DE3842399C2

DE3842399C2 - Mikroströmungsfühler für Gase

Info

Publication number: DE3842399C2
Application number: DE3842399A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Krause; Albert Randow
Original assignee: Fisher Rosemount Gmbh and Co
Current assignee: Emerson Process Management GmbH and Co OHG
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2008-12-17
Also published as: FR2640746A1; DE3842399A1; FR2640746B1; GB8913911D0; GB2226139A; GB2226139B; US4996876A

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroströmungsfühler für Gase, bestehend aus einem senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases ausgespannten, mindestens einseitig elastisch aufge hängten, langgestreckten, stromdurchflossenen Heizleiter und zwei dünnen Drähten als Widerstandsthermometer, von denen der eine in Strömungsrichtung vor und der andere hin ter dem Heizleiter angeordnet ist, die mit dem Heizleiter in einer Ebene liegen, die im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Heizleiters und mit einem solchen Abstand zu diesem verlaufen, daß sie dessen Erwärmung des strömen den Gases registrieren, und die an ihren beiden Enden in Zwischenleitungen übergehen.

Durch den Aufsatz "Reverse flow sensing hot wire anemo meter", veröffentlicht im Journal of Physics E: Scientific Instruments 1972, Band 5, Nr. 9, September, Seiten 849 bis 851, ist ein Mikroströmungsfühler bekannt, bei dem die Widerstandsthermometer beidseitig des Heizleiters aber unabhängig von diesem an Anschlußdrähten gehalten sind. Die Ebenen, in denen sich die Widerstandsthermometer einerseits und der Heizleiter andererseits befinden, stehen senkrecht zueinander, so daß schon aus diesem Grunde eine Befestigung der Anschlußdrähte am Heizleiter nicht oder nur unter Inkaufnahme weiterer Nachteile mög lich ist. Durch die senkrechte Anordnung der Widerstands thermometer zum Heizleiter wird erreicht, daß im wesent lichen nur eine Strömungsrichtung meßtechnisch erfaßt wird, nämlich die senkrechte Anströmung von Widerstands thermometern und Heizleiter. Da die Drähte auf dem größten Teil ihrer Länge einen großen Abstand zueinander haben, hat der Fühler eine große, für zahlreiche Anwendungsfälle untragbare Zeitkonstante. Außerdem ist dem Meßsignal ins besondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ein star kes Rauschen überlagert. Wie aus dem Aufsatz hervorgeht, ist das bekannte System für Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 25 m pro Sekunde, also etwa Kraftfahrzeuggeschwindig keit, geeignet.

Durch die DE-AS 20 52 645 ist ein thermoelektrisches Ane mometer mit zwei Thermoelementen bekannt, von denen eines mit dem Heizdraht in Verbindung steht. Ein derartiges Meß gerät ist nur für relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich zwischen 0,5 und 10 m pro Sekunde geeignet. Der bekannte Gegenstand soll dazu dienen, Luftgeschwindigkei ten zu messen, wie sie hinter einem Kraftfahrzeugkühler, an der Auslaßöffnung eines Heizkörpers, eines Luftkühlers oder eines Entfrosters auftreten.

Bei einigen physikalischen Meßverfahren geht es darum, in Gasen sehr kleine pulsierende Drücke oder Volumenströme zu messen, die um mehrere Größenordnungen kleiner sind als bei den vorstehend beschriebenen Anemometern. Hierzu gehö ren beispielsweise die Infrarot-Gasanalyse, Leckmessungen in niedrigen Empfindlichkeitsbereichen, Atemmessungen in der Medizin oder andere Messungen mit sehr geringem Gas verbrauch aufgrund eines physikalischen Vorgangs.

Für die Messung von Gasvolumenströmen können Mikroströ mungsfühler der eingangs beschriebenen Gattung verwendet werden, die auch als Hitzdrahtanemometer bezeichnet wer den. Unter einem schnellen Mikroströmungsfühler für Gase versteht man ein Strömungsmeßsystem für sehr kleine Volu menströme, dessen funktionsbildende Elemente zwei oder mehrere, über eine Gasstrecke temperaturgekoppelte, zum Teil massearme Festkörpergebilde darstellen. Dabei wird von einem erwärmten Festkörpergebilde, das zum Beispiel ein relativ träges, massebehaftetes Teil sein kann, in dem zu messenden Gas eine heiße Wolke aufgebaut, die durch ein Isothermenfeld beschrieben werden kann. Eine erzwungene Strömung verformt die Gaswolke bzw. das Isothermenfeld. Durch einen oder mehrere massearme Temperaturfühler, die innerhalb der Gaswolke angeordnet sind, kann ein in Gren zen strömungsproportionales Signal erzeugt werden.

