DE3713301A1 - Verfahren zur durchflussmengenmessung und thermischer durchflussgeber hierfuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchflußmengenmessung mittels eines thermischen Durchflußgebers, der ein elektrisch beheiztes Heizelement und einen Temperaturgeber aufweist, der ein von der Temperatur abhängiges Signal liefert. Die Erfindung betrifft weiter einen thermischen Durchflußgeber zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Bestimmung der Durchflußmenge von Flüssigkeiten sind auf sehr unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhende Verfahren und Durchflußgeber bekannt. Neben mechanischen Durchflußgebern, die Flügelräder oder ähnliche mechanisch angetriebene Teile aufweisen, und Strömungsdurchflußgebern, bei denen eine Druckdifferenz an einer Drossel bestimmt wird, sind Durchflußgeber bekannt, bei denen die Flüssigkeit durch Zugabe von Markierungen, wie Gasblasen, Farbstoffen oder räumlich begrenzten Temperaturveränderungen punktuell markiert wird. Hierbei wird die Bewegungsgeschwindigkeit der so erzeugten Markierung gemessen. Während die beiden erstgenannten Verfahren den Nachteil haben, daß keine sehr weiten Bereiche der Viskosität und/oder der Durchflußmenge erfaßt werden können, scheidet die beschriebene Markierung der Flüssigkeit aus, wenn die dadurch auftretenden physikalischen oder chemischen Veränderungen in der Flüssigkeit nicht zugelassen werden können, wie dies beispielsweise bei flüssigen Schmiermitteln der Fall ist. Außerdem ist der Meßaufwand bei diesem Verfahren sehr hoch.

Einige der geschilderten Nachteile werden von bekannten thermischen Durchflußgebern überwunden. Bei einer bekannten Bauart von thermischen Durchflußgebern wird ein Temperaturaufnehmer mit kleiner Masse, beispielsweise ein beheizter dünner Draht, von der zu messenden Flüssigkeit umströmt. Mit steigender Durchflußmenge steigt auch die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Wärmeübertragung vom Heizdraht auf die Flüssigkeit. Die Temperatur des mit konstanter Leistung beheizten Drahtes liefert dabei einen Wert für die Durchflußmenge. Derartige thermische Durchflußgeber mit kleiner Masse sind in einem weiten Bereich einsetzbar und haben verhältnismäßig kurze Ansprechzeiten. Üblicherweise wird hierbei das gleiche Bauelement zum Heizen und zum Erfassen der Temperatur verwendet. Für zahlreiche Anwendungsfälle scheidet ein solcher Durchflußgeber aber aus, da es kein Material gibt, das gegenüber der jeweiligen Flüssigkeit korrosionsbeständig ist, eine ausreichende Resistenz gegen die Leitfähigkeit der Flüssigkeit aufweist und in einem vorgegebenen, verhältnismäßig weiten Temperaturbereich von beispielsweise +10 bis +65°C eine ausreichend lineare Änderung seines elektrischen Widerstandes aufweist. Ein typischer Anwendungsbereich, in dem die hier geschilderten Schwierigkeiten eine wesentliche Rolle spielen, ist die Durchflußmengenmessung bei flüssigen Schmierstoffen, die einer Schmierstelle, beispielsweise einer von mehreren Zerstäubungsdüsen zum Schmieren von Stanzwerkzeugen zugeführt werden. Die hierbei verwendeten flüssigen Schmierstoffe liegen in einem sehr weiten Viskositätsbereich, zumal auch der abzudeckende Temperaturbereich sehr weit ist. Außerdem müssen mit demselben Durchflußgeber Durchflußmengen in einem sehr weiten Bereich erfaßbar sein, wobei Änderungen der Durchflußmenge ausreichend schnell erfaßbar sein müssen.

