DE4040375C2 - Thermischer Durchflußmengenmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußmengenmes­ ser, der unter Verwendung eines Wärmewiderstandselementes die Durchflußmenge eines Fluids mißt.

Ein thermischer Durchflußmengenmesser ist beispielsweise in der JP-GM-OS-62-108 930 beschrieben. Dieser herkömmliche thermische Durchflußmengenmesser ist so ausgebildet, daß ein Wärmewiderstandselement in einem Fluid angeordnet ist und die Durchflußmenge des Fluids nach Maßgabe der Temperaturbedin­ gungen des Wärmewiderstandselementes gemessen wird.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines solchen Durchflußmengenmessers. Dabei ist ein Gleichrichtungsnetz 2 an der stromaufwärts lie­ genden Seite einer zylindrischen Leitung 1 positioniert, wo­ bei das Gleichrichtungsnetz 2 zum Gleichrichten des zu mes­ senden Fluidstroms verwendet wird, der in der zylindrischen Leitung 1 strömt. Gemäß Fig. 4 besteht das Gleichrichtungs­ netz 2 aus Drähten 2a, die miteinander zu einer gitterartigen Struktur verbunden sind. Ein vom Fluid gekühltes Wärmewider­ standselement 3 ist an der stormabwärts liegenden Seite des Gleichrichtungsnetzes 2 angeordnet. Dem Wärmewiderstandsele­ ment 3 wird gesteuert elektrische Energie von einer elektro­ nischen Schaltung 4 zugeführt. Diese besteht aus Widerständen 5, 6 und 7, einem Differenzverstärker 8, einem Transistor 9 und einer Stromversorgung 10. Die Widerstände 5, 6 und 7 bil­ den zusammen mit dem Wärmewiderstandselement 3 eine Wheat­ stone-Brückenschaltung. Der Differenzverstärker 8 ist mit den Mittelpunkten der beiden Zweige der Wheatstone-Brückenschal­ tung verbunden. Das Leitvermögen des Transistors 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 und 7 so vorgegeben, daß das Wärmewider­ standselement 3 eine vorbestimmte Temperatur erreicht. Wenn die Leitung 1 mit einem Fluid gespeist wird, dann wird das Wärmewiderstandselement 3 durch das strömende Fluid gekühlt. Der Grad dieser Kühlung ist der Fluiddurchflußmenge direkt proportional und bewirkt zunächst, daß die Widerstandswerte des Wärmewiderstandselementes 3 sich ändern. Durch Gegensteu­ ern des Transistors 9 über den Differenzverstärker 8 wird es möglich, eine Ausgangsgröße nach Maßgabe der Durchflußmenge an dem Knotenpunkt "A" zu messen, an dem das Wärmewider­ standselement 3 mit dem Widerstand 6 verbunden ist. Somit kann der Massendurchfluß des Fluids berechnet werden.

Wenn in diesem Falle die Strömungsverteilung des auf das Wär­ mewiderstandselement 3 einwirkenden Fluids gestört wird, ist es aber schwierig, die Fluiddurchflußmenge genau zu messen. Das Fluid kann durch Anbringen des Gleichrichtungsnetzes 2 stromaufwärts des Wärmewiderstandselementes 3 stabilisiert werden.

Wenn nun bei einem solchen thermischen Durchflußmengenmesser das Gleichrichtungsnetz 2 nahe dem Wärmewiderstandselement 3 positioniert ist, sind die Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids über die Auftreff-Fläche ungleichmäßig verteilt: stromabwärts 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 Wärmewiderstandselementes 3 abzieht, der dem strö­ menden Fluid ausgesetzten Fläche des Wärmewiderstandselemen­ tes 3 direkt proportional ist:

Q = α (t0 - t1) S,

wobei
α = Wärmeübertragungsrate des ganzen Wärmewiderstands­ elementes 3;
t0 = Oberflächentemperatur des Wärmewiderstandselemen­ tes 3;
t1 = Temperatur des Fluids; und
S = Fläche des Wärmewiderstandselementes 3, die dem strömenden Fluid ausgesetzt ist.