Die Forderung nach geringer Massenträgheit der Temperatur fühler führt beispielsweise zu Widerstandsthermometern aus äußerst dünnen Widerstandsdrähten, deren Durchmesser zwi schen etwa 0,5 und 5·10^-3 mm liegt. Eine geringe Massen trägheit ist deswegen erforderlich, damit die Widerstands thermometer auch noch bei pulsierenden Gasströmungen in der Größenordnung zwischen etwa 10 und 50 Hz ein ausrei chendes Auflösungsvermögen besitzen.

Bei einem Strömungsfühler für kleinste Strömungen muß außerdem dafür gesorgt werden, daß keinerlei freie Kon vektion innerhalb des Fühlers auftreten kann, die im Gegensatz zur erzwungenen Konvektion des Meßeffektes steht. Dies erfordert Abmessungen des aktiven Leiter volumens, die bei etwa 1 mm³ und darunter liegen. Die Länge der Widerstandsthermometer soll dabei nach Möglich keit zwischen 0,4 und 1,5 mm liegen. Gemäß den vorstehend genannten Forderungen und den Konstruktionsvorschriften ergibt sich, daß ein derartiger Mikroströmungsfühler ein extremes Produkt der Feinwerktechnik mit hohen Anforderun gen an die Präzision der Fertigung ist. Damit sind notwen digerweise hohe Gestehungskosten mit erheblichem Lohnan teil verbunden.

Durch die Dissertation "Schnelle Meßfühler für kleine Gas ströme", 9. Dezember 1974, von Dr. Günter Schunck, Fakul tät für Elektrotechnik der Universität Karlsruhe, ist ein Mikroströmungsfühler der eingangs beschriebenen Gattung vorbekannt. Bei dem bekannten Mikroströmungsfühler sind der Heizleiter und die beiden Widerstandsthermometer unab hängig voneinander an Anschlußdrähten aufgehängt, die aufgrund ihrer federnden Ausbildung eine thermische Längenausdehnung zulassen. Während ein derartiger Mikro strömungsfühler den an ihn gestellten meßtechnischen Forderungen in vollem Umfange genügt, hat es sich in der Praxis gezeigt, daß er empfindlich gegen Erschütterungen und kostspielig in der Fertigung ist. Durch die bei man chen Meßgeräten unvermeidlichen Erschütterungen tritt gelegentlich eine Zerstörung der empfindlichen Wider standsthermometer auf. Auch bei der Montage ergeben sich Probleme, da die Widerstandsthermometer einzeln an einge schmolzenen Anschlußdrähten befestigt werden müssen, wobei sie mechanisch nicht überfordert werden dürfen.

Schließlich ist durch die DE-PS 26 56 487 ein Mikro strömungsfühler für Gase bekannt, bestehend aus einem senkrecht zur Strömungsrichtung ausgespannten, mindestens einseitig elastisch aufgehängten, länglichen stromdurch flossenen Heizleiter und je einem in Strömungsrichtung davor und danach und im Einflußbereich des Heizleiters angeordneten Widerstandsthermometer, welche aus dünnem Draht bestehen, an ihren Enden zwischen dickeren Anschluß drähten gehalten sind, in der gleichen Ebene wie der Heiz leiter liegen, im wesentlichen parallel und mit Abstand zu diesem verlaufen und an ihren beiden Enden in die Enden der Anschlußdrähte übergehen, wobei die Anschlußdrähte vom Heizleiter getragen werden. Dieser bekannte Mikroströ mungsfühler ist erfahrungsgemäß besonders unempfindlich gegen Erschütterungen und ermöglicht eine Herstellung mit relativ geringem Aufwand bei geringer Ausschußrate.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der Vorteile des bekannten Mikroströ mungsfühlers eine erhebliche Empfindlichkeitssteigerung zu erreichen.