Ein bekanntes Verfahren der eingangs genannten Gattung arbeitet mit einem thermischen Durchflußgeber mit verhältnismäßig großer Masse. Dabei ergibt sich ein weitgehend linearer Verlauf, weil unmittelbar das Produkt aus der spezifischen Wärmekapazität der Flüssigkeit und dem Massenstrom gemessen wird, der das Produkt aus der Dichte und dem Volumenstrom darstellt. Die spezifische Wärmekapazität und die Dichte können hierbei mit guter Genauigkeit als konstant angenommen werden. Der Durchflußgeber stellt prinzipiell einen Durchlauferhitzer dar, der dem Flüssigkeitsstrom eine konstante Wärmeleistung zuführt. Die im Flüssigkeitsstrom gemessene Temperatur stellt dann einen Wert für die Durchflußmenge dar.

Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens und des dabei verwendeten Durchflußgebers, die einen Einsatz insbesondere für beschriebenen Anwendungsfälle ausschließen, liegen in erster Linie darin, daß im unteren Einsatzbereich eine viel zu große Trägheit vorliegt. Die sich im praktischen Einsatz ergebenden Ansprechzeiten liegen in der Größenordnung von mehr als einer Stunde.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das eine genaue und rasch ansprechende Durchflußmengenmessung in einem sehr weiten Bereich der Durchflußmengen auch bei sehr unterschiedlichen Viskositäten und Temperaturen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Temperaturgeber ein Zweipunktgeber ist, der bei Unterschreiten einer vorgegebenen konstanten Temperatur ein Signal liefert, daß das Heizelement nur eingeschaltet wird, solange der Temperaturgeber ein Signal liefert, und daß die dem Heizelement zugeführte, gemittelte elektrische Leistung als Maß für die Durchflußmenge ausgewertet wird.

Da im Gegensatz zu bekannten Verfahren hierbei nicht eine Änderung der Temperatur als Maß für eine Änderung der Durchflußmenge erfaßt wird, sondern eine konstante Temperatur eingehalten wird, ergeben sich trotz der verhältnismäßig großen Masse des Durchflußgebers kurze Ansprechzeiten. Da die Temperatur weitgehend konstant gehalten wird, ist die hierbei aufgenommene elektrische Leistung unmittelbar und mit großer Linearität ein Maß für die Durchflußmenge. Die Wärmekapazität des Durchflußgebers ist ohne spürbaren Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Ein Überhitzen ist ausgeschlossen. Die zugeführte elektrische Leistung ist meßtechnisch leichter und genauer zu erfassen als die Temperatur. Der als Zweipunktgeber ausgeführte Temperaturgeber dient hierbei nur dazu, die Temperatur konstant zu halten, was mit wesentlich größerer Genauigkeit möglich ist als eine Messung einer sich ändernden Temperatur.

Vorzugsweise wird das Einschaltverhältnis des Heizelements als Maß für die Durchflußmenge ausgewertet. Das Einschaltverhältnis ist das Verhältnis von Einschaltzeit zu Periodendauer. Die Periodendauer ist die Summe von Einschaltzeit und Ausschaltzeit. Zur Vereinfachung des Auswertevorgangs trägt wesentlich bei, daß das Heizelement während der Einschaltzeit mit konstanter elektrischer Leistung versorgt wird. Dieses Verhältnis kann in meßtechnisch sehr einfacher Weise auch digital ausgewertet werden, wobei sich die Auswertegenauigkeit wesentlich gegenüber einer analogen Meßwertverarbeitung erhöht. Das digitale Meßsignal kann störungssicher über große Entfernungen übertragen werden, wobei die Zwischenschaltung eines Analog-Digital-Wandlers überflüssig ist.

Da der Temperaturgeber nur bei Nenntemperatur, d. h. an einem nur einmal abzugleichenden Arbeitspunkt betrieben wird, brauchen keine besonderen Anforderungen an die Genauigkeit der Kennlinie des Temperaturgebers gestellt zu werden.

