DE4040375A1

DE4040375A1 - Thermischer durchflussmengenmesser

Info

Publication number: DE4040375A1
Application number: DE4040375A
Authority: DE
Inventors: Hichiro Ohtani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1991-06-27
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: JPH0383825U; US5163322A; KR930005043Y1; JP2524144Y2; DE4040375C2; KR910012243U

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußmengen messer, der unter Verwendung eines Wärmewiderstandselements die Durchflußmenge eines Fluids mißt.

Ein thermischer Durchflußmengenmesser ist beispielsweise in dem offengelegten JP-GM 61-1 08 930 beschrieben. Dieser thermische Durchflußmengenmesser ist so ausgebildet, daß ein Wärmewiderstandselement in einem Fluid angeordnet ist und die Durchflußmenge des Fluids nach Maßgabe der Temperaturbedin gungen des Wärmewiderstandselements gemessen wird.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines solchen Durchflußmengenmessers. Dabei ist ein Gleichrichtungsnetz 2 an der stromaufwärts liegenden Seite einer zylindrischen Leitung 1, die ein zu messendes Fluid führt, positioniert, wobei das Gleich richtungsnetz 2 zum Gleichrichten des zu messenden Fluid stroms verwendet wird, der in der zylindrischen Leitung 1 strömt. Gemäß Fig. 4 besteht das Gleichrichtungsnetz 2 aus miteinander zu einer gitterartigen Struktur verbundenen Drähten 2a. Ein vom Fluid gekühltes Wärmewiderstandselement 3 ist an der stromabwärts liegenden Seite des Gleichrich tungsnetzes 2 angeordnet. Dem Wärmewiderstandselement 3 wird steuernde elektrische Energie von einer elektronischen Schal tung 4 zugeführt. Diese besteht aus Widerständen 5, 6, 7, einem Differenzverstärker 8, einem Transistor 9 und einer Stromversorgung 10. Die Widerstände 5, 6, 7 bilden zusammen mit dem Wärmewiderstandselement 3 eine Wheatstone-Brücken schaltung. Der Differenzverstärker 8 ist mit dem Mittelpunkt der Wheatstone-Brücke verbunden. Das Leitvermögen des Tran sistors 9 wird durch den Differenzverstärker 8 gesteuert. Die Stromversorgung 10 speist die Wheatstone-Brückenschaltung durch den Transistor 9 mit elektrischer Energie.

Bei so aufgebauten Durchflußmengenmessern sind die Werte der Widerstände 5, 6, 7 so vorgegeben, daß das Wärmewiderstands element 3 eine vorbestimmte Temperatur erreicht. Wenn die Leitung 1 mit einem Fluid gespeist wird, wird das Wärmewider standselement 3 durch das strömende Fluid gekühlt. Der Grad dieser Kühlung ist der Fluiddurchflußmenge direkt propor tional. Da die Widerstandswerte des Wärmewiderstandselements 3 sich ändern, ist es andererseits möglich, die Ausgangsgröße nach Maßgabe der Durchflußmenge an einem Knotenpunkt "A" zu messen, an dem das Wärmewiderstandselement 3 mit dem Wider stand 6 verbunden ist. Diese Messung wird durch Steuern des Transistors 9 durch den Differenzverstarker 8 ermöglicht. Somit kann der Massendurchfluß des Fluids berechnet werden.

Wenn in diesem Fall die Strömung eines auf das Wärmewider standselement 3 einwirkenden Fluids gestört wird, ist es aber schwierig, die Fluiddurchflußmenge genau zu messen. Das Fluid kann durch Anbringen des Gleichrichtungsnetzes 2 stromaufwärts des Wärmewiderstandselements 3 stabilisiert werden.

Wenn nun bei einem solchen thermischen Durchflußmengenmesser das Gleichrichtungsnetz 2 nahe dem Wärmewiderstandselement 3 positioniert ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids ungleichmäßig verteilt. Anders ausgedrückt, stromab wärts der das Gleichrichtungsnetz 2 bildenden Drähte 2a strömt das Fluid langsam, während es in den Öffnungen der Drähte 2a schnell strömt. Gemäß der folgenden Gleichung ist es bekannt, daß die Wärmemenge Q, die das Fluid von der Ober fläche des Wärmewiderstandselements 3 absorbiert, dem Flächeninhalt des dem Fluid ausgesetzten Wärmewiderstandsele ments 3 direkt proportional ist.

