DE3637497A1 - Verfahren und einrichtung zum fuehlen von stroemungsgeschwindigkeiten und/oder durchfluessen - Google Patents
Verfahren und einrichtung zum fuehlen von stroemungsgeschwindigkeiten und/oder durchfluessenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 und eine Einrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens.
Unter einem Fluidum oder Fluid ist eine Flüssigkeit, ein
Gas oder Dampf verstanden. Der Durchfluß ist der Massenstrom
oder Volumenstrom des Fluids.
Das Fühlen von Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Durchflüssen
ist vielfach notwendig. Die Erfindung bezieht
sich dabei sowohl auf das Fühlen von Strömungsgeschwindigkeiten
in Rohren, Kanälen, Gewässern od. dergl.
als auch, wie bevorzugt vorgesehen, auf das Fühlen von
Durchflüssen von Fluiden durch Kanäle, Leitungen od.
dergl., insbesondere durch Rohre. Bei Strömungen vorgegebener
Querschnitte kann man aus der Strömungsgeschwindigkeit
den Durchfluß und umgekehrt ermitteln.
Der Durchfluß kann der Massenstrom oder ggfs. auch
der Volumenstrom des betreffenden Fluids sein.
Es sind sehr unterschiedliche Verfahren zur Ermittlung
von Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflüssen
von Fluiden bekannt. Bei einem bekannten Verfahren
dieser Art (DE-OS 26 39 729; s. hierzu auch die DE-OSn
29 34 565, 32 08 145, 29 34 566 und 32 20 170) wird
dem strömenden Fluid durch eine in ihm ortsfest
angeordnete Wärmequelle eine Temperaturerhöhung
gegeben, die von dessen Strömung mitgeführt
und deren Ankunft stromabwärts an einer vorbestimmten
Stelle mittels eines Temperaturfühlers erfaßt
wird. Die Strömungsgeschwindigkeit berechnet sich dann
aus der Länge der Strecke zwischen der Wärmequelle
und dem Temperaturfühler und der Zeitdauer, die dieser
erwärmte Fluidbereich von der Wärmequelle bis zum
Temperaturfühler benötigt.
Dieses Verfahren ist jedoch verhältnismäßig
ungenau, benötigt auch verhältnismäßig große
Mengen an Wärmeenergie und bedingt dadurch auch recht
erhebliche Eingriffe in das Fluid. Auch muß die Meßstrecke
von der Wärmequelle bis zum Temperaturfühler
relativ groß sein, was bauliche Nachteile mit sich
bringt, und es hat auch noch weitere Nachteile.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten
Art zu schaffen, das auf einfache Weise Strömungsgeschwindigkeiten
und/oder Durchflüsse von Fluiden in
weiten Geschwindigkeitsbereichen auch auf kurzer
Strecke des Fluids
recht genau fühlen, erforderlichenfalls auch zahlenmäßig
messen läßt, das sich ferner mit Einrichtungen
verhältnismäßig einfacher, kostengünstiger Bauarten durchführen
läßt und mit geringem Verbrauch an
thermischer Energie und mit geringen Auswirkungen
auf das strömende Fluid auskommen kann.
Für die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren
gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Eine erfindungsgemäße
Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist
in Anspruch 23 beschrieben.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit sehr geringem
Verbrauch an Wärmeenergie oder Kälteenergie (Kühlungsenergie)
durchführen und liefert dennoch recht genaue
Werte der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses
des betreffenden Fluids. Es läßt sich auch
über recht große Bereiche der Strömungsgeschwindigkeit bzw.
des Durchflusses anwenden und bedingt normalerweise
nur vernachlässigbare Auswirkungen auf das Fluid,
nämlich nur völlig unbedeutende Temperaturänderungen,
die praktisch fast Null sein können, und nur geringen
Strömungswiderstand oder je nach Anordnung und Ausbildung
der Sonde sogar gar keinen Strömungswiderstand oder
extrem geringen Strömungswiderstand. Auch benötigt es nur
sehr kurze Fluidstrecken.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ohne weiteres
so durchgeführt werden, daß es die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß in absoluten oder relativen
Zahlenwerten mißt. Es ist jedoch auch möglich, es
so durchzuführen, daß es der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. dem Durchfluß entsprechende Signale, bspw.
elektrische Signale liefert, deren Signalhöhe oder
sonstiger Signalinhalt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß ist und daß diese
Signale dann einer sie auswertenden oder weiterverarbeitenden
Einrichtung oder dergl., vorzugsweise
dem Multiplikator eines Wärmemengenzählers zugeleitet
werden, in welchem Multiplikator aus ihnen durch
Multiplikation mit einer Temperaturdifferenz von
Vorlauf- und Rücklauffluid (Wasser, Dampf oder
dergl.) einer Heizungs- oder Klimaanlage die jeweils
momentane Wärmeleistung oder Kälteleistung ermittelt
und die dann, über die Zeit integriert, bspw. die
während einer Heizperiode durch einen Heizkreis verbrauchte
Wärmemenge ergibt.
Besonders einfach ist es, vorzusehen, daß die Sonde
nur eine einzige Wärmequelle bzw. Kältequelle und/oder
nur einen einzigen Temperaturfühler zum Fühlen
der Sondentemperatur aufweist. Die Kältequelle kann
man auch als Wärmesenke bezeichnen.
Jedoch läßt sich in vielen Fällen die Genauigkeit
des Fühlens der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses noch dadurch erhöhen, daß
die Temperatur der Sonde an mindestens zwei im
Abstand voneinander angeordneten Stellen der Sonde
durch Temperaturfühler gefühlt und für die der Ermittlung
der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses
des Fluids dienende Sondentemperatur
ein Mittelwert der von den Temperaturfühlern
gefühlten Temperaturen verwendet wird. Zu demselben
Zweck kann die Sonde in manchen Fällen auch mehr
als eine einzige Wärme- bzw. Kältequelle für die
der Sonde für den Fühlvorgang der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses des Fluids
zuzuführenden bzw. aus ihr abzuführenden Wärme aufweisen.
Für den einzelnen Fühlvorgang der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses kann zweckmäßig von
einer vorbestimmten gefühlten Anfangstemperatur der Sonde
ausgegangen werden, bei der die für den Fühlvorgang erforderliche
Beheizung bzw. Kühlung der Sonde beginnt.
Diese vorbestimmte Anfangstemperatur
kann vorzugsweise der Temperatur des Fluids zu
Beginn des Fühlvorganges entsprechen. Dies macht
es jedoch nach jedem Fühlvorgang der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses erforderlich,
bis zur Durchführung des nächsten Fühlvorganges zumindest
so lange zuzuwarten, bis die gefühlte Temperatur
der Sonde sich wieder der Temperatur des Fluids
angeglichen hat. Wenn es erwünscht ist, in kürzeren
Zeitabständen Fühlvorgänge der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses vorzunehmen, kann
dies zweckmäßig auf die Weise vorgenommen werden,
daß zum Zeitpunkt des Beginns der Beheizung bzw.
Kühlung der Sonde für den einzelnen Fühlvorgang
die gefühlte Temperatur der Sonde von der Temperatur des
Fluids abweicht, vorzugsweise mit vorbestimmter Differenz,
bei deren Eintreten jeweils ein Fühlvorgang beginnt oder
die mit Hilfe von Heiz- oder Kühlleistung der Wärme- bzw.
Kältequelle zwischen zwei Fühlvorgängen geregelt werden
kann. Um im Gefolge jedes einzelnen Fühlvorganges der
Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses möglichst
rasche Angleichung der gefühlten Temperatur der Sonde
an die Fluidtemperatur zu erreichen, kann man die
Sonde zweckmäßig sehr klein mit geringer Wärmekapazität
bauen und sie ferner zweckmäßig innerhalb des Fluids
anordnen, so daß sie allseitig von dem Fluid umspült
ist mit Ausnahme des oder der Bereiche, an denen sie
mit Streben oder dgl. mit der sie tragenden Rohrwandung
oder einem sonstigen Träger verbunden ist.
Es ist jedoch auch möglich, die Sonde an oder in der
Wandung des Kanals, der Leitung oder des Rohres für
das Fluid so anzuordnen, daß sie mindestens eine
vom Fluid benetzte Fläche aufweist, die dann
allein oder im wesentlichen dem Wärmeaustausch
zwischen Sonde und Fluid dienen kann. Der restliche
Oberflächenbereich der Sonde kann dann vorzugsweise
gut wärmeisoliert sein. Durch eine solche Ausbildung
wird der Strömungswiderstand der Sonde besonders
gering oder, wenn sie bündig mit der betreffenden
Wand des Kanales, der Leitung des Rohres
oder dergl. für das Fluid verbunden ist, sogar
Null.
Ein einzelner Fühlvorgang zum Fühlen der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses benötigt bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren nur wenig Zeit. Diese kann
vorzugsweise weniger als eine Minute betragen, vorzugsweise
weniger als 30 Sekunden betragen. Bei räumlich
sehr kleinen Sonden geringer Wärmekapazität kann man
sogar mit nur einigen wenigen Sekunden Zeitdauer pro
Fühlvorgang oder sogar noch weniger rechnen. So ist es in
manchen Fällen bei räumlich sehr kleinen Sonden auch
möglich, daß der einzelne Fühlvorgang der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses sogar weniger
als eine Sekunde betragen kann, oft sogar weniger als
1/2 Sekunde.
Die Erfindung ist insbesondere für Fluida geeignet,
deren Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchfluß sich nicht
fortlaufend rasch ändert, sondern nur selten oder nur
langsam ändert, wie es bspw. bei den Wärmeträgerfluiden
bei Heizungsanlagen und/oder Klimaanlagen der Fall ist.
Die Erfindung kann jedoch auch zahlreiche andere Anwendungsgebiete
haben, bspw. die chemische Verfahrensindustrie,
kommunale Abwasseranlagen, Messungen in
Gewässern aller Art usw., wo es nicht auf kontinuierliches
Fühlen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses
ankommt, sondern sich periodisch oder zyklisch wiederholende
Fühlvorgänge oder Fühlvorgänge in sonstigen
Zeitabständen ausreichend sind. Auch eignet sich das
erfindungsgemäße Verfahren für Fluida mit sehr großen
Geschwindigkeitsbereichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich auch
dadurch aus, daß die Sonde keine mechanisch bewegten
Teile benötigt, betriebssicher ist und keinem Verschleiß
unterliegt. Auch läßt sie sich problemlos
verschmutzungsunempfindlich ausbilden, bspw. durch
Überziehen ihrer Oberfläche oder zumindest des oder
der Bereiche, die mit dem Fluid in Kontakt kommen,
mit einer schmutzabweisenden Beschichtung, oder von
Zeit zu Zeit reinigen. Das erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich nicht nur für reine Fluida sondern auch
für Unreinheiten enthaltende Fluida wie Heizungswasser
oder dergl., einsetzen.
Die Beheizung bzw. Kühlung der Sonde mit vorbestimmter
Dosierung der zuzuführenden oder zu entziehenden Wärme
bzw. mit vorbestimmter Heiz- oder Kühlleistung zwecks
Durchführung des einzelnen Fühlvorganges der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses des Fluids kann
auf unterschiedliche Weise erfolgen, vorzugsweise
elektrisch, in manchen Fällen aber auch nicht elektrisch
bspw. mittels eines Wärmeträgermediums. Die vorbestimmte
Dosierung kann im Zuführen bzw. Entziehen einer vorbestimmten,
konstanten oder von mindestens einer Variablen,
wie der Fluidtemperatur, abhängigen Wärmemenge während
des betreffenden Fühlvorganges bestehen. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Beheizung
bzw. Kühlung der Sonde für den einzelnen Fühlvorgang
durch kurzzeitige, impulsartige Zufuhr einer vorbestimmten
Wärmemenge oder kurzzeitigen, impulsartigen Entzug einer
vorbestimmten Wärmemenge erfolgt. Die Zufuhr bzw. der
Entzug der Wärme zur oder aus der Sonde kann insbesondere
mittels mindestens eines mit elektrischem Strom gespeisten
Heiz- oder Kühlelementes erfolgen, wie eines Heizdrahtes,
eines Peltierelementes
oder dergl., und die Zufuhr bzw. Abfuhr der durch dieses
Element zu erzeugenden bzw. abzuführenden Wärmemenge kann
dann vorzugsweise durch kurzzeitiges Einschalten einer
elektrischen Strom- oder Spannungsquelle erfolgen. Diese
Strom- oder Spannungsquelle kann eine Konstantstromquelle
oder eine Spannungsquelle konstanter Spannung oder auch
alternierender Spannung sein. Auch kann der dieses
wärmezuführende oder wärmeentziehende, elektrisch
gespeiste Element beaufschlagende Strom durch die Entladung
eines vorher auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladenen
Kondesators erfolgen, so daß dieses Element durch
eine vorbestimmte elektrische Energiemenge zur
impulsartigen Zufuhr einer vorbestimmten Wärmemenge
oder impulsartigem Entzug einer vorbestimmten Wärmemenge
in die Sonde bzw. aus der Sonde beaufschlagbar ist.