Ausgehend vom bekannten Stand der Technik eines thermischen Durchflußgebers mit größerer Masse, der ein elektrisch beheiztes Heizelement und einen Temperaturgeber aufweist, die in wärmeleitender Verbindung in einem von einer Flüssigkeit durchflossenen Durchflußkörper angeordnet sind, mit einer Auswerteschaltung, die das vom Temperaturgeber gelieferte Signal verarbeitet, ist ein durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeigneter thermischer Durchflußgeber erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgeber und das Heizelement unmittelbar miteinander in wärmeleitender Verbindung stehen und daß zwischen der den Durchflußgeber und das Heizelement umfassenden Baugruppe und dem Durchflußkörper eine auswechselbare Wärmedämmschicht angeordnet ist. Hierbei wird absichtlich teilweise ein Wärmekurzschluß zwischen dem Heizelement und dem Temperaturgeber geschaffen, während zwischen dieser Baugruppe einerseits und dem von der Flüssigkeit durchströmten Durchflußkörper ein veränderbarer Wärmewiderstand vorgesehen wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Durchflußgeber zur Anpassung an die Anforderungen des jeweiligen Einsatzgebietes imHinblick auf Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit zu optimieren. Je nach Bedarf kann diese Optimierung stärker in Richtung auf eine verkürzte Ansprechzeit oder auf eine erhöhte Meßgenauigkeit ausgerichtet werden. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die durch den begrenzten Wärmekurzschluß zwischen dem Heizelement und dem Temperaturgeber erreichte wesentliche Verkürzung der Ansprechzeit mit einer nur sehr geringen Verschlechterung der Meßgenauigkeit erkauft werden kann.

Vorzugsweise ist das Heizelement ein Transistor. Die Leistungsabgabe von Transistoren läßt sich leicht in weiten Betriebsbereichen beeinflussen bzw. konstant halten. Sie stehen als billige und leicht zu schaltende Bauelemente zur Verfügung. Die Funktion des Heizens und des Schaltens ist hierbei in ein und demselben Bauteil vereinigt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß bei dem thermischen Durchflußgeber das Heizelement eine seitlich überstehende metallische Fußplatte aufweist und daß der Temperaturgeber einen Gewindezapfen aufweist, der durch eine Bohrung in der Fußplatte des Heizelements in eine Gewindebohrung des Durchflußkörper eingeschraubt ist. Die Wärmedämmschicht, beispielsweise ein Glimmerplättchen, kann dann zwischen der Fußplatte und dem Durchflußkörper eingelegt werden. Der Durchflußgeber ist in dieser Form von sehr einfachem Aufbau und von sehr geringem Platzbedarf.

Um äußere Störeinflüsse zu vermeiden, werden der Durchflußkörper, das Heizelement und der Temperaturgeber vorzugsweise in einer gemeinsamen Wärmeisolierhülle angeordnet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, was in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:

Fig. 1 in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt einen thermischen Durchflußgeber,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Durchflußmengenmessung mittels des Durchflußgebers nach Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 ein vereinfachtes Diagramm des Signalverlaufs der Versorgungsspannung für das Heizelement.

Der in den Fig. 1 und 2 Durchflußgeber weist einen vorzugs­ weise aus Aluminium bestehenden Durchflußkörper 1 auf mit zwei parallelen Sacklochbohrungen 2, 3, die an ihren jeweils offenen Enden (rechts in Fig. 2) mit einer Zuleitung und einer Ableitung für die Flüssigkeit verbunden sind, deren Durchflußmenge bestimmt werden soll. An ihren geschlossenen Enden sind die beiden Sacklochbohrungen 2, 3 miteinander durch eine Querbohrung 4 verbunden. Die Bohrungen 2, 3 und 4 bilden in dem Durchflußkörper 1 einen Durchflußkanal für die zu messende Flüssigkeit. Hierbei kann es sich beispielsweise um Schmieröl handeln, das zu einer Schmierstelle, beispiels­ weise einer von mehreren Zerstäuberdüsen einer Vernebelungsschmieranlage fließt. Ein herkömmlicher Transistor 5 bildet ein Heizelement. Eine seitlich überstehende metallische Fußplatte 6 des Transistors 5 weist eine Bohrung 7 auf. Ein als Heißleiter ausgebildeter Temperaturgeber 8 ist mit einem Gewindezapfen 9 versehen, der durch die Bohrung 7 in eine Gewindebohrung 10 des Dürchflußkörpers 1 eingeschraubt ist. Zwischen der metallischen Fußplatte 6 und der Oberfläche des Durchflußkörpers 1 ist ein Glimmerplättchen 11 eingelegt, das einen durch Austauschen veränderbaren Wärmeübergangswiderstand zwischen der aus dem Transistor 5 und dem Temperaturgeber 8 gebildeten Baugruppe einerseits und dem Durchflußkörper 1 andererseits bildet.

