DE3419504A1

DE3419504A1 - Stroemungswaechter

Info

Publication number: DE3419504A1
Application number: DE19843419504
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. 2201 Kollmar Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1986-01-23
Also published as: GB2159631A; GB8513239D0; GB2159631B; GB8807839D0; GB2201001A; GB8807838D0; GB2201001B; GB2216846A

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungswächter mit einem Wärmeleitelement, das auf einer ersten Seite von einem strömenden Medium bespült ist und auf einer durch eine Wandung von der ersten Seite räumlich getrennten zweiten Seite sowohl ein die Temperatur des Wärmeleitelementes über die Temperatur des Mediums hinaus veränderndes Wärmeelement bestimmter Wärmeleistung als auch ein seine Temperatur abstastendes Meßelement aufweist.

Bei derartigen Strömungswächtern ragt das Wärmeleitelement mit seinem dem Medium zugewandten Ende in die Strömung hinein. Dadurch kann in manchen Fällen die Strömung beeinflußt werden. An dem in die Strömung hineinragenden Ende entstehen Wirbel, die gegebenenfalls die Strömung empfindlich stören können. Insbesondere bei kleinen Strömungsquerschnitten muß damit gerechnet werden, daß die Strömung sich hinter der Störung nur relativ langsam wieder beruhigt. Durch die Wirbelbildung sind im übrigen Meßfehler denkbar, da durch die Wirbelbildung im Bereich des in die Strömung hineinragenden Endes mehr Wärme abgeführt wird als bei der zur messenden ruhigen Strömung, die von einem in sie hineinragenden Ende unbeeinflußtist. Darüberhinaus entstehen im Bereich des in die Strömung hineinragenden Endes Abdichtprobleme. Das Ende muß durch eine Wandung hindurchragen, die das strömende Medium von dem Wärmeleitelement und dem Meßelement abtrennt. In dem Bereich, in dem die Wandung von dem Ende durchdrungen wird, muß eine Öffnung in der Wandung vorgesehen sein, die gegenüber dem Ende gut und mit dauernder Dichtwirkung abgedichtet wird. Diese Abdichtung verursacht einerseits Fehlerquellen und andererseits erhebliche Kosten.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Strömungswächter der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß er mit einem denkbar geringen Aufwand installiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindu,ngsgemäß dadurch gelöst, daß die Wandung als Warmeleitelement ausgebildet ist.

An der Wandung fließt einerseits das strömende Medium vorbei. Zwischen der Wandung und dem Medium besteht mithin ein sehr enger Kontakt. Unabhängig von dem Material der Wandung findet in ihr auch eine Wärmeleitung statt. Die Messung der Strömung hängt von der Größe der Wärmeleitung nicht ab, sondern nur von der Veränderung der Wärmeleitung aufgrund sich verändernder Strömungsverhältnisse. Insoweit können selbst solche Wandungen als Wärmelei telemente benutzt werden, die eine relativ schlechte Wärmeleitung haben, wie beispielsweise Keramik. Darüberhinaus hat die Verwendung der Wandung als Warmeleitelement den erheblichen Vorteil, daß die Wandung nicht durchbrochen werden muß, um ein Wärmeleitelement mit der Strömung in Kontakt zu bringen. Vielmehr kann sowohl das Wärmeelement als auch das Meßelement unmittelbar auf einer Seite der Wandung angebracht werden, die der Strömung abgewandt ist. Damit entfallen auch die Dichtungsprobleme, die jeweils auftauchen, wenn die Wärmeleitelemente durch die Wandung in die Strömung hineinragen. Die Wandung bleibt unverletzt. Selbst die Kosten für die Anbringung der Bohrung können erspart werden.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Wärmeelernent und das Meßelement auf ihrer dem Medium abgewandten Seite der Wandung befestigt. Eine derartige Anbringung ist ebenfalls ohne Verletzung der Wandung möglich. Beispielsweise können klebende Verbindungsmittel wie Haftbänder Verwendung finden, um sowohl das Wärmeelement als auch das Meßelement auf der Wandung zu befestigen. Dabei ist lediglich darauf zu achten, daß der räumliche Abstand zwischen dem Wärmeelement und dem Meßelement relativ klein ist. Zweckmäßigerweise sollte jedoch das Meßelement in Stromungsrichtung des strömenden Mediums hinter dem Wärmeelement angebracht sein.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 : eine Seitenansicht eines Rohrstückes mit einem neben einem Wärmeelement angeordneten Meßelement,

Fig. 2 : eine Seitenansicht eines Rohrstückes mit einem zusätzlichen Wärmeelement, das neben dem Meßelement befestigt ist,

Fig. 3 : eine Seitenansicht eines Rohrstückes mit einem ersten und einem zweiten Meßelement und einem im Bereich des ersten Meßelementes angebrachten Heizelement,

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Fig. 4 : ein vergrößerter Querschnitt durch eine Wandung mit einem auf der Wandung befestigten Meßelement und einem über dem Meßelement angebrachten Wärmeelement.