Die vorbestimmte Wärmemenge oder, falls die mindestens
eine Wärme- bzw. Kältequelle der Sonde mit vorbestimmter
Heiz- bzw. Kühlleistung Wärme zuführt oder entzieht,
diese Heiz- bzw. Kühlleistung kann vorzugsweise konstant,
oder in manchen Fällen auch zweckmäßig abhängig von
mindestens einer Variablen, vorzugsweise von der Fluidtemperatur
sein, bspw. zum Kompensieren des Einflusses
der Fluidtemperatur.
Ferner sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens vor, daß die Beheizung bzw.
Kühlung der Sonde für den einzelnen Fühlvorgang mittels
eines vorbestimmten zeitlichen Verlaufs der ihrer Beheizung
bzw. Kühlung dienenden Heizleistung bzw.
Kühlleistung (Kälteleistung) ihrer mindestens einen
Wärme- bzw. Kältequelle erfolgt, vorzugsweise mit
konstanter Heiz- oder Kühlleistung. Die Zufuhr bzw. der Entzug
von Wärme in die bzw. aus der Sonde während des einzelnen Fühlvorganges
kann mittels geeigneter Schalt-, Steuer- bzw. Regelmittel
in der jeweils vorgesehenen Dosierung bzw. mit der jeweils vorgesehenen
Heiz- oder Kühlleistung erfolgen.
Die Beheizung bzw. Kühlung der Sonde kann für den einzelnen
Fühlvorgang für eine vorbestimmte Zeitdauer
durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, die
Beheizung bzw. Kühlung der Sonde mit variabler Zeitdauer
durchzuführen. So kann bspw. in vielen Fällen
zweckmäßig vorgesehen sein, daß bei der Durchführung
eines Fühlvorganges der Strömungsgeschwindigkeit bzw.
des Durchflusses die Sonde mit vorbestimmter Heizleistung
bzw. Kühlleistung so lange beheizt bzw. gekühlt wird, bis
die Sondentemperatur um einen vorbestimmten Betrag
geändert ist und daß dann die Kühlung bzw. Beheizung
der Sonde bis zur Durchführung des nächsten Fühlvorganges
abgeschaltet wird.
Die Auswertung des während des einzelnen Fühlvorganges
durch die Beheizung bzw. Kühlung der Sonde auftretenden
Sondentemperaturverlaufes für die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses kann bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren auf irgendeine geeignete Weise
erfolgen. Damit nach Beginn eines Fühlvorganges nach besonders
kurzer Zeit schon auf die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß des Fluids geschlossen werden
kann, kann man vorsehen, daß auf die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß aus dem noch während
der Beheizung bzw. Kühlung der Sonde oder gegen Ende
der Beheizung bzw. Kühlung stattfindenden Sondentemperaturverlauf
geschlossen wird. Die Genauigkeit des Fühlens
der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses kann jedoch
in vielen Fällen noch dadurch weiter erhöht werden,
indem man vorsieht, daß bei dem einzelnen Fühlvorgang
auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluß
des Fluids aus dem nach Beendigung der Beheizung bzw.
Kühlung der Sonde stattfindenden Sondentemperaturverlauf
oder sowohl aus dem während der Beheizung oder Kühlung
als auch dem anschließenden instationären Sondentemperaturverlauf
geschlossen wird. Dies ist auch dann zweckmäßig,
wenn die Beheizung bzw. die Kühlung der Sonde nur sehr
kurzzeitig impulsartig erfolgt.
Aus dem Sondentemperaturverlauf kann auf unterschiedliche
Weise auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den
Durchfluß des Fluids geschlossen werden, vorzugsweise
anhand eines Kennlinienfeldes des Sondentemperaturverlaufes,
das als mindestens einen Parameter die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß hat und ggfs. noch
weitere Parameter aufweisen kann, wie die Fluidtemperatur
und dergl., soweit dies erforderlich oder zweckmäßig
ist. Auch Einsatz einer einzigen Kennlinie ist oft
vorteilhaft.
Besonders zweckmäßig ist es, bei einem einzelnen Fühlvorgang
nur aus wenigen Daten, vorzugsweise nur
aus ein oder zwei Daten des Sondentemperaturverlaufes
auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluß
des Fluids zu schließen. Vorzugsweise können
dies bei zwei Daten eine Temperaturdifferenz und die
zu ihrem Durchlaufen benötigte Zeitdauer und bei einem
einzigen Datum die max. Temperaturdifferenz des Sondentemperaturverlaufs
während des jeweiligen Fühlvorganges
sein.
Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Einige bevorzugte Ausführungsformen, die mit einer
Temperaturdifferenzmessung und einer Zeitmessung auskommen,
sind in den Ansprüchen 13, 14 und 16 beschrieben. Man
kann sogar für einen einzelnen Fühlvorgang aus einer
reinen Temperaturmessung ohne Zeitmessung,
nämlich der während des betreffenden Fühlvorganges
auftretenden maximalen Veränderung
der Sondentemperatur auf die
Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluß des Fluids
schließen und benötigt bei dieser Weiterbildung des Verfahrens
also nicht einmal eine Zeitmessung.
Es gibt auch noch andere Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, die aus dem Sondentemperaturverlauf
während eines einzelnen Fühlvorganges auf die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß schließen lassen und erwünschtenfalls
auch zahlenmäßige Meßergebnisse liefern können.
So kann gemäß einer Weiterbildung dieser Art vorgesehen
sein, daß eine vorbestimmte Zeitdauer nach Beginn
der Beheizung bzw. Kühlung der Sonde für den betreffenden
Fühlvorgang der am Ende dieser Zeitdauer herrschende
Temperaturgradient dT/dt, wo T die Sondentemperatur
und t die Zeit ist, erfaßt und aus diesem Temperaturgradienten
auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den
Durchfluß des Fluids geschlossen wird. Dabei kann man
auch vorsehen, anstatt dem Differentialquotienten dT/dt
einen Gradienten Δ T/Δ t zu wählen, wo Δ T eine geringe
Temperaturdifferenz des Sondentemperaturverlaufes und
Δ t die zum Durchlaufen von Δ T verstrichene Zeitspanne
ist. Anstatt dieser ersten zeitlichen Ableitung
dT/dt bzw. Δ T/Δ t kann auch eine höhere zeitliche
Ableitung, vorzugsweise d 2 T/dt 2, in manchen Fällen
zur Identifizierung des momentanen zeitlichen Sondentemperaturverlaufes
und damit von dessen Parameter
v bzw. D vorgesehen werden.
Anstatt während eines Fühlvorganges nur einmal die
Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluß zu ermitteln,
kann auch die Maßnahme nach Anspruch 12
vorgesehen sein, welche die Genauigkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens noch weiter zu erhöhen gestattet
durch Verringerung der Streuung und der Auswirkungen
von Meßfehlern.
Es sei noch erwähnt, daß das erfindungsgemäße Verfahren
sich besonders gut auch dazu eignet, daß es zum in
vorbestimmten Zeitabständen Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses eines Fluids
dient, dessen Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchfluß
zu steuern oder zu regeln ist oder aus
sonstigen Gründen, vorzugsweise für Wärmemengenzählung
zu ermitteln ist.
Es sei noch erläutert, daß unter dem Ausdruck "Kältequelle"
verstanden ist, daß sie durch mindestens ein
diese Kältequelle bildendes Element oder dergl.,
z. B. ein Peltierelement, gebildet ist, das der Sonde
Wärme entziehen kann.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Einrichtung
zum Fühlen der Strömungsgeschwindigkeit bzw.
des Durchflusses eines in einem Rohr strömenden
Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
Fig. 2 die Sonde der Einrichtung nach Fig. 1 in Ansicht
des Pfeiles A der Fig. 1 in vergrößerter
Darstellung,
Fig. 3 eine Sonde in geschnittener Darstellung gemäß
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4 bis 7 je ein Diagramm zur Erläuterung möglicher
Arbeitsweisen der Einrichtung nach Fig. 1,
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmemengenzählers,
der unter Einsatz einer Einrichtung
zur Durchflußmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung arbeitet,
Fig. 9 und 10 Sondenanordnungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen
der Erfindung,
Fig. 11, 12 je eine Sonde gemäß weiteren Ausführungsbeispielen
der Erfindung in geschnittener Darstellung,
Fig. 13 eine Vorrichtung zum Beheizen der Sonde und
Fühlen der Sondentemperatur gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 14 ein weiteres Diagramm einer möglichen Arbeitsweise
der Einrichtung nach Fig. 1,
Fig. 15, 16 und 17 je eine Sonde gemäß weiteren Ausführungsbeispielen
der Erfindung in geschnittenen Seitenansichten,
Fig. 18 und 19 je einen Schnitt durch die Sonde nach Fig. 16 bzw. 17
gesehen entlang der Schnittlinie 18-18, bzw. 19-19.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Einrichtung 11 zum
Fühlen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses
eines in einem Rohr 10 strömenden Fluids bei dem es
sich vorzugsweise um Flüssigkeit, aber ggfs. auch um Gas
oder Dampf handeln kann, weist eine Sonde 15 auf, die an
einer schmalen, stromlinienförmigen, ggf. wärmeisolierenden
Strebe 14 fest angeordnet ist, die an der Wandung des Rohres 10 fest
angeordnet ist. Die Sonde 15 weist einen einstückigen, massiven,
ungefähr kreiszylindrischen Körper 13 aus einem
Werkstoff mit vorzugsweise niedriger Wärmeleitzahl, wie
Wärme schwach leitenden Kunststoff, Keramik oder dergl.,
auf, in den eine Wärmequelle 16 und ein Temperaturfühler
17 im Abstand von bspw. einigen Millimetern voneinander
eingebettet sind. Diese Sonde 15 kann sehr klein
sein, bspw. einen Durchmesser von 0,5 bis 2 cm haben, jedoch
auch noch kleiner oder noch größer sein. In vielen
Fällen kann sie vorteilhaft auch stromlinienförmig gestaltet
sein oder auch sonstige andere Gestalt aufweisen.
Die tragende Strebe 14 hat geringen Strömungswiderstand.
Auch der Strömungswiderstand der Sonde 15 ist schon wegen
ihrer Kleinheit nur gering. Ihre Länge kann bspw.
0,5 bis 3 cm oder auch mehr oder noch weniger betragen.
Die Wärmequelle 16, die also eine Energiequelle für
Wärme ist, kann vorzugsweise ein körperlich sehr kleiner
elektrischer Heizwiderstand oder eine andere elektrisch
beheizbare Wärmequelle sein, die genau definierbar Wärme
abgeben kann. Ihre elektrische Leistung braucht nur gering
zu sein und kann vorzugsweise ein oder mehrere Watt oder
auch weniger oder mehr betragen. Der Temperaturfühler 17
kann vorzugsweise ein temperaturabhängiger, elektrischer
Widerstand, vorzugsweise ein NTC- oder PTC-Element, eine aktive
integrierte temperaturempfindliche Halbleiterschaltung oder dergl.,
von vorzugsweise ebenfalls sehr kleiner räumlicher Gestalt sein.
Diese Wärmequelle 16 leitet die gesamte, von ihr erzeugte Wärme
in die Sonde 15 ein.
Die Wärmequelle 16 dient dazu, eine der Sonde 15 zur
Durchführung eines jeweiligen Fühlvorganges der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses in vorbestimmter
Dosierung und/oder mit vorbestimmter Heizleistung Wärme
zuzuführen. Falls erwünscht, kann die Sonde auch mehr als
eine Wärmequelle aufweisen.