Gemäß Fig. 4 und 5 ändert sich die durch die Öffnungen im Gleichrichtungsnetz 2 freigegebene Fläche am Wärmewider­ standselement 3 nach Maßgabe der Anordnung des Wärmewider­ standselementes 3 und des Gleichrichtungsnetzes 2, also die Fläche S. Daher ändern sich auch die Ausgangscharakteristiken des thermischen Durchflußmengenmessers in Abhängigkeit von der Anordnung, in der das Gleichrichtungsnetz 2 und das Wär­ mewiderstandselement 3 angebracht werden.

Deshalb muß bei herkömmlichen thermischen Durchflußmengenmes­ sern das Wärmewiderstandselement 3 um einen festen Abstand L vom Gleichrichtungsnetz 2 weg angeordnet sein, wo das Problem einer ungleichmäßigen Strömungsverteilung nicht mehr auf­ tritt. Dies ist ein Hindernis bei der Miniaturisierung des thermischen Durchflußmengenmessers.

Bei den Wärmewiderstandselementen gemäß Fig. 6 und 7 haben Versuche bestätigt, daß der feste Abstand L wenigstens das 20fache der Breite W oder des Durchmessers d des Wärmewider­ standselementes 3 betragen muß. Dabei gehorchen die Maße des Wärmewiderstandselementes 3 folgenden Relationen:

Länge l Breite W Dicke t,
oder
Länge l Durchmesser d.

In der US 4 412 449 ist ein Durchflußmengenmesser für Gase und Flüssigkeiten beschrieben, bei dem ein Wärmewiderstands­ element vorgesehen ist, welches stromabwärts hinter einem Schutzschild und einem Laminator angeordnet ist. Zur Verbes­ serung der Meßgenauigkeit eines solchen herkömmlichen Durch­ flußmengenmessers soll zusätzlich zwischen dem Laminator und dem Wärmewiderstandselement ein Drahtschirm angeordnet oder aber hinter dem Wärmewiderstandselement ein weiterer Lamina­ tor angeordnet werden. Bei einer anderen dort beschriebenen Ausführungsform wird in einem speziellen bienenwabenförmigen Laminator eine Aussparung vorgesehen, in der das Wärmewider­ standselement angeordnet ist, um dadurch die gleiche Wirkung wie mit einem vorgeschalteten und einem nachgeschalteten La­ minator zu erzielen.

Bei der Anordnung gemäß der US 4 412 449 wird zur Verbesse­ rung der Meßgenauigkeit des Durchflußmengenmessers mit dem Prinzip gearbeitet, daß eine Kombination von mehreren gleich­ richtenden Einrichtungen vorgesehen wird. Bei keiner der dort beschriebenen Ausführungsformen wird aber ein spezieller Win­ kel zwischen der Längsachse des Wärmewiderstandselementes und den Mitteln zum Gleichrichten der Strömung verwendet, um die Meßgenauigkeit zu verbessern und eine möglichst kompakte An­ ordnung zu erzielen.

Aus der EP 0 313 089 A2 ist ein Hitzdraht-Durchflußmengenmes­ ser für den Einsatz in einer Brennkraftmaschine bekannt. Dort wird im Ansaugbereich ein spezieller Bypass vorgesehen, wel­ cher in seinem Inneren ein Hitzdrahtelement und ein Tempera­ turkompensationselement aufweist. Der Bypass besitzt dort eine geringe Querschnittsfläche, bezogen auf den Ansaugbe­ reich, und eine Einströmungsöffnung mit einer Glockenform. Durch die spezielle Gestaltung des Bypasses wird eine weitge­ hend laminare Strömung in dem Bereich vor den Sensoren im By­ pass erreicht. Durch eine Vergrößerung der Länge des Bypasses ergibt sich dort eine Strömung, die offensichtlich ausrei­ chend laminar ist, so daß ein separater Gleichrichter offen­ bar entfallen kann. Diese Veröffentlichung macht aber nicht von einem Prinzip Gebrauch, zur Verbesserung der Meßgenauig­ keit einen Winkel zwischen den Drähten eines Gleichrichtungs­ netzes und der Längsachse eines Wärmewiderstandselementes einzustellen.