Die Aufgabe wird bei einem Mikroströmungsfühler der ein gangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zwischenleitungen von jeweils einem Ende der Widerstandsthermometer mit Anschlußstiften eines Meßkreises und einer Gleichspannungsquelle elektrisch leitend verbun den sind, daß die Zwischenleitungen von den jeweils anderen Enden der Widerstandsthermometer mit einer gemeinsamen Grundplatte auf Massepotential in elektrischer Verbindung stehen und daß der Heizleiter im Bereich der beiden paral lel zu ihm angeordneten Widerstandsthermometer mäanderför mig verlegt ist, wobei die Schenkel der Mäanderbögen in Richtung der Längsachse des Heizleiters verlaufen.

Vorzugsweise sind die Mäanderbögen des stromdurchflossenen Heizleiters im Bereich der Enden der einander parallelen Schenkel mit Isolierkörpern verbunden, und die einander gegenüberliegenden Paare von Zwischenleitungen sind über weitere Isolierkörper mit der jeweils benachbarten Partie des Heizleiters verbunden.

Mit Vorteil sind die Isolierkörper aus Glasperlen gebil det, in die der Heizleiter bzw. die Zwischenleitungen eingeschmolzen sind.

Bei einer alternativen Lösung sind die Zwischenleitungen von jeweils einem Ende der Widerstandsthermometer mit Anschlußstiften eines Meßkreises und einer Gleichspan nungsquelle elektrisch leitend verbunden, stehen die Zwischenleitungen von den jeweils anderen Enden der Wider standsthermometer mit einer gemeinsamen Grundplatte auf Massepotential in elektrischer Verbindung und ist der Heizleiter im Bereich der beiden parallel zu ihm angeordne ten Widerstandsthermometer in mehrere zueinander und zur Längsachse des Heizleiters parallele Heizleiterabschnitte verzweigt, die über quer zu den Heizleiterabschnitten ange ordnete, elektrisch leitende Jochteile gehalten sind.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen schema tisch näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Mikroströ mungsfühlers, der in eine Meßanordnung für ein Infrarot-Gasanalysengerät eingebaut ist,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des Heizleiters und der Widerstandsthermometer mit dem zugehörigen Meßkreis,

Fig. 3 die diagrammatische Darstellung der Temperatur verteilung an den beiden Widerstandsthermometern und dem Heizleiter und

Fig. 4 die alternative Ausführungsform eines Heizlei ters.

In Fig. 1 ist eine Grundplatte 10 dargestellt, in die Durchführungsisolatoren 14, 15, 16 mit Anschlußstiften 11, 12, 13 eingesetzt sind, wobei die Anschlußstifte 11, 12, 13 der Zuführung des Heiz- bzw. Meßstroms für einen Heiz leiter 17 und für zwei Widerstandsthermometer 34, 35 dienen. Weitere Anschlußstifte 24, 25, 26 sind vorgesehen, um die beiden Enden von zwei Zwischenleitern 28, 30 und das eine Ende des Heizleiters 17 bzw. seines Anschluß bügels 36 mit der Grundplatte 10 und damit mit Masse zu verbinden.

Etwa in der Mitte des Heizleiters 17 ist dieser hin- und hergehend bzw. in zwei Mäanderbögen 18, 19 verlegt, so daß insgesamt drei Schenkel 17′, 17′′, 17′′′ des Heizleiters 17 zueinander geometrisch parallel verlaufen, wobei die Buch ten 18, 19 jeweils mit Hilfe von Isolierkörpern 20, 21 in dieser Konfiguration fixiert sind.

Die beiden Widerstandsthermometer 34, 35 sind mit ihren Enden mit Zwischenleitungen 28, 29 bzw. 30, 31 verlötet, die ihrerseits mit Hilfe von Isolierkörpern 22, 23 am Heizleiter 17 befestigt sind, derart, daß sich sowohl die drei Schenkel 17′, 17′′, 17′′′ des Heizleiters 17 als auch die beiden Widerstandsthermometer 34, 35 in einer Ebene befinden, die parallel zur Ebene der Grundplatte 10 verläuft.

Beiderseits der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Heiz leiter- und Widerstandsthermometer-Anordnung befinden sich zwei Kammern 41, 42, deren Austrittsöffnungen 43, 44 ein ander gegenüber liegen und auf die Anordnung ausgerichtet sind. Die Kammern 41, 42 sowie die Austrittsöffnungen 43, 44 werden durch entsprechend profilierte, planparallele Segmentkörper 45, 46 gebildet, die spiegelbildlich ange ordnet sind. Die Anordnung nach Fig. 1 setzt sich nach oben hin in einem Gehäuse (nicht dargestellt) fort, in dem gasgefüllte größere Kammern und Verbindungskanäle angeord net sind, die zu den Kammern 41, 42 führen. Diese größeren Kammern erzeugen bei abwechselnder periodischer Absorption von Strahlungsenergie, z. B. Infrarotstrahlung, eine zwi schen den Kammern 41, 42 hin und her pulsierende Strömung, wobei die Anordnung von der sich durch die Austrittsöff nungen 43 und 44 ausbildenden Gasströmung beaufschlagt wird.