Anstatt der Wärmequelle 16, die also in eingeschaltetem
Zustand Temperaturen erzeugt, die über der Temperatur
des im Rohr 10 in Pfeilrichtung strömenden Fluids liegen,
kann in vielen Fällen vorteilhaft auch mindestens eine
Kältequelle, d. h. mindestens eine "Wärmesenke", innerhalb
der Sonde 15 angeordnet sein und ihr bei dem einzelnen
Fühlvorgang in vorbestimmter Dosierung und/oder mit vorbestimmbarer
Kühlleistung Wärme entziehen, also in ihr
Kälte erzeugen. Bei der weiteren Beschreibung wird die
Komponente 16 als Wärmequelle angenommen, obwohl, wie
dargelegt, die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
Die Wärmequelle 16 ist über einen Ein- und Aus-Schalter
20 an eine Spannungsquelle 23 konstanter Spannung, hier
an eine Gleichstromquelle angeschlossen, die also durch
Schließen des Schalters 20 die Wärmequelle 16 mit Strom
konstanter Spannung speist, so daß die Heiz- oder Wärmeleistung
dieser Wärmequelle 16 bei geschlossenem Schalter
20 konstant ist, wobei angenommen ist, daß der elektrische
Widerstand der Quelle 16 temperaturunabhängig ist. In
manchen Fällen kann auch vorgesehen sein, die Wärmeleistung
der Wärmequelle bzw. ihren Energieverbrauch zeitlich in
vorbestimmter Weise zu ändern, bspw. gemäß einem Zeitprogramm
stetig zu erhöhen und/oder zu erniedrigen,
um die instationären Sondentemperaturverläufen
entsprechenden Temperaturkurven (30-32), wie sie in den
Diagrammen nach den Fig. 4 und 5 an einem Ausführungsbeispiel
dargestellt sind, in irgendeiner gewünschten
Weise zu beeinflussen, bspw. im Anstieg zu linearisieren
oder als Stromquelle eine Wechselstromquelle vorzusehen.
Oder es kann oft zweckmäßig auch vorgesehen sein, die
Wärmequelle 16 für jeden einzelnen Fühlvorgang der
Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses des
Fluids impulsartig mit einer vorbestimmten elektrischen
Energiemenge zu speisen zur impulsartigen Abgabe einer
entsprechenden Wärmemenge in die Sonde 15, was bspw.
durch rasches Entladen eines vorher auf eine vorbestimmte
konstante Spannung aufgeladenen Kondensators erfolgen kann.
Anstelle der Spannungsquelle 23 konstanter Spannung kann
oft mit Vorteil auch eine Stromquelle vorgesehen sein, die
auf Lieferung konstanter elektrischer Leistung gesteuert
oder geregelt wird, um eine eventuelle Temperaturabhängigkeit
des elektrischen Widerstandes der Wärmequelle 16
zu kompensieren, oder die Wärmequelle 16 weist eine
Steuerung oder Regelung für ihre Heizleistung auf. Die
vom Temperaturfühler 17 gefühlte Eigentemperatur der
Sonde sei mit T a und die von einem Temperaturfühler 24
gefühlte Fluidtemperatur mit T f bezeichnet. Die auf
die momentane Fluidtemperatur bezogene Sondentemperatur
T s ist dann T s =T a -T f . Die Sonde 15 erzeugt, wenn der
Schalter 20 geschlossen wird,
zusammen mit dem Temperaturfühler 24 die Sondentemperaturverläufe
T s , deren Parameter die Strömungsgeschwindigkeit
v bzw. der Durchfluß D des Fluids im
bzw. durch das Rohr 10 hindurch ist, d. h., daß jedem
solchen Sondentemperaturverlauf ein bestimmter, konstanter
Wert für v bzw. D zugordnet ist.
In den Diagrammen nach Fig. 4, 5 und 7 sind Kennlinienfelder
T s = f (t x ) mit dem Parameter v bzw. D dargestellt,
wobei in jedem Diagramm jeweils drei unterschiedliche,
instationäre Sondentemperaturverläufe als Kurven 30, 31,
32 bzw. 30′, 31′, 32′ eingezeichnet sind, deren Parameter
v bzw. D beispielsweise im Verhältnis von 1 : 2 : 3
zueinander stehen. Diese Kurven wurden an einem Versuchsmodell
experimentell aufgenommen. Die Kurve 30 ist die
des kleinsten konstanten Wertes für v bzw. D und die
Kurve 32 entsprechend die des höchsten konstanten Wertes
für v bzw. D. Es können natürlich noch wesentlich mehr
solche instationäre Sondentemperaturverläufe mit anderen
pro Kurve konstanten Werten für die Parameter v bzw. D
aufgenommen werden, bspw. auch für noch höhere und noch
kleinere Werte von v bzw. D, und man kann zwischen benachbarten
Kurven noch interpolieren, so daß man aus
jedem solchen Kennlinienfeld für eine bestimmte Einrichtung
zum diskontinuierlichen Fühlen von v bzw. D für
jedes während eines einzelnen solchen Fühlvorganges
ermittelte Wertepaar T s , t x aus der instationären Sondentemperaturverlaufskurve,
auf der dieses Wertepaar als
Punkt liegt, die bei diesem Fühlvorgang vorliegende
momentane Strömungsgeschwindigkeit v bzw. den momentanen
Durchfluß D ersehen kann, gleichgültig an welcher Stelle
dieser Kurve das betreffende Wertepaar liegt.
Dabei ist die momentane Sondentemperatur T s auf die momentane, vom
Fühler 24 gefühlte Fluidtemperatur T f bezogen, indem die Differenz
T a -T f in einem Glied 41 ununterbrochen gebildet wird.
Bspw. liegt bei dem Diagramm nach Fig. 4 das Wertepaar
T 21,t b auf der Kurve 30, so daß dann bei diesem Fühlvorgang
der dieses Wertepaar erbrachte, der momentane
Wert v bzw. D des Fluids der Größe dieses Parameters
v bzw. D der Kurve 30 entspricht.
Gegebenenfalls können die Sondentemperaturverläufe noch
mindestens einen weiteren Parameter berücksichtigen und
das entsprechende Kennlinienfeld entsprechend Kennlinienscharen
mit mehreren Parametern aufweisen. Bspw. kann
ein weiterer Parameter die Art des Fluids (wenn unterschiedliche
Fluida oder Fluida unterschiedlichen Drucks
oder dergl. das Rohr 10 durchströmen) oder die von dem
Temperaturfühler 24 stromaufwärts der Sonde 15 gefühlte
Temperatur des Fluids sein, falls die Temperatur des
Fluids als Parameter mit zu berücksichtigen ist.
Die Einrichtung nach Fig. 1 ist ohne weiteres geeignet für
Fluida deren Temperatur T f sich während des nur jeweils
kurzen Fühlvorganges nicht oder nicht störend ändert.
Oder es kann bspw. bei Wärmemengenmessungen vorgesehen
sein, Fühlvorgänge abzubrechen oder ihre Auswertung zu
negieren, bei denen sich die Fluidtemperatur störend
ändert bzw. geändert hat. Oder man kann die Änderung der
Fluidtemperatur in ihrer Auswirkung auf v bzw. D bei
der Auswertung kompensieren oder rechnerisch berücksichtigen
usw. Auch andere Möglichkeiten bestehen.
Anstatt eines solchen Wertepaares T s , t x können auch
mehrere oder beliebig viele solcher Wertepaare des
während jeweils eines Fühlvorganges stattfindenden
Sondentemperaturverlaufes für die Ermittlung des
ihm zugeordneten Wertes von v bzw. D ausgewertet
werden. Es kann oft auch zweckmäßig vorgesehen sein,
daß jeweils mindestens ein Bereich, d. h. mindestens
ein Abschnitt oder der gesamte Bereich des für
den betreffenden Fühlvorgang durch Beheizung bzw.
Kühlung der Sonde bewirkten Sondentemperaturverlaufes
auf v bzw. D ausgewertet wird. Es besteht u. a. auch
die Möglichkeit, den gesamten, für einen Fühlvorgang
durch Beheizung oder Kühlung der Sonde bewirkten
Sondentemperaturverlauf durch eine Vielzahl seiner
Stellen digital abzuspeichern und danach oder später
auf die ihm zugrundeliegenden Werte von v bzw. D
auszuwerten, also bspw. den Sondentemperaturverlauf
beginnend mit t e bis zum Wiedereintritt von T S ≈0
reichend auszuwerten.
Der Schalter 20 wird durch eine Zeitschaltvorrichtung 21
geöffnet und geschlossen. Es kann bspw. in konstanten
Zeitabständen oder in durch einen Zufallsgenerator bestimmten
variablen Zeitabständen geschlossen und dann
jeweils nach einer vorbestimmten Zeitdauer wieder geöffnet
werden. Im Falle des Einsatzes einer solchen Einrichtung
bei Wärmemengenzählungen kann ein solcher Zufallsgenerator
evtl. Manipulationen der Wärmemengenzählung
sicher verhindern.
Der Zeitpunkt des Schließens des Schalters 20 ist in den
Diagrammen nach den Fig. 4 bis 7 jeweils mit t e bezeichnet. t e kann
für den einzelnen Fühlvorgang zu Null angesetzt werden.
Die Zeitdauer zwischen zwei Fühlvorgängen kann dabei
im allgemeinen zweckmäßig zumindest so groß getroffen
werden, daß beim jedesmaligen Schließen des Schalters
20 die Sonde 15 die Temperatur des Fluids durchgehend
einschließlich ihres Temperaturfühlers 17 und ihrer Wärmequelle
16 angenommen hat. Es ist jedoch auch möglich, die
Messung von einem anderen Temperaturniveau der Sonde 15
aus vorzunehmen und die Temperaturdifferenz zur Fluidtemperatur
evtl. auch als Parameter der Sondentemperaturverläufe
des betreffenden Kennlinienfeldes mit einzuführen.
Da jedoch die Wärmekapazität der Sonde 15 sehr
klein gehalten werden kann, kann sie entsprechend rasch
nach jedem einzelnen Fühlvorgang des Durchflusses bzw.
der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sich wieder auf
die Fluidtemperatur abkühlen, und es ist deshalb im
allgemeinen ausreichend und zweckmäßig, den Schalter 20
zur Durchführung eines Fühlvorganges mittels der Zeitschaltvorrichtung
21 immer erst dann einzuschalten, wenn
die Temperatur der Sonde 15 der vom Temperaturfühler 24
gefühlten Fluidtemperatur entspricht.
Die Zeitschaltvorrichtung 21 kann vorzugsweise so ausgebildet
sein, daß sie den Schalter 20 jeweils für eine vorbestimmte,
konstante, ggfs. einstellbare Zeitdauer schließt.
Diese Zeitdauer kann bei geringer Baugröße der Sonde 15
klein sein, vorzugsweise weniger als eine Minute, vorzugsweise
in der Größenordnung von Sekunden oder oft
sogar unter einer Sekunde liegen.
Bei Einsatz der Einrichtung nach der Fig. 1 für Wärmemengenzählungen
bei Heizungsanlagen kann der zeitliche
Abstand aufeinanderfolgender Fühlvorgänge bspw. 10 bis
30 Minuten betragen oder auch noch länger oder kürzer
sein. Die Zeitabstände können aber brauchen nicht konstant
zu sein. Bspw. können sie auch vom Auftreten von Änderungen
der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses
abhängig gemacht werden, wodurch noch weitere erhebliche
Verringerung der Wärme- oder Kühlungsenergie erreicht
werden kann, die zum Betrieb der Wärme- bzw. Kältequelle
16 der Sonde 15 erforderlich ist.
