DE3514491C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler zur Durchflußüber­ wachung eines strömenden Mediums, gefertigt aus einem in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse, welches einen einteilig, stirnseitig in die Strömung hineinragenden Meßteil aufweist, dessen Funktion auf einer elektrischen Differenztemperatur­ messung beruht, wobei ein Temperaturmeßelement die Mediumstem­ peratur, das andere Element die Temperatur des durch eine Wärme­ quelle aufgeheizten Mediums mißt.

Der eingangs beschriebene Meßfühler wird u. a. auch in sogenann­ ten kalorimetrischen Strömungswächtern angewendet, wie sie z. B. in den Schriften DE 24 47 617, DE-OS 0 40 16 758 oder DE-OS 31 05 876 niedergelegt sind. Diese bekannten Lösungen der Wärmetransport­ messung gehen davon aus, daß die für dieses Meßprinzip erforder­ liche Differenztemperaturmessung auch die Anwendung von zwei einzelnen Meßstiften erfordert. Durch diese Systemtrennung soll verhindert werden, daß eine Verfälschung der Vergleichstemperatur durch Wärmeübertritt aus dem beheizten in das unbeheizte System auftritt. Diese Auffassung führt konsequent dazu, daß zwei Meß­ stifte oder in Glasstäbe eingeschmolzene Meßwiderstände gleicher Wärmekapazität in das strömende Medium eingebracht werden. Ein Stift wird zusätzlich direkt oder indirekt beheizt. Um den Wärme­ übergang am Ort der Stiftbefestigung am Meßgehäuse zu unterbinden, werden die Stifte in einem Kunststoffteil geringer Wärmeleitfähig­ keit befestigt, oder es wird eine Glasdurchführung gewählt. Dieser Durchführungsteil ist seinerseits fest mit dem Meßgehäuse verbun­ den.

Eine andere Variante dieser symmetrischen Meßtechnik ist in der Patentschrift US 44 80 467 niedergelegt. Abweichend von den oben angegebenen Lösungen sind beide Meßsysteme von einem Gehäuse um­ faßt, wobei das Gehäuse keine Wärmekopplung beider Systeme zu­ läßt. Ähnlich wie in der oben aufgeführten Lösung wird in der Schrift US 13 04 208 ein von einem Gehäuse äußerlich umschlossenes Doppelsystem beschrieben, wobei die Meßelemente ohne Zwischen­ fügung einer Membran in Kontakt mit dem umströmenden Medium sind.

Die Aufgabe des Meßgehäuses besteht bei dieser Lösung darin, zu verhindern, daß irgendwie geartete Strömungen des Außenraums den Innenraum des Meßgehäuses beeinflussen.

Herstellungstechnisch sind die oben angegebenen Verfahren sehr aufwendig. Insbesondere das Bohren von zwei Löchern und das Ein­ setzen von einzelnen Meßelementen oder Stiften in das Meßgehäuse verbieten eine einfache Automatenfertigung des Meßgehäuses. Durch die Anwendung von Kunststoff zur Systemtrennung ergeben sich zu­ sätzlich thermische, chemische und mechanische Stabilitätsprobleme.

Die Lösung des mechanischen Problems ist in den Schriften US 43 11 047 und DE-OS 32 13 902 aufgezeigt. Hier wird nur ein rotationssymmetrischer Meßstift verwendet. Innerhalb dieses Meß­ stiftes sind übereinander in Stiftrichtung zwei Meßsysteme ange­ ordnet. Das stirnseitige Meßsystem wird zusätzlich beheizt.

Für den dynamischen Meßvorgang werden in der Schrift DE-OS 32 13 902 die wirksamen Wärmekapazitäten der Heizseite und Mediumstemperatur- Meßseite dadurch aneinander angeglichen, daß das stirnseitige Meß­ element innerhalb des Meßstiftes zwischen der inneren Stiftwandung und dem Heizelement in der Weise verschoben ist, daß sich iden­ tische effektive Wärmekapazitäten für beide Meßsysteme ergeben. Obwohl bei den genannten Systemen das mechanische Konzept gelöst ist, ergeben sich Probleme, wenn sich die Temperatur des Meßme­ diums schnell ändert. Wegen der geometrischen Asymmetrie er­ geben sich nämlich verschiedene Wärmeübergangswiderstände für beide Meßsysteme. Dies hat zur Folge, daß Fehlschaltungen auftre­ ten, wenn das Meßmedium seine Temperatur schnell ändert.