Die Anordnung gemäß Fig. 2, deren Elemente sämtlich in einer Ebene liegen, bildet zusammen mit dem Heizleiter 17 und den Federbügeln 36, 37 eine selbsttragende Einheit, die bei der Montage lediglich noch mit den Anschlußstiften 11, 12, 13 bzw. mit der Grundplatte 10 über die Anschluß stifte 24, 25, 26 verbunden werden muß.

Beim Betrieb des Mikroströmungsmessers, beispielsweise im Rahmen eines Infrarot-Gasanalysengerätes, stellt sich eine pulsierende Wechselströmung (A-B) ein. Durch diese Strö mungen wird das Isothermenfeld, welches sich im Ruhezu stand koaxial zum Heizleiter 17 ausbildet, definiert gestört, wobei das jeweils zuerst angeströmte Widerstands thermometer 34 bzw. 35 abgekühlt wird. Durch diesen Effekt wird die eingestellte Symmetrie einer Brückenschaltung 40 gestört, die aus den Widerstandsthermometern 34, 35, aus Widerständen 32, 33 und einem Verstärker 39 besteht, an dem ein auf die zu messende Größe geeichtes Spannungsmeßge rät angeordnet ist. Die meßtechnische Verarbeitung der Widerstandsänderungen an den Widerstandsthermometern ergibt sich aufgrund der nicht in allen Einzelheiten dargestellten Leitungsführung, die im übrigen, für sich genommen, Stand der Technik ist und daher auch nicht weiter erläutert zu werden braucht. Hinsichtlich der Drahtdurchmesser sei erwähnt, daß die Dicke der Anschlußdrähte zwischen etwa 10 und 20×10^-3 mm liegt, während die Dicke der Widerstands thermometer zwischen etwa 0,5 und 5×10^-3 mm, vorzugsweise bei etwa 1×10^-3 mm, liegt.

Durch die Wechselwirkung der Heizleiterschenkel 17′, 17′′, 17′′′ untereinander verstärkt sich der Meßeffekt dadurch, daß der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes bei eingeprägtem Strom die Leistung in den Heizleiterabschnitten aktiv zur strömungsabgewandten Seite hin verschiebt, da hier über die Widerstandserhöhung bei höherer Temperatur mehr Arbeit geleistet wird. Dabei ergibt sich: L=U×I=R×I²=I2×R(T).

Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 wird beispielsweise angenommen, daß das Gas (Pfeil A) von links nach rechts strömt. In diesem Falle erfolgt eine Temperaturverschie bung entsprechend der über den Drähten 34, 17′′′, 17′′, 17′, 35 eingezeichneten Kurven. Es ist deutlich zu sehen, daß ΔT′m₁ von ΔTm₁ sowie ΔT′m₂ von ΔTm₂ abweicht. Das Maß der Abweichung zeigt den meßbaren physikalischen Effekt. Der für die Widerstandsthermometer 34, 35 benutzte Werk stoff sollte einen möglichst großen Temperaturkoeffi zienten des elektrischen Widerstandes aufweisen. Bei elektrischer Parallelschaltung der Heizleiterabschnitte sollte der Temperaturkoeffizient negativ sein (z. B. Kohle faser), bei der elektrischen Serienschaltung der Heiz leiterabschnitte (Buchtenanordnung Fig. 2) sollte der Temperaturkoeffizient positiv sein (z. B. Platin), damit die Strömung die Heizleistungsverteilung in den einzelnen Heizleitern so verschiebt, daß die elektrische Leistung mitkoppelt.

Wie Fig. 4 zeigt, können anstelle eines einzigen Heizlei ters 17, der mäanderförmig verlegt ist, auch eine Vielzahl (mindestens zwei) von Heizleiterabschnitten 47′, 47′′, 47′′′ in einer Ebene nebeneinander und parallel zueinander angeordnet werden, die dann untereinander über kurze Draht stücke oder Jochteile 48, 49 miteinander verbunden sind. Die Jochteile 48, 49 ihrerseits wiederum sind mit dem Heiz leiter 47 verlötet oder verschweißt.