Im Gefolge jedes Schließens des Schalters 20 erzeugt die
Zeitschaltvorrichtung zum Zeitpunkt t a , also nach der vorbestimmten
Zeitdauer t a - t e (Fig. 4, 5) ein den Schalter
20 wieder öffnendes Schaltsignal. Im weiteren wird
das Diagramm nach Fig. 4 noch näher erläutert. Die Zeitschaltvorrichtung
21 erzeugt für einen Fühlvorgang nach
einer vorbestimmten, ab dem Zeitpunkt t e abgemessenen
Zeitdauer, bspw. zum Zeitpunkt t b , ein Ausgangssignal,
das über die Leitung 40 einem Temperaturdifferenzglied
41 ausgedrückt wird, und bei Auftreten dieses Ausgangssignales
wird dann die in diesem Temperaturdifferenzglied
41 momentan ermittelte Temperaturdifferenz zwischen
der vom Fühler 17 gefühlten Temperatur T a und der
vom Fühler 24 gefühlten Fluidtemperatur T f , also
die Differenz T s =T a -T f , in einen Speicher 41′ eingelesen
und hier bis auf weiteres gespeichert. Dabei wird vorausgesetzt,
daß die Zeitdauer t b - t e so kurz ist, daß sich
die Fluidtemperatur nicht oder nur so wenig geändert
hat, daß der hierdurch mögliche Meßfehler in Kauf genommen
werden kann. Falls nicht, könnte bspw. der betreffende
Fühlvorgang für ungültig erklärt und wiederholt werden. Bei
Wärmemengenzählern können sich solche Meßfehler infolge der vielen
Messungen auch gegeneinander aufheben. Die im Speicher 41′ nunmehr gespeicherte
Temperaturdifferenz wird sofort anschließend, ebenfalls
gesteuert von der Zeitschaltvorrichtung 21, in
einen Rechner 42 eingegeben. Ferner ist ein Speicher 43
für das Kennlinienfeld, bspw. gemäß Fig. 4, vorhanden,
und der Rechner 42 berechnet dann im Gefolge jeder Eingabe
einer Temperaturdifferenz T a -T f mit Hilfe der
Speicherdaten des Speichers 43 die momentane Strömungsgeschwindigkeit
v bzw. den Durchfluß D des Fluids und
liest diesen berechneten Wert in einen Speicher 43′ ein,
wo er für weitere Verwertung gespeichert oder durch ein
mit dem Speicher verbundenes Anzeigegerät 44 angezeigt
werden kann. Der Durchfluß kann bspw. als Massenstrom
oder Volumenstrom des Fluids zahlenmäßig angezeigt
werden. Desgleichen kann die Strömungsgeschwindigkeit
zahlenmäßig angezeigt werden. Oder der Speicher 43′ kann an ein
die gespeicherte Strömungsgeschwindigkeit bwz. den gespeicherten
Durchfluß weiterverarbeitendes Gerät angeschlossen
sein, bspw. an das in Fig. 8 dargestellte Multiplikationsglied
45 eines Wärmemengenzählers. Sobald der gespeicherte
Wert nicht mehr benötigt wird, kann er gelöscht werden.
Wie man aus dem Diagramm nach Fig. 4 gut ersehen kann,
sind die Abstände zwischen den dargestellten Kurven 30, 31,
32 an ihren Maxima am größten. Die Maxima fallen ungefähr
mit dem Öffnungszeitpunkt t a des Schalters 20 zusammen.
Deshalb beginnen die Kurven etwa ab dem Zeitpunkt t a wieder
abzufallen, nachdem sie vorher, beginnend mit dem Zeitpunkt
t e und bei dem der Fluidtemperatur T f entsprechenden
Wert für T a mit Schließen des Schalters 20 durch
Einschalten der Wärmequelle 16 mit konstanter Heizleistung
in Abhängigkeit von v bzw. D unterschiedlich rasch
anstiegen, da die Sonde 15 vom Fluid umso stärker gekühlt
wird, je höher die Werte v und D des Fluids sind.
Man kann also die der Sondentemperatur T s entsprechende
Temperaturdifferenz T a -T f , die bei jedem Fühlvorgang
eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Schließen des
Schalters 20 vorliegt und im Speicher 41′
bis zu ihrem Auslesen in den Rechner 42 gespeichert wird,
zweckmäßig stets zum Zeitpunkt t a ermitteln, also nach
einer Zeitdauer t a -t e nach Schließen des Schalters 20.
Oder man kann, falls erwünscht, auch einen anderen Zeitpunkt
zur Ermittlung der jeweiligen Temperaturdifferenz
T a -T f wählen, bspw. den in Fig. 4 eingezeichneten Zeitpunkt
t b , der noch zeitlich vor den Maxima der Kurven
30-32 liegt, oder auch zu einem erst zeitlich nach Wiederöffnen
des Schalters 20 liegenden Zeitpunkt, bspw.
zum Zeitpunkt t c , der also auf den absteigenden Ästen
der Kurven 30-32 liegt. Die Zeitpunkte t c , t a , t b ergeben
also jeweils vom Zeitpunkt t e =0 aus gerechnete Zeitspannen.
Zum Zeitpunkt t a weisen die drei Kurven 30-32 die Sondentemperaturen
T 11, T 12 bzw. T 13 auf. Wenn also z. B.
zum Zeitpunkt t a der Fühler 17 die Sondentemperatur T 12
fühlt, dann ermittelt der Rechner aus diesem Kennlinienfeld,
da v bzw. D den betreffenden Wert des Parameters v bzw. D
der Kurve 31 hat. Wenn man für die Ermittlung der im
Glied 41′ kurzzeitig zu speichernden Temperaturdifferenz
den Zeitpunkt t b zugrunde legt, dann ergeben die
zu diesem Zeitpunkt gemessenen Sondentemperaturen T 21
bzw. T 22 bzw. T 23 als v bzw. D die betreffenden Parameter
der Kurven 30-32 ebenfalls. Wenn bspw. angenommen
wird, daß der Parameter v für die Kurve 30 gleich
1 m/sec, für die Kurve 31 gleich 2 m/sec und für die
Kurve 32 gleich 3 m/sec beträgt, dann beträgt zum Zeitpunkt
t b bei der gemessenen Temperatur T 21 die Strömungsgeschwindigkeit
1 m/sec, bei T 22 gleich 2 m/sec und
bei T 23 gleich 3 m/sec. Dieselben Werte für v und D
ergeben sich aus diesen Kurven 30-32 auch zum Zeitpunkt
t c , wenn bei ihm die gefühlten Sondentemperaturen T 31 bzw.
T 32 bzw. T 33 betragen. Man kann natürlich auch andere geeignete
Zeitpunkte t x für das Messen der Sondentemperaturen
zwecks Eingabe in das Temperaturdifferenzglied 41 vorsehen.
Desgleichen kann man bei dieser Auswertung des jeweiligen
Sondentemperaturverlaufes vorsehen, die Temperaturfühler 17, 24
immer nur zum betreffenden Zeitpunkt, wie z. B. t a , für kurze
Zeit zur Durchführung der Temperaturmessung einzuschalten.
Die Kurven 30-32 des Diagramms nach Fig. 4 sind auch
in dem Diagramm nach Fig. 5 eingezeichnet und dieses
Diagramm zeigt eine andere Auswertemöglichkeit dieser
Sondentemperaturverläufe 30-32 und der sonstigen,
nicht eingezeichneten Sondentemperaturverläufe. Der
Nullpunkt des Koordinatensystems nach Fig. 5 ist, wie
im Falle der Fig. 4, wieder durch die Fluidtemperatur
ratur T f und den Einschaltzeitpunkt t e des Schalters 20
bestimmt. t e kann dabei jeweils zweckmäßig als 0 angesetzt
werden. Und zwar ist in diesem Diagramm nach Fig. 5
vorgesehen, daß beim Erreichen der Sondentemperatur T 1
entweder vor dem Zeitpunkt t a oder nach dem Zeitpunkt t a
die jeweils seit dem Zeitpunkt t e verstrichene Zeitdauer
gemessen wird. Beträgt diese Zeitdauer t 1 bzw. t 4,
dann liegt als Strömungsgeschwindigkeit v bzw. Durchfluß D
des Fluids der betreffende Parameter v bzw. D der Kurve 30 vor.
Für die Zeitpunkte t 2 und t 5 entspricht v bzw. D dem
betreffenden Parameter der Kurve 31 und für die Zeitpunkte
t 3 bzw. t 6 für v und D die Parameter der Kurve 32.
In obigem Zahlenbeispiel wäre v also wieder 1 m/sec für t 1
und t 4; 2 m/sec für t 2 und t 5 und 3 m/sec für t 3 und t 6.
Für die Zeitmessung kann direkte Messung der Zeit oder
die Messung einer von ihr abhängigen Größe vorgesehen werden.
Man kann dabei auch vorsehen, wenn die Zeitmessung vor
t a liegt, den Schalter 20 bereits wieder zu öffnen, sobald
die betreffende Temperatur T 1 erreicht ist, so daß
dann die strichpunktiert angedeuteten, absteigenden
Sondentemperaturäste entstehen, und man könnte dann
auch vorsehen, bei einer vorbestimmten niedrigeren
Sondentemperatur, bspw. der eingezeichneten Temperatur
T 2, die bis zum Erreichen dieser Sondentemperatur T 2
seit t e verstrichene Zeitdauer zu messen und aus dieser
Zeitdauer auf die momentane Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den mometanen Durchfluß D zu schließen als
Parameter der betreffenden Kurven.
Man erkennt ferner aus den Diagrammen nach den Fig. 4
und 5, daß die Temperaturgradienten der Kurven 30-32
innerhalb eines großen Zeitbereiches für einen vorbestimmten
Zeitpunkt nach t e , z. B. t d oder für eine vorbestimmte
Sondentemperatur unterschiedlich groß sind, so
daß man also auch aus diesen Temperaturgradienten
dT s /dt x bzw. Δ T s /Δ t x (ein solches Δ T s /Δ t x ist für die
Kurve 30 an einer Stelle in Fig. 4 eingezeichnet) den
jeweiligen Sondentemperaturverlauf erkennt und damit
den momentanen Wert v bzw. D des Fluids. Wenn man mit
einer einzigen vorbestimmten Sondentemperatur, bspw.
der Sondentemperatur T 1 nach dem Diagramm nach Fig. 5
arbeiten will, dann kann man für die Ermittlung von v
bzw. D eine einzige Kennlinie 33 vorsehen, wie es das
Diagramm nach Fig. 6 zeigt. In diesem Diagramm ist die
Abszisse weiterhin t x , jedoch die Ordinate v bzw. D und
die dargestellte Kurve 33 ergibt den Zusammenhang zwischen
t x und v bzw. D, wie man ohne weiteres ersieht, wobei
die Zeitpunkte t 1, t 2 und t 3 des Diagramms nach Fig. 5
eingezeichnet sind. Man braucht dann im Speicher 43
(Fig. 1) nur diese Kennlinie 33 zu speichern.
Das Diagramm nach Fig. 7 unterscheidet sich von denen
nach den Fig. 4 und 5 dadurch, daß die dargestellten
Sondentemperaturverläufe 30′, 31′ und 32′ nicht durch
Beheizen der Sonde mit relativ geringer Heizleistung
bis ungefähr zu den Maxima der dargestellten Kurven erfolgte,
sondern daß die Wärmequelle 16 in die Sonde
nur einen sehr kurzzeitigen Wärmestoß einer vorbestimmten
Wärmemenge schickte. Bspw. kann dies mit konstanter
Heizleistung erfolgt sein, wobei zum Zeitpunkt
t e der Schalter 20 geschlossen und schon wieder zum
sehr frühen Zeitpunkt t a bspw. nach einer Sekunde wieder
geöffnet wurde. Die zugeführte Heizleistung ist dabei
hoch. Jedoch wirkt sie sich an dem Fühler 17 erst
zeitlich verzögert aus. Diese Heizleistung geht ebenfalls
als Wärme z. T. in das Fluid und z. T. zum Fühler 17,
wobei wiederum die Kurven 30′-32′ um so rascher ansteigen,
je niedriger die Strömungsgeschwindigkeit bzw.
die Durchflußmenge wegen der dann schlechteren Kühlung
der Sonde 15 durch das Fluid ist. In diesem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 7 liegt bei den Maxima T 4, T 5 und T 6 starke
Temperaturspreizung vor und diese Maxima brauchen
nicht genau zum gleichen Zeitpunkt aufzutreten.
Jedoch ist das jeweilige Maximum abhängig von v bzw. D,
so daß bei dem Diagramm nach Fig. 7 es genügt, nur die
Temperaturmaxima der Kurven 30′-32′ und evtl. weiterer,
nicht dargestellter derartiger Kurven zu ermitteln, und
aus dem jeweiligen Maximalwert kann dann auf die momentane
Strömungsgeschwindigkeit v bzw. den momentanen
Durchfluß D ebenfalls mit guter Genauigkeit geschlossen
werden. Bspw. kann wieder T 4 einer Strömungsgeschwindigkeit des
Fluids von 1 m/sec, T 5 von 2 m/sec und T 6 von 3 m/sec entsprechen.
Erfindungsgemäße Fühleinrichtungen können vielfältige
Anwendungen haben. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet
sind Wärmemengenzähler. Ein Ausführungsbeispiel eines
Wärmemengenzählers ist in Fig. 8 dargestellt.
Es ist eine Heizungsanlage eines Gebäudes vorhanden,
von der nur die Vorlaufleitung 50 und die Rücklaufleitung
51 und ein vom Heizungswasser durchströmter
Wärmetauscher 52 dargestellt sind. Die Vorlauftemperatur
des Heizungswassers wird mittels eines Temperaturfühlers
24, der dem Temperaturfühler 24 nach Fig. 1
entsprechen kann, gefühlt. Die Rücklauftemperatur des
Heizungswassers wird mittels eines anderen Fühlers 53
gefühlt und die Differenz zwischen Vorlauftemperatur
und Rücklauftemperatur in einem Differenzglied 54 gebildet.