Aus der GB 2 032 117 A ist eine Durchflußmeßeinrichtung be­ kannt, bei der mehrere gleichrichtende Einrichtungen zur Ver­ gleichmäßigung der Strömung vorgesehen sind, von denen sich in Strömungsrichtung zumindest jeweils eine gleichrichtende Strömungseinrichtung vor und hinter dem eigentlichen Durch­ flußmesser befinden. Als Gleichrichtungseinrichtungen werden dort gitterförmige oder wabenförmige oder drahtnetzförmige Gleichrichterelemente verwendet, die ein bestimmtes Öffnungs­ verhältnis von etwa 20% bis 30% haben, um die Strömung zu vergleichmäßigen. Ferner ist dort angegeben, daß die Öff­ nungsweite der einzelnen Zellen der Gleichrichterelemente im Verhältnis zum Innendurchmesser der Strömungspassage kleiner als 0,2 sein soll. Außerdem ist dort angegeben, daß das Ver­ hältnis zwischen dem Abstand vom Durchflußmesser zum strom­ aufwärtigen Gleichrichterelement und dem Durchmesser der einzelnen Zellen des Gleichrichterelementes in einem bestimm­ ten Bereich von 5 bis 25 liegen soll.

Aus der US 4 433 576 ist ein Durchflußmengenmesser bekannt, bei dem der eigentliche Sensor einen Rahmen aufweist, in wel­ chem ein flächiges Widerstandselement mit einer Mäanderstruk­ tur angebracht ist. An beiden Seiten des Rahmens sind honig­ wabenförmige Gleichrichter vorgesehen, die unter einem be­ stimmten Winkel zur Ebene des Rahmens angeordnet sind, um den Fluidstrom zu teilen und eine Strömung auszubilden, welche das Widerstandselement von beiden Seiten unter einem bestimm­ ten Winkel anströmt. Damit soll ein möglichst schnelles An­ sprechen auf sich ändernde Strömungsmengen erreicht werden. Das Wärmewiderstandselement selbst soll eine geringe Wärmeka­ pazität aufweisen, um Änderungen schnell erfassen zu können. Ein frontales Anströmen des Meßelementes ist dort ebensowenig vorgesehen wie eine bestimmte Orientierung des Gleichrichters bezogen auf die Längsachse des Meßelementes.

Die vorliegende Erfindung dient der Beseitigung des oben ge­ schilderten Problems. Aufgabe der Erfindung ist somit die Be­ reitstellung eines thermischen Durchflußmengenmessers, der miniaturisierbar ist, wobei Änderungen seiner Charakteristik in Abhängigkeit von der Gleichrichtungsnetz-Wärmewiderstands­ element-Anbringung unterdrückt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die Erfindung ein ther­ mischer Durchflußmengenmesser mit den Merkmalen gemäß Pa­ tentanspruch 1 bereitgestellt. Eine vorteilhafte Weiterbil­ dung eines derartigen Durchflußmengenmessers ist im Anspruch 2 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegen­ den Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

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

Fig. 2 die Abhängigkeit der Fläche des Wärmewiderstandsele­ mentes, die dem strömenden Fluid ausgesetzt ist, vom Winkel Θ in der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht eines thermischen Durchflußmengenmessers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und ge­ mäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 und 5 Vorderansichten des Gleichrichtungsnetzes und des Wärmewiderstandselementes bei unterschiedlicher rela­ tiver Anbringung derselben; und

Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen unterschiedlich geform­ ter Wärmewiderstandselemente.