Ein Strömungwächter besteht im wesentlichen aus einem Wärmeelement 1 und einem Meßelement 2. Diese sind auf einer Wandung 3 befestigt. Diese Wandung kann als Wandung eines Rohres 4 ausgebildet sein. An einer Oberfläche 6 der Wandung 3 fließt ein strömendes Medium 5 entlang. Dieses fließt beispielsweise durch das Rohr 4.

Auf einer der Oberfläche 6 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 7 der Wandung 3 ist das Wärmeelement 1 und das Meßelement 2 befestigt. Das Meßelement 2 befindet sich in unmittelbarer räumlicher Umgebung des Wärmeelementes 1, so daß das Meßelement im Bereich des von dem Wärmeelement 1 ausgeübten Wärmeeinflusses angeordnet ist. Zweckmäßigerweise befindet sich das Meßelement 2 in Strömungsrichtung des strömenden Mediums 5 unterhalb des Wärmee leinen te s 1 Es ist jedoch auch denkbar, daß das Meßelement 2 in Strömungsrichtung des strömenden Mediums 5 vor dem Wärmeelement 1 angebracht ist.

Das Wärmeelement 1 kann als Heizelement oder als Kühlelement ausgebildet sein. Falls es als Heizelement ausgebildet sein sollte, kann es indirekt als Wärmeübertrager eine ihm zugeführte Wärme auf die Wandung 3 übertragen. Es ist jedoch auch möglich, direkte Heizelemente, beispielsweise in Form von elektrischen Heizungen vorzusehen. Zweckmäßiger^- weise werden diese elektrischen Heizungen als Heizwiderstand oder als Dickschichtwiderstand ausgebildet.

Als Meßelement 2 kommen ein temperaturabhängiger Widerstand, ein Thermoelement oder ein temperaturabhängiger Halbleiter in Betracht. Entscheidend für sämtliche Meßelemente ist die Tatsache, daß sie die Temperaturveränderung im strömenden Medium 5 messen können, die dadurch eintreten, daß das Wärmeelement 1 eingeschaltet wird.

Die vom Wärmeelement 1 erzeugte Wärme wird unmittelbar auf die Wandung 3 übertragen. Von der Wandung geht die Wärme auf das strömende Medium 5 über. Der Einfluß, den das Wärmeelement 1 im stationären Zustand auf das Meßelement 2 ausübt, ist bekannt. Im stationären Zustand wird der Wärmeübergang vom Wärmeelement 1 auf das Meßelement 2 durch das strömende Medium nicht beeinfluß. Sodann wird das Medium 5 in Strömung versetzt. Durch die Strömung verändert sich die Wärmeabfuhr aus der Wandung 3. Dadurch sinkt deren Temperatur. Diese Temperaturänderung wird vom Meßelement 2 erfaßt und ist ein Maß für die Strömung des Mediums 5. Bei hoher Strömungsgeschwindigkeit wird sich die Temperatur im Bereich des Meßelementes stärker erniedrigen als bei niedriger Durchflußgeschwindigkeit .

Je nach der Größe der Durchflußgeschwindigkeit kann in Strömungsrichtung hinter dem Meßelement noch ein zweites Heizelement 8 auf der Wandung 3 befestigt sein. Auch dieses zweite Heizelement 8 hat eine vorgegebene Heizleistung. Die Anbringung dieses zweiten Heizelementes 8 verbessert die Möglichkeit, mit Hilfe des Meßelementes 2 deutliche Temperaturänderungen aufgrund der Geschwindigkeit des strömenden Mediums 5 aufnehmen zu können.

Darüberhinaus ist es denkbar, auf der Wandung 3 in mehr oder minder großer Entfernung vom Meßelement 2 noch ein zweites Meßelement 9 zur Messung der Temperatur des strömenden Mediums 5 zu befestigen. Mit Hilfe dieses zweiten Meßelementes 9 kann festgestellt werden, ob sich die Temperatur des strömenden Mediums 5 unabhängig von dem Einfluß des Wärmeelementes 1 ändert. Sollte sich diese Temperatur unabhängig vom Einfluß des Wärmeelementes 2 ändern, so muß am Meßergebnis des Meßelementes 2 ein entsprechender Korrekturfaktor angebracht werden, der die Temperaturänderung des strömenden Mediums 5 im Bereich des Meßelementes 2 berücksichtigt, die nicht auf eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten zurückzuführen ist.