Der Durchfluß, und zwar hier der Massenstrom
des Heizungswassers, wird mittels einer Einrichtung
nach Fig. 1 gemessen, von der die Sonde 15 angedeutet
ist. Der Block 55 umfaßt die Komponenten 20, 21, 23, 41,
41′, 42, 43, 43′ der Fig. 1. Der Ausgang des Speichers 43′
bildet den Ausgang dieses Blockes 55 und wird in ein
Multiplikationsglied 45 eingegeben, das die im Differenzglied
54 gebildete Temperaturdifferenz zwischen
der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur mit
dem vom Speicher 43′ ausgegebenen momentanen Durchfluß multipliziert.
Der Multiplikationswert entspricht der momentanen
Wärmeabgabe der Heizungsanlage in Fig. 8, und es
wird dann angenommen, daß der Durchfluß D bis zu seiner
nächsten Messung für die Durchführung der Multiplikation
im Glied 45 konstant bleibt. Es
wird dann in vorbestimmten konstanten Zeitabständen oder
durch einen Zufallsgenerator oder auf sonstige Weise
gesteuerten Zeitabständen jeweils der Durchfluß D mittels
der Einrichtung 15, 55 neu gemessen, berechnet und gespeichert
und in das Multiplikationsglied 45 eingegeben.
Der Ausgang des Multiplikationsgliedes 45 wird in einen
Integrator 56 eingegeben, der ihn zeitlich integriert.
Die hierdurch im Integrator 56 gewählte Wärmemenge wird
mittels eines Zählwerks 57 angezeigt, wo sie also abgelesen
werden kann.
In den Fig. 9 und 10 sind noch zwei andere Anordnungen
einer Sonde 15 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der
Erfindung dargestellt. In Fig. 9 ist die Sonde 15 in die
Wandung eines das betreffende Fluid leitenden Rohres 10
eingesetzt und allseitig, mit Ausnahme ihrer vom Fluid
bespülten Längsseite 58, durch eine Wärmeisolation 57′
gut wärmeisoliert, so daß die in sie durch die in ihrem
Inneren befindlichen Wärmequelle einleitbare Wärme jeweils
praktisch vollständig in das Fluid abfließt.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 befindet sich der
die Wärmequelle 16 und den Temperaturfühler 17 enthaltende
Körper 13′ aus Kunststoff geringer Wärmeleitfähigkeit
der Sonde 15 in einer Wärmeisolation 57′ im Abstand von
dem im Rohr 10 strömenden Fluid außerhalb des Rohres
10. Der Körper 13′ ist jedoch mit dem Fluid durch eine
metallische Wärmeleitbrücke 59 der
Sonde 15 verbunden, deren freies Stirnende 60 vom
Fluid bespült wird. Im übrigen ist diese in gutem
wärmeleitendem Kontakt mit dem Körper 13′ stehende
Brücke 59 ebenfalls durch die Wärmeisolation 57′ umfangsseitig
wärmeisoliert, so daß auch hier die gesamte oder
nahezu gesamte in die Sonde durch ihre Wärmequelle einleitbare
Wärme in das Fluid abfließen kann.
In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform einer Sonde 15
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Sie besteht aus zwei an einer Strebe 14 befestigten
Halbkugeln 37 aus Kunststoff oder dergl. relativ
geringer Wärmeleitzahl, die durch ein als metallischer
Wärmeleiter 39 dienendes dünnes Metallplättchen
aus gut wärmeleitendem Metall, vorzugsweise aus
Kupfer, miteinander verbunden sind. Dieses Plättchen
39 kann zweckmäßig etwas über die Halbkugeln 37 hinaus
in das Fluid vorstehen. In der einen Halbkugel 37
ist die Wärmequelle 16 und in der anderen Halbkugel 37
der für das Fühlen des Sondentemperaturverlaufes erforderliche
Sondentemperaturfühler 17 eingebettet. Falls die Gefahr
besteht, daß sich an dieser Sonde Schmutz absetzt,
der den Wärmeübergang zwischen ihr und dem Fluid
verändern könnte, kann diese Sonde 15 mit einer
dünnen schmutzabweisenden Schicht überzogen sein.
Dies gilt auch für die Sonde nach Fig. 1. Das Plättchen 39, von dem
die Wärmequelle 16 und der Fühler 17 nur geringe Abstände
haben, bewirkt besonders starke Abhängigkeit
der Sondentemperaturverläufe von v bzw. D.
Um die pro Fühlvorgang aufzuwendende Heizenergie noch
weiter zu verringern und ggfs. die Temperaturspreizung
der Sondentemperaturverläufe noch weiter zu vergrößern,
kann auch vorgesehen sein, die beiden Halbkugeln 37
durch äußere Wärmeisolierungen wärmezuisolieren, nicht
jedoch den in das Fluid überstehenden Bereich des
metallischen Wärmeleiters 39, so daß die bei einem
einzelnen Fühlvorgang von der Wärmequelle 16 in das
Fluid strömende Wärme im wesentlichen oder ausschließlich
nur durch den metallischen Wärmeleiter 39
hindurch in das Fluid gelangen kann. Ein kleiner Teil
der Wärme kann ggfs. auch durch die elektrischen Leitungsdrähte
nach außen abfließen, die dem elektrischen
Anschluß der Wärmequelle 16 und des Temperaturfühlers
17 dienen, was jedoch, falls erwünscht, auch ganz oder im
wesentlichen verhindert werden kann, bspw. durch sehr dünne Leitungsdrahtstücke,
durch ihr Verlegen durch das Fluid hindurch od.dergl.,
was die Meßgenauigkeit erhöht.
Anstatt die Teile 37 der Sonde nach Fig. 3 halbkugelförmig zu gestalten,
können auch andere Gestaltungen vorgesehen sein, bspw.
oft zweckmäßig ungefähr quaderförmige Gestaltungen oder dergl.
Zu dem Diagramm nach Fig. 5 sei in bezug auf die Einrichtung
nach Fig. 1 noch erläutert, daß bei der Auswertung
des Kennlinienfeldes gemäß Fig. 5 die bei
einem Fühlvorgang zu messende Zeitdauer, wie z. B.
t 1-t e , die bis zum jeweiligen Erreichen der Sondentemperatur
T 1 bzw. T 2 oder einer sonstigen vorbestimmten
Sondentemperatur vergeht, durch ein in
Fig. 1 strichpunktiert eingezeichnetes gesondertes
Zeitmeßglied 28 erfolgen kann, das durch die Zeitschaltvorrichtung
21 gleichzeitig mit dem Schalter 20
eingeschaltet und vom Temperaturdifferenzglied 41 bei
Erreichen der betreffenden Sondentemperatur, wie z. B.
T 1, wieder ausgeschaltet wird und dann die von ihm jeweils
abgemessene Zeitspanne in den Rechner 42 eingibt
und dann für die nächste Zeitmessung auf Null zurückgestellt
wird.
Der Rechner 42 bildet zusammen mit dem Kennlinienfeldgeber
43 einen Auswerter der in ihn eingegebenen Daten.
Die Einrichtungen nach diesen Ausführungsbeispielen
lassen sich für recht große Strömungsgeschwindigkeitsbereiche
des Fluids insbesondere von Flüssigkeiten,
einsetzen. So können sie bei den in Heizungsvorlaufleitungen
oder -rücklaufleitungen von Heizungen üblichen Strömungsgeschwindigkeiten
des Heizungswassers ohne weiteres
eingesetzt werden. Diese Strömungsgeschwindigkeiten
betragen hier im allgemeinen etwa 0,1 bis 2 m/sec.
Doch lassen sich mit erfindungsgemäßen Einrichtungen
auch noch kleinere oder noch größere Strömungsgeschwindigkeiten
messen, sofern sie noch auswertungsfähige
Kennlinienfelder oder Kennlinien ergeben.
In Fig. 6 sind die durch die gemessenen Zeiten t 1, t 2, t 3
ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten v bzw. Druchflüsse
des Fluids mit v 1, v 2, v 3 bzw. D 1, D 2, D 3 bezeichnet.
Kennlinien ähnlich der nach Fig. 6 kann man auch aus
dem Diagramm nach Fig. 4 ableiten. Wenn bspw. die Sondentemperatur
T s stets zum Zeitpunkt t b ermittelt wird,
dann kann man, wie es Fig. 14 an einem Beispiel zeigt,
eine Kennlinie 33′ von v bzw. D als Funktion von T s
in ein Diagramm eintragen, dessen Abszisse T s und dessen
Ordinate v bzw. D ist, wobei t b = konst. und t e =0 gesetzt ist.
Auch für andere Zeitpunkte, wie z. B. t a oder t c können
natürlich solche Kennlinien aufgestellt werden. Wenn
bei der Einrichtung nach Fig. 1 bei der Auswertung
nur von einer einzigen Kennlinie, wie bspw. 33 oder 33′
der Fig. 6 bzw. 14, Gebrauch gemacht wird, genügt es,
diese im Speicher 43 zu speichern.
Da die Erfindung Strömungsgeschwindigkeiten messen läßt,
kann sie auch dazu verwendet werden, die Fahrgeschwindigkeit
von Wasserfahrzeugen durch Messung ihrer Relativgeschwindigkeit
zum Wasser mittels an ihnen angeordneten
erfindungsgemäßen Einrichtungen gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung zu ermitteln.
Die in Fig. 11 längsgeschnitten dargestelle Sonde 15
weist einen massiven blockförmigen Körper 13 aus
einem Kunststoff schlechter Wärmeleitfähigkeit auf,
der ein elektrischer Isolator ist und der an einer
Strebe 14 befestigt ist, die ihn im Rohr 10 trägt, von
dem nur ein Wandausschnitt dargestellt ist. In diesen
Körper 13 ist eine Metallgabel als metallischer
Wärmeleiter 39 wie dargestellt eingebettet. Dem einen
Gabelarm 73 dieser Metallgabel 39 liegt in geringem
Abstand außenseitig ein als Wärmequelle 16 dienender
elektrischer Heizwiderstand und dem anderen Gabelarm
73′ in geringem Abstand außenseitig ein Temperaturfühler
17 zum Fühlen der Sondentemperatur gegenüber.
Der Heizwiderstand 16 wie auch dieser Temperaturfühler
17 sind in den Körper 13 eingebettet. Die Metallgabel 39
ist fast ganz in den Körper 13 eingebettet. Sie bildet
jedoch mit dem freien Ende ihres Gabelfußes 71
einen metallischen stufenförmigen Absatz 72 der sich
in Strömungsrichtung des Fluids erstreckenden unteren
Wand der Sonde 15, welcher stufenförmige Absatz
72 der Strömungsrichtung (Pfeil A) des Fluids entgegengerichtet
ist, so daß die Strömung das Metall
dieses Absatzes 72 direkt beaufschlagt. Hierdurch wird
die Kühlung der Gabel, solange ihre Temperatur durch
das Beheizen mittels des Heizwiderstandes 16 über der
Fluidtemperatur liegt, von der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. dem Durchfluß des Fluids im Rohr besonders
stark abhängig. Und zwar wird, wie auch in den
anderen Ausführungsbeispielen, der Heizwiderstand 16
ab Beginn eines Fühlvorganges der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses des Fluids so beheizt,
daß er in die Sonde 15 in vorbestimmter Dosierung
und/oder mit vorbestimmter Heizleistung Wärme
liefert, die wegen des geringen Abstandes des Heizwiderstandes
16 vom gegenüberliegenden Gabelarm 73 praktisch
vollständig in diesen Gabelarm 73 und durch diesen
Gabelarm 73 hindurch unter Aufspaltung in zwei Strömungswege
sowohl in den anderen Gabelarm 73′ als auch zum
an dem Absatz 72 freiliegenden Bereich oder nur durch
eine dünne Schutzschicht gegen Verschmutzung geschützten
Bereich des Fußes der Metallgabel 39 gelangt, welcher Bereich
von dem Fluid direkt angeströmt wird. Der Temperaturfühler
17 fühlt die Temperatur des Körpers 13
in geringem Abstand gegenüber dem Gabelarm 73′, wo
sie stark abhängig ist von v bzw. D. Die jeweils erzeugte
Wärme fließt praktisch vollständig in das Fluid
ab.
Diese Sonde ergibt besonders starken Einfluß der
Parameter v bzw. D auf den Sondentemperaturverlauf
innerhalb großer Geschwindigkeitsbereiche des Fluids.
