DE3222046A1

DE3222046A1 - Fuehlerelement fuer kalorimetrische stroemungswaechter

Info

Publication number: DE3222046A1
Application number: DE19823222046
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. 2201 Kollmar Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-06-11
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1983-12-15
Also published as: DE3222046C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Fühlerelement für kalorimetrische
Strömungswächter, das eine Einrichtung zum Heizen des Elementes sowie eine Einrichtung zum Fühlen der Temperatur des Elementes umfaßt.
Es ist ein Fühlerelement für kalorimetrische Strömungswächter dieser Art bekannt (DE-PS 24 47 617) bei der sowohl eine Heizeinrichtung als auch die Temperaturfühleinrichtung innerhalb eines metallischen Stiftes, der dem Strömungsmedium ausgesetzt ist, in einer Hülse angeordnet sind, wobei der gesamte Innenraum des Stiftes mit der darin angeordneten Hülse mit einem gut wärmcleitenden Gießharz ausgegossen ist. Die Kapselung der Hülse durch einen metallischen Stift dient dabei lediglich dem Schutze der Temperaturfühleinrichtung in Form eines Heiß leiters und der Heizeinrichtung in Form einer elektrisch betriebenen Heizwendel vor festen Teilen im Strömungsmedium sowie chemisch aggressiven Medien. Die Heizeinrichtung und die Temperaturfühleinrichtung sind bei diesem bekannten Strömungswächter dem Strömungsmedium somit nahezu direkt ausgesetzt.
Durch diese Art des Aufbaus sind den Einsatzmöglichkeiten der bekannten Fühlerelemente enge Grenzen gesetzt. Werden bei bestimmten zu überwachenden Strömungsmedien besondere Anforderungen in bezug auf physikalische Eigenschaften, d.h. der Fühleigenschaften und der Wärmeleiteigenschaften, an das Fühlerelement gestellt, ist ein unmittelbarer Einsatz des bekannten Fühlerelements nicht möglich. Ein weiterer Nachteil des bekannteü Fühlerelementes ist der unzureichendc mechanische Schutz der innerhalb des metallischen Stiftes angeordneten Temperaturfühleinrichtung und der Heizeinrichtung, da der metallische Stift naturgemäß dünnwandig ausgebildet sein muß, um keine grossen Abmessungen zu bekommen und ihn somit überhaupt einsetzbar zu machen.
Schließlich ist es weiterhin nachteilig, daß der bekannte metallische Fühlerstift nicht in jedem Falle gteic3net i,t, , chemisch aggressiven Strömungsmedien 711 widerstehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Fühlerelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich in Bezug auf die Fiih1ereigenschaften und die Wärmeleiteigenschaften durch knnstruktjvc Maßnahmen sowie durch geeignete Wahl der Werkstoffe leicht dem zu überwachenden Medium anpassen läßt, sich ebenfalls den unterschiedlichsten konstruktiven Gegebenheiten von Strömungsmedien umgebenden oder angrenzenden Wandungen einfach anpassen lrif! t und auch mechanisch und chemisch stabil gen das Strömungsmedium ist.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Fühlerelement die Einrichtung zum Heizen des Elementes und die Einrichtung zum Fühlen der Temperatur des Elementes von der zu überwachenden Strömung in der Art räumlich getrennt sind, daß der Wärmetransport von der Einrichtung zum Heizen des Elementes und von der Einrichtung zum Fühlen der Temperatur des Elementes zum Strömungsmedium über ein gesondertes Wärmeleitelement erfolgt. Das erfindungsgemäße Fühlerelement kann somit je nach der Art des Einsatzes in einem bestimmten Strömungsmedium in Bezug auf Formgebung und Oberfläche der Strömung leicht so angepaßt werden, daß es ebenfalls sehr geringe Strömungswiderstände aufweist.Im Gegensatz zu herkömmlichen Fühlerelementen liegt die zu übertragende Leistung nicht durch die Abmessungen der rohrförmigen Anordnung fest. Vielmehr sind große Wärmeübertragungsflächen vorgesehen, so daß viel Wärme zum Fühler ab-- fließen kann. Ein großes Heizelement sorgt für eine entsprechende Aufheizung des Wärmeleitelementes. Ein derartiges Heizelement hätte in rohrförmiqen Anordnungen beispielsweise keinen Platz.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Teil des Wärmeleitelementes des Fühlerelementes, der dem strömenden Medium ausgesetzt ist, mit einem gesonderten Strömungsfühlerelement versehen, das gegenüber dem Wärmeleitelement aus einem anderen Werkstoff besteht. Durch die Wahl eines besonderen Werkstofffes und durch geeignete Abmessungen für das in das Strömungsmedium hineinragende Strömungsfühlerelement kann das Enühlerelerns ;o untcr Berücksichtigung der Abmessungen und des Werkstoffes dns Wärmeleitelementes dimensioniert und aufeinander abgestimmt werden, daß vorgegebene Meßkriterien erreichbar sind. Darüber hinaus kann durch geeignete Wahl des Werkstoffes des Strömungsfühlerelementes die Art des Strömungsmediums berücksichtigt werden, ohne daß das Wärmeleitelement ebenfalls aus dem gleichen Werkstoff hergestellt werden müßte.