Der Transistor 5, der Temperaturgeber 8 und der damit verbundene Durchflußkörper 1 sind in einer in Fig. 1 mit strichpunktierter Linie nur schematisch angedeuteten gemeinsamen Wärmeisolierhülle 12 aufgenommen, um störende Temperatureinflüsse von außen weitgehend auszuschalten.

Die Verwendung von Aluminium für den Durchflußkörper 1 ist für den beschriebenen Anwendungsfall sehr günstig, weil eine verhältnismäßig geringe Wärmekapazität (die bei dem Durchflußkörper 1 allein etwa 31 J/K und zusammen mit den zugehörigen Anschlußverschraubungen etwa 50 J/K beträgt) mit möglichst guter Wärmeleitfähigkeit kombiniert wird. Auf diese Weise läßt sich ein maximaler Linearitätsfehler von 50% bei einem Durchfluß von 500 cm³ Öl pro Stunde erreichen. Bei Aluminium liegt das Verhältnis der Wärmekapazität pro Volumeneinheit zur Wärmeleitfähigkeit niedriger als beispielsweise bei Stahl oder Kupfer.

Die Funktionsweise ergibt sich aus der folgenden Beschreibung eines vereinfacht dargestellten Blockschaltbilds in Fig. 3. An dem in Fig. 3 mit gestrichelter Linie angedeuteten Durchflußkörper 1 sind der Transistor 5 und der als Heißleiter ausgeführte Temperaturgeber 8 angeordnet. Der Durchflußkörper 1 wird durch die vom Transistor 5 abgegebene Wärme erwärmt. Die durch den Durchflußkörper 1 fließende Flüssigkeit entnimmt diesem eine Wärmemenge. Die Temperatur des Durchflußkörper 1 wird durch einen Temperaturfühler im Temperaturgeber 8 erfaßt. Eine im Temperaturfühler auftretende Widerstandsänderung wird in einer Schalteinheit 13 in eine Spannung umgesetzt, die einem Eingang eines Vergleichers 14 zugeführt wird. Am anderen Eingang 15 des Vergleichers 14 steht eine konstante Spannung als Sollwert an. Der Vergleicher 14 liefert an seinem Ausgang 16 eine Ausgangsspannung, die der Differenz zwischen der ersten Eingangsspannung und dem Sollwert im Vergleicher 14 entspricht.

In einer Schalteinheit 17 wird am Ausgang 18 eine konstante Ausgangsspannung nur dann erzeugt, wenn am Eingang eine posititve Spannung ansteht, d. h. wenn die von der Schalteinheit 13 gelieferte Spannung höher als der Sollwert am Eingang 15 ist.

Ein Schaltverstärker 19 schaltet die an seinem Eingang 20 anstehende Versorgungsspannung über eine Leitung 21 nur dann auf den Transistor 5, wenn am Ausgang 18 der Schalteinheit 17 eine Spannung ansteht. Auf diese Weisung ergibt sich in der Leitung 21 der in Fig. 4 vereinfacht dargestellte Verlauf der Spannung U über der Zeit t, d. h. der Transistor 5 wird umso häufiger und/oder länger eingeschaltet, je häufiger und/oder länger der Temperaturgeber 8 ein Absinken der Isttemperatur des Durchflußkörpers 1 unter die die vorgegebene konstante Temperatur feststellt.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung stellt somit einen Regelkreis dar, der die Temperatur des Durchflußkörpers 1 auf einem vorgegebenen Wert konstant hält. Die den Transistor 5 hierbei intermittierend durch die Leitung 21 zugeführte elektrische Leistung stellt ein Maß für die von der durchströmenden Flüssigkeit aufgenommene Wärmeleistung dar, die unmittelbar ein Maß für die Durchflußmenge ist. In einer an die Leitung 21 angeschlossenen Auswerteschaltung 22 wird der Spannungsverlauf in der Leitung 21, der in Fig. 4 dargestellt ist, in einen der Durchflußmenge entsprechenden Meßwert umgewandelt und einem Meßwertausgang 23 zugeführt.