Es ist auch denkbar, in manchen Fällen den Temperaturfühler
17 und/oder den Heizwiderstand 16 unmittelbar
an dem betreffenden Gabelarm 73′ bzw. 73 anliegen zu
lassen.
Anstatt die Wärme- bzw. Kältequelle bzw. -quellen der
Sonde im Abstand von dem oder den Temperaturfühlern
der Sonde anzuordnen, kann in vielen Fällen zweckmäßig
auch vorgesehen sein, daß an der Wärme- bzw. Kältequelle
oder an mindestens einer der Wärme- bzw. Kältequellen
der Temperaturfühler oder mindestens ein Temperaturfühler
zum Fühlen der Temperatur T a unmittelbar angeordnet
ist, wie es Fig. 12 am Beispiel einer Sonde 15
zeigt. Hier ist die Wärmequelle 16 dieser Sonde durch
ein in einen Kunststoffkörper 13 von ihr eingebettetes
Heizelement 16 gebildet, das aus einem Keramikkörper 74
mit einem in diesen eingebetteten elektrischen Heizwiderstandsdraht
75
bestehen kann und an der Wandung dieses Heizelementes
16 ist unmittelbar ein Temperaturfühler 17 zum Fühlen
der Temperatur T a , die hier der Temperatur des
Heizelementes 16 entspricht, angeordnet.
Gegenüber der vom Temperaturfühler abgewendeten Seite des Heizelementes
16 ist in den Kunststoff in geringem Abstand
von dem Heizelement 16 ein wärmeleitendes Metallplättchen
39 ähnlich wie bei der Ausführungsform nach
Fig. 3 eingefügt, das über den aus die Wärme schlecht
leitendem Kunststoff bestehenden Körper 13 der Sonde
15 in das Fluid übersteht. Zur Durchführung jedes
einzelnen Fühlvorganges von D bzw. v wird das Heizelement
16 derart elektrisch erwärmt, daß es eine
vorbestimmte Wärmemenge in vorbestimmter Zeit abgibt
und/oder die Sonde mit vorbestimmter Heizleistung beheizt
zur jeweiligen Erzeugung eines Sondentemperaturverlaufes,
der abhängig von v bzw. D ist, so daß, wie
in den vorangehenden Ausführungsbeispielen erläutert,
hierdurch v bzw. D ermittelt werden kann. Und zwar
ergibt sich im Falle der Fig. 12, daß die Eigentemperatur
des Heizelementes 16 während des ansteigenden
Astes des jeweiligen Sondentemperaturverlaufes abhängig
ist von v bzw. D, weil der Wärmeabfluß von dem
Heizelement 16 zum metallischen Wärmeleiter 39 um so
größer ist, je größer v bzw. D im für deren Messung
möglichen Geschwindigkeitsbereich des Fluids ist.
Demzufolge ist die während des elektrischen Erwärmens
des Heizelementes 16 auftretende, vom Temperaturfühler
17 gefühlte Temperatur des Heizelementes 16
um so größer, je kleiner v bzw. D ist, so daß also bereits
der ansteigende Ast des jeweiligen Sondentemperaturverlaufs
bzw. dessen Maximum für die Identifizierung
dieses Sondentemperaturverlaufes und damit
zum Ermitteln von v bzw. D verwendet werden kann.
Aber auch der jeweils absteigende Ast des Sondentemperaturverlaufes
kann für die Ermittlung von v bzw. D
herangezogen werden, da der während eines einzelnen
Fühlvorganges von v bzw. D nach Beendigung des elektrischen
Beheizens des Heizelementes 16 weitere Sondentemperaturverlauf
ebenfalls noch für einige Zeit mit
abhängig von v bzw. D ist.
Es ist sogar möglich, daß die Wärmequelle bzw. ggfs.
auch die Kältequelle gleichzeitig selbst einen Temperaturfühler
zum Fühlen der Sondentemperatur oder
einer für die Bildung der Sondentemperatur mit verwendeten
Temperatur bildet. Dies ist bspw. zweckmäßig
mittels eines Heizwiderstandes möglich, dessen ohm'scher
Widerstand von seiner Temperatur abhängig ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer hierfür geeigneten Vorrichtung
ist in Fig. 13 dargestellt. Die Sonde 15
weist wiederum einen Kunststoffkörper 13 aus schlecht
wärmeleitendem Material mit einem eingesetzten plättchenförmigen
metallischen Wärmeleiter 39 auf, welcher
etwas über den Kunststoffkörper 13 hinaus in das Fluid
hineinragt. In geringem Abstand gegenüber diesem
Wärmeleiter 39 ist in den Kunststoffkörper 13 ein
sowohl als Wärmequelle als auch als Temperaturfühler
dienender temperaturabhängiger elektrischer Heizwiderstand
76 eingebettet.
Zur Durchführung eines jeden einzelnen Fühlvorganges
von v bzw. D wird ein von einer Zeitschaltuhr 21 betätigbarer
Schalter 20 für eine vorbestimmte Zeitdauer
geschlossen. Dieser Heizwiderstand 76 wird in
diesem Ausführungsbeispiel mit elektrischem Strom
aus einer konstante elektrische Leistung liefernden
elektrischen Energiequelle 77 gespeist, und zwar
über einem Umschalter 78, der, gesteuert durch einen
Taktgenerator 79, den Heizwiderstand 76 abwechselnd
an diese elektrische Energiequelle 77 und an eine
elektrische Sondentemperaturmeßvorrichtung 80 anlegt.
Die elektrische Meßvorrichtung 80 mißt, wenn sich
der Umschalter 78 in der gestrichelten Stellung befindet,
außer T f auch den elektrischen Widerstand des
Heizwiderstandes 76 und damit dessen Eigentemperatur.
In der anderen Stellung des Umschalters 78 wird dieser
Heizwiderstand 76 mit konstanter elektrischer
Leistung zur Abgabe konstanter Wärmeleistung in die
Sonde 15 gespeist. Die Meßvorrichtung 80 kann T a - T f
als Sondentemperatur bilden.
Zur Durchführung eines Fühlvorganges wird der Schalter
20 geschlossen und der Umschalter 78 zuerst in
die Beheizen des Heizwiderstandes 76 bewirkende
Schaltstellung für eine vorbestimmte Zeitdauer eingeschaltet,
bspw. für 10 Millisekunden, und anschließend
wird eine Messung von T s =T a -T f unter Messung
des ohm'schen Widerstandes und damit der Temperatur T a
des Heizwiderstandes durch Umschalten
des Schalters 78 in seine gestrichelte Stellung
durchgeführt. Die Zeitdauer dieser Temperaturmessung
kann zweckmäßig vorzugsweise gleich oder
kleiner sein als die Zeitdauer, in der sich der Umschalter
78 in der vorangegangenen, dem Beheizen der
Sonde dienenden Schaltstellung befand. Bspw. kann die
Temperaturmessung nur eine Millisekunde dauern, und
es wird dann schließend wieder auf die dem Beheizen
des Heizwiderstandes 76 dienende Schaltstellung des
Umschalters 78 bspw. für 10 Millisekunden umgeschaltet.
Dieses Umschalten von der Heizstellung in die Temperaturmeßstellung
des Schalters 78 erfolgt zyklisch.
Dies kann also bspw. so durchgeführt werden, daß jeweils
10 Millisekunden beheizt wird, dann eine Millisekunde
lang die Temperaturmessung
durchgeführt wird,
danach wieder 10 Millisekunden beheizt, danach wieder
eine Millisekunde lang die Temperaturmessung
durchgeführt wird usw. Dies erfolgt so
lange, wie eine Beheizung der Sonde 15 zur Durchführung
eines einzelnen Fühlvorganges von v bzw. D
vorgesehen ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4
würde sich also dieses alternierende Umschalten des
Schalters von seiner Heizstellung in seine Temperaturmeßstellung
vom Anfangszeitpunkt t e bis t a erstrecken.
Oder es ist auch möglich, bei jedem Fühlvorgang nur
einmal die Temperatur T s zu messen, wenn diese nämlich
nur an einem bestimmten Zeitpunkt, z. B. t a oder t b oder
t c (Fig. 4), des einzelnen Fühlvorganges benötigt wird.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß den strichpunktiert
absteigenden Kurvenästen der Fig. 5 kann abwechselndes
Umschalten des Schalters 78 zwischen Beheizen des
Heizwiderstandes und Durchführung einer Temperaturmessung so
lange erfolgen, bis die letzte Temperaturmessung Erreichen
oder Überschreiten von T 1 ergab und anschließend
wird nur noch die Temperatur bis Erreichen von T 2 gefühlt.
Es ist auch denkbar, den Heizwiderstand bzw. den Temperaturfühler
direkt an den metallischen Wärmeleiter
in Kontakt mit ihm anzuordnen, wenn dies die Verhältnisse
zulassen.
Auch kann die Sonde ggfs. mehrere Temperaturfühler
aufweisen, bspw. in Fig. 3 noch einen zweiten, strichpunktiert
dargestellten Temperaturfühler 17, wobei
dann die Temperatur T a einem Mittelwert der von
ihnen gefühlten Temperaturen entspricht.
Anstatt, wie anhand der Fig. 4 bis 7 an Ausführungsbeispielen
beschrieben, aus einer einzelnen, punktförmigen
Stelle des jeweiligen Sondentemperaturverlaufes
diesen jeweiligen Sondentemperaturverlauf zu identifizieren
und hierdurch dessen Parameter v bzw. D und
damit die momentane Strömungsgeschwindigkeit bzw. den
momentanen Durchfluß des Fluids während des betreffenden
einzelnen Fühlvorganges zu ermitteln, kann
hierzu auch mindestens ein mehr oder weniger großer
Bereich des jeweiligen Sondentemperaturverlaufes
oder der gesamte jeweilige Sondentemperaturverlauf
herangezogen werden. So erfaßt der Temperaturgradient
Δ T/Δ t in Fig. 4 keine punktförmige Stelle der
Kurve 30, sondern einen relativ kurzen Bereich dieses
zeitlichen Sondentemperaturverlaufes 30 zu dessen
Identifikation und damit zum Erkennen der momentanen
Parameter v bzw. D und damit zum Ermitteln dieser Werte
v bzw. D während des betreffenden Fühlvorganges. Oder
es kann aus mehreren punktförmigen Stellen und/oder
Bereichen des jeweiligen Sondentemperaturverlaufes oder
seiner gesamten Kurve auf den momentanen Wert von v
bzw. D geschlossen werden, bspw. durch mehrfache Ermittlung
von v bzw. D und dessen Mittelwertbildung.
Der oder die mindestens eine Stelle und/oder mindestens
eine Bereich eines Sondentemperaturverlaufes, aus dem
in solchen Fällen dieser Sondentemperaturverlauf zur
Ermittlung seines Parameters v bzw. D identifiziert wird,
können auf dem ansteigenden und/oder absteigenden Ast
des Sondentemperaturverlaufes liegen. Es ist auch möglich,
auch auf andere Weise einen oder mehrere Bereiche des
jeweiligen zeitlichen Sondentemperaturverlaufes zur
Identifikation seines Parameters v bzw. D und damit
zum Ermitteln des während des betreffenden Fühlvorganges
vorliegenden Wertes v bzw. D einzusetzen. So kann bspw.
mindestens ein mehr oder weniger großer Abschnitt des
jeweiligen Sondentemperaturverlaufes bspw. im Diagramm
nach Fig. 4 ein von t e bis t a oder von t b bis t c oder
von t a bis t c reichender oder ein anderer geeigneter
Abschnitt auf seiner ganzen Länge oder durch mehrere
oder viele Punkte seines betreffenden Bereiches zur
Identifikation des betreffenden Sondentemperaturverlaufes
und damit zum Ermitteln von v bzw. D herangezogen werden.
Zu diesem Zweck kann man bspw. im Kennlinienspeicher
43 (Fig. 1) die zur Identifikation
vorgesehenen Bereiche einer Vielzahl oder Mehrzahl
von Sondentemperaturverläufen speichern und den jeweils
gefühlten Verlauf des betreffenden Abschnittes
des Sondentemperaturverlaufs mit den gespeicherten
Abschnitten zur Identifizierung des momentanen Sondentemperaturverlaufes
und damit von dessen Parameter v
bzw. D vergleichen.