Bezugszeichenliste

10 Grundplatte
11 Anschlußstift
12 Anschlußstift
13 Anschlußstift
14 Durchführungsisolator
15 Durchführungsisolator
16 Durchführungsisolator
17 Heizleiter
18 Bucht
19 Bucht
20 Isolierkörper
21 Isolierkörper
22 Isolierkörper
23 Isolierkörper
24 Anschlußstift
25 Anschlußstift
26 Anschlußstift
27 Anschlußstift
28 Zwischenleitung
29 Zwischenleitung
30 Zwischenleitung
31 Zwischenleitung
32 Vorwiderstand
33 Vorwiderstand
34 Widerstandsthermometer
35 Widerstandsthermometer
36 Anschlußbügel
37 Anschlußbügel
38 Vorwiderstand
39 Differenzverstärker
40 Gleichspannungsquelle
41 Kammer
42 Kammer
43 Austrittsöffnung
44 Austrittsöffnung
45 Segmentkörper
46 Segmentkörper
47 Heizleiter
48 Jochteil
49 Jochteil.

Claims

1. Mikroströmungsfühler für Gase, bestehend aus einem senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases ausgespann ten, mindestens einseitig elastisch aufgehängten, lang gestreckten, stromdurchflossenen Heizleiter und zwei dünnen Drähten als Widerstandsthermometer, von denen der eine in Strömungsrichtung vor und der andere hinter dem Heizleiter angeordnet ist, die mit dem Heizleiter in einer Ebene liegen, die im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Heizleiters und mit einem solchen Abstand zu diesem verlaufen, daß sie dessen Erwärmung des strömenden Gases registrieren, und die an ihren beiden Enden in Zwischenleitungen übergehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenleitungen (29, 31) von jeweils einem Ende der Widerstandsthermometer (34, 35) mit Anschlußstiften (12, 13) eines Meßkreises und einer Gleichspannungsquelle (40) elektrisch leitend verbunden sind, daß die Zwischenleitungen (28, 30) von den jeweils anderen Enden der Widerstandsthermometer (34, 35) mit einer gemeinsamen Grundplatte (10) auf Massepo tential in elektrischer Verbindung stehen und daß der Heizleiter (17) im Bereich der beiden parallel zu ihm angeordneten Widerstandsthermometer (34, 35) mäander förmig verlegt ist, wobei die Schenkel (17′, 17′′, 17′′′) der Mäanderbögen in Richtung der Längsachse des Heizleiters (17) verlaufen.

2. Mikroströmungsfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenleitungen (29, 31) von jeweils einem Ende der Widerstandsthermo meter (34, 35) mit Anschlußstiften (12, 13) eines Meß kreises und einer Gleichspannungsquelle (40) elektrisch leitend verbunden sind, daß die Zwischenleitungen (28, 30) von den jeweils anderen Enden der Widerstandsther mometer (34, 35) mit einer gemeinsamen Grundplatte (10) auf Massepotential in elektrischer Verbindung stehen und daß der Heizleiter (47) im Bereich der beiden par allel zu ihm angeordneten Widerstandsthermometer (34, 35) in mehrere zueinander und zur Längsachse des Heiz leiters parallele Heizleiterabschnitte (47′, 47′′, 47′′′) verzweigt ist, die über quer zu den Heizlei terabschnitten angeordnete, elektrisch leitende Joch teile (48, 49) gehalten sind.

3. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mäanderbögen des stromdurchflossenen Heizleiters (17) im Bereich der Enden der einander par allelen Schenkel (17′, 17′′, 17′′′) über zwei Isolier körper (20, 21) miteinander verbunden sind und daß die einander gegenüberliegenden Paare von Zwischenleitungen (28, 30 bzw. 29, 31) über weitere Isolierkörper (22, 23) an den jeweils benachbarten Partien des Heizleiters (17) abgestützt sind.

4. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Isolierkörper (20 bis 23) aus Glas perlen gebildet sind, in die der Heizleiter (17) bzw. die Zwischenleitungen (28 bis 31) eingeschmolzen sind.

5. Verwendung eines Mikroströmungsfühlers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Messung der Gasströmung zwischen den beiden Kammern (41, 42) eines Infrarot-Gasanalysen gerätes.