In der Patentschrift US 34 00 582 sind die Temperaturmeßfühler und Wärmequellen in Bohrungen nahe der Außenwandung des Meßteils an­ geordnet. Es besteht eine temperaturleitende feste Verbindung zur Stirnseite des Meßteils. Die Meßfühler sind jedoch in einem aus Kunststoff bestehenden Gehäuse in der Weise eingeschraubt, daß von der Stirnseite aus betrachtet die Meßfläche nicht homogen, sondern durch die Bohrungen der Meßstifte unterbrochen ist.

Bezüglich des äußeren zu erfassenden Mediums ist das Meßgehäuse daher nicht einteilig, insbesondere aggresive Medien können da­ her an den Trennschichten zwischen Meßstift und Meßfühlergehäuse in den Innenraum des Meßfühlergehäuses eindringen. In der Schrift US 38 00 592 sind die Meßsysteme ebenfalls nahe der Außenwandung des Meßteils angeordnet, jedoch weisen die Meßstifte verschiedene mechanische Abmessungen auf, so daß zwangsläufig verschiedene Wärmekapazitäten des geheizten und des nichtgeheizten Systems vorliegen.

Ziel der Erfindung ist es, einen auf dem kalorimetrischen Prinzip basierenden Meßfühler zu entwerfen, der die Nachteile der ein­ gangs beschriebenen kalorimetrischen Strömungswächter vermeidet.

Es soll möglich sein, das Gehäuse des Meßfühlers, in welches die beiden ggf. beheizbaren Temperaturmeßelemente eingebracht sind, in der Weise auszubilden, daß es einerseits einteilig aus einem Werkstoff herstellbar ist, daß derjenige Teil des Meßfühlers, der in das strömende Medium eintaucht, sich als eine aus einem homo­ genen Werkstoff gefertigte und geschlossene Membran gegenüber dem Medium darstellt und daß bei sprunghaften Temperaturänderungen des zu überwachenden Mediums die elektrisch gemessene Differenz­ temperatur, die vermittels der beiden in das Meßgehäuse einge­ brachten Temperaturmeßelemente bestimmt ist, unmittelbar nach der Temperaturänderung denselben Wert aufweist, wie vor dem Tempe­ ratursprung.

Die Lösung dieser Problemstellung geschieht dadurch, daß in einem ersten Schritt die Wärmeleitungs-Problemstellung auf ein elek­ trisches Modell übertragen wird und anschließend die mechanischen Parameter des Meßfühlers festgelegt und optimiert werden.

Abb. 6 zeigt schematisch die wärmetechnische Anordnung im Schnitt. Ein Metallkörper (61) ist von einem wärmeableitenden Medium (62) umgeben. Der Metallkörper wird in seinem Inneren an dem Ort A auf­ geheizt. Es soll die Differenztemperatur zwischen den Orten A und B innerhalb des Metallkörpers bestimmt werden. Hier spielen die Wärmeübergangswiderstände eine große Rolle, die Widerstände Ri und Rj (schematisch dargestellt) beschreiben die Wärmeübertragung ent­ lang des Metallkörpers vom Ort A zum Ort B an das umgebende Medium (62). Die Wärmewiderstände Rk beschreiben den Wärme­ transport innerhalb des Metallkörpers von A nach B. Die Wider­ stände R 1 und R 2 beschreiben die Wärmekopplung des Meßsystems selbst an das umgebende Medium. Die Übertragung dieses Schemas auf ein elektrisches Modell zeigt Abb. 7. Zu dieser Beschreibung sind in erster Näherung drei Vierpole erforderlich. Der Vierpol (ABCD) beschreibt das Temperatur-Meßsystem, das gleichzeitig auf­ geheizt ist. Die Temperatur des den Meßfühler umgebenden Mediums ist durch die Spannungsquelle U 1 dargestellt, den Wärmeüber­ gangswiderstand dieses Meßsystems zum Außenmedium beschreibt der Widerstand R 1. Die Wärmekapazität dieser Meßseite wird durch die Kapazität des Kondensators C 1 erfaßt. Die sich über dem Konden­ sator C 1 ausbildende Spannung (UA) ist eine für die Auswertung wichtige Größe. Die Meßspannung UA wird zusätzlich beeinflußt durch eine Spannungsquelle UH und deren Serienwiderstand RH . UH ist größer als U 1. RH ist ein veränderlicher Widerstand und beschreibt den Wärmeabtransport durch das umgebende Medium. Ist die Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Mediums gleich Null, so wird RH gleich 1 gesetzt, geht die Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Mediums gegen unendlich, so konvergiert RH gegen einen Zahlenwert, der wesentlich größer als 1 ist. Die an den Klemmen CD des Heiz-Vierpols anliegende Spannung wird über den Kopplungs-Vierpol (EFGH) übertragen. Wesentliche Merkmale dieses Vierpols sind die Längswiderstände RL, der Querwiderstand RQ und die dem Kopplungs-Vierpol eigene Wärmekapazität CQ. Der Vierpol der Mediumstemperaturmeßseite (IJKL) weist einen identischen Auf­ bau wie der Vierpol (ABCD) auf, jedoch fehlt hier die zusätz­ liche Heizquelle, dargestellt durch die Spannungsquelle UH. Bei diesem Vierpol stellt U 2 die Temperatur des umgebenden Mediums dar.

