλ«λ 4_nr ΓΙιιη,,Αη»αηη\Λΐ1ιιια^Ι/Γ Ul.3l\.IIWtlU(.ll VlIlVIl L.lllgailg ViVJ yuuuviriviiiirvUT, vi i\j 18 angeschlossen. Die Spannung zwischen der Verbindungsstelle 24 und der Masse entspricht dem Strom /0 in Gl. (3) und wird an den aus den Klemmen 19 und 20 bestehenden anderen Eingang des Quotientenmeßwerkb 18 angeschlossen. Der vom Quotientenmeßwerk angezeigte Wert ist ein nicht von der Fluidtemperatur abhängiges Durchflußmeßsignal.

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Hierzu I Blatt Zeichnungen

bO

Claims

Patentansprüche:

1. Voin'chtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluids, mit wenigstens einer im Fluid angeordneten Kaltleiterheizsonde und mit einem Differenzbildner, dessen Ausgang mit einem Eingang einer Dividierstufe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,