In Fig. 15 ist eine Sonde 15 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Diese
weist ein kreiszylindrisches Metallrohr 82 auf, auf
dessen Umfang elektrisch isoliert eine Heizwicklung 81
als Wärmequelle aufgebracht ist, die gleichzeitig auch
als Temperaturfühler für T a dient, indem sie aus temperaturabhängigem
Widerstandsdraht besteht. Diese Heizwicklung
ist nach außen durch eine Wärmeisolation 83
wärmeisoliert. Der Temperaturfühler kann ggf. auch
getrennt von der Heizwicklung 81 als gesonderter Temperaturfühler
vorgesehen sein. Diese Sonde 15 ist im Rohr
10 für das Fluid koaxial angeordnet. Man kann oft auch auf
den Temperaturfühler 24 für die Fluidtemperatur T f
verzichten, insbesondere dann, wenn man die Sondentemperatur
T s auf die zu Anfang des jeweiligen Fühlvorganges
vorliegende Sondentemperatur T ao bezieht. In
den dargestellten Ausführungsbeispielen wäre dann T ao
= T f zum Zeitpunkt te. Dies kann z. B. oft dann zweckmäßig
vorgesehen werden, wenn die Fühlvorgänge stets
in so großen Zeitabständen erfolgen, daß bei Beginn
eines jeden Fühlvorganges stets T ao = T f ist. Man kann
dann die vom Fühler 17 zu Beginn eines Fühlvorganges
gefühlte Temperatur T ao der Fluidtemperatur T f
gleichsetzen - in welchem Fall der Temperaturfühler 24
oft auch ganz weggelassen werden kann - und diese Anfangstemperatur
T ao bspw. in einen in Fig. 1 strichzweipunktiert
eingezeichneten Speicher 49, dessen Inhalt
vorher gelöscht wurde, zu Beginn eines jeden Fühlvorganges
eingeben und mit diesem gespeicherten Wert T ao
die während dieses Fühlvorganges später im Speicher 41′
gespeicherte Temperaturdifferenz T s = T a - T ao bilden.
Solches kann man oft zweckmäßig auch dann vorsehen,
wenn T ao von der Fluidtemperatur abweicht, vorzugsweise
dann, wenn diese Abweichung konstant ist oder der
auf T ao bezogene Sondentemperaturverlauf nicht störend
abhängig ist von T ao - T f .
In allen Ausführungsbeispielen ist die Sondentemperatur
T s auf die jeweilige Fluidtemperatur T f bzw. auf T ao
bezogen. Falls T f als Bezugstemperatur sich während des
einzelnen Fühlvorganges ändert, liegt dann also während
des betreffenden Fühlvorganges keine konstante Bezugstemperatur
vor. Dies kann sich vorteilhaft auf die Meßgenauigkeit
auswirken. Es ist in vielen Fällen auch
möglich und zweckmäßig, die Sondentemperatur T s bei dem
einzelnen Fühlvorgang auf eine andere konstante oder
nicht konstante Bezugstemperatur zu beziehen, bspw. auf
die zu Beginn der Beheizung oder Kühlung vorliegende
Fluidtemperatur oder T ao . Oder es kann in manchen
Fällen die Bezugstemperatur der Gefrierpunkt von Wasser
sein. Eine nicht konstante Bezugstemperatur kann insbesondere
auch dazu vorgesehen sein, um während des
betreffenden Fühlvorganges auftretende Störgrößen, z. B.
sich sehr rasch ändernde Fluidtemperatur, in ihrer
Auswirkung auf die Meßgenauigkeit ganz oder zum Teil
zu kompensieren.
Die Sonde 15 nach Fig. 16 und 18 weist einen kreiszylindrischen
Hohlkörper 61 aus schwach wärmeleitendem
Kunststoff auf, der in die Wandung eines Leitungsrohres
10 eingesetzt ist und in das dieses Leitungsrohr durchströmende
Fluid, dessen Strömungsgeschwindigkeit v
bzw. Durchfluß D mittels dieser Sonde 15 zu fühlen ist,
hineinragt, so daß dieses Fluid die Sonde 15 anströmt.
Der Hohlkörper 61 weist einen sich im wesentlichen über
die Höhe seines in den Innenraum des Rohres 10 hineinragenden
Bereiches erstreckenden, gegen das Fluid, sowie durch
einen wärmeisolierenden Boden 68 auch nach außen
völlig abgeschlossenen Innenraum 62 auf, an dessen
Innenumfangswand nahe der im Fluid befindlichen Decke
63 dieser Sonde 15 ein Bügel 64 aus gut wärmeleitendem
Metall, vorzugsweise aus Kupfer formschlüssig fest angeordnet
ist, der sich über etwas mehr als 90° dieser
kreiszylindrischen Innenumfangswand erstreckt, so daß
er in gutem wärmeleitenden Kontakt mit der relativ
dünnen, vom Fluid aussenseitig benetzten Umfangswandung
des Hohlkörpers 61 steht.
An dem einen Längsende dieses kreisbogenförmig gekrümmten
Bügels 64 ist ein vorzugsweise ebenfalls aus Kupfer oder
einem anderen gut wärmeleitendem Metall bestehender,
streifenförmiger Träger 65 in gutem Kontakt mit dem
Bügel 64 formschlüssig fest angeordnet, dessen vom Bügel
64 abstehender flacher Schenkel 66 sich im wesentlichen
über die Breite und Höhe einer ebenen Seitenfläche
eines die Sondentemperatur fühlenden Temperaturfühlers
17 erstreckt, an welcher Seitenfläche dieser Schenkel 66
formschlüssig in gut wärmeleitendem Kontakt anliegt.
Dieser Temperaturfühler 17 ist in diesem Ausführungsbeispiel
als ein mindestens einen temperaturempfindlichen
Transistor oder mindestens ein anderes temperaturempfindliches
Element aufweisender integrierter Schaltkreis (IC)
ausgebildet, dessen Anschlußdrähte 67 durch den Boden 68
des Hohlkörpers 61 aus dessen Innenraum 62 nach außen
herausgeführt sind.
Am anderen Längsendbereich des Bügels 64 ist ein drahtförmiger,
steifer Träger 69 aus ebenfalls die Wärme gut
leitendem Metall wie dargestellt angelötet, 03722 00070 552 001000280000000200012000285910361100040 0002003637497 00004 03603an dessen
vom Bügel 64 im Abstand befindlichen freien Ende ein
als Wärmequelle 16 dieser Sonde 15 dienender Transistor
in gut wärmeleitendem Kontakt befestigt ist, dessen
Anschlußdrähte 70 ebenfalls durch den Boden 68 nach
außen aus dem Hohlraum 62 herausgeführt sind. Auch diese
Sonde liefert hervorragende Sondentemperaturverläufe,
die sich über große Bereiche von v und D auf die ihnen
jeweils zugeordneten Werte von v und D leicht und genau
auswerten lassen. Es fließt bei jedem Fühlvorgang
praktisch die gesamte Wärme in das Fluid. Dies trifft
auch auf die Sonde 15 nach den Fig. 17 und 19 zu.
Diese Sonde 15 nach Fig. 17 und 19 weist einen Sondenkörper
84 aus Wärme schwach leitendem Kunststoff auf,
der wie dargestellt mit einem nach außen durch eine Wärmeisolation
88 wärmeisolierten Zapfen 85, mittels dem er
in einem
vom Fluid, dessen Werte v bzw. D zu fühlen sind,
durchströmten Leitungsrohr 10 in dieses Fluid hineinragend
gehalten ist. In diesen Sondenkörper 84 ist als
Temperaturfühler 17 für die Sondentemperatur ein
temperaturabhängiger, integrierter Schaltkreis (IC)
eingebettet, der mit einem als Wärmequelle 16 dieser
Sonde 15 dienenden elektrischen Heizdraht umwickelt
ist. Die Anschlußdrähte des Temperaturfühlers 17 und
des Heizdrahtes 16 sind durch den Zapfen 85 hindurch
nach außen herausgeführt.
In den Ausführungsbeispielen ist die Wärmequelle 16
jeweils innerhalb der Sonde 15 angeordnet, was besonders
zweckmäßig ist. Es ist jedoch auch denkbar, in manchen
Fällen die Wärmequelle bzw. mindestens eine Wärmequelle
bzw. mindestens eine Kältequelle an der Sonde randseitig
anzuordnen.
Damit kein unkontrollierter Wärmefluß in die Sonde hinein
und aus ihr heraus die Meßgenauigkeit stören oder verringern
kann, ist es zweckmäßig, wenn die von der mindestens
einen Wärmequelle bzw. Kältequelle in die Sonde
eingeleitete bzw. ihr entzogene Wärme jeweils vollständig
oder im wesentlichen in das Fluid einströmt,
bzw. aus dem Fluid in die Sonde einströmt. Dies kann
durch geeignete Wärmeisolierung der Sonde oder ihre
Anordnung innerhalb des Fluids unschwer erreicht werden.
Die elektrischen Leitungsdrähte für den Temperaturfühler
und die Wärme- oder Kältequelle können unter Umständen
einen kleinen Teil der von der Wärmequelle oder Kältequelle
erzeugten bzw. abgeführten Wärme am Fluid vorbei
nach außen oder von außen in die Sonde einleiten, doch
kann dieser stets problemlos sehr klein gehalten werden,
und zwar ohne weiteres vernachlässigbar klein, bspw.
u. a. auch dadurch, daß die Leitungsdrähte durch das
Fluid hindurch geführt sind und dessen Temperatur
annehmen. Auch kann in vielen Fällen ein Wärmefluß
zwischen der Sonde und außen während des einzelnen
Fühlvorganges in Kauf genommen werden, wenn die Außentemperatur,
also bspw. die Umgebungstemperatur einer
das Fluid führenden Leitung ungefähr konstant ist oder
hier vorhandene Temperaturschwankungen klein gegenüber
den durch die Wärmequelle bzw. Kältequelle erzeugten
Sondentemperaturen sind oder hierdurch verursachte
Meßfehler in Kauf genommen werden können oder sich bei
über längere Zeiträume, z. B. eine Heizperiode, andauernden
Wärmemengenmessungen im Mittel ungefähr
herausheben.
Claims (44)
1. Verfahren zum Fühlen der Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluids, vorzugsweise einer Flüssigkeit,
und/oder des Durchflusses eines Fluids durch
eine Leitung oder dgl., wobei das Fühlen der
Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses
des Fluids diskontinuierlich in einzelnen, Zeit
beanspruchenden Fühlvorgängen erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß der einzelne Fühlvorgang mit Hilfe
einer Sonde erfolgt, die von dem Fluid angeströmt
wird, welche Sonde mindestens eine Wärmequelle bzw.
Kältequelle aufweist, die in wärmeleitender Verbindung
mit dem an die Sonde angrenzenden Fluid steht,
wobei ferner die Sonde zur Ermittlung einer Sondentemperatur
mindestens eine Stelle aufweist, deren
Temperatur mittels eines Temperaturfühlers gefühlt
werden kann, und daß zur Durchführung eines einzelnen
Fühlvorganges der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des
Durchflusses der Sonde durch ihre mindestens eine
Wärmequelle bzw. Kältequelle in vorbestimmter
Dosierung und/oder mit vorbestimmter Heiz- bzw. Kühlleistung
Wärme zugeführt bzw. entzogen wird, derart,
daß die Sondentemperatur infolge des während des
betreffenden Fühlvorganges zwischen der Sonde und
dem Fluid stattfindenden, von der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. dem Durchfluß des Fluids abhängigen
Wärmeaustausches einen sich zeitlich ändernden Verlauf -
nachfolgend Sondentemperaturverlauf genannt - erhält,
der abhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. dem Durchfluß des Fluids, und daß aus mindestens
einer Stelle und/oder mindestens einem Bereich dieses
während des einzelnen Fühlvorganges stattfindenden
Sondentemperaturverlaufes auf die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß des Fluids geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sonde für den einzelnen Fühlvorgang nur mittels
einer einzigen Wärme- bzw. Kältequelle Wärme zugeführt
bzw. entzogen wird und/oder nur an einer einzigen
Stelle der Sonde die Sondentemperatur gefühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß an mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneten
Stellen der Sonde deren Temperatur gefühlt
und für die der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses des Fluids dienende Sondentemperatur
ein Mittelwert der Temperaturen dieser Stellen
verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Verbindung
zwischen der mindestens einen Wärme- bzw. Kältequelle
und dem Fluid durch zwischen dieser Wärme- bzw.
Kältequelle und dem Fluid befindliche wärmeleitende
Materie der Sonde bewirkt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Zeitpunkt des Beginns der
Beheizung bzw. Kühlung der Sonde für den einzelnen
Fühlvorgang ihre gefühlte Eigentemperatur der Temperatur
des Fluids entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Zeitpunkt des Beginns der
Beheizung bzw. Kühlung der Sonde für den einzelnen
Fühlvorgang die gefühlte Eigentemperatur der Sonde
von der Temperatur des Fluids abweicht, vorzugsweise
eine vorbestimmte Differenz zwischen dieser
Eigentemperatur und der Temperatur des Fluids
vorliegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung bzw.