Ferner besteht gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Wärmeleitelement und das Strömungsfühlerelement aus dem gleichen Werkstoff. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn keine besonderen Anforderungen an den in das Strömungsmedium hineinragenden Teil des Fühlerelementes mechanischer und chemischer Art gestellt erden und keine unterschiedlichen Anforderungen an den Werkstoff in bezug auf die Temperaturleitfähigkeit und Sättigungsgeschwindigkeit des Wärmeleitelementes und des Strömungsfühlerelementes gestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Berücksichtigung der Zeichnungen ausführlich beschrieben. Darin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines möglichen Fühlerelementes gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Aufteilung eines Fühlerelementes zur Erläuterung seiner Arbeitsweise, Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Vorgänge des kalorimetrischen Prinzips, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieles gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein nietähnlich geformtes Fühlerelement dargestellt, das ein Wärmeleitelement 1 aufweist, welches teilweise dem Strömungsmedium 6 ausgesetzt ist. Auf der dem Strömungsmedium nicht ausgesetzten Seite des Fühlerelementes ist eine Einrichtung 4 zum Heizen auf einem Keramiksubstrat 3 seitlich angeordnet. Das Keramiksubstrat kann beispielsweise durch eine Klebeverbindung 2 mit dem Wärmeleitelement verbunden werden.
Auf dem Keramiksubstrat 3 kann ebenfalls eine Einrichtung zum Fühlen der Temperatur 5 angebracht sein, die beispielsweise aus einem temperaturabhängigen Widerstand bestehen kann. Die Einrichtung zum Heizen 4, die aus einem Heizwiderstand bestehen kann, kann auch mit der Einrichtungzum Fühlen 5 der Temperatur kombiniert werden.
Es wird hierbei angestrebt, einen Wärmestrom möglichst verlustrei von einem Strömungsfühlerelement zu einer Einrichtung zum Fühlen der Temperatur des Elementes, beispielsweise zu einem temperaturabhängigen Widerstand, zu leiten, d.h. der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Wärmeleitelement 1 und der Einrichtung 5 zum Fühlen der Temperatur des Elementes soll möglichst gering sein. Man erreicht dieses durch möglichst guten mechanischen Kontakt zwischen dem Wärmeleitelement 1 und der Einrichtung 5 zum Fühlen der Temperatur des Elementes einerseits und großflächige Kontaktgabe andererseits. Dieses wiederum läßt sich am besten durch einen flächenhaft ausgestalteten Meßwiderstand erzielen.
Mit 7 ist eine Linie bezeichnet, die die Bereiche zwischen Strömungsmedium 6 und dem eigentlichen Geräteteil 8 trennt. Der in das Strömungsmedium 6 hineinragende Teil des Wärmeleitelementes 1 kann auch aus einem aus besonderem Werkstoff bestehenden Stromungsfühlerelement 9 bestehen.
Bei dem nach dem kalorimetrischen Prinzip arbeitenden Fühlerelement wird gemäß Fig. 2 in einem Teil 9 Wärme erzeugt bzw zugeführt, beispielsweise durch eine Einrichtung 4 zum Heizen gemäß Fig. 1. Die erzeugte Wärme wird über Teil 9, beispielsweise durch ein gesondertes Wärmeleitelement 1 gemäß Fig. 1 dem zu überwachenden Strömungsmedium zugeleitet. Uber Teil 11 wird die erzeugte Wärme an das Strömungsmedium 6 gemäß Fig. 1 abgegeben. Teil 11 kann gemäß Fig. 1 der in das Strömungsmedium hineinragende Teil\:des Wärmeleitelementes 1 sein oder auch ein aus einem besonderen Werkstoff bestehendes Strömungsfühlerelement 9.