Q = α (t₀-t₁) S

wobei

α = die Wärmeübertragungsrate des ganzen Wärmewiderstandselements 3;
t₀ = die Oberflächentemperatur des Wärmewiderstandselements 3;
t₁ = die Temperatur des Fluids; und
S = der Flächeninhalt des Wärmewiderstandselements 3.

Somit ändert sich gemäß Fig. 4 und 5 die Fläche des den Öff nungen der Drähte 2 zugewandten Wärmewiderstandselements 3 nach Maßgabe der Anordnung des Wärmewiderstandselements 3 und des Gleichrichtungsnetzes 2. Diese Tatsache zeigt, daß sich der Flächeninhalt S des Wärmewiderstandselements 3 ändert. Daher ändern sich auch die Ausgangscharakteristiken des thermischen Durchflußmengenmessers in Abhängigkeit von der Anordnung, in der das Gleichrichtungsnetz 2 und das Wärmewiderstandselement 3 angebracht werden.

Deshalb muß beim konventionellen thermischen Durchflußmengen messer das Wärmewiderstandselement 3 um einen festen Abstand L weiter weg angeordnet sein, wo das Problem einer ungleich mäßigen Strömung gelöst ist. Dies ist ein Hindernis bei der Miniaturisierung des thermischen Durchflußmengenmessers.

Bei den Wärmewiderstandselementen nach Fig. 6 und 7 haben Versuche bestätigt, daß der feste Abstand L wenigstens das 20fache der Breite W oder des Durchmessers d des Wärmewider standselement 3 betragen muß. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Maße des Wärmewiderstandselements 3 wie folgt:

Länge (l) ≧ Breite (W) ≧ Dicke (t), oder Länge (l) ≧ Durchmesser (d).

Die vorliegende Erfindung dient der Beseitigung des obigen Problems. Aufgabe der Erfindung ist also die Bereitstellung eines thermischen Durchflußmengenmessers, der miniaturisier bar ist, wobei Änderungen der Charakteristiken der Elemente unterdrückt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die Erfindung ein thermischer Durchflußmengenmesser bereitgestellt, der umfaßt: eine Leitung, die ein zu messendes Fluid führt; ein innerhalb der Leitung angeordnetes Wärmewiderstandselement; eine elektronische Schaltung, die das Wärmewiderstandselement mit steuernder elektrischer Energie speist; und ein Gleichrich tungsnetz zum Gleichrichten der Fluidströmung, das für die Leitung auf der stromaufwärts liegenden Seite des Wärmewider standselements vorgesehen ist, wobei das Wärmewiderstandsele ment und das Gleichrichtungsnetz so angeordnet sind, daß sie einander mit einem Abstand zugewandt sind, der innerhalb der 20fachen Breite oder des 20fachen Durchmessers des Wärmewiderstandselements liegt, und wobei das Wärmewider standselement und das Gleichrichtungsnetz so angeordnet sind, daß ein relativer Winkel zwischen einer Längsachse des Wärmewiderstandselements und Drähten des Gleichrichtungs netzes einen Winkel von 10° bis 80° bildet.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Aus führungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine Vorderansicht der Hauptkomponenten des thermi schen Durchflußmengenmessers nach einem Ausführungs beispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm der Charakteristiken des thermischen Durchflußmengenmessers von Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht des thermischen Durchflußmengenmessers gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 und 5 Vorderansichten des Gleichrichtungsnetzes; und

Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen des Aufbaus von Wärmewiderstandselementen.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben. Fig. 1 ist eine Vorderansicht, die den thermischen Durchflußmengenmesser von der Seite eines Gleichrichtungsnetzes 2 zeigt. Wenn das Gleichrichtungsnetz 2 und ein Wärmewiderstandselement 3 an einer Leitung 1 ange bracht sind, sind Drähte 2a, die das Gleichrichtungsnetz 2 bilden, so positioniert, daß sie dem Wärmewiderstandselement 3 zugewandt sind, so daß diese Drähte 2a um einen Winkel 8 zur Längsachse Y des Wärmewiderstandselements 3 geneigt sind. Ferner ist der Abstand L zwischen dem Gleichrichtungsnetz 2 und dem Wärmewiderstandselement 3 so vorgegeben, daß er kleiner als die 20fache Breite W oder der 20fache Durchmesser d des Wärmewiderstandselements 3 ist. Die übrigen Elemente dieses Ausführungsbeispiels entsprechen im wesentlichen denen von Fig. 3.