Kühlung der Sonde für den einzelnen Fühlvorgang
durch Zufuhr bzw. Entzug einer vorbestimmten Wärmemenge
erfolgt, wobei diese Wärmemenge, vorzugsweise
konstant oder von mindestens
einer Variablen, vorzugsweise der Fluidtemperatur,
abhängig sein kann.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung bzw.
Kühlung der Sonde für den einzelnen Fühlvorgang mittels
eines vorbestimmten zeitlichen Verlaufs der ihrer
Beheizung bzw. Kühlung dienenden Heizleistung bzw.
Kühlleistung erfolgt, vorzugsweise mit konstanter
Heiz- oder Kühlleistung.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung bzw. Kühlung
der Sonde für den einzelnen Fühlvorgang eine vorbestimmte
Zeitdauer und/oder impulsartig durchgeführt
wird und/oder die der Erzeugung eines Sondentemperaturverlaufes
dienende Heiz- bzw. Kühlleistung abhängig von
mindestens einer Variablen, vorzugsweise der Fluidtemperatur
ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß für den einzelnen Fühlvorgang
auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den
Durchfluß des Fluids aus dem während der Beheizung
bzw. Kühlung der Sonde oder gegen Ende der Beheizung
bzw. Kühlung stattfindendem Sondentemperaturverlauf
und/oder aus dem nach Beendigung der Beheizung bzw.
Kühlung der Sonde stattfindendem Sondentemperaturverlauf
geschlossen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung
und/oder Kühlung der Sonde elektrisch erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß während eines einzelnen
Fühlvorganges aus dem Sondentemperaturverlauf mehrfach
die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Durchfluß
ermittelt und aus diesen ermittelten Werten der
Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses ein
Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des
Durchflusses gebildet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei dem einzelnen
Fühlvorgang ab Beginn der Kühlung bzw. Beheizung
der Sonde eine vorbestimmte Zeitdauer abgemessen
wird und aus der während dieser Zeitdauer stattfindenden
Änderung der Sondentemperatur auf die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß des Fluids geschlossen
wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei dem einzelnen
Fühlvorgang eine vorbestimmte Änderung der Sondentemperatur
erfaßt und aus der Zeitdauer, die vom
Beginn der Beheizung bzw. Kühlung der Sonde bis
zum Erreichen dieser vorbestimmten Sondentemperaturänderung
verstreicht, auf die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß des Fluids geschlossen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Erreichen des Endes der vorbestimmten Sondentemperaturänderung
die Beheizung bzw. Kühlung der
Sonde für diesen Fühlvorgang beendet wird oder daß
die Zeitdauer gemessen wird, die ab Beginn der
Beheizung bzw. der Kühlung der Sonde bis zum Erreichen
einer vorbestimmten Sondentemperatur, die erst zeitlich
nach Beendigung der Beheizung bzw. Kühlung auftritt,
verläuft und aus dieser Zeitdauer auf die
Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluß des
Fluids geschlossen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch
gekennzeichnet, daß aus der durch die Beheizung
bzw. Kühlung der Sonde ab Beginn der Beheizung bzw.
Kühlung bewirkten, während des betreffenden Fühlvorganges
auftretenden maximalen Veränderung der
Sondentemperatur auf die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß des Fluids geschlossen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch
gekennzeichnet, daß für den einzelnen Fühlvorgang
der eine vorbestimmte Zeitdauer nach Beginn der
Beheizung bzw. Kühlung der Sonde oder bei einer
vorbestimmten Sondentemperatur vorliegende Temperaturgradient
dT/dt bzw. Δ T/Δ t, wo T die Sondentemperatur
und t die Zeit ist, des Sondentemperaturverlaufes
ermittelt und aus dieser zeitlichen Ableitung oder
einer höheren zeitlichen Ableitung des Sondentemperaturverlaufes
auf die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchfluß des Fluids geschlossen
wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es zum in vorzugsweise
vorbestimmten Zeitabständen erfolgenden Ermitteln der
Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflusses des
Fluids dient.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sondentemperatur
während des einzelnen Fühlvorganges auf eine konstante
oder variable Bezugstemperatur, vorzugsweise auf
die momentane Fluidtemperatur bezogen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sondentemperatur während des einzelnen
Fühlvorganges auf die zu Beginn des Fühlvorganges
vorliegende Fluid- oder Sondentemperatur bezogen
wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sondentemperatur außer
von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. dem Durchfluß
noch von mindestens einer weiteren Variablen abhängig
ist, die bei der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. des Durchflusses mit berücksichtigt wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die von der mindestens
einen Wärmequelle bzw. Kältequelle in die Sonde eingebrachte
Wärme bzw. aus ihr entnommene Wärme vollständig
oder im wesentlichen in das Fluid eingeleitet
bzw. aus ihm entnommen wird.
23. Einrichtung zum Fühlen der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder des Durchflusses eines Fluids, vorzugsweise
einer Flüssigkeit, zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine Sonde (15) aufweist, die
mindestens eine Wärme- oder Kältequelle (16), die
dieser Sonde für den einzelnen Fühlvorgang in vorbestimmter
Dosierung und/oder mit vorbestimmter Wärme-
oder Kühlleistung Wärme zuführen oder entziehen kann,
und mindestens einen Temperaturfühler (17, 24) für die
Ermittlung der Sondentemperatur aufweist, und daß
Auswertemittel (42) zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder des Durchflusses des Fluids
aus mindestens einer Stelle und/oder mindestens einem
Bereich des während des einzelnen Fühlvorganges stattfindenden
sich zeitlich ändernden Sondentemperaturverlaufs
vorgesehen sind.
24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine Wärme- oder Kältequelle (16)
sich in der Sonde (15) befindet.
25. Einrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonde (15) mindestens einen Körper
geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist, innerhalb dem
die mindestens eine Wärme- bzw. Kältequelle und/oder
mindestens ein Temperaturfühler (17) angeordnet ist
bzw. sind.
26. Einrichtung nach Anspruch 23, 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonde (15) mindestens einen
metallischen Wärmeleiter (39) aufweist, der eine
wärmeleitende Verbindung vom durch die Wärme- bzw.
Kältequelle beheizbaren bzw. kühlbaren Inneren der
Sonde bis zum oder bis nahe zum Fluid, dessen
Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, bewirkt,
wobei das Fluid mit diesem Wärmeleiter (39) in
Kontakt steht oder von ihm durch eine dünne, wärmedurchlässige
Schutzschicht getrennt ist.
27. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-26, dadurch
gekennzeichnet, daß sie der zahlenmäßigen Messung der
Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses
des Fluids dient.
28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-27, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sonde (15) innerhalb eines
dem Leiten des Fluids dienenden Rohres (10) angeordnet
ist.
29. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26-28, dadurch
gekennzeichnet, daß der metallische Wärmeleiter (39)
der Sonde (15) zwischen der Wärme- bzw. Kältequelle
(16) und dem Temperaturfühler (17) der Sonde angeordnet
ist.
30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-29, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sonde in einer Wandung eines
dem Leiten des Fluids dienenden Rohres angeordnet
ist und mindestens eine von dem Fluid benetzbare Außenfläche
aufweist und/oder die Sonde eine die mindestens
eine Wärme- bzw. Kältequelle und den mindestens einen
Temperaturfühler aufweisenden Körper (13′) aufweist,
der sich im Abstand von dem Fluid befindet und mit
diesem über mindestens eine wärmeleitende Brücke (59)
verbunden ist.
31. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-30, dadurch
gekennzeichnet, daß sie eine Zeitmeßvorrichtung (28)
und/oder einen Temperaturfühler (24) zum Fühlen der
Fluidtemperatur aufweist.
32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-31, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wärme- bzw. Kältequelle (16)
und/oder mindestens ein Temperaturfühler für die
Sondentemperatur in die Sonde (15) eingebettet ist
bzw. sind.
33. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-32, dadurch
gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler oder mindestens
ein Temperaturfühler für die Sondentemperatur
im Abstand von der mindestens einen Wärme- bzw. Kältequelle
(16) der Sonde angeordnet ist.
34. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-33, dadurch
gekennzeichnet, daß an der Wärme- bzw. Kältequelle
bzw. an mindestens einer der Wärme- bzw. Kältequellen
der Sonde der Temperaturfühler oder mindestens ein
Temperaturfühler für die Sondentemperatur zum Fühlen
der Eigentemperatur der betreffenden Wärme- bzw.
Kältequelle angeordnet ist.
35. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-34, dadurch
gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (17) durch
die betreffende Wärme- bzw. Kältequelle (16) mitgebildet
ist.
36. Einrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmequelle einen temperaturabhängigen
elektrischen Heizwiderstand (76) aufweist und daß
während des einzelnen Fühlvorganges das Beheizen
der Sonde (15) mittels dieses Heizwiderstandes in
vorbestimmten Zeitabständen jeweils kurzzeitig
unterbrochen wird zur Durchführung einer dem Fühlen
von dessen Eigentemperatur dienenden Messung des
ohm'schen Widerstandes des Heizwiderstandes zum
Ermitteln von dessen Temperatur und damit zur in
diesen Zeitabständen erfolgenden Ermittlung der
Sondentemperatur oder einer an der Bildung der
Sondentemperatur mitwirkenden Temperatur zwecks
diskontinuierlichen Fühlens des Sondentemperaturverlaufes.
37. Einrichtung nach einem der Ansprüche 26-36, dadurch
gekennzeichnet, daß der metallische Wärmeleiter (39)
gabelförmig ausgebildet ist und dem einen Gabelarm
(73) die Wärme- bzw. Kältequelle (16) und
dem anderen Gabelarm (73′) der Temperaturfühler
(17) zugeordnet ist und der Wärmeaustausch,
der während des einzelnen Fühlvorganges
zwischen der Sonde (15) und dem Fluid stattfindet,
überwiegend, vorzugsweise im wesentlichen durch den
Fuß (71) des Wärmeleiters (39) hindurch stattfindet,
wobei vorzugsweise die Wärme- bzw. Kältequelle an
dem betreffenden Gabelarm und/oder der Temperaturfühler
an dem anderen Gabelarm angeordnet ist.
38. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-37, dadurch
gekennzeichnet, daß sie Schaltmittel, vorzugsweise
Zeitschaltmittel (20, 21), zum Einschalten bzw.
Ausschalten der Wärme- bzw. Kältequelle (16) aufweist.
39. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-38, dadurch
gekennzeichnet, daß sie Steuer- und/oder Regelmittel
zum Steuern bzw. Regeln ihrer Heiz- bzw. Kühlleistung
und/oder der der Sonde beim einzelnen Fühlvorgang
zuzuführenden bzw. zu entziehenden Wärmemenge aufweist.
40. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-39, dadurch
gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (17) der
Sonde durch eine temperaturempfindliche, integrierte
Schaltung, die vorzugsweise mindestens einen
Transistor aufweist, gebildet ist.
41. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-40, dadurch
gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (17) der
Sonde mit einem ihre Wärmequelle (16) bildenden
Heizdraht umwickelt ist und der Temperaturfühler
mit Heizdraht in einen Körper geringer Wärmeleitfähigkeit
der Sonde eingesetzt, vorzugsweise eingebettet
ist.
42. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-41, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wärme- bzw. Kältequelle (16)
und/oder der Temperaturfühler (17) in einem Hohlraum
eines Sondenkörpers (39) geringer Wärmeleitfähigkeit
angeordnet ist bzw. sind.
43. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23-42, dadurch
gekennzeichnet, daß stromaufwärts der Sonde (15)
oder an einer anderen von der Temperatur der Sonde
unbeeinflußten Stelle ein Fühler (24) zum Fühlen
der Fluidtemperatur als Bezugstemperatur für die
Sondentemperatur angeordnet ist.
44. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche
23-43 für einen Wärmemengezähler zum in Zeitabständen
erfolgenden Fühlen der Strömungsgeschwindigkeit bzw.
des Durchflusses des Wärmeträgermediums für die
Wärmemengenzählung.
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3637497A1 true DE3637497A1 (de) | 1987-07-16 |
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ID=8193868
Family Applications (1)
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DE19863637497 Withdrawn DE3637497A1 (de) | 1985-11-05 | 1986-11-04 | Verfahren und einrichtung zum fuehlen von stroemungsgeschwindigkeiten und/oder durchfluessen |
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