Ohne die Notwendigkeit, einen Analog-Digital-Wandler einzusetzen, erhält man am Meßwertausgang 23 ein digitales Signal, das störungssicher auch über größere Entfernungen übertragen und verarbeitet werden kann.

Die beschriebene Möglichkeit, den Wärmeübergangswiderstand zwischen der aus dem Transistor 5 und dem Temperaturgeber 8 bestehenden Baugruppe einerseits und dem Durchflußkörper 1 andererseits durch Auswechseln des Glimmerplättchens 11 zu verändern, ermöglicht es, die Periodenzeit der in der Leitung 21 dem Transistor 5 zugeführten elektrischen Leistung optimal zu verkürzen, wobei jede Periodendauer aus der Einschaltzeit und der Ausschaltzeit besteht; dies entspricht der Aufheizzeit und der Abkühlzeit für den Transistor 5. Eine möglichst kurze Periodendauer ist wichtige Voraussetzung für ein schnelles Ansprechen des Temperaturgeber auf Änderungen der Durchflußmenge in der Zeiteinheit.

Claims (10)

1. Verfahren zur Durchflußmengenmessung mittels eines thermischen Durchflußgebers, der ein elektrisch beheiztes Heizelement und einen Temperaturgeber aufweist, der ein von der Temperatur abhängiges Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgeber ein Zweipunktgeber ist, der bei Unterschreiten einer vorgegebenen konstanten Temperatur ein Signal liefert, daß das Heizelement nur eingeschaltet wird, so lange der Temperaturgeber ein Signal liefert und daß die dem Heizelement zugeführte, gemittelte elektrische Leistung als Maß für die Durchflußmenge ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschaltverhältnis des Heizelements als Maß für die Durchflußmenge ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperaturgeber eine der Temperatur entsprechende Spannung erzeugt wird, die mit einem Sollwert verglichen wird und daß der Temperaturgeber nur dann ein Signal zum Einschalten des Heizelements liefert, wenn die der Temperatur entsprechende Spannung niedriger als der Sollwert ist.

4. Thermischer Durchflußgeber zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3 mit einem elektrisch beheizten Heizelement und einem Temperaturgeber, die in wärmeleitender Verbindung in einem von einer Flüssigkeit durchflossenen Durchflußkörper angeordnet sind, mit einer Auswerteschaltung, die das vom Temperaturgeber gelieferte Signal verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgeber (8) und das Heizelement (5) unmittelbar miteinander in wärmeleitender Verbindung stehen und daß zwischen der den Temperaturgeber (8) und das Heizelement (5) umfassenden Baugruppe einerseits und dem Durchflußkörper (1) andererseits eine auswechselbare Wärmedämmschicht (11) angeordnet ist.

5. Durchflußgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein Transistor (5) ist.

6. Durchflußgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgeber (8) ein Heißleiter ist.

7. Durchflußgeber nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (5) eine seitlich überstehende metallische Fußplatte (6) aufweist und daß der Temperaturgeber (8) einen Gewindezapfen (9) aufweist, der durch eine Bohrung (7) in der Fußplatte (6) des Heizelements (5) in eine Gewindebohrung (10) des Durchflußkörpers (1) eingeschraubt ist.

8. Durchflußgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht ein zwischen der Fußplatte (6) und dem Durchflußkörper (1) angeordnetes Glimmerplättchen (11) ist.

9. Durchflußgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkörper (1) ein Metallblock ist, der zwei parallele Sacklochbohrungen (2, 3) aufweist, die an ihren geschlossenen Enden miteinander durch eine Querbohrung (4) verbunden sind und einen Durchflußkanal für die Flüssigkeit bilden.

10. Durchflußgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkörper (1), das Heizelement (5) und der Temperaturgeber (8) in einer gemeinsamen Wärmeisolierhülle (12) angeordnet sind.