Anhand dieses elektrischen Modells kann die Funktion der eingangs beschriebenen kalorimetrischen Strömungswächter einfach be­ schrieben werden. Für die übliche Zweistifttechnik kann der Über­ tragungs-Vierpol vernachlässigt werden, d. h. RL ist sehr groß, RQ sehr klein. Die Spannungen U 1 und U 2 können gleich gesetzt werden, weil beide Stifte in das identische Medium hineinragen. Die gewünschte Differenzspannung UA minus UB ist dann völlig un­ abhängig von schnellen Temperaturänderungen des Umgebungsmediums entsprechend einer schnellen Spannungsänderung U 1, U 2, wenn gilt: R 1 = R 2 und C 1 = C 2. Die Zweistifttechnik kann daher optimal ausgelegt werden. Die wesentliche, oben beschriebene Stabilitätsbedingung, R 1 = R 2 und C 1 = C 2 kann in der Ein­ stifttechnik nicht erreicht werden, weil der Meßstift an einer Seite immer mit dem Meßgehäuse verbunden ist, was mit einer er­ höhten Wärmekapazität C 2 gleichzusetzen ist, auch weist diese Seite in der Regel einen höheren Wärmeübergangswiderstand R 2 auf. Es ist jedoch durch konstruktive Maßnahmen möglich, im statischen Fall R 1 und R 2 aneinander anzunähern. Für langsame Temperatur­ änderungen, d. h. für den stationären Zustand, spielen die Kapa­ zitäten C 1 und C 2 keine Rolle, daher ist es möglich, auch Eiin­ stift-Meßsysteme mit einer sicheren Funktion aufzubauen. Bei schnellen Temperatursprüngen kommt es aber deshalb zu Fehl­ messungen, weil sich die Spannungen über den Kondensatoren C 1 und C 2 nicht gleichzeitig aufbauen können. Die Differenz­ spannung UA und UB ist daher nicht nur eine Funktion des Wärme­ abtransportwiderstandes R 4, sondern auch eine Funktion der Auf­ ladezeiten der Kondensatoren C 1 und C 2.

Das gewählte elektrische Modell läßt jedoch auch noch eine weitere Problemlösung zu. Der Kopplungs-Vierpol kann beliebig symmetrisch aufgebaut sein. Für die Meßfunktion gilt dann:
UA - UB = K · f (RH), wobei K kleiner als 1 ist. Dies bedeutet, daß sich bei einer solchen Änderung eine Differenzmeßspannung ergibt, die zwar gegenüber der Doppelstifttechnik im Absolutbe­ trag kleiner ist, aber wegen der Linearität des Kopplungs-Vierpols ohne Einbuße an Meßgenauigkeit elektrisch verstärkt werden kann.

Die Lehre dieser Erfindung nutzt daher die Modellerkenntnisse in der Weise, daß zwei Meßsysteme, je bestehend aus einem Temperatur- Meßelement und einem Heizelement - es wird jedoch nur ein System geheizt -, die als Einheit in Zylinderform kompakt zusammengefaßt sind, in je eine Bohrung eines Stahl- oder Kunststoffteils einge­ bracht werden. Die Bohrungen sind dicht an der Außenwandung des Stahlteils positioniert und rotationssymmetrisch angeordnet. Nach der Lehre dieser Erfindung kann daher der Meßfühler einteilig aus einem homogenen Material gefertigt werden und erlaubt daher eine ausschließlich spanabhebende Bearbeitung in einem Arbeitsgang. Durch eine präzise mechanische Bearbeitung des Meßfühlers können aber erst die hohen Symmetrieanforderungen, wie sie für die ge­ stellte Aufgabe Voraussetzung sind, erfüllt werden. Nach der Lehre der Erfindung sind zwei Parameter, Homogenität (bezüglich Wärme­ übergangs- Widerstand und Wärmekapazität) und Rotationssymmetrie von entscheidender Bedeutung und werden durch eine präzise mechanische Ausführung beherrscht. Durch die gewählte Konstruktion wird auch die gängige Auffassung widerlegt, daß eine metallische Verbindung in der Ebene beider Meßsysteme den Meßeffekt aufheben würde, und daß es daher erforderlich sei, zwischen beiden Meß­ systemen einen Wärmewiderstand Null (weitgehende Systemtrennung, d. h. zwei Einzelfühler) oder Unendlich (Einfügen einer Wärme­ isolationsschicht zwischen zwei Fühlern) einzufügen. Die z. B. me­ tallische Kopplung beider Meßsysteme hat aber nach dieser Er­ findung lediglich einen konstanten Einfluß auf die zur Verfügung stehende maximale Meßspannung und geht daher nur als konstanter Faktor in die Meßspannung ein. Dies kann auch durch eine ein­ fache elektrische Verstärkung kompensiert werden. In einigen An­ wendungen ist sogar eine kleine Maximalspannung sehr erwünscht, denn ein kleiner Spannungshub ist korreliert mit einer geringeren Erwärmung des geheizten Systems. Nichtlineare Temperaturmeßfühler können aber gerade für kleine Temperaturbereiche hervorragend linearisiert werden, so daß oft ein großer Temperaturbereich uner­ wünscht ist.