Damit ist es möglich, Anderungen der Flächen, die durch die Öffnungen der Drähte 2a auf das Wärmewiderstandselement 3 projiziert würden, zu verringern. Diese Verringerung erfolgt dadurch, daß die Längsachse Y des Wärmewiderstandselements 3 so verläuft, daß sie dem Gleichrichtungsnetz 2 zugewandt ist.

Anders ausgedrückt, wurde gemäß Fig. 2 festgestellt, daß bei einer Änderung des relativen Winkels zwischen dem Gleichrich tungsnetz 2 und dem Wärmewiderstandselement 3 die Flächen der Öffnungen des Gleichrichtungsnetzes 2, die auf die Oberfläche des Wärmewiderstandselements 3 projiziert würden, sich inner halb von Bereichen von 0° bis 10° und von 80° bis 90° stark ändern, wogegen die gleichen Flächen sich innerhalb eines Bereichs von 10° bis 80° nur wenig ändern.

Durch Vorgeben des relativen Winkels 8 zwischen dem Gleichrichtungsnetz 2 und dem Wärmewiderstandselement 3 auf einen Bereich von 10° bis 80° unterliegen also die Flächen der Öffnungen des Gleichrichtungsnetzes 2, die dem Wärmewiderstandselement 3 zugewandt sind, nur geringen Än derungen, ungeachtet etwaiger Änderungen der Befestigungspo sitionen des Gleichrichtungsnetzes 2 und des Wärmewider standselements 3. Es ist daher möglich, eine ungleichmäßige Ausgangsgrößenverteilung des thermischen Durchflußmengen messers zu unterdrücken. Aus den obengenannten Gründen ist es nicht mehr erforderlich, zwischen dem Gleichrichtungsnetz 2 und dem Wärmewiderstandselement 3 einen großen Abstand L vorzusehen. Dies ermöglicht die Miniaturisierung eines äußerst genauen thermischen Durchflußmengenmessers.

Wie oben beschrieben wurde, ist es also möglich, den thermi schen Durchflußmengenmesser zu miniaturisieren und Änderungen der Charakteristiken zu unterdrücken. Dies ist darauf zurück zuführen, daß der thermische Durchflußmengenmesser in ein facher Weise so aufgebaut ist, daß das Gleichrichtungsnetz und das Wärmewiderstandselement unter einem Winkel zwischen 10° und 80° relativ zueinander angeordnet sind.

Claims

1. Thermischer Durchflußmengenmesser, gekennzeichnet durch
eine Leitung (1), die ein zu messendes Fluid führt;
ein innerhalb der Leitung (1) angeordnetes Wärmewiderstands element (3);
eine elektronische Schaltung (4), die das Wärmewiderstands element (3) mit steuernder elektrischer Energie speist; und
ein Gleichrichtungsnetz (2) zum Gleichrichten der Fluidströ mung, das für die Leitung (1) auf der stromaufwärts liegenden Seite des Wärmewiderstandselements (3) vorgesehen ist, wobei das Wärmewiderstandselement (3) und das Gleichrichtungsnetz (2) so angeordnet sind, daß sie einander mit einem Abstand (L) zugewandt sind, der innerhalb der 20fachen Breite (W) oder des 20fachen Durchmessers (d) des Wärmewiderstandsele ments (3) liegt, und wobei das Wärmewiderstandselement (3) und das Gleichrichtungsnetz (2) so angeordnet sind, daß ein relativer Winkel zwischen einer Längsachse (Y) des Wärmewiderstandselements (3) und Drähten (2a) des Gleichrich tungsnetzes (2) einen Wert (R) von 10° bis 80° hat.

2. Thermischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (4) aufweist: mehrere Wider stände (5, 6, 7), die zusammen mit dem Wärmewiderstandsele ment (3) eine Wheatstone-Brückenschaltung bilden; einen mit dem Mittelpunkt der Wheatstone-Brückenschaltung verbundenen Differenzverstärker (8); einen Transistor (9), dessen Leitvermögen vom Differenzverstärker (8) gesteuert wird; und eine Stromversorgung (10), die die Wheatstone-Brückenschaltung über den Transistor (9) mit elektrischer Energie versorgt.