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 bzw. in einer Leitung 1 angebracht sind, dann sind Drähte 2a, die das Gleichrich­ tungsnetz 2 bilden, so positioniert, daß die von ihnen aufge­ spannte Fläche und das Wärmewiderstandselement parallel aus­ gerichtet sind und daß diese Drähte 2a, soweit sie in die eine Richtung des Netzes verlaufen, um einen Winkel Θ zur Längsachse Y des Wärmewiderstandselementes 3 geneigt sind. Ferner ist der Abstand L zwischen dem Gleichrichtungsnetz 2 und dem Wärmewiderstandselement 3 so vorgegeben, daß er klei­ ner als die 20fache Breite W oder der 20fache Durchmesser d des Wärmewiderstandselementes 3 ist. Die übrigen Elemente des Durchflußmengenmessers bei diesem Ausführungsbeispiel ent­ sprechen im wesentlichen denen von Fig. 3.

Gemäß Fig. 2 ist festzustellen, daß sich bei einer Änderung des Winkels Θ zwischen dem Gleichrichtungsnetz 2 und dem Wär­ mewiderstandselement 3 die Fläche der Öffnungen des Gleich­ richtungsnetzes 2 - auf die Oberfläche des Wärmewiderstands­ elementes 3 projiziert - innerhalb eines Θ-Bereiches von 0° bis 10° und von 80° bis 90° stark ändert, während sich die gleiche Fläche innerehalb eines Bereiches von 10° bis 80° nur wenig ändert.

Durch Vorgabe des Winkels Θ zwischen dem Gleichrichtungsnetz 2 und dem Wärmewiderstandselement 3 im Bereich von 10° bis 80° unterliegt also die Fläche der Öffnungen des Gleichrich­ tungsnetzes 2 - auf die Oberfläche des Wärmewiderstands­ elementes 3 projiziert - nur geringen Änderungen bei etwaigen Änderungen der Befestigungspositionen des Gleichrichtungsnet­ zes 2 und des Wärmewiderstandselementes 3. Zur Unterdrückung einer ungleichmäßigen Ausgangsgrößenverteilung thermischer Durchflußmengenmesser ist es nicht mehr erforderlich, zwi­ schen dem Gleichrichtungsnetz 2 und dem Wärmewiderstands­ element 3 einen großen Abstand L vorzusehen. Dies ermöglicht die Miniaturisierung eines äußerst genauen thermischen Durch­ flußmengenmessers.

Claims (3)

1. Thermischer Durchflußmengenmesser, umfassend

• - eine Leitung (1), die ein zu messendes Fluid führt;
• - ein innerhalb der Leitung (1) angeordnetes Wärmewider­ standselement (3);
• - eine elektronische Schaltung (4), die das Wärmewider­ standselement (3) gesteuert mit elektrischer Energie speist; und
• - ein Gleichrichtungsnetz (2) stromauf des Wärmewider­ standselementes (3) zum Gleichrichten der Fluidströmung aus Drähten (2a), die zu einer gitterartigen Struktur verbunden sind,

wobei das Wärmewiderstandselement (3) und das Gleichrich­ tungsnetz (2) parallel zueinander ausgerichtet sind und der Winkel zwischen der Längsachse Y des Wärmewider­ standselementes (3) und den Drähten (2a) des Gleichrich­ tungsnetzes (2) einen Wert Θ von 10° bis 80° hat und wobei das Wärmewiderstandselement (3) und das Gleich­ richtungsnetz (2) sich in einem Abstand L befinden, der innerhalb der 20fachen Breite W oder des 20fachen Durch­ messers d des Wärmewiderstandselementes (3) liegt.

2. Thermischer Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (4) folgendes aufweist:
mehrere Widerstände (5, 6, 7), die zusammen mit dem Wär­ mewiderstandselement (3) eine Wheatstone-Brückenschaltung bilden;
einen mit den Mittelpunkten der beiden Zweige der Wheat­ stone-Brückenschaltung verbundenen Differenzverstärker (8);
einen Transistor (9), dessen Leitvermögen vom Differenz­ verstärker (8) gesteuert wird; und
eine Stromversorgung (10), die die Wheatstone-Brücken­ schaltung über den Transistor (9) mit elektrischer Ener­ gie versorgt.