Im Prinzip kann jedoch auch bei diesem konstruktiven Konzept die maximal erreichbare Spannung dadurch erhöht werden, daß symme­ trische Bohrungen in dem Meßfühler angebracht werden. Dies ist equivalent mit einer Vergrößerung des Kopplungsfaktors K des Kopplungs-Vierpols im elektrischen Modell.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher er­ läutert. Der Meßfühler (1) ist einteilig aus Edelstahl hergestellt. Er ist einschraubbar (16) ausgebildet. Der zylindrische Querschnitt an seinem Schraubteil geht in einen rechteckigen Querschnitt an seinem Stirnteil (4) über. Auf der großen Fläche dieses Rechteck­ querschnittes ist eine Durchgangs-Langlochbohrung (15) angebracht. Im Inneren des Meßfühlers sind zwei Sacklöcher randnah angebracht (2). Die Wandungsstärken des verbleibenden Gehäusematerials in der Ebene des Meßfühlers (11) ist in Längs- und Querrichtung (5) gleich, bezogen auf die Verbindungslinie beider Bohrungsmittel­ punkte. In die Bohrungen sind zwei identische Meßsysteme einge­ bracht, die aus einer Aluminiumscheibe (6), einem Temperatur-Meß­ element (7) und einer Heizspule (8) bestehen. Eine Heizspule (12) ist nicht heizbar. Die Resthohlräume der Bohrungen für die Meß­ fühler (2) sind gießharzaufgefüllt.

Zusätzliche Ausführungsmöglichkeiten sind in den Patentansprüchen aufgezeigt.

Claims (5)

1. Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömenden Mediums, gefertigt aus einem in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse, welches einen einteilig, stirnseitig in die Strömung hineinra­ genden Meßteil aufweist, dessen Funktion auf einer elektrischen Differenztemperaturmessung beruht, wobei ein Temperaturmeß­ element die Mediumtemperatur, das andere Element die Temperatur des durch eine Wärmequelle aufgeheizten Mediums mißt, und bei welchem die Meßelemente mit Wärmequelle in Bohrungen nahe der Außenwandung des Meßteils in der Weise angeordnet sind, daß eine temperaturleitende, feste Verbindung zur Stirnseite des Meßteils besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus einem homogenen, einstückigen Meßteil-Material hergestellt ist, dessen zylindrischer Querschnitt an seinem Schraubteil in einen rechteckförmigen Querschnitt an seinem Stirnteil übergeht, daß von der Schraubseite her zwei gleich tiefe und außenwandungs­ nahe, stirnseitig die Wandung nicht durchbrechende zylindrische Sackbohrungen im Meßfühler angebracht sind, wobei die Mittelpunkte (2) der Sackbohrungsdurchmesser in einer Querschnittsebene (4) im Stirnteilbereich des Meßfühlers in der Weise angeordnet sind, daß innerhalb der Querschnittsebene (4) die nach außen weisenden Wandungsstärken (5) des verbleibenden Gehäusematerials in Längs- und Querrichtung, bezogen auf die Verbindungslinie beider Bohrungs­ mittelpunkte gleich sind und daß die in diese Bohrungen einge­ brachten elektrischen Meßsysteme identisch sind.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ teil aus Metall oder Kunststoff gefertigt ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßteil einen kreisförmigen Querschnitt und zwei wandungs­ nah verlaufende Zylinderbohrungen aufweist, deren Mittel­ punkte auf einer Geraden liegen, die durch den Mittelpunkt des Meßteilquerschnittes verläuft.

4. Meßfühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur seitlichen Fläche des rechteckförmig ausgebildeten Meßfühlerteils ein Langloch (15) angebracht ist.

5. Meßfühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur seitlichen Fläche des rechteckförmig ausgebildeten Meßfühlerteils Durchgangsbohrungen (14) angebracht sind.