Das Wärmeelement 1 kann auch als ein Kühlelement ausgebildet sein. Entscheidend ist lediglich die Tatsache, daß entweder vom Wärmeelement 1 Wärme auf das strömende Medium 5 übergehen oder von diesem Wärme an das Wärmeelement 1 abgegeben wird. In jedem Falle muß also die Temperatur eines als Heizelement ausgebildeten Wärmeelementes 1 oberhalb der Temperatur des strömenden Mediums 5 liegen und im Falle der Ausbildung des Wärmeelementes 1 als Kühlelement muß die Temperatur des strömenden Mediums 5 oberhalb der Temperatur des Kühlelementes liegen.

Schließlich ist es denkbar, das Meßelement 2 bezüglich der Strömung des strömenden Mediums 5 an der gleichen Stelle wie das Wärmeelement 1 anzubringen. Zu diesem Zwecke wird das Meßelement 2 an einer bestimmten Stelle mit Hilfe einer Hai-

terung 1o auf die zweite Oberfläche 7 der Wandung gedrückt. Auf einer vom Meßelement 2 abgewandten Seite der Halterung 1o ist das Wärmeelement 1 mit einer Befestigung 11 befestigt. Diese Befestigung 11 drückt das Wärmeelement 1 auf die Halterung 1o. Das Meßelement 2 weist elektrische Anschlüsse 12, 13 auf, die aus der Halterung 1o herausragen.

Es ist auch möglich, zunächst das Wärmeelement 1 fest auf die zweite Oberfläche 7 der Wandung 3 zu pressen. Dazu kann eine Halterung vorgesehen sein. Auf dieser Halterung wird dann das Meßelement 2 befestigt. Dieses kann auf seiner dem Heizelement 1 abgewandten Seite mit einer Schutzschicht versehen sein.

Die Aufbringung des Wärmeelementes 1 sowie des Meßelementes 2 kann auch mit Hilfe der Dickschichttechnik vorgenommen werden. In einer Dickschicht kann auf ihrer der Oberfläche 7 benachbarten Seite entweder das Wärmeelement 1 oder das Meßelement 2 angeordnet sein. Liegt das Wärmeelement 1 auf der Oberfläche 7 auf, so wird auf dem Wärmeelement 1 in der das Wärmeelement 1 aufnehmenden Dickschicht eine elektrische Isolation untergebracht, auf die anschließend in die gleiche Dickschicht das Meßelement 2 eingebracht wird. Es ist auch denkbar, zunächst das Meßelement 2, sodann die elektrische Isolation und schließlich das Wärmeelement 1 in der Dickschicht vorzusehen. Das Wärmeelement 1, die elektrische Isolation und das Meßelement 2 können je nach der vorbeschriebenen Reihenfolge untereinander oder nebeneinander angeordnet sein. Zweckmäßigerweise wird die auf diese Weise gebildete Dickschicht auf ihrer der Oberfläche 7 abgewandten Seite mit einer Schutzschicht überzogen. Das

gesamte auf diese Weise gebildete Dxckschichtelement weist eine Dicke von etwa einem Zehntel Millimeter auf.

Nach Einschaltung des Wärmeelementes 1 findet ein vorgegebener Wärmefluß über die Halterung 1o und das Meßelement 2 durch die Wandung 3 in Richtung auf das strömende Medium 5 statt. Unter dem Einfluß dieser Wärmeströmung wird die Oberflächentemperatur an der zweiten Oberfläche 7 gemessen. Sodann wird das Medium 5 in Strömung versetzt. Unter dem Einfluß dieser Strömung verändert sich die Temperatur an der zweiten Oberfläche 7. Diese Temperaturveränderung wird vom Meßelement 2 gemessen. Sie ist ein Maß für die Größe der im Medium 5 herrschenden Strömungsgeschwindigkeit.

Statt mit entsprechenden Haftbändern können das Meßelement 2 und das Wärmeelement 1 auch unmittelbar auf der zweiten Oberfläche 7 festgeklebt oder auf sonstige Weise befestigt werden. Dabei ist es auch denkbar, daß Meßelement 2 mit Hilfe des Wärmeelementes 1 auf der zweiten Oberfläche 7 zu befestigen.