Zur Darstellung der Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bekannten Fühlerelement soll zunächst das kalorimetrische Prinzip kurz betrachtet werden. Die bei dem kalorimetrischen Prinzip auftretenden Vorgänge in bezug auf Wärmeleitung, Wärmestrom und Temperatur finden ihr Äquivalent in einem elektrischen Stromkreis, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Die Einrichtung zum Heizen 4 des Elementes entspricht der Stromquelle E, die mit 13 bezeichnet ist. Der Einrichtung zum Heizen 4 des Elementes ist entsprechend seiner Heizleistung ein innerer Widerstand RIA zugeordnet, der mit 14 bezeichnet ist. Damit entspricht die Stromquelle E mit ihrem inneren Widerstand RIH im elektrischen Ersatzschaltbild der Einrichtung zum Heizen 4 des Elementes. Der Wärmestrom wird dem Strömungsmedium 6 zugeführt, wobei dieser eine durch die verwendeten Wärmeleitelemente 1 vorgegebene räumliche Strecke durchläuft. Diese Strecke ist bei den bisher bekannten Fühlerelementen durch die Ummantelung der Elemente gegeben. Sie besteht aus der dem Strömungsmedium 6 ausgesetzten Oberfläche, von der die Wärmeabgabe an das Strömungsmedium 6 erfolgt und dem Werkstoff der Umhüllung, durch die der Wärmestrom hindurchfließt. Dementsprechend wird diese Umhüllung 15 im Ersatzschaltbild mit RI bezeichnet.
Es erfolgt nun der Wärmefluß von der Wärmequelle E durch einen Warmeleiter 1, der durch den mit 15 bezeichneten Wärmewiderstand RI dargestellt ist, der von seinen Wandungen in das Strömungsmedium 6 eindringt, wobei sich die Wärmeabfuhr durch das Strömungsmedium durch den mit 16 bezeichneten äußeren Belastungswiderstand RA darstellen läßt. Diese physikalischen Verhältnisse sind bei allen nach -dem hier erläuterten Prinzip arbeitenden Geräten gegeben. Neu ist jedoch, daß durch bewußte und gewollte Beeinflussung von RI und RA die Arbeitsweise eines Fühlerelementes dieser Art bestimmt wird. Die prinzipielle Aufteilung der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß den Fig. 2 und 3 gegenüber der bisher bekannten Anordnung besteht darin, daß sie sich durch geeignete Wahl des Werkstoffes und der Gestaltung des Wärmeleitelementes und des Wärmeabgabeteiles in Form des Strömungsfühlerelementes als Gesamtanordnung an das zu überwachende Strömungsmedium und die zu messende Strömungsgeschwindigkeit anpassen läßt.
Die bisher bekannten nach dem kalorimetrischen Prinzip arbeitenden Meßgeräte und Anordnungen besitzen für den Wärmetransport einen relativ hohen Wärmewiderstand bei relativ geringem Wärmeübergangswiderstand zu dem zu überwachenden Medium. Dieses führt dazu, daß insbesondere bei Medien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Wasser, bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten die Sättigung des Werkstoffes erreicht ist. Dadurch lassen sich derartige Geräte zum Messen höherer Strömungsgeschwindigkeiten nur unzureichend einsetzen. Mit dem hier bestehenden Fühlerelement läßt sich das kalorimetrische Prinzip für einen wesentlich größeren Arbeitsbereich als bisher möglich einsetzen.
In Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Hierin ist mit 17 eine flächenhafte Einrichtung zum Heizen des Elementes bezeichnet, die auf einem Wärmeleitelement 18 befestigt ist. Dieses Wärmeleitelement 18 ist mit einem Strömungsfühlerelement 20, das aus einem anderen Werkstoff besteht, kombiniert. Auf dem Wärmeleitelement 18 ist in der Nähe des Strömungsfühlerelementes 20 eine Einrichtung zum Fühlen der Temperatur 19 in einer Höhlung 21 flächenhaft aufgebracht. Abmessungen und Werkstoff vom Wärmeleitelement 18 und Strömungsfühlerelement 20 sind so dimensioniert und aufeinander abgestimmt, daß unter Berücksichtigung des jeweiligen Strömungsmediums bei der maximal zu messenden Strömungsgeschwindigkeit die Fühlertemperatur an der Meßstelle des Temperaturfühlers 19 ein Minimum erreicht.
Der Rls Signal zur Verfügung stehende Temperaturhub zwischen Strömungsminimum und Strömungsmaximum ist in dieser Anordnung wesentlich großer als bei bekannten Anordnungen bei gleichzeitig geringerem Heizleistungsbedarf.
Insbesondere ist es denkbar, auf dem Wärmeleitelement 1 mehrere Temperaturfühlerelemente 5 anzuordnen.
Diese Temperaturfühlerelemente sind in Richtung des ärmeflusses räumlich hintereinander angeordnet.
Sie berücksichtigen die unterschiedlichen Temperaturhtibe, die beim Messen aterschiedener Strömungsmedien 6 entstehen, Je nach der von den verschiedenen Medien abgeführten Wärme wird das Meßsignal von einem der Temperaturfühlerelemente 5 abgenommen, das am besten geeignet ist, der von dem Strömungsmedium 6 vorgegebenen Meßaufgabe gerecht zu werden.