Die Wandung 3 kann aus allen für die Herstellung von Wandungen geeigneten Materialien bestehen, beispielsweise aus Keramik ober Metall. Sowohl die Halterung 1o als auch die Befestigung 11 können aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen. Insbesondere bei Rohren 4 können das Wärmeelement 1

und das Meßelement 2, aber auch das zweite Heizelement 8 und das zweite Meßelement 9 um das Rohr 4 gewickelt werden. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Herstellung des Strömungswächters möglich-

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Claims

DIPL-CNQ. DR. GEB1T KELDT Rechtsanwalt, Patentanwalt 3419504 r -1 59. Dr. Gert Heldt - Neuer Wall 57 lv - 2000 Hamburg 36 Neuer Wall §?2£ - 2000 Hamburg Ruf 040 / 3715 77 + 3717 Sprechstunden nach Vereinbarung Telegramme: Patentheldt, Hamburg Anwaltsakte: WEB 16 L J Dipl.-Ing. Günther Weber Strohdeich 32 22o1 Kollmar Strömungswächter Patentansprüche:

1. Strömungswächter mit einem Wärmeleitelement, das auf einer ersten Seite von einem strömenden Medium bespült und auf einer durch eine Wandung von der ersten Seite räumlich getrennten zweiten Seite sowohl ein die Temperatur des Wärmeleitelements über die Temperatur des Mediums hinaus veränderndes Wärmeelement bestimmter Wärmeleistung als auch ein seine Temperatur abtastendes Meßelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (3) als Wärmeleitelement ausgebildet ist.

2. Strömungswächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) und das

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Meßelement (2) auf ihrer dem Medium (5) abgewandten Oberfläche (7) der Wandung (3) befestigt sind.

3. Strömungswächter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) im Bereich des vom Wärmeelement (1) auf die Wandung (3) ausgeübten Wärmeeinflusses angeordnet ist.

4. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) als Heizelement ausgebildet ist.

5. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) als Kühlelement ausgebildet ist.

6. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) in Strömungsrichtung des strömenden Mediums (5) neben dem Wärmeelement (1) angeordnet ist.

7. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) in einem zwischen der Wandung (3) und dem Wärmeelement (1) liegenden Raum angeordnet ist.

8. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) in einem zwischen der Wandung (3) und dem Meßelement (2) liegenden Raum angeordnet ist.

9. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) mit einer Halterung (1o) auf der Wandung (3) befestigt ist.

1ο. Strömungswächter nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) auf der Halterung (1o) befestigt ist.

11. Strömungswächter nach Anspruch 7 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) mit einer die Wärme gut leitenden Befestigung (11) auf der Halterung (1o) befestigt ist.

12. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) mit einer auf der Wandung (3) klebenden Befestigung (11) auf dieser befestigt ist.

13. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) mit einer auf der Wandung (3) klebenden Halterung (1o) auf dieser befestigt ist.

14. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1)mit engem Kontakt auf die Wandung (3) geklemmt ist.

15. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) auf die Wandung (3) mit engem Kontakt geklemmt ist.

16. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) und das Meßelement (2) gemeinsam ein Dickschichtelement bilden, das aus einem gedruckten Wärmeelement (1), einer elektrischen Isolation und einem gedruckten Meßelement (2) besteht.

17. Strömungswächter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1), die elektrische Isolation und das Meßelement (2) übereinander im Dxckschichtelement angeordnet sind.

18. Strömungswächter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1), die elektrische Isolation und das Meßelement (2) nebeneinander im Dickschichtelement angeordnet sind.

19. Strömungswächter nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Dickschichtelement auf seiner der Wandung (3) abgewandten Seite mit einer Schutzschicht abgedeckt ist.

20. Strömungswächter nach Anspruch 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Dickschichtelement eine Dicke von etwa einem Zehntel Millimeter aufweist.

21* Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 2o, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung des strömenden Mediums (5) unterhalb des Meßelementes (2) ein zweites Wärmeelement (8) vorgesehen ist.

22. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Wandung

(3) ein zweites die Temperatur des strömenden Mediums (5) messendes zweites Meßelement (9) vorgesehen ist.

23. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 2 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Meßelement (9) von dem Wärmeelement (1) weiter entfernt ist als das Meßelement (2).

24. strömungswächter nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (3) als Rohr

(4) ausgebildet ist.

²⁵. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4) aus Metall besteht.

26. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4) aus Keramik besteht.

27. strömungswächter nach Anspruch 1 bis 2 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) um das Rohr (4) gewickelt ist.

28. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) um das Rohr (4) gewickelt ist.

29. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) als ein auf der Wandung (3) befestigter Wärmeübertrager bestimmter Leistung ausgebildet ist.

3°. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeelement (1) als eine elektrische Heizung ausgebildet ist.

31. Strömungswächter nach Anspruch 3o, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizung als Heizwiderstand ausgebildet ist.

32. Strömungswächter nach Anspruch 3o , dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizung als Dickschichtwiderstand ausgebildet ist.

33. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist.

34. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) als Thermoelement ausgebildet ist.

35. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) als temperaturabhängiger Halbleiter ausgebildet ist.

36. Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) als Dickschichtwiderstand ausgebildet ist.