Claims

Fühlerelement für kalorimetrische Strömungswächter Patentansprüche: 1 Fühlerelement für kalorimetrische Strömungswächter, das eine Einrichtung zum Heizen des Elementes sowie eine Einrichtung zum Fühlen der Temperatur des Elements umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Heizen (4) des Elementes und die Einrichtunq zum Fühlen (5) der Temperatur des Elementes von der zu überwachenden Strömung (6) in der Art räumlich getrennt sind, daß der Wärmetransport Von der Einrichtung zum Heizen (4) des Elementes und von der Einrichtung zum Fühlen (5) der Temperatur des Elementes zum Strömunqsmedium huber ein gesondertes Wärmeleitelement (1) erfolgt.
2. Fühlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß ein dem strömenden Medium ausgesetzte r Teil des Wärmeleitelementes (1) mit einem gesonderten Stromungsfithlerelement (9) versehen ist und aus gegenüber dem Wärmeleitelement (1) anderem Werkstoff besteht.
3. Fühlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) und Has Strömungsfühlerelement (9) aus dem zeichen Werkstoff bestehen.
4, Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) und das Strömungsfühlerelement (9) durch eine Wand (7) voneinander getrennt sind.
5. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmeleitelement (1) und das Strömungsfühlerelement (9) durch ihre konstruktive Ausgestaltung voneinander getrennt sind.
6. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) und das Strömungsfühlerelement (9) aus einem Stück bestehen.
7. Filhlerelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) und das Strömungs fühle relement (9) aus dem gleichen Material bestehen.
8. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsfühlerelement mit liner Umtltillung versehen ist, und lediglich das der zu ttber wachenden Strömung ausgesetzte Strömungsfühlerelement (9) frei von («iner Umhüllung ist.
9. Filhlerelement nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) mit einer einen Wärmeleitwiderstand bildenden Umhüllung versehen ist, innerhalb der sich die Einrichtung (4) zum Heizen erstreckt.
10. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) wesentlich langer als das Strömungsfühlerelement (9) ist.
11. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsfühlerelement (9) sich durch unterschiedliche konstruktive Ausgestaltung vom Wärmeleitelement (1) unterscheidet.
12. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) Aufnahmeflfl?chen für flächenhaftes Heizen aufweist.
13. Fühlerelement nach Anspruch. 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) Aufnahmeflächen fAr die Einrichtung (5) zum Fühlen der Temp,eratur aufweist.
14. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) mindestens eine Höhlung (21) aufweist, die eine Einrichtung (4) zum Heizen aufnimmt.
15q Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (1) mindestens eine Höhlung (21) aufweist, in der eine Einrichtung (5) zum Fühlen der Temperatur vorgesehen ist.
16. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen AnsIsrechgeschwindigkeit das Wärmeleitelement (1) oder das Strömungsfühlerelement (9) aus einem Werkstoff mit hoher Temperaturleitfähigkeit (beispielsweise Kupfer) besteht.
17, Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen Ansprechgeschwindigkeit das Wärmeleitelement (1) und das Strömungsfühlerelement (9) aus einem Werkstoff mit hoher Temperaturleitfähigkeit (beispielsweise Kupfer) besteht.
18. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen Sättigungsgeschwindigkeit das Wärmeleitelement (1) oder das Strömungsfühlerelement (9) aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit beispielsweise Edelstahl, besteht.
19. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen Sättigungsgeschwindigkeit das Wärmeleitelement (1) und das Strömungsfühlerelement (9) aus einem Werkstoff geringer WärmeleItfähigkeit, beispielsweise Edelstahl, besteht.
20. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zum Heizen und die Einrichtung (5) zum Fühlen der Temperatur in Richtung des durch das Wärmeleitelement (1) stattfindenden Wärmeflusses räumlich getrennt voneinander angeordnet sind und durch die räumliche Trennung ein der vorgegebenen Meßaufgabe angepaßter Wärmewiderstand vorgesehen ist.
21. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Wärmlitlement (1) in Richtung des Wärmeflusses mehrere Temperaturtullerelemente 5) räumlich hintereinander angeordnet sind.
22. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsfühlerelement () mit einer Umhüllung versehen ist.
23. Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Element zum Fühlen (5) der Tem peratur direkt beheizt wird, beispielsweise durch das Fließen eines elektrischen Stromes.

24, Fühlerelement nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die konstruktive Ausgestaltung und der Werkstoff des Wärmeleitelements (1) und des Strömungsfühlerelementes (9) derart dimensioniert und aufeinander abgestimmt sind, daß unter Berücksichtigung des jeweiligen Strömungsmediums (6) bei der maximal zu messenden StrÖmungsgeschwindigkeit an der Einrichtung (5) zum Fühlen der Temperatur die Temperatur einen Minimalwert erreicht.